管道式通风服头部与躯干部位的热湿舒适性评价

张昭华， 李璐瑶， 安瑞平(. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 20005； 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)

当处于热环境中时，人体与外界的热交换受到限制，导致体内热量无法有效排出，从而产生热蓄积，易引发机体病变甚至危及生命[1-2]。汗液蒸发散热是人体在热环境中的主要散热途径，如果没有外部设备的帮助，人体产生的汗液大部分会从身体滑落，只有少量能够提供有效的蒸发散热[3-4]。使用可穿戴式降温服装能够有效弥补生理调节的不足，帮助人体维持热平衡状态。

常见的降温服装大都是作用于躯干，借助的手段主要有液冷、风冷、相变材料制冷等[5-6]。但头部也是人体的高产热部位，头部的热感变化对整体热感有较大的影响[7-8]。丁千茹[9]研究了非均匀环境下身体各局部热感对整体热感的影响权重发现，头部的权重值为0.16，仅次于前胸(0.18)和后背(0.18) 部位，因此，在个体降温装备的设计中对头部进行降温是非常有必要的。文献[10-11]对自行车运动员的骑行头盔进行了研究，通过设置特殊的开孔或内置降温物，能够促进赛车手在骑行过程中头部的汗液蒸发，降低头部热感和不舒适感。梁国治等[12]利用相变材料研制了一款矿用降温安全帽，通过仿真试验证实了该降温帽可在高温高湿工作环境下实现作业人员的防暑降温，有效缓解穿着者的胸闷、头晕、乏力等症状。Wickwire等[13]研究了一款可放置于防弹头盔中的冷却垫发现，冷却垫的使用使受试者感觉更加凉爽，有效缓解了受试者整体热应激，提高了头部的热舒适感，但其有效时间较短。液冷、相变材料制冷等方式因设备自身的质量较大，会增加头部负担，易引起使用过程中的不适感，相比之下风冷在具有较好降温效果的同时可避免这些问题。

在降温设备的实际使用中，提升降温介质的利用效率是节约能源、保护环境的必然要求；优化降温方式可实现在有限的降温介质下创造更好的降温效果。为此，本文试验制作了一款能够同时对躯干与头部供风的管道通风服，对比供风量相同的情况下，仅躯干降温和躯干联合头部降温的效果差异。

1 试验部分

1.1 试验设计

本文试验设计仅躯干降温(V)和躯干联合头部降温(VH)效果的对照试验。每位受试者均需完成上述2种试验，试验的先后顺序遵循随机原则，2种试验之间需间隔至少48 h，且在自然日的同一时间段进行，避免人体生理节律对试验数据的影响[14]。试验开始前，预先向受试者简单介绍试验流程，使受试者按照要求穿戴试验服装并佩戴测量设备。

试验在气候舱内进行，设置温度为30 ℃、相对湿度为40%、风速为0.4 m/s，以模拟热环境。每次试验时长1 h，分为3个阶段：阶段R，时长20 min，受试者静坐适应气候舱环境；阶段E1，时长10 min，受试者在跑步机上以8 km/h恒定速度跑步热身；阶段E2，时长30 min，受试者穿戴上通风服装，继续进行速度为8 km/h的跑步运动。每次试验结束后，受试者需在气候舱内停留至少20 min以恢复体力。

试验中使用纽扣温度传感器记录受试者的皮肤温度，采样频率为1次/min。使用耳温枪测量受试者的耳道温度，使用心率带测量受试者心率，耳温与心率的测量频率均为1次/(5 min)。试验中每隔5 min 让受试者填写主观热、湿、舒适感觉评价量表。

1.2 受试者选择

挑选8名男性大学生参与试验。受试者身体健康，年龄为(23±1)岁，身高为(176±2) cm，体重为(64±6) kg， 身体质量指数(BMI)为(20.7±1.7) kg/m2。 根据DuBois计算公式[15]得到受试者体表面积为(1.78 ± 0.07) m2。

受试者需在试验前24 h内保证正常合理饮食和充足的睡眠，不能摄入咖啡、酒精或者服用药物，保持情绪稳定，不可进行剧烈运动，以确保试验当天有良好的身体状况。试验前0.5 h内不得进食。

1.3 通风服与工作服设计

针对电焊工人等工作场景，由于工位固定，移动范围较小，使用管道式通风背心可满足需求。按照175/92A号型，胸腰围108 cm、衣长50 cm制作通风背心。背心为双层结构，外层采用不透气的100%棉加聚氨酯(PU)仿皮涂层，内层为透湿透气性良好的100%涤纶网眼面料。通风管道选取柔韧性好、质轻的透明硅胶软管，在管道靠近身体一侧打孔，使风能垂直吹向皮肤。

