人体热舒适性在海派旗袍中的智能设计与应用

耿佳琳，袁 蓉，张树灏，马愉婷，.上海工程技术大学服装学院;.上海工程技术大学电子电气工程学院

消费者在选择购买服装时，均会进行多角度考量与比较。现如今，更多的消费者开始意识到一件设计得体、考量到位、定位准确的服装必然同时具有良好的舒适性。评定一件衣服的舒适程度则主要通过热湿舒适性、压力舒适性、接触舒适性和心理舒适性四个指标。其中，热湿舒适性是指织物在人与环境的热湿传递时能对人体舒适感觉有影响的一系列热学性质[1]。而热传递时的性质，即导热性一般用导热系数来表示，在英美等国则通常采用克罗值描述服装或织物的保暖或隔热性。

克罗（Clo）的单位是在室温21℃，相对湿度不超过50%，空气流速不超过10 cm/s，相当于人静坐并保持舒适状态时，处于正常气流速下的带有通风设备的室内，对衣物的所需热阻，称之为克罗。实际上，服装的克罗值与纤维材料和织物厚度有关，若不考虑材料影响，只从织物厚度来估算，估算关系为1 cm＝1.6 Clo[2]。服装的克罗值大小表示了保暖隔热程度的高低，而每件衣服都有保暖克罗值，且由于克罗值本身呈一定线性关系，所以是可以相加的。因此我们能够通过相加全部服装或织物的克罗值来计算人体全身所覆有的总克罗值，为之后的试验测量提供很大便利性。

1 温控智能海派旗袍的创新设计

海派旗袍作为海派服饰文化的历史沉淀，且能完美体现东方女性独特美感的民族服饰，始终保持先锋式的开拓精神，款式、图案、格调历久弥新，但依旧具有只适用于春夏季穿着的局限性和保暖性不足等缺陷。不同面料的旗袍克罗值对比见表1。

表1 旗袍原始克罗值量化表

由此，本团队选取了分别用最大克罗值（0.11 Clo）的棉毛混纺及最小克罗值（0.04 Clo）的真丝作为原始内外料，且层数为1的海派旗袍作为本次设计的基础款型，并提出设想：若能在此类主流民族服饰的功能性上进行相应的当代智能化设计，是否就可以在不增加层数的情况下使美学性与功能性更好地兼具，很大程度弥补旗袍的原始克罗值较低、受环境影响较大的缺憾。

该款设计产品主要用户群体依旧为中国女性，所以了解和掌握中国女性对于热舒适的定义和需求是至关重要的。

上海交通大学制冷和冷冻机构[3]曾在2007年做过一项基于中国男女性，即性别差异对热舒适定义的调研。该调研中做了两组对比试验，试验对象分别为年龄处于27-31周岁的9男9女和10男10女。试验过程中所产生的主观评定和客观测量数据均被纳入样本，通过检测试验对象的皮肤表面温度、室内温度测量以及心率变异性（Heart rate variability）得出了以下结论：女性对温度的变化非常敏感，但相对应地对于湿度的变化没有那么敏感；一般情况下，女性皮肤表面的平均温度低于男性皮肤表面的平均温度；而女性喜欢的相对温暖的环境温度（26.7℃）高于男性所需的舒适环境温度（25.3℃）。该试验很好地契合了我们关于女性相较于男性而言对热环境更为强烈的需求设想。

智能材料方面，由于热导率[4]是材料传导热量的特性，在低热导率的材料中，热传递的发生速率比在高导热性材料上更低，这种性质是与温度息息相关的，计算热导率的公式就是求材料热导的倒数。所以选取一个热导性能优质的材料会对试验结果造成很大影响。

团队成员在查询多种纺织用材料的热导率后发现，碳纤维的热导率为6.5W/(m.k)～6 005W/(m.k)，因其范围跨越广且极值的绝对值非常大，而其本身的物理性质又非常轻薄，故符合实验要求，从碳素中寻找了所需材料。根据Di Vittorio等人在1991年的一项衡量温度在55-300 K范围内的活性炭（ACFs）热传导性中温度依赖行为的试验中得出结论：活性炭的热导测量主要是被辐射交流测量装置的不同部分所主导，而并非总是处于同一温度，因此活性炭的热导率实际上是很低的，其热能是由声子在传递，电子的传热是无用的[5]。由此也产生了一系列碳素材料的热导性质优化，如Nakayama团队早在1996年就通过对碳素材料进行1 300-2 800℃辅助高温的加热方式促使材料的热阻降低，使其自身的热导率上升，可达2 000W/(m.k)[6]，直至今日碳纤维所具有的极优热导性能。

因此，本团队在碳纤维材料和智能电路元件的基础上，进一步结合了当下常见的电能获取方式，即把加热芯片设计至能够直接接入移动电源的电路中进行运转与供热，那么随时随地控温的目标就可实现，且在服装上增加嵌入式口袋即可放入移动电源和相应设备，完全不会影响旗袍自身的外观造型。智能设备改良结果如下：

