服裝通風(fēng)機(jī)制及策略的研究進(jìn)展

姜茸凡, 王云儀

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,西安 710048; 2.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200051)

戶外工作者在夏季常面臨高溫環(huán)境作業(yè),由于其工作性質(zhì)決定常要求作業(yè)者(如消防員、建筑工人)穿戴厚重服裝,高溫環(huán)境和厚重服裝加重阻礙了人體熱散失,加之長時(shí)間體力勞動(dòng),增加了作業(yè)者患高體溫癥的幾率,對其生命健康安全造成了嚴(yán)重威脅。為應(yīng)對此類情況發(fā)生,相關(guān)研究人員提出優(yōu)化配伍服裝面料、增設(shè)服裝開口、內(nèi)嵌微型通風(fēng)設(shè)備等有利于提高人體熱散失的解決方案,對于保護(hù)高溫環(huán)境下的工作人群生命健康安全有重要意義,而這種以對流換熱方式增大人體熱散失的服裝設(shè)計(jì)手段被稱為服裝通風(fēng)策略[1-2]。

目前,尚沒有任何一種服裝通風(fēng)策略適用于所有高溫工況條件。為設(shè)計(jì)舒適型通風(fēng)作業(yè)服,研究者需從作業(yè)者的環(huán)境條件、服裝特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律角度出發(fā),剖析服裝內(nèi)外環(huán)境通風(fēng)機(jī)制,多維度立體化設(shè)計(jì)服裝通風(fēng)策略,提出合理的服裝通風(fēng)效率評(píng)估指標(biāo),進(jìn)而從理論模型到實(shí)踐方案全面闡述服裝通風(fēng)策略研究進(jìn)展,以此達(dá)到更好地指導(dǎo)服裝通風(fēng)策略開發(fā)的目的。

本文首先闡述了現(xiàn)階段服裝通風(fēng)效率的評(píng)估指標(biāo)、測試方法及測試特點(diǎn);然后,從織物到服裝逐層回顧了服裝通風(fēng)數(shù)值模型的發(fā)展歷程;最后,從面料性能、服裝開口和內(nèi)嵌通風(fēng)設(shè)備三方面說明服裝涉及的主要通風(fēng)策略。基于對服裝通風(fēng)策略研究進(jìn)展的全面分析,進(jìn)而提出兩點(diǎn)未來研究方向。

1 服裝通風(fēng)表征與測量

服裝通風(fēng)效率主要通過服裝通風(fēng)指數(shù)進(jìn)行表征[3],指服裝衣下微環(huán)境的空氣交換速率,表示為:

VI=AER×MV

(1)

式中:VI為服裝通風(fēng)指數(shù),L/min;AER為空氣交換率,min-1;MV為衣下微環(huán)境空氣層體積,L。

服裝通風(fēng)指數(shù)的測量方法是從建筑通風(fēng)領(lǐng)域借鑒而來,測量方法主要分為非穩(wěn)態(tài)測試法(CR法)和穩(wěn)態(tài)測試法(LH法)。

1.1 CR法

CR法是由Crockford等[3]提出,該方法需分別測量衣下微環(huán)境中的空氣交換率和空氣體積。

1.1.1 空氣交換率

空氣交換率測量方法[4]是將氮?dú)獬掷m(xù)流入衣下微環(huán)境,待微環(huán)境內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%后,停止通入氮?dú)?利用示蹤氣體分析儀記錄衣下微環(huán)境中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化,直到氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)恢復(fù)至初始值。空氣交換率可表示為:

C(t)=C0-C1×exp(-rt)

(2)

式中:C(t)為t時(shí)刻衣下微環(huán)境中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;C0為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),取近似值20.9%;C1為常數(shù),指在初始時(shí)刻(t=0)下C0與C(t)之間氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值,%;r為基于最小二乘分析得出的空氣交換率,min-1。

1.1.2 衣下微環(huán)境體積

衣下微環(huán)境體積測量方法主要包括:抽真空法、模型法和三維掃描法[5-6]。抽真空法是在被測服裝表面覆蓋一件不透氣寬松輕薄外罩,通過抽氣管將服裝內(nèi)氣體抽出并測量而得到。模型法是將人體和服裝簡化為若干同心圓柱體,通過測量裸體和著裝下人體水平圍度對應(yīng)設(shè)定其圓柱體半徑,再計(jì)算內(nèi)外圓柱體體積差值之和獲得。三維掃描法是通過三維掃描儀測量同一姿勢下裸體和著裝下三維圖形體積,計(jì)算兩者差值獲得。在三種方法中,抽真空法操作復(fù)雜,且在測量過程中易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象,導(dǎo)致測量誤差;模型法操作簡單,但由于人體和服裝被簡化為圓柱體,計(jì)算精度較低;而三維掃描法的測量精度較高且重復(fù)性強(qiáng),但由于測試設(shè)備昂貴,目前應(yīng)用范圍較小[7]。

