通風(fēng)服熱舒適性研究現(xiàn)狀與展望

趙蒙蒙， 柯 瑩， 王發(fā)明， 李 俊

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院， 上海 201620； 2. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 3. 香港理工大學(xué) 紡織及服裝學(xué)系， 香港 999077； 4. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 5. 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)

當(dāng)前，氣候變暖成為全球關(guān)注的議題，這意味著人類將暴露于更高的熱環(huán)境中[1-2]。受熱環(huán)境的影響，人體皮膚溫度會(huì)升高、血流會(huì)加速，脫水、中暑等熱疾病將會(huì)影響工作效率、危害身體健康，尤其是消防、煤礦、建筑等特殊行業(yè)的從業(yè)人員[3-4]。目前，通常使用空調(diào)制冷設(shè)備，引進(jìn)建筑通風(fēng)系統(tǒng)以降低高溫環(huán)境對(duì)人員的影響[5-7]。然而，這類降溫措施能耗高、冷源需安裝于具體設(shè)備上，限制了其使用范圍，而節(jié)能高效、健康舒適的生存環(huán)境是人類普遍追求的趨勢(shì)。

服裝作為第二皮膚，對(duì)于調(diào)節(jié)人體熱舒適起著非常重要的作用。在能源緊張、公共安全問題日益突出的背景下，智能化可穿戴服裝成為發(fā)展趨勢(shì)?；诜b人體工效學(xué)應(yīng)運(yùn)而生的可穿戴式調(diào)溫服裝能彌補(bǔ)熱環(huán)境中人體生理熱調(diào)節(jié)的不足，給著裝者帶來額外的保護(hù)，如通風(fēng)服。

通風(fēng)服早期主要用于軍隊(duì)、航天領(lǐng)域，用來減小士兵、航天員所遭受的高溫?zé)釕?yīng)激(Heat Strain)[8-9]，后來也被應(yīng)用于室內(nèi)辦公、戶外休閑、建筑工地等民用領(lǐng)域[10-12]，因此，熱環(huán)境中通風(fēng)服著裝熱舒適機(jī)制的研究具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。本文分析和總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)研究成果，重點(diǎn)簡(jiǎn)述了通風(fēng)服熱舒適性的研究方法，展望了未來通風(fēng)服熱舒適性研究的聚焦點(diǎn)，以期為通風(fēng)服熱舒適性的研究提供重要的理論參考。

1 通風(fēng)服的起源

服裝通風(fēng)的概念最早由Crockford于1972年提出，是指衣下微環(huán)境與外界環(huán)境間的空氣交換，實(shí)現(xiàn)皮膚表面與環(huán)境間的熱量交換[13]。20世紀(jì)八九十年代，美國陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所將這種概念應(yīng)用于軍隊(duì)裝備中，如圖1所示。通過在軍服中配置微型風(fēng)扇，利用風(fēng)扇鼓風(fēng)產(chǎn)生強(qiáng)制氣流，以減小士兵穿著多層防護(hù)服、進(jìn)行高溫訓(xùn)練或執(zhí)行任務(wù)時(shí)遭受的熱應(yīng)激，這種類型的服裝被稱為通風(fēng)服[7]。后來，國內(nèi)外相繼在這方面開展了大量的研究。

圖1 通風(fēng)服示意圖Fig.1 Illustration of ventilation clothing

2 通風(fēng)服熱舒適性研究方法

服裝衣下氣流、熱流的運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)制受到熱環(huán)境、服裝、人體生理熱調(diào)控多個(gè)因素的影響，是一項(xiàng)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程問題，如圖2所示。

圖2 人體-通風(fēng)服傳熱系統(tǒng)Fig.2 Heat exchange of human ventilation clothing

通常采用客觀物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試法研究環(huán)境中通風(fēng)服的著裝熱舒適機(jī)制，包括3種方法：出汗暖體假人法[13-14]、人體著裝測(cè)試法[15-17]以及數(shù)值模型法。出汗暖體假人測(cè)試能客觀表征服裝的熱阻、通風(fēng)散熱量，但不能表征人體的熱生理指標(biāo)；真人著裝實(shí)驗(yàn)[18-19]可客觀評(píng)價(jià)服裝對(duì)人體的影響，獲得反映熱舒適的一系列生理指標(biāo)，但受實(shí)驗(yàn)條件變化影響，且涉及到人體實(shí)驗(yàn)道德準(zhǔn)則。真人著裝實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性差、費(fèi)用高；數(shù)值模型法[20-22]可模擬通風(fēng)服與人體之間的氣流、熱流交換，但模型的構(gòu)建受到通風(fēng)物理參數(shù)、熱環(huán)境和服裝多個(gè)因素的影響。

