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本文是针对论文《基于青少年冬季睡眠质量和热舒适的被褥性能评价（Evaluation on the performance of quilts based on young people’s sleep quality and thermal comfort in winter）》的一篇论文解析，该论文于2018年11月发表于《Energy & Buildings》期刊。该研究的作者是He Manchen，Lian Zhiwei，Chen Pin。
本研究以青少年在冬季无采暖床室内的睡眠质量和热舒适 为指标，对三种不同被褥 (白鸭绒被褥、白鹅绒被褥和棉被)的性能进行了评价。对睡眠前后的热舒适和睡眠质量进行主观评价。在整个通宵睡眠期间测量脑电图、皮肤温度和床上气候。主观和生理结果均表明被褥材料对睡眠质量和热舒适有显著影响。鹅绒被在整体睡眠舒适度和睡眠热感觉方面评价最舒适。使用鹅绒被子时，脑电图信号计算的慢波睡眠时间更长，皮肤温度和床上气候较高。结果还表明，皮肤温度存在性别差异。与男性相比，女性的平均皮肤温度 (MST)较高，而足部温度相比 较低，提示女性在冬季睡眠时应注意肢体温度的保持。研究结果表明，鹅绒被使用时睡眠质量和热舒适是最理想的，棉被使用时睡眠质量和热舒适是最不理想的。羽绒被可以保证华东地区冬季无供暖卧室的舒适床气候。结果还显示，较轻的被子满意度较高，说明华东地区的年轻人可能对较轻的被子有偏好。 人们睡觉时常使用被子。睡眠对于人们从一天的身体和心理疲劳中恢复是必不可少的。睡眠时间不足或睡眠质量差都会影响人体健康。睡眠质量差会影响青少年大脑的奖励处理、冒险行为和认知功能。在睡眠时间研究中也发现，较短的睡眠时间与年轻人的肥胖和体重增加有关。前人研究发现，由被子、床垫和睡眠穿着组成的床上用品系统对床上微环境的形成起着重要作用，影响睡眠质量。 睡眠质量还受到其他因素的影响，如 室内环境、人们的健康状况和情绪状态 。然而，当一个人睡觉时盖上被子，被褥系统就将人体与室内热环境相隔离了。与室内温度相比，床上用品微气候对睡眠质量和睡眠热舒适的影响更大。在华东地区无供暖的卧室中，使用更好的床上用品系统来提高睡眠质量和人体热舒适更为实用。出于节约经济的考虑，我国许多地区没有配备政府支持的集中供暖系统。分体式空调的使用频率也相对较低，因为它增加了家庭支出。人们认为空调是主要用于夏季降温，冬季很少使用。总的来说， 非采暖地区 的居民已经形成了自己特有的生活方式，他们已经习惯了凉爽的室内环境，不再频繁地使用空调来调节室内环境。因此，在没有供暖的卧室里，床上用品系统对睡眠质量的影响变得非常重要。床罩和床气候对睡眠质量和热舒适的影响已有研究。 Song等观察到在凉爽环境下睡眠时，被盖体的热感觉对室内温度比面部更敏感，提示床气候在冬季睡眠中的重要性 。 研究结果还表明，适当提高床层温度可以降低室内温度感觉。 Rohles和Munson Deanna研究了被褥系统对睡眠热感觉的影响 。结果表明，他们认为皮肤温度需要高于 34°C才能使睡眠舒适，当人体MST在34.7 ~ 35.6°C之间时，床上微气候温度最好。Wang 等人研究了室内温度分别为10°C、13°C、15°C、18°C和20°C 5种情况下满足冬季睡眠热舒适要求的床上用品微气候温度。他们提出，床上温度30°C – 30.8°C被认为是睡眠期间的舒适温度范围，相应的室内操作温度范围为14.5°C – 17.5°C。