服装通风设计手段的研究进展

王诗潭， 王云仪,3

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 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； 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

服装通风设计手段的研究进展

王诗潭1,2， 王云仪1,2,3

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 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； 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

为探索有效的服装通风设计手段来提高着装人体的热湿舒适性，以服装热湿传递机制和通风散热原理为基础，分别从透气性面料的配置、服装开口的设计、可穿戴式通风装备3个层面解析常用的通风设计手段，并对比不同设计手段之间的作用效应。结果显示：有效的通风设计手段应在全面分析着装环境、人体活动和生理特征的基础上，满足服装局部设计差异性和不同设计手段间匹配性的原则。利用计算流体动力学技术明确服装衣下空间空气流动规律，量化表征服装局部的“有效通风”，平衡各种设计手段之间的关系以达到最优通风效果将成为服装通风设计手段的发展方向。

服装通风机制； 开口设计方式； 热湿舒适性； 风箱效应

在人体与周围环境的热量交换中，人体趋于一种平衡状态，即代谢产生的热量与散失到外界的热量相适应[1]。着装人体的热量散失可通过传导、对流、辐射和蒸发4种途径进行。其中，通过服装系统形成的衣下空间与外界环境的空气交换运动，带动皮肤表面的热量和水蒸汽以扩散或对流的方式向外界环境传递，是人体热量散失的重要途径，这一过程被称为服装通风。

服装通风散热问题通常在高温环境或人体代谢产热量较高时受到关注，一方面通风可形成衣下空气对流，促进热量散失；另一方面，通风可促进汗液蒸发，增加蒸发散热量。然而，人体在低温环境进行高强度活动时，同样会因产热量增大而出汗，而此时较厚的服装会阻碍热量和水蒸汽的散失，形成热负荷。同时，蓄积的湿气会增加服装的潮湿感甚至冷凝，造成运动后的冷感，导致着装不适[2]。可见，无论是热环境还是冷环境，着装均存在通风散热的需求。

国内外学者[3-4]针对服装通风设计展开了大量研究。早期多采用透气性优良的面料或调整服装开口大小的设计手段。随着通风测量系统的研发，学者们开始在量化通风性能的基础上研究衣下空间空气流动的规律，并探究如何科学地利用通风改善服装热湿舒适性。研究结果表明[5-6]，服装通风受到面料、开口、人体运动、环境风速等多种因素的交互影响，局部差异显著，相应的设计手段也呈现差异性和复杂性的特点。

本文在分析服装通风机制的基础上，探讨服装通风对热量散失的贡献及空气流动的途径，并分析对比了不同设计手段对通风效应的影响。

1 服装通风原理

1.1 服装通风对热量散失的贡献

服装通风的过程，即环境空气进入衣下空间在衣下流动并重新进入外部环境的过程，如图1所示。由于人体运动或环境风速的作用，环境空气不仅会搅乱服装边界静止空气层，还会透过服装面料或从服装开口进入到服装衣下空间。当外界环境空气的温湿度低于服装衣下空气温湿度时，环境冷空气会在皮肤表面流动形成对流换热，同时也会降低衣下空气的湿度，促进汗液蒸发[7-8]。在这一热湿交换过程中，衣下空气的温湿度会逐渐降低，环境冷空气的温湿度会不断升高，当这部分冷空气再透过服装面料或服装开口重新回到外界环境时，将会带走衣下空间中部分热量和水蒸气，由此增加了人体的热量散失，保持人体热平衡。

图1 服装通风示意图Fig.1 Schematic of clothing ventilation

1.2 服装通风散热的途径及影响因素

服装通风散热的途径主要有3种[9]：衣下空气直接透过服装面料的扩散；衣下空气通过服装开口的自然对流；人体运动或环境风速作用下衣下空气通过服装开口的强迫对流。可见，面料透气性、服装开口设计、人体运动状态、环境风速等均是影响服装通风散热的因素。

相关文献[10-11]研究表明，当面料具有良好的透气性或当外界环境有风时，衣下空间与外界环境的空气交换可直接透过服装面料进行；随着人体运动引起的风箱效应，空气交换将会增加，此时服装开口成为通风的主要途径；有风环境下运动是最复杂的情况，环境风与人体运动会对服装通风产生交互作用。Qian[12]建立了风速(0.22～4.04 m/s)、步速(0～0.8 m/s)与服装热湿阻的回归模型，探索2种因素的影响权重，得出：

