服裝通風設計手段的研究進展

王詩潭， 王云儀,3

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051； 3. 同濟大學 上海國際設計創新研究院， 上海 200092)

服裝通風設計手段的研究進展

王詩潭1,2， 王云儀1,2,3

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051； 3. 同濟大學 上海國際設計創新研究院， 上海 200092)

為探索有效的服裝通風設計手段來提高著裝人體的熱濕舒適性，以服裝熱濕傳遞機制和通風散熱原理為基礎，分別從透氣性面料的配置、服裝開口的設計、可穿戴式通風裝備3個層面解析常用的通風設計手段，并對比不同設計手段之間的作用效應。結果顯示：有效的通風設計手段應在全面分析著裝環境、人體活動和生理特征的基礎上，滿足服裝局部設計差異性和不同設計手段間匹配性的原則。利用計算流體動力學技術明確服裝衣下空間空氣流動規律，量化表征服裝局部的“有效通風”，平衡各種設計手段之間的關系以達到最優通風效果將成為服裝通風設計手段的發展方向。

服裝通風機制； 開口設計方式； 熱濕舒適性； 風箱效應

在人體與周圍環境的熱量交換中，人體趨于一種平衡狀態，即代謝產生的熱量與散失到外界的熱量相適應[1]。著裝人體的熱量散失可通過傳導、對流、輻射和蒸發4種途徑進行。其中，通過服裝系統形成的衣下空間與外界環境的空氣交換運動，帶動皮膚表面的熱量和水蒸汽以擴散或對流的方式向外界環境傳遞，是人體熱量散失的重要途徑，這一過程被稱為服裝通風。

服裝通風散熱問題通常在高溫環境或人體代謝產熱量較高時受到關注，一方面通風可形成衣下空氣對流，促進熱量散失；另一方面，通風可促進汗液蒸發，增加蒸發散熱量。然而，人體在低溫環境進行高強度活動時，同樣會因產熱量增大而出汗，而此時較厚的服裝會阻礙熱量和水蒸汽的散失，形成熱負荷。同時，蓄積的濕氣會增加服裝的潮濕感甚至冷凝，造成運動后的冷感，導致著裝不適[2]。可見，無論是熱環境還是冷環境，著裝均存在通風散熱的需求。

國內外學者[3-4]針對服裝通風設計展開了大量研究。早期多采用透氣性優良的面料或調整服裝開口大小的設計手段。隨著通風測量系統的研發，學者們開始在量化通風性能的基礎上研究衣下空間空氣流動的規律，并探究如何科學地利用通風改善服裝熱濕舒適性。研究結果表明[5-6]，服裝通風受到面料、開口、人體運動、環境風速等多種因素的交互影響，局部差異顯著，相應的設計手段也呈現差異性和復雜性的特點。

本文在分析服裝通風機制的基礎上，探討服裝通風對熱量散失的貢獻及空氣流動的途徑，并分析對比了不同設計手段對通風效應的影響。

1 服裝通風原理

1.1 服裝通風對熱量散失的貢獻

服裝通風的過程，即環境空氣進入衣下空間在衣下流動并重新進入外部環境的過程，如圖1所示。由于人體運動或環境風速的作用，環境空氣不僅會攪亂服裝邊界靜止空氣層，還會透過服裝面料或從服裝開口進入到服裝衣下空間。當外界環境空氣的溫濕度低于服裝衣下空氣溫濕度時，環境冷空氣會在皮膚表面流動形成對流換熱，同時也會降低衣下空氣的濕度，促進汗液蒸發[7-8]。在這一熱濕交換過程中，衣下空氣的溫濕度會逐漸降低，環境冷空氣的溫濕度會不斷升高，當這部分冷空氣再透過服裝面料或服裝開口重新回到外界環境時，將會帶走衣下空間中部分熱量和水蒸氣，由此增加了人體的熱量散失，保持人體熱平衡。

圖1 服裝通風示意圖Fig.1 Schematic of clothing ventilation

1.2 服裝通風散熱的途徑及影響因素

服裝通風散熱的途徑主要有3種[9]：衣下空氣直接透過服裝面料的擴散；衣下空氣通過服裝開口的自然對流；人體運動或環境風速作用下衣下空氣通過服裝開口的強迫對流。可見，面料透氣性、服裝開口設計、人體運動狀態、環境風速等均是影響服裝通風散熱的因素。

相關文獻[10-11]研究表明，當面料具有良好的透氣性或當外界環境有風時，衣下空間與外界環境的空氣交換可直接透過服裝面料進行；隨著人體運動引起的風箱效應，空氣交換將會增加，此時服裝開口成為通風的主要途徑；有風環境下運動是最復雜的情況，環境風與人體運動會對服裝通風產生交互作用。Qian[12]建立了風速(0.22～4.04 m/s)、步速(0～0.8 m/s)與服裝熱濕阻的回歸模型，探索2種因素的影響權重，得出：

