不同使用环境下被服系统的动态热湿舒适性
2024-05-29张露杨宋海波孟晶石婷婷卢业虎
张露杨 宋海波 孟晶 石婷婷 卢业虎
摘 要:为动态评价被服系统的热湿舒适性能,采用出汗暖体假人测试系统模拟人体睡眠时代谢产热,建立了一种表征被服动态热湿舒适性的客观测试方法,测量出汗暖体假人平均皮肤温度、被内温度、被内湿度3个指标;并在不同环境条件下,以不同种类的被子产品为代表,对被服系统的热湿舒适性进行比较分析。结果表明:睡眠时假人平均皮肤温度与被子的热阻密切相关,同时高温环境下被子透气性对平均皮肤温度也产生一定的影响;被内温度与假人平均皮肤温度变化趋势一致,二者均可以用于评价被服的热舒适性;被内湿度与被子的透气性、面料结构等有关;纱布被因其良好的透气性而在多种环境条件下具有较好的舒适性。研究结果提供了评价被服系统热湿舒适性的有效方法,并为不同睡眠环境中被子产品的选择提供参考。
关键词:被服系统;热湿舒适性;平均皮肤温度;被内温度;被内湿度
中图分类号:TS941.75 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)05-0097-08
收稿日期:20230922 网络出版日期:20231216
基金项目:江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目(21KJA540004);苏州市科技计划项目(SS202147)
作者简介:张露杨(1998—),女,山东日照人,硕士研究生,主要从事服装舒适性方面的研究。
通信作者:卢业虎,E-mail:yhlu@suda.edu.cn
良好的睡眠是维持人体健康的重要基础[1]。现代社会中,人们的生活节奏不断加快,各种睡眠障碍随之产生,睡眠质量问题亟待解决[2]。热环境是影响人们睡眠质量的重要因素[3],包括外界环境和被服系统微气候两种环境,其中被服系统微气候对睡眠热舒适有更显著的影响[4-5]。因此,建立有效的方法对被服系统热湿舒适性进行评价,可以为不同环境条件下被子的选择提供科学依据,对保障人们的睡眠质量具有重要的作用。
目前,被服系统热湿舒适性的实验研究主要通过真人生理实验与被服隔热性能测试开展[6]。在真人睡眠生理实验中,皮肤温度、皮肤湿润度[7]以及心率变异性[8]等直接测量指标均可以反映人体睡眠热舒适水平。睡姿和压力等间接测量指标也可以用于评价热舒适性[9],虽然这类方法避免了直接测量中因皮肤佩戴传感器对舒适性评价可能造成的干扰,但也存在准确性较低的缺陷。另一方面,研究者们通过暖体假人对被服系统热阻进行测试,进一步建立被服舒适性预测模型,通过模型分析被服系统在不同条件下的热舒适性[10-11]。借助暖体假人进行被服隔热性能测试,可重复性较强,避免了真人生理实验中可能出现的安全问题,但没有考虑人体代谢产热等因素,无法直接反映人体在长时间睡眠过程中的舒适性。
本文在现有的被服舒适性实验研究基础上,建立一种被服动态热湿舒适性的实验方法,借助出汗暖体假人来模拟人体睡眠状态,对假人的皮肤温度及被服系统内微环境的湿度和温度进行监测,并对不同面料的6种被子进行实验,通过对被服系统的动态热湿舒适性进行评价与比较,探究被子样品的热阻、透气性等参数对热湿舒适性指标的影响。研究结果将用于指导不同睡眠环境中被子产品的选择,并为被服系统热湿舒适性的测评提供参考。
1 实验
1.1 试验材料
根据产品材质和使用季节等因素,本文选择纱布被、纱布夹棉被、棉被、蚕丝被、羽绒被和化纤被6种样品,开展出汗暖体假人睡眠模拟实验,比较不同环境下被服系统的动态热湿舒适性。样品的热阻、面密度和透气性等参数如表1所示。
