電動自行車騎行防寒服的研制與性能評價

鄭 晴， 王昭杰， 王鴻博， 王 敏， 柯 瑩

(1. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學(xué) 設(shè)計學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 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)

電動自行車是綠色出行、緩解城市交通壓力的重要交通工具。相較普通自行車，它有著省時省力和易攜帶重物的優(yōu)勢，在我國擁有巨大的保有量。在冬季低溫的戶外環(huán)境中騎行，冷感和不適感會降低人們的機警性、反應(yīng)速度和肢體靈活度，從而增加了交通事故的風(fēng)險[1-2]。

為了提高電動自行車騎行過程中的熱舒適性，人們普遍會使用各種防寒裝備，如擋風(fēng)被、防風(fēng)衣、手套、護膝等[3-4]。現(xiàn)有防寒裝備,一方面無法做到全身性的冷防護，且對肢體運動有較大的束縛，存在很大的安全隱患;另一方面，新能源技術(shù)的發(fā)展使得電池在體積減小的同時續(xù)航能力提高，從而出現(xiàn)了許多輕便的、可腳踏騎行的電動自行車。于2019年實施的GB 17761—2018《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》也明確提出電動自行車需具備腳踏騎行功能。這使得防風(fēng)被和擋風(fēng)衣等包裹式防寒裝備難以滿足腿部靈活運動的需求。例如江慧芝[5]所設(shè)計的電動自行車冬季防護服，填充有棉絮或羽絨，兼顧了軀干的保暖性和運動靈活性，但腿部的冷防護較為欠缺。宋凌峰等[6]基于防護服標準設(shè)計了上下分體的電動自行車騎行服，針對身體各部位的防護需求調(diào)整了服裝款式和結(jié)構(gòu)。王宏等[7]采用功能化纖維材料在電動車服上添加了護具。上述2款服裝均具備良好的舒適性和安全性，與日常服裝類似，但不便于騎行前后的穿脫，且僅選用具有防水功能的面料，難以滿足冬季保暖的需求。電動自行車騎行防寒裝備設(shè)計對改善騎行者的舒適感、保護身體健康具有重要作用，但現(xiàn)有對此類服裝的設(shè)計研究非常有限，并且缺乏相應(yīng)的性能評價。

本文基于電動自行車騎行防寒裝備在保暖性和肢體靈活性方面的缺陷，對其進行款式結(jié)構(gòu)改良設(shè)計;應(yīng)用功能性面料完成新型電動自行車防寒服的制作;從保暖性和工效性方面對服裝進行評價。本文設(shè)計研究可為國家標準下的電動自行車功能性防護服裝的設(shè)計開發(fā)提供參考。

1 新型防寒服設(shè)計

1.1 材料選擇

防寒服通常采用多層面料組合結(jié)構(gòu)，有利于提高服裝的保暖性和熱濕調(diào)節(jié)性能。最外層具有防風(fēng)、防水等防護功能；中間層是能保留較多靜止空氣的保溫層；最內(nèi)層以具備親膚和吸濕排汗功能為主[8-10]。新型電動自行車防寒服包括外層和保暖層，材料參數(shù)如表1所示。外層需防風(fēng)、防雨,有較好的耐磨性和強度，選用了錦綸塔絲綸織物，正面經(jīng)防水處理，背面濕法涂層，耐水壓超過49 kPa。保暖層面料為針織搖粒絨，具有良好的保暖性和親膚性。保暖層夾棉采用3MTM新雪麗TMG型保溫棉，具有輕薄、柔軟、保暖性高等特點，纖維回潮率小于1%，在潮濕環(huán)境下仍保持良好的保暖性能[11]。Woods R I[12]曾研究了摩托車騎行服厚度與保暖性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在5 ℃環(huán)境下，除防風(fēng)層外的平均服裝厚度應(yīng)達到20 mm?；诖?本文選擇了20 mm厚度的保溫棉作為夾棉層。另外，選用3 cm寬的銀色反光條，在高亮度下380～420 m之間可見，加強夜間騎行的可視性。