（1）发热系统组成部分：复合碳纤维发热片×3、智能温控开关×1、5V移动电源×1。

（2）发热系统工作原理：复合碳纤维片通过电子导线连接导通，通过一个智能三档温控开关调控温度。

（3）操作方法：将发热系统接上一个USB接头，并与5V、1 000 mA的移动电源连接，长按温控开关约3 s启动设备，启动后默认为最高档（即55℃），依次连按循环切换档位，不同档位从高到低依次用红、蓝、绿三种颜色的LED进行表示。

注：智能开关是市面上已有型号，本研发团队则将该开关与复合碳纤维发热片相连接。

表2 智能开关调档说明

（4）技术参数：

表3 相关技术参数

（5）功能描述：

三档调节且能自动跳档，并具有预热功能。温控器连接电源后白灯闪一次，长按按钮3 s即可开机，LED自动显红色，高档输出，输出功率为99%；之后单击按钮切换输出，LED显蓝色，中档输出，输出功率76%；单击按钮切换输出，LED显绿色，低档输出，输出功率48%；三档循环，最高档工作5 min后自动跳转。

其中，输入：红色输入为正（+）、黑色输入为负（-）；输出：红色输出为正（+）、蓝色输出为负（-）。

（6）智能设备改良后的内部加热电路默认为3根线，正极呈红色。

图1 改良智能设备内部加热电路

（7）试样设计采用的发热片类型：

图2 发热片类型

为确保产品基本安全，本团队将供电电压定为5v，低于人体安全电压12v，避免造成安全事故。另外在测试过程中，市面上所提供的充电宝只需使用10 min后即可达到最大功率，拔掉充电宝后可维持20 min的供热，在实用性方面有了明显改善，历经了多次更改和试验后，产品最终成形，满足最初设计需求和目的。

该款成品运用的整体构架则是将复合碳纤维发热片置入旗袍内层绸织物面料，并在前片下方缝制16 cm×10.7 cm的简易口袋用于放置温控开关及剩余的连接片电线，并选取女性皮肤表面温度相对较低的腹部、背部和腰部三个部位进行发热，以达到人体热舒适最优化效果，同时兼顾女性人体特征及旗袍自身克罗值较低的性质，使发热装置在体表形成热循环效应，进一步提升热能利用率。最后于衣物左侧开衩连接处开孔，在不影响海派旗袍正常穿脱的情况下，便于操作控制和收放设备。

图3 复合碳纤维温控智能穿戴设备（改良）

图4 智能旗袍成品功能区示意图

2 旗袍热舒适性的主客观测试

2.1 旗袍热舒适性的客观测试

该款产品选取了女性腹部、背部和腰部进行发热，由此团队成员分别进行了三个部位的控温调节性质的客观测试，且设备始终处于1.5-12 V低电压工作区。试验结果如下：

表4 碳纤维加热片性能测量表

2.2 旗袍热舒适性的主观测试

试验团队从服装学院选取了6位约为22周岁的不同身材的女性进行了本次测试，分别为身材匀称（身高165 cm，体重52 kg）的1/2号志愿者，身材高挑（身高171 cm，体重56 kg）的3/4号志愿者，和身材较为丰满（身高163 cm，体重61 kg）的5/6号志愿者。为模拟冬天气候，试验环境设置在了一个室温已降至25℃的空旷房间内，同时志愿者本人只穿一件单层内衣裤。

试验方法为：将已制作完成的碳纤维加热片缝于制作旗袍的真丝内料，通过绑带将真丝面固定于志愿者的腹部、背部和腰部，每一档温度持续发热10 min且三个部位同时进行，随后让志愿者对每一档位的热舒适性做出主观评价，评价分为四档：很不舒适（没有感受到明显的热量，还是会瑟瑟发抖）、较为舒适（可以感受到些许的热量，但时间一长效果会下降）、舒适（可以抵抗低温所带来的负面影响）、非常舒适（恰到好处的加热，无论如何活动都不会感受到明显的寒意）。志愿者主观测试结果如下：

表5 海派旗袍热舒适性主观测试量化表

3 结果与分析

客观结果分析：通过数据可以看出腹部与腰部的保暖性较好，背部则有一定程度的散热，但从实际效果而言，对克罗值的影响不是很大。以及碳纤维材料的确具备较好的发热持续性和高效性，，可在有效提高热能转化率的同时降低电能损耗。该种材料的安全性也有更高保障，处于1.5-12V低电压工作区时便具有良好的发热量，因此由其制成的服装具有良好的穿戴舒适性。

主观结果评价：由于研究样本数量较少，试验团队无法得出普遍规律，但通过分析上述六位女性志愿者的主观量化表可以看出，身材差异对于热舒适性的定义有所不同。身材丰满的女性由于自身存储的脂肪量相对较多，故对温度的敏感性不太强烈，在低档时就能感觉到舒适；而身材高挑的女性由于较瘦，裸露在外的部分较多，加热片无法有效的完全覆盖，所以只有在高档时才会感到非常舒适；同时身材匀称的女生的脂肪含量属于平均型，在中档和高档时都能感到舒适。总体而言，本次试验只是对几个部位进行了覆盖，调节到中档时，都能达到较为舒适或以上的感受级别，故实验团队有理由相信在做出成品后效果会更好。

4 结语

本款温控智能海派旗袍确实可以提供较好的热舒适性，其客观测量和主观评价都很不错，可用于解决旗袍克罗值较低的问题。