由于CR法需測量衣下微環(huán)境體積,而人在運(yùn)動(dòng)中的衣下微環(huán)境體積在不斷變化,無法準(zhǔn)確獲取,因此,CR法主要測量靜態(tài)著裝人體的服裝通風(fēng)指數(shù),這極大限制了其應(yīng)用范圍。

1.2 LH法

LH法由Lotens等[8]提出,測試系統(tǒng)由示蹤氣體瓶、微型風(fēng)扇、質(zhì)譜儀、管道及采樣系統(tǒng)構(gòu)成。測試時(shí),示蹤氣體從氣體瓶流出,經(jīng)管道按一定流速均勻流入衣下微環(huán)境,為避免衣下微環(huán)境出現(xiàn)強(qiáng)迫對流,采樣系統(tǒng)以相同流速從衣下微環(huán)境抽出氣體,即在微環(huán)境內(nèi)形成一個(gè)氣體循環(huán)系統(tǒng)。質(zhì)譜儀負(fù)責(zé)監(jiān)測循環(huán)系統(tǒng)流入口、流出口及服裝外環(huán)境的示蹤氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù),微型風(fēng)扇負(fù)責(zé)使示蹤氣體與環(huán)境空氣充分混合。在衣下微環(huán)境內(nèi)示蹤氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化后,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,即流入示蹤氣體質(zhì)量等于流出示蹤氣體質(zhì)量。服裝通風(fēng)指數(shù)表示為:

式中:Qin-out為循環(huán)系統(tǒng)的示蹤氣體體積流量,L/min;Cin、Cout和Cair分別為循環(huán)系統(tǒng)流入口、流出口和服裝外環(huán)境的示蹤氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

根據(jù)測試對象的不同,服裝通風(fēng)測試系統(tǒng)又被分為整體和局部的通風(fēng)測試系統(tǒng)。局部通風(fēng)測試系統(tǒng)[9]是在整體通風(fēng)測試系統(tǒng)上分別在人體各部位增設(shè)采樣管道和質(zhì)譜儀而開發(fā)的。最初,兩種測試系統(tǒng)均采用式(3)計(jì)算服裝通風(fēng)指數(shù)。然而,由于人體各部位衣下微環(huán)境相互連通,局部衣下微環(huán)境不僅與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換,還與相鄰部位微環(huán)境進(jìn)行氣體交換。如果局部通風(fēng)指數(shù)仍采用式(3),則會(huì)忽略各部位間的空氣交換。為此,Ismail等[10]對局部通風(fēng)指數(shù)進(jìn)行修正,其測量方法分為3個(gè)步驟。

步驟1:將氮?dú)馔瑫r(shí)流入兩個(gè)相互連通的局部衣下微環(huán)境(如手臂和軀干),利用質(zhì)譜儀監(jiān)測氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

考慮到手臂和軀干的連通性,手臂部位通風(fēng)指數(shù)被修正為:

Qin-outCin-arm+VIarmCair+[max(IS,0)]Cout-trunk=[Qin-out+VIarm+max(IS,0)]Cout-arm

(4)

式中:VIarm為手臂部位的通風(fēng)指數(shù),L/min;IS為手臂和軀干連通部位的通風(fēng)指數(shù),L/min;Cin-arm和Cout-arm分別為手臂部位流入口和流出口的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Cout-trunk為軀干部位流出口的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

同理,軀干部位通風(fēng)指數(shù)被修正為:

Qin-outCin-trunk+0.5VItrunkCair+[max(-IS,0)]Cout-arm=[Qin-out+0.5VItrunk+max(-IS,0)]Cout-trunk

(5)

式中:VItrunk為軀干部位的通風(fēng)指數(shù),L/min;Cin-trunk和Cout-trunk分別為軀干部位流入口和流出口的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Cout-arm為手臂部位流出口的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

