趙蒙蒙， 宋曉霞

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

通風(fēng)服裝對(duì)人體熱舒適的影響

趙蒙蒙1,2， 宋曉霞1

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

為研究高溫環(huán)境中降溫服裝對(duì)人體熱舒適的影響，通過出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)和真人著裝實(shí)驗(yàn)分別研究了通風(fēng)服的熱濕性能以及對(duì)人體熱舒適的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)通風(fēng)量為0.012 m3/s時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)的引進(jìn)使服裝的濕阻減小58%。男性受試者穿著通風(fēng)服在25 ℃、相對(duì)濕度50%的環(huán)境條件下運(yùn)動(dòng)，其局部皮膚溫度、平均皮膚溫度均比風(fēng)扇未打開時(shí)低；其中，胸部和腿部皮膚溫度降低幅度最為明顯;打開與關(guān)閉風(fēng)扇兩種實(shí)驗(yàn)條件下，受試者的局部皮膚溫度以及平均皮膚溫度有顯著性差異。運(yùn)動(dòng)20 min和休息20 min后，風(fēng)扇打開時(shí)的平均皮膚溫度比未打開時(shí)分別低2.4、0.9 ℃；研究表明該通風(fēng)服裝可用來作為改善人體熱舒適的服裝雛形。

通風(fēng)服裝； 濕阻； 熱舒適； 皮膚溫度

服裝通風(fēng)的概念最早由Crockford提出，指衣下微氣候與外界環(huán)境之間的空氣交換，實(shí)現(xiàn)皮膚表面與環(huán)境之間的熱量交換[1]。在20世紀(jì)80至90年代，采用通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)溫服開始應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，主要用于減小軍隊(duì)士兵遭受的高溫?zé)釕?yīng)激[2-3]。美國陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所是該領(lǐng)域的研究主力，通常采用出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)或者真人著裝實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比穿著調(diào)溫服后暖體假人散熱量以及人體核心溫度、皮膚溫度、熱濕感覺等指標(biāo)評(píng)價(jià)其對(duì)熱舒適的影響[4-7]。

在國內(nèi)，曾彥彰等[8]研發(fā)了一款帶有多個(gè)微型風(fēng)扇的通風(fēng)服，解決了風(fēng)扇體積過大的問題，改善了穿著和攜帶的便利性，并通過數(shù)值求解和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該通風(fēng)服的可行性。韓增旺等[9]使用出汗暖體假人，通過對(duì)比穿著通風(fēng)服前后假人皮膚表面溫度、衣內(nèi)濕度、輸出功率驗(yàn)證了通風(fēng)服對(duì)于調(diào)節(jié)人體熱舒適具有較好的應(yīng)用價(jià)值。李珩等[10]通過分析人體-通風(fēng)服-環(huán)境傳熱傳質(zhì)過程，建立了人體在全身通風(fēng)條件下的熱濕模型。

筆者前期研究了高溫條件下，穿著通風(fēng)服對(duì)人體熱生理的影響[11]。本文將在前期研究的基礎(chǔ)上，研究常溫條件下，通風(fēng)服對(duì)人體熱濕舒適的影響。研究結(jié)果將為高溫環(huán)境中個(gè)體降溫服裝的發(fā)展提供重要的理論指導(dǎo)意義。

1 通風(fēng)服裝

本文中的通風(fēng)服由通風(fēng)系統(tǒng)和服裝組成。通風(fēng)系統(tǒng)由2個(gè)小型風(fēng)扇、電源、電源連接線組成。電源裝置由4節(jié)AA電池組成。電池量滿載時(shí)可輸送0.012 m3/s的風(fēng)量。通過一個(gè)大小與風(fēng)扇吻合的塑料環(huán)將風(fēng)扇固定于服裝上。

服裝為滌棉斜紋梭織面料縫制的工裝短袖，衣身底擺為松緊帶束身款式，如圖1所示。通過在服裝內(nèi)側(cè)縫制貼袋，將電源裝置放置于衣服口袋內(nèi)。啟動(dòng)電源裝置上的開關(guān)按鈕可使風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 通風(fēng)服裝Fig.1 Ventilation clothing

