管道式通風服頭部與軀干部位的熱濕舒適性評價

張昭華， 李璐瑤， 安瑞平(. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 20005； 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)

當處于熱環境中時，人體與外界的熱交換受到限制，導致體內熱量無法有效排出，從而產生熱蓄積，易引發機體病變甚至危及生命[1-2]。汗液蒸發散熱是人體在熱環境中的主要散熱途徑，如果沒有外部設備的幫助，人體產生的汗液大部分會從身體滑落，只有少量能夠提供有效的蒸發散熱[3-4]。使用可穿戴式降溫服裝能夠有效彌補生理調節的不足，幫助人體維持熱平衡狀態。

常見的降溫服裝大都是作用于軀干，借助的手段主要有液冷、風冷、相變材料制冷等[5-6]。但頭部也是人體的高產熱部位，頭部的熱感變化對整體熱感有較大的影響[7-8]。丁千茹[9]研究了非均勻環境下身體各局部熱感對整體熱感的影響權重發現，頭部的權重值為0.16，僅次于前胸(0.18)和后背(0.18) 部位，因此，在個體降溫裝備的設計中對頭部進行降溫是非常有必要的。文獻[10-11]對自行車運動員的騎行頭盔進行了研究，通過設置特殊的開孔或內置降溫物，能夠促進賽車手在騎行過程中頭部的汗液蒸發，降低頭部熱感和不舒適感。梁國治等[12]利用相變材料研制了一款礦用降溫安全帽，通過仿真試驗證實了該降溫帽可在高溫高濕工作環境下實現作業人員的防暑降溫，有效緩解穿著者的胸悶、頭暈、乏力等癥狀。Wickwire等[13]研究了一款可放置于防彈頭盔中的冷卻墊發現，冷卻墊的使用使受試者感覺更加涼爽，有效緩解了受試者整體熱應激，提高了頭部的熱舒適感，但其有效時間較短。液冷、相變材料制冷等方式因設備自身的質量較大，會增加頭部負擔，易引起使用過程中的不適感，相比之下風冷在具有較好降溫效果的同時可避免這些問題。

在降溫設備的實際使用中，提升降溫介質的利用效率是節約能源、保護環境的必然要求；優化降溫方式可實現在有限的降溫介質下創造更好的降溫效果。為此，本文試驗制作了一款能夠同時對軀干與頭部供風的管道通風服，對比供風量相同的情況下，僅軀干降溫和軀干聯合頭部降溫的效果差異。

1 試驗部分

1.1 試驗設計

本文試驗設計僅軀干降溫(V)和軀干聯合頭部降溫(VH)效果的對照試驗。每位受試者均需完成上述2種試驗，試驗的先后順序遵循隨機原則，2種試驗之間需間隔至少48 h，且在自然日的同一時間段進行，避免人體生理節律對試驗數據的影響[14]。試驗開始前，預先向受試者簡單介紹試驗流程，使受試者按照要求穿戴試驗服裝并佩戴測量設備。

試驗在氣候艙內進行，設置溫度為30 ℃、相對濕度為40%、風速為0.4 m/s，以模擬熱環境。每次試驗時長1 h，分為3個階段：階段R，時長20 min，受試者靜坐適應氣候艙環境；階段E1，時長10 min，受試者在跑步機上以8 km/h恒定速度跑步熱身；階段E2，時長30 min，受試者穿戴上通風服裝，繼續進行速度為8 km/h的跑步運動。每次試驗結束后，受試者需在氣候艙內停留至少20 min以恢復體力。

試驗中使用紐扣溫度傳感器記錄受試者的皮膚溫度，采樣頻率為1次/min。使用耳溫槍測量受試者的耳道溫度，使用心率帶測量受試者心率，耳溫與心率的測量頻率均為1次/(5 min)。試驗中每隔5 min 讓受試者填寫主觀熱、濕、舒適感覺評價量表。

1.2 受試者選擇

挑選8名男性大學生參與試驗。受試者身體健康，年齡為(23±1)歲，身高為(176±2) cm，體重為(64±6) kg， 身體質量指數(BMI)為(20.7±1.7) kg/m2。 根據DuBois計算公式[15]得到受試者體表面積為(1.78 ± 0.07) m2。

