針織運(yùn)動(dòng)服的通風(fēng)設(shè)計(jì)與熱濕舒適性評(píng)價(jià)

孫岑文捷， 倪 軍,2,3， 張昭華,2,3， 董婉婷

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051； 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

隨著社會(huì)的進(jìn)步與生活水平的提高，人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)服的要求不僅停留在面料、款式上，在改善運(yùn)動(dòng)服舒適性方面的需求也日益凸顯。與日常服裝不同，運(yùn)動(dòng)服在劇烈運(yùn)動(dòng)過程中更容易積累汗液從而導(dǎo)致不舒適，甚至影響運(yùn)動(dòng)員成績，因此在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)服時(shí)尤其要考慮熱濕舒適性。

提高服裝的通風(fēng)性能是改善人體熱濕舒適性的主要手段之一。Ho等[1]研究發(fā)現(xiàn)，僅在側(cè)縫增加寬松量的運(yùn)動(dòng)T恤未能改善通風(fēng)冷卻，因?yàn)槿梭w的前胸與后背仍與服裝貼合接觸，而采用在服裝圍度上均勻加入松量的設(shè)計(jì)可顯著減小服裝的熱阻與濕阻，增加開孔設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高服裝的通風(fēng)冷卻功能。該研究表明要改善服裝的通風(fēng)性能，需要增加通風(fēng)孔與皮膚之間的衣下空間，避免服裝緊密接觸皮膚。隨后，Sun等[2]設(shè)計(jì)了一款在前胸和后上背增加了通風(fēng)孔與菱形凸條的運(yùn)動(dòng)T恤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在有風(fēng)的條件下，新開發(fā)的T恤衫能有效減小人體熱蓄積及衣下濕度，改善熱環(huán)境中的著裝舒適性，但通風(fēng)孔與凸條在改善服裝通風(fēng)效能中各自所發(fā)揮的作用未深入分析。

近年來，人體皮膚的局部熱生理差異逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，如：有關(guān)人體全身皮膚溫度的分布[3]，出汗率的分布[4-5]，暖感覺的分布[6]，濕感覺的分布等[7-8]。根據(jù)人體皮膚表面非均勻的生理區(qū)域分布，選取不同性能的面料拼接在服裝的不同部位[9-10]，實(shí)現(xiàn)服裝的“人體生理映射”設(shè)計(jì)是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究及運(yùn)動(dòng)服市場的新趨勢。有研究發(fā)現(xiàn)，通過在人體高出汗區(qū)域配置網(wǎng)眼布，在其他區(qū)域使用常規(guī)經(jīng)編布的運(yùn)動(dòng)T恤[11]，能顯著降低人體皮膚溫度及微氣候相對(duì)濕度，并提供更佳的熱濕舒適感覺，但采用面料拼接方法設(shè)計(jì)的“人體生理映射”運(yùn)動(dòng)服，由于增加了拼接的縫份，易產(chǎn)生觸感不佳的問題。

為了研究通風(fēng)孔和通風(fēng)道設(shè)計(jì)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)熱生理及主觀舒適感的影響，本文應(yīng)用全成型電腦橫機(jī)，依據(jù)人體出汗分布圖譜，織造出具有不同通風(fēng)孔大小和通風(fēng)道設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)服，并進(jìn)行著裝人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)以下假設(shè)：1)與傳統(tǒng)服裝相比，具有與人體出汗率分布一致的通風(fēng)孔設(shè)計(jì)可有效改善人體的熱生理舒適性；2)在通風(fēng)孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加通風(fēng)道設(shè)計(jì)可進(jìn)一步改善人體的熱生理舒適性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)服設(shè)計(jì)

選取25.6 tex(3 f)的100%棉線，采用電腦橫機(jī)(CMS530，德國斯托爾公司)編織平針、挑洞、凸條3種組織結(jié)構(gòu)的長袖針織衫，如圖1所示。挑洞是橫機(jī)上通過移圈工藝形成孔洞的俗稱，凸條是對(duì)針織面料表面凸起的統(tǒng)稱。款式CloA采用緯平針組織。款式CloB根據(jù)女性人體出汗圖譜[13]，在高出汗率的腋下、后脊柱與前胸采用大挑洞組織；在中等出汗率的上臂與前臂采用小挑洞組織，其他區(qū)域仍采用緯平針組織。款式CloC在CloB有挑洞組織的區(qū)域上，進(jìn)一步增加了凸條組織，創(chuàng)造出通風(fēng)道設(shè)計(jì)。CloB與CloC的通風(fēng)孔面積占上衣總面積的10%左右。

