多孔式通风服衣下空气层的定量研究

钱 静， 赵蒙蒙， 党天华

(上海工程技术大学 纺织服装学院， 上海 201620)

通风服是指在炎热的环境中，通过在服装与人体之间的微环境内强制通风加快衣下空气层内气体流动，从而改善人体舒适性的服装。服装衣下空气层对于通风服的散热降温性能具有重要影响[1-2]。人体皮肤与衣服内表面之间气隙的大小和分布，可极大地改变服装衣下微气候以及流动范围内的热量和质量传递[3-5]。受织物性能[6-8]、服装款式[9]、身体姿势[10]和运动[11]等因素的影响，衣下空气层的厚度及其分布并不均匀[12]。

Lee等[13]通过相移摩尔形貌法作为三维扫描工具来定量测试服装微气候的空气体积。Psikuta等[9]对一系列紧身和宽松服装款式进行测量，对人台和着装人台模型进行三维扫描，并通过三维扫描后处理确定其表面之间的距离；之后提出了一种评估2种类型三维扫描仪精确度的方法，进一步拓展了三维扫描仪及其后处理方法在服装测量中的应用，如测定用于试穿、防护和功能性评价的服装的空气层厚度和接触面积[14]。Kim等[15]利用三维人体扫描仪图像来确定服装局部和整体的空气层分布，并对单层和多层服装系统的空气层尺寸进行量化，认为三维人体扫描仪能够提供人体表面的精确图像。在测量服装衣下空气层时，三维人体扫描法能够更加真实地反映服装衣下空气层分布的情况并具有较好的可重复性[12,14,16]。将三维人体扫描技术应用于服装研究领域，可对空气间隙厚度和接触面积分布进行详细的可视化和量化[17]。

在之前针对服装衣下空气层进行的研究工作中，并未考虑在服装内部施加强制通风的情况。本文研究基于三维人体扫描法，评估了通风服风扇风速和开口面积与通风服衣下空气层体积和平均空气层厚度的关系，然后针对胸部及腰部这2个特征较为明显的部位，分析了空气层的分布特性，为通风服装的设计和热舒适性能的改善提供依据和参考。

1 人体扫描实验

1.1 通风服设计

本文实验所使用的通风服为长袖夹克，其背部有2个直径为10 cm的风扇。长袖夹克的面料为棉/涤纶(91/9)斜纹机织面料，尺寸为：胸围 108 cm、 肩宽44 cm、袖长57 cm、腰围72 cm、臀围102 cm。 2个风扇由4节2 300 mA的 AA 电池供电。打开风扇电源，使用Kanomax 6606热式风速仪测量风扇风速，每个档位重复测量 5次， 得到高档和低档的平均风速分别为5.0和 3.8 m/s。 选取5款大小和款式都相同的服装,但其开口位置在不同的躯干部位，开口位置和大小分别为：款式A无开口，款式B背部有6个直径为10 mm圆形开口，款式C背部有6个直径为5 mm圆形开口,款式D正面左右、背部各有6个直径为10 mm圆形开口,款式E正面左右、背部各有6个直径为5 mm圆形开口，如图1所示。

图1 服装的款式及开口方式示意图Fig.1 Picture of clothing style and opening pattern. (a) Style A; (b) Style B; (c) Style C; (d) Style D; (e) Style E

1.2 三维扫描仪

本文使用的博克人体三维扫描仪由红外摄像头和红绿蓝三原色(RGB)摄像头组成的体感器作为扫描组件，对人体进行无接触扫描测量，如图2所示。博克三维人体数据采集系统由扫描设备和三维人体扫描软件2个部分组成，通过软件控制摄像头的上下移动和转台的360°转动，对人体进行全方位的扫描，生成真人等比例的人体三维模型[18]。

1.3 三维人体扫描

选择胸围为92 cm、腰围为72 cm的女体上半身人台进行扫描。使用魔术贴闭合服装下摆与人台，打开风扇电源，等待30 s使风速趋于稳定。在连接了扫描仪的电脑中将博克三维人体采集软件打开并设置相关参数，将人台放置在扫描仪的转台上，使用软件将摄像头调整至适宜高度；在操控板中打开通信接口，点击“扫描”按钮开始扫描；等待扫描完成，时间约为90 s，观察扫描后得到的模型是否有严重缺失或者冗余部分；最后，将着装人台放置在转台上重复以上步骤，并将扫描完成的数据导出为.obj或.stl格式。实验设计方案如表1所示。使用不同开口方式的通风服，在不同风扇风速状态下进行以上步骤，每种实验情况重复扫描3次。

图2 博克三维人体扫描仪Fig.2 Bok human body three-dimensional data acquisition system

表1 扫描实验的设计方案Tab.1 Design list of scanning tests

2 模型拟合分析

将扫描得到的人台模型和着装人台模型导入Geomagic Control 2014软件中进行后处理[9,19-20]，填充模型中缺失的部位获得封闭模型，使用平滑工具得到表面光滑的模型以便后续进行比较。图3示出空气层模型拟合过程。将测试模型(着装人台)与参考模型(人台)尽可能对齐，然后进行三维比较得到平均空气层体积、厚度数据以及空气层分布图；在三维比较的基础上选择腰部和胸部2个部位进行二维空气层厚度比较[21]，并将比较结果导出。

图3 空气层模型拟合过程Fig.3 Process of fitting air layer model

将着装人台体积减去人台体积得到服装衣下空气层的体积，计算公式为

Vair=Vcl-Vbody

式中：Vcl为着装人台的体积,cm3；Vbody为人台的体积,cm3；Vair为空气层体积,cm3。

3 结果与讨论

3.1 空气层厚度与体积的影响分布

通过数据处理得到不同风速和不同开口面积情况下，服装空气层体积均值、服装与人体之间的空气层厚度，以及胸部和腰部与人体之间的空气层厚度。图4示出开启风扇前后侧面空气层对比图。针对通风服的衣下空气层，除上述影响因素外，在服装内部施加强制通风可明显地改变空气层大小及分布。

