服装通风机制及策略的研究进展

姜茸凡, 王云仪

(1.西安工程大学 服装与艺术设计学院,西安 710048; 2.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051)

户外工作者在夏季常面临高温环境作业,由于其工作性质决定常要求作业者(如消防员、建筑工人)穿戴厚重服装,高温环境和厚重服装加重阻碍了人体热散失,加之长时间体力劳动,增加了作业者患高体温症的几率,对其生命健康安全造成了严重威胁。为应对此类情况发生,相关研究人员提出优化配伍服装面料、增设服装开口、内嵌微型通风设备等有利于提高人体热散失的解决方案,对于保护高温环境下的工作人群生命健康安全有重要意义,而这种以对流换热方式增大人体热散失的服装设计手段被称为服装通风策略[1-2]。

目前,尚没有任何一种服装通风策略适用于所有高温工况条件。为设计舒适型通风作业服,研究者需从作业者的环境条件、服装特征和运动规律角度出发,剖析服装内外环境通风机制,多维度立体化设计服装通风策略,提出合理的服装通风效率评估指标,进而从理论模型到实践方案全面阐述服装通风策略研究进展,以此达到更好地指导服装通风策略开发的目的。

本文首先阐述了现阶段服装通风效率的评估指标、测试方法及测试特点;然后,从织物到服装逐层回顾了服装通风数值模型的发展历程;最后,从面料性能、服装开口和内嵌通风设备三方面说明服装涉及的主要通风策略。基于对服装通风策略研究进展的全面分析,进而提出两点未来研究方向。

1 服装通风表征与测量

服装通风效率主要通过服装通风指数进行表征[3],指服装衣下微环境的空气交换速率,表示为:

VI=AER×MV

(1)

式中:VI为服装通风指数,L/min;AER为空气交换率,min-1;MV为衣下微环境空气层体积,L。

服装通风指数的测量方法是从建筑通风领域借鉴而来,测量方法主要分为非稳态测试法(CR法)和稳态测试法(LH法)。

1.1 CR法

CR法是由Crockford等[3]提出,该方法需分别测量衣下微环境中的空气交换率和空气体积。

1.1.1 空气交换率

空气交换率测量方法[4]是将氮气持续流入衣下微环境,待微环境内氮气质量分数低于10%后,停止通入氮气,利用示踪气体分析仪记录衣下微环境中氧气质量分数变化,直到氧气质量分数恢复至初始值。空气交换率可表示为:

C(t)=C0-C1×exp(-rt)

(2)

式中:C(t)为t时刻衣下微环境中氧气质量分数,%;C0为标准环境中氧气质量分数,取近似值20.9%;C1为常数,指在初始时刻(t=0)下C0与C(t)之间氧气质量分数差值,%;r为基于最小二乘分析得出的空气交换率,min-1。

1.1.2 衣下微环境体积

衣下微环境体积测量方法主要包括:抽真空法、模型法和三维扫描法[5-6]。抽真空法是在被测服装表面覆盖一件不透气宽松轻薄外罩,通过抽气管将服装内气体抽出并测量而得到。模型法是将人体和服装简化为若干同心圆柱体,通过测量裸体和着装下人体水平围度对应设定其圆柱体半径,再计算内外圆柱体体积差值之和获得。三维扫描法是通过三维扫描仪测量同一姿势下裸体和着装下三维图形体积,计算两者差值获得。在三种方法中,抽真空法操作复杂,且在测量过程中易出现漏气现象,导致测量误差;模型法操作简单,但由于人体和服装被简化为圆柱体,计算精度较低;而三维扫描法的测量精度较高且重复性强,但由于测试设备昂贵,目前应用范围较小[7]。

