服裝通風研究現狀及進展

柯 瑩，李 俊，HAVENITH George

(1.江南大學紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122;2.江南大學漢族服飾文化與數字創新實驗室，江蘇 無錫 214122;3.東華大學服裝·藝術設計學院，上海 200051;4.東華大學現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051;5.拉夫堡大學環境工效性研究中心，英國拉夫堡 LE113TU)

服裝通風(clothing ventilation)的概念最早由Crockford于1972年提出，指的是服裝衣下空間(也稱微氣候)與外界環境之間的空氣交換率，單位為L/min［1］。

服裝通風直接影響人體舒適感甚至生命安全。在高溫環境條件下，服裝通風將人體皮膚表面的水分帶出，直接影響人體涼爽感［2］。在低溫環境中，若防護不當，服裝通風可能會造成人體低體溫癥。而在環境污染的條件下，環境污染物會隨著服裝通風進入衣下空間，影響人體健康，甚至可能威脅服用者生命安全［3－4］，因此，服裝通風是服裝評價和設計中的重要參考因素［5］。

國內外學者針對服裝通風開展了大量研究。早期的研究重點是服裝通風的表征即測量方法以及測量系統的研發。在服裝通風可以量化的基礎上，進一步研究服裝通風在熱濕舒適性領域的應用。起初學者的研究主要集中在服裝整體通風，考慮到服裝衣下空間分布和服裝結構設計的局部差異性，近年來，服裝局部通風的研究逐漸受到學者關注。

本文以服裝整體和局部通風為研究對象，分別從服裝通風測量方法、影響因素及其與熱濕舒適性的關系3個方面開展文獻綜述，并探討了服裝通風研究的未來發展方向。

1 服裝通風測量方法及系統

1.1 服裝通風測量方法

服裝通風的測量方法為示蹤氣體法，即用一種擴散性能與空氣接近但更容易觀測的氣體(示蹤氣體)代替空氣，通過監測衣下空間內示蹤氣體濃度變化得到服裝通風值。示蹤氣體法最早在暖通空調領域應用，用于測量房間內的氣體交換［6－7］。常用的示蹤氣體有N2、O2、Ar、CO2等。測量服裝通風的2種基本方法分別由Crockford(CR)等［8］和Lotens＆Havenith(LH)提出［9］，分別簡稱為CR法和LH法，其中CR法又稱非穩態法，LH法又稱穩態法。

1.1.1 CR法

圖1示出CR法測量服裝通風示意圖。選用氮氣作為示蹤氣體。服裝通風的測量分為2步:測量衣下空間體積和衣下空間氣體交換率。

衣下空間體積的測量方法采用真空法。選用一件單層、質輕、寬松、不透的外套罩在被測服裝外面，外套領口處密封。通過布置在皮膚上的管道系統將外套內的空氣抽出，直至其貼服于被測服裝上。繼續抽氣并測量皮膚上的壓力，當壓力值達到－3000Pa(認為此時衣下空間內氣體完全抽出)時停止，這段時間內抽出的氣體體積即為衣下空間體積。

圖1 CR法測量服裝通風示意圖Fig.1 Clothing ventilation measuring system of CR method

將外套取下，采用氣體稀釋法測量衣下空間空氣交換率。將氮氣不斷注入衣下空間并觀測氧氣濃度，直至其降低到10%。此時停止氮氣輸入，觀測衣下空間內氧氣濃度隨時間的變化。Crockford等通過大量實驗得出，衣下空間內氧氣濃度與時間呈指數關系，可以根據這個規律計算服裝衣下空間空氣交換率。

1.1.2 LH法

Lotens和Havenith在重復CR法時發現，衣下空間內氧氣濃度不僅與時間有關，還受其他因素影響。1988年，他們基于質量守恒定律，提出了測量服裝通風的穩態法［9］。圖2示出LH法測量服裝通風示意圖。系統測量基本原理為:示蹤氣體不斷注入到衣下空間內，衣下空間內示蹤氣體濃度不斷升高直至達到平衡，此時由于通風引起的示蹤氣體排出量等于注入到衣下空間內示蹤氣體質量。

圖2 LH法測量服裝通風示意圖Fig.2 Clothing ventilation measuring system of LH method

LH測量系統主要包括3部分:主循環系統、管道系統和采樣系統。主循環系統的作用是實現氣體的不斷循環，將衣下空間內氣體與示蹤氣體混合均勻。管道系統的作用是實現衣下空間內示蹤氣體均勻分布，采樣系統則將氣體輸入到質譜儀中分析。測試過程中主要測量3個指標:主循環系統流量、衣下空間內示蹤氣體濃度、注入到衣下空間內示蹤氣體濃度，并結合空氣中示蹤氣體濃度，直接計算服裝通風。

