通風服裝對人體熱舒適的影響

趙蒙蒙， 宋曉霞

(1. 上海工程技術大學 服裝學院， 上海 201620； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

通風服裝對人體熱舒適的影響

趙蒙蒙1,2， 宋曉霞1

(1. 上海工程技術大學 服裝學院， 上海 201620； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

為研究高溫環境中降溫服裝對人體熱舒適的影響，通過出汗暖體假人實驗和真人著裝實驗分別研究了通風服的熱濕性能以及對人體熱舒適的影響。研究發現：當通風量為0.012 m3/s時，通風系統的引進使服裝的濕阻減小58%。男性受試者穿著通風服在25 ℃、相對濕度50%的環境條件下運動，其局部皮膚溫度、平均皮膚溫度均比風扇未打開時低；其中，胸部和腿部皮膚溫度降低幅度最為明顯;打開與關閉風扇兩種實驗條件下，受試者的局部皮膚溫度以及平均皮膚溫度有顯著性差異。運動20 min和休息20 min后，風扇打開時的平均皮膚溫度比未打開時分別低2.4、0.9 ℃；研究表明該通風服裝可用來作為改善人體熱舒適的服裝雛形。

通風服裝； 濕阻； 熱舒適； 皮膚溫度

服裝通風的概念最早由Crockford提出，指衣下微氣候與外界環境之間的空氣交換，實現皮膚表面與環境之間的熱量交換[1]。在20世紀80至90年代，采用通風系統的調溫服開始應用于軍用領域，主要用于減小軍隊士兵遭受的高溫熱應激[2-3]。美國陸軍環境醫學研究所是該領域的研究主力，通常采用出汗暖體假人實驗或者真人著裝實驗，通過對比穿著調溫服后暖體假人散熱量以及人體核心溫度、皮膚溫度、熱濕感覺等指標評價其對熱舒適的影響[4-7]。

在國內，曾彥彰等[8]研發了一款帶有多個微型風扇的通風服，解決了風扇體積過大的問題，改善了穿著和攜帶的便利性，并通過數值求解和實驗驗證了該通風服的可行性。韓增旺等[9]使用出汗暖體假人，通過對比穿著通風服前后假人皮膚表面溫度、衣內濕度、輸出功率驗證了通風服對于調節人體熱舒適具有較好的應用價值。李珩等[10]通過分析人體-通風服-環境傳熱傳質過程，建立了人體在全身通風條件下的熱濕模型。

筆者前期研究了高溫條件下，穿著通風服對人體熱生理的影響[11]。本文將在前期研究的基礎上，研究常溫條件下，通風服對人體熱濕舒適的影響。研究結果將為高溫環境中個體降溫服裝的發展提供重要的理論指導意義。

1 通風服裝

本文中的通風服由通風系統和服裝組成。通風系統由2個小型風扇、電源、電源連接線組成。電源裝置由4節AA電池組成。電池量滿載時可輸送0.012 m3/s的風量。通過一個大小與風扇吻合的塑料環將風扇固定于服裝上。

服裝為滌棉斜紋梭織面料縫制的工裝短袖，衣身底擺為松緊帶束身款式，如圖1所示。通過在服裝內側縫制貼袋，將電源裝置放置于衣服口袋內。啟動電源裝置上的開關按鈕可使風扇運轉。

圖1 通風服裝Fig.1 Ventilation clothing

通風服主要通過對流和汗液蒸發2種方式提高人體散熱。通風帶來的散熱量[4]可表示為

(1)

式中：Q為通風散熱量，W；ρ為空氣密度，kg/m3;m為空氣質量，kg；Ta和Ts分別為環境空氣和皮膚的溫度，℃；ha和hv分別為干態和濕態空氣的熱焓，kJ/kg;φa表示空氣的相對濕度，%。等式右邊2項分別代表汗液蒸發散熱和對流散熱。

2 研究方法

2.1 通風服濕阻實驗

通過在人工氣候室中，使用出汗暖體假人測量通風服濕阻。氣候室的溫度和濕度分別設定為 34 ℃和60%，風速V=0.4 m/s。

采用恒定皮膚溫度的測量模式，暖體假人表面的溫度設定為Tsk=Ta=34 ℃(Tsk為平均皮膚溫度)，根據下式計算通風服的動態濕阻[12]。

(2)

式中：Ret為濕阻，kPa·m2/W；Psk、Pa分別為織物皮膚和空氣的水蒸氣分壓，kPa;A為織物皮膚的表面積，為0.57 m2;λ為水的蒸發熱，W·h/g；dm/dt為汗液蒸發率，g/h。實驗過程按照ASTM F2371-005《使用出汗暖體假人測量個體降溫服裝散熱率的標準測試方法》進行。

通過實驗測量和計算，風扇未打開時服裝濕阻為0.017 3 kPa·m2/W，風扇打開后服裝濕阻為0.007 3 kPa·m2/W，通風系統的引進使服裝濕阻減小了58%。

2.2 人體著裝實驗

10名男性大學生作為受試者參與了此次的著裝實驗。實驗在溫度25 ℃、相對溫度50%環境條件下進行。受試者穿著通風服在跑步機上以4 km/h的活動強度進行運動，運動20 min后休息 20 min。受試者穿著統一的齊膝運動短褲。使用3M醫用膠布將溫度傳感器(型號285-661, 英國歐時電子元件有限公司(RS)，精度±0.1 ℃)固定于受試者身體左部皮膚表面。測量的部位為人體左胸部(胸點)、左背部(肩胛點)、左手臂(上臂前部)以及左腿部(小腿肚)。