由于CR法需测量衣下微环境体积,而人在运动中的衣下微环境体积在不断变化,无法准确获取,因此,CR法主要测量静态着装人体的服装通风指数,这极大限制了其应用范围。

1.2 LH法

LH法由Lotens等[8]提出,测试系统由示踪气体瓶、微型风扇、质谱仪、管道及采样系统构成。测试时,示踪气体从气体瓶流出,经管道按一定流速均匀流入衣下微环境,为避免衣下微环境出现强迫对流,采样系统以相同流速从衣下微环境抽出气体,即在微环境内形成一个气体循环系统。质谱仪负责监测循环系统流入口、流出口及服装外环境的示踪气体质量分数,微型风扇负责使示踪气体与环境空气充分混合。在衣下微环境内示踪气体质量分数不再变化后,根据质量守恒定律,即流入示踪气体质量等于流出示踪气体质量。服装通风指数表示为:

式中:Qin-out为循环系统的示踪气体体积流量,L/min;Cin、Cout和Cair分别为循环系统流入口、流出口和服装外环境的示踪气体质量分数,%。

根据测试对象的不同,服装通风测试系统又被分为整体和局部的通风测试系统。局部通风测试系统[9]是在整体通风测试系统上分别在人体各部位增设采样管道和质谱仪而开发的。最初,两种测试系统均采用式(3)计算服装通风指数。然而,由于人体各部位衣下微环境相互连通,局部衣下微环境不仅与外界环境进行气体交换,还与相邻部位微环境进行气体交换。如果局部通风指数仍采用式(3),则会忽略各部位间的空气交换。为此,Ismail等[10]对局部通风指数进行修正,其测量方法分为3个步骤。

步骤1:将氮气同时流入两个相互连通的局部衣下微环境(如手臂和躯干),利用质谱仪监测氧气质量分数。

考虑到手臂和躯干的连通性,手臂部位通风指数被修正为:

Qin-outCin-arm+VIarmCair+[max(IS,0)]Cout-trunk=[Qin-out+VIarm+max(IS,0)]Cout-arm

(4)

式中:VIarm为手臂部位的通风指数,L/min;IS为手臂和躯干连通部位的通风指数,L/min;Cin-arm和Cout-arm分别为手臂部位流入口和流出口的氧气质量分数,%;Cout-trunk为躯干部位流出口的氧气质量分数,%。

同理,躯干部位通风指数被修正为:

Qin-outCin-trunk+0.5VItrunkCair+[max(-IS,0)]Cout-arm=[Qin-out+0.5VItrunk+max(-IS,0)]Cout-trunk

(5)

式中:VItrunk为躯干部位的通风指数,L/min;Cin-trunk和Cout-trunk分别为躯干部位流入口和流出口的氧气质量分数,%;Cout-arm为手臂部位流出口的氧气质量分数,%。

步骤2和步骤3:将过量氮气分别流入手臂和躯干部位,对应监测躯干和手臂部位的氧气质量分数。如果未注入氮气部位的氧气质量分数大于等于服装外环境的氧气质量分数,说明氮气没有从连通部位流入未注入氮气部位,则局部通风指数可根据式(3)计算;如果未注入氮气部位的氧气质量分数更小,说明氮气有从连通部位流入未注入氮气部位,则建立新的质量平衡方程。

当过量氮气注入到手臂部位时(即步骤2),表示为:

(6)

当过量氮气注入到躯干部位时(即步骤3),表示为:

(7)

联立式(4)(5)(6)(7),即可计算各部位局部通风指数。相比于CR法,LH法无需测量衣下微环境体积,适于在人体运动或有风条件下的测量。但对于高透气服装,在强风条件下示踪气体从管道通入衣下微环境后,可能尚未均匀分布就已经透过服装扩散至外环境,这会造成测量结果偏大[11]。因此,LH法尚不适于测量高透气服装。

2 服装通风模型

在探究服装通风效率的同时,建立服装通风数值模型,对于剖析服装内外环境的空气流动规律、指导服装通风策略的开发具有十分重要的意义。现阶段,服装通风模型可分为5类:织物通风模型、局部通风模型、动态通风模型、被动通风服模型和主动通风服模型。其中,织物通风模型描述空气通过织物的流动;局部通风模型和动态通风模型分别描述在静态和动态下人体独立区段的服装内外空气流动;被动通风模型和主动通风模型分别描述在主动和被动两种通风服装下人体全区段的服装内外空气流动。