1.1.3 CR與LH方法的比較

表1示出CR法和LH法的分析結果［10］。可以看出，CR法測量通風時需要測量衣下空間體積，因此較復雜，該方法示蹤氣體消耗量大;而LH法較簡單，只需一步即可測得通風，但示蹤氣體分析儀—質譜儀造價昂貴，測量成本較高。

表1 CR法和LH法的比較Tab.1 Comparison between CR method and LH method

Havenith等又進一步在可重復性、測量有效性及適用性等方面對上述2種方法進行比較研究。證實除非在服裝通風特別大的情況(如網眼面料)，2種方法均可有效測量服裝通風［3］。但是由于CR法需要測量衣下空間體積，耗時長且誤差大。雖然現在可以根據非接觸式三維人體掃描技術和逆向工程技術，對衣下空間體積進行精確預測，但是該方法成本較高［11－12］。

1.2 服裝通風測量系統

基于CR法和LH法，許多學者建立了不同服裝的通風測量系統。根據測量對象的不同，將其分為整體通風測量系統和局部通風測量系統。其中，整體通風的測量對象為服裝整體，而局部通風的測量對象特指服裝某一局部。

1.2.1 服裝整體通風測量系統

基于CR法，分別建立了嬰兒睡袋和雨衣的通風測量系統，并選用氮氣作為示蹤氣體［13－14］。其中，睡袋系統采用真空法測量衣下空間體積。該系統將睡袋的通風量化，可以幫助了解嬰兒的熱量傳遞過程。由于采用真空法測量衣下空間體積，因此也存在耗時且誤差大的缺點。雨衣系統采用圓柱體法測量衣下空間體積。相較于真空法，圓柱體法簡單易行，但是該方法假設人體各個部位為圓柱體，因此也存在較大的測量誤差。

2010 年，Satsumoto 等［15－16］基于 LH 法建立了尿布的通風測量系統，選用CO2作為示蹤氣體。系統基于穩態法，無需測量衣下空間體積，減少了測量時間，同時提高了測量精度，但是該系統在測量時必須精確控制進氣流量和出氣流量相等。實際上，在進行通風測量時，由于分析氣體的釋放以及測量系統的誤差，隨著測量時間的增加，系統流量會不斷發生變化，因此上述條件很難實現。

1.2.2 服裝局部通風測量系統

在整體通風測量系統的基礎上進行改進，構建了多種類型的局部通風測評系統。Ueda［17］等基于CR法于2006年建立了襯衫的局部通風測量裝置，系統可以同時測量服裝前胸、后背和上臂的通風。N2為示蹤氣體，采用圓柱體法預測局部衣下空間體積，因此測量誤差較大。另外，Ueda系統局限于服裝局部通風的測量，如要測量整體通風，需重新設計管道系統。

Satsumoto［15］在尿布整體通風測量系統的基礎上，在4個部位增加采樣管道，從而實現局部通風的測量。系統基于穩態法，無需測量局部衣下空間體積，簡單易行。缺點為整個測量系統只有一個示蹤氣體分析儀，在進行局部通風測量時，8路氣體(4路輸入氣體、4路輸出氣體)只能依次單個分析，不僅增加了測量時間，還會由于分析延誤造成測量誤差。

考慮到Ueda和Satsumoto系統的缺陷，2013年Ke等［18－20］構建了上裝的局部通風測量系統。該系統基于LH法，無需測量衣下空間體積。選用氮氣作為示蹤氣體，4路獨立的測量系統，分別配置1臺氮氣分析儀，可實現同時或單獨測量服裝前胸、后背、左臂、右臂4個部位的通風。另外，還可以根據加權平均法計算服裝整體通風。

由上述分析可知，示蹤氣體法已廣泛應用于服裝整體和局部通風的測量，但應該注意的是，示蹤氣體與空氣存在性能差異。特別是當服裝通風值特別小時，必須考慮這一情況，對測量結果進行修正。

2 服裝通風的影響因素

衣下空間的氣體交換受多種因素的影響，可歸納為4類:面料、服裝、外界環境和人體運動。

2.1 面料

通過面料的氣體交換是服裝通風的主要途徑之一，因此面料透氣性直接影響服裝通風性能。Ueda和Havenith研究了不同的條件(運動條件:靜止或步行;風速條件:無風或1 m/s)下，款式相同但面料透氣性不同的服裝通風變化規律。證實無風靜立和有風步行時，服裝通風性能與面料透氣性呈正比。并指出，在低強度運動下，直接通過面料的氣體交換和服裝開口共同作用，可以適度增加顯熱和潛熱傳遞，使人體保持舒適［21］。

