中国20个少数民族男性服装整体和局部热阻的研究

2015-05-11卢业虎王发明

丝绸 2015年10期

关键词：民族服装空气层假人

史雯，卢业虎,2，王发明,2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215006；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州215123)

研究与技术

中国20个少数民族男性服装整体和局部热阻的研究

史雯1，卢业虎1,2，王发明1,2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215006；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州215123)

服装热阻是影响人体着装舒适性的主要物理指标之一。选取具有代表性的20种不同少数民族的男性传统服装，根据款式特点将其分成六组，采用暖体假人测试了服装的整体和局部静态热阻，分析各组内、组间服装局部热阻的差异和变化趋势，以及影响服装热阻的相关因素。研究结果表明：服装的局部热阻与人体部位体形、服装局部结构、人体穿着方式和服装的总重量有关。各少数民族服装的局部热阻分布不均匀，躯干后部位的服装热阻大于前部，腹部和下背处的服装热阻大于胸部和上背，盆骨处的服装热阻最大。

少数民族；服装；暖体假人；服装总热阻；局部热阻；结构款式

服装热阻是表征人体热舒适性最重要的客观物理指标之一。影响服装热传递性能的因素主要有：环境因素、人体的动作姿势、发汗量、服装的物理特性和设计因素等。外界风可以增加对流和蒸发散热，使透气性服装的热阻显著下降；人体行走使得四肢部位的服装热阻下降幅度远大于躯干部位[1-3]。人体的姿势及大量的显汗也可以改变服装的热阻[1,4-6]。服装热阻随着覆盖人体的表面积的增加而增加；同样，当服装厚度、层数增加时，其热阻值也会相应地增加[7]。服装的搭配形式不同，对应的服装局部热阻和总热阻也会不同[8-9]。服装衣下空气层和服装的结构比织物性能(厚度、密度、平方米质量、导热系数)更易影响服装的热阻[10]。服装热阻会随着衣下空气层厚度的增加而增加；当空气层增加到一定厚度时，继续增大空气层，服装微环境内会发生自然对流和强迫对流，从而致使服装的总热阻下降[11]。服装衣下空气层与外界环境之间的气体交换现象称为服装的通风效应，根据服装开口部位、服装的合体性和服装的款式等的不同，通风效应可以使服装总热阻减少5%～50%[12]。

国际学术界上，韩国、阿拉伯海湾和科威特等亚洲国家对其传统民族服装进行了较为深入的研究。Sung[10]通过人体着装测试了朝鲜男性民族服装的有效热阻，并与朝鲜女性民族服装、西方服装的热阻进行了比较。研究结果发现韩服在下身部位的热阻大于西方服装。Al-Ajmi等[13]用暖体假人测量了阿拉伯海湾传统民族服装的热阻及服装面积因子，指出计算西方服装面积因子的经验公式不再适用于阿拉伯海湾的民族服装。Al-Rashidi等[8]用三种方法测量了科威特学生校服的固有热阻，并分析了6～17岁的少年服装与成人服装热阻之间的差异。

中国是一个由56个民族组成的多民族国家。由于55个少数民族的分布较为分散，加之地形、气候、植被和宗教等的异同，形成了各具民族特色的民族服饰。当前，国内学者对少数民族服饰的研究大多是从服装通史、服饰文化、头饰等角度展开，专门探讨民族服装的研究多集中在图案色彩、服装款式等表征层面上[14]，触及到技术层面的也多是传统刺绣技艺和服装结构[15]，而关于少数民族服装舒适性方面的研究较少。李俊等[16]利用暖体假人研究了几种藏服的热阻，结果表明藏服的穿着方式影响服装的总热阻。

鉴于国内学者对中国少数民族传统服装热传递性能的研究相对落后,因此亟需开展中国少数民族服装热阻方面的研究，从而为今后研究少数民族群体舒适性提供更为广泛的理论支持。本研究采用暖体假人探讨了中国20个少数民族男性传统服装的总热阻及服装不同部位的局部热组，研究结果为建立适用于各少数民族群体的局部热舒适性模型提供参考依据。