床上平均温度为30.4℃时，床上微气候的主观热感觉投票为中性。也有一些研究基于人类睡眠和床上气候来评估褥子或被单的性能。然而，从一篇评述性的文献综述中发现，还没有进行过基于睡眠和热舒适来评价常用被子性能的研究 。毕竟被子作为床上用品系统的重要组成部分，其材料和隔热程度会影响睡眠环境的热舒适程度。同时，由于年龄、性别、地域分布等因素的差异，人们对被子材料的偏好也不同，这可能会影响他们的睡眠体验。因此，本研究通过评估绩效来填补这一空白。 针对冬季无供暖的卧室，根据睡眠质量和睡眠热舒适性，选择三种常用的被子(白鹅绒、白鸭绒、棉被)作为实验材料。在睡眠实验中，采用主观生理学方法对三种被子(白鹅绒、白鸭绒、棉被)进行了评价。基于这种实验，可以在一个地区的典型气候条件下，根据人们的习惯喜好，选用合适的被子材料，来提高睡眠质量和热舒适。 八名没有睡眠障碍的志愿者(四男四女)知情并同意参与此实验。每个受试者都完成了匹兹堡睡眠质量指数(PSQI)问卷，该问卷评估了一个月的睡眠质量和睡眠障碍。如果受试者的PSQI总分> 5，则被认为具有严重的睡眠障碍，他/她将被排除在外。所有受试者均需在上海、江苏、浙江、安徽等华东地区生活2年以上，且对当地气候适应良好。此外，所有候选人都不吸烟，没有高血压、糖尿病、哮喘或慢性感染等病史。8名受试者的信息如表1所示。在实验之前，所有受试者被要求在实验当天避免酒精、咖啡因和剧烈的体育活动。同时，我们在实验前用情绪状态简表对他们的情绪进行了调查，证实他们在三晚的睡眠中没有显著的情绪差异。 棉、羽绒、羊毛等天然纤维材料长期以来被认为是高效的天然保温材料，广泛应用于保暖衣物和床上用品。我们选择了三种棉被， 填充 90%白鸭绒，90%白鹅绒和100%棉。这三种被子被广泛应用于华东地区冬季无供暖的卧室。所有这些被褥都是相同尺寸 (150×210cm2)，使用相同的棉质被套。由于被子材料的填充量会在年内发生变化，所以我们选择了冬季被子产品的常用重量(羽绒被0.9公斤，棉被3公斤)。所有床上用品均由同一厂家提供。该实验于2016年1月在上海的两个睡眠室中进行。室内温度和湿度模拟了上海地区冬季非采暖居室的一般热环境。本研究的环境温度和湿度选择为11°C，45-65%RH。实验采用重复测量设计(在3种不同的条件下重复测量相同的被试)，使得被试人数更少，更有效地抵消了个体差异。此外，在现有的类似睡眠研究中，研究对象的数量从4个到8个不等。因此，本实验共选取8名受试者(4男4女)。每天有2名受试者(1男1女)参加实验。每个受试者分别使用三种被褥在固定的睡眠室内进行三夜睡眠试验。在为期三天的实验中，受试者被要求穿全袖睡衣(长袖长裤，棉含量为10%)。同时，为减小首夜睡眠效应，采用拉丁方设计设计了三个实验条件。 环境温度和湿度由数据记录仪记录，该记录仪内置温度传感器(范围：0-45°C，精度：±0.5°C)和湿度传感器(范围：10-90%，精度：±5%)。两台数据记录器分别放置在床头和床尾，高度均为0.4 m，测量被子下空气的温度和湿度，测量间隔为20 s。这些装置固定在一个合适的支架上，然后缝在床罩的表面。在被子下胸部、大腿和小腿的左右两侧分别设置6个测量点，分别代表床的上部、中部和底部温度。被子包裹着人体，因此形成的微床环境可以看作是人体的比例模型。空气温度被认为等于棉被的内表面温度。因此，平均床层温度(MBT)的计算可以类似于使用面积加权平均法计算的MST。根据各部分所占人体面积与被接触的比例得到权重因子如表2所示。平均床层温度的计算如下式(1)所示。 表 2. 