应用男体出汗图谱的运动装设计与性能评价

李佳怡，卢业虎,2,3，王发明,2，孙艳娇，王 喆，朱 敏

(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； 3.苏州大学 丝绸工程省级重点实验室，江苏 苏州 215006)

应用男体出汗图谱的运动装设计与性能评价

李佳怡1，卢业虎1,2,3，王发明1,2，孙艳娇1，王 喆1，朱 敏1

(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； 3.苏州大学 丝绸工程省级重点实验室，江苏 苏州 215006)

运动装的结构设计影响其热湿传递性能，从而影响着装者的舒适性。为此，根据男体局部出汗分布特征和当前各种吸湿排汗面料的特性，设计了几款不同面料拼接的运动装，采用34区段出汗暖体假人Newton来客观评价所研发的人体绘图运动服装的热阻、湿阻和透湿指数，并通过热应激预测(PHS)模型预测在各种环境条件下穿着运动装后的人体生理指标(包括皮肤温度、核心温度、出汗率、总出汗量)的变化，从而评价所研制的运动装在不同环境下对人体的热调节作用。

出汗图谱；人体绘图运动装；出汗率；热湿传递；出汗暖体假人

运动装的结构设计影响其热湿传递性能，从而影响着装者的穿着舒适性[1-2]。当前，人体绘图运动装逐渐成为很多知名运动品牌重点推出的一类功能性运动服装。人体绘图运动装，不同于传统的运动服装，是把不同性能或不同组织的面料拼接起来的一种运动服装[3-4]。人体绘图服装充分考虑人体身体局部出汗、汗液蒸发差异等特点，合理选取不同性能的面料并拼接在服装的不同部位，可以为人体局部身体部位提供更好的舒适性。

尽管目前人体绘图运动服装已出现在国际运动服装市场上，但关于如何合理设计、开发人体绘图运动服装并使其具有优越的性能等方面的基础研究较少[5]。首先，设计人体绘图服装最重要的前提是深入地了解人体局部部位的出汗分布情况；其次，人体出汗效率、出汗蒸发效率及身体局部部位汗液蒸发散热能力对于设计高性能人体绘图运动服装具有重要的意义。大量研究[6-8]发现，身体不同部位的蒸发能力存在着较大差异，特别是在高风速情况下，四肢和躯干蒸发散热能力之间的差异更加突出。人体四肢部位的局部出汗率要远低于躯干部位的局部出汗率[9-10]，这就导致躯干部位出汗不能够像四肢部位出汗那样快速地蒸发，因此，如何帮助人体躯干等部位分泌的汗液快速蒸发是至关重要的。

本文研究首先从青年男体出汗率图谱出发，设计、研发，各种人体绘图功能运动服装，采用34区段出汗暖体假人Newton和人体热应激预测模型客观评价研发的人体绘图运动服装热湿传递性能，并与市场上采购的品牌运动装进行比较，从而为运动装的设计提供指导。

1 运动装的研发

1.1 设计原理

根据文献[11]，男女体局部出汗率不同，本文以男体为例研究人体上肢各部位出汗率，为运动上衣的设计提供参考。已有研究[10]表明：人体背面的出汗率极高，其中最高出汗率集中在背部中央，最低部位是人体四肢；正面出汗率较高的部位则集中于前中，且前胸和后背两侧的出汗率均小于中间[10]。

综合考虑各种吸湿排汗面料的性能、衣下空气层以及服装舒适度和综合强度等因素，运动服整体采用无领收腰设计，与身体贴合度较高，降低了服装的热阻和湿阻，减小了运动过程中的阻力。在运动过程中，上臂的运动幅度较大，因此短袖采用弹性较好的全棉面料，贴合上臂的肌肉线条。在运动过程中，人体高湿高热部位为前胸部位和后背部位，本文研究设计运动服在这2个部位采用Coolmax®和CoolDryTM这2种吸湿速干面料拼接，使得人体汗液能尽快散发，热量传递速度加快，提高了整件运动服的热湿舒适性。腹臀部和侧腰部位温度不高，出汗量也较小，因此采用网眼面料，保持较高的透气性，与外界空气对流帮助前胸和后背部位排汗散热。

