多孔式通風服衣下空氣層的定量研究

錢 靜， 趙蒙蒙， 黨天華

(上海工程技術大學 紡織服裝學院， 上海 201620)

通風服是指在炎熱的環境中，通過在服裝與人體之間的微環境內強制通風加快衣下空氣層內氣體流動，從而改善人體舒適性的服裝。服裝衣下空氣層對于通風服的散熱降溫性能具有重要影響[1-2]。人體皮膚與衣服內表面之間氣隙的大小和分布，可極大地改變服裝衣下微氣候以及流動范圍內的熱量和質量傳遞[3-5]。受織物性能[6-8]、服裝款式[9]、身體姿勢[10]和運動[11]等因素的影響，衣下空氣層的厚度及其分布并不均勻[12]。

Lee等[13]通過相移摩爾形貌法作為三維掃描工具來定量測試服裝微氣候的空氣體積。Psikuta等[9]對一系列緊身和寬松服裝款式進行測量，對人臺和著裝人臺模型進行三維掃描，并通過三維掃描后處理確定其表面之間的距離；之后提出了一種評估2種類型三維掃描儀精確度的方法，進一步拓展了三維掃描儀及其后處理方法在服裝測量中的應用，如測定用于試穿、防護和功能性評價的服裝的空氣層厚度和接觸面積[14]。Kim等[15]利用三維人體掃描儀圖像來確定服裝局部和整體的空氣層分布，并對單層和多層服裝系統的空氣層尺寸進行量化，認為三維人體掃描儀能夠提供人體表面的精確圖像。在測量服裝衣下空氣層時，三維人體掃描法能夠更加真實地反映服裝衣下空氣層分布的情況并具有較好的可重復性[12,14,16]。將三維人體掃描技術應用于服裝研究領域，可對空氣間隙厚度和接觸面積分布進行詳細的可視化和量化[17]。

在之前針對服裝衣下空氣層進行的研究工作中，并未考慮在服裝內部施加強制通風的情況。本文研究基于三維人體掃描法，評估了通風服風扇風速和開口面積與通風服衣下空氣層體積和平均空氣層厚度的關系，然后針對胸部及腰部這2個特征較為明顯的部位，分析了空氣層的分布特性，為通風服裝的設計和熱舒適性能的改善提供依據和參考。

1 人體掃描實驗

1.1 通風服設計

本文實驗所使用的通風服為長袖夾克，其背部有2個直徑為10 cm的風扇。長袖夾克的面料為棉/滌綸(91/9)斜紋機織面料，尺寸為：胸圍 108 cm、 肩寬44 cm、袖長57 cm、腰圍72 cm、臀圍102 cm。 2個風扇由4節2 300 mA的 AA 電池供電。打開風扇電源，使用Kanomax 6606熱式風速儀測量風扇風速，每個檔位重復測量 5次， 得到高檔和低檔的平均風速分別為5.0和 3.8 m/s。 選取5款大小和款式都相同的服裝,但其開口位置在不同的軀干部位，開口位置和大小分別為：款式A無開口，款式B背部有6個直徑為10 mm圓形開口，款式C背部有6個直徑為5 mm圓形開口,款式D正面左右、背部各有6個直徑為10 mm圓形開口,款式E正面左右、背部各有6個直徑為5 mm圓形開口，如圖1所示。

圖1 服裝的款式及開口方式示意圖Fig.1 Picture of clothing style and opening pattern. (a) Style A; (b) Style B; (c) Style C; (d) Style D; (e) Style E

1.2 三維掃描儀

本文使用的博克人體三維掃描儀由紅外攝像頭和紅綠藍三原色(RGB)攝像頭組成的體感器作為掃描組件，對人體進行無接觸掃描測量，如圖2所示。博克三維人體數據采集系統由掃描設備和三維人體掃描軟件2個部分組成，通過軟件控制攝像頭的上下移動和轉臺的360°轉動，對人體進行全方位的掃描，生成真人等比例的人體三維模型[18]。