3 客觀物理實(shí)驗(yàn)法

3.1 服裝整體通風(fēng)

早期研究人員主要致力于服裝整體通風(fēng)量化，通常采用示蹤氣體法測(cè)量獲得。用一種擴(kuò)散性能與空氣接近但更容易觀測(cè)的氣體作為示蹤氣體，通過監(jiān)測(cè)衣下空間氣體濃度的變化得到通風(fēng)量。示蹤氣體法主要有Crockford的非穩(wěn)態(tài)法[13]和Havenith的穩(wěn)態(tài)法[23]。前者的測(cè)量分2步：測(cè)量衣下空間的體積及測(cè)量衣下空間的氣體交換率。后者不斷將示蹤氣體注入到衣下空間，使衣下空間的氣體濃度不斷升高直至達(dá)到平衡，由于通風(fēng)引起的示蹤氣體排出量等于注入量。前者測(cè)量步驟較多，較后者復(fù)雜。

3.2 服裝局部通風(fēng)

由于服裝、人體局部的差異，局部通風(fēng)測(cè)量成為后來的關(guān)注焦點(diǎn)。2006年，Ueda等[24]基于Crockford的方法建立了局部通風(fēng)測(cè)量裝置，可測(cè)量襯衫前胸、后背和上臂的通風(fēng)量。該方法僅限于服裝局部通風(fēng)，若要獲得服裝整體通風(fēng)，則需要重新設(shè)計(jì)裝置系統(tǒng)。之后，柯瑩等[25]基于Havenith的方法改進(jìn)了測(cè)量裝置，采用N2作為示蹤氣體，可同時(shí)或單獨(dú)測(cè)量服裝前胸、后背、左右臂的通風(fēng)量，如圖3所示。該方法還可通過加權(quán)平均法計(jì)算獲得服裝整體通風(fēng)。

圖3 采用示蹤氣體法測(cè)量服裝局部通風(fēng)Fig.3 Local ventilation measurement by gas tracer method

3.3 通風(fēng)服降溫性能

通常采用出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)來測(cè)試和評(píng)價(jià)通風(fēng)服的降溫性能。Zhao等[11]通過出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)試了風(fēng)扇安裝于服裝不同部位和不同開口條件下的通風(fēng)服降溫效果。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)扇配置于前胸下部且衣身前后都開口的條件下，暖體假人散熱量最高；風(fēng)扇安裝于衣身某局部部位時(shí)，相應(yīng)部位的散熱量最高。

由于采用微型風(fēng)扇的通風(fēng)服使用條件有限，Lu等[12]研究了風(fēng)扇和相變材料(PCM)組合的服裝的降溫效果。通過采用2種不同控制模式的出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)極大地提高了蒸發(fā)散熱，PCM和風(fēng)扇組合的降溫服可發(fā)揮2種不同冷源的降溫優(yōu)勢(shì)。

Yi等[13]研究了采用2種不同通風(fēng)系統(tǒng)(供電源為AA電池和鋰電池)的通風(fēng)服的降溫效果，結(jié)果表明：供電壓不同導(dǎo)致風(fēng)扇的通風(fēng)強(qiáng)度不同；鋰電池帶來的通風(fēng)率、可持續(xù)降溫時(shí)間和軀干散熱明顯高于AA電池。

Wang等[14]也通過設(shè)置2種不同的控制模式，采用出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)研究了不同降溫服裝的降溫效果。由于實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置不同，這些采用出汗暖體假人實(shí)驗(yàn)進(jìn)行通風(fēng)服熱舒適性的研究可比性較差。

