實(shí)用型散熱童裝的設(shè)計(jì)與性能

郭 虹

（湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湘潭411104）

夏季天氣炎熱，加之兒童活動(dòng)量大，如果不能及時(shí)散熱，就容易在皮膚表面滋生細(xì)菌，進(jìn)而產(chǎn)生疾病，因此，散熱對夏季兒童服裝非常重要.傳統(tǒng)服裝通過選用輕薄面料、減少覆蓋面積、加大開口等方式進(jìn)行散熱，但在短時(shí)間內(nèi)散熱效果不明顯，于是人們開始著眼于智能散熱服裝的研究.目前用于智能服裝的散熱方式主要有相變材料、氣冷式和液冷式三種［1］.

相變材料（PCM-Phase Change Material）是材料本身能隨溫度變化實(shí)現(xiàn)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度過熱時(shí)吸收并儲(chǔ)存熱量，過冷時(shí)釋放熱量，多用于空調(diào)服的研究與設(shè)計(jì)，目前的應(yīng)用主要有以下幾種方式：（1）將相變材料裝入空調(diào)服口袋中［2］，典型的如Steele公司的“Steele vest”；（2）將含有相變材料的微膠囊編織在空調(diào)服中［2］；（3）將相變材料納米纖維埋藏在空調(diào)服織物中［3］；（4）直接采用相變材料制作，如張興祥［4］利用微膠囊技術(shù)將相變材料運(yùn)用在恒溫夾克、恒溫襯衣等產(chǎn)品當(dāng)中；Outlast技術(shù)公司的Outlast?相關(guān)材料，可有效減少出汗，一些用該面料制作的嬰幼兒產(chǎn)品已經(jīng)開始在市場上進(jìn)行銷售.液冷式和氣冷式的基本原理是在服裝內(nèi)部加入相應(yīng)的制冷裝置，最初多被用于航天、軍事、冶金等高溫作業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，比較典型的如Veskimo公司的液體循環(huán)空調(diào)服［5］.有很多研究者也在持續(xù)推進(jìn)該類服裝的改進(jìn)，如牛麗等［6］在消防服中加入液冷循環(huán)管，并測試其降溫效果；毛雷武［7］同樣采用液冷式進(jìn)行消防服的設(shè)計(jì)；孫曉陽［5］以及駱雯等［8］提出新型高效環(huán)?？照{(diào)服；王麗麗等［9］則采用氣冷式設(shè)計(jì)并測試其熱舒適性.

上述智能服裝僅適用于特殊環(huán)境從業(yè)者，尚處于研究開發(fā)階段，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前真正進(jìn)入普通消費(fèi)市場的散熱服裝可以歸納為以下幾類：（1）通過持續(xù)不斷的渦流壓縮空氣達(dá)到降溫效果，適合戶外作業(yè)及活動(dòng)；（2）通過在服裝上安裝風(fēng)扇進(jìn)行降溫，采用電池續(xù)航，可以根據(jù)需求調(diào)整風(fēng)扇功率大小.上述方法主要針對成人，專門針對兒童日常穿著的研究主要集中在Outlast等相變材料，該材料雖然可以用于童裝制作，但與普通服裝面料相比價(jià)位較高.因此本文針對上述情況，提出一款適合兒童日常穿著的低價(jià)位散熱服裝.

