电动自行车骑行防寒服的研制与性能评价

郑 晴， 王昭杰， 王鸿博， 王 敏， 柯 莹

(1. 江南大学 纺织科学与工程学院， 江苏 无锡 214122； 2. 江南大学 设计学院， 江苏 无锡 214122； 3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

电动自行车是绿色出行、缓解城市交通压力的重要交通工具。相较普通自行车，它有着省时省力和易携带重物的优势，在我国拥有巨大的保有量。在冬季低温的户外环境中骑行，冷感和不适感会降低人们的机警性、反应速度和肢体灵活度，从而增加了交通事故的风险[1-2]。

为了提高电动自行车骑行过程中的热舒适性，人们普遍会使用各种防寒装备，如挡风被、防风衣、手套、护膝等[3-4]。现有防寒装备,一方面无法做到全身性的冷防护，且对肢体运动有较大的束缚，存在很大的安全隐患;另一方面，新能源技术的发展使得电池在体积减小的同时续航能力提高，从而出现了许多轻便的、可脚踏骑行的电动自行车。于2019年实施的GB 17761—2018《电动自行车安全技术规范》也明确提出电动自行车需具备脚踏骑行功能。这使得防风被和挡风衣等包裹式防寒装备难以满足腿部灵活运动的需求。例如江慧芝[5]所设计的电动自行车冬季防护服，填充有棉絮或羽绒，兼顾了躯干的保暖性和运动灵活性，但腿部的冷防护较为欠缺。宋凌峰等[6]基于防护服标准设计了上下分体的电动自行车骑行服，针对身体各部位的防护需求调整了服装款式和结构。王宏等[7]采用功能化纤维材料在电动车服上添加了护具。上述2款服装均具备良好的舒适性和安全性，与日常服装类似，但不便于骑行前后的穿脱，且仅选用具有防水功能的面料，难以满足冬季保暖的需求。电动自行车骑行防寒装备设计对改善骑行者的舒适感、保护身体健康具有重要作用，但现有对此类服装的设计研究非常有限，并且缺乏相应的性能评价。

本文基于电动自行车骑行防寒装备在保暖性和肢体灵活性方面的缺陷，对其进行款式结构改良设计;应用功能性面料完成新型电动自行车防寒服的制作;从保暖性和工效性方面对服装进行评价。本文设计研究可为国家标准下的电动自行车功能性防护服装的设计开发提供参考。

1 新型防寒服设计

1.1 材料选择

防寒服通常采用多层面料组合结构，有利于提高服装的保暖性和热湿调节性能。最外层具有防风、防水等防护功能；中间层是能保留较多静止空气的保温层；最内层以具备亲肤和吸湿排汗功能为主[8-10]。新型电动自行车防寒服包括外层和保暖层，材料参数如表1所示。外层需防风、防雨,有较好的耐磨性和强度，选用了锦纶塔丝纶织物，正面经防水处理，背面湿法涂层，耐水压超过49 kPa。保暖层面料为针织摇粒绒，具有良好的保暖性和亲肤性。保暖层夹棉采用3MTM新雪丽TMG型保温棉，具有轻薄、柔软、保暖性高等特点，纤维回潮率小于1%，在潮湿环境下仍保持良好的保暖性能[11]。Woods R I[12]曾研究了摩托车骑行服厚度与保暖性之间的关系，发现在5 ℃环境下，除防风层外的平均服装厚度应达到20 mm。基于此,本文选择了20 mm厚度的保温棉作为夹棉层。另外，选用3 cm宽的银色反光条，在高亮度下380～420 m之间可见，加强夜间骑行的可视性。

表1 新型防寒服材料参数Tab.1 Parameters of thermal protective clothing

1.2 款式结构设计

新型电动自行车防寒服的款式采用分体设计，包括上衣和裤装，如图1所示。上衣和裤装的保暖层均可拆卸，外层可作为雨衣使用。

图1 新型电动自行车防寒服款式图Fig.1 Pattern of novel moped cycling clothing. (a) Front; (b) Side; (c) Rear; (d) Interior

上衣为中长款的H型廓形，该款式分割线少，具有很好的保暖效果[13]。采用搭襟的设计，在胸部有2层面料，为胸部保暖防风，内部有绳结进行固定。领型为防寒服设计中常用的高立领，设有魔术贴，可根据情况调节松紧，对面部进行保暖[14]。为了增加保暖性，应尽量减少缝隙，在肩部结构中采用无分割缝的插肩袖设计，且可以方便手臂运动[14]。腰部设有抽带，可调节松紧，防风保暖。下摆2侧设有拉链，可在电动自行车骑行时打开，便于腿部活动。

