服裝款式特征對人體局部傳熱性能的影響

張昭華， 倪 軍， 王文玲， 曾 戀， 胡青青， 韓依恬

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 同濟大學(xué) 上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院， 上海 200092； 3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

服裝樣板設(shè)計往往通過在人體的一些關(guān)鍵部位增加放寬松量，從而形成具有不同款式的著裝效果，然而人體是一個具有復(fù)雜曲面的立體構(gòu)造，肌肉與骨骼的隆起在人體體表形成不同的凹凸特征，使得人體與服裝間的真實空間呈現(xiàn)出復(fù)雜的非均勻分布特征[1-3]。人體與服裝間的衣下間隙不僅影響服裝的外觀廓型與活動工效性，還對人體與外環(huán)境間的熱濕傳遞發(fā)揮作用，衣下間隙的非均勻分布會造成服裝局部傳熱性能的非均勻分布。已有學(xué)者關(guān)注衣下間隙與服裝熱防護間的關(guān)系，如Young Kim 等[4]采用三維人體掃描儀分別對裸體及穿著防護服后的火人進行掃描，用火人燃燒實驗分析體表燒傷等級的分布，從而研究了衣下間隙厚度與燒傷程度之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人體表面的燒傷嚴重程度隨衣下間隙厚度的減小而增加。Song[5]也應(yīng)用三維人體掃描儀測量了不同號型防火服的衣下間隙分布，建立了燒傷模型與衣下間隙間的關(guān)系，并使用數(shù)值模型預(yù)測達到最優(yōu)防火性能時皮膚-服裝間的衣下間隙厚度。Tannie Mah 等[6-7]通過三維人體掃描儀測量了女性燃燒假人與防護服之間的衣下間隙大小和分布，研究了女性防護服與男性防護服相比的熱防護性能，結(jié)果表明服裝的款式和合體性均影響防護性能，由于女性與男性體型的差異，女性的某些部位更易受到燒傷傷害。可見，衣下間隙對服裝的局部熱防護性能有重要影響，為了兼顧服裝活動工效性與傳熱性的雙重要求，只有設(shè)計合理的衣下間隙量才能達到最佳的安全防護性能與活動適應(yīng)性。

為將服裝舒適合體的工效要求體現(xiàn)在服裝熱功能產(chǎn)品的設(shè)計上，需要定量精準(zhǔn)地測量衣下間隙物理性狀及服裝外表面溫度分布。在前期研究[1]量化了服裝款式對衣下間隙分布影響的基礎(chǔ)上，本文研究應(yīng)用紅外熱像儀對服裝外表面溫度分布進行無干擾高精度探測，實現(xiàn)對服裝局部熱傳遞性能評價的創(chuàng)新方法，探究服裝款式設(shè)計與服裝局部傳熱性能之間的關(guān)系。

1 實驗部分

1.1 實驗服裝

實驗采用同種平紋本白棉布(織物厚度為0.21 mm，面密度為113.0 g/m2，經(jīng)、緯密分別為264、282根/(10 cm)，透氣率為347.6 mm/s，懸垂系數(shù)為78.25%)，制作不同款式的3件女式襯衫。其中H型襯衫的胸圍、腰圍與臀圍尺寸相同，外觀廓型呈現(xiàn)字母H型；A型襯衫是在H型襯衫的基礎(chǔ)上，通過增加腰圍與臀圍尺寸實現(xiàn)字母A的外觀廓型；而X型襯衫是在H型襯衫的基礎(chǔ)上，通過對腰部收省實現(xiàn)字母X的外觀廓型。3件女式襯衫只在腰圍與臀圍的廓型控制尺寸上存在差異，而其他部位尺寸保持一致，適合體型為160/84 A的女性穿著。實驗襯衫各部位的詳細尺寸如表1所示，款式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 實驗襯衫各部位尺寸Tab.1 Detailed specifications of experimental shirts

圖1 實驗襯衫的款式圖Fig.1 Style features of experimental shirts. (a) Style A; (b) Style H; (c) Style X