表1 新型防寒服材料參數(shù)Tab.1 Parameters of thermal protective clothing

1.2 款式結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型電動自行車防寒服的款式采用分體設(shè)計，包括上衣和褲裝，如圖1所示。上衣和褲裝的保暖層均可拆卸，外層可作為雨衣使用。

圖1 新型電動自行車防寒服款式圖Fig.1 Pattern of novel moped cycling clothing. (a) Front; (b) Side; (c) Rear; (d) Interior

上衣為中長款的H型廓形，該款式分割線少，具有很好的保暖效果[13]。采用搭襟的設(shè)計，在胸部有2層面料，為胸部保暖防風(fēng)，內(nèi)部有繩結(jié)進行固定。領(lǐng)型為防寒服設(shè)計中常用的高立領(lǐng)，設(shè)有魔術(shù)貼，可根據(jù)情況調(diào)節(jié)松緊，對面部進行保暖[14]。為了增加保暖性，應(yīng)盡量減少縫隙，在肩部結(jié)構(gòu)中采用無分割縫的插肩袖設(shè)計，且可以方便手臂運動[14]。腰部設(shè)有抽帶，可調(diào)節(jié)松緊，防風(fēng)保暖。下擺2側(cè)設(shè)有拉鏈，可在電動自行車騎行時打開，便于腿部活動。

與現(xiàn)有的電動自行車防寒裝備不同，針對GB 17761—2018要求，新型防寒服需要滿足著裝者腳踏騎行的需求,因此，為了兼顧腿部的熱舒適感和運動靈活性，設(shè)計了防寒褲裝。該褲裝對腰部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，提高后腰腰高，以避免坐姿騎行時褲后腰下滑。左右側(cè)縫均設(shè)有拉鏈，方便穿脫。在膝蓋處使用了雙層填充棉，加強膝蓋關(guān)節(jié)處保暖。根據(jù)ISO 9920—2007《熱環(huán)境的人類工效學(xué)·服飾整體隔熱和耐水蒸氣性的估計》標準，估算服裝整體的總熱阻為1.53 clo。

2 實驗部分

2.1 測試樣品

本文實驗所測試電動自行車防寒服包括上述所設(shè)計的新型防寒服和一款現(xiàn)有市售的電動自行車防風(fēng)衣。比較現(xiàn)有的各種電動自行車防寒裝備發(fā)現(xiàn)，該市售防風(fēng)衣與本文設(shè)計的新型防寒服款式最為相近，因此將其作為測試實驗的對比樣品。防風(fēng)衣為長袍式的上衣，在背后用魔術(shù)貼開合，無褲裝，如圖2所示。

圖2 防風(fēng)衣款式圖Fig.2 Pattern of wind-proof clothing. (a) Front; (b) Side; (c) Rear

2.2 受試者選擇

利用G*Power(Version 3.1.9.6)軟件計算確定受試者數(shù)量，設(shè)置效應(yīng)量d=1.6，顯著性水平α=0.05，檢驗功效為0.8，得出實驗至少應(yīng)包含6名受試者[15]。因此，本文共招募了6名女性大學(xué)生作為保暖性和功效性評價實驗的受試者，其基本信息如表2所示。

表2 受試者信息Tab.2 Information of subjects

2.3 保暖性評價實驗

保暖性評價實驗在人工氣候室(日本Espec公司)內(nèi)進行。實驗前，受試者在室內(nèi)(25 ℃，50%相對濕度)靜坐至少30 min，達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，感覺不冷不熱且無顯汗。然后，在受試者10個部位的皮膚表面用醫(yī)用膠帶粘貼iButton溫度傳感器(美國Maxim公司，精度為0.062 5 ℃，誤差為±0.5 ℃)，每1 min測量1次皮膚溫度。10個部位分別是前額、左前胸、右上臂、左小臂、左手背、左腹部、右肩胛、左后腰、右大腿前側(cè)和左小腿后側(cè)。受試者穿著相同的純棉長袖T恤、薄羽絨夾克、純棉薄絨長褲、棉襪和運動鞋，根據(jù)實驗需求穿著新型防寒服或防風(fēng)衣。