圖1 實(shí)驗(yàn)服款式Fig.1 Style of experimental garments.(a) Style CloA; (b) Style CloB; (c) Style CloC

1.2 受試者

8名健康的女受試者(年齡為(24±1)歲、體重為(56.3±3.01) kg、身高為(161.8±3.11) cm)自愿參加實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前告知受試者詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)流程要求，受試者均有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，每次實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)不攝入咖啡因或酒精，避開生理期。每位受試者2次實(shí)驗(yàn)間隔至少72 h。

1.3 環(huán)境條件

實(shí)驗(yàn)均在恒溫恒濕氣候艙內(nèi)進(jìn)行(溫度為(25±2) ℃，相對(duì)濕度為(45±5)%，風(fēng)速為(0.2±0.2) m/s)，每件實(shí)驗(yàn)服在實(shí)驗(yàn)前至少在氣候艙內(nèi)放置2 h。

為評(píng)價(jià)吹風(fēng)對(duì)服裝熱濕傳遞性能的影響，采用風(fēng)扇從受試者背部正后方吹風(fēng)，風(fēng)扇距離受試者約150 cm，可產(chǎn)生(0.5±0.2) m/s大小的背向風(fēng)。

1.4 測試指標(biāo)

1.4.1 客觀生理指標(biāo)

1.4.1.1平均皮膚溫度和衣下濕度測試 在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段為受試者粘貼溫濕度一體傳感器iButton (DS 1922 L，美國Maxim公司)，從而獲取12個(gè)不同部位的溫度和濕度數(shù)據(jù)(前額、上臂、上胸部、腋下、肩胛骨、后中、胸口、后腰、下臂、大腿、小腿、手背)。

平均皮膚溫度(tSK)根據(jù)ISO 9886—2004《人類工效學(xué) 熱疲勞的生理測量評(píng)價(jià)》測量計(jì)算，計(jì)算公式為

tSK=0.07t前額+0.175t上胸+0.175t肩胛骨+0.07t上臂+

0.07t下臂+0.05t手背+0.19t大腿+0.2t小腿

(1)

式中：帶有下角標(biāo)的t為各部位的局部皮膚溫度，℃。

衣下濕度取iButton測量的各部位濕度數(shù)據(jù)，將人體軀干分成前、后2個(gè)部分，前軀干的衣下濕度取上胸部、腋下和胸口3個(gè)部位的算術(shù)平均值；后軀干的衣下濕度取肩胛骨、后中和后腰3個(gè)部位的算術(shù)平均值。

1.4.1.2出汗量、汗液蒸發(fā)量和汗液蒸發(fā)率測試 人體皮膚出汗量(G1)根據(jù)測試前和測試后的裸體質(zhì)量差異計(jì)算如下：

G1=ΔW1-ΔWresp-ΔW0

(2)

式中：ΔW1為實(shí)驗(yàn)前后受試者裸體體重變化，g；ΔWresp為由呼吸道引發(fā)的質(zhì)量損失，g；ΔW0為呼出CO2和吸入O2之間的質(zhì)量差，g。

汗液蒸發(fā)量(G2)用人體皮膚出汗量減去留在毛巾、服裝以及襪子上的殘留汗液量，計(jì)算公式為

G2=G1-Δm2-Δm3-Δm4

(3)

式中：Δm2為實(shí)驗(yàn)前后的毛巾質(zhì)量差，g；Δm3為實(shí)驗(yàn)前后的襪子質(zhì)量差，g；Δm4為實(shí)驗(yàn)前后的服裝質(zhì)量差，g。

汗液蒸發(fā)率(η1)為人體汗液蒸發(fā)量與出汗量的比值，計(jì)算公式為

(4)

1.4.2 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

受試者采用主觀評(píng)價(jià)量表[11]，對(duì)著裝熱感覺、濕感覺、黏體感及舒適感進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖2所示。熱感覺/濕感覺范圍從-3(非常冷/非常干)到3(非常熱/非常濕)，著裝舒適感/黏體感范圍從0(舒適/不黏體)到4(極度不舒適/極度黏體)。

圖2 主觀評(píng)價(jià)量表Fig.2 Subjective evaluation scales. (a) Wetness sensation scale; (b) Stickiness sensation scale; (c) Thermal sensation scale; (d) Discomfort sensation scale

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

每位受試者共需進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，包括1次最大耗氧量測試和3次正式實(shí)驗(yàn)。受試者以隨機(jī)順序穿著3款服裝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約2 h，2次實(shí)驗(yàn)至少間隔48 h。