4 人體著裝實(shí)驗(yàn)法

人體著裝實(shí)驗(yàn)是最直接、最客觀的評(píng)價(jià)通風(fēng)服對(duì)人體熱舒適影響的方法，可獲得反映熱舒適的一系列生理和心理指標(biāo)。人體著裝實(shí)驗(yàn)又分為人工氣候室模擬法與室外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法。人工氣候室可模擬不同的冷熱環(huán)境，實(shí)驗(yàn)條件易控制、誤差??；室外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)受氣候條件的影響，實(shí)驗(yàn)條件誤差較大，成本較高。

4.1 人工氣候室模擬法

Hadid等[15]分別在40 ℃高溫、40%相對(duì)濕度與35 ℃高溫、60%相對(duì)濕度的人工氣候室中，評(píng)價(jià)了受試者穿著士兵作戰(zhàn)服、通風(fēng)背心(通風(fēng)量為360 L/min)時(shí)的熱應(yīng)激。Chinevere等[16]通過設(shè)置3種高溫環(huán)境，研究了穿著士兵作戰(zhàn)服中的通風(fēng)背心(通風(fēng)量為1.1 m/s)時(shí)的降溫效果。2項(xiàng)研究都通過測(cè)量受試者的皮膚溫度、體核溫度、心率、感知疲勞度等生理指標(biāo)和主觀感覺來進(jìn)行，研究表明這幾種環(huán)境條件下受試者的熱應(yīng)激均得到降低。

4.2 室外著裝測(cè)試法

Song等[17]通過人工氣候室模擬了34 ℃的高溫室內(nèi)辦公環(huán)境，研究了穿著通風(fēng)和PCM組合的降溫服對(duì)熱舒適的影響。研究發(fā)現(xiàn)，該降溫服使受試者的平均皮膚溫度和出汗量明顯降低，改善了受試者的整體熱感覺、皮膚濕感和熱舒適感。

Chan等[18-19]通過大量室外著裝實(shí)驗(yàn)，研究了夏季香港地區(qū)建筑工地、環(huán)衛(wèi)清潔、機(jī)場(chǎng)服務(wù)人員穿著類似的降溫服對(duì)熱舒適的影響。通過測(cè)量記錄受試者的主觀熱感覺、熱舒適感，表明穿著降溫服受試者的熱感覺明顯低于穿著普通作業(yè)服時(shí)的熱感覺。

如前所述，由于熱環(huán)境條件設(shè)置不同，這些研究結(jié)果的可比性有待考證。

5 通風(fēng)服-人體數(shù)值模型法

5.1 服裝傳熱模型

自從Henry[26]首次提出動(dòng)態(tài)條件下織物的熱傳遞模型后，國內(nèi)外研究人員在服裝傳熱機(jī)制方面開展了大量的工作，模型的構(gòu)建也越來越復(fù)雜。

Farnworth[27]基于出汗熱平板儀實(shí)驗(yàn)，將織物的濕傳遞加入模型中。Li等[28]提出了2階段模型來描述羊毛織物的熱濕變化。

之后，研究人員將衣下自然對(duì)流以及因人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流加入模型中。Ghali等[29]將織物簡(jiǎn)化為多個(gè)纖維圓柱體的組合，建立了強(qiáng)制氣流下的織物傳熱模型，如圖4所示。該模型將織物簡(jiǎn)化為多個(gè)纖維交織在一起的組合，假設(shè)每根纖維為一個(gè)長(zhǎng)圓柱，圓柱由內(nèi)部的固態(tài)纖維層(內(nèi)層)和外部的空氣層(外層)組成，纖維之間以及纖維外層有空氣流動(dòng)。

L表示織物長(zhǎng)度；W表示織物寬度。圖4 織物纖維通風(fēng)傳熱模型Fig.4 Ventilation and heat transfer in textile fibers

Santos等[30]研究了衣下空氣層厚度帶來的對(duì)流散熱的影響，建立了衣下微氣候數(shù)值傳熱模型。研究發(fā)現(xiàn)，衣下空氣厚度對(duì)熱傳遞的影響比較大。