式中：IT、RT分別為服裝動態熱阻、濕阻；Ist、Rst分別為靜止且無風狀態下的服裝熱阻、濕阻；KI、KR分別為熱濕阻與風速之間的斜率；Vwind、Vwalk分別為風速和步速。

根據此模型可知，在此環境條件和步速范圍內，步行產生的風箱效應對服裝熱濕阻的影響大于環境風的作用；而當風速超過4 m/s時[13]，風箱效應幾乎不產生影響。

2 面料層面的通風設計

2.1 面料透氣性的作用

面料層面的通風設計，主要集中在面料的透氣性能上。紗線和纖維間隙為空氣流動提供了通道。服裝通風性能與面料透氣性成正相關，環境風的作用會加速通過面料的空氣流動。

Brinbaum等[14]研究了有風或無風條件下，透氣和不透氣防護服裝的通風變化規律。研究發現，無風時，2種服裝的通風指數分別為45.4 L/min和18.61 L/min，有風時(風速大于等于1 m/s)，2種服裝的通風指數分別增加到108.7 L/min和48.7 L/min。

LU等[15]對比了面料和服裝2個層面的通風設計對服裝熱濕阻及人體生理反應的影響，發現通過面料孔隙的氣體交換對降低服裝濕阻及促進汗液蒸發散熱有更重要的作用。Ueda等[16]指出，在低強度運動下，直接通過面料的氣體交換可適度增加蒸發熱散失，降低衣下空間的濕感。

2.2 人體熱生理區域的針對性設計

依據人體的熱生理特點進行面料配置將有助于優化通風效果。Havenith等[17-18]研究并繪制的人體出汗圖譜是服裝熱功能設計的參考。例如，男性出汗圖譜顯示，最高出汗率集中在軀干背部中央、后腰、前中、前胸部位，在這些部位配置透氣性面料將有助于加強通風散熱效應。

HO等[19]研究了運動T恤不同部位(前胸、后背和體側)配置網眼面料對人體散熱的影響。結果顯示，在人體運動狀態下，前胸和后背處拼接網眼面料并不能促進熱量散失，反而會使服裝熱阻值增大，在體側部位垂直設置網眼面料可顯著降低服裝熱阻。研究者認為，服裝懸垂性會導致胸背部衣下空間很小，而運動時這兩個部位出汗量又比較大，此時網眼面料會黏附在皮膚上，導致衣下空氣層厚度接近0，這會削弱面料的透氣性能。為進一步解決此問題，HO等[20]在前胸和后背處采用間隔材料與網眼面料相結合的手段。間隔材料的支撐作用，在人體和服裝間創造出空氣層，而網眼面料提供了空氣運動的通道，兩者結合可形成良好的通風效應。

3 服裝層面的通風設計

服裝層面通風設計的常用手段是服裝開口設計。服裝開口可分為自然開口和設計開口。

3.1 自然開口的作用及量化表征

服裝自然開口是通風散熱的基礎方式，包括領口、袖口、下擺、腳口4個部位。Al-ajmi等[21]從通風散熱角度對阿拉伯長袍的自然開口結構進行了分析。領口、袖口、下擺、門襟等通風口可形成服裝衣下人體皮膚表面的空氣對流，使熱量和水蒸氣通過開口流出，保持著裝舒適性。

Li等[22]研究了消防服的領口、袖口、下擺、腳口等自然開口在打開和束緊狀態下服裝熱阻和透濕指數的變化率，由此來評價通過開口的通風效應對服裝整體熱濕傳遞的影響。結果顯示，服裝開口部位束緊后，服裝熱阻值顯著增大。

Umbach[23]研究了行走狀態下服裝開口打開或閉合時的通風散熱量，將通過開口的散熱量表征為行走狀態下服裝開口打開和閉合時的通風散熱量之差，這為研究服裝自然開口狀態對人體散熱的影響提供了方便。

式中：Iv為通風散熱量；It1為行走時服裝開口打開狀態下的服裝熱阻；It2為行走時服裝開口束緊狀態下的服裝熱阻。

服裝的領口和下擺是衣下空氣流通的主要途徑，沿體表形成的煙囪式熱氣流可通過開口形成人體與環境之間對流散熱，散熱量取決于開口的大小。張向輝[24]提出了服裝開口有效通風面積指標來量化表征運動T恤領口和下擺處開口大小所形成的通風區域，計算方法如下。