2.1 织物通风模型

空气主要通过织物纱线间孔隙进行质量交换,传质方式包括扩散和对流两种。在无外界强迫对流作用下,无论织物透气性高低,扩散均为主要传质方式,故采用菲克扩散定律建立织物通风模型[12-13]。在有外界强迫对流作用下,对于高透气织物,织物层中对流传质明显,Ghali等[14-15]对此建立了三点式织物通风模型,如图1所示。内点代表纱线内层,外点代表纱线外层,空气空点代表流动空气。内点与外点相连,以扩散方式进行质量交换;外点与空气空点相连,以对流方式进行质量交换。该模型较好地表述在强迫对流下高透气织物内的空气流动。

图1 三点式织物通风模型

此外,另有研究基于流体动力学软件[16-17],将织物定义为多孔介质材质,通过调节多孔介质中“黏性阻力系数”和“内部阻力系数”来反映织物空气流动阻力。

2.2 局部通风模型

织物通风模型仅考虑织物透气性影响,除此之外,服装开口是服装内外空气交换的另一主要途径。局部通风模型以着装人体躯干或手臂为原型,构建双层圆筒形通风模型,内层圆筒为躯干或手臂的皮肤层,外层圆筒为服装层。根据人体站立和平躺姿势,局部通风模型可根据衣下空气层方向(即服装与人体间的狭小空气层)再分为水平向和垂直向。

2.2.1 水平向

Ghaddar等[18]建立了衣下空气层为水平向,且空气层一端开口、一端闭合的通风模型。模型由两部分构成:1)织物通风模型,以三点式织物通风模型构建;2)开口通风模型,模型假定衣下空气层足够长,空气流动处于完全发展状态,开口处空气流动方式为稳态沃莫斯利流。

2.2.2 垂直向

当衣下空气层为垂直向,由于受空气浮升力影响,皮肤表面空气受热产生向上对流,在开口设计上对服装通风指数的影响更显著。Ghaddar等[19]建立了垂直向局部通风模型,模型假定空气为不可压缩的Boussinesq流体。空气流动包括3种方式:1)沿手臂方向向上的浮升流;2)围绕手臂的水平环流,以泊肃叶流动模型构建;3)空气通过织物层垂直向外扩散,以三点式织物通风模型构建。

2.3 动态通风模型

人在行走时因手臂和腿部的前后摆动会使服装内空气产生强迫对流。Li等[20]将此运动过程中的衣下空气层变化简化为其厚度的正弦波动,表示为:

y=y0+Δysin(2πft)

(7)

式中:y为衣下空气层厚度,mm;y0为平均衣下空气层厚度,mm;Δy为衣下空气层厚度的振幅,mm;f为衣下空气层厚度的振动频率,r/s;t为时间,s。

此类动态空气层方程被耦合于织物热湿传递模型中[21-22],用于研究人体运动对服装热湿传递的影响,但这种运动规律与真实的手臂或大腿运动并不相符。Ghaddar等[23]将手臂摆动分解为两个运动阶段:1)空气质量平衡阶段,即手臂摆动,袖筒保持静止不动;2)空气对流阶段,即手臂与袖筒共同摆动,如图2所示。Ghaddar等将此运动规律与局部通风模型相耦合,建立动态局部通风模型,并通过圆筒形机械手臂通风实验检验模拟结果,发现在高摆动频率下,袖口在开合两种状态下的通风指数模拟值与实测值一致性良好,两者误差低于6.7%;而在低摆动频率下,由于服装内氮气均匀度下降,导致模拟值与实测值之间偏差较大,平均差值达到11.7%。

图2 手臂摆动全过程Fig.2 Whole course of arm swinging

2.4 被动通风服模型

局部通风模型和动态通风模型仅能表述人体独立部位通风机制,而未考虑人体各部位衣下微环境间相互流动。Ismail等[24]以常规作业服(即服装无内嵌通风设备,可被称为被动通风服)为原型,建立了圆柱形躯干的被动通风服模型,包括肩部、躯干、大臂和小臂四个区段。该模型不仅考虑了各躯干间连通性,还考虑了外界空气流经躯干与大臂、小臂之间缝隙处的空气流动方式。大臂与躯干之间的缝隙较小,可认为此处空气流动为阻流体;小臂与躯干之间的缝隙较大,可忽略两者间的相互作用。该模型的预测结果与Ke等[25]局部通风指数测量结果相对比,发现两者之间存在良好一致性。