步驟2和步驟3:將過量氮?dú)夥謩e流入手臂和軀干部位,對應(yīng)監(jiān)測軀干和手臂部位的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如果未注入氮?dú)獠课坏难鯕赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于服裝外環(huán)境的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),說明氮?dú)鉀]有從連通部位流入未注入氮?dú)獠课?則局部通風(fēng)指數(shù)可根據(jù)式(3)計(jì)算;如果未注入氮?dú)獠课坏难鯕赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)更小,說明氮?dú)庥袕倪B通部位流入未注入氮?dú)獠课?則建立新的質(zhì)量平衡方程。

當(dāng)過量氮?dú)庾⑷氲绞直鄄课粫r(shí)(即步驟2),表示為:

(6)

當(dāng)過量氮?dú)庾⑷氲杰|干部位時(shí)(即步驟3),表示為:

(7)

聯(lián)立式(4)(5)(6)(7),即可計(jì)算各部位局部通風(fēng)指數(shù)。相比于CR法,LH法無需測量衣下微環(huán)境體積,適于在人體運(yùn)動(dòng)或有風(fēng)條件下的測量。但對于高透氣服裝,在強(qiáng)風(fēng)條件下示蹤氣體從管道通入衣下微環(huán)境后,可能尚未均勻分布就已經(jīng)透過服裝擴(kuò)散至外環(huán)境,這會(huì)造成測量結(jié)果偏大[11]。因此,LH法尚不適于測量高透氣服裝。

2 服裝通風(fēng)模型

在探究服裝通風(fēng)效率的同時(shí),建立服裝通風(fēng)數(shù)值模型,對于剖析服裝內(nèi)外環(huán)境的空氣流動(dòng)規(guī)律、指導(dǎo)服裝通風(fēng)策略的開發(fā)具有十分重要的意義。現(xiàn)階段,服裝通風(fēng)模型可分為5類:織物通風(fēng)模型、局部通風(fēng)模型、動(dòng)態(tài)通風(fēng)模型、被動(dòng)通風(fēng)服模型和主動(dòng)通風(fēng)服模型。其中,織物通風(fēng)模型描述空氣通過織物的流動(dòng);局部通風(fēng)模型和動(dòng)態(tài)通風(fēng)模型分別描述在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下人體獨(dú)立區(qū)段的服裝內(nèi)外空氣流動(dòng);被動(dòng)通風(fēng)模型和主動(dòng)通風(fēng)模型分別描述在主動(dòng)和被動(dòng)兩種通風(fēng)服裝下人體全區(qū)段的服裝內(nèi)外空氣流動(dòng)。

2.1 織物通風(fēng)模型

空氣主要通過織物紗線間孔隙進(jìn)行質(zhì)量交換,傳質(zhì)方式包括擴(kuò)散和對流兩種。在無外界強(qiáng)迫對流作用下,無論織物透氣性高低,擴(kuò)散均為主要傳質(zhì)方式,故采用菲克擴(kuò)散定律建立織物通風(fēng)模型[12-13]。在有外界強(qiáng)迫對流作用下,對于高透氣織物,織物層中對流傳質(zhì)明顯,Ghali等[14-15]對此建立了三點(diǎn)式織物通風(fēng)模型,如圖1所示。內(nèi)點(diǎn)代表紗線內(nèi)層,外點(diǎn)代表紗線外層,空氣空點(diǎn)代表流動(dòng)空氣。內(nèi)點(diǎn)與外點(diǎn)相連,以擴(kuò)散方式進(jìn)行質(zhì)量交換;外點(diǎn)與空氣空點(diǎn)相連,以對流方式進(jìn)行質(zhì)量交換。該模型較好地表述在強(qiáng)迫對流下高透氣織物內(nèi)的空氣流動(dòng)。

圖1 三點(diǎn)式織物通風(fēng)模型

此外,另有研究基于流體動(dòng)力學(xué)軟件[16-17],將織物定義為多孔介質(zhì)材質(zhì),通過調(diào)節(jié)多孔介質(zhì)中“黏性阻力系數(shù)”和“內(nèi)部阻力系數(shù)”來反映織物空氣流動(dòng)阻力。

2.2 局部通風(fēng)模型

織物通風(fēng)模型僅考慮織物透氣性影響,除此之外,服裝開口是服裝內(nèi)外空氣交換的另一主要途徑。局部通風(fēng)模型以著裝人體軀干或手臂為原型,構(gòu)建雙層圓筒形通風(fēng)模型,內(nèi)層圓筒為軀干或手臂的皮膚層,外層圓筒為服裝層。根據(jù)人體站立和平躺姿勢,局部通風(fēng)模型可根據(jù)衣下空氣層方向(即服裝與人體間的狹小空氣層)再分為水平向和垂直向。