1.2人体绘图功能运动装

根据上述设计原理，设计了4款人体绘图功能运动装，如图1～4所示。G1胸前以及后背主要使用Coolmax®面料，其余衣身和袖子采用纯棉针织面料；G2设计前后对称，中上部位使用CoolDryTM面料，其余衣身和袖子采用纯棉针织面料，而衣身两侧使用网眼布；G3衣身上部采用纯棉针织面料，衣身两侧以及正面胸下部使用网眼布，而后背中下部使用CoolDryTM面料；G4的设计也是前后对称的，衣身胸上部使用Coolmax®面料，胸部以下使用CoolDryTM面料，袖子以及衣身两侧采用纯棉针织面料。

2 实验部分

图5示出Newton出汗暖体假人。在一定环境条件下，采用Newton出汗暖体假人测量设计制作的4款成衣G1～G4以及1件Tiaga涤纶polor衫(G5)的热阻、湿阻和透湿指数，并利用热应激预测(PHS)模型预测人体的生理指标，评价运动装的热调节能力。

2.1 热阻和湿阻测量

按照ISO 15831(2004)，采用恒定皮肤温度模式(Tmanikin为34 ℃)，在恒温恒湿条件下测量服装的热阻。空气温度为(20±0.5)℃，相对湿度为(65±5)%，风速为(0.4±0.1)m/s。假人上身穿着制作的运动装，下身穿着纯棉内裤和针织运动短裤，脚部穿运动鞋进行实验。每件衣服测量3次。服装总热阻(It)采用并联法计算，如式(1)所示；固有热阻(Icl)计算如式(2)所示。因为研究的服装为合体服装，fcl对服装固有热阻的影响较小，故假定fcl为1。

(1)

(2)

按照ASTM F 2370(2010)采用等温模式(Tmanikin=Tair=34 ℃)测量服装湿阻。空气温度为(34±0.5)℃，相对湿度为(40±5)%，风速为(0.4±0.1)m/s。假人着装情况与热阻测试相同。在每次测试结束后将被汗水浸湿的服装烘干以备下次实验。每件衣服测试3次。服装湿阻采用散热法计算，如式(3)所示，并采用式(4)计算服装的透湿指数。

(3)

(4)

式中：Ret是总湿阻，Pa·m2/W；psk和pa分别是湿态织物皮肤和环境的水蒸气压，Pa；Hi是i躯段的蒸发散热量，W/m2；Ai是i躯段的表面积，A是皮肤总表面积，m2；im是透湿指数。

表1示出服装的热阻、湿阻和透湿指数。结果表明，G1～G4的热阻和湿阻均小于G5，而透湿指数大于G5，G1～G4之间没有明显差异。

表1 服装的热阻和湿阻Tab.1 Thermal insulation and evaporative resistance

2.2 采用PHS模型的生理指标预测

利用PHS模型预测5件服装在不同环境下穿着后人体的生理指标，包括皮肤温度、核心温度、出汗率、总出汗量。表2示出模拟的运动状态。将整个实验分为5个阶段，即休息—运动1—休息—运动2—休息。表3示出7种实验环境条件。

表2 模拟的运动状态Tab.2 Simulated activity

表3 实验环境条件Tab.3 Environmental conditions for simulation

3 结果与讨论

3.1 皮肤温度

图6示出在34 ℃，75% 相对湿度条件下穿着5件服装后皮肤温度的变化规律。从整体来看，呈现以下趋势：在0～50 min区间皮肤温度迅速上升；在50～70 min皮肤温度逐渐下降；在70～110 min区间皮肤温度大幅度上升，并在110 min皮肤温度达到最大值；110 min以后皮肤温度开始逐渐下降。

从25 min开始，G5的皮肤温度明显高出其他4件服装，尤其是在70 min以后，并于110 min达到最大值(约36.8 ℃)。在第1次运动后(50 min)，G5与其他服装的最大皮肤温差为0.4 ℃，而在第2次运动后(110 min)，最大皮肤温差为0.9 ℃。

在其他6种环境条件下，人体皮肤温度的变化呈现出相似的规律。表4示出在不同环境条件下在各时间段人体皮肤温度的变化。

表4 不同环境条件下人体皮肤温度Tab.4 Skin temperature under different conditions ℃

由表4可知，高温条件下(I和II)，在第2个运动阶段T4(70～110 min)，穿着4件运动装G1～G4后的皮肤温度明显低于G5。这表明新型的面料拼接运动装(G1～G4)较普通涤纶运动装具有较好的散热性能。这可能与新型运动装具有较小的热阻和较大的透湿指数有关，人体运动后产生的汗液能够较快地传递至服装表面并蒸发，将人体表面的热量带走，降低皮肤温度。另外，比较条件I和II可知，环境湿度越低，服装的湿传递阻力越小，蒸发散热作用越明显。

