通风服装对人体热舒适的影响

赵蒙蒙， 宋晓霞

(1. 上海工程技术大学 服装学院， 上海 201620； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

通风服装对人体热舒适的影响

赵蒙蒙1,2， 宋晓霞1

(1. 上海工程技术大学 服装学院， 上海 201620； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

为研究高温环境中降温服装对人体热舒适的影响，通过出汗暖体假人实验和真人着装实验分别研究了通风服的热湿性能以及对人体热舒适的影响。研究发现：当通风量为0.012 m3/s时，通风系统的引进使服装的湿阻减小58%。男性受试者穿着通风服在25 ℃、相对湿度50%的环境条件下运动，其局部皮肤温度、平均皮肤温度均比风扇未打开时低；其中，胸部和腿部皮肤温度降低幅度最为明显;打开与关闭风扇两种实验条件下，受试者的局部皮肤温度以及平均皮肤温度有显著性差异。运动20 min和休息20 min后，风扇打开时的平均皮肤温度比未打开时分别低2.4、0.9 ℃；研究表明该通风服装可用来作为改善人体热舒适的服装雏形。

通风服装； 湿阻； 热舒适； 皮肤温度

服装通风的概念最早由Crockford提出，指衣下微气候与外界环境之间的空气交换，实现皮肤表面与环境之间的热量交换[1]。在20世纪80至90年代，采用通风系统的调温服开始应用于军用领域，主要用于减小军队士兵遭受的高温热应激[2-3]。美国陆军环境医学研究所是该领域的研究主力，通常采用出汗暖体假人实验或者真人着装实验，通过对比穿着调温服后暖体假人散热量以及人体核心温度、皮肤温度、热湿感觉等指标评价其对热舒适的影响[4-7]。

在国内，曾彦彰等[8]研发了一款带有多个微型风扇的通风服，解决了风扇体积过大的问题，改善了穿着和携带的便利性，并通过数值求解和实验验证了该通风服的可行性。韩增旺等[9]使用出汗暖体假人，通过对比穿着通风服前后假人皮肤表面温度、衣内湿度、输出功率验证了通风服对于调节人体热舒适具有较好的应用价值。李珩等[10]通过分析人体-通风服-环境传热传质过程，建立了人体在全身通风条件下的热湿模型。

笔者前期研究了高温条件下，穿着通风服对人体热生理的影响[11]。本文将在前期研究的基础上，研究常温条件下，通风服对人体热湿舒适的影响。研究结果将为高温环境中个体降温服装的发展提供重要的理论指导意义。

1 通风服装

本文中的通风服由通风系统和服装组成。通风系统由2个小型风扇、电源、电源连接线组成。电源装置由4节AA电池组成。电池量满载时可输送0.012 m3/s的风量。通过一个大小与风扇吻合的塑料环将风扇固定于服装上。

服装为涤棉斜纹梭织面料缝制的工装短袖，衣身底摆为松紧带束身款式，如图1所示。通过在服装内侧缝制贴袋，将电源装置放置于衣服口袋内。启动电源装置上的开关按钮可使风扇运转。

图1 通风服装Fig.1 Ventilation clothing

通风服主要通过对流和汗液蒸发2种方式提高人体散热。通风带来的散热量[4]可表示为

(1)

式中：Q为通风散热量，W；ρ为空气密度，kg/m3;m为空气质量，kg；Ta和Ts分别为环境空气和皮肤的温度，℃；ha和hv分别为干态和湿态空气的热焓，kJ/kg;φa表示空气的相对湿度，%。等式右边2项分别代表汗液蒸发散热和对流散热。

2 研究方法

2.1 通风服湿阻实验

通过在人工气候室中，使用出汗暖体假人测量通风服湿阻。气候室的温度和湿度分别设定为 34 ℃和60%，风速V=0.4 m/s。

采用恒定皮肤温度的测量模式，暖体假人表面的温度设定为Tsk=Ta=34 ℃(Tsk为平均皮肤温度)，根据下式计算通风服的动态湿阻[12]。

(2)

式中：Ret为湿阻，kPa·m2/W；Psk、Pa分别为织物皮肤和空气的水蒸气分压，kPa;A为织物皮肤的表面积，为0.57 m2;λ为水的蒸发热，W·h/g；dm/dt为汗液蒸发率，g/h。实验过程按照ASTM F2371-005《使用出汗暖体假人测量个体降温服装散热率的标准测试方法》进行。

通过实验测量和计算，风扇未打开时服装湿阻为0.017 3 kPa·m2/W，风扇打开后服装湿阻为0.007 3 kPa·m2/W，通风系统的引进使服装湿阻减小了58%。

2.2 人体着装实验

10名男性大学生作为受试者参与了此次的着装实验。实验在温度25 ℃、相对温度50%环境条件下进行。受试者穿着通风服在跑步机上以4 km/h的活动强度进行运动，运动20 min后休息 20 min。受试者穿着统一的齐膝运动短裤。使用3M医用胶布将温度传感器(型号285-661, 英国欧时电子元件有限公司(RS)，精度±0.1 ℃)固定于受试者身体左部皮肤表面。测量的部位为人体左胸部(胸点)、左背部(肩胛点)、左手臂(上臂前部)以及左腿部(小腿肚)。