AVi=Aclothing-Abody

式中：i為服裝開口部位；AVi為服裝開口有效通風面積，cm2；Aclothing為服裝開口部位截面面積，cm2；Abody為人體相應部位截面面積，cm2。

Reischl等[25]為增強消防服的通風散熱性能，將消防褲設計成背帶連體式，寬松的腰部可在服裝內部形成對流。研究發現，將領口圍度增大40%，可顯著降低衣下微環境的溫濕度，減少熱應激。

袖口和腳口處[26]的通風結構設計常出現在防護服裝和戶外服裝中，采用調節袢、松緊帶、魔術貼、拉鏈等，設計成開口可調節形式。Ke等[6]提出袖口和腳口處的通風只在有風或人體運動情況下才會對手臂和腿部的散熱產生微弱影響，對服裝整體熱傳遞沒有顯著影響。

3.2 設計開口的針對性

為促進人體熱量散失，在服裝上增加開口設計的方法已得到廣泛應用。開口部位的選擇，主要依據衣下空氣流動的規律、人體的生理特點和衣下空間的狀態。

1)基于衣下空氣流動的開口設計。Rudman[27]根據衣下空間空氣流動的規律在肩部和側縫設計了開口，外界環境空氣從側部進入，帶動皮膚表面熱量的流動，再從肩部開口處釋放。Van[28]在摩托車騎行服的肩部設計了凹形立體式的通風口，俯身騎行時，空氣可通過肩部開口進入，并從底擺流出。這類肩部開口的設計都大大提高了服裝通風散熱效果。

2)基于人體生理特征的開口設計。Yasuhiro等[29]研究表明衣下空間相對濕度和出汗率與局部通風值之間存在顯著相關關系(R2=0.9)。此外，有風狀態下，迎面風會從胸部開口進入衣下空間，形成強迫對流，再從背部出口流出，增加對流散熱。

依據人體出汗圖譜，胸背部是常見的設計開口部位。為避免胸部直接地暴露影響服裝整體的美觀性，胸部開口常設計成通風口袋和立體口袋，口袋中使用網眼襯料，打開口袋可實現衣下空間與外界環境間的空氣交換；立體口袋在迎面風的作用下可被吹開，形成立體式的通風口，增加空氣流通[30]。Ueda等[31]探究了雨衣背部開口設計對其通風的影響，發現背部的開口只在有風條件下有助于衣下空間內的氣體交換，因此背部開口多沿著后側縫豎直設計。有些服裝會結合育克的形式將開口橫向設置于后背，使用拉鏈調節，以滿足著裝者對熱量散失動態調節的要求。

3)基于衣下空氣層厚度的開口設計。服裝開口設計直接影響通過開口的對流，而衣下空氣層厚度則直接決定衣下空間內空氣交換的氣流量。Zhang等[32]研究表明當衣下空氣層厚度小于10 mm時，衣下空間內空氣交換的形式主要是擴散，當大于10 mm時，空氣交換顯著增加，對流成為主要形式。人體生理特征和服裝構造的不同會造成服裝局部衣下空間的差異，人體在著裝狀態下，體側部位衣下空氣層間隙較大[33]，外界環境空氣通過開口進入衣下空間，促進衣下空氣的對流散熱，特別在人體運動或環境有風時，可形成顯著的風箱效應。

側縫、袖底部位的開口設計既有通過拉鏈調節的開口，也有直接通過孔眼形成的普通開口。Murray等[34]研究了戶外服裝袖底與側縫同時開口、袖底開口、側縫開口和無開口四種開口部位對人體生理舒適性的影響，結果顯示，袖底與側縫同時開口對人體熱生理舒適性的調節作用最顯著，可有效減緩人體皮膚溫度的上升。張向輝[9]系統地研究了有風(風速為1.0 m/s)、無風(風速小于等于0.2 m/s)及運動不同階段(靜止站立、跑步、休息)狀態下，服裝不同開口設計(無開口、胸部開口、背部開口、腋下開口)對服裝熱阻及人體熱濕生理調節的影響。研究結果表明，腋下開口的服裝熱阻最低，運動狀態下，在胸部和腋下開口有助于增強衣下空氣與外界環境之間氣體交換，增加對流和蒸發散熱，減緩皮膚溫度和衣下濕度升高，腋下開口一定程度上也有助于蒸發散熱，降低衣下濕度。

3.3 服裝通風開口的設計技巧

通過對服裝開口的狀態、大小和部位的研究，可歸納以下設計技巧。

1)在進行服裝開口設計時，要根據環境風速條件和人體運動狀態，充分考慮服裝各局部間的差異性，如針對運動服的通風設計，在側縫部位拼接大面積透氣網眼面料(2 000 cm2或3 000 cm2)再組合胸部開口設計的通風效果最佳。

