多孔式通風(fēng)服衣下空氣層的定量研究

錢 靜， 趙蒙蒙， 黨天華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 上海 201620)

通風(fēng)服是指在炎熱的環(huán)境中，通過在服裝與人體之間的微環(huán)境內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)加快衣下空氣層內(nèi)氣體流動，從而改善人體舒適性的服裝。服裝衣下空氣層對于通風(fēng)服的散熱降溫性能具有重要影響[1-2]。人體皮膚與衣服內(nèi)表面之間氣隙的大小和分布，可極大地改變服裝衣下微氣候以及流動范圍內(nèi)的熱量和質(zhì)量傳遞[3-5]。受織物性能[6-8]、服裝款式[9]、身體姿勢[10]和運動[11]等因素的影響，衣下空氣層的厚度及其分布并不均勻[12]。

Lee等[13]通過相移摩爾形貌法作為三維掃描工具來定量測試服裝微氣候的空氣體積。Psikuta等[9]對一系列緊身和寬松服裝款式進(jìn)行測量，對人臺和著裝人臺模型進(jìn)行三維掃描，并通過三維掃描后處理確定其表面之間的距離；之后提出了一種評估2種類型三維掃描儀精確度的方法，進(jìn)一步拓展了三維掃描儀及其后處理方法在服裝測量中的應(yīng)用，如測定用于試穿、防護(hù)和功能性評價的服裝的空氣層厚度和接觸面積[14]。Kim等[15]利用三維人體掃描儀圖像來確定服裝局部和整體的空氣層分布，并對單層和多層服裝系統(tǒng)的空氣層尺寸進(jìn)行量化，認(rèn)為三維人體掃描儀能夠提供人體表面的精確圖像。在測量服裝衣下空氣層時，三維人體掃描法能夠更加真實地反映服裝衣下空氣層分布的情況并具有較好的可重復(fù)性[12,14,16]。將三維人體掃描技術(shù)應(yīng)用于服裝研究領(lǐng)域，可對空氣間隙厚度和接觸面積分布進(jìn)行詳細(xì)的可視化和量化[17]。

在之前針對服裝衣下空氣層進(jìn)行的研究工作中，并未考慮在服裝內(nèi)部施加強(qiáng)制通風(fēng)的情況。本文研究基于三維人體掃描法，評估了通風(fēng)服風(fēng)扇風(fēng)速和開口面積與通風(fēng)服衣下空氣層體積和平均空氣層厚度的關(guān)系，然后針對胸部及腰部這2個特征較為明顯的部位，分析了空氣層的分布特性，為通風(fēng)服裝的設(shè)計和熱舒適性能的改善提供依據(jù)和參考。

1 人體掃描實驗

1.1 通風(fēng)服設(shè)計

本文實驗所使用的通風(fēng)服為長袖夾克，其背部有2個直徑為10 cm的風(fēng)扇。長袖夾克的面料為棉/滌綸(91/9)斜紋機(jī)織面料，尺寸為：胸圍 108 cm、 肩寬44 cm、袖長57 cm、腰圍72 cm、臀圍102 cm。 2個風(fēng)扇由4節(jié)2 300 mA的 AA 電池供電。打開風(fēng)扇電源，使用Kanomax 6606熱式風(fēng)速儀測量風(fēng)扇風(fēng)速，每個檔位重復(fù)測量 5次， 得到高檔和低檔的平均風(fēng)速分別為5.0和 3.8 m/s。 選取5款大小和款式都相同的服裝,但其開口位置在不同的軀干部位，開口位置和大小分別為：款式A無開口，款式B背部有6個直徑為10 mm圓形開口，款式C背部有6個直徑為5 mm圓形開口,款式D正面左右、背部各有6個直徑為10 mm圓形開口,款式E正面左右、背部各有6個直徑為5 mm圓形開口，如圖1所示。

圖1 服裝的款式及開口方式示意圖Fig.1 Picture of clothing style and opening pattern. (a) Style A; (b) Style B; (c) Style C; (d) Style D; (e) Style E

1.2 三維掃描儀

本文使用的博克人體三維掃描儀由紅外攝像頭和紅綠藍(lán)三原色(RGB)攝像頭組成的體感器作為掃描組件，對人體進(jìn)行無接觸掃描測量，如圖2所示。博克三維人體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由掃描設(shè)備和三維人體掃描軟件2個部分組成，通過軟件控制攝像頭的上下移動和轉(zhuǎn)臺的360°轉(zhuǎn)動，對人體進(jìn)行全方位的掃描，生成真人等比例的人體三維模型[18]。

