服装通风研究现状及进展

柯 莹，李 俊，HAVENITH George

(1.江南大学纺织服装学院，江苏 无锡 214122;2.江南大学汉族服饰文化与数字创新实验室，江苏 无锡 214122;3.东华大学服装·艺术设计学院，上海 200051;4.东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051;5.拉夫堡大学环境工效性研究中心，英国拉夫堡 LE113TU)

服装通风(clothing ventilation)的概念最早由Crockford于1972年提出，指的是服装衣下空间(也称微气候)与外界环境之间的空气交换率，单位为L/min［1］。

服装通风直接影响人体舒适感甚至生命安全。在高温环境条件下，服装通风将人体皮肤表面的水分带出，直接影响人体凉爽感［2］。在低温环境中，若防护不当，服装通风可能会造成人体低体温症。而在环境污染的条件下，环境污染物会随着服装通风进入衣下空间，影响人体健康，甚至可能威胁服用者生命安全［3－4］，因此，服装通风是服装评价和设计中的重要参考因素［5］。

国内外学者针对服装通风开展了大量研究。早期的研究重点是服装通风的表征即测量方法以及测量系统的研发。在服装通风可以量化的基础上，进一步研究服装通风在热湿舒适性领域的应用。起初学者的研究主要集中在服装整体通风，考虑到服装衣下空间分布和服装结构设计的局部差异性，近年来，服装局部通风的研究逐渐受到学者关注。

本文以服装整体和局部通风为研究对象，分别从服装通风测量方法、影响因素及其与热湿舒适性的关系3个方面开展文献综述，并探讨了服装通风研究的未来发展方向。

1 服装通风测量方法及系统

1.1 服装通风测量方法

服装通风的测量方法为示踪气体法，即用一种扩散性能与空气接近但更容易观测的气体(示踪气体)代替空气，通过监测衣下空间内示踪气体浓度变化得到服装通风值。示踪气体法最早在暖通空调领域应用，用于测量房间内的气体交换［6－7］。常用的示踪气体有N2、O2、Ar、CO2等。测量服装通风的2种基本方法分别由Crockford(CR)等［8］和Lotens＆Havenith(LH)提出［9］，分别简称为CR法和LH法，其中CR法又称非稳态法，LH法又称稳态法。

1.1.1 CR法

图1示出CR法测量服装通风示意图。选用氮气作为示踪气体。服装通风的测量分为2步:测量衣下空间体积和衣下空间气体交换率。

衣下空间体积的测量方法采用真空法。选用一件单层、质轻、宽松、不透的外套罩在被测服装外面，外套领口处密封。通过布置在皮肤上的管道系统将外套内的空气抽出，直至其贴服于被测服装上。继续抽气并测量皮肤上的压力，当压力值达到－3000Pa(认为此时衣下空间内气体完全抽出)时停止，这段时间内抽出的气体体积即为衣下空间体积。

图1 CR法测量服装通风示意图Fig.1 Clothing ventilation measuring system of CR method

将外套取下，采用气体稀释法测量衣下空间空气交换率。将氮气不断注入衣下空间并观测氧气浓度，直至其降低到10%。此时停止氮气输入，观测衣下空间内氧气浓度随时间的变化。Crockford等通过大量实验得出，衣下空间内氧气浓度与时间呈指数关系，可以根据这个规律计算服装衣下空间空气交换率。

1.1.2 LH法

Lotens和Havenith在重复CR法时发现，衣下空间内氧气浓度不仅与时间有关，还受其他因素影响。1988年，他们基于质量守恒定律，提出了测量服装通风的稳态法［9］。图2示出LH法测量服装通风示意图。系统测量基本原理为:示踪气体不断注入到衣下空间内，衣下空间内示踪气体浓度不断升高直至达到平衡，此时由于通风引起的示踪气体排出量等于注入到衣下空间内示踪气体质量。

图2 LH法测量服装通风示意图Fig.2 Clothing ventilation measuring system of LH method

LH测量系统主要包括3部分:主循环系统、管道系统和采样系统。主循环系统的作用是实现气体的不断循环，将衣下空间内气体与示踪气体混合均匀。管道系统的作用是实现衣下空间内示踪气体均匀分布，采样系统则将气体输入到质谱仪中分析。测试过程中主要测量3个指标:主循环系统流量、衣下空间内示踪气体浓度、注入到衣下空间内示踪气体浓度，并结合空气中示踪气体浓度，直接计算服装通风。

