基于人體睡眠熱舒適的風扇控制策略研究

張悅 喻偉 閆可

重慶大學土木工程學院

人的一生中，睡眠占據了大約三分之一的時間，睡眠質量的好壞與人體的生理及心理健康都息息相關[1]。在晝夜節律作用下，睡眠本身的熱生理參數，包括皮膚溫度 SKT（Skin Temperature），人體核心溫度CBT（Core Body Temperature）和代謝率 M（Metabolic rate），都遵循著先升高、后降低、再回升的大致規律[2-7]。在偏熱環境下，人體核心溫度CBT 維持在比中性狀態下更高的水平 [8-10]，會對第二天的精力造成不可挽回的損失，而吹風可以顯著改善人體的睡眠熱舒適。本文就如何提升風扇在睡眠吹風過程中的舒適性從優化風扇的控制策略方面進行了舒適風速區間和動態吹風策略的研究與探討。

1 研究方法

1.1 實驗平臺及儀器

實驗在重慶大學人工氣候室開展[11]，本研究主要考慮落地扇氣流對人體舒適影響，所以背景環境采用頂部孔板送風，控制氣流速度小于 0.1 m/s，整個環境無明顯氣流流動。

實驗用到的測試儀器主要包括測試風扇流場風速和人體生理參數等的儀器。風扇的風速采集使用萬向微風速監測系統，采集頻率2Hz。受試者整晚睡眠過程中局部皮膚溫度使用MP150 主機、皮膚溫度信號放大模塊及配套的溫度探頭進行采集。受試者整晚睡眠過程的睡眠質量采用睡眠手環進行監測。與評判睡眠質量的金標準PSG 相比，手環通過監測受試者夜晚的脈搏與體動數據來判斷受試者的睡眠進程，具有更加輕便、不干擾受試者睡眠等優點，并且數據與 PSG 的吻合度可達 0.69[12]，可以為實驗結果的判定提供有效的支撐。

測試中所用風扇為某正規高銷量品牌下的 9b 家用落地扇產品，風扇共 26 檔位，實驗對涉及的檔位風速都進行了風速測量。

1.2 實驗方案

本研究主體分為兩個部分，前期進行人體臨睡狀態下（即躺休狀態）的吹風熱舒適實驗，躺休狀態（0.8met）與睡眠狀態（0.7met）下的人體代謝率等生理參數最為接近 [13]且受試者仍能清晰地反映吹風過程中的各項主觀熱舒適指標。后期進行整晚睡眠狀態下的吹風實驗收集受試者的整晚皮溫變化規律再結合前期的熱舒適實驗結果設計出優化吹風策略并進行優化效果驗證。

1.2.1 臨睡狀態熱舒適實驗方法

本實驗受試者均為在校大學生，男生 6 名，女生6名，均為自愿參與實驗。招募前先口頭問詢受試者是否身體健康，有無睡眠障礙或影響睡眠的疾病，以及有無抽煙、酗酒等不良習慣。對符合前述要求的志愿者再采用匹茲堡睡眠指數量表（PSQI）[14]考察其近一個月的睡眠質量，累計得分越高表示睡眠質量越差，剔除總分高于8 分的志愿者。

表1 臨睡與睡眠狀態下受試者基本信息

實驗時受試者身穿統一購買的短袖和短褲睡衣，席子為藤席，被子為夏涼被，根據文獻可估算此床褥系統的熱阻為1.64clo 左右[15]。

臨睡狀態下的吹風實驗選取了 28 ℃、30 ℃、32 ℃三個溫度水平和 50%、80%兩個濕度水平，共組合為 6種工況，涵蓋了中性到熱的較大范圍。每種工況對應四個不同的吹風檔位，分別為受試者在預實驗中主觀選擇的由最低可忍受和最高可忍受吹風感強度的四檔風速，具體工況和風速值如表2 所示，所有風速值測點均為床中軸線上距離床尾0.2 m 處，大致為受試者平躺在床上時腳部的位置，距離風扇軸心水平距離為1.2 m。