1.3 三維人體掃描

選擇胸圍為92 cm、腰圍為72 cm的女體上半身人臺進(jìn)行掃描。使用魔術(shù)貼閉合服裝下擺與人臺，打開風(fēng)扇電源，等待30 s使風(fēng)速趨于穩(wěn)定。在連接了掃描儀的電腦中將博克三維人體采集軟件打開并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，將人臺放置在掃描儀的轉(zhuǎn)臺上，使用軟件將攝像頭調(diào)整至適宜高度；在操控板中打開通信接口，點擊“掃描”按鈕開始掃描；等待掃描完成，時間約為90 s，觀察掃描后得到的模型是否有嚴(yán)重缺失或者冗余部分；最后，將著裝人臺放置在轉(zhuǎn)臺上重復(fù)以上步驟，并將掃描完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.obj或.stl格式。實驗設(shè)計方案如表1所示。使用不同開口方式的通風(fēng)服，在不同風(fēng)扇風(fēng)速狀態(tài)下進(jìn)行以上步驟，每種實驗情況重復(fù)掃描3次。

圖2 博克三維人體掃描儀Fig.2 Bok human body three-dimensional data acquisition system

表1 掃描實驗的設(shè)計方案Tab.1 Design list of scanning tests

2 模型擬合分析

將掃描得到的人臺模型和著裝人臺模型導(dǎo)入Geomagic Control 2014軟件中進(jìn)行后處理[9,19-20]，填充模型中缺失的部位獲得封閉模型，使用平滑工具得到表面光滑的模型以便后續(xù)進(jìn)行比較。圖3示出空氣層模型擬合過程。將測試模型(著裝人臺)與參考模型(人臺)盡可能對齊，然后進(jìn)行三維比較得到平均空氣層體積、厚度數(shù)據(jù)以及空氣層分布圖；在三維比較的基礎(chǔ)上選擇腰部和胸部2個部位進(jìn)行二維空氣層厚度比較[21]，并將比較結(jié)果導(dǎo)出。

圖3 空氣層模型擬合過程Fig.3 Process of fitting air layer model

將著裝人臺體積減去人臺體積得到服裝衣下空氣層的體積，計算公式為

Vair=Vcl-Vbody

式中：Vcl為著裝人臺的體積,cm3；Vbody為人臺的體積,cm3；Vair為空氣層體積,cm3。

3 結(jié)果與討論

3.1 空氣層厚度與體積的影響分布

通過數(shù)據(jù)處理得到不同風(fēng)速和不同開口面積情況下，服裝空氣層體積均值、服裝與人體之間的空氣層厚度，以及胸部和腰部與人體之間的空氣層厚度。圖4示出開啟風(fēng)扇前后側(cè)面空氣層對比圖。針對通風(fēng)服的衣下空氣層，除上述影響因素外，在服裝內(nèi)部施加強(qiáng)制通風(fēng)可明顯地改變空氣層大小及分布。

圖4 開啟風(fēng)扇前后側(cè)面空氣層對比圖Fig.4 Comparison of air layer on side of garment with fan off (a) and on (b)

圖5示出不同條件下通風(fēng)服的平均空氣層厚度。本文研究通風(fēng)服的平均衣下空氣層厚度差在18～30 mm范圍內(nèi)。Lu等[22]得到單層連體防護(hù)服的氣隙厚度在25～35 mm之間。

圖5 不同風(fēng)速和開口面積情況下平均衣下空氣層厚度差Fig.5 Average air gap thickness under different wind speed and opening area conditions

根據(jù)Mah等[12]的研究結(jié)果，女性防護(hù)服整體的平均厚度為18.5 mm，該結(jié)果與本文實驗結(jié)果中未開風(fēng)扇條件(T3、 T6、T9、T12和T15)下實驗結(jié)果相近。當(dāng)開口面積相同時，風(fēng)扇的風(fēng)速越大，空氣層越厚；而在風(fēng)速相同情況下，開口面積所導(dǎo)致的空氣層厚度差異并不明顯。運用Statistic Version 24.0軟件，分別對風(fēng)速和各變量以及開口面積與各變量之間進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示。可知，風(fēng)速與空氣層體積、整體平均空氣層厚度有效值以及腰部與胸部的平均空氣層厚度之間都顯示出正相關(guān)關(guān)系，且具有統(tǒng)計學(xué)意義(顯著性水平p<0.01)。開口面積與各變量均值之間的相關(guān)性并不顯著(p>0.05)。根據(jù)Zhao等[23]研究發(fā)現(xiàn)全身降溫、局部降溫以及服裝的動態(tài)蒸發(fā)阻力與服裝的開口設(shè)計及位置之間沒有顯著性差異，這與本文的結(jié)論相符。