2.2.1 水平向

Ghaddar等[18]建立了衣下空氣層為水平向,且空氣層一端開口、一端閉合的通風(fēng)模型。模型由兩部分構(gòu)成:1)織物通風(fēng)模型,以三點(diǎn)式織物通風(fēng)模型構(gòu)建;2)開口通風(fēng)模型,模型假定衣下空氣層足夠長,空氣流動(dòng)處于完全發(fā)展?fàn)顟B(tài),開口處空氣流動(dòng)方式為穩(wěn)態(tài)沃莫斯利流。

2.2.2 垂直向

當(dāng)衣下空氣層為垂直向,由于受空氣浮升力影響,皮膚表面空氣受熱產(chǎn)生向上對流,在開口設(shè)計(jì)上對服裝通風(fēng)指數(shù)的影響更顯著。Ghaddar等[19]建立了垂直向局部通風(fēng)模型,模型假定空氣為不可壓縮的Boussinesq流體。空氣流動(dòng)包括3種方式:1)沿手臂方向向上的浮升流;2)圍繞手臂的水平環(huán)流,以泊肅葉流動(dòng)模型構(gòu)建;3)空氣通過織物層垂直向外擴(kuò)散,以三點(diǎn)式織物通風(fēng)模型構(gòu)建。

2.3 動(dòng)態(tài)通風(fēng)模型

人在行走時(shí)因手臂和腿部的前后擺動(dòng)會(huì)使服裝內(nèi)空氣產(chǎn)生強(qiáng)迫對流。Li等[20]將此運(yùn)動(dòng)過程中的衣下空氣層變化簡化為其厚度的正弦波動(dòng),表示為:

y=y0+Δysin(2πft)

(7)

式中:y為衣下空氣層厚度,mm;y0為平均衣下空氣層厚度,mm;Δy為衣下空氣層厚度的振幅,mm;f為衣下空氣層厚度的振動(dòng)頻率,r/s;t為時(shí)間,s。

此類動(dòng)態(tài)空氣層方程被耦合于織物熱濕傳遞模型中[21-22],用于研究人體運(yùn)動(dòng)對服裝熱濕傳遞的影響,但這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律與真實(shí)的手臂或大腿運(yùn)動(dòng)并不相符。Ghaddar等[23]將手臂擺動(dòng)分解為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)階段:1)空氣質(zhì)量平衡階段,即手臂擺動(dòng),袖筒保持靜止不動(dòng);2)空氣對流階段,即手臂與袖筒共同擺動(dòng),如圖2所示。Ghaddar等將此運(yùn)動(dòng)規(guī)律與局部通風(fēng)模型相耦合,建立動(dòng)態(tài)局部通風(fēng)模型,并通過圓筒形機(jī)械手臂通風(fēng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在高擺動(dòng)頻率下,袖口在開合兩種狀態(tài)下的通風(fēng)指數(shù)模擬值與實(shí)測值一致性良好,兩者誤差低于6.7%;而在低擺動(dòng)頻率下,由于服裝內(nèi)氮?dú)饩鶆蚨认陆?導(dǎo)致模擬值與實(shí)測值之間偏差較大,平均差值達(dá)到11.7%。

圖2 手臂擺動(dòng)全過程Fig.2 Whole course of arm swinging

2.4 被動(dòng)通風(fēng)服模型

局部通風(fēng)模型和動(dòng)態(tài)通風(fēng)模型僅能表述人體獨(dú)立部位通風(fēng)機(jī)制,而未考慮人體各部位衣下微環(huán)境間相互流動(dòng)。Ismail等[24]以常規(guī)作業(yè)服(即服裝無內(nèi)嵌通風(fēng)設(shè)備,可被稱為被動(dòng)通風(fēng)服)為原型,建立了圓柱形軀干的被動(dòng)通風(fēng)服模型,包括肩部、軀干、大臂和小臂四個(gè)區(qū)段。該模型不僅考慮了各軀干間連通性,還考慮了外界空氣流經(jīng)軀干與大臂、小臂之間縫隙處的空氣流動(dòng)方式。大臂與軀干之間的縫隙較小,可認(rèn)為此處空氣流動(dòng)為阻流體;小臂與軀干之間的縫隙較大,可忽略兩者間的相互作用。該模型的預(yù)測結(jié)果與Ke等[25]局部通風(fēng)指數(shù)測量結(jié)果相對比,發(fā)現(xiàn)兩者之間存在良好一致性。