与现有的电动自行车防寒装备不同，针对GB 17761—2018要求，新型防寒服需要满足着装者脚踏骑行的需求,因此，为了兼顾腿部的热舒适感和运动灵活性，设计了防寒裤装。该裤装对腰部结构进行调整，提高后腰腰高，以避免坐姿骑行时裤后腰下滑。左右侧缝均设有拉链，方便穿脱。在膝盖处使用了双层填充棉，加强膝盖关节处保暖。根据ISO 9920—2007《热环境的人类工效学·服饰整体隔热和耐水蒸气性的估计》标准，估算服装整体的总热阻为1.53 clo。

2 实验部分

2.1 测试样品

本文实验所测试电动自行车防寒服包括上述所设计的新型防寒服和一款现有市售的电动自行车防风衣。比较现有的各种电动自行车防寒装备发现，该市售防风衣与本文设计的新型防寒服款式最为相近，因此将其作为测试实验的对比样品。防风衣为长袍式的上衣，在背后用魔术贴开合，无裤装，如图2所示。

图2 防风衣款式图Fig.2 Pattern of wind-proof clothing. (a) Front; (b) Side; (c) Rear

2.2 受试者选择

利用G*Power(Version 3.1.9.6)软件计算确定受试者数量，设置效应量d=1.6，显著性水平α=0.05，检验功效为0.8，得出实验至少应包含6名受试者[15]。因此，本文共招募了6名女性大学生作为保暖性和功效性评价实验的受试者，其基本信息如表2所示。

表2 受试者信息Tab.2 Information of subjects

2.3 保暖性评价实验

保暖性评价实验在人工气候室(日本Espec公司)内进行。实验前，受试者在室内(25 ℃，50%相对湿度)静坐至少30 min，达到热稳定状态，感觉不冷不热且无显汗。然后，在受试者10个部位的皮肤表面用医用胶带粘贴iButton温度传感器(美国Maxim公司，精度为0.062 5 ℃，误差为±0.5 ℃)，每1 min测量1次皮肤温度。10个部位分别是前额、左前胸、右上臂、左小臂、左手背、左腹部、右肩胛、左后腰、右大腿前侧和左小腿后侧。受试者穿着相同的纯棉长袖T恤、薄羽绒夹克、纯棉薄绒长裤、棉袜和运动鞋，根据实验需求穿着新型防寒服或防风衣。

实验开始后，受试者进入人工气候室内静坐10 min，以适应气候室的低温环境。气候室的空气温度和相对湿度分别为(5±0.5) ℃和(50±5)%。然后受试者在动感单车上进行30 min的间歇骑行(2 min脚踏和3 min静坐交替进行)，以模拟电动自行车的骑行状态，同时用电风扇面对人体吹风，风速为(4.5±0.5) m/s。图3为实验现场照片。

图3 保暖性评价实验照片Fig.3 Experimental photo of thermal protection evaluation

实验过程中，受试者每5 min需进行主观热感和热舒适感的评价。参考ISO 10551—2019《热环境人类工效学·使用主观判定量表评价热环境的影响》，热感和热舒适感分别采用7级评价标尺和5级评价标尺，如图4所示。

图4 保暖性主观评价标尺Fig.4 Subjective evaluation scales of thermal protection. (a) Thermal sensation scale; (b) Thermal comfort sensation scale

参考ISO 9886—2004《人体工效学·热疲劳的生理学测量评价》，利用8个不同部位的局部皮肤温度计算平均皮肤温度(ts)，如式(1)所示。利用胸部、腹部、肩胛和后腰4个部位的局部皮肤温度计算躯干皮肤温度(tb)，如式(2)所示。利用大腿和小腿的局部皮肤温度计算腿部皮肤温度(tl)，如式(3)所示。

ts=0.07t前额+0.175t肩胛+0.175t胸部+

0.07t上臂+0.07t小臂+0.05t手背+

(1)

0.19t大腿+0.2t小腿

tb=0.25×(t胸部+t腹部+t肩胛+t后腰)

(2)

tl=0.5×(t大腿+t小腿)

(3)

2.4 工效性评价实验

本文对新型防寒服和现有市售防风衣的工效性评价采用视觉模拟评分法(VAS)[16]。评价指标包括穿脱便捷性和上肢、腿部、躯干在骑行时的活动灵活性。评价游动标尺两端分别为“0”分和“10”分，“0”分表示“非常不便捷”或“非常不灵活”，“10”分表示“非常便捷”或“非常灵活”。受试者在完成保暖性评价实验后将主观感受在评价标尺的相应位置标出。

2.5 数据分析

运用IBM SPSS Statistics软件进行数据分析。测试变量通过Shapiro-Wilk检验，均符合正态分布。采用配对样本T检验,判断各时间点的各测试变量在2种服装条件下是否存在显著差异。显著性水平设为P<0.05。

