通風服熱舒適性研究現狀與展望

趙蒙蒙， 柯 瑩， 王發明， 李 俊

(1. 上海工程技術大學 服裝學院， 上海 201620； 2. 江南大學 紡織服裝學院， 江蘇 無錫 214122； 3. 香港理工大學 紡織及服裝學系， 香港 999077； 4. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 5. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

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

服裝作為第二皮膚，對于調節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展趨勢。基于服裝人體工效學應運而生的可穿戴式調溫服裝能彌補熱環境中人體生理熱調節的不足，給著裝者帶來額外的保護，如通風服。

通風服早期主要用于軍隊、航天領域，用來減小士兵、航天員所遭受的高溫熱應激(Heat Strain)[8-9]，后來也被應用于室內辦公、戶外休閑、建筑工地等民用領域[10-12]，因此，熱環境中通風服著裝熱舒適機制的研究具有良好的社會價值和經濟效益。本文分析和總結了國內外相關研究成果，重點簡述了通風服熱舒適性的研究方法，展望了未來通風服熱舒適性研究的聚焦點，以期為通風服熱舒適性的研究提供重要的理論參考。

1 通風服的起源

服裝通風的概念最早由Crockford于1972年提出，是指衣下微環境與外界環境間的空氣交換，實現皮膚表面與環境間的熱量交換[13]。20世紀八九十年代，美國陸軍環境醫學研究所將這種概念應用于軍隊裝備中，如圖1所示。通過在軍服中配置微型風扇，利用風扇鼓風產生強制氣流，以減小士兵穿著多層防護服、進行高溫訓練或執行任務時遭受的熱應激，這種類型的服裝被稱為通風服[7]。后來，國內外相繼在這方面開展了大量的研究。

圖1 通風服示意圖Fig.1 Illustration of ventilation clothing

2 通風服熱舒適性研究方法

服裝衣下氣流、熱流的運動傳遞機制受到熱環境、服裝、人體生理熱調控多個因素的影響，是一項復雜、系統的工程問題，如圖2所示。

圖2 人體-通風服傳熱系統Fig.2 Heat exchange of human ventilation clothing

通常采用客觀物理實驗測試法研究環境中通風服的著裝熱舒適機制，包括3種方法：出汗暖體假人法[13-14]、人體著裝測試法[15-17]以及數值模型法。出汗暖體假人測試能客觀表征服裝的熱阻、通風散熱量，但不能表征人體的熱生理指標；真人著裝實驗[18-19]可客觀評價服裝對人體的影響，獲得反映熱舒適的一系列生理指標，但受實驗條件變化影響，且涉及到人體實驗道德準則。真人著裝實驗可重復性差、費用高；數值模型法[20-22]可模擬通風服與人體之間的氣流、熱流交換，但模型的構建受到通風物理參數、熱環境和服裝多個因素的影響。

3 客觀物理實驗法

3.1 服裝整體通風

早期研究人員主要致力于服裝整體通風量化，通常采用示蹤氣體法測量獲得。用一種擴散性能與空氣接近但更容易觀測的氣體作為示蹤氣體，通過監測衣下空間氣體濃度的變化得到通風量。示蹤氣體法主要有Crockford的非穩態法[13]和Havenith的穩態法[23]。前者的測量分2步：測量衣下空間的體積及測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到平衡，由于通風引起的示蹤氣體排出量等于注入量。前者測量步驟較多，較后者復雜。

3.2 服裝局部通風

由于服裝、人體局部的差異，局部通風測量成為后來的關注焦點。2006年，Ueda等[24]基于Crockford的方法建立了局部通風測量裝置，可測量襯衫前胸、后背和上臂的通風量。該方法僅限于服裝局部通風，若要獲得服裝整體通風，則需要重新設計裝置系統。之后，柯瑩等[25]基于Havenith的方法改進了測量裝置，采用N2作為示蹤氣體，可同時或單獨測量服裝前胸、后背、左右臂的通風量，如圖3所示。該方法還可通過加權平均法計算獲得服裝整體通風。

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

3.3 通風服降溫性能

通常采用出汗暖體假人實驗來測試和評價通風服的降溫性能。Zhao等[11]通過出汗暖體假人實驗測試了風扇安裝于服裝不同部位和不同開口條件下的通風服降溫效果。研究發現：風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；風扇安裝于衣身某局部部位時，相應部位的散熱量最高。

由于采用微型風扇的通風服使用條件有限，Lu等[12]研究了風扇和相變材料(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驗發現，通風極大地提高了蒸發散熱，PCM和風扇組合的降溫服可發揮2種不同冷源的降溫優勢。