由于圓柱形軀干簡化了人體與服裝的復(fù)雜表面形態(tài),故未能考慮其表面輪廓特征對于通風(fēng)模型的影響。為此,Jim等[26]和Takada等[27]分別利用三維掃描儀獲取了裸體和著裝狀態(tài)的人體上軀干表面形態(tài),利用流體動(dòng)力學(xué)軟件構(gòu)建了具有真實(shí)著裝形態(tài)的通風(fēng)模型。模型將服裝看成一種具有空氣流動(dòng)阻力和熱量傳遞阻力的空氣層,并將空氣流動(dòng)方式定義為k-ε湍流。雖然此類模型考慮了真實(shí)著裝狀態(tài),模擬結(jié)果更準(zhǔn)確,但由于模型網(wǎng)格數(shù)量龐大,導(dǎo)致模型運(yùn)算時(shí)間較長,應(yīng)用性較低。

2.5 主動(dòng)通風(fēng)服模型

相比于被動(dòng)通風(fēng)服模型,主動(dòng)通風(fēng)服模型是以內(nèi)嵌通風(fēng)設(shè)備(如微型風(fēng)扇)服裝(即主動(dòng)通風(fēng)服)為原型構(gòu)建。曾彥彰等[28]基于Pennes生物傳熱方程和皮膚熱邊界條件建立了微型風(fēng)扇陣列的穩(wěn)態(tài)通風(fēng)服模型,該模型將皮膚對流換熱系數(shù)固定為經(jīng)驗(yàn)值,如無通風(fēng)條件設(shè)為20 W/(m2·℃),有通風(fēng)條件設(shè)為100 W/(m2·℃)。Mneimneh等[29]建立了一維瞬態(tài)主動(dòng)通風(fēng)服模型,該模型考慮了皮膚蒸發(fā)換熱,并與熱生理模型(PA)相耦合,預(yù)測人體熱生理反應(yīng)。Sun等[30-31]利用COMSOL軟件建立了“外層面料(內(nèi)嵌微型風(fēng)扇)-空氣層-透氣面料-皮膚層”的二維矩形通風(fēng)模型,在二維層面上探究了衣下空氣流動(dòng)規(guī)律。Choudhary等[32]通過ANSYS軟件構(gòu)建了三維全尺寸主動(dòng)通風(fēng)服模型,并與熱生理模型(JOS-3)相耦合,預(yù)測人體熱生理反應(yīng)。該模型采用三維掃描儀獲取暖體假人(Newton)在穿著通風(fēng)服(風(fēng)扇打開)和裸態(tài)下的三維曲面,通過標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型求解控制流體流動(dòng)和能量方程。經(jīng)模擬值與假人測量值對比發(fā)現(xiàn):在整體區(qū)段上,兩者降溫效率差異較小(2.67%);而在局部區(qū)段上,上背部(22.16%)、上臂部(24.83%)和下臂部(22.56%)的兩者降溫效率差異較大。這可能與模型邊界條件設(shè)定有關(guān),如衣下微環(huán)境內(nèi)空氣僅能通過袖口排出,而不能通過領(lǐng)口和織物孔隙排出。此外,在風(fēng)扇通風(fēng)中所測量的三維著裝曲面應(yīng)是動(dòng)態(tài)變化的;在高溫環(huán)境中,皮膚表面應(yīng)有汗液附著;而模型中三維曲面是靜態(tài)的,且假定皮膚干態(tài),忽略皮膚蒸發(fā)散熱,這些都會(huì)影響模型預(yù)測精度,限制其應(yīng)用場景。

3 服裝通風(fēng)策略

服裝通風(fēng)策略主要包括改變織物透氣性、設(shè)計(jì)服裝開口和內(nèi)嵌通風(fēng)設(shè)備。

3.1 織物透氣性

織物透氣性是服裝內(nèi)外環(huán)境氣體交換的主要途徑之一,是影響服裝熱濕阻的重要因素[33-34]。李佳怡等[35]為服裝在人體高出汗部位配置透氣織物,可顯著增大人體散熱量。Morrissey等[36]發(fā)現(xiàn)在無風(fēng)環(huán)境下的服裝熱阻雖然相同,但由于織物透氣性差異,在有風(fēng)環(huán)境下高透氣織物的服裝熱阻更小,說明在有風(fēng)條件下的高透氣織物層中存在對流傳質(zhì),有利于增大人體散熱量。