5.2 人體傳熱模型

上述數(shù)值模型關(guān)注的都是服裝與環(huán)境之間的熱量傳遞，未考慮人體的熱生理調(diào)控。自從Pennes[31]提出生物組織傳熱方程后，首次將生物組織與其他材料區(qū)分開來。研究人員基于Pennes的生物傳熱方程，將人體熱生理調(diào)控加入模型中。通過將人體劃分為不同的節(jié)段，加入血液循環(huán)，構(gòu)建了多節(jié)點(diǎn)、多維的人體傳熱模型，例如Gagge等[32]的2節(jié)點(diǎn)模型、Tanabe等[33]的多節(jié)點(diǎn)模型。

基于上述模型，加入服裝傳熱，使服裝與人體之間的傳熱模型越來越龐大，最為經(jīng)典的代表是人體-服裝熱交換模型[34]。與前面的人體傳熱模型相比，該模型融合了人體熱感覺模型，可預(yù)測(cè)人體熱感覺和熱舒適，如圖5所示。

Tskin為人體皮膚溫度；Tcore為人體核心溫度；Tskin,local為人體皮膚局部區(qū)段溫度。圖5 人體-服裝-熱生理模型Fig.5 Human, clothing and thermophysiological model

5.3 通風(fēng)服-人體傳熱模型

通風(fēng)服作為具有調(diào)溫功能的服裝，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。李珩等[9]分析了全身通風(fēng)條件下的人體-通風(fēng)服傳熱模型。

曾彥彰等[9]基于Pennes生物傳熱方程，求解了引入微型風(fēng)扇的通風(fēng)服后人體的皮膚溫度。然而，該模型未考慮風(fēng)扇變化帶來的通風(fēng)變化，因而模型的適用性有待考察。

Sun等[20]建立了通風(fēng)服熱流、氣流傳遞的數(shù)值模型，分析對(duì)比了采用不同大小和數(shù)量的風(fēng)扇帶來的皮膚溫度變化，分析了風(fēng)速對(duì)傳熱性能的影響。

Ismail等[21-22]通過構(gòu)建數(shù)值模型，分析了不同行走速度下通風(fēng)服上臂與軀干的通風(fēng)率、空氣傳熱，使模型更加接近真實(shí)穿著狀態(tài)。與前面的研究相比，該研究還分析了服裝局部通風(fēng)傳熱，研究更加細(xì)化，為探索通風(fēng)服局部傳熱提供了理論參考。

6 研究展望

1)通過示蹤氣體法測(cè)量可獲得服裝某局部區(qū)段的通風(fēng)量，然而對(duì)人體其他重要部位，如頸部、腹部等對(duì)通風(fēng)刺激敏感的部位的通風(fēng)量的測(cè)量尚未研究。其次，風(fēng)扇鼓風(fēng)形成的紊氣流在衣下流動(dòng)，使衣下空間尺寸變大，加之人體生理曲面不規(guī)則，紊氣流在衣下以及人體各局段的分布是不均勻的，因此，未來需要合理量化通風(fēng)服各局部區(qū)段的通風(fēng)。

2)雖然已有大量的工作研究了熱環(huán)境中人體表面氣流、熱流的運(yùn)動(dòng)和傳遞機(jī)制，由于聚焦點(diǎn)不同，每項(xiàng)研究在構(gòu)建體表氣流、熱流數(shù)值模型時(shí)采用的理論模型和邊界條件不同，因此研究成果的可比性和適用性對(duì)于通風(fēng)服有待考證。

3)氣體在人體表面流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感，對(duì)于吹風(fēng)感的研究主要集中于建筑環(huán)境中工位送風(fēng)對(duì)熱舒適的研究，而關(guān)于通風(fēng)服對(duì)人體吹風(fēng)感的影響尚未見報(bào)道。這主要有2方面的原因：前人關(guān)注于通風(fēng)服的降溫效果，主要表現(xiàn)為對(duì)熱生理參數(shù)的影響；用主觀熱感覺和熱舒適感來量化熱生理和心理的交互作用，掩蓋了吹風(fēng)感是熱感覺、熱舒適感的起因要素。因此，未來需要對(duì)通風(fēng)服吹風(fēng)感以及通風(fēng)引起的局部和整體熱舒適不勻的問題進(jìn)行深入研究。

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