1.2 试验流程
采用人工气候室(日本ESPEC)设定4种环境条件,分别模拟夏季空调房環境、夏季高温环境、冬季暖气房环境、季节交替时夜间温度变化环境。4种环境的具体条件及每种条件下进行测试的样品如表2所示。
待气候室内环境达到稳态后,采用Newton出汗暖体假人(美国西北测试公司)进行睡眠实验。首先,选用1.5 m×2.0 m普通弹簧床垫、聚酯纤维填充枕头及纯棉床单与被套,暖体假人穿着薄棉针织长袖和针织长裤,平躺在床垫上,双手置于身体两侧;其次,将MSR145温湿度传感器(瑞士MSR)固定至暖体假人前胸外侧、腹部外侧、上臂内侧、手部、大腿内侧、小腿内侧6个位置,使传感器探头悬空,不接触暖体假人,采集被内微环境温度、湿度,如图1所示;再次,将被子样品完全覆盖假人头部以下的部分;最后,使用控制软件ThermDAC设置暖体假人在恒定功率模式下(40 W/m2)运行,保持与人体睡眠的平均代谢率一致。考虑人体睡眠时皮肤的无感蒸发散热,在环境条件Ⅰ和Ⅲ下,设置假人出汗率为10 mL/(m2·h),环境条件Ⅱ和Ⅳ下,设置假人出汗率为20 mL/(m2·h)。在测试前,将出汗暖体假人各区段皮肤温度均平衡至32.5 ℃。
在环境条件Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中进行的试验持续90 min,在环境条件Ⅳ中进行的试验持续4 h。通过ThermDAC软件和MSR145温湿度传感器每分钟分别记录暖体假人皮肤温度和被内温度、湿度。
1.3 评价指标
1.3.1 平均皮肤温度
Newton出汗暖体假人身高170 cm,体表面积为1.697 m2,全身34个区段分布如图2所示。其中20、23两个区段在假人平躺测试状态下不运行。基于ThermDAC软件输出假人剩余32个区段的皮肤温度,按每个区段对应的体表面积计算加权平均值,得到平均皮肤温度。
1.3.2 被内温湿度
分别计算MSR145温湿度传感器在6个位置所采集的温度和湿度的平均值,得到被内温度和湿度。
2 结果与讨论
2.1 平均皮肤温度
人体睡眠時保持热舒适的平均皮肤温度范围为32.5~35.7 ℃[12-13]。不同环境下平均皮肤温度随时间的变化如图3所示。在夏季空调房环境下,平均皮肤温度随时间的变化如图3(a)所示。从图3(a)中可以看出,在25 ℃夏季空调房环境下,不覆盖任何被子时,假人平均皮肤温度为31.5 ℃,低于舒适温度,体感偏凉。使用纱布被和蚕丝被时,在90 min内,假人平均皮肤温度稳定在32.7~32.8 ℃之间,略高于舒适温度的下限,可以获得凉爽的睡眠舒适性;使用纱布夹棉被时,平均皮肤温度上升后逐渐稳定在33.5 ℃,体感舒适;使用化纤被时假人平均皮肤温度持续上升至34.6 ℃,90 min时仍有明显上升趋势。可见,所覆盖被子热阻越大,被服系统对假人与外界环境之间热传递的阻隔越强,假人平均皮肤温度越高,与真人睡眠实验中平均皮肤温度的变化规律一致[14]。总体而言,在夏季空调房环境中,使用热阻较低的纱布被、蚕丝被与纱布夹棉被较为适宜。
由图3(b)可知,在30 ℃夏季高温环境下,使用4种被子时假人平均皮肤温度均持续增加。在90 min时,使用纱布被时假人平均皮肤温度最低(34.9 ℃),使用化纤被时假人平均皮肤温度最高(36.7 ℃)。使用纱布被时,90 min内平均皮肤温度仍然处于舒适温度范围内,而使用其他被子时,平均皮肤温度逼近或超出舒适温度范围上限,体感较热。总体而言,在夏季高温环境下,假人平均皮肤温度与被子热阻呈正相关。纱布被与蚕丝被的热阻值接近,皮肤温度却相差0.7 ℃,与夏季空调房环境下的趋势不同,这主要是由于纱布被具有良好的透气性,有利于蒸发散热,从而降低了假人平均皮肤温度。因此,在夏季高温环境中,使用热阻较低且透气性较好的纱布被最为合适。