1 研究方法

1.1 测试服装

本研究选取了20个少数民族的20套传统男性服装作为测试服装，各套民族服装的尺寸依据暖体假人“Newton”量身定制。根据它们的款式特点(图1)把这20套民族服装分为G1～G6六组。G1是上下衣分体服装，配有短裙或短袖；G2是长袍服装；G3服装是长袖上衣和长裤或长裙；G4服装包括长袖上衣、长裤，外面套上马甲或在胸前、腿部配有装饰；G5是上袍下裤组合的服装；G6是多层搭配服装。其中，保安族服装存在两种穿法：保安族1——长袍仅穿左袖，类似袈裟穿法；保安族2——两只袖子正常穿着。各组服装的面料性能参见表1。

1.2 测试条件与实验步骤

实验采用34区段暖体假人“Newton”(美国西北测量技术公司)测量服装热阻。将假人划分为11个区域来计算每个区域的服装局部热阻(图2)。服装热阻的测试在人工气候室内完成。实验前，先将测试服装放置于测试环境下平衡至少12 h。实验的测试条件严格按照ISO 15831—2004《服装-生理效应-采用暖体假人测试服装热阻》[17]来执行，人工气候室内相对湿度为50%±10%，风速为(0.4±0.1) m/s。实验测试环境温度的选取与两个因素有关：1)暖体假人的表面温度与环境温度的温差至少为12 ℃；2)假人每一区段的热流量应大于20 W/m2。每套服装穿着之前，先给假人穿上一条纯棉内裤(图3)。实验中假人采用恒温模式(假人表面温度控制在34 ℃)，由ThermDAC®软件每30 s记录一次假人每个区段的表面温度和热流量，其稳态时间至少持续30 min。每件服装重复测量3次，服装热阻的变异系数控制在10%以内，否则，继续重复实验，直至达到要求。

1.3 服装热阻的计算

服装总热阻It(m2·℃/W)的计算公式[17](并联法)为：

(1)

图1 少数民族服装的款式Fig.1 Styles of minority ethnic costumes

表1 少数民族服装的面料性能Tab.1 Fabric properties of minority ethnic costumes

图2 暖体假人局部区域划分示意Fig.2 Local regional division drawing of the thermal manikin

图3 34区段“Newton”暖体假人Fig.3 The 34-zone“Newton”thermal manikin

其中，服装局部热阻It,i的计算公式[17]为：

(2)

式(1)～(2)中：Ai为暖体假人第i区段的表面积，m2(i=1，2，3……32)；A为暖体假人的表面积，m2；Tsk,i为暖体假人第i区段的表面温度，℃；Ta为空气温度，℃；Hc,i为暖体假人第i区段的热流量，W/m2(i=1，2，3……11)。

2 结果与讨论

2.1 服装总热阻

本研究中六组服装的总热阻值如图4所示。裸态边界空气层的总热阻是0.077 m2·℃/W(即0.50 Clo)，这20套民族服装的总热阻值范围为0.125～0.230 m2·℃/W(即0.81～1.48 Clo)。由于G1包含短裙或者短袖上衣，因此其服装的总热阻值较小。由于裸露部位、服装结构款式的不同致使其总热阻之间存在显著差异(傣族服装较黎族服装的总热阻大14.2%)。G2服装均为长袍，腰间系带，尽管本组服装结构特征和外部造型相似，但各套服装的总热阻之间仍然存在显著差异(藏族服装较怒族服装的总热阻大25.1%)，这可能与服装的宽松程度和局部(领口、袖口、下摆)面料层数的不同有关。例如藏族服装的主体面料虽然较薄，但较怒族、蒙古族服装，其衣袖更长、整体更加肥大，衣下空气层含量较多；此外，藏服在领部、袖口和下摆处配有大量人造毛，服装总重量也增加了近0.9倍，所以其总热阻较大。G3中壮族、仡佬族与畲族的服装结构款式基本相同，但它们的总热阻之间存在着差异；布依族上衣为右衽衣襟、下身是长裙，这些款式上的差异使之与其他两个民族服装的总热阻存在显著差异(布依族服装较壮族服装的总热阻大10.4%)。G4中苗族服装热阻较大(苗族服装较瑶族服装的总热阻大13.2%)，这可能与各服装的结构款式和覆盖面积的不同有关。G5中，与其他两种民族服装相比，哈萨克族服装面料较厚、服装总重量大、层数多，所以其总热阻较大(哈萨克族服装较仫佬族服装的总热阻大7.5%)。G6是多层搭配的服装，服装整体重量较大，服装的某些部位上的面料较厚(如羌族的毛马甲、保安族的“Y”字领)，使其总热阻较大；由于款式结构、穿着方式的不同，热阻也存在显著差异(保安族1服装较保安族2服装的总热阻大11.6%)。