由于人体后背靠近脊椎部位出汗量最多，将通风管道主要排列在此区域(P2～P5)，另设2支管道(P1， P6)从肩部经过，弯折至前胸。对于腹部这一敏感易受凉区域不放置通风管道。试验选取内径为12 mm的管道，按孔间距为10 mm、孔径为3 mm均匀打孔，其中P2～P5整段打孔，P1、P6仅在前胸部区段打孔，如图1(a)所示。

图1 通风服管道连接方式Fig.1 Pipe connection method of ventilation garment. (a) Vest; (b) Hat

通风帽选用普通棒球帽制作，如图1(b)所示。棒球帽体前1/3与帽檐部分为纯棉材质，帽体后2/3 为透气网眼材料。将通风背心的管道P4替换为P4′， 装在帽体内为头部供风。P4′主干道没有通风孔，仅末端环形管道有通风孔。

2种试验条件下，受试者内穿全棉T恤，外穿材质为涤纶/棉(65/35)的普通劳防工装。在运动阶段E1与E2内，V条件下受试者需在T恤外另穿通风背心，VH条件下需穿戴通风背心和棒球帽。2种试验条件的总通风量(9 L/s)一致，通风帽内有效风量为1.5 L/s。

1.4 供风装置设计

试验所用供风装置如图2所示。选取气流量稳定的单相可调速STPT600型鼓风机(史丹利五金工具有限公司)，依靠ZADY6000X型调速器(苏州正控自动化科技有限公司)实现风量的精准控制。使用高精度涡街流量计(上海驰控自动化仪表有限公司)连接鼓风机实时监测风量大小，通过管道将风输送至通风背心及帽内实现衣下通风。

图2 通风服的供风装置Fig.2 Air supply equipment of ventilation garment

1.5 测试指标

1.5.1 客观生理指标

1)皮肤温度。皮肤温度的测试部位包括额头(A)、 胸(B)、背(C)、上臂(D)、小臂(E)、手(F)、 大腿(G)、小腿(H)、腹部(I)以及后腰(J)。测试点位置如图3所示，全部位于人体右侧。

图3 温度传感器粘贴点Fig.3 Location of temperature recorder on skin.(a) Front; (b) Back

人体全身的平均皮肤温度采用下式[16]计算：

TSK=0.07(T额头+T上臂+T小臂)+0.175(T胸+

T背)+0.05T手+0.19T大腿+0.2T小腿

人体躯干平均皮肤温度采用胸部、背部、腹部和后腰的平均值。

2)汗液蒸发量和汗液蒸发率。分别按照下式计算汗液蒸发量和汗液蒸发率：

G1=G-G2-Δmres

式中：G1为汗液蒸发量，g；G为出汗量，即试验前后裸体体重变化量，g；G2为试验前后服装与毛巾总质量的变化量，g；Δmres为呼吸失水量，g；η为汗液蒸发率，%。

根据ISO 9886—2004《人类工效学 热应变的生理学测量评价》，使用下式计算呼吸失水量：

mres=0.000 75ADuM(5.624-Pa)Δt

式中：Δt为时间间隔，min；ADu为人体体表面积，m2；M为代谢率，W/m2；Pa为空气中的水蒸气压，kPa。

受试者的代谢率M根据ISO 8996—2004《热环境的人类工效学 代谢率的测定》计算：

M=aHR-b

式中：HR为心率，次/min；a、b为常数，根据不同的年龄和体重，常数a、b有不同的取值。

1.5.2 主观感觉评价

使用图4所示的主观评价量表进行热感、湿感以及舒适感的评价[17-18]。热湿感均采用正负7点标尺(热感：-3代表“非常冷”，3代表“非常热”；湿感：-3代表“非常干”，3代表“非常湿”)；舒适感采用单向5点标尺(0代表“舒适”，4代表“极度不舒适”)。

图4 主观评价量表Fig.4 Subjective rating scales. (a) Thermal rating scale; (b) Wetness rating scale; (c) Comfort rating scale

1.6 数据分析方法

统计分析应用SPSS 22.0数据分析与处理软件，显著性水平设定为P<0.05。所有数据首先测试正态分布(shapiro-wilk test)与方差齐性(levene′s test)。试验数据取每5 min的平均值进行分析，并将休息阶段15～20 min的平均值作为运动前初始值。研究中的自变量为试验条件(V、VH)和运动时间(7水平)。因变量包括生理参数(心率、平均皮肤温度、出汗量、汗液蒸发率、耳道温度)和主观感觉参数(湿感、热感、舒适感)。

应用双因素重复测量方差分析评价试验条件及运动时间对客观生理参数的影响，若发现显著性差异，应用配对样本t检验进一步比较各时间点上不同试验条件之间的差异。同时，计算各主观感觉评分在运动时相对于运动前的变化量，应用Wilcoxon符号秩和检验分析各个时间点上，试验条件对主观感觉参数变化量的影响。