Ke等制作了9件面料透氣性和尺碼不同的工作服，研究在不同的運動和風速下，面料透氣性對服裝前胸、后背和手臂通風的影響。證實服裝局部通風受面料透氣性影響，但二者并沒有顯著的線性相關關系。另外，面料懸垂性直接影響服裝衣下空間形態，因而也會顯著影響局部通風［19］。

2.2 服裝

服裝開口設計和合體性(可用衣下空氣層厚度間接表示)是影響服裝通風的2個重要因素。服裝開口設計直接影響通過服裝開口的對流，而衣下空氣層厚度則直接影響衣下空間內的氣體交換［22］。當衣下空氣層厚度小于1 cm時，衣下空間內氣體交換的主要形式為擴散，而當空氣層厚度大于1 cm時，氣體交換顯著增加，對流成為主要形式［23］。

Ueda和Havenith等［24］研究了不同運動和風速條件下，領口或袖口打開或閉合對服裝通風的影響。結果表明:當領口和袖口打開時，服裝通風顯著增加，但是服裝開口的影響顯著小于面料透氣性的影響。服裝開口和面料透氣性共同作用，影響人體與外界環境之間的熱濕交換。

Ueda等［14］又探究了雨衣背部開口設計對其通風的影響。靜止條件下，背部開口并不能顯著增加服裝通風。而在有風或運動條件下，背部開口設計可以增加風泵效應，從而有助于衣下空間內的氣體交換。

Ke等［18］研究了不同開口閉合條件下，服裝局部通風的變化規律。實驗結果表明服裝開口對局部通風的影響與部位和合體性有關。對于寬松服裝，服裝開口是手臂通風的主要途徑之一，而對于貼體服裝，開口閉合不會顯著影響手臂通風，但會降低后背通風。

2.3 外界環境

環境風可以直接增加通過面料的氣體交換，同時可以改變衣下空間狀態，因此也是影響服裝通風的重要因素。Havenith等［25］證實，當環境風速增大時，服裝整體通風增大，但對于服裝局部通風，環境風的影響則變得很復雜，與面料透氣性、服裝合體性、服裝部位等因素有關。

2.4 人體運動

人體運動特別是步行或跑步時，服裝衣下空間內的空氣受到壓迫排出體外，同時外界空氣也會通過服裝開口進到衣下空間，增加衣下空間與外界環境之間的氣體交換。Havenith等［25－26］比較了不同運動狀態下工作服的通風狀態，指出靜坐時服裝通風最小，其次為站立，步行時通風最大。服裝通風與步行速度呈正比。

服裝通風受多種因素影響，但通常情況下，各個因素相互作用，共同影響服裝通風。研究證實，當步行與風速共同作用服裝通風時，風速越大，則步行對其影響越小。另外，外界風速以及運動對不透氣服裝的通風影響更顯著。對比服裝開口和面料透氣性對服裝通風的影響，后者作用更明顯［27－28］。

3 服裝通風與熱濕舒適性的關系

服裝熱濕舒適性能的評價主要采用Goldman和Umbach提出的五級評價系統。在五級評價系統中，二、三級評價即暖體假人實驗和著裝生理實驗是整個評價系統的核心。暖體假人實驗主要用于測量服裝熱濕阻，對服裝進行生物物理學分析;著裝生理實驗主要量化著裝人體客觀生理指標及主觀生理感受［29］。而服裝衣下空間與外界環境間的氣體交換，影響服裝總熱濕阻以及外邊界空氣層熱濕阻。同時服裝通風性能，還直接影響服用者生理反應及主觀熱濕舒適感。

3.1 服裝通風與熱阻

圖3示出服裝與外界環境之間的氣體交換示意圖。服裝與外界環境之間的氣體交換有3種途徑:一是直接通過面料的擴散，二是通過服裝開口的自然對流，三是通過服裝開口的強制對流。這3種途徑會直接影響服裝總熱阻 (IT)、服裝固有熱阻(Icl)和外邊界空氣層熱阻(Ia)。

圖3 服裝與外界環境之間的氣體交換示意圖Fig.3 Air exchange between clothing and its around environment

Bouskill等選用1件單層、不透氣服裝和1件3層、透氣性服裝，探討了不同步行速度 (0.37、0.77 m/s)和1 m/s風速條件下，服裝通風與總熱阻之間的關系。結果表明服裝通風越大，總熱阻越小，二者呈顯著的線性負相關關系。另外，服裝通風與總熱阻的關系不受面料、服裝設計、運動狀態或風速的影響［30］。