**表示P<0.01;*表示P<0.05；数字表示组内差异

如图5所示，服装总热阻与其总质量之间存在着显著的线性关系，如式(3)所示(R2=0.781)。研究结果表明，服装越重，其总热阻越大，这与Sung[10]测得的韩服的规律趋势是一致的。

It=5.36×10-5×Wt+0.12

(3)

式中：Wt是服装的质量，g。

图5 服装质量与热阻之间的关系Fig.5 The relationship between thermal resistance and the clothing weight

2.2 服装局部热阻

本研究中六组服装的局部热阻值如图6所示，服装不同部位的热阻分布不均匀：躯干后背部位的服装热阻大于胸部和腹部，腹部和下背的服装热阻大于胸部和上背，这主要与人体形态和服装上下衣的部分重叠有关；盆骨处的服装热阻明显大于其他身体部位，这主要是由内裤和衣服的重叠、腹部臀部的形态及服装衣下空气层的分布差异等原因造成的[18]。手脚部位的局部服装热阻与袖长、裤长、裙长或袍长有关，长度不同，服装覆盖人体的面积不同，其服装热阻会有所不同。G1的服装从上到下局部热阻的变化趋势基本一致。俄罗斯族和傣族服装的上衣是短袖结构，黎族服装的上衣是长袖结构，所以黎族服装在手臂处的热阻较大；黎族服装的下衣是短裙，腿部热阻明显小于长裤。俄罗斯族与傣族服装的结构

**表示P<0.01;*表示P<0.05

款式相同，但二者的局部热阻在腹部处差异较大，这是因为俄罗斯族服装的上衣明显轻薄，加之傣族服装的腰部束有腰带，增加了服装的热阻。对于G2，除藏服在胸部处的热阻外，各族服装从上到下局部热阻的变化趋势基本一致。藏族与其他族服装的局部热阻存在差异：藏服主体面料的厚度较薄，后背的热阻较小；而藏服的领口部位在原面料的基础上增加了一层较厚的人造毛，静止空气增多，使其前胸处的热阻大大增加(热阻值增加了0.17 m2·℃/W，超出其他族115.7%)；藏服宽松肥大，尤其在下肢处，静止空气层较多，保暖性好[16]。怒族服装在胸部和上背等部位的热阻较小，这可能是因为其衣领部位开口较深且没有装饰。G3服装是标准的上下衣单层结构，除头手脚外，身体其他部位均被服装覆盖，局部热阻的变化趋势也基本相同。布依族服装的下衣是长裙，与长裤相比，盆骨处的热阻差别是最大的(热阻值增加了0.14 m2·℃/W，超出其他族43.8%)，腿部的热阻差异则相对较小。四套服装在腹部处的热阻存在显著差异，这可能与服装主体面料的硬挺度和服装胸前装饰面料的特性有关。仡佬族与布依族服装面料成分相同、厚度不同，在手臂、胸部和后背处的服装热阻没有显著差异；壮族与畲族服装厚度差异较大，但在大多数部位服装热阻的差异不大，以上结果表明与其他因素(例如服装衣下空气层)相比，面料厚度对各民族服装热阻的影响较小，这与Sung[10]对于男性韩服的研究结果是一致的。