綜上,織物透氣性增大有利于皮膚表面水汽擴(kuò)散和對流換熱,將其配置于人體易出汗部位或易產(chǎn)生強(qiáng)迫對流部位,可有效增大散熱量。

3.2 服裝開口

服裝開口是服裝內(nèi)外環(huán)境氣體交換的另一主要途徑,可通過改變服裝開口量和開口位置來調(diào)節(jié)人體熱濕散失。

3.2.1 開口量

服裝開口量可量化表征為服裝開口處的衣下空氣層厚度[37]或橫截面積[38]。Lotens等[8]發(fā)現(xiàn)在服裝開口打開狀態(tài)下,若服裝有衣下空氣層,其通風(fēng)指數(shù)是無衣下空氣層的1.4～2.2倍。Satsumoto等[39]測試垂直衣下空氣層底端開口打開時(shí)的對流換熱系數(shù)發(fā)現(xiàn),衣下空氣層厚度增大,對流換熱系數(shù)顯著增大。

3.2.2 開口位置

服裝開口量相同,開口位置不同,其散熱量也會(huì)不相同。服裝開口位置設(shè)置應(yīng)考慮服裝、人體及外界風(fēng)三方面因素。

1)服裝因素。張向輝等[40]研究在腋下、胸部和背部配置服裝開口時(shí)的服裝熱濕舒適感發(fā)現(xiàn),腋下開口可有效降低皮膚溫度,緩解人體熱應(yīng)力。原因是腋下處衣下空氣層厚度較大,設(shè)計(jì)開口可顯著增大對流換熱。Mcquerry等[41]研究6種消防服開口位置發(fā)現(xiàn),下裝開口能顯著增大人體散熱量,而上裝開口則無顯著影響。原因是消防員在火場作業(yè)時(shí)需要背負(fù)呼吸器,呼吸器擠壓服裝,減小了上裝衣下空氣層厚度,阻礙消防服通風(fēng)路徑。綜上,開口位置與衣下空氣層有關(guān),應(yīng)將開口配置在衣下空氣層厚度較大的位置。

2)人體因素。蒸發(fā)散熱是高溫環(huán)境人體向外散熱的最主要途徑。Ueda等[42]研究發(fā)現(xiàn),增大服裝通風(fēng)指數(shù)可提高皮膚表面汗液蒸發(fā)散熱效率,故應(yīng)將服裝開口配置在高出汗部位(如胸部或背部)。

人體運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生衣下強(qiáng)迫對流。Mcquerry等[43]在消防服褲裝側(cè)縫位置配置開口發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)時(shí)的褲側(cè)縫開口顯著增大了人體散熱量,說明當(dāng)作業(yè)人員從事重復(fù)性工作時(shí),應(yīng)將開口配置在易產(chǎn)生強(qiáng)迫對流的位置。

人體姿勢影響衣下空氣層形態(tài)及空氣流動(dòng)形式。由于受空氣浮升力影響,垂直衣下空氣層比水平衣下空氣層更易發(fā)生向上自然對流。若在垂直衣下空氣層的頂端位置設(shè)計(jì)開口,可顯著增大服裝對流換熱系數(shù)。Zhang等[44]發(fā)現(xiàn),領(lǐng)口增大對人體散熱量的影響顯著,但下擺開口量增大卻無顯著影響。因此,當(dāng)人體在站立或靜坐姿態(tài)下時(shí),增大領(lǐng)口開口量是提高人體散熱量的重要途徑。

3)外界風(fēng)因素。在不同外界風(fēng)(如環(huán)境的自然風(fēng)、工廠吊扇的垂直風(fēng)、家庭電風(fēng)扇的側(cè)風(fēng)等)條件下,人所面對的風(fēng)速和風(fēng)向不同,導(dǎo)致服裝表面空氣流速存在差異[36]。若將開口配置于服裝表面空氣流速較大的位置,可促進(jìn)服裝內(nèi)外的氣體交換,增大人體散熱量。因此,應(yīng)根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境繪制服裝表面空氣流動(dòng)圖譜,進(jìn)而指導(dǎo)服裝通風(fēng)策略設(shè)計(jì)。

3.3 內(nèi)嵌通風(fēng)設(shè)備

根據(jù)通風(fēng)方式不同,主動(dòng)通風(fēng)服又可分為微型風(fēng)扇通風(fēng)服和氣冷通風(fēng)服。

3.3.1 微型風(fēng)扇通風(fēng)服

微型風(fēng)扇通風(fēng)服由微型風(fēng)扇和蓄電池組成。微型風(fēng)扇鼓風(fēng)產(chǎn)生強(qiáng)迫對流,增大人體對流及蒸發(fā)散熱。該通風(fēng)服體積小、質(zhì)量輕且造價(jià)低廉,應(yīng)用范圍較廣,如建筑、防火、防生化、作戰(zhàn)等領(lǐng)域。