式中：IT、RT分别为服装动态热阻、湿阻；Ist、Rst分别为静止且无风状态下的服装热阻、湿阻；KI、KR分别为热湿阻与风速之间的斜率；Vwind、Vwalk分别为风速和步速。

根据此模型可知，在此环境条件和步速范围内，步行产生的风箱效应对服装热湿阻的影响大于环境风的作用；而当风速超过4 m/s时[13]，风箱效应几乎不产生影响。

2 面料层面的通风设计

2.1 面料透气性的作用

面料层面的通风设计，主要集中在面料的透气性能上。纱线和纤维间隙为空气流动提供了通道。服装通风性能与面料透气性成正相关，环境风的作用会加速通过面料的空气流动。

Brinbaum等[14]研究了有风或无风条件下，透气和不透气防护服装的通风变化规律。研究发现，无风时，2种服装的通风指数分别为45.4 L/min和18.61 L/min，有风时(风速大于等于1 m/s)，2种服装的通风指数分别增加到108.7 L/min和48.7 L/min。

LU等[15]对比了面料和服装2个层面的通风设计对服装热湿阻及人体生理反应的影响，发现通过面料孔隙的气体交换对降低服装湿阻及促进汗液蒸发散热有更重要的作用。Ueda等[16]指出，在低强度运动下，直接通过面料的气体交换可适度增加蒸发热散失，降低衣下空间的湿感。

2.2 人体热生理区域的针对性设计

依据人体的热生理特点进行面料配置将有助于优化通风效果。Havenith等[17-18]研究并绘制的人体出汗图谱是服装热功能设计的参考。例如，男性出汗图谱显示，最高出汗率集中在躯干背部中央、后腰、前中、前胸部位，在这些部位配置透气性面料将有助于加强通风散热效应。

HO等[19]研究了运动T恤不同部位(前胸、后背和体侧)配置网眼面料对人体散热的影响。结果显示，在人体运动状态下，前胸和后背处拼接网眼面料并不能促进热量散失，反而会使服装热阻值增大，在体侧部位垂直设置网眼面料可显著降低服装热阻。研究者认为，服装悬垂性会导致胸背部衣下空间很小，而运动时这两个部位出汗量又比较大，此时网眼面料会黏附在皮肤上，导致衣下空气层厚度接近0，这会削弱面料的透气性能。为进一步解决此问题，HO等[20]在前胸和后背处采用间隔材料与网眼面料相结合的手段。间隔材料的支撑作用，在人体和服装间创造出空气层，而网眼面料提供了空气运动的通道，两者结合可形成良好的通风效应。

3 服装层面的通风设计

服装层面通风设计的常用手段是服装开口设计。服装开口可分为自然开口和设计开口。

3.1 自然开口的作用及量化表征

服装自然开口是通风散热的基础方式，包括领口、袖口、下摆、脚口4个部位。Al-ajmi等[21]从通风散热角度对阿拉伯长袍的自然开口结构进行了分析。领口、袖口、下摆、门襟等通风口可形成服装衣下人体皮肤表面的空气对流，使热量和水蒸气通过开口流出，保持着装舒适性。

Li等[22]研究了消防服的领口、袖口、下摆、脚口等自然开口在打开和束紧状态下服装热阻和透湿指数的变化率，由此来评价通过开口的通风效应对服装整体热湿传递的影响。结果显示，服装开口部位束紧后，服装热阻值显著增大。

Umbach[23]研究了行走状态下服装开口打开或闭合时的通风散热量，将通过开口的散热量表征为行走状态下服装开口打开和闭合时的通风散热量之差，这为研究服装自然开口状态对人体散热的影响提供了方便。

式中：Iv为通风散热量；It1为行走时服装开口打开状态下的服装热阻；It2为行走时服装开口束紧状态下的服装热阻。

服装的领口和下摆是衣下空气流通的主要途径，沿体表形成的烟囱式热气流可通过开口形成人体与环境之间对流散热，散热量取决于开口的大小。张向辉[24]提出了服装开口有效通风面积指标来量化表征运动T恤领口和下摆处开口大小所形成的通风区域，计算方法如下。

AVi=Aclothing-Abody

式中：i为服装开口部位；AVi为服装开口有效通风面积，cm2；Aclothing为服装开口部位截面面积，cm2；Abody为人体相应部位截面面积，cm2。

Reischl等[25]为增强消防服的通风散热性能，将消防裤设计成背带连体式，宽松的腰部可在服装内部形成对流。研究发现，将领口围度增大40%，可显著降低衣下微环境的温湿度，减少热应激。

