人體熱舒適性在海派旗袍中的智能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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

消費(fèi)者在選擇購(gòu)買服裝時(shí)，均會(huì)進(jìn)行多角度考量與比較?，F(xiàn)如今，更多的消費(fèi)者開始意識(shí)到一件設(shè)計(jì)得體、考量到位、定位準(zhǔn)確的服裝必然同時(shí)具有良好的舒適性。評(píng)定一件衣服的舒適程度則主要通過(guò)熱濕舒適性、壓力舒適性、接觸舒適性和心理舒適性四個(gè)指標(biāo)。其中，熱濕舒適性是指織物在人與環(huán)境的熱濕傳遞時(shí)能對(duì)人體舒適感覺有影響的一系列熱學(xué)性質(zhì)[1]。而熱傳遞時(shí)的性質(zhì)，即導(dǎo)熱性一般用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示，在英美等國(guó)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(duì)濕度不超過(guò)50%，空氣流速不超過(guò)10 cm/s，相當(dāng)于人靜坐并保持舒適狀態(tài)時(shí)，處于正常氣流速下的帶有通風(fēng)設(shè)備的室內(nèi)，對(duì)衣物的所需熱阻，稱之為克羅。實(shí)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(lái)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(guò)相加全部服裝或織物的克羅值來(lái)計(jì)算人體全身所覆有的總克羅值，為之后的試驗(yàn)測(cè)量提供很大便利性。

1 溫控智能海派旗袍的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(dú)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(duì)比見表1。

表1 旗袍原始克羅值量化表

由此，本團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jìn)行相應(yīng)的當(dāng)代智能化設(shè)計(jì)，是否就可以在不增加層數(shù)的情況下使美學(xué)性與功能性更好地兼具，很大程度彌補(bǔ)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(jì)產(chǎn)品主要用戶群體依舊為中國(guó)女性，所以了解和掌握中國(guó)女性對(duì)于熱舒適的定義和需求是至關(guān)重要的。

上海交通大學(xué)制冷和冷凍機(jī)構(gòu)[3]曾在2007年做過(guò)一項(xiàng)基于中國(guó)男女性，即性別差異對(duì)熱舒適定義的調(diào)研。該調(diào)研中做了兩組對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象分別為年齡處于27-31周歲的9男9女和10男10女。試驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的主觀評(píng)定和客觀測(cè)量數(shù)據(jù)均被納入樣本，通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)象的皮膚表面溫度、室內(nèi)溫度測(cè)量以及心率變異性（Heart rate variability）得出了以下結(jié)論：女性對(duì)溫度的變化非常敏感，但相對(duì)應(yīng)地對(duì)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(duì)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(yàn)很好地契合了我們關(guān)于女性相較于男性而言對(duì)熱環(huán)境更為強(qiáng)烈的需求設(shè)想。

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

團(tuán)隊(duì)成員在查詢多種紡織用材料的熱導(dǎo)率后發(fā)現(xiàn)，碳纖維的熱導(dǎo)率為6.5W/(m.k)～6 005W/(m.k)，因其范圍跨越廣且極值的絕對(duì)值非常大，而其本身的物理性質(zhì)又非常輕薄，故符合實(shí)驗(yàn)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(xiàng)衡量溫度在55-300 K范圍內(nèi)的活性炭（ACFs）熱傳導(dǎo)性中溫度依賴行為的試驗(yàn)中得出結(jié)論：活性炭的熱導(dǎo)測(cè)量主要是被輻射交流測(cè)量裝置的不同部分所主導(dǎo)，而并非總是處于同一溫度，因此活性炭的熱導(dǎo)率實(shí)際上是很低的，其熱能是由聲子在傳遞，電子的傳熱是無(wú)用的[5]。由此也產(chǎn)生了一系列碳素材料的熱導(dǎo)性質(zhì)優(yōu)化，如Nakayama團(tuán)隊(duì)早在1996年就通過(guò)對(duì)碳素材料進(jìn)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(dǎo)率上升，可達(dá)2 000W/(m.k)[6]，直至今日碳纖維所具有的極優(yōu)熱導(dǎo)性能。