在冬季暖气房中,平均皮肤温度随时间的变化如图3(c)所示。由图3(c)可以看出,在20 ℃冬季暖气房环境下,使用化纤被和棉被时,平均皮肤温度逐渐下降并稳定在31.6 ℃,体感微凉;使用羽绒被和纱布夹棉被时,平均皮肤温度持续下降,最终皮肤温度分别为30.8 ℃和30.5 ℃,人体将产生冷感。相对而言,热阻较高的化纤被和棉被在冬季暖气房环境中使用较为合适。
从图3(d)中可以看出,在温度逐渐下降的动态环境下,使用纱布被、蚕丝被、纱布夹棉被、化纤被时假人平均皮肤温度先上升后逐渐下降,最终温度分别为29.5、30.8、31.6、32.7 ℃。使用4种被子时,假人的平均皮肤温度与4种被子热阻值的大小规律一致,可知温度较低时人体的平均皮肤温度与被子的热阻紧密相关。当环境温度降低至20 ℃时,仅当使用化纤被时,假人的平均皮肤温度高于舒适温度下限,仍处于舒适范围;使用纱布夹棉被时,人体平均皮肤温度略低于舒适温度,体感偏凉;使用蚕丝被和纱布被时,人体平均皮肤温度低于31 ℃,体感较冷。此外,平均皮肤温度开始下降的先后排序为:化纤被、纱布夹棉被、蚕丝被、纱布被(后两者基本相同)。当环境温度由26 ℃降至24 ℃过程中,使用纱布被时的平均皮肤温度下降至32.5 ℃以下;而当环境温度由24 ℃降低至22 ℃时,使用蚕丝被时的平均皮肤温度下降至32.5 ℃以下;当环境温度由22 ℃降低至20 ℃时,使用纱布夹棉被时的平均皮肤温度下降至32.5 ℃以下。由此可见,在温度逐渐下降的环境中,使用保暖性能较好的化纤被最为合适。
2.2 被内温度
不同环境下被内温度随时间的变化如图4所示。在夏季空调房环境下,被内温度随时间的变化如图4(a)所示。由图4(a)可知,在25 ℃夏季空调房环境下,不覆盖任何被子时,被服系统微环境温度为26.8 ℃左右。使用纱布被、纱布夹棉被、蚕丝被和化纤被时的被内温度分别为32.1、32.6、31.5 ℃和33.6 ℃,与平均皮肤温度的变化趋势基本一致,二者的温度差异为0.7~1.2 ℃。
夏季高温时,被内温度随时间的变化如图4(b)所示。从图4(b)中可以看出,在30℃夏季高温环境下,纱布被、蚕丝被、纱布夹棉被、化纤被的被内平均温度分别为34.4、35.2、35.3、36.0 ℃,与平均皮肤温度差异为0.4~0.7 ℃,被内温度和平均皮肤温度的变化趋势类似。值得注意的是,在夏季高温环境下,在实验初期,因人体与环境温差仅为2.5 ℃,被子干态散热占比较小,而蒸发散热成为最主要的散热方式,由于纱布被具有良好的透气性能,有利于汗液蒸发散热,平均皮肤温度和被内温度均比蚕丝被低,使得纱布被比蚕丝被表现出更好的热湿舒适性。
蚕丝被热阻虽然明显低于纱布夹棉被,但二者平均皮肤温度和被内温度的差异很小,这也与纱布夹棉被具有较好的透气性有关。
在冬季暖气房中,被内温度随时间的变化如图4(c)所示。夏季高温时由图4(c)可以看出,在20 ℃冬季暖气房环境下,羽绒被、纱布夹棉被、棉被、化纤被的被内平均温度分别为29.7、29.5、30.2、30.4 ℃,与平均皮肤温度差异为1.0~1.4 ℃,该差值较之夏季空调房和夏季高温环境有所上升,可见环境温度越低,平均皮肤温度与被内温度的差值越大。