通風(fēng)服主要通過對(duì)流和汗液蒸發(fā)2種方式提高人體散熱。通風(fēng)帶來的散熱量[4]可表示為

(1)

式中：Q為通風(fēng)散熱量，W；ρ為空氣密度，kg/m3;m為空氣質(zhì)量，kg；Ta和Ts分別為環(huán)境空氣和皮膚的溫度，℃；ha和hv分別為干態(tài)和濕態(tài)空氣的熱焓，kJ/kg;φa表示空氣的相對(duì)濕度，%。等式右邊2項(xiàng)分別代表汗液蒸發(fā)散熱和對(duì)流散熱。

2 研究方法

2.1 通風(fēng)服濕阻實(shí)驗(yàn)

通過在人工氣候室中，使用出汗暖體假人測(cè)量通風(fēng)服濕阻。氣候室的溫度和濕度分別設(shè)定為 34 ℃和60%，風(fēng)速V=0.4 m/s。

采用恒定皮膚溫度的測(cè)量模式，暖體假人表面的溫度設(shè)定為Tsk=Ta=34 ℃(Tsk為平均皮膚溫度)，根據(jù)下式計(jì)算通風(fēng)服的動(dòng)態(tài)濕阻[12]。

(2)

式中：Ret為濕阻，kPa·m2/W；Psk、Pa分別為織物皮膚和空氣的水蒸氣分壓，kPa;A為織物皮膚的表面積，為0.57 m2;λ為水的蒸發(fā)熱，W·h/g；dm/dt為汗液蒸發(fā)率，g/h。實(shí)驗(yàn)過程按照ASTM F2371-005《使用出汗暖體假人測(cè)量個(gè)體降溫服裝散熱率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》進(jìn)行。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算，風(fēng)扇未打開時(shí)服裝濕阻為0.017 3 kPa·m2/W，風(fēng)扇打開后服裝濕阻為0.007 3 kPa·m2/W，通風(fēng)系統(tǒng)的引進(jìn)使服裝濕阻減小了58%。

2.2 人體著裝實(shí)驗(yàn)

10名男性大學(xué)生作為受試者參與了此次的著裝實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在溫度25 ℃、相對(duì)溫度50%環(huán)境條件下進(jìn)行。受試者穿著通風(fēng)服在跑步機(jī)上以4 km/h的活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)20 min后休息 20 min。受試者穿著統(tǒng)一的齊膝運(yùn)動(dòng)短褲。使用3M醫(yī)用膠布將溫度傳感器(型號(hào)285-661, 英國歐時(shí)電子元件有限公司(RS)，精度±0.1 ℃)固定于受試者身體左部皮膚表面。測(cè)量的部位為人體左胸部(胸點(diǎn))、左背部(肩胛點(diǎn))、左手臂(上臂前部)以及左腿部(小腿肚)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中采用Labview軟件，測(cè)量并記錄受試者各局部皮膚溫度隨時(shí)間的變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 局部皮膚溫度

所有的受試者均順利完成了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。受試者胸部、背部、手臂以及小腿部的皮膚溫度隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 局部皮膚溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of local skin temperature in real time. (a) Chest temperature; (b) Back temperature; (c) Calf temprature; (d) Arm temperature

從圖2可看出，受試者穿著通風(fēng)服運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)扇打開與關(guān)閉2種實(shí)驗(yàn)條件下，受試者的局部部位皮膚溫度有明顯的降低。胸部皮膚溫度在運(yùn)動(dòng)的前25 min有明顯的降低。由于穿著運(yùn)動(dòng)短褲，小腿裸露在外，通風(fēng)過程中腿部皮膚溫度最低，在30 ℃左右。

3.2 平均皮膚溫度

根據(jù)公式(3)[13]，計(jì)算可得到受試者平均皮膚溫度Tsk。公式中，平均皮膚溫度Tsk根據(jù)胸部皮膚溫度Tchest、小腿肚皮膚溫度Tcalf以及手臂溫度Tarm確定，各部位皮膚溫度的加權(quán)系數(shù)分別為0.5、0.34以及0.16。

Tsk=0.50Tchest+0.34Tcalf+0.16Tarm

(3)