受試者需在試驗前24 h內保證正常合理飲食和充足的睡眠，不能攝入咖啡、酒精或者服用藥物，保持情緒穩定，不可進行劇烈運動，以確保試驗當天有良好的身體狀況。試驗前0.5 h內不得進食。

1.3 通風服與工作服設計

針對電焊工人等工作場景，由于工位固定，移動范圍較小，使用管道式通風背心可滿足需求。按照175/92A號型，胸腰圍108 cm、衣長50 cm制作通風背心。背心為雙層結構，外層采用不透氣的100%棉加聚氨酯(PU)仿皮涂層，內層為透濕透氣性良好的100%滌綸網眼面料。通風管道選取柔韌性好、質輕的透明硅膠軟管，在管道靠近身體一側打孔，使風能垂直吹向皮膚。

由于人體后背靠近脊椎部位出汗量最多，將通風管道主要排列在此區域(P2～P5)，另設2支管道(P1， P6)從肩部經過，彎折至前胸。對于腹部這一敏感易受涼區域不放置通風管道。試驗選取內徑為12 mm的管道，按孔間距為10 mm、孔徑為3 mm均勻打孔，其中P2～P5整段打孔，P1、P6僅在前胸部區段打孔，如圖1(a)所示。

圖1 通風服管道連接方式Fig.1 Pipe connection method of ventilation garment. (a) Vest; (b) Hat

通風帽選用普通棒球帽制作，如圖1(b)所示。棒球帽體前1/3與帽檐部分為純棉材質，帽體后2/3 為透氣網眼材料。將通風背心的管道P4替換為P4′， 裝在帽體內為頭部供風。P4′主干道沒有通風孔，僅末端環形管道有通風孔。

2種試驗條件下，受試者內穿全棉T恤，外穿材質為滌綸/棉(65/35)的普通勞防工裝。在運動階段E1與E2內，V條件下受試者需在T恤外另穿通風背心，VH條件下需穿戴通風背心和棒球帽。2種試驗條件的總通風量(9 L/s)一致，通風帽內有效風量為1.5 L/s。

1.4 供風裝置設計

試驗所用供風裝置如圖2所示。選取氣流量穩定的單相可調速STPT600型鼓風機(史丹利五金工具有限公司)，依靠ZADY6000X型調速器(蘇州正控自動化科技有限公司)實現風量的精準控制。使用高精度渦街流量計(上海馳控自動化儀表有限公司)連接鼓風機實時監測風量大小，通過管道將風輸送至通風背心及帽內實現衣下通風。

圖2 通風服的供風裝置Fig.2 Air supply equipment of ventilation garment

1.5 測試指標

1.5.1 客觀生理指標

1)皮膚溫度。皮膚溫度的測試部位包括額頭(A)、 胸(B)、背(C)、上臂(D)、小臂(E)、手(F)、 大腿(G)、小腿(H)、腹部(I)以及后腰(J)。測試點位置如圖3所示，全部位于人體右側。

圖3 溫度傳感器粘貼點Fig.3 Location of temperature recorder on skin.(a) Front; (b) Back

人體全身的平均皮膚溫度采用下式[16]計算：

TSK=0.07(T額頭+T上臂+T小臂)+0.175(T胸+

T背)+0.05T手+0.19T大腿+0.2T小腿

人體軀干平均皮膚溫度采用胸部、背部、腹部和后腰的平均值。

2)汗液蒸發量和汗液蒸發率。分別按照下式計算汗液蒸發量和汗液蒸發率：

G1=G-G2-Δmres

式中：G1為汗液蒸發量，g；G為出汗量，即試驗前后裸體體重變化量，g；G2為試驗前后服裝與毛巾總質量的變化量，g；Δmres為呼吸失水量，g；η為汗液蒸發率，%。