1.2 受試者選取

實驗挑選了7位年齡在20～22歲之間，身高為(159±3.1)cm、體重為(49.4±1.5)kg，體型構(gòu)造接近GB/T 1335.1—1997《中國女子服裝號型》中標(biāo)準(zhǔn)體健康女大學(xué)生作為受試者。應(yīng)用TC2NX-16三維人體掃描儀測量受試者的體型特征，結(jié)果見表2。實驗前，所有受試者簽署同意實驗意向書，并預(yù)先熟悉實驗流程及注意事項。

表2 受試者的身體尺寸Tab.2 Body specifications of participants

1.3 實驗儀器

實驗采用M7800非接觸式測溫儀器—紅外熱像儀(美國美光紅外有限公司) 測量人體皮膚與服裝外表面的溫度分布，其溫度分辨率高達0.06 ℃，測溫范圍在-40～500 ℃之間。所拍攝的紅外圖像使用儀器配套軟件MikroSpec 4進行溫度分析，該軟件可采用點、線、區(qū)域等測溫方式對所拍攝的紅外圖像進行分析，并得到測試范圍內(nèi)的最高、最低及平均溫度。

1.4 參考表面

參考表面是2塊尺寸為12 cm×12 cm的木板，其中一塊表面均勻涂抹黑色啞光漆，另一塊表面覆蓋一層鋁膜。2個熱電偶(Omega 36AWG)分別用膠帶固定在2個參考表面上，通過計算機每隔30 s采集1次表面溫度數(shù)據(jù)。黑色啞光表面所得到的溫度值用于校準(zhǔn)紅外熱像儀的測量溫度，而鋁膜表面所得到的溫度值用于校準(zhǔn)周圍環(huán)境的反射溫度。

1.5 測試方法

人工氣候室內(nèi)的溫度控制在(23±0.5)℃，相對濕度為(50±5)%，風(fēng)速小于0.5 m/s。每次實驗前，實驗服預(yù)先在氣候室內(nèi)懸掛12 h。人體站立位置與紅外熱像儀間的距離為3.6 m，為保證每次測量位置與人體姿勢的一致性，預(yù)先在地上畫好腳印以確定站立位置，并在身體兩側(cè)放置椅子幫助手臂保持握持角度(手臂抬起約30°)。為了保證測量精度，每件服裝均穿脫3次拍照，取其平均值。

受試者進入人工氣候室后首先靜坐休息30 min以適應(yīng)室內(nèi)的溫濕度環(huán)境，然后更換統(tǒng)一的運動長褲及文胸，雙腳站立于指定的腳印上，雙手自然握持身體兩側(cè)的椅背，目視前方，由實驗操作人員拍攝人體靜止站立時正面和背面的紅外圖像，每張圖像重復(fù)拍攝3次，以此作為人體上身的裸體皮膚溫度。隨后，受試者隨機從A型、H型及X型中選取1件襯衣穿著，再次重復(fù)相同的拍攝步驟，以得到服裝外表面的溫度分布。每次更換實驗服后應(yīng)休息10 min以使人體適應(yīng)新的服裝。

根據(jù)所拍攝的紅外圖像，利用MikroSpec 4的多邊形區(qū)域測溫工具，將人體上半身劃分為8個區(qū)域，如圖2所示，分別為上胸、下胸、腹部、前臀、上背、下背、腰部、后臀，從而得到各區(qū)段的平均皮膚溫度，隨后按照相同的劃分區(qū)域測量8個區(qū)段的服裝外表面溫度。

圖2 人體區(qū)段的劃分Fig.2 Segments of human body. (a) Front; (b) Back

1.6 數(shù)據(jù)分析

人體皮膚表面溫度呈非均勻分布狀態(tài)，不同區(qū)域的皮膚溫度存在局部差異[8]，且由于女性受試者穿著文胸的影響，不能直接通過比較A、H、X型的衣表溫度來確定款式對溫度的影響。故通過衣表溫度與裸體溫度的差值來探究服裝款式與區(qū)段對局部熱傳遞的影響，溫差越小說明服裝的局部傳熱性能越好。