由于圆柱形躯干简化了人体与服装的复杂表面形态,故未能考虑其表面轮廓特征对于通风模型的影响。为此,Jim等[26]和Takada等[27]分别利用三维扫描仪获取了裸体和着装状态的人体上躯干表面形态,利用流体动力学软件构建了具有真实着装形态的通风模型。模型将服装看成一种具有空气流动阻力和热量传递阻力的空气层,并将空气流动方式定义为k-ε湍流。虽然此类模型考虑了真实着装状态,模拟结果更准确,但由于模型网格数量庞大,导致模型运算时间较长,应用性较低。

2.5 主动通风服模型

相比于被动通风服模型,主动通风服模型是以内嵌通风设备(如微型风扇)服装(即主动通风服)为原型构建。曾彦彰等[28]基于Pennes生物传热方程和皮肤热边界条件建立了微型风扇阵列的稳态通风服模型,该模型将皮肤对流换热系数固定为经验值,如无通风条件设为20 W/(m2·℃),有通风条件设为100 W/(m2·℃)。Mneimneh等[29]建立了一维瞬态主动通风服模型,该模型考虑了皮肤蒸发换热,并与热生理模型(PA)相耦合,预测人体热生理反应。Sun等[30-31]利用COMSOL软件建立了“外层面料(内嵌微型风扇)-空气层-透气面料-皮肤层”的二维矩形通风模型,在二维层面上探究了衣下空气流动规律。Choudhary等[32]通过ANSYS软件构建了三维全尺寸主动通风服模型,并与热生理模型(JOS-3)相耦合,预测人体热生理反应。该模型采用三维扫描仪获取暖体假人(Newton)在穿着通风服(风扇打开)和裸态下的三维曲面,通过标准的k-ε湍流模型求解控制流体流动和能量方程。经模拟值与假人测量值对比发现:在整体区段上,两者降温效率差异较小(2.67%);而在局部区段上,上背部(22.16%)、上臂部(24.83%)和下臂部(22.56%)的两者降温效率差异较大。这可能与模型边界条件设定有关,如衣下微环境内空气仅能通过袖口排出,而不能通过领口和织物孔隙排出。此外,在风扇通风中所测量的三维着装曲面应是动态变化的;在高温环境中,皮肤表面应有汗液附着;而模型中三维曲面是静态的,且假定皮肤干态,忽略皮肤蒸发散热,这些都会影响模型预测精度,限制其应用场景。

3 服装通风策略

服装通风策略主要包括改变织物透气性、设计服装开口和内嵌通风设备。

3.1 织物透气性

织物透气性是服装内外环境气体交换的主要途径之一,是影响服装热湿阻的重要因素[33-34]。李佳怡等[35]为服装在人体高出汗部位配置透气织物,可显著增大人体散热量。Morrissey等[36]发现在无风环境下的服装热阻虽然相同,但由于织物透气性差异,在有风环境下高透气织物的服装热阻更小,说明在有风条件下的高透气织物层中存在对流传质,有利于增大人体散热量。

综上,织物透气性增大有利于皮肤表面水汽扩散和对流换热,将其配置于人体易出汗部位或易产生强迫对流部位,可有效增大散热量。

3.2 服装开口

服装开口是服装内外环境气体交换的另一主要途径,可通过改变服装开口量和开口位置来调节人体热湿散失。

3.2.1 开口量

服装开口量可量化表征为服装开口处的衣下空气层厚度[37]或横截面积[38]。Lotens等[8]发现在服装开口打开状态下,若服装有衣下空气层,其通风指数是无衣下空气层的1.4～2.2倍。Satsumoto等[39]测试垂直衣下空气层底端开口打开时的对流换热系数发现,衣下空气层厚度增大,对流换热系数显著增大。