首先在準(zhǔn)備艙中，測量受試者的裸體質(zhì)量以及毛巾、襪子的質(zhì)量，隨后在身體12處皮膚表面粘貼溫濕度傳感器，并佩戴心率帶(M600，芬蘭Polar電子公司)，更換實(shí)驗(yàn)服裝后進(jìn)入氣候艙。實(shí)驗(yàn)流程如表1所示。初始階段包括靜立20 min(PD1)，以及在跑步機(jī)上(Mercury，德國h/p/cosmos公司)以5 km/h的速度熱身5 min(PD2)。在運(yùn)動(dòng)階段，受試者以60%的最大耗氧量勻速運(yùn)動(dòng)30 min(PD3)。最后進(jìn)入恢復(fù)階段，包括以5 km/h的速度緩沖5 min(PD4)，以及靜立恢復(fù)20 min(PD5)。實(shí)驗(yàn)過程中，每隔5 min用耳道溫度槍(ET001，貝爾康醫(yī)療器械公司)測量1次耳道溫度，并應(yīng)用主觀評(píng)價(jià)量表記錄受試者的各項(xiàng)感覺評(píng)分。受試者回到準(zhǔn)備艙，快速脫下服裝、襪子并裝入密封袋中，同時(shí)受試者用毛巾擦干身上多余的汗液，再次稱量裸體質(zhì)量、毛巾、服裝及襪子的質(zhì)量。

表1 實(shí)驗(yàn)流程表Tab.1 Experimental flow chart

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)中的2個(gè)自變量為時(shí)間和服裝款式，因變量為耳道溫度、平均皮膚溫度、衣下濕度、心率、出汗量、汗液蒸發(fā)率。使用單因素方差分析檢驗(yàn)服裝款式對(duì)出汗量以及汗液蒸發(fā)率的影響。使用雙因素重復(fù)測量方差分析(F分布)檢驗(yàn)時(shí)間和服裝款式的影響，當(dāng)發(fā)現(xiàn)顯著差異時(shí)進(jìn)行邦弗朗尼兩兩比較。用弗里德曼檢驗(yàn)(χ2分布)分析服裝款式對(duì)熱感覺、濕感覺、黏體感和舒適感的影響。所有檢驗(yàn)中顯著水平均為P(顯著性)<0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 客觀生理指標(biāo)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取每5 min的平均值進(jìn)行分析，并把靜立階段(15～20 min期間)的平均值作為運(yùn)動(dòng)前的基準(zhǔn)值。

2.1.1 耳道溫度、皮膚溫度和心率

圖3示出受試者穿著3件實(shí)驗(yàn)服時(shí)的耳道溫度、皮膚溫度及心率隨時(shí)間的變化值。服裝款式對(duì)各生理指標(biāo)沒有顯著性影響：耳道溫度，F(xiàn)(2，14)=2.44，P=0.12；皮膚溫度，F(xiàn)(2，14)=2.53,P=0.12；心率，F(xiàn)(2，14)= 0.49，P=0.62。

時(shí)間對(duì)各生理指標(biāo)有顯著性影響：在運(yùn)動(dòng)階段，受試者的耳道溫度從運(yùn)動(dòng)前的基準(zhǔn)值(36.8±0.1) ℃顯著增加到(37.1±0.1) ℃，F(xiàn)(2.7，18.3)=5.64，P=0.01；皮膚溫度從基準(zhǔn)值(31.8±0.1) ℃顯著增加到(34.0±0.21) ℃，F(xiàn)(1.68,11.74)=62.65，P<0.001；心率從基準(zhǔn)值(86.1±3.6)次/min顯著增加到(158.3±4.1)次/min，F(xiàn)(1.6，11.1)=89.82，P<0.001。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，受試者的各項(xiàng)生理指標(biāo)逐漸上升，表明生理熱應(yīng)激增加。雖然服裝間的各項(xiàng)生理指數(shù)由大到小為CloA、CloC、CloB的趨勢，但并不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異，說明改變服裝的織造結(jié)構(gòu)沒有起到顯著改善生理應(yīng)激水平的作用。

圖3 耳道溫度、皮膚溫度和心率的平均值Fig.3 Mean values of ear temperature(a), skin temperature (b) and heart rate (c)