季节交替变化时,被内温度随时间的变化如图4(d)所示。由图4(d)可知,在温度逐渐下降的动态环境下,平均皮肤温度和被内温度的变化趋势同样具有非常好的一致性,使用纱布被、蚕丝被、纱布夹棉被、化纤被4种被子时,被内温度先上升后逐渐下降,最终温度分别为28.4、29.6、30.0、31.6 ℃,与平均皮肤温度的差值为1.1~1.6 ℃,与冬季暖气房条件下的差值接近。
2.3 被内湿度
人體感到舒适的微气候相对湿度范围为(50±10)%[15]。图5示出不同环境下被内湿度随时间的变化。夏季空调房中,被内湿度随时间的变化如图5(a)所示。由图5(a)可知,在25 ℃夏季空调房环境下,使用纱布被时被内湿度为58.1%,蚕丝被、纱布夹棉被和化纤被的被内湿度分别为60.3%、60.1%、62.5%,均在舒适范围附近。相较而言,纱布被和纱布夹棉被的被内湿度低,化纤被的被内湿度较高,这与被子的透气性有关。
夏季高温时,被内湿度随时间的变化如图5(b)所示。由图5(b)可知,在30 ℃夏季高温环境下,被内相对湿度为74.1%~78.8%,均超出舒适范围,即在夏季高温高湿环境下,覆盖几种被子样品时人体产生的汗液不能及时散发至环境中。
由图5(c)可知,在20 ℃冬季暖气房环境下,羽绒被、纱布夹棉被、棉被、化纤被的被内湿度分别为57.2%、46.5%、59.5%、56.0%,纱布夹棉被具有良好的透气性,被内湿度最低;羽绒被热阻低于化纤被,但受其面料防钻绒处理的影响,被内湿度较高;棉被具有致密的组织结构,相对湿度偏高,但整体均在舒适范围内。总体来说,在冬季暖气房内,被子的热湿舒适性与其热阻呈正相关,纱布夹棉被透气性较好,有利于湿气散热,不会在被内集聚,而其他被子长期使用会导致湿气集聚在被内,影响被子的保暖效果。
季节交替变化时,被内湿度随时间的变化如图5(d)所示。从图5(d)中可以看出:在温度逐渐下降的动态环境下,使用纱布被、蚕丝被、纱布夹棉被和化纤被时的被内湿度逐渐上升,化纤被的起始和最终湿度最高,达到70%;而纱布被、蚕丝被、纱布夹棉被的湿度相近,分别为65.5%、66.7%、66.8%,即所有被子的被内湿度均超过舒适范围,其中透气性较好的纱布被内湿度低于其他几种被子样品。
3 结论
本文建立了一种通过出汗暖体假人对被服系统热湿舒适性进行测评的实验方法,并以6种被子产品为代表,对被服系统的动态热湿舒适性进行评价,得到以下结论:
a)假人平均皮肤温度与所覆盖被子的热阻密切相关,同时受到被子透气性的影响。当环境温度较低时,被子热阻越大,使用时人体平均皮肤温度越高。
b)在相同环境条件下,使用某种被子时的被内温度与假人平均皮肤温度变化趋势一致,环境温度越低,二者的差值越大。两个指标均可以用于反映被子的热舒适性。
c)在不同环境条件下,使用某种被子时的被内湿度与被子的透气性、面料结构等有关。使用透气性较好的被子时,被内湿度较低。
d)被服系统的热湿舒适性可根据平均皮肤温度、被内温度、被内湿度进行评价,所述指标与被子的热阻、透气性均相关。为使人体保持良好的热湿舒适性,在25 ℃夏季空调房环境下,应使用热阻较低的被子产品;在30 ℃夏季高温环境下,应使用热阻低、透气性较好的被子产品,有利于被服系统蒸发散热;在20 ℃冬季暖气房环境和温度逐渐下降的动态环境中,应使用热阻高的被子产品,以实现良好的保暖效果。透气性较好的纱布被具有良好的环境适应性,在多种环境条件下表现出较好的舒适性。
参考文献:
[1]谌宏玥, 毛芳香, 韩静, 等. 睡眠质量、运动量、时型与大学生健康的关系研究[J].中国健康教育, 2023, 39(8): 697-703.