3 结果与讨论

3.1 保暖性分析

3.1.1 皮肤温度

穿着新型电动自行车防寒服和现有市售防风衣时的平均皮肤温度、躯干皮肤温度和腿部皮肤温度如图5所示。

图5 皮肤温度Fig.5 Skin temperature. (a) Average skin temperature; (b) Torso skin temperature; (c) Leg skin temperature

从图5(a)可看出，在实验前10 min的静坐阶段，平均皮肤温度无明显下降，均处于32～34 ℃较舒适的温度范围，说明在无风非运动的状态下防寒服和防风衣均有较好的保暖性。在10～40 min受试者开始骑行后，由于风速增加，且骑行运动促进了服装内的空气对流散热，平均皮肤温度显著下降后趋于稳定。穿着新型防寒服和防风衣的平均皮肤温度在5～40 min区间存在显著差异(P<0.05)，前者比后者平均提高了1.2 ℃。

从图5(b)可看出，穿着新型防寒服的躯干皮肤温度在5～30 min区间显著高于防风衣(P<0.05)，但2种服装条件下的躯干皮肤温度差值小于0.5 ℃，且在整个实验过程中均较为稳定，说明2款服装对于上半身的躯干均达到了很好的御寒防护作用。

从图5(c)可看到，穿着新型防寒服和防风衣的腿部皮肤温度在8～40 min区间存在显著差异(P<0.05)。由于骑行中的腿部运动增强了对流散热，防风衣在下肢部位仅有的围裙式的前片无法有效在腿部周围形成静止空气层而达到保暖的效果，腿部皮肤温度下降至30.0 ℃。而新型防寒服为满足脚踏骑行的需求，进行了裤装设计。与防风衣相比，新型防寒服的裤装对腿部有较好的保暖效果，骑行过程中，其腿部皮肤温度仅下降至32.5 ℃。

3.1.2 保暖性主观评价

图6示出穿着新型电动自行车防寒服和现有防风衣时的热感和热舒适感。可以看出，2种服装条件下的热感和热舒适感评价分值变化趋势与平均皮肤温度基本一致，均在15～40 min区间存在显著差异(P<0.05)。在骑行过程中，穿着防风衣的热感逐渐下降至-2.0(凉)，热舒适感最终达到-1.8(接近不舒适)。虽然防风衣对躯干部位有较好的保暖作用，但腿部降温仍显著影响了热感和热舒适感，由此证明了电动自行车防寒服设计中对腿部保暖的必要性。而穿着新型防寒服的热感约为-0.6(介于不冷不热和稍凉之间)，热舒适感约为-0.9(接近稍不舒适)。由此说明，新型电动自行车防寒服对人体的热感和热舒适感均有较好的改善作用。

图6 保暖性主观评价Fig.6 Subjective evaluation of thermal protection. (a) Thermal sensation; (b) Thermal comfort sensation

3.2 工效性分析

图7示出受试者穿着新型防寒服和防风衣后对服装穿脱便捷性和上肢、腿部、躯干灵活性的VAS评分。参考临床医学领域对VAS评分的分级，本文将评分分为：0～2分为“差”，3～5分为“一般”，6～8分为“良”，大于8分为“优”。由图8可知：新型防寒服和防风衣的穿脱便捷性分别为“一般”和“良”(P=0.16)；上肢灵活性均为“良”(P=0.51)；腿部灵活性分别为“良”和“一般”(P=0.04)；躯干灵活性均为“良” (P=0.28)。由于新型防寒服设计了裤装，所以其穿脱便捷性低于防风衣。但裤装的设计显著增加了腿部的灵活性，且更适合于国家最新标准要求下电动自行车需要脚踏功能的需求。此外，新型防寒服和防风衣均有较好的上肢和躯干灵活性。

图7 工效性VAS评分Fig.7 VAS scores of ergonomic evaluation

4 结 论

本文设计开发了一款新型电动自行车骑行防寒服，通过真人着装实验与现有防风衣对比，从生理反应和主观感受2个方面评价了服装的保暖性和工效性，得到以下结论。

1)新型防寒服的保暖效果优于防风衣。2款服装对躯干均有较好的保暖性，但新型防寒服对腿部的保暖性显著高于防风衣。

2)穿着新型防寒服时，人体的主观热感和热舒适感均有显著改善。

3)穿着新型防寒服和防风衣时，上肢和躯干的活动灵活性均较好。新型防寒服由于增加了裤装，穿脱便捷性低于防风衣，但腿部灵活性得到显著提高。

未来研究可增加受试者的数量和人群类别，并在实际环境条件下评估防寒服的应用可行性，以供进一步推广，为电动自行车骑行防寒服及相关行业工作服的设计研究提供参考。