座椅的熱舒適性及其評(píng)價(jià)方法的探討

趙 鶴，林金國(guó)，李吉慶

（福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002）

人類在一天當(dāng)中主要有坐、躺、站三個(gè)行為，而坐著的時(shí)間占有相當(dāng)大的比例，作為坐姿活動(dòng)的必要家具，座椅的舒適程度極大地影響著人們的工作和生活質(zhì)量。座椅和身體緊貼部位的悶熱問(wèn)題是座椅舒適性評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要的影響因素，皮膚的呼吸功能在很大程度上受座椅的散熱性能影響，如果座椅溫濕度與人體的生理機(jī)能適應(yīng)不良就會(huì)影響人的熱舒適性，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引起疲勞產(chǎn)生，嚴(yán)重的還會(huì)使皮膚患上疾病[1,2]。這個(gè)問(wèn)題在夏季表現(xiàn)的尤為突出，從健康舒適的角度來(lái)看，研究座椅熱舒適性是十分必要的。座椅舒適性的科學(xué)評(píng)價(jià)可為坐具的設(shè)計(jì)與制造提供十分重要的理論依據(jù)，因此如何設(shè)計(jì)出具有良好熱舒適性的座椅，正成為家具、汽車、航天等領(lǐng)域的熱門課題。

座椅的舒適性是指人體對(duì)座椅的軟、硬、角度和溫濕度等的滿意程度，包括生理舒適和心理舒適；其中，人體對(duì)環(huán)境溫濕度的滿意程度通常用熱舒適性來(lái)表示。西方的一些學(xué)者很早就已經(jīng)開始對(duì)座椅舒適性展開了研究，如Thakurta等[3]對(duì)于汽車座椅的長(zhǎng)期和短期舒適性進(jìn)行了研究，M.Kolich等[4]建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模型來(lái)預(yù)測(cè)汽車座椅的舒適性，Oudenhuijzen等[5]對(duì)座椅的壓力分布和舒適性的關(guān)系進(jìn)行了研究。我國(guó)在座椅舒適性方面的研究雖然起步較晚，但是也取得了一定進(jìn)展，如南京林業(yè)大學(xué)陸劍雄等[6]運(yùn)用人體解剖學(xué)原理，結(jié)合坐姿行為的分析，總結(jié)了座椅設(shè)計(jì)的基本原則，為座椅設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。但對(duì)于座椅的熱舒適性方面的研究相對(duì)較少，且多數(shù)為定性研究。

1 溫濕度條件對(duì)人體舒適性的影響

座椅的熱舒適性是溫濕度條件共同作用的結(jié)果，人體的溫濕度舒適性受到皮膚表面汗液蒸發(fā)程度的影響，通過(guò)汗液的蒸發(fā)調(diào)節(jié)人體的能量代謝。當(dāng)環(huán)境溫度較低（20℃～23℃）時(shí)，皮膚通過(guò)汗液蒸發(fā)來(lái)降低身體溫度的作用不大，但此時(shí)依然有氣態(tài)水分從皮膚表面不間斷的蒸發(fā)（被稱作無(wú)感蒸發(fā)），人體皮膚表面每小時(shí)的無(wú)感蒸發(fā)汗量大約為30～80g；而當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，人體的熱平衡更多地依靠皮膚表面汗液的蒸發(fā)來(lái)調(diào)節(jié)，此時(shí)如果環(huán)境中的相對(duì)濕度增加，人體皮膚表面的汗液排出量并無(wú)太大變化，但皮膚表面的蒸汽壓力與空氣的壓力差減少，導(dǎo)致人體皮膚表面的汗液不能順利蒸發(fā)，通過(guò)汗液蒸發(fā)帶走的熱量減少，從而影響人體的熱舒適性[7]。不管是處于舒適溫度還是高溫環(huán)境中，人們想獲得良好的熱舒適感，就要讓人體皮膚表面的汗液順利地排出。人體皮膚總面積約為1.6～2m2，當(dāng)人坐在汽車座椅上，并處于靠在座椅靠背上的坐姿時(shí)，和座墊接觸的皮膚面積約占總面積的一半，此時(shí)座椅上與人接觸的部分相當(dāng)于給人體穿上的又一層衣服，只有座椅材料具有良好的導(dǎo)熱、透氣和透濕性能，才能保證人體的汗液順利地穿透它，給人以良好的熱舒適性[8]。