各部分所占人体面积与被接触的比例及权重因子睡眠质量评估分为睡眠平静、入睡容易、醒来容易、醒来后清醒、睡眠满意 5个类别。总体睡眠舒适度采用五分制测量：非常不舒服(−2)、不舒服(−1)、中性(0)、舒服(+ 1)、非常舒服(+2)。夜间热感觉采用7分制测量：冷(−3)、冷(−2)、微冷(−1)、中性(0)、微热(+ 1)、温暖( + 2)、热(+ 3)。对不同材料被子的物理性能和满足度的研究主要包括保温性能、柔软或硬度、厚度和重量四个方面。对于数字的含义，(±2)表示非常，(±1)表示公平，(0)表示正常。较低的分数代表了被子的温暖、柔软、薄、轻的特点。例如，厚度等级的五分制是非常薄(−2)、相当薄(−1)、正常(0)、相当厚(+ 1)、非常厚(+ 2)。采用多导睡眠记录对眼球运动的眼电图(EOG)、下巴肌的肌电图(EMG)和脑波的脑电图(EEG)等生理参数进行客观评估。EMG、EOG和EEG是睡眠状态分类和睡眠过程检查的基础信息。根据2007年AASM睡眠和相关事件评分手册，每30秒对睡眠阶段进行目测评分。 在10秒间隔内，平均皮肤温度(Mean skin temperature, MST)利用局部皮肤温度的平均值乘以各自的权重因子计算，如下公式(2)所示。 每日实验计划如图1所示。每种情况从20:30-7:45持续。受试者到达室内后休息20 min，然后用10 min完成适应后的热舒适评价。接下来，他们被要求在床上停留30分钟，穿着全套的睡衣(长袖，长裤，10%棉)，盖上当晚使用的实验棉被。晚上21:30，对不同材料被子进行了清醒状态下的热舒适评价。然后在21:40应用生理参数探针。最终，八小时的睡眠时间从晚上23:30开始到早上7:30开始。在此期间，连续测量生理参数。醒来后对受试者进行睡眠质量和主观被子性能评价。睡眠期间室内温度保持在11±1℃，床周围湿度保持在55±10%。风速控制在0.2 m/s以下。 对于视觉模拟量表测量的主观数据和生理数据等连续变量，首先进行正态分布检验的显著性分析Kolmogorov-Smirnov测试。然后，对正态分布的数据进行重复测量设计的方差分析和配对样本T检验。非正态分布数据用Wilcoxon符号秩检验进行分析。对于非连续有序变量，采用Wilcoxon符号秩检验。显著性水平设置为0.1 (p < 0.1). 测量的空气温度和湿度在三个实验夜保持 11.52±0.85°C, 58.91±7.52%RH，主要在预期范围内变化。鸭绒、鹅绒和棉绒条件下的夜间室内平均温度也相近，均为11.3、11.5和11.7°C。图2(a)说明在不同被褥下整晚睡眠的热感觉主观评价。受试者被要求回忆他们早上醒来时前一天晚上的热感觉水平。鹅绒被下的热感觉值为中性(−0.2≤PMV≤+ 0.2)，而其他两种被下的热感觉值处于微凉区间，表明鹅绒的保温性能优于鸭绒和棉花。然而，鹅绒材料虽有增强睡眠热感觉和热舒适的作用，但鹅绒与棉质材料的热感觉无显著差异。不同被子材料下的整体睡眠舒适度评价如图2 (b)所示。整体睡眠舒适度具有显著性差异(p < 0.05)，说明被子材料对睡眠时整体舒适度有显著影响。被试在鹅绒和鸭绒条件下分别表现为舒适和基本舒适，而在棉质条件下则表现为不舒适。因此，鹅绒被认为是三种被子材料中最舒适的，而棉花被认为是最不舒适的。鹅绒被子舒适度显著高于棉被(p < 0.05)。在鹅绒和鸭绒条件下也发现了显著差异(p < 0.1)。结合图2 (a)和(b)的显著结果，可以看出整体的睡眠舒适度不仅受保温隔热的影响，还受睡眠体验、偏好等影响，而这些都可以被被子本身的物理性能所改变。 