先前研究調(diào)查了在不同環(huán)境(氣溫35～45 ℃、相對濕度10%～75%)下,微型風(fēng)扇通風(fēng)服對人體熱耐受的影響。Chinevere等[45]發(fā)現(xiàn),微型風(fēng)扇通風(fēng)服能緩解人體熱應(yīng)力,延長戶外作業(yè)時(shí)間。Barwood等[46]還發(fā)現(xiàn),即使氣溫達(dá)到45 ℃,此類通風(fēng)服仍有效且不會(huì)造成皮膚損傷。Hadid等[47]發(fā)現(xiàn),在人體運(yùn)動(dòng)階段,微型風(fēng)扇通風(fēng)服可顯著降低皮膚溫度,但在休息階段卻不顯著。Mneimneh等[48]建立了一維瞬態(tài)通風(fēng)服模型與PA熱生理模型相耦合模型,研究截癱患者在穿著通風(fēng)服下的熱生理反應(yīng),發(fā)現(xiàn)在無顯性出汗下,通風(fēng)服對皮膚降溫效果影響不顯著,而在顯性出汗下,通風(fēng)服可顯著降低皮膚溫度。Zhao等[49]也發(fā)現(xiàn),在高溫環(huán)境下,通風(fēng)服在人體出汗后的前10 min降溫效果顯著,而隨著汗液被蒸發(fā)后,其降溫效果不再顯著。

此外,微型風(fēng)扇通風(fēng)服的通風(fēng)參數(shù)(通風(fēng)速度、通風(fēng)溫度、風(fēng)扇數(shù)量、風(fēng)扇位置、風(fēng)扇直徑及與服裝開口的配伍)對人體散熱效率和熱舒適的影響被調(diào)查。在實(shí)驗(yàn)研究方面,Wen等[50]調(diào)查2種風(fēng)扇(扇葉數(shù)量為5和9)的假人散熱量發(fā)現(xiàn),扇葉數(shù)量多的人體散熱量較大。Sargolzaei等[51]通過搭建小型虛擬服裝微氣候環(huán)境調(diào)查通風(fēng)風(fēng)扇和衣下空氣層厚度對于微氣候溫度的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)衣下空氣層厚度超過1 cm時(shí),通風(fēng)導(dǎo)致的強(qiáng)迫對流才會(huì)顯著降低服裝微環(huán)境氣溫。Zhao等[52-53]調(diào)查風(fēng)扇位置、服裝開口位置和服裝開口量對于人體散熱量的影響發(fā)現(xiàn),服裝在下擺處配置風(fēng)扇、在胸部和背部設(shè)計(jì)開口且開口量較小時(shí)的假人散熱量較大。Zhao表示,服裝下擺處衣下空氣層較厚,易產(chǎn)生強(qiáng)迫對流;胸部和背部開口與風(fēng)扇風(fēng)向平行,促使衣下空氣從人體正面流向背面,增大強(qiáng)迫對流覆蓋的體表面積;且服裝開口量較小有利于衣下空氣與皮膚充分進(jìn)行換熱,因此人體散熱量較大。此外,Zhao等[54]還通過調(diào)查3種通風(fēng)速度(0、12、20 L/s)下的人體熱舒適性發(fā)現(xiàn),在熱中性環(huán)境(25 ℃、50%RH)下,著裝人體在低通風(fēng)速度(12 L/s)時(shí)感覺最舒適。在模型研究方面,Sun等[30-31]通過二維通風(fēng)模型參數(shù)化研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)扇直徑越大對流及蒸發(fā)換熱系數(shù)越大;衣下空氣層厚度對于人體對流及蒸發(fā)換熱的影響較大。Choudhary等[55]基于三維全尺寸通風(fēng)模型調(diào)查了風(fēng)扇直徑、通風(fēng)速度及服裝開口位置(領(lǐng)口、袖口、領(lǐng)口和袖口)對于人體表面對流換熱系數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)扇直徑對軀干表面對流換熱系數(shù)影響較小;通風(fēng)速度越大,人體熱交換越多;在領(lǐng)口打開下,軀干表面對流換熱系數(shù)較大,而在袖口打開下,軀干表面對流換熱系數(shù)較小。