对于G4，各服装从上到下局部热阻的变化趋势基本相同。苗族比其他族服装的局部热阻大，这可能是因为其多层重叠的部位较多，结构款式较为宽松，衣下静止空气较多[18]。瑶族服装在胸部和上背部位的热阻较低，是因为装饰只覆盖了胸部的一部分，而其他族为马甲，重叠覆盖的面积较大。G5服装从上到下局部热阻的变化趋势也基本一致。三套长裤的款式结构相同，仫佬族长袍比满族、哈萨克族的长袍短，所以其腿部的热阻较小；满族长袍下摆是A型，哈萨克族长袍是H型，在大腿部位二者的热阻无差异，而在小腿处哈萨克族服装的热阻较大，这是由空气层分布的不均匀性引起的[11]。满族服装在手臂处的热阻较小，可能与其袖口肥大而造成的对流效应有关[11]；满族服装在腹部和下背处的热阻较小，这可能与束腰带的松紧和服装面料的硬挺度有关。从图6可以看出,G6服装的局部热阻普遍较大。保安族1和保安族2是保安族服装的两种不同穿法，保安族2服装在手臂、胸部和腹部处的热阻大于保安族1(手臂处的热阻增加了0.06 m2·℃/W，增大了27.2%；胸部处的热阻增加了0.16 m2·℃/W，增大了74.2%；腹部处的热阻增加了0.11 m2·℃/W，增大了29.1%)；长袍的右袖堆积在后背，上背处的服装热阻虽无差异，但在下背处保安族1的服装热阻大于保安族2；对下肢而言，二者的局部热阻没有差异。保安族服装不同的穿法可以较好地适应其所在地区一天的气候变化，这与Li等[16]的研究结果一致。羌族服装躯干部位的毛马甲内含有大量的静止空气，因而其躯干部位的局部热阻远大于保安族(上背处的热阻增大了0.25 m2·℃/W，超出保安族103.1%；下背处的热阻增大了0.35 m2·℃/W，超出保安族78.4%)；羌族服装的局部热阻在盆骨处明显下降(热阻减小了0.19 m2·℃/W，约低于保安族38.9%)，这是由于相对于宽松肥大的保安族服装，其所含衣下空气层较少[18]而造成的。

G1和G6分别是热阻最大与最小的服装组，涵盖范围较广(服装局部热阻范围为0.075～0.802 m2·℃/W，即0.48～5.17 Clo)。G2与G3的服装覆盖面积基本相同，且均为单层服装。除藏服外，其他民族服装的局部热阻变化趋势基本一致(除仡佬族服装在腹部处的局部热阻较低外)。在大腿处，袍或裙的热阻大于长裤(局部热阻平均值相差0.05 m2·℃/W，增大了22.3%)；而在小腿处，其热阻小于长裤(局部热阻平均值相差0.03 m2·℃/W，减少了17.3%)。这与空气层的分布有关[11]，空气层过大会形成通风效应，使其对应部位的服装热阻降低。藏族与保安族2的服装都极为宽松，且胸部覆盖毛领，热阻增加；下背处的衣下空气层较大，对流散热增加，热阻下降[18]。相对于G2服装，G5的下身部位增穿了裤子，因而G5服装比G2服装的下身部位的热阻大(平均值相差0.07 m2·℃/W，增大了25.8%)，此结果与男性韩服下半身的热阻值大于西方服装下半身的热阻值是一致的[10]。

3 结论

本研究选取了20套少数民族男性传统服装，采用暖体假人测试了服装的整体及局部静态热阻。20套民族服装的总热阻值范围为0.125～0.230 m2·℃/W(即0.81～1.48 Clo)，局部热阻值范围为0.075～0.802 m2·℃/W(即0.48～5.17 Clo)。研究结果表明，服装的局部热阻与人体各部位体形、服装局部结构和人体穿着方式有关。由于头手脚处没有服装覆盖，因此这些部位的局部热阻较小。20套服装局部热阻的分布不均匀，普遍规律(按自上到下顺序)如下：手臂和胸部的服装热阻较低，上背、腹部和下背处的服装热阻依次增大，在盆骨处服装热阻值达到最大，大腿和小腿处的服装热阻又逐渐减小；在躯干部位，后背处的服装热阻大于前胸，腹部和下背处的服装热阻大于胸部和上背。服装层数越多，热阻也相对较大。羌族、保安族和藏族服装在其较厚的人造毛部位的热阻显著增加。在大腿处，袍或裙的热阻大于长裤，而在小腿处，其热阻则小于长裤。服装的总质量对其热阻有明显影响，服装越重，热阻值越大。

[1]DEAR R J D, ARENS E, ZHANG H, et al. Convective and radiative heat transfer coefficients for individual human body segments[J]. International Journal of Biometeorology,1997,40(3):141-156.

[2]LU Y, WANG F, WAN X, et al. Clothing resultant thermal insulation determined on a movable thermal manikin, part I: effects of wind and body movement on total resultant insulation[J]. International Journal of Biometeorology,2015,59(10):1478-1486.

[3]LU Y, WANG F, WAN X, et al. Clothing resultant thermal insulation determined on a movable thermal manikin, part II: effects of wind and body movement on local insulation[J]. International Journal of Biometeorology,2015,59(10):1487-1498.