服裝局部通風包括2部分:一部分和整體通風一致，是衣下空間與環境之間的氣體交換;另一部分是服裝各部位之間的氣體交換。只有第1部分的通風會影響服裝熱阻，因此服裝局部通風與局部熱阻之間很有可能存在較復雜的關系。Ke等［18］嘗試探索二者之間的關系，但是并沒有得出規律性結論。主要原因是服裝局部通風產生機制復雜，既有對熱阻造成影響的“有效通風”，也有對其無影響的“無效通風”(即服裝各部位間的氣體交換)。而有關該領域的研究，目前還未見相關成果報道。研究服裝通風機制，即將“有效通風”量化，將是未來的研究方向之一。

3.2 服裝通風與濕阻

服裝通風可以預測服裝濕阻。Havenith等［25］指出，服裝濕阻與示蹤氣體擴散系數和體表面積呈正比，而與服裝通風性能呈反比。

服裝濕阻可以用對流傳熱系數和擴散傳熱系數之和間接表示。其中對流傳熱系數與選擇的示蹤氣體無關，而擴散傳熱系數則直接受示蹤氣體影響。Zhang等指出，采用示蹤氣體法測量服裝通風時，如果通風值很小，說明氣體交換的主要形式為擴散。此時如果利用服裝通風預測濕阻，必須根據示蹤氣體與空氣的擴散性能差異對預測值進行修正。但是如果通風值很大，即氣體交換的主要形式為對流時，二者的擴散性能差異可以忽略［3］。用Havenith方法預測服裝濕阻，更適用于不透氣服裝，因為該類服裝的通風主要通過服裝開口間的對流產生。

3.3 服裝通風與人體生理反應

服裝與周圍環境之間的氣體交換，直接影響服裝衣下空間空氣的熱濕性能。而衣下空間內的空氣狀態反過來又影響服用者的生理反應及主觀熱感覺。Birnbaum［31］指出，100 L/min服裝衣下空間氣體交換可以帶走約27 W/m2的熱量。Bouskill［32］證實，在寒冷環境中從事低強度運動時，由于運動增加的服裝通風可以有效地控制皮膚溫度的增加，但是如果運動引起的服裝通風過大，也可能造成熱應激。

Zhang等［33］通過設計不同領口和下擺開口大小，來調節T恤的通風性能。證實，穿著領口大小不同的服裝時，平均皮膚溫度、衣下空間溫度以及衣下空間濕度都有顯著性差異。

對于服裝局部通風與熱生理反應的關系，有學者也開展了相關研究。Ueda等［17］研究了低強度運動下，前胸、后背和上臂處通風與相應部位出汗率、衣下空間相對濕度之間的關系。結果表明:在服裝前胸和后背處，局部水蒸氣濃度與出汗率的比值與通風存在顯著的線性相關關系。

4 展望

基于服裝通風的研究現狀及其在熱濕舒適性領域的應用，未來有關服裝通風的研究，可以從以下幾個方面開展。

1)研究服裝通風機制。服裝通風主要通過2種途徑:直接通過面料的擴散和通過服裝開口對流。現有的服裝通風測量方法只能得到最終通風值，無法分別將各個途徑產生的通風量化。研究服裝通風機制，可以更好地理解人體熱量散失過程，從而為特殊環境下特種作業服裝的選擇提供更好的建議。對于服裝局部，如何表征影響人體熱濕傳遞的“有效通風”將會是未來重要的研究方向。

2)建立服裝通風與人體生理反應關系的數值模型。服裝通風直接影響人體熱生理反應，有關二者的關系目前只處于實驗研究階段。受實驗條件設定的限制，研究結果往往只適用于一定環境條件下的某類服裝。而數值模擬方法不僅適用廣泛，而且成本低，因此，采用數值模擬方法研究服裝通風與人體熱生理反應之間的關系將會是未來的研究趨勢。

3)基于計算流體力學(CFD)的服裝通風過程動態模擬和預測。衣下空間內的空氣流動是個復雜的過程，而CFD則可以很好預測流場流動。CFD方法已經廣泛地應用在室內房間或大型場所的通風研究［34－35］。將服裝通風過程動態顯示，有助于更好地理解服裝通風機制，從而為服裝面料選擇和開口設計提供科學的參考依據。

4)基于服裝通風的空氣污染物傳播研究。空氣污染是人們普遍關注的熱點問題。服裝衣下空間與外界環境之間不斷進行氣體交換，而環境污染物則會隨著服裝通風進入人體，影響人體健康。研究服裝通風與環境污染物傳播的關系，可為污染物的防御提供選擇和設計方面的建議。

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