2)服裝自然開口中領口和下擺的開口設計是重點，袖口與腳口只對局部通風散熱有影響。開口量的大小是影響通風性能的主要因素，根據張向輝[24]提出的開口量化公式，領口有效通風面積為169.06 cm2的大開口再組合下擺有效通風面積為180.91 cm2的中開口或341.67 cm2的大開口設計對人體散熱效果最顯著。

3)對于運動服、戶外服等功能服裝，自然開口無法滿足熱量散失需求時，還需設計額外的開口輔助散熱。此時開口部位的選擇是影響通風散熱效果的關鍵。常用的開口部位包括肩部、前胸、后背、側縫和袖底。

4 通風附加設備設計

對于一些極端環境或需穿著全封閉式防護服時，人體的散熱需采取強制的手段，通過一些可穿戴式的附加設備，將自然狀態的空氣或者經制冷設備產生的冷空氣通過管道或服裝夾層送入人體各部位，空氣在流經皮膚表面時以對流和蒸發的方式對人體強制換熱[35]，換熱效率取決于空氣溫度、濕度、流率、與人體進行熱交換的有效面積等。

附加通風設備由基礎服裝與冷源組成。根據散熱機制的不同可分為蒸發式和對流式，蒸發式即將干燥的環境空氣吹向人體，利用水汽壓梯度促進蒸發散熱，如曾彥彰[36]基于微型風扇的陣列研發了一款人體降溫空調服，將20個4 cm×4 cm的微型風扇編織到衣服內，可對所觸及的皮膚局部進行強化換熱，降溫幅度可達4～8 ℃。蒸發式通風設備的冷卻效率依賴于排汗量的多少，在沒有排汗的情況下，冷卻效果不明顯且容易造成過度出汗身體失水。對流式即將制冷后的空氣吹向人體，利用溫度差促進對流散熱，但由于空氣比熱較小，制冷作用并不顯著。

5 結 語

服裝通風性能是服裝設計和性能評價中的重要參數，直接影響著裝人體的對流散熱和汗液蒸發。尤其在戶外服、防護服等功能服裝領域，通風設計已成為獲得著裝舒適性的關鍵途徑。

服裝通風設計可概括為服裝中有利于換氣散熱的設計元素，包括面料透氣性的合理選擇與科學配置。服裝開口設計和可穿戴式通風設備的附加，不同設計手段形成的通風散熱機制不同，會產生不同的通風效應。

面料層面的熱量散失主要通過布孔和紗線中的纖維間隙，以水蒸氣擴散的方式，適用于環境有風或人體大量出汗條件下的服裝通風設計。服裝層面的熱量散失主要通過服裝自然開口或通風開口，以對流散熱的方式，適用于運動服、戶外服等人體運動狀態下的服裝通風設計。而輔助通風設備主要是為增加人體-環境之間的強制換熱，適用于極端濕熱環境的服裝或密閉服的通風設計。在進行通風設計手段的選擇時，要針對服裝的使用環境和實際熱量散失需求，平衡各種設計手段之間的關系以達到最優通風效果。

未來，可嘗試使用計算流體動力學技術進行衣下空間空氣流動的動態模擬，一方面實現面料或開口途徑通風散熱量的量化區分；另一方面，通過再現通風過程中風向、人體姿勢變化帶來的空氣流動方向的變化，為面料拼接面積、服裝開口角度、開口大小等更精確的通風設計提供科學的依據。

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Researchprogressofdesignmethodsofventilationmechanismofclothing

WANG Shitan1,2， WANG Yunyi1,2,3

(1.Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.ShanghaiInstituteofDesignandInnovation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to explore the effective clothing ventilation design methods to improve wearer thermal and moisture comfort, permeable fabric configuration, clothing opening design and wearable ventilation equipment were summarized on the heat transfer and ventilation mechanism. The influences of different design methods were also compared. The optimal ventilation design methods should be based on the comprehensive analysis of environment, human movement and physiological characteristics to satisfy the principal of local difference and compatibility. Local effective ventilation should be quantified in the future. In addition, air flowing rule should be further clear based on computational fluid dynamics to balance the various design methods and achieve the optimal ventilation effect.

clothing ventilation mechanism; opening design; thermal and moisture comfort; pumping effect

TS 941.16

A

10.13475/j.fzxb.20160902506

2016-09-18

2017-06-15

國家自然科學基金面上項目(51576038)；上海市自然科學基金項目(17ZR1400500)；中央高校基本科研費專項基金項目(17D110714)

王詩潭(1992—)，女，博士生。主要研究方向為服裝舒適性與功能服裝。王云儀，通信作者，E-mail: wangyunyi@dhu.edu.cn。