基于生理学的热环境对人体睡眠质量影响的机理研究

A human being spends approximately one-third of his / her life in sleep. Sleep can help people overcome tiredness, and is very important to one’s memory. The influence of thermal parameters in a sleeping environment on the quality of sleep has been gradually understood. Consequently, different thermal environmental control approaches were used to maintain a sleeping environment, so that sleep quality could be assumed thermally comfortable. However, most investigations currently studied the effects of thermal environments on sleep quality through experiments. Therefore, in this proposed project, based on previous extensive related research by the effects of thermal environment on thermal comfort, a thermoregulation model for predicting thermal physiological responses and sleep stages will be firstly developed. Using the thermoregulation model and an experimental station expected to be built up, the coupling process of the effects of thermal environment on sleep quality will be investigated by simulation and experiments. Based on the understanding of the coupling chrematistics between thermoregulation and sleep, a method based on thermal physiological responses will be developed for dynamically supervising sleep state and evaluating sleep quality. The successful carrying out of the proposed project will help achieve better thermal comfort for sleeping persons, and reduced energy use.

热环境对人体睡眠质量影响的强耦合过程的机理吸引了大量研究者开展相应的研究。然而，目前大部分的研究仅关注一个或几个热环境参数对人体睡眠质量影响的实验研究方法，缺乏全面的睡眠热舒适区的建立，且对人体睡眠质量客观评价方法上的研究也存在不足，无法利用实时检测数据对某一个实时点的睡眠状况和睡眠质量做出判断。本项目在学术思路方面结合了传热学与生理学研究的思想理念，从热环境与人体之间的热湿交换和人体热调节理论出发，着重研究人体热调节和睡眠相互作用这一强耦合过程，从理论和实验两方面解释热环境对人体睡眠质量影响的作用机理，建立睡眠环境下的人体热调节模型，创新地提出利用人体热调节所引起的热生理反应参数实时检测睡眠状况和评价睡眠质量的评估方法，从而寻求维持舒适的睡眠环境的节能的空调系统控制方式。本项目也可为试图采用热环境控制手段来治疗人体睡眠障碍的机理研究提供参考。

本项目的研究内容主要包括理论，实验和模拟三个方面的研究内容，取得了一系列的重要成果。首先，在此课题的资助下，建立了睡眠环境下的人体热调节模型，此模型不仅仅可以预测人体皮肤表面温度，核心温度，出汗量等生理参数随恒定的室内环境参数的变化，同时可以预测随时间段变化的室内环境参数对人体睡眠不同阶段（快速眼球运动和非快速眼球运动）和生理参数（体皮肤表面温度，核心温度，出汗量等）的影响。同时，通过此模型预测了人体在不同热环境下的睡眠结构（快速眼球运动和非快速眼球运动阶段交替变化和时间长短），分析了热环境和人体睡眠质量之间的关系，建立了全面的睡眠环境下的热舒适区，给睡眠环境下舒适性空调的设计提供了基础的依据。再次，基于人体热调节所引起的热生理反应参数和睡眠结构的关系的敏感性和关联性分析，本项目初步建立了基于热生理反应参数（核心温度和4点皮肤表面温度）实时检测睡眠状况和评价睡眠质量的评估方法，但是目前此部分工作还没有得到广泛地应用和验证。最后，利用计算流体力学的手段，模拟了不同的外围护结构负荷对睡眠环境下能源利用和热环境的影响，同时对之前关于睡眠环境下工位空调的研究做了进一步的深入研究和探讨。