在环境条件III下，在15～50 min和75～110 min区间，G5的皮肤温度明显高出其他4件服装，并于110 min达到最大值34.8 ℃左右。

在暖温条件IV，V和VI下，在2个运动时间段T2和T4，G5的皮肤温度明显高出其他4件服装，并于110 min达到最大值，而在休息阶段(T1、T3、T5)，各服装的皮肤温度没有明显差异。结果表明：在25 ℃条件下，当人体运动时，面料拼接运动装较普通涤纶运动装具有较好的散热性能。这与较高温环境III下皮肤温度的总体趋势相似。另外，在暖温条件下，高湿度环境IV下的皮肤温度明显高于V和VI，而V和VI条件下的皮肤温度没有明显差异。

在环境条件VII下，在2个运动时间段T2和T4，G5的皮肤温度明显高出其他4件服装，但皮肤温度均低于34 ℃。

3.2 核心温度

图7示出在34 ℃，75%相对湿度条件下穿着5件服装后人体核心温度的变化。总体来说，呈现以下趋势：在T1和T2阶段(0～50 min)核心温度上升；在T3阶段(50～70 min)核心温度稍有下降；在T4阶段(70～110 min)核心温度快速上升，在110 min达到温度最大值；随后核心温度逐渐下降。从35 min至实验结束，穿着服装G5后人体核心温度明显高于其他4件新研发的服装。在110 min达到最大值40.0 ℃左右。值得注意的是，大概在85 min时人体核心温度高于39.0 ℃，基于安全因素，此时人体无法继续进行实验。

在其他6种环境条件下，人体核心温度的变化呈现出相似的规律。表5示出不同环境条件下在各时间段人体核心温度的变化。

由表5可知，在高温低湿条件II下，穿着不同的服装后，人体核心温度没有明显差异。比较条件I和II可知，环境湿度越低，服装的湿传递阻力越小，蒸发散热致冷作用越明显，人体核心温度越低，这与环境相对湿度对皮肤温度的影响一致(见表4)。在较高温环境III下，核心温度总体趋势与温度条件II下的核心体温变化相似。在暖温条件(IV、V、VI)下，环境湿度对核心温度没有明显影响。在常温条件VII下，核心温度变化与II～VI条件下的变化规律相似。总体来说，除在高温高湿条件下之外，较之涤纶服装，新研制的面料拼接服装并没有发挥明显的热调节作用。

表5 不同环境条件下人体核心温度Tab.5 Rectal temperatures under different conditions ℃

3.3 总出汗量

在总出汗量方面，5件服装整体均呈现以下趋势：随着时间的延长，总出汗量持续上升，在130 min达到最大值。表6示出5件服装在7种不同环境下的总出汗量。由表可知，G5产生的总出汗量比本文研究中研制的服装G1～G4总出汗量大，而其他4件服装之间的差异很小。随着环境温度的降低，皮肤总的出汗量逐渐下降。比较环境条件I和II、IV、V和VI可发现，在同等温度条件下湿度越大，皮肤总的出汗量也越大，但在暖温条件下，相对湿度对总出汗量的影响并不明显。

表6 不同环境下5件服装的总出汗量Tab.6 Total sweating production of five garments under different conditions g

3.4 出汗率

图8示出34 ℃，75%相对湿度条件下5件服装的出汗率。在I条件下，5件服装的出汗率均呈现出“m”型，2个峰值分别出现在50 min和110 min，即2次运动阶段T2和T4结束时，整个运动过程中出汗率最小值出现在70 min和130 min，即2次运动结束后的休息结束阶段T3和T5，且G5的出汗率整体要略高于其他4件服装。在其他6种条件下，皮肤出汗率的变化趋势与图8一致。

在I条件下，2个峰值分别为1 105.8 g/h和1 108.2 g/h；2个最低点分别为442.9 g/h和434.6 g/h。在代谢率为250 W/m2的运动前期(10～30 min和70～90 min)以及T3休息阶段的后10 min，服装G5与研制的4件BMS服装间的差异较明显。在II条件下，2个峰值分别为852.7 g/h和860.1 g/h；最低点为338.0 g/h和339.2 g/h。自25 min至实验结束，服装G5与4件BMS服装之间的出汗率差异最明显。由此可见，在高温环境下，相对湿度对出汗率及服装间的差异具有一定的影响。