ΔT=Tn-Tc

式中：ΔT為衣表溫差，℃，用于表征服裝的局部傳熱性能；Tn為著裝前的體表溫度，℃；Tc為著裝后的服裝外表面溫度，℃。

使用SPSS 17.0分析實驗數(shù)據(jù)，重復(fù)測量方差分析(repeated ANOVA)用于分析服裝款式、人體區(qū)段對衣表溫差的影響，若發(fā)現(xiàn)顯著性差異，進一步應(yīng)用多重比較(Bonferroni′s post-hoc)分析兩兩款式之間的差異。在顯著性水平P<0.05情況下，表明有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 服裝外表面與裸體皮膚的溫差分布

受試者穿著X型、H型和A型3款實驗襯衫，各區(qū)段的衣表溫度與裸體皮膚的溫度差如圖3所示?？煽闯?，溫差在體表呈非均勻分布狀態(tài)，腹部與腰部的溫差最大，表明其局部隔熱性能最好。下胸與后臀的溫差值最小，表明其局部隔熱性能最差。以溫差作為局部傳熱性能的表征指標(biāo)，可排除局部皮膚溫度差異對實驗結(jié)果的影響，溫差的非均勻分布可能是由于衣下間隙的厚度差異造成的[9]。紡織纖維的導(dǎo)熱系數(shù)約為靜止空氣的2倍[10]，較大的衣下間隙厚度增加了服裝的局部隔熱值。由于女性乳房與臀部的隆起，下胸與后臀的衣下間隙較??；人體脊柱自然的S形態(tài)造成腹部與腰部的衣下間隙較大。

圖3 實驗襯衣各區(qū)段的衣表溫差Fig.3 Segmental temperature differences of experimental shirts

應(yīng)用雙因素方差分析，以服裝款式與人體區(qū)段為自變量，以衣表溫差為因變量。結(jié)果表明：服裝款式顯著影響衣表溫差，F(xiàn)(2,12)=10.37，P=0.002；人體區(qū)段顯著影響衣表溫差，F(xiàn)(7,42)=74.22，P<0.001；服裝款式與人體區(qū)段間的交互作用顯著影響衣表溫差，F(xiàn)(14,84)=10.73，P<0.001?？梢?，人體局部的體型特征與服裝款式共同影響服裝局部傳熱性能，因此需要進一步分析人體各區(qū)段與服裝款式對人體通過服裝向外界的局部熱傳遞的影響機制。

2.2 服裝款式對衣表溫差的影響

服裝款式與人體體型共同影響衣下空氣層在人體軀干不同部位的分布，進而影響人體皮膚與外環(huán)境的熱濕交換。在前期研究[1]中已發(fā)現(xiàn)，衣下空氣層在體表的非均勻分布規(guī)律，如圖4所示3種服裝款式在各區(qū)段的衣下空氣層厚度。在體表凹進的部位，如后腰部，3款服裝都有最大的平均衣下空氣層厚度；而在人體的支撐點或骨骼肌肉形成的凸起部位，衣下空氣層的厚度較小，如前后肩部、胸臀部。衣下空氣層厚度分布的不均勻性，勢必會影響人體各區(qū)域的局部傳熱性能，造成服裝外表面溫度分布的不均勻性。通過分析3種服裝款式的衣表溫度分布特征，探究人體各區(qū)段的傳熱特征，指導(dǎo)服裝的熱功能產(chǎn)品設(shè)計。

圖4 3種服裝款式在各區(qū)段的衣下空氣層厚度Fig.4 Air gap thicknesses of three clothing styles at different segments

綜合分析人體8個區(qū)段的局部衣下空氣層厚度與衣表溫差數(shù)據(jù)，可將局部傳熱歸納為3種類型：1)服裝款式對衣表溫差(局部傳熱)沒有顯著性影響的區(qū)段；2)僅部分款式對衣表溫差有顯著性影響的區(qū)段；3)服裝款式對衣表溫差有顯著性影響的區(qū)段。