3.2 空氣層分布的影響分析

3.2.1 整體空氣層分布

圖6示出不同款式人體軀干空氣層分布圖。

表2 風(fēng)速和開口面積對衣下空間的影響Tab.2 Influence of wind speed and opening area on microclimate

圖6 不同款式服裝人體軀干的正面和背面空氣層分布Fig.6 Distribution of air layer thickness on torso part in different ventilation garments in front and back view. (a) Front of style A; (b) Back of style A; (c) Front of style B; (d) Back of style B; (e) Front of style C;(f) Back of style C; (g) Front of style D; (h) Back of style D; (i) Front of style E; (j) Back of style E

由正面分布圖可看出，當(dāng)風(fēng)扇關(guān)閉時，由于服裝面料下垂在腹部形成褶皺處的空氣層較厚，呈現(xiàn)出較為規(guī)則的圓柱形。然而，Psikuta等[9]研究結(jié)果顯示，當(dāng)衣服懸垂下垂時空氣間隙很可能會變小，而不是在身體部位形成一個規(guī)則的圓柱體。造成這種差異的原因可能是本文實驗服裝后背的2個風(fēng)扇質(zhì)量的牽扯加之服裝下擺使用魔術(shù)貼閉合方式，使得褶皺的形狀更加規(guī)則。一方面，正如預(yù)期的那樣，風(fēng)扇開關(guān)與否能夠明顯地影響空氣層的厚度和分布情況；另一方面可觀察到，開孔的位置和大小并未對空氣層造成明顯影響。風(fēng)扇打開之后，腰、腹部、手臂和中背部的空氣層明顯增大，且分布更加均勻。隨著風(fēng)扇風(fēng)速的增加，紅色區(qū)域在背面所占比例增加，即空氣層的厚度增大，其中氣隙最大的部位始終分布于人體的中背部。

3.2.2 局部空氣層分布

在三維比較的基礎(chǔ)上，選取位置為與系統(tǒng)坐標(biāo)軸Z軸距離為353 mm的腰部和距離為530 mm的胸部這2個特征較為明顯的部位，比較其在不同條件下二維空氣層分布，分析這2個部位的空氣層厚度、分布情況以及空氣層的平均厚度的差異。圖7示出不同款式服裝人體胸部和腰部空氣層分布圖。

圖7 不同款式服裝人體胸部和腰部空氣層分布圖Fig.7 Air gap distribution maps at waist and chest level in different style ventilation garments. (a) Waist of style A;(b) Chest of style A; (c) Waist of style B; (d) Chest of style B; (e) Waist of style C; (f) Chest of style C;(g) Waist of style D; (h) Chest of style D; (i) Waist of style E; (j) Chest of style E

由圖7可以看出，與其他身體部位相比，下背部、腰部和腹部等身體部位的氣隙較大，風(fēng)扇打開時胸部和腰部的平均空氣層明顯增大，這些部位的空氣層厚度隨著風(fēng)扇風(fēng)速的增大而增大，且分布得更加均勻，服裝的穿著情況和人體表面的曲面形狀會對空氣層的厚度和分布產(chǎn)生較大的影響。然而無論是改變風(fēng)扇風(fēng)速還是開口面積，對前胸部位的空氣層厚度及分布并沒有發(fā)生明顯的改變。

圖8示出腰部和胸部空氣厚度差?？煽闯?，是否打開風(fēng)扇對于胸部和腰部這2個部位的空氣層厚度相差較大。風(fēng)扇關(guān)閉時腰部空氣層厚度是胸部的2倍；當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時2個部位空氣層厚度的差異逐漸減小。除對照組服裝，其他4件服裝在低風(fēng)速與高風(fēng)速條件下胸部與腰部的空氣層厚度沒有明顯差別。

圖8 腰部和胸部空氣厚度差Fig.8 Average of air gap at waist and chest level

4 結(jié) 論

風(fēng)扇風(fēng)速和服裝的開口方式會對服裝的衣下空氣層產(chǎn)生影響。本文使用5款開口面積和位置不同的通風(fēng)服，在9個不同狀態(tài)下進(jìn)行三維掃描，使用逆向工程軟件Geomagic Control對掃描文件進(jìn)行處理，并使用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

在通風(fēng)服衣內(nèi)微氣候施加的強(qiáng)制通風(fēng)能夠改變整體和局部的衣下空氣層厚度，且會使空氣層的分布變得更加均勻。通風(fēng)服風(fēng)扇風(fēng)速會顯著影響空氣層的體積以及整體和局部的空氣層厚度，然而開口面積沒有產(chǎn)生顯著影響。是否打開風(fēng)扇對于胸部和腰部這2個部位空氣層厚度的影響較大，然而風(fēng)速的大小對這2個部位的空氣層厚度的影響并不明顯。