3.2.2 开口位置

服装开口量相同,开口位置不同,其散热量也会不相同。服装开口位置设置应考虑服装、人体及外界风三方面因素。

1)服装因素。张向辉等[40]研究在腋下、胸部和背部配置服装开口时的服装热湿舒适感发现,腋下开口可有效降低皮肤温度,缓解人体热应力。原因是腋下处衣下空气层厚度较大,设计开口可显著增大对流换热。Mcquerry等[41]研究6种消防服开口位置发现,下装开口能显著增大人体散热量,而上装开口则无显著影响。原因是消防员在火场作业时需要背负呼吸器,呼吸器挤压服装,减小了上装衣下空气层厚度,阻碍消防服通风路径。综上,开口位置与衣下空气层有关,应将开口配置在衣下空气层厚度较大的位置。

2)人体因素。蒸发散热是高温环境人体向外散热的最主要途径。Ueda等[42]研究发现,增大服装通风指数可提高皮肤表面汗液蒸发散热效率,故应将服装开口配置在高出汗部位(如胸部或背部)。

人体运动会产生衣下强迫对流。Mcquerry等[43]在消防服裤装侧缝位置配置开口发现,运动时的裤侧缝开口显著增大了人体散热量,说明当作业人员从事重复性工作时,应将开口配置在易产生强迫对流的位置。

人体姿势影响衣下空气层形态及空气流动形式。由于受空气浮升力影响,垂直衣下空气层比水平衣下空气层更易发生向上自然对流。若在垂直衣下空气层的顶端位置设计开口,可显著增大服装对流换热系数。Zhang等[44]发现,领口增大对人体散热量的影响显著,但下摆开口量增大却无显著影响。因此,当人体在站立或静坐姿态下时,增大领口开口量是提高人体散热量的重要途径。

3)外界风因素。在不同外界风(如环境的自然风、工厂吊扇的垂直风、家庭电风扇的侧风等)条件下,人所面对的风速和风向不同,导致服装表面空气流速存在差异[36]。若将开口配置于服装表面空气流速较大的位置,可促进服装内外的气体交换,增大人体散热量。因此,应根据不同作业环境绘制服装表面空气流动图谱,进而指导服装通风策略设计。

3.3 内嵌通风设备

根据通风方式不同,主动通风服又可分为微型风扇通风服和气冷通风服。

3.3.1 微型风扇通风服

微型风扇通风服由微型风扇和蓄电池组成。微型风扇鼓风产生强迫对流,增大人体对流及蒸发散热。该通风服体积小、质量轻且造价低廉,应用范围较广,如建筑、防火、防生化、作战等领域。

先前研究调查了在不同环境(气温35～45 ℃、相对湿度10%～75%)下,微型风扇通风服对人体热耐受的影响。Chinevere等[45]发现,微型风扇通风服能缓解人体热应力,延长户外作业时间。Barwood等[46]还发现,即使气温达到45 ℃,此类通风服仍有效且不会造成皮肤损伤。Hadid等[47]发现,在人体运动阶段,微型风扇通风服可显著降低皮肤温度,但在休息阶段却不显著。Mneimneh等[48]建立了一维瞬态通风服模型与PA热生理模型相耦合模型,研究截瘫患者在穿着通风服下的热生理反应,发现在无显性出汗下,通风服对皮肤降温效果影响不显著,而在显性出汗下,通风服可显著降低皮肤温度。Zhao等[49]也发现,在高温环境下,通风服在人体出汗后的前10 min降温效果显著,而随着汗液被蒸发后,其降温效果不再显著。