1.1.3 CR与LH方法的比较

表1示出CR法和LH法的分析结果［10］。可以看出，CR法测量通风时需要测量衣下空间体积，因此较复杂，该方法示踪气体消耗量大;而LH法较简单，只需一步即可测得通风，但示踪气体分析仪—质谱仪造价昂贵，测量成本较高。

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

Havenith等又进一步在可重复性、测量有效性及适用性等方面对上述2种方法进行比较研究。证实除非在服装通风特别大的情况(如网眼面料)，2种方法均可有效测量服装通风［3］。但是由于CR法需要测量衣下空间体积，耗时长且误差大。虽然现在可以根据非接触式三维人体扫描技术和逆向工程技术，对衣下空间体积进行精确预测，但是该方法成本较高［11－12］。

1.2 服装通风测量系统

基于CR法和LH法，许多学者建立了不同服装的通风测量系统。根据测量对象的不同，将其分为整体通风测量系统和局部通风测量系统。其中，整体通风的测量对象为服装整体，而局部通风的测量对象特指服装某一局部。

1.2.1 服装整体通风测量系统

基于CR法，分别建立了婴儿睡袋和雨衣的通风测量系统，并选用氮气作为示踪气体［13－14］。其中，睡袋系统采用真空法测量衣下空间体积。该系统将睡袋的通风量化，可以帮助了解婴儿的热量传递过程。由于采用真空法测量衣下空间体积，因此也存在耗时且误差大的缺点。雨衣系统采用圆柱体法测量衣下空间体积。相较于真空法，圆柱体法简单易行，但是该方法假设人体各个部位为圆柱体，因此也存在较大的测量误差。

2010 年，Satsumoto 等［15－16］基于 LH 法建立了尿布的通风测量系统，选用CO2作为示踪气体。系统基于稳态法，无需测量衣下空间体积，减少了测量时间，同时提高了测量精度，但是该系统在测量时必须精确控制进气流量和出气流量相等。实际上，在进行通风测量时，由于分析气体的释放以及测量系统的误差，随着测量时间的增加，系统流量会不断发生变化，因此上述条件很难实现。

1.2.2 服装局部通风测量系统

在整体通风测量系统的基础上进行改进，构建了多种类型的局部通风测评系统。Ueda［17］等基于CR法于2006年建立了衬衫的局部通风测量装置，系统可以同时测量服装前胸、后背和上臂的通风。N2为示踪气体，采用圆柱体法预测局部衣下空间体积，因此测量误差较大。另外，Ueda系统局限于服装局部通风的测量，如要测量整体通风，需重新设计管道系统。

Satsumoto［15］在尿布整体通风测量系统的基础上，在4个部位增加采样管道，从而实现局部通风的测量。系统基于稳态法，无需测量局部衣下空间体积，简单易行。缺点为整个测量系统只有一个示踪气体分析仪，在进行局部通风测量时，8路气体(4路输入气体、4路输出气体)只能依次单个分析，不仅增加了测量时间，还会由于分析延误造成测量误差。

考虑到Ueda和Satsumoto系统的缺陷，2013年Ke等［18－20］构建了上装的局部通风测量系统。该系统基于LH法，无需测量衣下空间体积。选用氮气作为示踪气体，4路独立的测量系统，分别配置1台氮气分析仪，可实现同时或单独测量服装前胸、后背、左臂、右臂4个部位的通风。另外，还可以根据加权平均法计算服装整体通风。

由上述分析可知，示踪气体法已广泛应用于服装整体和局部通风的测量，但应该注意的是，示踪气体与空气存在性能差异。特别是当服装通风值特别小时，必须考虑这一情况，对测量结果进行修正。

2 服装通风的影响因素

衣下空间的气体交换受多种因素的影响，可归纳为4类:面料、服装、外界环境和人体运动。

2.1 面料

通过面料的气体交换是服装通风的主要途径之一，因此面料透气性直接影响服装通风性能。Ueda和Havenith研究了不同的条件(运动条件:静止或步行;风速条件:无风或1 m/s)下，款式相同但面料透气性不同的服装通风变化规律。证实无风静立和有风步行时，服装通风性能与面料透气性呈正比。并指出，在低强度运动下，直接通过面料的气体交换和服装开口共同作用，可以适度增加显热和潜热传递，使人体保持舒适［21］。