早在20世紀(jì)初，國(guó)外就開始有學(xué)者對(duì)人體的生理熱舒適開展研究，探討了滿足人體舒適性的熱環(huán)境，但尚未把研究結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。到20世紀(jì)中期，人體熱舒適方面的研究受到了人們的廣泛重視，開始認(rèn)識(shí)到建筑的通風(fēng)狀況和空氣調(diào)節(jié)對(duì)于人體熱舒適的重要影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞環(huán)境溫濕度對(duì)人體熱舒適度的影響做了大量的研究工作。法國(guó)Diavia公司研究得出結(jié)論，能夠保證人體與環(huán)境的最佳熱平衡的車內(nèi)環(huán)境為車內(nèi)空氣流速≤0.2～0.25m?s-1，干球溫度23～27℃，相對(duì)濕度35%～65%[9]。我國(guó)對(duì)熱舒適性的研究起步較晚，從20世紀(jì)末期才開始人體熱舒適的理論研究，有研究表明人體的皮膚表面溫度為32℃，內(nèi)部平均溫度為37℃[10]，人體和材料接觸所產(chǎn)生的溫冷感，主要來(lái)自人體與材料接觸的部位和周圍環(huán)境所產(chǎn)生的溫差，當(dāng)外界溫度比皮膚表面的溫度高0.4℃或者低0.15℃時(shí)，人體即會(huì)產(chǎn)生溫暖感，人體既不感到暖也不感到冷時(shí)的溫度被稱作生理零度，此時(shí)的溫度一般為人體皮膚的表面溫度，即32℃左右[11]。

2 座椅材料的熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

導(dǎo)熱性、透濕性和透氣性是衡量材料熱舒適性的重要熱物理指標(biāo)，因此研究座椅材料的熱舒適性應(yīng)從這三個(gè)方面入手。

2.1 導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來(lái)表示，是衡量座椅材料表面冷暖感的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。熱導(dǎo)率與材料的含水率、密度、結(jié)構(gòu)和組成等因素有關(guān)。在溫度較高的夏季，人們常常不愿坐在海綿沙發(fā)上，而是喜歡使用竹木座椅，溫度較低的冬天則正好相反，正是因?yàn)楹＞d的導(dǎo)熱性差，而竹木材的熱導(dǎo)率較好。因此，應(yīng)該針對(duì)不同的熱環(huán)境來(lái)選擇相應(yīng)的座椅材料以保證人體的熱舒適性。

日本學(xué)者圍繞材料的熱舒適性和木質(zhì)環(huán)境學(xué)做了較多研究。原田康裕[12]等通過(guò)記錄測(cè)試者直接用手接觸實(shí)驗(yàn)材料表面的冷暖感得出結(jié)論，隨著材料熱導(dǎo)率的對(duì)數(shù)值和人手與材料接觸面的熱流量的增大，溫冷感減小?；拇円坏萚13]測(cè)定了表面用厚度為0.2-6mm單板覆蓋的聚苯乙烯泡沫、金屬、石材和水泥等材料的冷暖感，發(fā)現(xiàn)表面覆蓋的單板越薄，下面基材的熱導(dǎo)率對(duì)冷暖感影響較大，直到當(dāng)覆蓋單板的厚度達(dá)到6mm時(shí)，下面基材對(duì)冷暖感影響幾乎為零。大熊等人用丙烯酸清漆分別對(duì)10mm和20mm厚的日本柳杉徑切板進(jìn)行多次涂刷，結(jié)果表明：只有當(dāng)涂層厚度達(dá)到40～50μm時(shí)，涂飾前后的冷暖感才有差別[14]。岡島達(dá)雄等[15]認(rèn)為木材給人的冷暖感主要受到環(huán)境的溫度變化、熱空氣流動(dòng)的速度以及皮膚與材料界面之間的表面構(gòu)造的影響，也就是受到材料的熱導(dǎo)率的影響。鈴木正冶測(cè)定了人手與多種材料接觸的熱移動(dòng)量，研究表明：木材以及木質(zhì)人造板等生物質(zhì)材料的熱導(dǎo)率和熱移動(dòng)量要比玻璃、鋼板、鉛板等材料低很多，給人體以較為舒適的溫冷感，是非常理想的室內(nèi)裝飾與家具用材[16]。