根據ISO 9886—2004《人類工效學 熱應變的生理學測量評價》，使用下式計算呼吸失水量：

mres=0.000 75ADuM(5.624-Pa)Δt

式中：Δt為時間間隔，min；ADu為人體體表面積，m2；M為代謝率，W/m2；Pa為空氣中的水蒸氣壓，kPa。

受試者的代謝率M根據ISO 8996—2004《熱環境的人類工效學 代謝率的測定》計算：

M=aHR-b

式中：HR為心率，次/min；a、b為常數，根據不同的年齡和體重，常數a、b有不同的取值。

1.5.2 主觀感覺評價

使用圖4所示的主觀評價量表進行熱感、濕感以及舒適感的評價[17-18]。熱濕感均采用正負7點標尺(熱感：-3代表“非常冷”，3代表“非常熱”；濕感：-3代表“非常干”，3代表“非常濕”)；舒適感采用單向5點標尺(0代表“舒適”，4代表“極度不舒適”)。

圖4 主觀評價量表Fig.4 Subjective rating scales. (a) Thermal rating scale; (b) Wetness rating scale; (c) Comfort rating scale

1.6 數據分析方法

統計分析應用SPSS 22.0數據分析與處理軟件，顯著性水平設定為P<0.05。所有數據首先測試正態分布(shapiro-wilk test)與方差齊性(levene′s test)。試驗數據取每5 min的平均值進行分析，并將休息階段15～20 min的平均值作為運動前初始值。研究中的自變量為試驗條件(V、VH)和運動時間(7水平)。因變量包括生理參數(心率、平均皮膚溫度、出汗量、汗液蒸發率、耳道溫度)和主觀感覺參數(濕感、熱感、舒適感)。

應用雙因素重復測量方差分析評價試驗條件及運動時間對客觀生理參數的影響，若發現顯著性差異，應用配對樣本t檢驗進一步比較各時間點上不同試驗條件之間的差異。同時，計算各主觀感覺評分在運動時相對于運動前的變化量，應用Wilcoxon符號秩和檢驗分析各個時間點上，試驗條件對主觀感覺參數變化量的影響。

2 結果與分析

2.1 生理指標

2.1.1 平均皮膚溫度

受試者在V和VH試驗條件下的平均皮膚溫度隨時間的變化如圖5所示。

注：*表示試驗在P<0.05水平下有顯著差異。圖5 平均皮膚溫度對比圖Fig.5 Comparison of average skin temperature

由圖5可知，平均皮膚溫度隨著運動時間增加逐漸升高并在40 min處達到最高值，隨后開始下降，說明人體運動產熱在20 min達到平衡后，衣下通風的對流散熱作用開始促進汗液蒸發，有助于控制人體在運動過程中的皮膚溫度升高。雙因素重復測量方差分析發現，試驗條件對平均皮膚溫度沒有顯著影響(F(1，7)=3.33，P=0.111)；運動時間對平均皮膚溫度也無顯著影響(F(1.1，7.8)=4.76，P=0.074)； 試驗條件與時間對平均皮膚溫度有顯著的交互作用(F(1.6，11.3)=12.7，P=0.002)。在第50、55和60 min時，聯合通風VH的平均皮膚溫度均顯著高于僅軀干通風V的條件，分別為t50(7)=2.49，P=0.042；t55(7)=4.37，P=0.003；t60(7)=5.34，P=0.001。由于在人體平均皮膚溫度的計算中，軀干比額頭有更大的影響權重，而試驗條件VH在軀干部位的通風量小于V，因此導致VH的平均皮膚溫度較高。

2.1.2 局部皮膚溫度

受試者在V和VH試驗條件下的額頭溫度隨時間的變化如圖6所示。在未通風的R和E1階段，受試者的額頭溫度在2種試驗條件之間沒有顯著性差異F(1，15)=0.306，P=0.589。當開始通風時，戴通風帽的VH組的額頭溫度在35 min后開始快速下降，方差分析結果顯示在運動40和45 min時，VH組額頭皮膚溫度顯著低于未戴通風帽的V組，分別為F40(1，7)=7.625，P=0.028和F45(1，7)=6.013，P=0.044。隨著頭部出汗量的繼續增加，通風帽所提供的1.5 L/s風量的冷卻效果逐漸減弱，VH組額頭溫度的下降曲線趨于平緩，但在整個運動階段內，VH組額頭溫度均值始終低于V組。