[4]OGURO M, ARENS E, DE D R, et al. Convective heat transfer coefficients and clothing insulations for parts of the clothed human body under airflow conditions[J]. Journal of Architecture Planning and Environmental Engineering,2002,561:21-29.

[5]WU Y S, FAN J T, YU W. Effect of posture positions on the evaporative resistance and thermal insulation of clothing[J]. Ergonomics,2011,54(3):301-313.

[6]CHEN Y S, FAN J, ZHANG W. Clothing thermal insulation during sweating[J]. Textile Research Journal,2003,73(2):152-157.

[7]MCCULLOUGH E A, KENNEY W L. Thermal insulation and evaporative resistance of football uniforms[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise,2002,35(5):832-837.

[8]AL-RASHIDI K, LOVEDAY D, AL-MUTAWA N, et al. A comparison of methods for assessing the thermal insulation value of children’s schoolwear in Kuwait[J]. Applied Ergonomics,2012,43(1):203-210.

[9]SAKOI T, TSUZUKI K. Effective thermal insulation of body segments by summer clothing[C]∥Proceedings of Clima 2007 Wellbeing Indoors, Helsinki, Finland, 2007.

[10]SUNG S K. Study on the thermal insulation effect of Korean men’s folk clothes[J]. Journal of Thermal Biology,1993,18(5/6):409-412.

[11]CHEN Y S, FAN J, QIAN X, et al. Effect of garment fit on thermal insulation and evaporative resistance[J]. Textile Research Journal,2004,74(8):742-748.

[12]张向辉,李俊,王云仪.服装开口部位对着装热舒适性的影响[J].东华大学学报:自然科学版,2012,38(2):90-195. ZHANG Xianghui, LI Jun, WANG Yunyi. Effects of the positions of clothing openings on thermal comfort[J]. Journal of Donghua University: Natural Science,2012,38(2):190-195.

[13]AL-AJMI F F, LOVEDAY D L, BEDWELL K H, et al. Thermal insulation and clothing area factors of typical Arabian Gulf clothing ensembles for males and females: measurements using thermal manikins[J]. Applied Ergonomics,2011,39(3):407-414.

[14]叶永敏,肖劲.粤北瑶绣表征及发展[J].丝绸,2014,51(9):62-66. YE Yongmin, XIAO Jin. The characterization and development of Yao embroidery in northern Guangdong[J]. Journal of Silk,2014,51(9):62-66.

[15]张俊杰,赵明.满族裤装造型结构研究[J].丝绸,2014,51(11):38-42. ZHANG Junjie, ZHAO Ming. Study on modeling composition of Manchu trousers[J]. Journal of Silk,2014,51(11):38-42.

[16]LI J, GUO X, WANG Y. Temperature rating prediction of Tibetan robe ensemble based on different wearing ways[J]. Applied Ergonomics,2012,43(5):909-915.

[17]ISO 15831, Clothing-physiological effects-measurement of thermal insulation by means of a thermal manikin[S]. Geneva: International Organization for Standardization,2004.

[18]LU Y, SONG G, LI J. A novel approach for fit analysis of thermal protective clothing using three-dimensional body scanning[J]. Applied Ergonomics,2014,45(6):1439-1446.

A Study on Overall and Local Thermal Resistance of Male Costumes from Twenty Minority Ethnic Groups in China

SHI Wen1, LU Yehu1,2, WANG Faming1,2

(1.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China; 2.The National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

Clothing thermal resistance is one of main physical parameters influencing dressing comfort. In this study, 20 kinds of typical male ethnic costumes were selected from 20 Chinese minority groups. They were divided into 6 groups based on their style characteristics. The overall and local static thermal resistance of those male ethnic costumes is measured with thermal manikin. The differences and change trend of local thermal resistance of inter-group and intra-group clothing as well as relevant factors influencing thermal resistance of clothing were investigated. Research results show that, local thermal resistance of clothing is related to the body posture, local structure of clothing, wearing ways and clothing weight. The local thermal resistance of those ethnic costumes is distributed unevenly; thermal resistance of clothing at the back is higher than that at the front; thermal resistance at the abdomen and the lower back is greater than that of the chest and the upper back; thermal resistance at the pelvis is the largest.

minority ethnic; costume; thermal manikin; overall thermal resistance of costume; local thermal resistance; structure style

2015-02-01;

2015-06-17

江苏省自然科学基金资助项目(BK20130312)