2.1.2 出汗量和汗液蒸發(fā)率

圖4示出受試者穿著3件實(shí)驗(yàn)服的平均出汗量與汗液蒸發(fā)率。服裝款式對(duì)出汗量有顯著性影響(F(2,14)=12.22，P=0.001)，穿著款式CloB的出汗量((167.64±18.55)g)顯著低于款式CloC的出汗量((209.89±16.12)g)，而穿著款式CloA的出汗量((182.66±19.76)g)與其他2件服裝間沒有顯著性差異(P>0.05)。根據(jù)暖體假人(Newton，西北測試技術(shù)公司，美國)的測試結(jié)果，3件實(shí)驗(yàn)服CloA、CloB與CloC的熱阻值分別為0.39、0.39、0.48 clo。實(shí)驗(yàn)服CloB因具有通氣孔設(shè)計(jì)且熱阻值較低，人體著裝后的散熱效果較好，而CloC雖然也有通風(fēng)孔設(shè)計(jì)，但因凸條結(jié)構(gòu)增加了服裝的熱阻值，致使其出汗率顯著高于CloC。穿著CloA時(shí)的出汗量與其他服裝之間沒有顯著差異，說明服裝的通風(fēng)透氣性能與隔熱性能共同影響人體的熱生理反應(yīng)，需要綜合評(píng)價(jià)各因素的作用。

圖4 汗液蒸發(fā)效率和出汗量Fig.4 Evaporation efficiency(a) and sweat amount (b)

另外，服裝款式對(duì)汗液蒸發(fā)率也有顯著性影響(F(1.18，8.24)=5.86，P=0.037)，CloB的汗液蒸發(fā)率顯著高于CloA(P=0.023)，而CloC的汗液蒸發(fā)率與其他2件服裝間沒有顯著性差異(P>0.05)。說明人體的汗液蒸發(fā)率也受服裝通風(fēng)性能與隔熱性能的共同影響，CloC的高通風(fēng)與高熱阻特征在人體實(shí)際著裝運(yùn)動(dòng)條件下，并沒有表現(xiàn)出更好的生理熱調(diào)節(jié)性能。以上研究結(jié)果說明，在運(yùn)動(dòng)服的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在控制服裝熱阻值的前提下盡可能地提高通風(fēng)性能。

2.1.3 前后軀干衣下濕度

圖5示出穿著3件實(shí)驗(yàn)服的前軀干與后軀干的衣下濕度。在運(yùn)動(dòng)階段25～55 min期間，服裝款式對(duì)后軀干的衣下濕度有顯著影響(F(2，14)=5.39，P=0.018)，穿著CloB的衣下濕度顯著低于CloA (P=0.032)。CloC的衣下濕度值介于CloB與CloA之間，但并未發(fā)現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)，這可能是由于CloC雖然也具有挑洞組織，但其凸條結(jié)構(gòu)同時(shí)增加了服裝的熱濕傳遞阻力。

圖5 衣下濕度Fig.5 Humidity under experimental garments. (a) Front torso; (b) Back torso

服裝款式對(duì)前軀干的衣下濕度沒有顯著影響(F(2，14)=0.11，P=0.90)。可見，吹風(fēng)方向影響服裝的局部濕傳遞性能，實(shí)驗(yàn)中采用了背向風(fēng)，由于空氣的強(qiáng)迫對(duì)流作用，增加了后背的汗液蒸發(fā)效率，顯著降低了后軀干的衣下濕度。而前軀干由于沒有吹風(fēng)作用，更多溫暖濕潤的空氣積聚在衣下空間內(nèi)，難以通過自然對(duì)流從通風(fēng)孔中散失。可見，在外界有風(fēng)的情況下，挑洞組織能更好地發(fā)揮服裝的通風(fēng)散濕作用。

Sun等[2]認(rèn)為，與普通平針組織的T恤相比，增加了菱形凸條和網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的新型T恤衫可有效減少32%的衣下濕度，但其研究并未說明所改善的通風(fēng)散濕效能，是由于網(wǎng)孔的作用還是凸條的作用。本文研究證明：在外界有風(fēng)的條件下，與普通平針組織的T恤相比，基于人體出汗地圖設(shè)計(jì)的挑洞運(yùn)動(dòng)服(CloB)可顯著降低衣下濕度25%左右；而在CloB基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加凸條設(shè)計(jì)的CloC，僅降低衣下濕度10%左右，這是由于凸起的紋理增加了衣下空氣層的厚度，導(dǎo)致服裝的熱濕傳遞阻力增大。

2.2 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

圖6示出穿著3件實(shí)驗(yàn)服的主觀熱感覺、濕感覺、黏感覺和不舒適感評(píng)分。

圖6 主觀感覺評(píng)分Fig.6 Subjective sensation ratings. (a) Thermal sensation rating; (b) Wetness sensation rating; (c) Stickiness sensation rating; (d) Discomfort sensation rating

在運(yùn)動(dòng)階段(25～55min期間)及恢復(fù)階段(55～80 min)，對(duì)4種主觀評(píng)分進(jìn)行弗里德曼檢驗(yàn)，結(jié)果如下。