此外,微型风扇通风服的通风参数(通风速度、通风温度、风扇数量、风扇位置、风扇直径及与服装开口的配伍)对人体散热效率和热舒适的影响被调查。在实验研究方面,Wen等[50]调查2种风扇(扇叶数量为5和9)的假人散热量发现,扇叶数量多的人体散热量较大。Sargolzaei等[51]通过搭建小型虚拟服装微气候环境调查通风风扇和衣下空气层厚度对于微气候温度的影响,发现当衣下空气层厚度超过1 cm时,通风导致的强迫对流才会显著降低服装微环境气温。Zhao等[52-53]调查风扇位置、服装开口位置和服装开口量对于人体散热量的影响发现,服装在下摆处配置风扇、在胸部和背部设计开口且开口量较小时的假人散热量较大。Zhao表示,服装下摆处衣下空气层较厚,易产生强迫对流;胸部和背部开口与风扇风向平行,促使衣下空气从人体正面流向背面,增大强迫对流覆盖的体表面积;且服装开口量较小有利于衣下空气与皮肤充分进行换热,因此人体散热量较大。此外,Zhao等[54]还通过调查3种通风速度(0、12、20 L/s)下的人体热舒适性发现,在热中性环境(25 ℃、50%RH)下,着装人体在低通风速度(12 L/s)时感觉最舒适。在模型研究方面,Sun等[30-31]通过二维通风模型参数化研究发现,风扇直径越大对流及蒸发换热系数越大;衣下空气层厚度对于人体对流及蒸发换热的影响较大。Choudhary等[55]基于三维全尺寸通风模型调查了风扇直径、通风速度及服装开口位置(领口、袖口、领口和袖口)对于人体表面对流换热系数的影响。研究发现,风扇直径对躯干表面对流换热系数影响较小;通风速度越大,人体热交换越多;在领口打开下,躯干表面对流换热系数较大,而在袖口打开下,躯干表面对流换热系数较小。

3.3.2 气冷通风服

气冷通风服由供气设备、制冷设备和软管管道组成。供气设备抽取外界空气并流入制冷设备,制冷设备将气体温度降低,再通过管道将冷气通入服装微环境进行对流换热。相比于微型风扇通风服,该通风服体积大、质量大且造价昂贵,主要应用于航空航天领域,调节飞行员的体温平衡。

任兆生等[56]对比两种气冷通风服(高空代偿服和通风服)的人体舒适性发现,通气管道的排列方法、通气顺序和通气量对人体体温调节很重要。李珩等[57]建立了“人体-气冷通风服-高温环境”热湿传递模型,研究通气温度和通气流速对于人体散热量的影响发现,皮肤温度和体核温度均随通气温度减小而降低,随通气流速减小而增大。

综上所述,两种通风服均可为应对高温环境下人体热应激提供一定帮助。相比于气冷通风服,微型风扇通风服因其小巧轻便而应用更广。通风速度、通风温度、衣下空气层厚度、开口位置及开口量应是开发新型通风服所要考虑的重要设计参数。

4 结 语

本文从通风测评方法、通风数值模型和通风设计手段三方面对服装通风机制及其策略展开综述。目前,服装整体及局部的通风测评体系已发展较为完善,能较准确地评估服装整体及局部的通风效率,而服装通风数值模型和新型通风服系统开发仍有待更深入的研究。基于已研究现状,本文提出2点展望:

1)建立耦合人体热生理反应的动态三维服装通风模型。目前,虽然独立区段的动态服装通风模型和三维全尺寸的静态服装通风模型均已被建立,但由于模型边界条件设置问题(如动态服装通风模型未考虑在手臂摆动过程中服装自摇摆;三维全尺寸服装通风模型既没有考虑皮肤出汗后的蒸发换热,也没有考虑风扇鼓风下的服装自摇摆),导致模型预测结果与实际测量结果仍有一定程度差异,且局限了模型应用范围。后期应以这两种通风模型为基础,考虑更全面的边界条件,并将其与人体热生理模型相耦合,建立三维全尺寸动态服装通风模型,剖析服装微环境的通风机制,实现在不同工况下服装通风及人体热生理特征的预测。

2)开发多种换热方式相耦合的主动通风服。对于高温特殊作业人群,由于服装防护性能要求,导致透气织物和服装开口应用较少,主动通风服是缓解人体热应激的主要途径。目前,主动通风服的相关研究已取得一定进展,各类通风参数(如通风速度、通风温度、扇叶数量、扇叶直径等)的影响机制已被讨论。但是,以单一对流换热方式来增大人体散热效果的方法仍未达到缓解人体热应激的预期效果,后期应考虑开发以多种换热方式相耦合的主动通风服(如主动通风服中内嵌相变材料),综合讨论多种换热方式耦合下各类降温参数的影响机制,进而开发降温效率高、制冷时间长且节能性优良的主动通风服。