服裝的熱濕舒適性研究進展

代玲靜，劉皓

（1.天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業大學 智能可穿戴電子紡織品研究所，天津 300387）

人們在工作、生活中難免會面臨寒冷和炎熱的環境，例如在邊疆守衛的邊關戰士，夏季在戶外工作的交通警察，外賣或快遞騎手，冬季戶外冰雪運動員等。當長時間處于-20 ℃～0 ℃和35℃以上的環境時，服裝不能提供足夠的保暖或散熱能力，人體熱濕平衡失調，輕則導致人體會產生不適感，使人的生活質量和工作效率下降，重則將會導致人體損傷和誘發相關疾病，所以對于服裝熱濕舒適性的研究就尤為重要。

1 服裝熱濕傳遞機理和影響因素

1.1 服裝熱濕傳遞機理

服裝熱濕舒適性是研究人體—服裝—環境三者之間熱與濕的傳遞，人體-服裝-環境是一個整體的系統，如圖1 所示，在這個系統中，人體必須保持恒定的體溫以維持所有正常的生命功能。身體能夠通過出汗、血管收縮和其他行動來調節體溫的變化，以保持身體熱濕平衡。當人體溫度低于或等于外部環境溫度時，環境與人體之間通過熱輻射和熱對流的方法向人體表面輸送熱能；當人體溫度高于外部環境溫度時，則通過熱傳導的方法透過衣物向周圍環境傳熱，人體通過大量出汗來降低溫度，同時衣物也能夠遮擋身體表面熱能的散失。

圖1 服裝系統內的熱濕傳遞[1]Fig.1 Heat and Humidity transfer in clothing system

在濕傳遞的過程中，服裝對汗液的傳遞有顯著影響。因為在汗液蒸發過程中，服裝是其傳遞過程中的額外阻力，即在相同的環境條件下，由于服裝的阻力，人體汗液蒸發散熱減少。由于纖維具有吸濕性、導濕性，纖維可以將汗液傳遞到服裝的表面，此時汗液的蒸發是在織物內部和在服裝的外表面。

1.2 影響因素

1.2.1 外界環境

人體的熱濕傳遞是一個非常復雜的過程，其變化受到許多因素的影響。在人體穿著衣服達到熱濕平衡狀態時，服裝覆蓋面積、衣下空氣層以及服裝開口、重量、層數等均影響著服裝熱濕舒適性。外界環境是影響服裝熱濕舒適性的主要外在因素，其中溫度、濕度、風速等對服裝熱濕舒適度的影響最為顯著。服裝纖維具有吸濕性，在潮濕環境中纖維含水量增大，將會阻礙服裝的熱濕傳遞。在風速較大的環境中，服裝表面和內部的空氣層會產生對流，增加了對流散熱，從而影響服裝的熱濕傳遞性能。

1.2.2 人體狀態

人體通過新陳代謝來維持體溫平衡，人體處在不同狀態，其新陳代謝的水平也會存在差異，同時也會影響服裝熱濕阻。例如當人體處于運動狀態時，會增加服裝內層和外層之間的空氣流動，增加了對流散熱；另一方面，運動狀態會提高人體的代謝水平，身體會出現的發熱、出汗等現象，運動出汗后，汗液和蒸汽會積聚在衣下空氣層和皮膚中而不能及時地傳遞到外界環境中去，給人體帶來黏膩感，同時在汗液蒸發過程中會帶走體表的熱量，影響人體著裝舒適度。

2 服裝熱濕舒適性評價方法

2.1 客觀評價法

2.1.1 暖體假人

暖體假人可以模擬環境與人體之間的熱濕交換，測量服裝的熱阻和濕阻。在暖體假人的發展過程中出現了一些典型的暖體假人，如Newton,Coppelius,SAM,Walter 和Wenda 等，如圖2所示。Newton 暖體假人[2]使用32 段獨立控制的熱能模塊組成，由ThermDAC 軟件控制，Newton 暖體假人的脖子和手腕部分可以根據需求增加關節，該軟件具有更快的瞬態響應和更大的應用環境范圍。Coppelius 暖體假人是由高吸濕織物組成，通過向織物噴水來模擬出汗，其肩部、肘部、臀部和膝蓋安裝在假關節上，以確保假人的運動自由和各種姿勢[3]。Coppelius 通過計算實驗前后的供水量和衣服的重量來確定衣服的熱阻和濕阻。SAM 暖體假人是在Coppelius 暖體假人的基礎上制成的[4]，并使用發泡塑料混合鋁粉制成，包括125 個汗孔，這些汗孔分布在整個身體表面，提高了假人的熱導率，使出汗更均勻。SAM 的內骨骼懸掛在重量系統上，假人由26 個外殼覆蓋。每個外殼可以獨立加熱，并配備傳感器。Walter 暖體假人[5]是由水循環系統和防水透濕織物制成的出汗假人。Walter 通過高精度天平實時監測水蒸氣的動態變化來計算水分蒸發量，運用一步法測試同時測試服裝熱阻和濕阻。

圖2 暖體假人（a 是Newton；b 是Coppelius；c 是SAM；d 是Walter）Fig.2 Warm body dummy(a is Newton;b is for Coppelius;c is for SAM;d is for Walter)