平均皮膚溫度的變化如圖3所示?？煽闯?，在風(fēng)扇未打開時(shí)，受試者由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)熱平均皮膚溫度不斷上升；運(yùn)動(dòng)20 min后，平均皮膚溫度達(dá)到33.4 ℃；之后，由于人體靜坐休息，平均皮膚溫度有所降低。然而，通風(fēng)系統(tǒng)的引進(jìn)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，受試者的平均皮膚溫度均明顯低于風(fēng)扇未打開時(shí)的平均皮膚溫度。運(yùn)動(dòng)20 min和休息20 min后，風(fēng)扇打開時(shí)的平均皮膚溫度比未打開時(shí)分別低2.4、0.9 ℃。

圖3 平均皮膚溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of mean skin temperature in real time

3.3 通風(fēng)與未通風(fēng)時(shí)皮膚溫度對(duì)比

通過SPSS19.0數(shù)據(jù)分析軟件，比較并分析通風(fēng)與關(guān)閉通風(fēng)裝置時(shí)2種實(shí)驗(yàn)條件下，受試者的皮膚溫度是否有顯著性差異。

采用雙側(cè)t檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)置為0.05，選擇運(yùn)動(dòng)20 min與休息20 min后各局部皮膚溫度、平均皮膚溫度等生理變量進(jìn)行分析，如表1所示?？煽闯?，受試者各局部皮膚溫度和平均皮膚溫度在風(fēng)扇打開與關(guān)閉2種實(shí)驗(yàn)條件下，均有顯著性差異(p<0.05)。由此可進(jìn)一步說明，通風(fēng)系統(tǒng)的引入，顯著地降低了受試者的熱生理溫度。

表1 打開與關(guān)閉風(fēng)扇時(shí)受試者皮膚溫度的對(duì)比Tab.1 Comparisons of skin temperatures between fans opened and closed conditions

在前期研究[11]中，在32 ℃、50%相對(duì)濕度的環(huán)境條件下，受試者穿著通風(fēng)服、以0.012 m3/s的通風(fēng)量運(yùn)動(dòng)30 min，平均皮膚溫度比風(fēng)扇未打開時(shí)低0.8 ℃;休息30 min后，平均皮膚溫度比風(fēng)扇未打開時(shí)低0.3 ℃。本文實(shí)驗(yàn)在常溫條件，受試者皮膚溫度也有顯著性降低。這說明在服裝中加入通風(fēng)系統(tǒng)能有效降低人體熱應(yīng)激，提高熱舒適性。

其次，本文中采用的通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)扇的直徑為10 cm。從人體工學(xué)角度來看，該風(fēng)扇尺寸稍大?？梢詤⒖嘉墨I(xiàn)[8，14]的研究，設(shè)計(jì)多個(gè)微型風(fēng)扇并合理配置與服裝中，以提高服裝的美觀性和功能性。

4 結(jié) 論

本文通過出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)扇打開后服裝濕阻的變化，并通過真人著裝實(shí)驗(yàn)測(cè)研究了通風(fēng)系統(tǒng)引進(jìn)后受試者局部皮膚溫度的變化。研究表明，微型通風(fēng)系統(tǒng)的引進(jìn)使服裝的濕阻減小了58%；受試者穿著通風(fēng)服運(yùn)動(dòng)和休息過程中，打開風(fēng)扇時(shí)，其局部和平均皮膚溫度均有顯著性降低。

[1] CROCKFORD G W, HELLON R F. Design and evaluation of a ventilated garment for use in temperatures up to 200 ℃ [J]. British Journal of Industrial Medicine, 1964, 21(3): 187-196.

[2] CHEN Y T, CONSTABLE S H, BOMALASKI S H. A lightweight ambient air-cooling unit for use in hazardous environments [J]. American Industrial Hygiene Association Journal, 1997, 58: 10-14

[3] MUZA S R, PIMENTAL N A, COSIMINI H M, et al. Portable, ambient air microclimate cooling in simulated desert and tropic conditions [J]. Aviation, Space, and Environmental Medicine, 1988, 59: 553-558.

[4] XU X, GONZALEZ J. Determination of the cooling capacity for body ventilation system [J]. European Journal of Applied Physiology, 2011, 111: 3155-3160.