1.3 三維人體掃描

選擇胸圍為92 cm、腰圍為72 cm的女體上半身人臺進行掃描。使用魔術貼閉合服裝下擺與人臺，打開風扇電源，等待30 s使風速趨于穩定。在連接了掃描儀的電腦中將博克三維人體采集軟件打開并設置相關參數，將人臺放置在掃描儀的轉臺上，使用軟件將攝像頭調整至適宜高度；在操控板中打開通信接口，點擊“掃描”按鈕開始掃描；等待掃描完成，時間約為90 s，觀察掃描后得到的模型是否有嚴重缺失或者冗余部分；最后，將著裝人臺放置在轉臺上重復以上步驟，并將掃描完成的數據導出為.obj或.stl格式。實驗設計方案如表1所示。使用不同開口方式的通風服，在不同風扇風速狀態下進行以上步驟，每種實驗情況重復掃描3次。

圖2 博克三維人體掃描儀Fig.2 Bok human body three-dimensional data acquisition system

表1 掃描實驗的設計方案Tab.1 Design list of scanning tests

2 模型擬合分析

將掃描得到的人臺模型和著裝人臺模型導入Geomagic Control 2014軟件中進行后處理[9,19-20]，填充模型中缺失的部位獲得封閉模型，使用平滑工具得到表面光滑的模型以便后續進行比較。圖3示出空氣層模型擬合過程。將測試模型(著裝人臺)與參考模型(人臺)盡可能對齊，然后進行三維比較得到平均空氣層體積、厚度數據以及空氣層分布圖；在三維比較的基礎上選擇腰部和胸部2個部位進行二維空氣層厚度比較[21]，并將比較結果導出。

圖3 空氣層模型擬合過程Fig.3 Process of fitting air layer model

將著裝人臺體積減去人臺體積得到服裝衣下空氣層的體積，計算公式為

Vair=Vcl-Vbody

式中：Vcl為著裝人臺的體積,cm3；Vbody為人臺的體積,cm3；Vair為空氣層體積,cm3。

3 結果與討論

3.1 空氣層厚度與體積的影響分布

通過數據處理得到不同風速和不同開口面積情況下，服裝空氣層體積均值、服裝與人體之間的空氣層厚度，以及胸部和腰部與人體之間的空氣層厚度。圖4示出開啟風扇前后側面空氣層對比圖。針對通風服的衣下空氣層，除上述影響因素外，在服裝內部施加強制通風可明顯地改變空氣層大小及分布。

圖4 開啟風扇前后側面空氣層對比圖Fig.4 Comparison of air layer on side of garment with fan off (a) and on (b)

圖5示出不同條件下通風服的平均空氣層厚度。本文研究通風服的平均衣下空氣層厚度差在18～30 mm范圍內。Lu等[22]得到單層連體防護服的氣隙厚度在25～35 mm之間。

圖5 不同風速和開口面積情況下平均衣下空氣層厚度差Fig.5 Average air gap thickness under different wind speed and opening area conditions

根據Mah等[12]的研究結果，女性防護服整體的平均厚度為18.5 mm，該結果與本文實驗結果中未開風扇條件(T3、 T6、T9、T12和T15)下實驗結果相近。當開口面積相同時，風扇的風速越大，空氣層越厚；而在風速相同情況下，開口面積所導致的空氣層厚度差異并不明顯。運用Statistic Version 24.0軟件，分別對風速和各變量以及開口面積與各變量之間進行Pearson相關分析，結果如表2所示。可知，風速與空氣層體積、整體平均空氣層厚度有效值以及腰部與胸部的平均空氣層厚度之間都顯示出正相關關系，且具有統計學意義(顯著性水平p<0.01)。開口面積與各變量均值之間的相關性并不顯著(p>0.05)。根據Zhao等[23]研究發現全身降溫、局部降溫以及服裝的動態蒸發阻力與服裝的開口設計及位置之間沒有顯著性差異，這與本文的結論相符。