應(yīng)用單因素重復(fù)測量方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H型、A型、X型3款服裝款式對上胸區(qū)段的衣表溫差無顯著性影響，F(xiàn)(2,12)=1.82,P=0.204；服裝款式對下胸區(qū)段的衣表溫差無顯著性影響，F(xiàn)(2,12)=0.625,P=0.552；服裝款式對上背區(qū)段的衣表溫差也無顯著性影響，F(xiàn)(2,12)=1.15,P=0.252。這主要有2個方面的原因，其一是女性乳房和肩胛骨的隆起，造成服裝局部與人體表面的貼合度高，這與上胸、下胸、上背的衣下間隙分布特征相吻合，即服裝款式對3個區(qū)段的衣下間隙厚度無顯著性影響：上胸區(qū)段F(2,10)=0.894,P=0.44；下胸區(qū)段F(2,12)=2.3,P=0.14；上背區(qū)段F(2,10)=0.219,P=0.807。其二，實驗中3款襯衣的胸圍放松量一致，進一步減小了款式對于局部傳熱的影響。Chupo Ho等[11]在研究中也發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的制板方法增加T恤衫的寬松量，并不能改進服裝的通風(fēng)冷卻效能，因T恤衫仍然與人體的前胸及后背發(fā)生接觸，這與本文研究在人體支撐部位沒有發(fā)現(xiàn)服裝款式對傳熱性能影響的結(jié)論一致。

下背區(qū)段的單因素方差結(jié)果顯示，服裝款式對衣表溫差有顯著性影響，F(xiàn)(2,12)=4.6,P=0.032；進一步應(yīng)用多重比較發(fā)現(xiàn)，僅A型與H型間的衣表溫差有顯著性差異(P=0.02)，而H型與X型之間無顯著性差異(P>0.05)。

對腹部應(yīng)用單因素重復(fù)測量方差分析，球形檢驗(Mauchly′s test)表明背離方差齊性假設(shè)，χ2(2)=6.6，P<0.05，因此使用備選方差分析(Greenhouse-Geisser)修改自由度，結(jié)果表明服裝款式顯著影響衣表溫差，F(xiàn)(1.15,6.92)=12.71,P=0.008。多重比較結(jié)果表明A型與其他2款襯衫的衣表溫差有顯著性差異(P<0.05)，而H型與X型之間無顯著性差異(P>0.05)。

對腰部區(qū)段應(yīng)用單因素方差分析，球形檢驗表明背離了方差齊性假設(shè)，χ2(2)=6.33,P<0.05(0.042)，因此使用備選方差分析修改自由度，結(jié)果表明服裝款式顯著影響衣表溫差，F(xiàn)(1.12,6.98)=15.29，P<0.05(0.005)。進一步應(yīng)用多重比較發(fā)現(xiàn)，A型與X型、A型與H型之間都有顯著性差異(P<0.05)，但H型與X型之間不存在顯著性差異(P=0.337)。對比3種服裝款式后可知，由于腰省的存在，X型的腰圍尺寸比H型少16 cm，但在腰腹2個區(qū)段未發(fā)現(xiàn)顯著性差異，雖然受限于較少的受試者人數(shù)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)差異，但X型比H型的衣表溫差在腹部與腰部分別低4%和6%。

后臀區(qū)段的單因素方差結(jié)果顯示，服裝款式對衣表溫差有顯著性影響，F(xiàn)(2,12)=17.48,P<0.001；進一步應(yīng)用多重比較發(fā)現(xiàn)，A型與H型、A型與X型之間有顯著性差異(P<0.05)，但H型與X型不存在顯著性差異(P=1.0)。

在人體的絕大多數(shù)區(qū)段未發(fā)現(xiàn)H型與X型之間存在顯著的局部隔熱性能差異。雖然2款服裝在這些區(qū)段下的空氣層厚度大多超過了臨界厚度12 mm(導(dǎo)熱向自然對流的過渡)[9]，但由于2款服裝的空氣層厚度差異在3～8 mm之間，不足以引起顯著的傳熱量差異。

前臀區(qū)段的單因素方差結(jié)果顯示，服裝款式對衣表溫差有顯著性影響，F(xiàn)(2,12)=24.46,P<0.001；進一步應(yīng)用多重比較發(fā)現(xiàn)，3種服裝款式的衣表溫差均存在兩兩顯著性差異(P<0.05)。根據(jù)服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，臀圍處的放松量是根據(jù)服裝款式按一定比例均勻加放的，但在實際的著裝條件下，由于人體臀突的影響，衣下松量并不是均勻分布的。比如臀圍處的松量在前部分布較多(見圖4)，導(dǎo)致款式A型與H型、A型與X型、H型與X型之間的衣表溫差均存在顯著性差異，而在后臀區(qū)段，僅A型與其他2款服裝間的衣表溫差有顯著性差異，進一步說明了人體局部體表特征與局部衣下間隙厚度共同影響局部傳熱性能。

