人體熱舒適性在海派旗袍中的智能設(shè)計與應(yīng)用

耿佳琳，袁 蓉，張樹灝，馬愉婷，.上海工程技術(shù)大學服裝學院;.上海工程技術(shù)大學電子電氣工程學院

消費者在選擇購買服裝時，均會進行多角度考量與比較?，F(xiàn)如今，更多的消費者開始意識到一件設(shè)計得體、考量到位、定位準確的服裝必然同時具有良好的舒適性。評定一件衣服的舒適程度則主要通過熱濕舒適性、壓力舒適性、接觸舒適性和心理舒適性四個指標。其中，熱濕舒適性是指織物在人與環(huán)境的熱濕傳遞時能對人體舒適感覺有影響的一系列熱學性質(zhì)[1]。而熱傳遞時的性質(zhì)，即導熱性一般用導熱系數(shù)來表示，在英美等國則通常采用克羅值描述服裝或織物的保暖或隔熱性。

克羅（Clo）的單位是在室溫21℃，相對濕度不超過50%，空氣流速不超過10 cm/s，相當于人靜坐并保持舒適狀態(tài)時，處于正常氣流速下的帶有通風設(shè)備的室內(nèi)，對衣物的所需熱阻，稱之為克羅。實際上，服裝的克羅值與纖維材料和織物厚度有關(guān)，若不考慮材料影響，只從織物厚度來估算，估算關(guān)系為1 cm＝1.6 Clo[2]。服裝的克羅值大小表示了保暖隔熱程度的高低，而每件衣服都有保暖克羅值，且由于克羅值本身呈一定線性關(guān)系，所以是可以相加的。因此我們能夠通過相加全部服裝或織物的克羅值來計算人體全身所覆有的總克羅值，為之后的試驗測量提供很大便利性。

1 溫控智能海派旗袍的創(chuàng)新設(shè)計

海派旗袍作為海派服飾文化的歷史沉淀，且能完美體現(xiàn)東方女性獨特美感的民族服飾，始終保持先鋒式的開拓精神，款式、圖案、格調(diào)歷久彌新，但依舊具有只適用于春夏季穿著的局限性和保暖性不足等缺陷。不同面料的旗袍克羅值對比見表1。

表1 旗袍原始克羅值量化表

由此，本團隊選取了分別用最大克羅值（0.11 Clo）的棉毛混紡及最小克羅值（0.04 Clo）的真絲作為原始內(nèi)外料，且層數(shù)為1的海派旗袍作為本次設(shè)計的基礎(chǔ)款型，并提出設(shè)想：若能在此類主流民族服飾的功能性上進行相應(yīng)的當代智能化設(shè)計，是否就可以在不增加層數(shù)的情況下使美學性與功能性更好地兼具，很大程度彌補旗袍的原始克羅值較低、受環(huán)境影響較大的缺憾。

該款設(shè)計產(chǎn)品主要用戶群體依舊為中國女性，所以了解和掌握中國女性對于熱舒適的定義和需求是至關(guān)重要的。

上海交通大學制冷和冷凍機構(gòu)[3]曾在2007年做過一項基于中國男女性，即性別差異對熱舒適定義的調(diào)研。該調(diào)研中做了兩組對比試驗，試驗對象分別為年齡處于27-31周歲的9男9女和10男10女。試驗過程中所產(chǎn)生的主觀評定和客觀測量數(shù)據(jù)均被納入樣本，通過檢測試驗對象的皮膚表面溫度、室內(nèi)溫度測量以及心率變異性（Heart rate variability）得出了以下結(jié)論：女性對溫度的變化非常敏感，但相對應(yīng)地對于濕度的變化沒有那么敏感；一般情況下，女性皮膚表面的平均溫度低于男性皮膚表面的平均溫度；而女性喜歡的相對溫暖的環(huán)境溫度（26.7℃）高于男性所需的舒適環(huán)境溫度（25.3℃）。該試驗很好地契合了我們關(guān)于女性相較于男性而言對熱環(huán)境更為強烈的需求設(shè)想。

智能材料方面，由于熱導率[4]是材料傳導熱量的特性，在低熱導率的材料中，熱傳遞的發(fā)生速率比在高導熱性材料上更低，這種性質(zhì)是與溫度息息相關(guān)的，計算熱導率的公式就是求材料熱導的倒數(shù)。所以選取一個熱導性能優(yōu)質(zhì)的材料會對試驗結(jié)果造成很大影響。