2 结果与分析

2.1 生理指标

2.1.1 平均皮肤温度

受试者在V和VH试验条件下的平均皮肤温度随时间的变化如图5所示。

注：*表示试验在P<0.05水平下有显著差异。图5 平均皮肤温度对比图Fig.5 Comparison of average skin temperature

由图5可知，平均皮肤温度随着运动时间增加逐渐升高并在40 min处达到最高值，随后开始下降，说明人体运动产热在20 min达到平衡后，衣下通风的对流散热作用开始促进汗液蒸发，有助于控制人体在运动过程中的皮肤温度升高。双因素重复测量方差分析发现，试验条件对平均皮肤温度没有显著影响(F(1，7)=3.33，P=0.111)；运动时间对平均皮肤温度也无显著影响(F(1.1，7.8)=4.76，P=0.074)； 试验条件与时间对平均皮肤温度有显著的交互作用(F(1.6，11.3)=12.7，P=0.002)。在第50、55和60 min时，联合通风VH的平均皮肤温度均显著高于仅躯干通风V的条件，分别为t50(7)=2.49，P=0.042；t55(7)=4.37，P=0.003；t60(7)=5.34，P=0.001。由于在人体平均皮肤温度的计算中，躯干比额头有更大的影响权重，而试验条件VH在躯干部位的通风量小于V，因此导致VH的平均皮肤温度较高。

2.1.2 局部皮肤温度

受试者在V和VH试验条件下的额头温度随时间的变化如图6所示。在未通风的R和E1阶段，受试者的额头温度在2种试验条件之间没有显著性差异F(1，15)=0.306，P=0.589。当开始通风时，戴通风帽的VH组的额头温度在35 min后开始快速下降，方差分析结果显示在运动40和45 min时，VH组额头皮肤温度显著低于未戴通风帽的V组，分别为F40(1，7)=7.625，P=0.028和F45(1，7)=6.013，P=0.044。随着头部出汗量的继续增加，通风帽所提供的1.5 L/s风量的冷却效果逐渐减弱，VH组额头温度的下降曲线趋于平缓，但在整个运动阶段内，VH组额头温度均值始终低于V组。

注：*表示试验在P<0.05水平下有显著差异。图6 额头温度对比图Fig.6 Comparison of forehead skin temperature

受试者在V和VH试验条件下的躯干平均皮肤温度如图7所示。

注：*表示试验在P<0.05水平下有显著差异。图7 躯干温度对比图Fig.7 Comparison of average trunk temperature

整个运动过程中，试验条件(F(1，7)=5.215，P=0.056) 与运动时间(F(1.1，7.7)=3.31，P=0.106)对躯干平均皮肤温度皆无显著影响，但在第55和60 min时，V组的躯干平均皮肤温度显著低于VH组，分别为：t55(7)=3.124，P=0.017；t60(7)=3.246，P=0.014。由于VH组躯干供风量的减小，其躯干温度比V组更高。可见，躯干体段的通风量大小是影响全身及局部皮肤温度的主要因素。

2.1.3 耳道温度与心率

受试者在V和VH试验条件下的耳道温度变化如图8所示。双因素方差分析表明试验条件对耳道温度没有显著影响，F(1，7)=0.16，P=0.7。而运动时间对耳道温度有显著性影响，F(1.7，12)=6.2，P=0.017，表明随运动时间的增加，受试者体内热蓄积逐渐增大。

图8 耳道温度对比图Fig.8 Comparison of ear temperature

受试者在V和VH试验条件下的心率变化如图9 所示。双因素方差分析表明试验条件对心率没有显著性影响，F(1，7)=0.41，P=0.54，即在总通风量一致的情况下，改变风量的分布对心率无影响；但运动时间有显著影响，F(8，56)=160.8，P<0.001。静坐阶段受试者心率为(85±11) 次/min，在开始运动的20～25 min内，心率呈急剧增加趋势，之后随着躯干通风的开始，增幅趋于平缓。运动阶段E1与E2内受试者心率分别为(145±17) 次/min和(158±14) 次/min。 经计算得到受试者R、E1、E2 阶段的代谢率分别为(125±19)、(391±34)和(446±35) W/m2。

图9 心率对比图Fig.9 Comparison of heart rate

2.1.4 出汗量和汗液蒸发率

受试者在2种试验条件下的出汗量和汗液蒸发率如表1所示。2种试验条件下受试者的出汗量无显著差异，t(7)=1.941，P=0.093>0.05；汗液蒸发率也无显著差异，t(7)=1.187，P=0.274>0.05。可见，在总通风量(9 L/s)恒定的情况下，将一部分风量从躯干转移到头部对整体的出汗量和汗液蒸发率没有显著影响。