Ke等制作了9件面料透气性和尺码不同的工作服，研究在不同的运动和风速下，面料透气性对服装前胸、后背和手臂通风的影响。证实服装局部通风受面料透气性影响，但二者并没有显著的线性相关关系。另外，面料悬垂性直接影响服装衣下空间形态，因而也会显著影响局部通风［19］。

2.2 服装

服装开口设计和合体性(可用衣下空气层厚度间接表示)是影响服装通风的2个重要因素。服装开口设计直接影响通过服装开口的对流，而衣下空气层厚度则直接影响衣下空间内的气体交换［22］。当衣下空气层厚度小于1 cm时，衣下空间内气体交换的主要形式为扩散，而当空气层厚度大于1 cm时，气体交换显著增加，对流成为主要形式［23］。

Ueda和Havenith等［24］研究了不同运动和风速条件下，领口或袖口打开或闭合对服装通风的影响。结果表明:当领口和袖口打开时，服装通风显著增加，但是服装开口的影响显著小于面料透气性的影响。服装开口和面料透气性共同作用，影响人体与外界环境之间的热湿交换。

Ueda等［14］又探究了雨衣背部开口设计对其通风的影响。静止条件下，背部开口并不能显著增加服装通风。而在有风或运动条件下，背部开口设计可以增加风泵效应，从而有助于衣下空间内的气体交换。

Ke等［18］研究了不同开口闭合条件下，服装局部通风的变化规律。实验结果表明服装开口对局部通风的影响与部位和合体性有关。对于宽松服装，服装开口是手臂通风的主要途径之一，而对于贴体服装，开口闭合不会显著影响手臂通风，但会降低后背通风。

2.3 外界环境

环境风可以直接增加通过面料的气体交换，同时可以改变衣下空间状态，因此也是影响服装通风的重要因素。Havenith等［25］证实，当环境风速增大时，服装整体通风增大，但对于服装局部通风，环境风的影响则变得很复杂，与面料透气性、服装合体性、服装部位等因素有关。

2.4 人体运动

人体运动特别是步行或跑步时，服装衣下空间内的空气受到压迫排出体外，同时外界空气也会通过服装开口进到衣下空间，增加衣下空间与外界环境之间的气体交换。Havenith等［25－26］比较了不同运动状态下工作服的通风状态，指出静坐时服装通风最小，其次为站立，步行时通风最大。服装通风与步行速度呈正比。

服装通风受多种因素影响，但通常情况下，各个因素相互作用，共同影响服装通风。研究证实，当步行与风速共同作用服装通风时，风速越大，则步行对其影响越小。另外，外界风速以及运动对不透气服装的通风影响更显著。对比服装开口和面料透气性对服装通风的影响，后者作用更明显［27－28］。

3 服装通风与热湿舒适性的关系

服装热湿舒适性能的评价主要采用Goldman和Umbach提出的五级评价系统。在五级评价系统中，二、三级评价即暖体假人实验和着装生理实验是整个评价系统的核心。暖体假人实验主要用于测量服装热湿阻，对服装进行生物物理学分析;着装生理实验主要量化着装人体客观生理指标及主观生理感受［29］。而服装衣下空间与外界环境间的气体交换，影响服装总热湿阻以及外边界空气层热湿阻。同时服装通风性能，还直接影响服用者生理反应及主观热湿舒适感。

3.1 服装通风与热阻

图3示出服装与外界环境之间的气体交换示意图。服装与外界环境之间的气体交换有3种途径:一是直接通过面料的扩散，二是通过服装开口的自然对流，三是通过服装开口的强制对流。这3种途径会直接影响服装总热阻 (IT)、服装固有热阻(Icl)和外边界空气层热阻(Ia)。

图3 服装与外界环境之间的气体交换示意图Fig.3 Air exchange between clothing and its around environment

Bouskill等选用1件单层、不透气服装和1件3层、透气性服装，探讨了不同步行速度 (0.37、0.77 m/s)和1 m/s风速条件下，服装通风与总热阻之间的关系。结果表明服装通风越大，总热阻越小，二者呈显著的线性负相关关系。另外，服装通风与总热阻的关系不受面料、服装设计、运动状态或风速的影响［30］。