1 散熱元件的選擇

針對日常穿著的散熱童裝，需具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：價(jià)位低、重量輕、無安全隱患，且操作簡單，因此考慮采用風(fēng)扇散熱的原理.目前市場上已有的風(fēng)扇類服裝基本是針對成人，如果用于兒童，會(huì)出現(xiàn)以下問題：第一，重量大，由于現(xiàn)有風(fēng)扇和電池本身具有一定的重量，再加上風(fēng)扇以及面料的重量，遠(yuǎn)超過普通兒童夏季服裝重量，詳見表1（表中數(shù)據(jù)以尺碼120 cm（身高）的童裝為依據(jù)進(jìn)行測量）；因此需要配備專用的電池；第二，風(fēng)扇體積大，且為保證散熱效果，風(fēng)扇局部一般會(huì)外露，既影響外觀，又具有一定的安全隱患，黎仁林［10］雖然對風(fēng)扇體積進(jìn)行了優(yōu)化，將直徑控制在70～80 mm之間，但風(fēng)扇仍為外露狀態(tài)；第三，由于是基于戶外等特殊場合，如工裝、戶外服，因面料透氣性本身相對較差，使用風(fēng)扇后，服裝會(huì)由于風(fēng)力鼓起，整體較為臃腫，不適合兒童活動(dòng).

表1 常見童裝重量參考

綜上，要想應(yīng)用于童裝散熱，必須選用體積小、重量輕的風(fēng)扇，為降低成本，選擇市場上現(xiàn)有的微型散熱風(fēng)扇，進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后運(yùn)用于童裝.分別選擇三種風(fēng)扇，測試其實(shí)際散熱效果，詳細(xì)參數(shù)如表2所示.

由表2可以看出，風(fēng)扇重量和體積都比傳統(tǒng)風(fēng)扇小很多，根據(jù)GB 50118-2010《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］、GB3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［12］等的相關(guān)規(guī)定，風(fēng)扇的噪音基本屬于最低級(jí)別，較適合兒童穿著.

表2 風(fēng)扇參數(shù)表

2 散熱性實(shí)驗(yàn)

2.1 熱阻測試

服裝層中因溫度而產(chǎn)生的熱流阻力稱為熱阻，熱阻反映了服裝及其材料具有的隔熱保暖能力，有時(shí)也稱隔熱值或保暖值.表征服裝隔熱性能有多種方法，其中Clo（克羅）是目前國際上的一個(gè)通用指標(biāo)［13］，克羅值越大表明服裝的隔熱性越好，反之，則表明服裝的散熱性越好.

2.1.1 測試方法

測試不同風(fēng)扇的熱阻大小，進(jìn)而選擇合適的風(fēng)扇進(jìn)行試穿實(shí)驗(yàn).考慮到服裝是在炎熱天氣穿著，故將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)為：溫度29℃±2℃，濕度76%±2%.

測試方法如下：測試設(shè)備選用LD—1型服裝保溫及冷感性能測試儀，先將實(shí)驗(yàn)設(shè)備預(yù)熱至35℃，放置試樣，穩(wěn)定1800 s，而后進(jìn)行測試，測試時(shí)間設(shè)定為600 s，每個(gè)試樣分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，最后取測試結(jié)果的均值.測試樣品制作統(tǒng)一采用純色人造棉（100%粘纖），幅寬140 cm，克重158 g/m2，經(jīng)緯密度為112×70.

考慮到人體不同部位對冷熱敏感程度的不同，再結(jié)合穿著的方便性，最終確定在1～7號(hào)位置分別開口或安裝風(fēng)扇，如圖1所示，并測試其Clo值大小.

圖1 測試樣品說明

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)表明，三種不同風(fēng)量的風(fēng)扇，隨著風(fēng)量的增大，散熱量會(huì)有所提高，如表3所示，總體Clo值1號(hào)風(fēng)扇＞2號(hào)風(fēng)扇＞3號(hào)風(fēng)扇，表明散熱情況3號(hào)風(fēng)扇＞2號(hào)風(fēng)扇＞1號(hào)風(fēng)扇.7號(hào)位置的散熱明顯弱于其他位置，對比4號(hào)試樣，腋下位置的直接開口有助于提高散熱，但在腋下加風(fēng)扇（7號(hào)位置）相比在其他更為平面的位置（如3、4、5、6號(hào)位置）散熱效果卻不明顯，說明風(fēng)扇加在較為平面的位置更易于散熱.增加開口會(huì)提高散熱效果，比如3號(hào)和4號(hào)試樣，腋下位置開口（4號(hào)試樣）散熱效果尤其明顯，但過大的開口會(huì)影響穿著，只能在不影響外觀的情況下適當(dāng)采用.