實驗開始后，受試者進入人工氣候室內(nèi)靜坐10 min，以適應(yīng)氣候室的低溫環(huán)境。氣候室的空氣溫度和相對濕度分別為(5±0.5) ℃和(50±5)%。然后受試者在動感單車上進行30 min的間歇騎行(2 min腳踏和3 min靜坐交替進行)，以模擬電動自行車的騎行狀態(tài)，同時用電風(fēng)扇面對人體吹風(fēng)，風(fēng)速為(4.5±0.5) m/s。圖3為實驗現(xiàn)場照片。

圖3 保暖性評價實驗照片F(xiàn)ig.3 Experimental photo of thermal protection evaluation

實驗過程中，受試者每5 min需進行主觀熱感和熱舒適感的評價。參考ISO 10551—2019《熱環(huán)境人類工效學(xué)·使用主觀判定量表評價熱環(huán)境的影響》，熱感和熱舒適感分別采用7級評價標尺和5級評價標尺，如圖4所示。

圖4 保暖性主觀評價標尺Fig.4 Subjective evaluation scales of thermal protection. (a) Thermal sensation scale; (b) Thermal comfort sensation scale

參考ISO 9886—2004《人體工效學(xué)·熱疲勞的生理學(xué)測量評價》，利用8個不同部位的局部皮膚溫度計算平均皮膚溫度(ts)，如式(1)所示。利用胸部、腹部、肩胛和后腰4個部位的局部皮膚溫度計算軀干皮膚溫度(tb)，如式(2)所示。利用大腿和小腿的局部皮膚溫度計算腿部皮膚溫度(tl)，如式(3)所示。

ts=0.07t前額+0.175t肩胛+0.175t胸部+

0.07t上臂+0.07t小臂+0.05t手背+

(1)

0.19t大腿+0.2t小腿

tb=0.25×(t胸部+t腹部+t肩胛+t后腰)

(2)

tl=0.5×(t大腿+t小腿)

(3)

2.4 工效性評價實驗

本文對新型防寒服和現(xiàn)有市售防風(fēng)衣的工效性評價采用視覺模擬評分法(VAS)[16]。評價指標包括穿脫便捷性和上肢、腿部、軀干在騎行時的活動靈活性。評價游動標尺兩端分別為“0”分和“10”分，“0”分表示“非常不便捷”或“非常不靈活”，“10”分表示“非常便捷”或“非常靈活”。受試者在完成保暖性評價實驗后將主觀感受在評價標尺的相應(yīng)位置標出。

2.5 數(shù)據(jù)分析

運用IBM SPSS Statistics軟件進行數(shù)據(jù)分析。測試變量通過Shapiro-Wilk檢驗，均符合正態(tài)分布。采用配對樣本T檢驗,判斷各時間點的各測試變量在2種服裝條件下是否存在顯著差異。顯著性水平設(shè)為P<0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 保暖性分析

3.1.1 皮膚溫度

穿著新型電動自行車防寒服和現(xiàn)有市售防風(fēng)衣時的平均皮膚溫度、軀干皮膚溫度和腿部皮膚溫度如圖5所示。

圖5 皮膚溫度Fig.5 Skin temperature. (a) Average skin temperature; (b) Torso skin temperature; (c) Leg skin temperature

從圖5(a)可看出，在實驗前10 min的靜坐階段，平均皮膚溫度無明顯下降，均處于32～34 ℃較舒適的溫度范圍，說明在無風(fēng)非運動的狀態(tài)下防寒服和防風(fēng)衣均有較好的保暖性。在10～40 min受試者開始騎行后，由于風(fēng)速增加，且騎行運動促進了服裝內(nèi)的空氣對流散熱，平均皮膚溫度顯著下降后趨于穩(wěn)定。穿著新型防寒服和防風(fēng)衣的平均皮膚溫度在5～40 min區(qū)間存在顯著差異(P<0.05)，前者比后者平均提高了1.2 ℃。

從圖5(b)可看出，穿著新型防寒服的軀干皮膚溫度在5～30 min區(qū)間顯著高于防風(fēng)衣(P<0.05)，但2種服裝條件下的軀干皮膚溫度差值小于0.5 ℃，且在整個實驗過程中均較為穩(wěn)定，說明2款服裝對于上半身的軀干均達到了很好的御寒防護作用。