Ke 等[6]利用Newton 暖體假人測試風速和服裝開口位置對服裝熱濕舒適性的影響，并提出服裝尺寸和織物透氣性也會影響服裝熱濕舒適性。吳黛唯等[7]使用Newton 暖體假人測試防寒加熱服裝的熱濕阻。

2.1.2 人體生理實驗評價

防寒服裝的保暖性也受服裝熱濕舒適性的影響，人體生理指標是直接反映穿著防寒產品時穿戴者的溫暖狀態的物理量，可以通過客觀實驗獲得的。有代表性且易于收集的參數有皮膚溫度，心率，腦電，耗氧量等。其中，皮膚溫度是人體熱平衡過程中最重要的生理參數，可以更好地表征人體穿著服裝后的舒適或不舒適狀態；而耗氧量和心率等不易改變，可用于確定人體是否處于冷熱應激反應狀態以及是否能維持正常生理功能。生理指標測試方法通常是測試在特定實驗環境中生活特定時間的實驗人員的生理指標來反映服裝的保暖性能。Marsza ek 等[8]測量了6 名女性實驗人員穿不同衣服后的皮膚溫度、出汗率和心率的變化，從而反映了衣服的防寒性能。牛夢雨等[9]通過人體生理實驗測試醫用防護服的熱濕舒適性。實驗設計了3 種不同的內穿服裝的防護服組合，分別測量了皮膚溫度、代謝當量、心率等指標，以及冷熱感、舒適感、濕感覺等主觀感受指標。

2.1.3 數值人體模型評價法

數值人體模型是一種基于計算流體力學（CFD）仿真軟件的虛擬暖體假人。幾何模型是通過三維激光掃描真實暖體假人獲得的。然后，軟件將虛擬暖體假人進行分塊和網格處理，并與熱生理調節模型耦合。CFD 模擬為研究各種環境下的生理反應和傳熱提供了一種有效而簡單的方法。在過去的幾十年里，CFD 已經成為一種有用的工具，它與數值熱模型一起計算虛擬環境中人體與周圍環境之間的熱交換。一些研究將CFD 與熱生理調節模型相結合，以研究熱舒適性、生理反應和傳熱。Zhu 等[10]提出了一個耦合系統來評估人體周圍的皮膚溫度分布和傳熱，但模擬皮膚溫度與實驗結果之間的最大偏差高達2.9℃。Voelker 等[11]提出了一種通過將CFD 求解器與UCB 熱舒適模型耦合來模擬人體周圍微氣候的方法。Yang 等[12]通過耦合熱生理調節模型和CFD，模擬了裸體人體的熱行為和傳熱。然而，他的研究集中在裸體人體上，沒有考慮衣服對傳熱和傳質的影響。在未來的研究中，應考慮服裝層的熱量和水分，以評價服裝熱濕舒適性。

2.2 主觀評價法

主觀評價是通過熱舒適或濕舒適性主觀評價標尺來對服裝熱濕舒適性進行評價，評價標尺有3 級評價、4 級評級、5 級評價、7 級評價、9 級評價、13 級評價等。柯瑩等[13]對熱舒適性中采取了兩種評價標尺，熱感評價標尺分為9 級，包括非常冷、冷、涼、比較涼、中立、比較溫暖、溫暖、熱、非常熱；對濕舒適性的濕感評級標尺分為5 級，包括干燥、粘體、潮濕、汗濕、滴汗。

不同的人針對主觀評價標尺的定義與衡量不盡相同。目前已有的評價指標包括熱濕感、適穿感兩大類。此外，PMV（預測平均投票數）、PPD（不滿意百分數）也比較常用。PMV 表示對熱環境的平均投票值，與七級熱感相對應，區間為-3 到3；PPD 為對熱環境表示不滿意的人數占總人數的百分比。心理評價標尺除了常見的熱感主觀比例標尺外，還包括Hollie、Natick Mc Ginnis熱舒適標尺、Fritz 語意差異標尺等。陸麗婭等[14]使用預測不滿意百分比（PPD），表示在給定環境、服裝和活動水平下一組人的不滿意百分比，且7.5%作為定義熱濕舒適性的最大不滿意百分比。Wang 等[15]的研究中使用了7 度量表，并設計了熱濕接受量表來綜合評估受試者的熱濕感覺。Guo 等[16]也使用了該量表，并細化了各等級之間的得分，并要求實驗人員每5 分鐘對熱濕舒適度進行評分。

3 結束語

隨著人類社會、文化和經濟的發展，消費者對于服裝舒適性的要求也越來越高，本文闡述了服裝熱濕傳遞的機理，總結了服裝熱濕舒適性的主、客觀評價方法，分析了服裝熱濕舒適性的影響因素，為服裝的優化設計提供更有力的理論依據，推動服裝往高舒適性方向發展。但目前對于服裝熱濕舒適性的評價方法還有待研究，例如目前的暖體假人只能測量服裝的總熱阻和濕阻，對于服裝局部熱濕阻的測量存在缺陷，而局部熱阻和濕阻更能表達服裝覆蓋人體部位的熱濕舒適性，因此，加快局部暖體假人的發展，例如頭部暖體假人等，對服裝熱濕舒適性的發展有重要意義。