表2 臨睡狀態實驗工況

臨睡狀態下的吹風熱舒適實驗要求受試者在實驗前24 h 內不能進行劇烈運動，實驗當天受試者需提前 30 min 到達實驗室，更換統一著裝、配合測試人員在局部粘貼皮溫探頭、佩戴好手環，之后保持靜坐，盡可能減少試驗前階段外環境對正式實驗的影響。隨后受試者進入氣候室平躺在床上開始正式實驗，受試者首先需要在無風狀態下平躺穩定 20 min，然后立即填寫主觀問卷。填寫完成后開啟風扇，并要求受試者立即填寫吹風后的問卷，在完成第一種風速吹風20 min后，受試者開始第二次問卷填寫，隨后關閉風扇。受試者繼續平躺恢復20 min 左右，之后進入下一檔風速的實驗。風扇布置在距離床尾1 m 處，吹風方向為由腳到頭吹。

1.2.2 不同吹風條件下的整晚睡眠實驗

整晚睡眠實驗主要分為兩個部分，前期所有受試者需進行一組自然無風工況下的整晚睡眠實驗用以收集皮膚溫度在晝夜節律下的變化規律，每位受試者分別進行適應工況和自然工況兩晚實驗。后期結合皮溫規律以及臨睡實驗的結果設計一組優化吹風策略，并以穩態吹風為對照進行整晚睡眠狀態下的吹風優化效果驗證實驗，每位受試者分別進行適應工況、穩態吹風工況、優化策略吹風工況三晚睡眠。由于實驗室環境與受試者平時的睡眠環境不同，適應工況的設計是為了防止由于受試者對陌生環境的不適應對實驗結果造成干擾，且適應工況所得數據不納入分析，具體工況見表3。

表3 優化驗證實驗工況表

實驗的 12 名受試者與臨睡狀態下的實驗受試者保持一致，以減小受試者差異對實驗造成的影響。實驗時受試者著裝與床褥等均與臨睡狀態下的吹風實驗保持一致。

根據前期對受試者的睡眠習慣調查，實驗設定晚00:00 到早08:00 為睡眠時間。實驗要求受試者在實驗前24 h 內不能進行劇烈運動，實驗當天受試者需提前30 min 于當晚 23:10 到達實驗室，更換統一著裝、配合測試人員在局部粘貼皮溫探頭、佩戴好手環，之后保持靜坐，盡可能減少試驗前階段外環境對正式實驗的影響。隨后受試者于23:40 進入氣候室平躺在床上開始正式實驗，受試者首先需要在無風狀態下平躺穩定20 min，然后于 23:55 進行 5 分鐘的睡前主觀問卷填寫。填寫完成后測試人員打開風扇調到對應的吹風模式后關燈，受試者進入睡眠實驗。早上08:00 時測試人員開燈喚醒受試者，5 分鐘后受試者根據睡眠過程中的感受和回憶填寫睡醒后的主觀問卷。填寫完成后，受試者拆卸儀器并更換服裝離開。

1.3 數據分析方法

本研究中數據分析主要用到了回歸分析法和單因素方差分析法，其中回歸分析主要用于風速與熱感覺的關系擬合中，以求出對應工況下滿足人體熱舒適的風速大小。方差分析主要用于檢驗優化驗證實驗所得數據的差異性是否顯著有意義，能否代表工況不同工況對于受試者睡眠質量的影響。本研究中所有的分析計算均利用IBM SPSS Statistics 21 統計分析的軟件完成。

2 臨睡狀態熱舒適實驗結果及分析

根據 12 名受試者在臨睡狀態的不同工況下吹風后填寫的主觀問卷結果顯示，1 00%的受試者認為在30 ℃/50%環境工況下吹風可以滿足整晚睡眠時能夠入睡的熱舒適性要求，為了保證后續整晚睡眠實驗的順利進行，筆者選取了 30 ℃/50%作為后續整晚睡眠實驗的背景工況，此處只給出30 ℃/50%工況下的熱舒適實驗結果分析。實驗室的溫度控制精度±0 .3 ℃，濕度的控制精度±5 %[11]。