在条件III下，出汗率的2个峰值分别为654.6、662.1 g/h；最低点为244.3、244.7 g/h。在30～65 min和85～120 min区间，服装G5与4件BMS服装之间的出汗率略有差异。

在条件IV下，2个峰值分别为532.4、539.8 g/h；最低点为140.7、140.1 g/h。在30～65 min和85～120 min，服装G5与其他4件服装之间具有明显差异。在条件V下，2个峰值分别为512.0、511.6 g/h；最低点为140.8、141.8 g/h。在35～60 min和95～115 min区间，服装G5与新研发的4件服装之间存在一定的差异。在条件VI下，2个峰值分别为500.6、507.0 g/h；最低点为141.4、142.4 g/h。在35～60 min和95～115 min区间，服装G5与其他4件服装具有一定的差异。

在条件VII下，出汗率的2个峰值分别为384.2、386.6 g/h；最低点为70.9、71.6 g/h。在40～60 min和95～120 min区间，服装G5与服装G1～G4略有差异。

综上分析可知，随着环境温度下降，皮肤出汗率逐渐减小。比较条件I和II可发现，在同等高温条件下，相对湿度越大，运动阶段(T2和T4)的最大出汗率越大，2个休息阶段最低出汗率随相对湿度增加而增加。比较条件IV、V和VI可知，在暖温条件下，相对湿度越大，运动阶段(T2和T4)的最大出汗率越大，2个休息阶段最低出汗率没有差异。

4 结 论

本文基于人体出汗分布图谱和面料的性能特点，研发了4款面料拼接服装，并通过出汗假人系统

和PHS模型评价了不同环境条件下新研发的服装与涤纶服装的热调节作用，得到如下结论：

1)本文设计的新型面料拼接服装的热湿传递性能比普通涤纶服装强；吸湿排汗能力和蒸发致冷作用优于普通涤纶服装。

2)新型的面料拼接服装与普通涤纶服装相比，皮肤温度差异较大，新型面料拼接服装吸湿排汗效果更好；而核心温度差异较小，除了在高温高湿条件下，新研制的服装发挥了明显的热调节作用。

3)新型的面料拼接服装与普通涤纶服装相比，总出汗量和出汗率都具有明显的差异。在高温高湿条件下，差异主要体现在运动阶段的前期和休息阶段的后期；在高温低湿条件下，自25 min至实验结束，新研制的服装与普通涤纶服装出汗率都具有明显差异。在其他条件下，出汗率的差异主要出现在运动阶段的中后期和休息阶段的前期。

4)在相同环境温度下，环境湿度越大，皮肤总的出汗量越大，皮肤温度和核心温度也越高，服装吸湿排汗散热性能越差。

FZXB

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Development and performance evaluation of sportswear based on male body sweating pattern

LI Jiayi1,LU Yehu1,2，3,WANG Faming1,2，SUN Yanjiao1,WANG Zhe1,ZHU Min1

(1.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk,Suzhou,Jiangsu215123,China； 3.ProvincialKeyLaboratoryofSilkEngineering，SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China)

The structure feature of sportswear affects the heat and moisture transfer property,and thus influences thermal comfort of the wearer.Based on the male local sweating pattern and properties of current moisture absorbent and quick dry fabrics,several functional sportswear prototypes were developed by fabrics splicing.The advanced 34-zone sweating manikin ′Newton′ was used to measure thermal insulation,evaporative resistance and permeability index of the developed body mapping sportswear (BMS),and the predicted heat stress (PHS) model was applied to predict the physiological parameters such as skin temperature,core temperature,total sweating production and sweating rate under different environmental conditions.Those indices were used to evaluate the thermoregulatory property of the BMS.

sweating pattern；body mapping sportswear；sweating rate；heat and moisture transfer；sweating thermal manikin

10.13475/j.fzxb.20141101307

2014-11-13

2015-09-11

江苏省博士后基金项目(1402108C)；丝绸工程省级重点实验室开放研究课题项目(KJS1414)

李佳怡(1993—)，女，本科生。研究方向为功能与防护服装。卢业虎，通信作者，E-mail：yhlu@suda.edu.cn。

G 818.4；TS 941.73

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