表3 熱阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄

18 19備注6號(hào)位置安裝3號(hào)風(fēng)扇7號(hào)位置安裝3號(hào)風(fēng)扇位置說明詳見圖1，風(fēng)扇編號(hào)見表2 2.795 3.200試樣編號(hào) 試樣說明 Clo值

2.2 試穿實(shí)驗(yàn)

2.2.1 樣衣說明

在熱阻實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行兒童試穿實(shí)驗(yàn)，經(jīng)初步感覺實(shí)驗(yàn)，1號(hào)風(fēng)扇的風(fēng)量感覺不明顯，2號(hào)和3號(hào)風(fēng)扇有明顯感覺，因此，分別選取2號(hào)和3號(hào)風(fēng)扇進(jìn)行進(jìn)一步的測試.由熱阻實(shí)驗(yàn)可知，風(fēng)扇安裝在較為平面的部位散熱效果相對較好，考慮穿著舒適性及活動(dòng)的方便性，最終確定將風(fēng)扇安裝在前后腰附近，如圖2所示，并制作樣衣進(jìn)行試穿實(shí)驗(yàn)，樣衣規(guī)格如表4所示.

表4 樣衣規(guī)格表

圖2 樣衣說明

連衣裙面料采用與同熱阻實(shí)驗(yàn)相同的面料，可以用于夏季日常穿著，在此基礎(chǔ)上，增加可拆卸的散熱裝置，就可以具備散熱功能.散熱裝置包括調(diào)節(jié)開關(guān)、移動(dòng)電源和連接線路，以及微型風(fēng)扇，移動(dòng)電源輸出端通過USB接口和連接線與調(diào)節(jié)開關(guān)進(jìn)行連接，調(diào)節(jié)開關(guān)通過USB接口與連接線和風(fēng)扇進(jìn)行連接，一個(gè)開關(guān)控制兩個(gè)風(fēng)扇.由于有USB的連接，散熱裝置本身各個(gè)部位也可以拆卸.

電池和調(diào)節(jié)開關(guān)均隱藏于腰下部或者胸部口袋里側(cè)（口袋具體部位可根據(jù)款式需要調(diào)整），口袋里側(cè)設(shè)有開關(guān)固定裝置以及開口，移動(dòng)電源、調(diào)節(jié)開關(guān)等均可通過此開口進(jìn)行拆卸或安裝，在服裝反面腰圍線附近，前后片兩側(cè)均設(shè)有風(fēng)扇固定部位，便于對風(fēng)扇進(jìn)行拆卸和安裝，同時(shí)，腰圍下方反面設(shè)有線路隱藏部位，以防止兒童直接接觸線路和風(fēng)扇，如圖2所示.為增加舒適性又不影響散熱效果，風(fēng)扇表面覆蓋一層網(wǎng)眼布.為方便重復(fù)使用，電池可以選擇用于手機(jī)充電的移動(dòng)電源，目前市場有很多小巧輕便的移動(dòng)電源可供選擇，如膠囊型電池，長度接近一枚5號(hào)電池，重量約在15～30 g左右，以尺碼120 cm的樣衣為例，如表4所示，安裝散熱裝置后的總重量約為200 g，由表1可以看出，重量符合日常夏季童裝的重量.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過真人穿著測試樣衣的散熱效果，分別采用2號(hào)風(fēng)扇和3號(hào)風(fēng)扇進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)分兩輪進(jìn)行.選擇6～8歲的兒童10名，每名兒童在相同溫度環(huán)境下進(jìn)行兩輪測試.第一輪實(shí)驗(yàn)，測試者進(jìn)行一定量運(yùn)動(dòng)后，休息一段時(shí)間（約10 min）讓體溫上升后開始測量（因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)后體溫不會(huì)立即上升），穿著沒有安裝風(fēng)扇的樣衣，采用電子體溫表測量腋下溫度的變化，每隔3 min記錄一次，共記錄30 min；第二輪實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行與第一輪實(shí)驗(yàn)相同的運(yùn)動(dòng)，休息一段時(shí)間待體溫與第一輪實(shí)驗(yàn)的初始記錄溫度一致時(shí)，開始測試并記錄腋下溫度，同樣記錄30 min.待所有測試者測完之后，將所有時(shí)間間隔點(diǎn)的數(shù)據(jù)取均值，產(chǎn)生兩組數(shù)據(jù)，不散熱情況下的溫度變化數(shù)據(jù)以及風(fēng)扇散熱情況下的溫度變化數(shù)據(jù).由圖3可以看出，利用2號(hào)風(fēng)扇散熱在前12 min散熱速度明顯，后18 min雖然速度有所下降，但整體溫度還是低于不散熱的情況.