因此，本團(tuán)隊(duì)在碳纖維材料和智能電路元件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合了當(dāng)下常見的電能獲取方式，即把加熱芯片設(shè)計(jì)至能夠直接接入移動(dòng)電源的電路中進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)與供熱，那么隨時(shí)隨地控溫的目標(biāo)就可實(shí)現(xiàn)，且在服裝上增加嵌入式口袋即可放入移動(dòng)電源和相應(yīng)設(shè)備，完全不會(huì)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(fù)合碳纖維發(fā)熱片×3、智能溫控開關(guān)×1、5V移動(dòng)電源×1。

（2）發(fā)熱系統(tǒng)工作原理：復(fù)合碳纖維片通過(guò)電子導(dǎo)線連接導(dǎo)通，通過(guò)一個(gè)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(gè)USB接頭，并與5V、1 000 mA的移動(dòng)電源連接，長(zhǎng)按溫控開關(guān)約3 s啟動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)后默認(rèn)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(lán)、綠三種顏色的LED進(jìn)行表示。

注：智能開關(guān)是市面上已有型號(hào)，本研發(fā)團(tuán)隊(duì)則將該開關(guān)與復(fù)合碳纖維發(fā)熱片相連接。

表2 智能開關(guān)調(diào)檔說(shuō)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(dòng)跳檔，并具有預(yù)熱功能。溫控器連接電源后白燈閃一次，長(zhǎng)按按鈕3 s即可開機(jī)，LED自動(dòng)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(lán)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(dòng)跳轉(zhuǎn)。

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

（6）智能設(shè)備改良后的內(nèi)部加熱電路默認(rèn)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(jì)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(tuán)隊(duì)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(cè)試過(guò)程中，市面上所提供的充電寶只需使用10 min后即可達(dá)到最大功率，拔掉充電寶后可維持20 min的供熱，在實(shí)用性方面有了明顯改善，歷經(jīng)了多次更改和試驗(yàn)后，產(chǎn)品最終成形，滿足最初設(shè)計(jì)需求和目的。

該款成品運(yùn)用的整體構(gòu)架則是將復(fù)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(jiǎn)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(duì)較低的腹部、背部和腰部三個(gè)部位進(jìn)行發(fā)熱，以達(dá)到人體熱舒適最優(yōu)化效果，同時(shí)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(jìn)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(fù)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(cè)試

2.1 旗袍熱舒適性的客觀測(cè)試

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

表4 碳纖維加熱片性能測(cè)量表

2.2 旗袍熱舒適性的主觀測(cè)試

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

試驗(yàn)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(guò)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(gè)部位同時(shí)進(jìn)行，隨后讓志愿者對(duì)每一檔位的熱舒適性做出主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)分為四檔：很不舒適（沒有感受到明顯的熱量，還是會(huì)瑟瑟發(fā)抖）、較為舒適（可以感受到些許的熱量，但時(shí)間一長(zhǎng)效果會(huì)下降）、舒適（可以抵抗低溫所帶來(lái)的負(fù)面影響）、非常舒適（恰到好處的加熱，無(wú)論如何活動(dòng)都不會(huì)感受到明顯的寒意）。志愿者主觀測(cè)試結(jié)果如下：

表5 海派旗袍熱舒適性主觀測(cè)試量化表

3 結(jié)果與分析

客觀結(jié)果分析：通過(guò)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(shí)際效果而言，對(duì)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(shí)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(shí)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(píng)價(jià)：由于研究樣本數(shù)量較少，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)無(wú)法得出普遍規(guī)律，但通過(guò)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(duì)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(chǔ)的脂肪量相對(duì)較多，故對(duì)溫度的敏感性不太強(qiáng)烈，在低檔時(shí)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(wú)法有效的完全覆蓋，所以只有在高檔時(shí)才會(huì)感到非常舒適；同時(shí)身材勻稱的女生的脂肪含量屬于平均型，在中檔和高檔時(shí)都能感到舒適。總體而言，本次試驗(yàn)只是對(duì)幾個(gè)部位進(jìn)行了覆蓋，調(diào)節(jié)到中檔時(shí)，都能達(dá)到較為舒適或以上的感受級(jí)別，故實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)有理由相信在做出成品后效果會(huì)更好。

4 結(jié)語(yǔ)

本款溫控智能海派旗袍確實(shí)可以提供較好的熱舒適性，其客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)都很不錯(cuò)，可用于解決旗袍克羅值較低的問題。