團隊成員在查詢多種紡織用材料的熱導率后發(fā)現(xiàn)，碳纖維的熱導率為6.5W/(m.k)～6 005W/(m.k)，因其范圍跨越廣且極值的絕對值非常大，而其本身的物理性質(zhì)又非常輕薄，故符合實驗要求，從碳素中尋找了所需材料。根據(jù)Di Vittorio等人在1991年的一項衡量溫度在55-300 K范圍內(nèi)的活性炭（ACFs）熱傳導性中溫度依賴行為的試驗中得出結(jié)論：活性炭的熱導測量主要是被輻射交流測量裝置的不同部分所主導，而并非總是處于同一溫度，因此活性炭的熱導率實際上是很低的，其熱能是由聲子在傳遞，電子的傳熱是無用的[5]。由此也產(chǎn)生了一系列碳素材料的熱導性質(zhì)優(yōu)化，如Nakayama團隊早在1996年就通過對碳素材料進行1 300-2 800℃輔助高溫的加熱方式促使材料的熱阻降低，使其自身的熱導率上升，可達2 000W/(m.k)[6]，直至今日碳纖維所具有的極優(yōu)熱導性能。

因此，本團隊在碳纖維材料和智能電路元件的基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合了當下常見的電能獲取方式，即把加熱芯片設(shè)計至能夠直接接入移動電源的電路中進行運轉(zhuǎn)與供熱，那么隨時隨地控溫的目標就可實現(xiàn)，且在服裝上增加嵌入式口袋即可放入移動電源和相應(yīng)設(shè)備，完全不會影響旗袍自身的外觀造型。智能設(shè)備改良結(jié)果如下：

（1）發(fā)熱系統(tǒng)組成部分：復合碳纖維發(fā)熱片×3、智能溫控開關(guān)×1、5V移動電源×1。

（2）發(fā)熱系統(tǒng)工作原理：復合碳纖維片通過電子導線連接導通，通過一個智能三檔溫控開關(guān)調(diào)控溫度。

（3）操作方法：將發(fā)熱系統(tǒng)接上一個USB接頭，并與5V、1 000 mA的移動電源連接，長按溫控開關(guān)約3 s啟動設(shè)備，啟動后默認為最高檔（即55℃），依次連按循環(huán)切換檔位，不同檔位從高到低依次用紅、藍、綠三種顏色的LED進行表示。

注：智能開關(guān)是市面上已有型號，本研發(fā)團隊則將該開關(guān)與復合碳纖維發(fā)熱片相連接。

表2 智能開關(guān)調(diào)檔說明

（4）技術(shù)參數(shù)：

表3 相關(guān)技術(shù)參數(shù)

（5）功能描述：

三檔調(diào)節(jié)且能自動跳檔，并具有預熱功能。溫控器連接電源后白燈閃一次，長按按鈕3 s即可開機，LED自動顯紅色，高檔輸出，輸出功率為99%；之后單擊按鈕切換輸出，LED顯藍色，中檔輸出，輸出功率76%；單擊按鈕切換輸出，LED顯綠色，低檔輸出，輸出功率48%；三檔循環(huán)，最高檔工作5 min后自動跳轉(zhuǎn)。

其中，輸入：紅色輸入為正（+）、黑色輸入為負（-）；輸出：紅色輸出為正（+）、藍色輸出為負（-）。

（6）智能設(shè)備改良后的內(nèi)部加熱電路默認為3根線，正極呈紅色。

圖1 改良智能設(shè)備內(nèi)部加熱電路

（7）試樣設(shè)計采用的發(fā)熱片類型：

圖2 發(fā)熱片類型

為確保產(chǎn)品基本安全，本團隊將供電電壓定為5v，低于人體安全電壓12v，避免造成安全事故。另外在測試過程中，市面上所提供的充電寶只需使用10 min后即可達到最大功率，拔掉充電寶后可維持20 min的供熱，在實用性方面有了明顯改善，歷經(jīng)了多次更改和試驗后，產(chǎn)品最終成形，滿足最初設(shè)計需求和目的。