整個實驗過程中采用Labview軟件，測量并記錄受試者各局部皮膚溫度隨時間的變化。

3 實驗結果與分析

3.1 局部皮膚溫度

所有的受試者均順利完成了測試實驗。受試者胸部、背部、手臂以及小腿部的皮膚溫度隨時間的變化如圖2所示。

圖2 局部皮膚溫度隨時間的變化Fig.2 Change of local skin temperature in real time. (a) Chest temperature; (b) Back temperature; (c) Calf temprature; (d) Arm temperature

從圖2可看出，受試者穿著通風服運動，在風扇打開與關閉2種實驗條件下，受試者的局部部位皮膚溫度有明顯的降低。胸部皮膚溫度在運動的前25 min有明顯的降低。由于穿著運動短褲，小腿裸露在外，通風過程中腿部皮膚溫度最低，在30 ℃左右。

3.2 平均皮膚溫度

根據公式(3)[13]，計算可得到受試者平均皮膚溫度Tsk。公式中，平均皮膚溫度Tsk根據胸部皮膚溫度Tchest、小腿肚皮膚溫度Tcalf以及手臂溫度Tarm確定，各部位皮膚溫度的加權系數分別為0.5、0.34以及0.16。

Tsk=0.50Tchest+0.34Tcalf+0.16Tarm

(3)

平均皮膚溫度的變化如圖3所示。可看出，在風扇未打開時，受試者由于運動產熱平均皮膚溫度不斷上升；運動20 min后，平均皮膚溫度達到33.4 ℃；之后，由于人體靜坐休息，平均皮膚溫度有所降低。然而，通風系統的引進，整個運動過程中，受試者的平均皮膚溫度均明顯低于風扇未打開時的平均皮膚溫度。運動20 min和休息20 min后，風扇打開時的平均皮膚溫度比未打開時分別低2.4、0.9 ℃。

圖3 平均皮膚溫度隨時間的變化Fig.3 Change of mean skin temperature in real time

3.3 通風與未通風時皮膚溫度對比

通過SPSS19.0數據分析軟件，比較并分析通風與關閉通風裝置時2種實驗條件下，受試者的皮膚溫度是否有顯著性差異。

采用雙側t檢驗，顯著性水平設置為0.05，選擇運動20 min與休息20 min后各局部皮膚溫度、平均皮膚溫度等生理變量進行分析，如表1所示。可看出，受試者各局部皮膚溫度和平均皮膚溫度在風扇打開與關閉2種實驗條件下，均有顯著性差異(p<0.05)。由此可進一步說明，通風系統的引入，顯著地降低了受試者的熱生理溫度。

表1 打開與關閉風扇時受試者皮膚溫度的對比Tab.1 Comparisons of skin temperatures between fans opened and closed conditions

在前期研究[11]中，在32 ℃、50%相對濕度的環境條件下，受試者穿著通風服、以0.012 m3/s的通風量運動30 min，平均皮膚溫度比風扇未打開時低0.8 ℃;休息30 min后，平均皮膚溫度比風扇未打開時低0.3 ℃。本文實驗在常溫條件，受試者皮膚溫度也有顯著性降低。這說明在服裝中加入通風系統能有效降低人體熱應激，提高熱舒適性。

其次，本文中采用的通風系統，風扇的直徑為10 cm。從人體工學角度來看，該風扇尺寸稍大。可以參考文獻[8，14]的研究，設計多個微型風扇并合理配置與服裝中，以提高服裝的美觀性和功能性。

4 結 論

本文通過出汗暖體假人實驗研究了風扇打開后服裝濕阻的變化，并通過真人著裝實驗測研究了通風系統引進后受試者局部皮膚溫度的變化。研究表明，微型通風系統的引進使服裝的濕阻減小了58%；受試者穿著通風服運動和休息過程中，打開風扇時，其局部和平均皮膚溫度均有顯著性降低。

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Influenceofclothingadoptingventilationsystemonthermalcomfort

ZHAO Mengmeng1,2， SONG Xiaoxia1

(1.FashionCollege,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)

In order to investigate the effect of personal cooling clothing on human body thermal comfort, the influence of ventilation clothing on the evaporative resistance and thermal comfort were studied by sweating thermal manikin and human wear trials. It is found that when the ventilation rate is 0.012 m3/s the evaporative resistance of the clothing is reduced by 58%. The local skin temperatures and the mean skin temperature of the male subjects are much lower when the fans are turned on and the subjects exercised in an environment of 25 ℃ and 50% relative humidity, especially the chest and the calf skin temperatures. Significant difference of the local and mean skin temperatures are observed between the fans on/off conditions. After exercising for 20 min and resting for 20 min, the mean skin temperatures are reduced by 2.4 ℃ and 0.9 ℃, respectively, compared with the fans off condition. The ventilation clothing can be used as a prototype for the improvement of human body thermal comfort.

ventilation clothing; evaporative resistance; thermal comfort; skin temperature

TS 941.731

A

10.13475/j.fzxb.20170303004

2017-03-15

2017-06-22

現代服裝設計與技術教育部重點實驗室(東華大學)開放課題基金項目(2017NO.01)

趙蒙蒙(1985—)，女，講師，博士。研究方向為服裝工效學與生理學。E-mail: mengmengzhao@126.com。