表1 出汗量与汗液蒸发率Tab.1 Amount of sweat and sweat evaporation rate

2.2 主观评价

2.2.1 热感觉

由于受试者初始热感评分值之间存在一定的差异，以适应阶段R最后5 min内的热感评分均值作为初始值，计算受试者开始运动后相对于运动前的热感评分变化量，结果如图10所示。可知，通风后受试者的热感评分值在30～35 min内急剧下降，之后随体内热蓄积的增多，热感评分逐渐增大。Wilcoxon符号秩和检验结果显示在运动过程中第35和40 min 时，试验条件对受试者的热感有显著影响，分别为：Z35=-1.973，P=0.049；Z40=-1.965，P=0.049，VH组的热感评分明显低于V组。其他运动阶段中虽2组之间热感无统计学上的显著差异，但VH组的热感评分均值也始终低于V组。

注：*表示标准化系数在0.05水平上显著。图10 热感觉评分变化量对比图Fig.10 Comparison of thermal sensation score changes

文献[9]研究认为头部的热感对全身热感觉有显著影响，本文研究进一步证实头部通风不仅可降低额头局部皮肤温度，还显著影响人体运动时的全身热感觉。

2.2.2 湿感觉

受试者的湿感评分变化量如图11所示。湿感觉在整个试验过程中都呈缓慢上升趋势，总体上V组的湿感觉评分高于VH组，但整个运动过程中2种试验条件间无显著差异(P>0.05)。皮肤湿感觉与人体皮肤出汗及衣下微气候湿度相关，由于2种试验条件在出汗率和汗液蒸发量上没有显著差异，因此，湿感觉评分间的差异也不显著。

图11 湿感觉评分变化量对比图Fig.11 Comparison of wetness sensation score changes

2.2.3 舒适感

受试者的舒适感评分变化量如图12所示。整个运动过程中，VH组的不舒适感始终低于V组，但2组的舒适感评分在每个时间点上均无显著差异(P>0.05)。

图12 舒适感评分变化量对比图Fig.12 Comparison of changes in comfort score

应用多元线性回归，建立舒适感评分与热湿感评分之间的多元线性模型，对比模型中标准化偏回归系数绝对值的大小，可得到各阶段热湿感对舒适感的影响程度[19]。计算结果如图13所示。

注：*表示标准化系数在0.05水平上显著；**表示在0.1水平上显著。图13 热感与湿感对舒适感的影响程度Fig.13 Extent of effect of thermal and wetness sensation on comfort

由图13可知，在运动前的初始阶段(20 min)，热感的影响程度较大，随后的热身运动(20～30 min) 中人体开始出汗，湿感系数上升至较高水平，成为了造成不舒适感的主要因素。在人体继续运动并开始通风的初期，衣下通风促进了汗液的蒸发使得湿感的影响程度在35～40 min内有所下降，但随着受试者出汗量的进一步增加，湿感系数又开始上升且远高于热感。可见，当人体运动大量出汗时，湿感觉是影响着装不舒适感的主要因素。试验过程中通风温度接近皮肤温度，空气对流传热受到抑制，主要靠对流传质增加汗液的蒸发散热，以保持皮肤干爽。在本文试验中9 L/s的通风量虽对缓解人体热湿感有一定积极作用，但不足以补偿人体的热蓄积，可考虑采用降低通风温度或增大通风量的方法进一步促进汗液的蒸发散热。

2.2.4 头部舒适感

根据受试者反馈，通风帽佩戴初期(30～35 min) 头部有较明显的凉爽感，但佩戴约15 min后，随着出汗量的增加，通风帽对热感的缓解效果不再显著。部分受试者指出在运动后期头部会出现较强的闷热感：一方面可能是由于通风帽对头部产生了压迫，使头发紧贴头皮，影响了头部的散热；另一方面可能是帽体影响了头部的自然对流；因此，在通风帽的设计中，要考虑降低帽体热阻，增强帽子透气性，比如在帽顶设计通气孔或使用网眼材料等，促进头部空气流通。

3 结束语

本文探讨了热环境中仅躯干通风与躯干联合头部通风对人体热生理及心理感觉的影响，得到以下主要结论。

1)衣下通风有助于缓解人体运动状态下的生理热负荷，但躯干通风或躯干与头部联合通风对人体热生理指数的影响无显著差异，说明实际通风量是主要影响因素。

2)在总通风量一致的前提下，躯干与头部联合通风时的热感觉、湿感觉及不舒适感觉都低于仅躯干通风的条件，但仅在运动初期的10 min内热感觉有统计学差异。当人体运动大量出汗时，湿感觉是影响着装不舒适的主要因素，未来可研究通过降低通风温度或增大通风量促进汗液蒸发散热的着装舒适效能。

3)通风帽应采用低热阻及高透气设计，通过在帽顶增加通气孔或使用网眼材料，促进头部空气流通，减少闷热感。

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