3 結(jié) 論

應(yīng)用紅外熱像儀非接觸探測服裝的表面溫度，為研究服裝的局部熱傳遞性能提供了一種可行的方法，本文基于該方法，分析了服裝款式設(shè)計對人體各區(qū)段的局部熱傳遞性能的影響，得出了以下結(jié)論：

1)服裝款式影響人體的傳熱性能，A型的隔熱性能最好，其衣表溫差顯著高于H型和X型款式，H型與X型之間未發(fā)現(xiàn)顯著性的統(tǒng)計差異；

2)上胸、下胸、上背3個區(qū)段的局部服裝與人體貼合最近，局部隔熱性能最差，但3種服裝款式之間并未發(fā)現(xiàn)顯著性局部傳熱差異，這說明增加服裝寬松量對這些部位傳熱性能的影響意義不大，應(yīng)考慮其他改善隔熱性的方法；

3)雖然A型款式具有最佳的隔熱性能，但由于其較大的衣下空間，在外界風(fēng)速較大的情況下可能增加衣下空氣的受迫對流換熱，從而降低服裝的隔熱性能。H型與X型之間的隔熱性未發(fā)現(xiàn)顯著性差異，但也提示在選擇兼具美觀性與隔熱性的服裝款式時，X型廓形在保障外觀性的同時，沒有顯著降低隔熱性能，是一種較優(yōu)的設(shè)計方案。

參考文獻：

[1] ZHANG Zhaohua, YU Weiying, DENG Yun. Ease allowance distributed features of different garment styles[J]. Journal of Donghua University, 2017, 34(1):76-81.

[2] WANG Z, NEWTON E, NG R, et al. Ease distribution in relation to the X-line style jacket: part 2: application to pattern alteration [J]. Journal of the Textile Institute, 2006, 97(3): 257-264.

[3] ASHDOWN S P, LOKER S, SCHOENFELDER K, et al. Using 3D scans for fit analysis [J]. Journal of Textile and Apparel Technology and Management, 2004, 4(1): 1-12

[4] II Y K, LEE C, LI P, et al. Investigation of air gaps entrapped in protective clothing systems[J]. Fire & Materials, 2002, 26(3):121-126.

[5] SONG G. Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment [J]. Journal of Industrial Textiles, 2007, 36(3): 193-205.

[6] MAH T, SONG G W. Investigation of the contribution of garment design to thermal protection: part 1: characterizing air gaps using three-dimensional body scanning for women′s protective clothing [J]. Textile Research Journal, 2010, 80(13): 1317-1329.

[7] MAH T, SONG G. Investigation of the contribution of garment design to thermal protection: part 2: instrumented female mannequin flash-fire evaluation system [J]. Textile Research Journal, 2010, 80(14):1473-1487.

[8] FOURNET Damien. Skin temperature variation in the cold [D]. UK: Loughborough University, 2013: 78-94.

[9] 張昭華, 翟世謹, 尹思源. 衣下間隙對織物系統(tǒng)熱濕阻的影響[J]. 紡織學(xué)報, 2016, 37(6): 105-111.

ZHANG Zhaohua, ZHAI Shijin, YIN Siyuan. Influence of air gaps on thermal and evaporative resistances of fabric system [J]. Journal of textile research, 2016, 37(6):105-111.

[10] 朱松文. 服裝材料學(xué)[M]. 北京：中國紡織出版社, 1996: 21-22.

ZHU Songwen. Clothing Material Science [M]. Beijing: China Textile & Apparel Press, 1996: 21-22.

[11] HO Chupo, FAN Jintu, EDWARD Newton, et al. The effect of added fullness and ventilation holes in T-shirt design on thermal comfort [J]. Ergonomics, 2011, 54(4):403-410.