整个实验过程中采用Labview软件，测量并记录受试者各局部皮肤温度随时间的变化。

3 实验结果与分析

3.1 局部皮肤温度

所有的受试者均顺利完成了测试实验。受试者胸部、背部、手臂以及小腿部的皮肤温度随时间的变化如图2所示。

图2 局部皮肤温度随时间的变化Fig.2 Change of local skin temperature in real time. (a) Chest temperature; (b) Back temperature; (c) Calf temprature; (d) Arm temperature

从图2可看出，受试者穿着通风服运动，在风扇打开与关闭2种实验条件下，受试者的局部部位皮肤温度有明显的降低。胸部皮肤温度在运动的前25 min有明显的降低。由于穿着运动短裤，小腿裸露在外，通风过程中腿部皮肤温度最低，在30 ℃左右。

3.2 平均皮肤温度

根据公式(3)[13]，计算可得到受试者平均皮肤温度Tsk。公式中，平均皮肤温度Tsk根据胸部皮肤温度Tchest、小腿肚皮肤温度Tcalf以及手臂温度Tarm确定，各部位皮肤温度的加权系数分别为0.5、0.34以及0.16。

Tsk=0.50Tchest+0.34Tcalf+0.16Tarm

(3)

平均皮肤温度的变化如图3所示。可看出，在风扇未打开时，受试者由于运动产热平均皮肤温度不断上升；运动20 min后，平均皮肤温度达到33.4 ℃；之后，由于人体静坐休息，平均皮肤温度有所降低。然而，通风系统的引进，整个运动过程中，受试者的平均皮肤温度均明显低于风扇未打开时的平均皮肤温度。运动20 min和休息20 min后，风扇打开时的平均皮肤温度比未打开时分别低2.4、0.9 ℃。

图3 平均皮肤温度随时间的变化Fig.3 Change of mean skin temperature in real time

3.3 通风与未通风时皮肤温度对比

通过SPSS19.0数据分析软件，比较并分析通风与关闭通风装置时2种实验条件下，受试者的皮肤温度是否有显著性差异。

采用双侧t检验，显著性水平设置为0.05，选择运动20 min与休息20 min后各局部皮肤温度、平均皮肤温度等生理变量进行分析，如表1所示。可看出，受试者各局部皮肤温度和平均皮肤温度在风扇打开与关闭2种实验条件下，均有显著性差异(p<0.05)。由此可进一步说明，通风系统的引入，显著地降低了受试者的热生理温度。

表1 打开与关闭风扇时受试者皮肤温度的对比Tab.1 Comparisons of skin temperatures between fans opened and closed conditions

在前期研究[11]中，在32 ℃、50%相对湿度的环境条件下，受试者穿着通风服、以0.012 m3/s的通风量运动30 min，平均皮肤温度比风扇未打开时低0.8 ℃;休息30 min后，平均皮肤温度比风扇未打开时低0.3 ℃。本文实验在常温条件，受试者皮肤温度也有显著性降低。这说明在服装中加入通风系统能有效降低人体热应激，提高热舒适性。

其次，本文中采用的通风系统，风扇的直径为10 cm。从人体工学角度来看，该风扇尺寸稍大。可以参考文献[8，14]的研究，设计多个微型风扇并合理配置与服装中，以提高服装的美观性和功能性。

4 结 论

本文通过出汗暖体假人实验研究了风扇打开后服装湿阻的变化，并通过真人着装实验测研究了通风系统引进后受试者局部皮肤温度的变化。研究表明，微型通风系统的引进使服装的湿阻减小了58%；受试者穿着通风服运动和休息过程中，打开风扇时，其局部和平均皮肤温度均有显著性降低。

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Influenceofclothingadoptingventilationsystemonthermalcomfort

ZHAO Mengmeng1,2， SONG Xiaoxia1

(1.FashionCollege,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)

In order to investigate the effect of personal cooling clothing on human body thermal comfort, the influence of ventilation clothing on the evaporative resistance and thermal comfort were studied by sweating thermal manikin and human wear trials. It is found that when the ventilation rate is 0.012 m3/s the evaporative resistance of the clothing is reduced by 58%. The local skin temperatures and the mean skin temperature of the male subjects are much lower when the fans are turned on and the subjects exercised in an environment of 25 ℃ and 50% relative humidity, especially the chest and the calf skin temperatures. Significant difference of the local and mean skin temperatures are observed between the fans on/off conditions. After exercising for 20 min and resting for 20 min, the mean skin temperatures are reduced by 2.4 ℃ and 0.9 ℃, respectively, compared with the fans off condition. The ventilation clothing can be used as a prototype for the improvement of human body thermal comfort.

ventilation clothing; evaporative resistance; thermal comfort; skin temperature

TS 941.731

A

10.13475/j.fzxb.20170303004

2017-03-15

2017-06-22

现代服装设计与技术教育部重点实验室(东华大学)开放课题基金项目(2017NO.01)

赵蒙蒙(1985—)，女，讲师，博士。研究方向为服装工效学与生理学。E-mail: mengmengzhao@126.com。