3.2 空氣層分布的影響分析

3.2.1 整體空氣層分布

圖6示出不同款式人體軀干空氣層分布圖。

表2 風速和開口面積對衣下空間的影響Tab.2 Influence of wind speed and opening area on microclimate

圖6 不同款式服裝人體軀干的正面和背面空氣層分布Fig.6 Distribution of air layer thickness on torso part in different ventilation garments in front and back view. (a) Front of style A; (b) Back of style A; (c) Front of style B; (d) Back of style B; (e) Front of style C;(f) Back of style C; (g) Front of style D; (h) Back of style D; (i) Front of style E; (j) Back of style E

由正面分布圖可看出，當風扇關閉時，由于服裝面料下垂在腹部形成褶皺處的空氣層較厚，呈現出較為規則的圓柱形。然而，Psikuta等[9]研究結果顯示，當衣服懸垂下垂時空氣間隙很可能會變小，而不是在身體部位形成一個規則的圓柱體。造成這種差異的原因可能是本文實驗服裝后背的2個風扇質量的牽扯加之服裝下擺使用魔術貼閉合方式，使得褶皺的形狀更加規則。一方面，正如預期的那樣，風扇開關與否能夠明顯地影響空氣層的厚度和分布情況；另一方面可觀察到，開孔的位置和大小并未對空氣層造成明顯影響。風扇打開之后，腰、腹部、手臂和中背部的空氣層明顯增大，且分布更加均勻。隨著風扇風速的增加，紅色區域在背面所占比例增加，即空氣層的厚度增大，其中氣隙最大的部位始終分布于人體的中背部。

3.2.2 局部空氣層分布

在三維比較的基礎上，選取位置為與系統坐標軸Z軸距離為353 mm的腰部和距離為530 mm的胸部這2個特征較為明顯的部位，比較其在不同條件下二維空氣層分布，分析這2個部位的空氣層厚度、分布情況以及空氣層的平均厚度的差異。圖7示出不同款式服裝人體胸部和腰部空氣層分布圖。

圖7 不同款式服裝人體胸部和腰部空氣層分布圖Fig.7 Air gap distribution maps at waist and chest level in different style ventilation garments. (a) Waist of style A;(b) Chest of style A; (c) Waist of style B; (d) Chest of style B; (e) Waist of style C; (f) Chest of style C;(g) Waist of style D; (h) Chest of style D; (i) Waist of style E; (j) Chest of style E

由圖7可以看出，與其他身體部位相比，下背部、腰部和腹部等身體部位的氣隙較大，風扇打開時胸部和腰部的平均空氣層明顯增大，這些部位的空氣層厚度隨著風扇風速的增大而增大，且分布得更加均勻，服裝的穿著情況和人體表面的曲面形狀會對空氣層的厚度和分布產生較大的影響。然而無論是改變風扇風速還是開口面積，對前胸部位的空氣層厚度及分布并沒有發生明顯的改變。

圖8示出腰部和胸部空氣厚度差。可看出，是否打開風扇對于胸部和腰部這2個部位的空氣層厚度相差較大。風扇關閉時腰部空氣層厚度是胸部的2倍；當風速逐漸增大時2個部位空氣層厚度的差異逐漸減小。除對照組服裝，其他4件服裝在低風速與高風速條件下胸部與腰部的空氣層厚度沒有明顯差別。

圖8 腰部和胸部空氣厚度差Fig.8 Average of air gap at waist and chest level

4 結 論

風扇風速和服裝的開口方式會對服裝的衣下空氣層產生影響。本文使用5款開口面積和位置不同的通風服，在9個不同狀態下進行三維掃描，使用逆向工程軟件Geomagic Control對掃描文件進行處理，并使用數據處理軟件對數據進行后處理。

在通風服衣內微氣候施加的強制通風能夠改變整體和局部的衣下空氣層厚度，且會使空氣層的分布變得更加均勻。通風服風扇風速會顯著影響空氣層的體積以及整體和局部的空氣層厚度，然而開口面積沒有產生顯著影響。是否打開風扇對于胸部和腰部這2個部位空氣層厚度的影響較大，然而風速的大小對這2個部位的空氣層厚度的影響并不明顯。