該款成品運用的整體構(gòu)架則是將復合碳纖維發(fā)熱片置入旗袍內(nèi)層綢織物面料，并在前片下方縫制16 cm×10.7 cm的簡易口袋用于放置溫控開關(guān)及剩余的連接片電線，并選取女性皮膚表面溫度相對較低的腹部、背部和腰部三個部位進行發(fā)熱，以達到人體熱舒適最優(yōu)化效果，同時兼顧女性人體特征及旗袍自身克羅值較低的性質(zhì)，使發(fā)熱裝置在體表形成熱循環(huán)效應(yīng)，進一步提升熱能利用率。最后于衣物左側(cè)開衩連接處開孔，在不影響海派旗袍正常穿脫的情況下，便于操作控制和收放設(shè)備。

圖3 復合碳纖維溫控智能穿戴設(shè)備（改良）

圖4 智能旗袍成品功能區(qū)示意圖

2 旗袍熱舒適性的主客觀測試

2.1 旗袍熱舒適性的客觀測試

該款產(chǎn)品選取了女性腹部、背部和腰部進行發(fā)熱，由此團隊成員分別進行了三個部位的控溫調(diào)節(jié)性質(zhì)的客觀測試，且設(shè)備始終處于1.5-12 V低電壓工作區(qū)。試驗結(jié)果如下：

表4 碳纖維加熱片性能測量表

2.2 旗袍熱舒適性的主觀測試

試驗團隊從服裝學院選取了6位約為22周歲的不同身材的女性進行了本次測試，分別為身材勻稱（身高165 cm，體重52 kg）的1/2號志愿者，身材高挑（身高171 cm，體重56 kg）的3/4號志愿者，和身材較為豐滿（身高163 cm，體重61 kg）的5/6號志愿者。為模擬冬天氣候，試驗環(huán)境設(shè)置在了一個室溫已降至25℃的空曠房間內(nèi)，同時志愿者本人只穿一件單層內(nèi)衣褲。

試驗方法為：將已制作完成的碳纖維加熱片縫于制作旗袍的真絲內(nèi)料，通過綁帶將真絲面固定于志愿者的腹部、背部和腰部，每一檔溫度持續(xù)發(fā)熱10 min且三個部位同時進行，隨后讓志愿者對每一檔位的熱舒適性做出主觀評價，評價分為四檔：很不舒適（沒有感受到明顯的熱量，還是會瑟瑟發(fā)抖）、較為舒適（可以感受到些許的熱量，但時間一長效果會下降）、舒適（可以抵抗低溫所帶來的負面影響）、非常舒適（恰到好處的加熱，無論如何活動都不會感受到明顯的寒意）。志愿者主觀測試結(jié)果如下：

表5 海派旗袍熱舒適性主觀測試量化表

3 結(jié)果與分析

客觀結(jié)果分析：通過數(shù)據(jù)可以看出腹部與腰部的保暖性較好，背部則有一定程度的散熱，但從實際效果而言，對克羅值的影響不是很大。以及碳纖維材料的確具備較好的發(fā)熱持續(xù)性和高效性，，可在有效提高熱能轉(zhuǎn)化率的同時降低電能損耗。該種材料的安全性也有更高保障，處于1.5-12V低電壓工作區(qū)時便具有良好的發(fā)熱量，因此由其制成的服裝具有良好的穿戴舒適性。

主觀結(jié)果評價：由于研究樣本數(shù)量較少，試驗團隊無法得出普遍規(guī)律，但通過分析上述六位女性志愿者的主觀量化表可以看出，身材差異對于熱舒適性的定義有所不同。身材豐滿的女性由于自身存儲的脂肪量相對較多，故對溫度的敏感性不太強烈，在低檔時就能感覺到舒適；而身材高挑的女性由于較瘦，裸露在外的部分較多，加熱片無法有效的完全覆蓋，所以只有在高檔時才會感到非常舒適；同時身材勻稱的女生的脂肪含量屬于平均型，在中檔和高檔時都能感到舒適?？傮w而言，本次試驗只是對幾個部位進行了覆蓋，調(diào)節(jié)到中檔時，都能達到較為舒適或以上的感受級別，故實驗團隊有理由相信在做出成品后效果會更好。

4 結(jié)語

本款溫控智能海派旗袍確實可以提供較好的熱舒適性，其客觀測量和主觀評價都很不錯，可用于解決旗袍克羅值較低的問題。