被褥性能的主观评价包括 保温性能、柔软或硬度、厚薄度和重度 四个方面。如图 3所示，分数越低表示被子越温暖、柔软、薄、轻。在保温性能方面，鹅绒的保温性能优于鸭绒，棉的保温性能最差;在柔软程度上，鹅绒被最柔软，鸭绒被处于中等水平，棉绒被最坚硬。鹅绒与棉花间差异显著(p < 0.1);在厚度指标上，鹅绒被最薄，棉被最厚。棉质条件下比羽绒条件下显著厚(p < 0.1);在权重指标方面，三种情况下的结果差异较大，表明更换被子材料对被试被子重感有显著影响(p < 0.05)。被试感觉棉被比鹅绒被重(p < 0.05)，鸭绒被重(p < 0.1)。鹅绒被评价为最轻的材料，其次是鸭绒(仍然很轻)，而棉花被报告很重。综上所述，鸭绒被褥和鹅绒被褥具有保温性好、柔软、薄、轻等特点 。 重量满意度结果如图4所示。鹅绒被的体感重量满意度最高，棉被最低。37.5%的被试对轻质鹅绒材料表示满意，10%的被试对轻质鹅绒材料的重量表示不满意。对于棉被，没有人感到满意，甚至有12.5%的人对棉被的重量感到不满意。棉被与鹅绒条件下的体重满意度显著增加(p < 0.1)，说明华东地区年轻人对较轻的棉被有偏好。 非快速眼动 (NREM)睡眠与快速眼动(REM)睡眠重叠期包括通宵睡眠。NREM睡眠又细分为N1、N2和N3阶段，随着睡眠次数的增加，睡眠深度也逐渐增加。快速眼动睡眠指的是眼睛的快速运动全身肌肉张力低。Hobson等人的研究也发现，REM睡眠与夜间做梦密切相关。N3阶段睡眠 通常是指慢波睡眠 (SWS)或深度睡眠 ，在 0.5 ~ 2hz范围内存在至少20%的δ波。它的主要作用是使人体从生理和生理疲劳中恢复过来，是评价睡眠质量使用最广泛、最准确的客观指标 。另一个反映睡眠质量的常用指标是 睡眠开始潜伏期 (SOL)，它是完成从完全清醒到睡眠的过渡所需的时间长度。 每一个睡眠阶段的时间百分比如图 5所示。由此可以得出结论，被子材料的变化对睡眠阶段的变化有显著的影响。REM阶段，鸭绒和鹅绒条件下REM比例相等，从羽绒被到棉绒条件下REM比例略有增加。N1期睡眠所占比例，棉绒条件最大，鹅绒次之，鸭绒条件最小。慢波睡眠时， N3期睡眠比例随棉绒、鸭绒、鹅绒条件的变化而增加。鹅绒条件下 SWS最长，棉花条件下SWS最短。鹅绒条件与棉花条件差异极显著 (p < 0.01)。鸭绒条件与棉花条件也存在显著差异(p < 0.1)。因此，棉被材料由棉被改为鸭绒被时，SWS的比例也显著增加(p < 0.1;p < 0.01)。然而，三种情况下的睡眠开始潜伏期是相似的，没有显著差异。 图 6显示了整个晚上的平均皮肤温度。可以看出，鹅绒被下的 MST在整个夜间最高，鸭绒被次之，而棉被下的MST比羽绒条件下低0.5℃左右。三种不同被子的 MST在整个睡眠期间的变化规律相似，关灯后MST迅速增加，90分钟后达到峰值，然后有小的波动。三种不同材料的MST如图7 (a)所示。随着棉被材料从棉花到鸭绒和鹅绒的变化，平均皮肤温度显著升高。棉质组的皮肤温度显著低于其他组 (p < 0.1;p < 0.05)。图8 (b)显示三种情况下男性和女性的MST。两种材料的MST变化趋势相似， 由鸭绒到鹅绒的变化幅度略有上升，在棉质条件下则急剧下降。然而，男性的皮肤温度似乎高于女性。棉绒和鹅绒条件下的 MST也有显著差异(p < 0.05)。图 8 (a)显示了睡眠期间7个局部皮肤温度(前额、胸部、前臂、手、大腿、小腿和脚)的平均值和显著性分析结果。结果表明，被子材料的显著变化影响了这些局部皮肤温度，皮肤温度的变化趋势相似。