從圖5(c)可看到，穿著新型防寒服和防風(fēng)衣的腿部皮膚溫度在8～40 min區(qū)間存在顯著差異(P<0.05)。由于騎行中的腿部運動增強了對流散熱，防風(fēng)衣在下肢部位僅有的圍裙式的前片無法有效在腿部周圍形成靜止空氣層而達到保暖的效果，腿部皮膚溫度下降至30.0 ℃。而新型防寒服為滿足腳踏騎行的需求，進行了褲裝設(shè)計。與防風(fēng)衣相比，新型防寒服的褲裝對腿部有較好的保暖效果，騎行過程中，其腿部皮膚溫度僅下降至32.5 ℃。

3.1.2 保暖性主觀評價

圖6示出穿著新型電動自行車防寒服和現(xiàn)有防風(fēng)衣時的熱感和熱舒適感?？梢钥闯?，2種服裝條件下的熱感和熱舒適感評價分值變化趨勢與平均皮膚溫度基本一致，均在15～40 min區(qū)間存在顯著差異(P<0.05)。在騎行過程中，穿著防風(fēng)衣的熱感逐漸下降至-2.0(涼)，熱舒適感最終達到-1.8(接近不舒適)。雖然防風(fēng)衣對軀干部位有較好的保暖作用，但腿部降溫仍顯著影響了熱感和熱舒適感，由此證明了電動自行車防寒服設(shè)計中對腿部保暖的必要性。而穿著新型防寒服的熱感約為-0.6(介于不冷不熱和稍涼之間)，熱舒適感約為-0.9(接近稍不舒適)。由此說明，新型電動自行車防寒服對人體的熱感和熱舒適感均有較好的改善作用。

圖6 保暖性主觀評價Fig.6 Subjective evaluation of thermal protection. (a) Thermal sensation; (b) Thermal comfort sensation

3.2 工效性分析

圖7示出受試者穿著新型防寒服和防風(fēng)衣后對服裝穿脫便捷性和上肢、腿部、軀干靈活性的VAS評分。參考臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)AS評分的分級，本文將評分分為：0～2分為“差”，3～5分為“一般”，6～8分為“良”，大于8分為“優(yōu)”。由圖8可知：新型防寒服和防風(fēng)衣的穿脫便捷性分別為“一般”和“良”(P=0.16)；上肢靈活性均為“良”(P=0.51)；腿部靈活性分別為“良”和“一般”(P=0.04)；軀干靈活性均為“良” (P=0.28)。由于新型防寒服設(shè)計了褲裝，所以其穿脫便捷性低于防風(fēng)衣。但褲裝的設(shè)計顯著增加了腿部的靈活性，且更適合于國家最新標準要求下電動自行車需要腳踏功能的需求。此外，新型防寒服和防風(fēng)衣均有較好的上肢和軀干靈活性。

圖7 工效性VAS評分Fig.7 VAS scores of ergonomic evaluation

4 結(jié) 論

本文設(shè)計開發(fā)了一款新型電動自行車騎行防寒服，通過真人著裝實驗與現(xiàn)有防風(fēng)衣對比，從生理反應(yīng)和主觀感受2個方面評價了服裝的保暖性和工效性，得到以下結(jié)論。

1)新型防寒服的保暖效果優(yōu)于防風(fēng)衣。2款服裝對軀干均有較好的保暖性，但新型防寒服對腿部的保暖性顯著高于防風(fēng)衣。

2)穿著新型防寒服時，人體的主觀熱感和熱舒適感均有顯著改善。

3)穿著新型防寒服和防風(fēng)衣時，上肢和軀干的活動靈活性均較好。新型防寒服由于增加了褲裝，穿脫便捷性低于防風(fēng)衣，但腿部靈活性得到顯著提高。

未來研究可增加受試者的數(shù)量和人群類別，并在實際環(huán)境條件下評估防寒服的應(yīng)用可行性，以供進一步推廣，為電動自行車騎行防寒服及相關(guān)行業(yè)工作服的設(shè)計研究提供參考。