服裝款式對(duì)熱感覺的影響在運(yùn)動(dòng)階段有顯著差異(χ2(2，48)=57.350，P<0.001)，穿著CloB的熱感覺評(píng)分((1.58±0.8)分)顯著低于CloA((2.17±1.0)分)與CloC((2.25±0.94)分)；在恢復(fù)階段也有顯著差異(χ2(2，40)=40.574，P<0.001)，穿著CloB的熱感覺評(píng)分((1.26±0.92)分)顯著低于CloA((2.40±0.84分)與CloC((2.34±0.75)分)。CloA與CloC之間未發(fā)現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)。

服裝款式對(duì)濕感覺的影響在運(yùn)動(dòng)階段有顯著差異(χ2(2，48)=16.747，P<0.001)，穿著CloB的濕感覺評(píng)分((1.65±0.8)分)顯著低于CloA((2.29±1.1)分)與CloC((2.05±1.0)分)；服裝款式對(duì)濕感覺的影響在恢復(fù)階段也有顯著差異(χ2(2，40)=40.109，P<0.001)，穿著CloB的濕感覺評(píng)分((1.28±0.6)分)顯著低于CloA((2.46±0.8)分)與CloC((2.26±0.8)分)。CloA與CloC之間未發(fā)現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)。

服裝款式對(duì)黏體感的影響在運(yùn)動(dòng)階段有顯著差異(χ2(2，48)=22.041，P=0.002)，穿著CloB的黏體感評(píng)分((1.71±0.9)分)顯著低于CloA((2.21±1.1)分)與CloC((2.08±1.1)分)；服裝款式對(duì)黏體感的影響在恢復(fù)階段也有顯著差異(χ2(2，40)=16.478，P<0.001)，穿著CloB的黏體感評(píng)分((1.61±0.8)分)顯著低于CloA((2.01±1.0)分)與CloC((2.38±1.0)分)。CloA與CloC之間未發(fā)現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)。

服裝款式對(duì)不舒適感的影響只在恢復(fù)階段有顯著差異(χ2(2，40)=15.630，P<0.001)，穿著CloB的不舒適感評(píng)分((1.65±0.7)分)顯著低于CloA((1.98±0.9)分)與CloC((2.38±0.9)分)，CloA與CloC之間未發(fā)現(xiàn)顯著性差異(P=0.07)，CloA與CloB之間也未發(fā)現(xiàn)顯著性差異(P=0.15)；在運(yùn)動(dòng)階段沒有顯著差異(χ2(2，48)=0.406，P=0.816)。

綜合各主觀感覺評(píng)分結(jié)果可知，3件實(shí)驗(yàn)服裝中CloB的熱感、濕感、黏體感評(píng)分最低，具有挑洞設(shè)計(jì)的服裝CloB由于較好的通風(fēng)透氣性能與較低的熱阻值，具有更好的感覺舒適度，證實(shí)了研究假設(shè)1)，而增加凸條組織的服裝CloC由于熱濕阻力的增加，并未起到進(jìn)一步改善熱濕舒適性的目的，因此實(shí)驗(yàn)駁斥了研究假設(shè)2)。

3 結(jié) 論

本文研究基于人體出汗圖譜，設(shè)計(jì)開發(fā)了3款具有不同編織結(jié)構(gòu)的針織運(yùn)動(dòng)服，探討了針織服裝的通風(fēng)孔與通風(fēng)道設(shè)計(jì)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)熱生理及舒適性的影響，得到以下結(jié)論。

1) 采用針織挑洞工藝設(shè)計(jì)出的通風(fēng)孔服裝CloB，由于孔眼分布依據(jù)人體出汗分布圖譜，在外環(huán)境有風(fēng)的條件下，能顯著增加人體的汗液蒸發(fā)率，減少衣下空氣濕度，同時(shí)受試者的主觀熱、濕、黏體及不舒適感覺也顯著下降。

2) 在孔眼分布的區(qū)域進(jìn)一步增加凸條通風(fēng)道的服裝CloC，由于增加了衣下空氣層厚度，因而增加了服裝的熱濕傳遞阻力，未能起到進(jìn)一步改善人體熱生理及舒適感的作用，因此，在運(yùn)動(dòng)服的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在控制服裝熱阻值的前提下提高通風(fēng)性能。

3) 本文所研發(fā)的“人體生理映射”運(yùn)動(dòng)服，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖表明對(duì)改善衣下空氣濕度及著裝不舒適感有顯著作用，但由于通風(fēng)孔面積僅占上衣總面積的10%，其對(duì)耳道溫度、皮膚溫度和心率等生理指數(shù)未產(chǎn)生顯著影響。