在低温睡眠环境下，鹅绒条件下的皮肤温度最高，但胸部和前臂的皮肤温度略低于鸭绒条件下。然而，最低的皮肤温度总是发现在棉被条件下。鹅绒被和 棉被除前额部位外，其他部位皮肤温度均有显著差异。同时，胸部和手部皮肤温度从鸭绒状态到棉质状态均显著降低。 图 8.（a）睡眠期间7个局部皮肤温度的平均值和显著性分析结果图 8 (b)进一步揭示了三种被子下局部皮肤温度的性别差异。局部皮肤温度的结果表明，男性的手、小腿和脚等四肢温度较高，而躯干温度低于女性 。足部温度的性别差异显著 (p = 0.061, p < 0.1)。在三种材料的比较中，鹅绒被温度最高，鸭绒被次之，棉被温度最低 ，除前臂部位外。对男性而言，在三种条件下，大腿处的温度是不同的。从棉被到羽绒被，男性手部温度显著升高 (p < 0.05;p < 0.1)。对女性而言，羽绒被与棉质状况在胸部出现显著差异(p < 0.01;p < 0.1)。棉绒和鹅绒材料的变化均显著提高了两性足部温度(p < 0.05;p < 0.1)。根据需要的测点温度和计算公式，可得到受试者局部床温和平均床温，如图 9所示。局地和平均床温度的变化过程相似。鹅绒是最温暖的被窝环境，而鸭绒和棉被则是最凉爽的被窝环境。 在床的局部温度方面，鹅绒和棉花的床中部和床底温度差异显著 (p < 0.001)。平均床温与其他两种情况相比，使用鹅绒被子显著提高了床上热环境温度 1.4℃，表明鹅绒在这种凉爽的睡眠环境下具有良好的保温性能。在性别差异上，男女 MBT基本与MST呈一致的变化趋势。然而，观察到一个有趣的结果。虽然女性的 MST高于男性，但MBT低于男性。MST减去MBT的值如图10所示。可见，从测量的皮肤温度到测量的床温，女性的下降幅度显著大于男性(p < 0.1)。这种现象可以解释为 女性的床比男性含有更多的空气，从而导致女性床的下身契合度较低。 睡眠中的热舒适与床上的微气候直接相关，仅次于环境条件。 使用合适的被子材料，可以满足人们在较低的环境温度下的睡眠。Song等人的研究表明，睡眠舒适度需要皮肤温度高于34°C。 人体MST在34.7 ~ 35.6℃之间时，床层微气候温度最适宜。 Lan等人还提出了一个评估睡眠者热中性的两部分模型。他们证明34.6°C是睡眠时最舒适的MST。我们的结果如图7 (a)显示，MST的鸭绒和鹅绒条件分别为34.28°C和34.32°C，是略低于之前研究的最佳睡眠舒适区，但都高于睡眠的舒适要求34°C，而棉花的MST没有达到。在床上气候评价方面，Okamoto等人发现，当室内操作温度为14.5°C – 17°C时， 床上温度30-30.8°C被认为是睡眠期间的舒适温度范围。 由图9可知，鹅绒被下的MBT为30.5°C，正好在舒适范围内，明显高于棉被1.3°C。同时，Nakamura 等人提出的PST-WPD模型表明，当室内温度为1 ~ 12℃时，舒适床的温度为32 ~ 32.4℃，整体百分比不满意值小于15%。在本实验中，鹅绒被的上、中侧床温均达到该值。鸭绒条件下的床上温度和床中央温度也接近，而棉花条件下的床上温度最低。但三种情况下的MBT均不满足要求，这可能是由于低床温是小腿位的结果，而小腿位可能受到被试蜷缩睡姿的影响。总体而言， 在华东地区，羽绒被在不供暖的卧室等凉爽的睡眠环境下，相对于棉被，可以保证更舒适的床上微气候。 本研究中另一个重要的观察结果是， 主观评估和客观脑电图测量所显示的睡眠质量和舒适度对睡眠质量和舒适度有很大的影响。 