圖3 2號(hào)風(fēng)扇溫度變化趨勢

進(jìn)一步分析上述數(shù)據(jù)，由于上述兩組數(shù)據(jù)均不屬于正態(tài)分布，故采非參數(shù)檢驗(yàn)中的兩個(gè)相關(guān)樣本檢驗(yàn)，非參數(shù)檢驗(yàn)是指在總體不服從正態(tài)分布，且分布情況不明時(shí)，用來檢驗(yàn)不同樣本是否來自同一個(gè)總體的統(tǒng)計(jì)推斷方法［14］.原假設(shè)H0為：增加風(fēng)扇前后的溫度變化來自同一分布的總體；備擇假設(shè)H1為：增加風(fēng)扇前后的溫度變化不是來自同一分布的總體.以2號(hào)風(fēng)扇為例，通過SPSS22.0軟件分析，由于Wilcoxon檢驗(yàn)和Sign檢驗(yàn)的顯著性取值分別是0.007和0.004，均小于0.05，故否定原假設(shè)，認(rèn)為增加風(fēng)扇前后的溫度變化不是來自同一分布的總體，3號(hào)風(fēng)扇的結(jié)果與2號(hào)風(fēng)扇一致，即增加風(fēng)扇后散熱效果顯著.同時(shí)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，樣衣未出現(xiàn)由于風(fēng)力產(chǎn)生的鼓起現(xiàn)象.另外，通過對測試者的問卷調(diào)查：采用2號(hào)風(fēng)扇穿著較為舒適，3號(hào)風(fēng)扇由于體積略大，對穿著有一定影響.

3 結(jié)論

通過上述兩種實(shí)驗(yàn)表明：

（1）在傳統(tǒng)連衣裙上增加風(fēng)扇散熱裝置，隨著風(fēng)量的增加，散熱效果會(huì)明顯增加，如3號(hào)風(fēng)扇＞2號(hào)風(fēng)扇＞1號(hào)風(fēng)扇.風(fēng)扇的體積大小會(huì)對人體舒適性產(chǎn)生影響，如2號(hào)風(fēng)扇舒適性優(yōu)于3號(hào)風(fēng)扇，總體而言，在風(fēng)扇體積在40×40×10至60×60×15之間，風(fēng)扇重量14～35 g左右，由于風(fēng)扇和電池的重量輕，不會(huì)對兒童穿著造成負(fù)擔(dān)，非常適合兒童在夏季穿著.

（2）風(fēng)扇安裝在較為平面的部位，其散熱效果會(huì)好于非平面部位.

（3）針對夏季服裝面料，風(fēng)扇不外露也可以達(dá)到良好的散熱效果.

（4）散熱裝置可以拆卸，便于重復(fù)利用.

（5）可拆卸的散熱裝置，雖然便于服裝的養(yǎng)護(hù)，但拆卸過程具有一定的難度.另外，散熱設(shè)置的安全性也有待進(jìn)一步完善.