SHEN Hongyue, MAO Fangxiang. HAN Jing, et al. The relationships of sleep quality, physical activity, chronotype and health status among college students[J]. Chinese Journal of Health Education, 2023, 39(8): 697-703.
[2]陈晓伟. 基于脑电的自动睡眠分期[D]. 南京: 南京邮电大学, 2014: 1-2.
CHEN Xiaowei. Automatic Sleep Staging Based on EEG[D]. Nanjing: Nanjing University of Posts and Telecom-munications, 2014: 1-2.
[3]朱旻琳, 欧阳沁, 朱颖心, 等. 偏热环境下睡眠热舒适研究综述[J]. 暖通空调, 2017, 47(10): 35-44.
ZHU Minlin, OUYANG Qin, ZHU Yingxin, et al. Review on sleep thermal comfort research in hot environment[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2017, 47(10): 35-44.
[4]WANG Y Y, LIU Y F, SONG C, et al. Appropriate indoor operative temperature and bedding micro climate temperature that satisfies the requirements of sleep thermal comfort[J]. Building and Environment, 2015, 92: 20-29.
[5]SONG C, LIU Y F, ZHOU X J, et al. Temperature field of bed climate and thermal comfort assessment based on local thermal sensations[J]. Building and Environment, 2016, 95: 381-390.
[6]江舒, 李俊. 嬰儿被服热舒适性研究进展[J]. 纺织学报, 2022, 43(8): 189-196.
JIANG Shu, LI Jun. Research progress on thermal comfort of infant bedding[J]. Journal of Textile Research, 2022, 43(8): 189-196.
[7]茅艳. 人体热舒适气候适应性研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2007: 31.
MAO Yan. Study on Climate Adaptability of Human Beings to Thermal Comfort in China[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2007: 31.
[8]LIU W W, LIAN Z W, LIU Y M. Heart rate variability at different thermal comfort levels[J]. European Journal of Applied Physiology, 2008, 103(3): 361-366.
[9]刘玉萍, 卢业虎, 王来力. 被服系统热舒适性研究进展[J]. 纺织学报, 2020, 41(1): 190-196.
LIU Yuping, LU Yehu, WANG Laili. Research progress on thermal comfort of bedding system[J]. Journal of Textile Research, 2020, 41(1): 190-196.
[10]刘玉萍. 被服系统舒适温标的建立及影响因素分析[D]. 苏州: 苏州大学, 2020: 14-16.
LIU Yuping. The Development of Comfort Temperature for Bedding System and Analysis of Influencing Factors[D]. Suzhou: Soochow University, 2020: 14-16.
[11]黄敏华, 郝小礼, 张开通, 等. 睡眠过程中不同被子组合的热阻[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2020, 35(4): 32-37.
HUANG Minhua, HAO Xiaoli, ZHANG Kaitong, et al. The heat resistance of different quilt combinations during sleep[J]. Journal of Hunan University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2020, 35(4): 32-37.
[12]周浩. 人体皮肤温度影响因素实验研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2013: 48-50.
ZHOU Hao. Experimental Study on the Influence Factors of Human Skin Temperature[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2013: 48-50.
[13]张腾. 严寒地区火炕农宅冬季睡眠环境热舒适现场研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018: 38-42.
ZHANG Teng. Field Study of Thermal Comfort in Sleeping Environment in Winter at Rural Houses with Kang in Severe Cold Region[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018: 38-42.