图5的EEG测量和图2的主观结果表明， 鹅绒状态下N3持续时间最长，睡眠舒适度最高，而棉质状态下N3所占比例最小，睡眠舒适度最不理想。 这种效应的部分原因可能是由于测得的皮肤温度随棉被的变化而增加。根据被厂提供的羽绒和棉坯的实测物理性能如表3所示。可以明显地发现， 羽绒的保温性能远优于棉花 。鹅绒和鸭绒的高隔热性能为受试者在非加热环境下创造了热中性和热舒适的床微环境。反之，令人不适的寒冷微气候会减少热量的产生。此外，相对较低的床上微气候会增加肌肉活动，加速SWS向浅睡眠的阶段过渡。另一方面，由于华东地区的年轻人对被子更轻、更薄、更柔软的心理满意度较高，N3睡眠阶段的延长可能与鹅绒状态下更放松、更享受的睡眠体验有关。因此， 使用鹅绒被时睡眠质量最好，使用棉被时睡眠质量最差。 图 7（b）中的性别差异结果表明，女性的 MST高于男性。此外，图 8 (b)中的局部皮肤温度结果表明，男性四肢(如手、小腿和脚)的温度较高，但躯干温度较低。与男性相比，女性在非加热环境下使用同一种热阻被子时，皮肤温度分布不均匀，更容易感到寒冷不适。基于以上讨论，在这样的低温环境下，女性的床气候需要比男性更温暖，才能达到热舒适 。采用高绝缘的女性被褥材料，可以按性别合理设计被褥。同时，女性在冬天睡觉时，可以多注意局部取暖的方式来保暖四肢。 Lan等人对局部身体降温的研究发现，背部和头部降温可以有效地保持良好的睡眠，提高热环境下的热舒适度。对女性来说，在凉爽的睡眠环境中，足部加热也可能是提高睡眠质量和热舒适的有效方法。在中国东部地区，由于人们的生活习惯和节约的目的，冬季也很少使用暖气，因此在没有暖气的卧室里，凉爽的睡眠环境是很常见的。因此，床品在该地区非常重要。通过模拟冬季无采暖卧室的热环境，以青少年睡眠质量和热舒适为指标，对三种不同被褥的性能进行了评价，得出以下结论 1.在客观数据中， 鹅绒状态下慢波睡眠所占比例最大。在主观问卷中，鹅绒被的整体睡眠舒适度最高。结果表明，鹅绒被子使用时睡眠质量最好，棉被使用时睡眠质量最差。 2 .不同的被子材料对被褥的热舒适性有一定的影响。鹅 绒的高绝缘性能保证了睡眠时的中性热感觉和高热舒适。同时，在体重方面，对羽绒被状况的满意度明显较高，说明华东地区的年轻人对轻薄的羽绒被更加满意。 3. 在凉爽的睡眠环境下发现了性别差异。 男性的平均皮肤温度低于女性。男性的四肢皮肤温度较高，躯干温度较低。女性足部温度较低，提示其在冬季睡眠时需注意局部取暖。此外，从平均皮肤温度到平均床温的下降，女性显著大于男性。 4. 随着材料从棉花到羽绒的变化，平均皮肤温度显著升高。 羽绒被的平均皮肤温度为 34.3°C，高于34°C的舒适睡眠要求，而棉被则达不到。
He MC , Lian ZW , Chen P . Evaluation on the performance of quilts based on young people’s sleep quality and thermal comfort in winter[J]. Energy and Buildings, 2018, 183: 174-183.
李 恒 教 授 香港理工大学
叶 贵 教 授 重庆大学
卢昱杰 教 授 同济大学
廖彬超 副教授 清华大学
陈嘉宇 副教授 香港城市大学
韩 豫 教 授 江苏大学
崇 丹 副教授 上海大学
付汉良 副教授 西安建筑科技大学
付汉良 副教授
侯彩霞 副教授
王萌萌 博士后
郭晓彤 博士后
本篇文章来源于微信公众号：神经工程管理
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