图4 开启风扇前后侧面空气层对比图Fig.4 Comparison of air layer on side of garment with fan off (a) and on (b)

图5示出不同条件下通风服的平均空气层厚度。本文研究通风服的平均衣下空气层厚度差在18～30 mm范围内。Lu等[22]得到单层连体防护服的气隙厚度在25～35 mm之间。

图5 不同风速和开口面积情况下平均衣下空气层厚度差Fig.5 Average air gap thickness under different wind speed and opening area conditions

根据Mah等[12]的研究结果，女性防护服整体的平均厚度为18.5 mm，该结果与本文实验结果中未开风扇条件(T3、 T6、T9、T12和T15)下实验结果相近。当开口面积相同时，风扇的风速越大，空气层越厚；而在风速相同情况下，开口面积所导致的空气层厚度差异并不明显。运用Statistic Version 24.0软件，分别对风速和各变量以及开口面积与各变量之间进行Pearson相关分析，结果如表2所示。可知，风速与空气层体积、整体平均空气层厚度有效值以及腰部与胸部的平均空气层厚度之间都显示出正相关关系，且具有统计学意义(显著性水平p<0.01)。开口面积与各变量均值之间的相关性并不显著(p>0.05)。根据Zhao等[23]研究发现全身降温、局部降温以及服装的动态蒸发阻力与服装的开口设计及位置之间没有显著性差异，这与本文的结论相符。

3.2 空气层分布的影响分析

3.2.1 整体空气层分布

图6示出不同款式人体躯干空气层分布图。

表2 风速和开口面积对衣下空间的影响Tab.2 Influence of wind speed and opening area on microclimate

图6 不同款式服装人体躯干的正面和背面空气层分布Fig.6 Distribution of air layer thickness on torso part in different ventilation garments in front and back view. (a) Front of style A; (b) Back of style A; (c) Front of style B; (d) Back of style B; (e) Front of style C;(f) Back of style C; (g) Front of style D; (h) Back of style D; (i) Front of style E; (j) Back of style E

由正面分布图可看出，当风扇关闭时，由于服装面料下垂在腹部形成褶皱处的空气层较厚，呈现出较为规则的圆柱形。然而，Psikuta等[9]研究结果显示，当衣服悬垂下垂时空气间隙很可能会变小，而不是在身体部位形成一个规则的圆柱体。造成这种差异的原因可能是本文实验服装后背的2个风扇质量的牵扯加之服装下摆使用魔术贴闭合方式，使得褶皱的形状更加规则。一方面，正如预期的那样，风扇开关与否能够明显地影响空气层的厚度和分布情况；另一方面可观察到，开孔的位置和大小并未对空气层造成明显影响。风扇打开之后，腰、腹部、手臂和中背部的空气层明显增大，且分布更加均匀。随着风扇风速的增加，红色区域在背面所占比例增加，即空气层的厚度增大，其中气隙最大的部位始终分布于人体的中背部。

3.2.2 局部空气层分布

在三维比较的基础上，选取位置为与系统坐标轴Z轴距离为353 mm的腰部和距离为530 mm的胸部这2个特征较为明显的部位，比较其在不同条件下二维空气层分布，分析这2个部位的空气层厚度、分布情况以及空气层的平均厚度的差异。图7示出不同款式服装人体胸部和腰部空气层分布图。

图7 不同款式服装人体胸部和腰部空气层分布图Fig.7 Air gap distribution maps at waist and chest level in different style ventilation garments. (a) Waist of style A;(b) Chest of style A; (c) Waist of style B; (d) Chest of style B; (e) Waist of style C; (f) Chest of style C;(g) Waist of style D; (h) Chest of style D; (i) Waist of style E; (j) Chest of style E

由图7可以看出，与其他身体部位相比，下背部、腰部和腹部等身体部位的气隙较大，风扇打开时胸部和腰部的平均空气层明显增大，这些部位的空气层厚度随着风扇风速的增大而增大，且分布得更加均匀，服装的穿着情况和人体表面的曲面形状会对空气层的厚度和分布产生较大的影响。然而无论是改变风扇风速还是开口面积，对前胸部位的空气层厚度及分布并没有发生明显的改变。

图8示出腰部和胸部空气厚度差。可看出，是否打开风扇对于胸部和腰部这2个部位的空气层厚度相差较大。风扇关闭时腰部空气层厚度是胸部的2倍；当风速逐渐增大时2个部位空气层厚度的差异逐渐减小。除对照组服装，其他4件服装在低风速与高风速条件下胸部与腰部的空气层厚度没有明显差别。

图8 腰部和胸部空气厚度差Fig.8 Average of air gap at waist and chest level

4 结 论

风扇风速和服装的开口方式会对服装的衣下空气层产生影响。本文使用5款开口面积和位置不同的通风服，在9个不同状态下进行三维扫描，使用逆向工程软件Geomagic Control对扫描文件进行处理，并使用数据处理软件对数据进行后处理。

在通风服衣内微气候施加的强制通风能够改变整体和局部的衣下空气层厚度，且会使空气层的分布变得更加均匀。通风服风扇风速会显著影响空气层的体积以及整体和局部的空气层厚度，然而开口面积没有产生显著影响。是否打开风扇对于胸部和腰部这2个部位空气层厚度的影响较大，然而风速的大小对这2个部位的空气层厚度的影响并不明显。