袖口和脚口处[26]的通风结构设计常出现在防护服装和户外服装中，采用调节袢、松紧带、魔术贴、拉链等，设计成开口可调节形式。Ke等[6]提出袖口和脚口处的通风只在有风或人体运动情况下才会对手臂和腿部的散热产生微弱影响，对服装整体热传递没有显著影响。

3.2 设计开口的针对性

为促进人体热量散失，在服装上增加开口设计的方法已得到广泛应用。开口部位的选择，主要依据衣下空气流动的规律、人体的生理特点和衣下空间的状态。

1)基于衣下空气流动的开口设计。Rudman[27]根据衣下空间空气流动的规律在肩部和侧缝设计了开口，外界环境空气从侧部进入，带动皮肤表面热量的流动，再从肩部开口处释放。Van[28]在摩托车骑行服的肩部设计了凹形立体式的通风口，俯身骑行时，空气可通过肩部开口进入，并从底摆流出。这类肩部开口的设计都大大提高了服装通风散热效果。

2)基于人体生理特征的开口设计。Yasuhiro等[29]研究表明衣下空间相对湿度和出汗率与局部通风值之间存在显著相关关系(R2=0.9)。此外，有风状态下，迎面风会从胸部开口进入衣下空间，形成强迫对流，再从背部出口流出，增加对流散热。

依据人体出汗图谱，胸背部是常见的设计开口部位。为避免胸部直接地暴露影响服装整体的美观性，胸部开口常设计成通风口袋和立体口袋，口袋中使用网眼衬料，打开口袋可实现衣下空间与外界环境间的空气交换；立体口袋在迎面风的作用下可被吹开，形成立体式的通风口，增加空气流通[30]。Ueda等[31]探究了雨衣背部开口设计对其通风的影响，发现背部的开口只在有风条件下有助于衣下空间内的气体交换，因此背部开口多沿着后侧缝竖直设计。有些服装会结合育克的形式将开口横向设置于后背，使用拉链调节，以满足着装者对热量散失动态调节的要求。

3)基于衣下空气层厚度的开口设计。服装开口设计直接影响通过开口的对流，而衣下空气层厚度则直接决定衣下空间内空气交换的气流量。Zhang等[32]研究表明当衣下空气层厚度小于10 mm时，衣下空间内空气交换的形式主要是扩散，当大于10 mm时，空气交换显著增加，对流成为主要形式。人体生理特征和服装构造的不同会造成服装局部衣下空间的差异，人体在着装状态下，体侧部位衣下空气层间隙较大[33]，外界环境空气通过开口进入衣下空间，促进衣下空气的对流散热，特别在人体运动或环境有风时，可形成显著的风箱效应。

侧缝、袖底部位的开口设计既有通过拉链调节的开口，也有直接通过孔眼形成的普通开口。Murray等[34]研究了户外服装袖底与侧缝同时开口、袖底开口、侧缝开口和无开口四种开口部位对人体生理舒适性的影响，结果显示，袖底与侧缝同时开口对人体热生理舒适性的调节作用最显著，可有效减缓人体皮肤温度的上升。张向辉[9]系统地研究了有风(风速为1.0 m/s)、无风(风速小于等于0.2 m/s)及运动不同阶段(静止站立、跑步、休息)状态下，服装不同开口设计(无开口、胸部开口、背部开口、腋下开口)对服装热阻及人体热湿生理调节的影响。研究结果表明，腋下开口的服装热阻最低，运动状态下，在胸部和腋下开口有助于增强衣下空气与外界环境之间气体交换，增加对流和蒸发散热，减缓皮肤温度和衣下湿度升高，腋下开口一定程度上也有助于蒸发散热，降低衣下湿度。

3.3 服装通风开口的设计技巧

通过对服装开口的状态、大小和部位的研究，可归纳以下设计技巧。

1)在进行服装开口设计时，要根据环境风速条件和人体运动状态，充分考虑服装各局部间的差异性，如针对运动服的通风设计，在侧缝部位拼接大面积透气网眼面料(2 000 cm2或3 000 cm2)再组合胸部开口设计的通风效果最佳。