服装局部通风包括2部分:一部分和整体通风一致，是衣下空间与环境之间的气体交换;另一部分是服装各部位之间的气体交换。只有第1部分的通风会影响服装热阻，因此服装局部通风与局部热阻之间很有可能存在较复杂的关系。Ke等［18］尝试探索二者之间的关系，但是并没有得出规律性结论。主要原因是服装局部通风产生机制复杂，既有对热阻造成影响的“有效通风”，也有对其无影响的“无效通风”(即服装各部位间的气体交换)。而有关该领域的研究，目前还未见相关成果报道。研究服装通风机制，即将“有效通风”量化，将是未来的研究方向之一。

3.2 服装通风与湿阻

服装通风可以预测服装湿阻。Havenith等［25］指出，服装湿阻与示踪气体扩散系数和体表面积呈正比，而与服装通风性能呈反比。

服装湿阻可以用对流传热系数和扩散传热系数之和间接表示。其中对流传热系数与选择的示踪气体无关，而扩散传热系数则直接受示踪气体影响。Zhang等指出，采用示踪气体法测量服装通风时，如果通风值很小，说明气体交换的主要形式为扩散。此时如果利用服装通风预测湿阻，必须根据示踪气体与空气的扩散性能差异对预测值进行修正。但是如果通风值很大，即气体交换的主要形式为对流时，二者的扩散性能差异可以忽略［3］。用Havenith方法预测服装湿阻，更适用于不透气服装，因为该类服装的通风主要通过服装开口间的对流产生。

3.3 服装通风与人体生理反应

服装与周围环境之间的气体交换，直接影响服装衣下空间空气的热湿性能。而衣下空间内的空气状态反过来又影响服用者的生理反应及主观热感觉。Birnbaum［31］指出，100 L/min服装衣下空间气体交换可以带走约27 W/m2的热量。Bouskill［32］证实，在寒冷环境中从事低强度运动时，由于运动增加的服装通风可以有效地控制皮肤温度的增加，但是如果运动引起的服装通风过大，也可能造成热应激。

Zhang等［33］通过设计不同领口和下摆开口大小，来调节T恤的通风性能。证实，穿着领口大小不同的服装时，平均皮肤温度、衣下空间温度以及衣下空间湿度都有显著性差异。

对于服装局部通风与热生理反应的关系，有学者也开展了相关研究。Ueda等［17］研究了低强度运动下，前胸、后背和上臂处通风与相应部位出汗率、衣下空间相对湿度之间的关系。结果表明:在服装前胸和后背处，局部水蒸气浓度与出汗率的比值与通风存在显著的线性相关关系。

4 展望

基于服装通风的研究现状及其在热湿舒适性领域的应用，未来有关服装通风的研究，可以从以下几个方面开展。

1)研究服装通风机制。服装通风主要通过2种途径:直接通过面料的扩散和通过服装开口对流。现有的服装通风测量方法只能得到最终通风值，无法分别将各个途径产生的通风量化。研究服装通风机制，可以更好地理解人体热量散失过程，从而为特殊环境下特种作业服装的选择提供更好的建议。对于服装局部，如何表征影响人体热湿传递的“有效通风”将会是未来重要的研究方向。

2)建立服装通风与人体生理反应关系的数值模型。服装通风直接影响人体热生理反应，有关二者的关系目前只处于实验研究阶段。受实验条件设定的限制，研究结果往往只适用于一定环境条件下的某类服装。而数值模拟方法不仅适用广泛，而且成本低，因此，采用数值模拟方法研究服装通风与人体热生理反应之间的关系将会是未来的研究趋势。

3)基于计算流体力学(CFD)的服装通风过程动态模拟和预测。衣下空间内的空气流动是个复杂的过程，而CFD则可以很好预测流场流动。CFD方法已经广泛地应用在室内房间或大型场所的通风研究［34－35］。将服装通风过程动态显示，有助于更好地理解服装通风机制，从而为服装面料选择和开口设计提供科学的参考依据。

4)基于服装通风的空气污染物传播研究。空气污染是人们普遍关注的热点问题。服装衣下空间与外界环境之间不断进行气体交换，而环境污染物则会随着服装通风进入人体，影响人体健康。研究服装通风与环境污染物传播的关系，可为污染物的防御提供选择和设计方面的建议。

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