熱感覺是人體對周圍環境是“ 冷”還是“ 熱”的主觀描述。圖1 給出了 30 ℃/50%工況下臨睡狀態吹風實驗中受試者的熱感覺投票均值。從圖中可以看出，在同一背景工況下隨著風速的增加受試者的熱感覺投票明顯減小，表明風速的增大可以有效改善受試者在偏熱環境下的熱舒適感覺。

圖1 30 ℃/50%工況下受試者臨睡實驗熱感覺投票變化

筆者進一步將受試者的熱感覺與對應的吹風進行回歸分析，如圖 2 所示，圖中陰影部分表示ASHARE 和GB/T 50785-2012 推薦的人員可接受的舒適區間TSV 屬于（-0.5,0.5）[16]。

圖2 30 ℃/50%工況下熱感覺與風速的擬合結果

由圖 2 可見，當環境溫度為 30 ℃、相對濕度RH=50%時：

從擬合的結果來看，在 30 ℃/50%工況下，通過改變吹風風速可以有效地使受試者的熱舒適感達到可接受的舒適區間。根據擬合公式計算可得，在 30 ℃/50%工況下受試者達到熱舒適區間所需的風速范圍為[0.15，1.97]m/s，T SV=0 時所需的風速為v=0.8 m/s。

考慮到臨睡工況下的實驗皆為短時吹風，相較于長時吹風來說所能接受的風速上限高，所以選擇臨睡狀態下的中性風速v=0.8 m/s作為后續整晚睡眠實驗時的最高風速值。

3 整晚睡眠吹風實驗的結果及分析

3.1 自然工況下的整晚睡眠實驗

這一階段實驗的目的主要為監測受試者在晝夜節律作用下皮膚溫度的整晚變化規律，由于夜間受試者的翻身等動作可能導致部分探頭的脫落，脫落探頭所得數據明顯異于正常皮膚溫度，剔除這部分數據后將所有受試者的有效皮膚溫度數據取均值處理，并作出皮溫在整晚睡眠過程中的變化曲線圖，如圖3 所示。

圖3 自然工況下整晚睡眠皮溫變化曲線

由圖 3 可以看出，皮膚溫度在夜間大致經歷了先升高后降低再回升的變化過程，與文獻中所述的晝夜節律相吻合。根據皮膚溫度在整晚變化的大致走勢，筆者將其劃分為五個階段，如圖 4 所示。00:00～01:00階段內，皮溫主要呈上升趨勢，在 01:00 時到達峰值。01:00～03:0 階段內，皮溫主要呈下降趨勢,在三點出現一個下降階段的最小值。03:00～05:30 階段內，皮溫處于相對穩定階段，浮動不大。05:30～07:00 階段內，皮溫又出現小幅度上升，在 07:00 時達到回升的峰值。07:00～08:00 階段內，皮溫相對穩定。

圖4 自然工況下整晚睡眠皮溫階段劃分

3.2 優化吹風策略設計結果

基于上述皮溫的整晚變化規律以及臨睡狀態熱舒適實驗的結果，筆者設計了整晚仿睡眠節律變化的變風速吹風策略，劃分為高、中、低三段式吹風。根據前述 TSV 與風速的擬合結果，在 30 ℃/50%工況下，最高風速應為 TSV=0 時所需風速v=0.8 m/s。最小風速本應為TSV=0.5 時所需風速v=1.5 m/s，但根據風速測定，在本實驗條件下該風扇到達人體的最小風速只能達到0.3 m/s左右，故選擇v=0.3 m/s作為睡眠階段的最小風速，并選取最大最小風速的中值v=0.55 m/s作為中檔風速。故仿睡眠節律變化的優化吹風策略的各階段風速變化曲線如圖5 所示。