我國(guó)臺(tái)灣學(xué)者王松永[17]等在幾種裝修材料不同的地板上，測(cè)定了測(cè)試者赤腳接觸地板時(shí)腳跟、小腿、膝蓋部位溫度及人的冷暖感的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：地板材料的熱導(dǎo)率和比重的對(duì)數(shù)值越大，溫冷感越小，熱導(dǎo)率小的輕木等觸覺(jué)感受呈溫暖感，熱導(dǎo)率大的混凝土構(gòu)件則給人以涼冷的感覺(jué)。目前也有學(xué)者開始研發(fā)具有良好熱舒適性的座椅材料，如可以隨著環(huán)境的變化吸收、存儲(chǔ)和釋放能量的新型功能材料。張佳萌等[18]以液體石蠟作芯材合成了聚脲型相變微膠囊，直徑大約3.0μm，將其以涂層的方式涂布在紡織品表面，得到相變調(diào)溫紡織品，經(jīng)多次研究發(fā)現(xiàn)涂層率在7%～10%時(shí)，調(diào)節(jié)溫度的效果最佳，并且有較好的手感。

2.2 透濕性

透濕性是指水分穿過(guò)織物的揮發(fā)速率，是衡量織物轉(zhuǎn)移和分散人體皮膚表面汗液的能力，是座椅材料熱舒適性的又一重要的指標(biāo)，用水分在24小時(shí)內(nèi)透過(guò)每平方米材料的克數(shù)來(lái)表示，通常可遵循ASTM E398測(cè)定分析材料的透濕量和透濕系數(shù)。當(dāng)人體接觸座椅材料時(shí)，人體皮膚表面的汗液就會(huì)從座椅的近臀側(cè)向遠(yuǎn)臀側(cè)移動(dòng)，一般認(rèn)為人體表面的汗液通過(guò)座椅材料傳遞的方式有3種：一是座椅材料接觸高濕空氣的一側(cè)直接從空氣中吸收水分，水分子經(jīng)過(guò)材料纖維內(nèi)部向與低濕空氣接觸的另一側(cè)轉(zhuǎn)移；二是水分在材料纖維中的毛細(xì)管之間的傳遞；三是水氣直接從材料之間的空隙穿透至另一側(cè)，王元明等[8]認(rèn)為上述3種水分子移動(dòng)方式共同作用構(gòu)成了材料的透濕性，并且測(cè)量了聚氨酯泡沫、聚酯針織物、天然皮革、人造皮革和聚氨酯薄膜五種常用的座椅材料在21℃時(shí)的透濕性能，幾種材料的透濕性能：聚酯針織物﹥聚氨酯泡沫﹥?nèi)嗽炱じ铹兲烊黄じ铹兙郯滨ケ∧ぁ?/p>

2.3 透氣性

材料透氣性常以其透氣量來(lái)衡量。人體熱量通過(guò)空氣分子的流動(dòng)傳遞出去被稱為對(duì)流散熱，座椅材料的透氣性越好，空氣通過(guò)材料對(duì)流的速度越快，人體多余的熱量也就會(huì)較快速的擴(kuò)散和傳遞出去，從而減少座椅材料給人體的悶熱感。

金屬、竹材、木材、皮革、針織物、聚氨酯泡沫等多種材料均可以作為座椅材料，對(duì)于其中的聚氨酯泡沫塑料、皮革和織物幾種材料來(lái)說(shuō)，透氣性這個(gè)衡量指標(biāo)在熱舒適性評(píng)價(jià)時(shí)顯得尤為重要，材料的類型不同，選擇的透氣性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。對(duì)于多孔彈性高聚物材料（如，聚氨脂泡沫）可以參照ISO 4638和GB/T 10655-2003的空氣透過(guò)率的測(cè)定方法，對(duì)于紡織品可以參照ASTM D737和GB/T 5453中透氣度的測(cè)定方法，對(duì)于皮革制品可以按照GB/T 4689中規(guī)定的透氣度的試驗(yàn)方法[11,24]。

迄今為止，綜合考慮材料導(dǎo)熱性、透濕性和透氣性的研究很少，且為定性研究，李文琳[19]研究認(rèn)為，選擇毛織物面料作為座椅的蒙皮最適宜解決座椅的透氣性差的問(wèn)題，一般認(rèn)為選用聚氨脂泡沫做坐墊材料能較好的滿足透氣和散熱性能，不過(guò)透氣性能最好的材料是天然纖維。

3 座椅熱舒適性的評(píng)價(jià)方法

座椅舒適性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般有兩種方法：主觀測(cè)評(píng)和客觀評(píng)價(jià)[20]。

表1 Bedford熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)和ASHRAE熱感覺(jué)指標(biāo)PMV[1]

熱舒適性是指人們對(duì)溫濕度舒適性的主觀感受，主觀測(cè)評(píng)是指利用主觀評(píng)價(jià)表[21,22]，參照Bedford的熱舒適七級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和ASHRAE(美國(guó)供暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì))的七級(jí)熱感覺(jué)指標(biāo)(見表1)，要求測(cè)試者對(duì)座椅舒適性作主觀描述，再利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法加以分析，此種方法可對(duì)座椅的熱舒適性作出有效評(píng)價(jià)，但這種方法受到被測(cè)試者主觀因素的影響很大。