2)服装自然开口中领口和下摆的开口设计是重点，袖口与脚口只对局部通风散热有影响。开口量的大小是影响通风性能的主要因素，根据张向辉[24]提出的开口量化公式，领口有效通风面积为169.06 cm2的大开口再组合下摆有效通风面积为180.91 cm2的中开口或341.67 cm2的大开口设计对人体散热效果最显著。

3)对于运动服、户外服等功能服装，自然开口无法满足热量散失需求时，还需设计额外的开口辅助散热。此时开口部位的选择是影响通风散热效果的关键。常用的开口部位包括肩部、前胸、后背、侧缝和袖底。

4 通风附加设备设计

对于一些极端环境或需穿着全封闭式防护服时，人体的散热需采取强制的手段，通过一些可穿戴式的附加设备，将自然状态的空气或者经制冷设备产生的冷空气通过管道或服装夹层送入人体各部位，空气在流经皮肤表面时以对流和蒸发的方式对人体强制换热[35]，换热效率取决于空气温度、湿度、流率、与人体进行热交换的有效面积等。

附加通风设备由基础服装与冷源组成。根据散热机制的不同可分为蒸发式和对流式，蒸发式即将干燥的环境空气吹向人体，利用水汽压梯度促进蒸发散热，如曾彦彰[36]基于微型风扇的阵列研发了一款人体降温空调服，将20个4 cm×4 cm的微型风扇编织到衣服内，可对所触及的皮肤局部进行强化换热，降温幅度可达4～8 ℃。蒸发式通风设备的冷却效率依赖于排汗量的多少，在没有排汗的情况下，冷却效果不明显且容易造成过度出汗身体失水。对流式即将制冷后的空气吹向人体，利用温度差促进对流散热，但由于空气比热较小，制冷作用并不显著。

5 结 语

服装通风性能是服装设计和性能评价中的重要参数，直接影响着装人体的对流散热和汗液蒸发。尤其在户外服、防护服等功能服装领域，通风设计已成为获得着装舒适性的关键途径。

服装通风设计可概括为服装中有利于换气散热的设计元素，包括面料透气性的合理选择与科学配置。服装开口设计和可穿戴式通风设备的附加，不同设计手段形成的通风散热机制不同，会产生不同的通风效应。

面料层面的热量散失主要通过布孔和纱线中的纤维间隙，以水蒸气扩散的方式，适用于环境有风或人体大量出汗条件下的服装通风设计。服装层面的热量散失主要通过服装自然开口或通风开口，以对流散热的方式，适用于运动服、户外服等人体运动状态下的服装通风设计。而辅助通风设备主要是为增加人体-环境之间的强制换热，适用于极端湿热环境的服装或密闭服的通风设计。在进行通风设计手段的选择时，要针对服装的使用环境和实际热量散失需求，平衡各种设计手段之间的关系以达到最优通风效果。

未来，可尝试使用计算流体动力学技术进行衣下空间空气流动的动态模拟，一方面实现面料或开口途径通风散热量的量化区分；另一方面，通过再现通风过程中风向、人体姿势变化带来的空气流动方向的变化，为面料拼接面积、服装开口角度、开口大小等更精确的通风设计提供科学的依据。

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Researchprogressofdesignmethodsofventilationmechanismofclothing

WANG Shitan1,2， WANG Yunyi1,2,3

(1.Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.ShanghaiInstituteofDesignandInnovation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to explore the effective clothing ventilation design methods to improve wearer thermal and moisture comfort, permeable fabric configuration, clothing opening design and wearable ventilation equipment were summarized on the heat transfer and ventilation mechanism. The influences of different design methods were also compared. The optimal ventilation design methods should be based on the comprehensive analysis of environment, human movement and physiological characteristics to satisfy the principal of local difference and compatibility. Local effective ventilation should be quantified in the future. In addition, air flowing rule should be further clear based on computational fluid dynamics to balance the various design methods and achieve the optimal ventilation effect.

clothing ventilation mechanism; opening design; thermal and moisture comfort; pumping effect

TS 941.16

A

10.13475/j.fzxb.20160902506

2016-09-18

2017-06-15

国家自然科学基金面上项目(51576038)；上海市自然科学基金项目(17ZR1400500)；中央高校基本科研费专项基金项目(17D110714)

王诗潭(1992—)，女，博士生。主要研究方向为服装舒适性与功能服装。王云仪，通信作者，E-mail: wangyunyi@dhu.edu.cn。