[14]潘梦娇, 卢业虎, 王敏. 基于四节点体温调节模型的睡眠系统舒适性预测[J]. 纺织学报, 2021, 42(9): 150-155.
PAN Mengjiao, LU Yehu, WANG Min. Prediction of thermal comfort for bedding system based on four-node thermoregulation model[J]. Journal of Textile Research, 2021, 42(9): 150-155.
[15]陈梅珍. 卧具用纺织品热湿传递性能和手感对睡眠舒适性的影响[D]. 上海: 东华大学, 2017: 22.
CHEN Meizhen. Effects of Thermal and Moisture Transfer Performance and Feel on Sleep Comfort of Bedding[D]. Shanghai: Donghua University, 2017: 22.
Dynamic thermal and moisture comfort of the bedding system in different conditions
ZHANG Luyang1, SONG Haibo2, MENG Jing1, SHI Tingting2, LU Yehu1
(1.College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China; 2.Shenzhen Purcotton Technology Co., Ltd., Shenzhen 518110, China)
Abstract: Thermal environment is an important factor affecting people's sleep quality, including the external environment and microclimate of the bedding system. Among them, the microclimate of the bedding system has a more significant impact on sleep thermal comfort. In order to evaluate thermal and moisture comfort of quilts, a subjective evaluation method by sweating thermal manikin was developed. A subjective evaluation method based on the metabolic heat production sweating of a thermal manikin was established. There are six quilt samples in different materials. The newly developed evaluation method was used to evaluating these samples in four environmental conditions constructed by climate chamber. Three indices including sweating thermal manikins' mean skin temperature, internal air temperature and relative humidity of quilts' microclimate were measured. The comfort property of quilt samples in different conditions was analyzed and compared.
The thermal manikin's mean skin temperature changed over time. The thermal manikin's mean skin temperature was within comfortable range when covered by all four types of quilts in summer air-conditioned room. At the end of the test, the thermal manikin's mean skin temperature was steady when it was covered by gauze quilts, silk quilts and padded gauze quilts, indicating that these three types of quilts were more appropriate for this environmental condition. Under the condition of summer high temperature, the thermal manikin's mean skin temperature was within a comfortable range only when it was covered by gauze quilts. In winter heated room, the mean skin temperature was comfortable when it was covered by cotton quilts and chemical fiber quilts, ending up in 31.6 ℃. The chemical fiber quilt was the most suitable one for season alternating condition. It was also found that the thermal manikin's mean skin temperature was higher when it was covered by quilt samples of higher thermal insulation. As for internal air temperature of quilts' microclimate, its change trend was similar to that of the thermal manikin's mean skin temperature. The value difference between internal air temperature of quilts' microclimate and the thermal manikin's mean skin temperature was bigger environmental temperature was lower. The internal relative humidity of quilts' microclimate also changed over time. It was around comfortable range for all samples in summer air-conditioned room and winter heated room, and out of comfortable range in summer high-temperature condition and seasons alternating condition. Under all of the four test environmental conditions, internal relative humidity of quilts' microclimate is lowest when the thermal manikin was covered by gauze quilt, which was related to air permeability of quilt samples.
The sweating thermal manikin's mean skin temperature during sleep varies with different quilts samples and environmental conditions. It is closely related to the thermal insulation of quilts and also affected by the air permeability of quilts under a high temperature condition. The change trend between internal air temperature of quilts' microclimate and the thermal manikin's mean skin temperature is similar in same condition, demonstrating that both indices can characterize thermal property of quilts. Internal relative humidity of quilts' microclimate is relative to air permeability and fabric structure. The thermal and moisture comfort of quilts is related to their thermal insulation and air permeability. Gauze quilts perform good thermal and moisture comfort property in several conditions because of their good air permeability.
Keywords: bedding system; thermal and moisture comfort; mean skin temperature; internal temperature of quilts' microclimate; internal relative humidity of quilts' microclimate