[5] HADID A, YANOVICH R, ERLICH T, et al. Effect of a personal ambient ventilation system on physiological strain during heat stress wearing a ballistic vest [J]. European Journal of Applied Physiology, 2008, 104: 311-319.

[6] CHINEVERE T, CADARETTE B, GOODMAN D, et al. Efficacy of body ventilation system for reducing strain in warm and hot climates [J]. European Journal of Applied Physiology, 2008, 103: 307-314.

[7] GONZALEZ J A, BERGLUND L G, KOLKA M A, et al. Forced ventilation of protective garments for hot industries [C]// FAN J. 6th International Thermal Manikin and Modeling Meeting. Hongkong: The Hong Kong Polytechnic University, 2006: 165-169.

[8] 曾彥彰，鄧中山，劉靜. 基于微型風(fēng)扇陣列系統(tǒng)的人體降溫空調(diào)服[J]. 紡織學(xué)報(bào)，2007, 28(6): 100-105.

ZENG Yanzhang, DENG Zhongshan, LIU Jing. Micro-fan-array system enabled air conditioning suit for cooling human body [J]. Journal of the Textile Research, 2007, 28(6): 100-105.

[9] 韓增旺，唐世軍，賴軍. 換氣式降溫服的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究[J]. 防護(hù)裝備技術(shù)研究，2010(3): 11-14.

HAN Zengwang, TANG Shijun, LAI Jun.The experimental evaluation studies of circulating air cooling garment [J]. China Personal Protective Equipment, 2010(3): 11-14.

[10] 李珩，邱義芬，姜南，等. 通風(fēng)溫度對(duì)全身通風(fēng)服熱防護(hù)性能影響研究[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 2014, 27(3): 205-209.

LI Yan, QIU Yifen, JIANG Nan, et al. Effects of ventilation temperature on thermal protection performance of general ventilation garment[J]. Space Medicine and Medical Engineering, 2014, 27(3): 205-209.

[11] ZHAO M, GAO C, LI J, et al. Effects of two cooling garments on post-exercise thermal comfort of female subjects in the heat [J]. Fibers and Polymers, 2015, 16(6): 1403-1409.

[12] WANG F, GAO C, KUKLANE K, et al. Determination of clothing evaporative resistance on a sweating thermal manikin in an isothermal condition: heat loss method or mass loss method? [J]. Annals of Occupational Hygiene，2011，55(7): 775-783.

[13] COLIN, TIMBAL J, HOUDAS Y, et al. Computation of mean body temperature from rectal and skin temperatures [J]. Journal of Applied Physiology, 1971, 31: 484-489.

[14] SUN Y, JASPER W, DENHARTOG E A. Effects of air velocity, air gap thickness and configuration on heat transfer of a wearable convective cooling system [J]. Textile and Engineering, 2015, 5(6): 2-7.

Influenceofclothingadoptingventilationsystemonthermalcomfort

ZHAO Mengmeng1,2， SONG Xiaoxia1

(1.FashionCollege,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)

In order to investigate the effect of personal cooling clothing on human body thermal comfort, the influence of ventilation clothing on the evaporative resistance and thermal comfort were studied by sweating thermal manikin and human wear trials. It is found that when the ventilation rate is 0.012 m3/s the evaporative resistance of the clothing is reduced by 58%. The local skin temperatures and the mean skin temperature of the male subjects are much lower when the fans are turned on and the subjects exercised in an environment of 25 ℃ and 50% relative humidity, especially the chest and the calf skin temperatures. Significant difference of the local and mean skin temperatures are observed between the fans on/off conditions. After exercising for 20 min and resting for 20 min, the mean skin temperatures are reduced by 2.4 ℃ and 0.9 ℃, respectively, compared with the fans off condition. The ventilation clothing can be used as a prototype for the improvement of human body thermal comfort.

ventilation clothing; evaporative resistance; thermal comfort; skin temperature

TS 941.731

A

10.13475/j.fzxb.20170303004

2017-03-15

2017-06-22

現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華大學(xué))開放課題基金項(xiàng)目(2017NO.01)

趙蒙蒙(1985—)，女，講師，博士。研究方向?yàn)榉b工效學(xué)與生理學(xué)。E-mail: mengmengzhao@126.com。