Yi等[13]研究了采用2種不同通風系統(供電源為AA電池和鋰電池)的通風服的降溫效果，結果表明：供電壓不同導致風扇的通風強度不同；鋰電池帶來的通風率、可持續降溫時間和軀干散熱明顯高于AA電池。

Wang等[14]也通過設置2種不同的控制模式，采用出汗暖體假人實驗研究了不同降溫服裝的降溫效果。由于實驗條件的設置不同，這些采用出汗暖體假人實驗進行通風服熱舒適性的研究可比性較差。

4 人體著裝實驗法

人體著裝實驗是最直接、最客觀的評價通風服對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。人體著裝實驗又分為人工氣候室模擬法與室外現場實驗法。人工氣候室可模擬不同的冷熱環境，實驗條件易控制、誤差小；室外現場實驗受氣候條件的影響，實驗條件誤差較大，成本較高。

4.1 人工氣候室模擬法

Hadid等[15]分別在40 ℃高溫、40%相對濕度與35 ℃高溫、60%相對濕度的人工氣候室中，評價了受試者穿著士兵作戰服、通風背心(通風量為360 L/min)時的熱應激。Chinevere等[16]通過設置3種高溫環境，研究了穿著士兵作戰服中的通風背心(通風量為1.1 m/s)時的降溫效果。2項研究都通過測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和主觀感覺來進行，研究表明這幾種環境條件下受試者的熱應激均得到降低。

4.2 室外著裝測試法

Song等[17]通過人工氣候室模擬了34 ℃的高溫室內辦公環境，研究了穿著通風和PCM組合的降溫服對熱舒適的影響。研究發現，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驗，研究了夏季香港地區建筑工地、環衛清潔、機場服務人員穿著類似的降溫服對熱舒適的影響。通過測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服時的熱感覺。

如前所述，由于熱環境條件設置不同，這些研究結果的可比性有待考證。

5 通風服-人體數值模型法

5.1 服裝傳熱模型

自從Henry[26]首次提出動態條件下織物的熱傳遞模型后，國內外研究人員在服裝傳熱機制方面開展了大量的工作，模型的構建也越來越復雜。

Farnworth[27]基于出汗熱平板儀實驗，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流以及因人體運動產生的強制對流加入模型中。Ghali等[29]將織物簡化為多個纖維圓柱體的組合，建立了強制氣流下的織物傳熱模型，如圖4所示。該模型將織物簡化為多個纖維交織在一起的組合，假設每根纖維為一個長圓柱，圓柱由內部的固態纖維層(內層)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。

L表示織物長度；W表示織物寬度。圖4 織物纖維通風傳熱模型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流散熱的影響，建立了衣下微氣候數值傳熱模型。研究發現，衣下空氣厚度對熱傳遞的影響比較大。

5.2 人體傳熱模型

上述數值模型關注的都是服裝與環境之間的熱量傳遞，未考慮人體的熱生理調控。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分開來。研究人員基于Pennes的生物傳熱方程，將人體熱生理調控加入模型中。通過將人體劃分為不同的節段，加入血液循環，構建了多節點、多維的人體傳熱模型，例如Gagge等[32]的2節點模型、Tanabe等[33]的多節點模型。

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，可預測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 通風服-人體傳熱模型

通風服作為具有調溫功能的服裝，是當前的研究熱點。李珩等[9]分析了全身通風條件下的人體-通風服傳熱模型。

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

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

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

6 研究展望

1)通過示蹤氣體法測量可獲得服裝某局部區段的通風量，然而對人體其他重要部位，如頸部、腹部等對通風刺激敏感的部位的通風量的測量尚未研究。其次，風扇鼓風形成的紊氣流在衣下流動，使衣下空間尺寸變大，加之人體生理曲面不規則，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服各局部區段的通風。

2)雖然已有大量的工作研究了熱環境中人體表面氣流、熱流的運動和傳遞機制，由于聚焦點不同，每項研究在構建體表氣流、熱流數值模型時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于通風服有待考證。

3)氣體在人體表面流動會產生吹風感，對于吹風感的研究主要集中于建筑環境中工位送風對熱舒適的研究，而關于通風服對人體吹風感的影響尚未見報道。這主要有2方面的原因：前人關注于通風服的降溫效果，主要表現為對熱生理參數的影響；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，掩蓋了吹風感是熱感覺、熱舒適感的起因要素。因此，未來需要對通風服吹風感以及通風引起的局部和整體熱舒適不勻的問題進行深入研究。

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