圖5 優化策略風速變化圖

3.3 優化效果驗證整晚睡眠吹風實驗結果及分析

3.3.1 主觀問卷分析

在整晚睡眠結束后，要求受試者在起床5 分鐘內根據前一晚的睡眠感受或者回憶來填寫睡眠質量的主觀問卷調查表，根據 Iole Zilli[17]的研究將睡眠質量調查問卷進行部分改動后如表4 所示，調查共4 個問題，共有5 個水平，水平越高代表睡眠質量越好。

表4 睡眠質量問卷調查表

如圖6 所示，給出了上述主觀問卷的分析結果，由圖可看出入睡難易程度、醒來難易程度、醒來頻率、睡眠滿意度四個指標均顯示在 30 ℃/50%背景工況下使用優化策略吹風的主觀評價要優于穩態吹風工況，其中入睡難易程度、醒來頻率、睡眠滿意度三個指標的變化較為顯著。這表明，從受試者的主觀感受上已經驗證了優化策略的有效性，優化吹風策略顯著提升了受試者的睡眠質量。

圖6 睡眠質量主觀問卷結果

3.3.2 受試者的手環數據分析

在整晚睡眠實驗中，Fitbit 手環所輸出的數據包含受試者睡眠過程中的清醒期（WASO）、快速眼動期（REM 期）、淺睡眠（N1 期 +N2 期）、深睡眠（N3 期）的具體時長。根據這些基礎數據，可以計算得到受試者的臥床時長（TST），睡眠效率（SE）、入睡潛時（SOL）、REM 期占比、N3 期占比。計算公式如下所示：

上述指標中，S E 越高、R EM 期占比越高、N 3 期占比越高、S OL 越低則代表睡眠質量越好，反之睡眠質量越差[18]。表 5 和6 中分別給出了所有受試者在穩態吹風工況下和優化策略吹風工況下整晚睡眠的各項數據。

表5 手環原始數據統計表

表6 睡眠質量評判指標均值計算表

從上述結果可看出，各項評判指標均顯示在 30 ℃/50%背景工況下使用優化策略吹風能夠顯著提升受試者的睡眠質量，這與受試者的主觀問卷分析結果相吻合。其中受試者的睡眠效率指標提升3.24%、深睡期占比提升 3.59%。這一結果表明此優化吹風策略達到了設計的預期效果，也一定程度上驗證了夜晚仿睡眠節律變化的變風速吹風這一優化思路的正確性。

4 結論

本項目挑選了在校大學生作為受試者先后進行了臨睡狀態下的睡眠吹風實驗與整晚睡眠吹風實驗，通過監測受試者的皮溫，手環等數據以及受試者的主觀熱舒適感覺，對傳統的風扇吹風模式進行了策略優化和效果驗證，分析與討論后得出了以下結論：

1）通過受試者在臨睡狀態各工況下吹風后的主觀反饋，筆者統計得出了 30 ℃/50%工況下最易入睡的結果，并將此工況作為整晚睡眠實驗的典型工況。

2）通過探究受試者在臨睡狀態下的熱感覺與吹風風速的關系，得出了30 ℃/50%工況下風速與熱感覺的擬合關系，擬合式為。

3）基于人體夜間睡眠的生理節律和熱感覺與風速的對應關系筆者設計了一組優化吹風策略，并通過與穩態吹風的整晚睡眠對比實驗驗證了其有效性——即此優化吹風策略可顯著提升受試者的夜間睡眠效率和深睡期占比等指標，提升率分別達到 3.24%和3.59%。

在本項目中，筆者通過上述研究所提供的優化策略對于提升風扇的利用率和風扇的吹風舒適度都有積極作用，但本項目只進行了一種優化策略的探究，結論較為局限。根據研究結果來看，風扇在特定的溫濕度工況范圍內確有較大的利用潛力，其利用空間仍有待開發。