客觀評(píng)價(jià)是指借助人體與座椅接觸面壓力檢測(cè)系統(tǒng)等各種檢測(cè)系統(tǒng)[23]對(duì)于人的生理因素作出舒適度的評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)于坐具熱舒適性的評(píng)價(jià)方法做了大量的研究，有些學(xué)者甚至利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建模型進(jìn)行模擬。周敏等人在座椅的熱舒適性的評(píng)價(jià)方法中，使用探頭式溫濕度計(jì)測(cè)量與人體接觸的座椅部分的溫濕度，同時(shí)結(jié)合測(cè)試者的主觀感受，從而將主、客觀聯(lián)系起來(lái)綜合評(píng)價(jià)座椅的熱舒適性能[24]。劉卓夫等[25]從接觸面溫度特性模型中提取出了接觸面最終溫度、接觸面溫度的最大變化率和接觸面的平均溫度三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，據(jù)此建立了座椅舒適度客觀評(píng)價(jià)體系，利用評(píng)價(jià)體系對(duì)泡沫、壓模和木質(zhì)座椅三種材料的座椅進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明此評(píng)價(jià)體系具有一定的可靠性和實(shí)用性。陸蔚怡[2]研發(fā)了溫冷感測(cè)試裝置，此裝置由銅柱體與保溫層兩部分組成，利用溫冷感測(cè)試裝置來(lái)代替人類參與實(shí)驗(yàn)，既能節(jié)省人力、增加實(shí)驗(yàn)安全性，同時(shí)還可以減少因測(cè)試者生理、心里差異而帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，這種裝置可接受的試驗(yàn)條件廣泛，并可以進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)和多次重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、誤差小。陳昊等[7]對(duì)汽車座椅局部散熱除濕進(jìn)行了研究，應(yīng)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)原理，對(duì)座椅和人體接觸面溫濕度較高的問(wèn)題進(jìn)行分析，根據(jù)人體及汽車座椅的相關(guān)尺寸，建立座椅的計(jì)算模型，使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇k-E模型求解溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)，為方便快捷的對(duì)汽車座椅做出熱舒適性的評(píng)價(jià)提供重要的理論依據(jù)。美國(guó)西北測(cè)試技術(shù)公司，設(shè)計(jì)了ST-2舒適度測(cè)試系統(tǒng)，它是模擬人體重量對(duì)座椅壓縮而設(shè)計(jì)的，能夠快速檢測(cè)汽車座位材料的發(fā)熱和濕氣特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、質(zhì)量小和易攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

4 存在的問(wèn)題與展望

我國(guó)對(duì)于座椅的熱舒適性研究起步較晚、研究較少、多為定性研究，筆者認(rèn)為，座椅熱舒適性方面的研究還存在以下問(wèn)題，并提出研究展望。

（1）常用的坐具材料有木材、人造板、金屬、塑料、藤、竹、織物、皮革、海綿等，目前對(duì)于座椅用材熱舒適性的研究還不夠全面和系統(tǒng)。今后應(yīng)加強(qiáng)良好熱舒性的座面材料以及以座椅為基礎(chǔ)的新功能的研究開發(fā)。

（2）在過(guò)去學(xué)者的研究成果中，只有對(duì)于座椅的座墊熱舒適性的研究，對(duì)于靠背、扶手等的熱舒適性的研究鮮見。今后應(yīng)加強(qiáng)座椅整體熱舒適性的評(píng)價(jià)研究，建立較為全面的座椅熱舒適性分析模型，應(yīng)用CAD、CAE和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行座椅舒適性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)。

（3）溫度的舒適感常常與濕度緊密相連，前人的研究中很少有人將兩者結(jié)合起來(lái)研究。今后應(yīng)更注重溫度舒適性和濕度舒適性的綜合研究。

（4）我國(guó)地域廣闊，地區(qū)間的溫濕度存在很大的差異，如東北地區(qū)如哈爾濱的溫度較低、濕度較小，而南方地區(qū)如福州的溫度較高、濕度較大，這種溫濕度的差異對(duì)于正確評(píng)價(jià)熱舒適性有很大的影響，因此在對(duì)座椅進(jìn)行熱舒適性評(píng)價(jià)的時(shí)候要根據(jù)地域不同而區(qū)別對(duì)待，并注重地域差異性評(píng)價(jià)法與通用性評(píng)價(jià)相結(jié)合。

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