3.3.2 氣冷通風(fēng)服

氣冷通風(fēng)服由供氣設(shè)備、制冷設(shè)備和軟管管道組成。供氣設(shè)備抽取外界空氣并流入制冷設(shè)備,制冷設(shè)備將氣體溫度降低,再通過管道將冷氣通入服裝微環(huán)境進(jìn)行對流換熱。相比于微型風(fēng)扇通風(fēng)服,該通風(fēng)服體積大、質(zhì)量大且造價(jià)昂貴,主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,調(diào)節(jié)飛行員的體溫平衡。

任兆生等[56]對比兩種氣冷通風(fēng)服(高空代償服和通風(fēng)服)的人體舒適性發(fā)現(xiàn),通氣管道的排列方法、通氣順序和通氣量對人體體溫調(diào)節(jié)很重要。李珩等[57]建立了“人體-氣冷通風(fēng)服-高溫環(huán)境”熱濕傳遞模型,研究通氣溫度和通氣流速對于人體散熱量的影響發(fā)現(xiàn),皮膚溫度和體核溫度均隨通氣溫度減小而降低,隨通氣流速減小而增大。

綜上所述,兩種通風(fēng)服均可為應(yīng)對高溫環(huán)境下人體熱應(yīng)激提供一定幫助。相比于氣冷通風(fēng)服,微型風(fēng)扇通風(fēng)服因其小巧輕便而應(yīng)用更廣。通風(fēng)速度、通風(fēng)溫度、衣下空氣層厚度、開口位置及開口量應(yīng)是開發(fā)新型通風(fēng)服所要考慮的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié) 語

本文從通風(fēng)測評(píng)方法、通風(fēng)數(shù)值模型和通風(fēng)設(shè)計(jì)手段三方面對服裝通風(fēng)機(jī)制及其策略展開綜述。目前,服裝整體及局部的通風(fēng)測評(píng)體系已發(fā)展較為完善,能較準(zhǔn)確地評(píng)估服裝整體及局部的通風(fēng)效率,而服裝通風(fēng)數(shù)值模型和新型通風(fēng)服系統(tǒng)開發(fā)仍有待更深入的研究。基于已研究現(xiàn)狀,本文提出2點(diǎn)展望:

1)建立耦合人體熱生理反應(yīng)的動(dòng)態(tài)三維服裝通風(fēng)模型。目前,雖然獨(dú)立區(qū)段的動(dòng)態(tài)服裝通風(fēng)模型和三維全尺寸的靜態(tài)服裝通風(fēng)模型均已被建立,但由于模型邊界條件設(shè)置問題(如動(dòng)態(tài)服裝通風(fēng)模型未考慮在手臂擺動(dòng)過程中服裝自搖擺;三維全尺寸服裝通風(fēng)模型既沒有考慮皮膚出汗后的蒸發(fā)換熱,也沒有考慮風(fēng)扇鼓風(fēng)下的服裝自搖擺),導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果仍有一定程度差異,且局限了模型應(yīng)用范圍。后期應(yīng)以這兩種通風(fēng)模型為基礎(chǔ),考慮更全面的邊界條件,并將其與人體熱生理模型相耦合,建立三維全尺寸動(dòng)態(tài)服裝通風(fēng)模型,剖析服裝微環(huán)境的通風(fēng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)在不同工況下服裝通風(fēng)及人體熱生理特征的預(yù)測。

2)開發(fā)多種換熱方式相耦合的主動(dòng)通風(fēng)服。對于高溫特殊作業(yè)人群,由于服裝防護(hù)性能要求,導(dǎo)致透氣織物和服裝開口應(yīng)用較少,主動(dòng)通風(fēng)服是緩解人體熱應(yīng)激的主要途徑。目前,主動(dòng)通風(fēng)服的相關(guān)研究已取得一定進(jìn)展,各類通風(fēng)參數(shù)(如通風(fēng)速度、通風(fēng)溫度、扇葉數(shù)量、扇葉直徑等)的影響機(jī)制已被討論。但是,以單一對流換熱方式來增大人體散熱效果的方法仍未達(dá)到緩解人體熱應(yīng)激的預(yù)期效果,后期應(yīng)考慮開發(fā)以多種換熱方式相耦合的主動(dòng)通風(fēng)服(如主動(dòng)通風(fēng)服中內(nèi)嵌相變材料),綜合討論多種換熱方式耦合下各類降溫參數(shù)的影響機(jī)制,進(jìn)而開發(fā)降溫效率高、制冷時(shí)間長且節(jié)能性優(yōu)良的主動(dòng)通風(fēng)服。