注：*表示試驗在P<0.05水平下有顯著差異。圖6 額頭溫度對比圖Fig.6 Comparison of forehead skin temperature

受試者在V和VH試驗條件下的軀干平均皮膚溫度如圖7所示。

注：*表示試驗在P<0.05水平下有顯著差異。圖7 軀干溫度對比圖Fig.7 Comparison of average trunk temperature

整個運動過程中，試驗條件(F(1，7)=5.215，P=0.056) 與運動時間(F(1.1，7.7)=3.31，P=0.106)對軀干平均皮膚溫度皆無顯著影響，但在第55和60 min時，V組的軀干平均皮膚溫度顯著低于VH組，分別為：t55(7)=3.124，P=0.017；t60(7)=3.246，P=0.014。由于VH組軀干供風量的減小，其軀干溫度比V組更高。可見，軀干體段的通風量大小是影響全身及局部皮膚溫度的主要因素。

2.1.3 耳道溫度與心率

受試者在V和VH試驗條件下的耳道溫度變化如圖8所示。雙因素方差分析表明試驗條件對耳道溫度沒有顯著影響，F(1，7)=0.16，P=0.7。而運動時間對耳道溫度有顯著性影響，F(1.7，12)=6.2，P=0.017，表明隨運動時間的增加，受試者體內熱蓄積逐漸增大。

圖8 耳道溫度對比圖Fig.8 Comparison of ear temperature

受試者在V和VH試驗條件下的心率變化如圖9 所示。雙因素方差分析表明試驗條件對心率沒有顯著性影響，F(1，7)=0.41，P=0.54，即在總通風量一致的情況下，改變風量的分布對心率無影響；但運動時間有顯著影響，F(8，56)=160.8，P<0.001。靜坐階段受試者心率為(85±11) 次/min，在開始運動的20～25 min內，心率呈急劇增加趨勢，之后隨著軀干通風的開始，增幅趨于平緩。運動階段E1與E2內受試者心率分別為(145±17) 次/min和(158±14) 次/min。 經計算得到受試者R、E1、E2 階段的代謝率分別為(125±19)、(391±34)和(446±35) W/m2。

圖9 心率對比圖Fig.9 Comparison of heart rate

2.1.4 出汗量和汗液蒸發率

受試者在2種試驗條件下的出汗量和汗液蒸發率如表1所示。2種試驗條件下受試者的出汗量無顯著差異，t(7)=1.941，P=0.093>0.05；汗液蒸發率也無顯著差異，t(7)=1.187，P=0.274>0.05。可見，在總通風量(9 L/s)恒定的情況下，將一部分風量從軀干轉移到頭部對整體的出汗量和汗液蒸發率沒有顯著影響。

表1 出汗量與汗液蒸發率Tab.1 Amount of sweat and sweat evaporation rate

2.2 主觀評價

2.2.1 熱感覺

由于受試者初始熱感評分值之間存在一定的差異，以適應階段R最后5 min內的熱感評分均值作為初始值，計算受試者開始運動后相對于運動前的熱感評分變化量，結果如圖10所示?？芍?，通風后受試者的熱感評分值在30～35 min內急劇下降，之后隨體內熱蓄積的增多，熱感評分逐漸增大。Wilcoxon符號秩和檢驗結果顯示在運動過程中第35和40 min 時，試驗條件對受試者的熱感有顯著影響，分別為：Z35=-1.973，P=0.049；Z40=-1.965，P=0.049，VH組的熱感評分明顯低于V組。其他運動階段中雖2組之間熱感無統計學上的顯著差異，但VH組的熱感評分均值也始終低于V組。

注：*表示標準化系數在0.05水平上顯著。圖10 熱感覺評分變化量對比圖Fig.10 Comparison of thermal sensation score changes

文獻[9]研究認為頭部的熱感對全身熱感覺有顯著影響，本文研究進一步證實頭部通風不僅可降低額頭局部皮膚溫度，還顯著影響人體運動時的全身熱感覺。

2.2.2 濕感覺

受試者的濕感評分變化量如圖11所示。濕感覺在整個試驗過程中都呈緩慢上升趨勢，總體上V組的濕感覺評分高于VH組，但整個運動過程中2種試驗條件間無顯著差異(P>0.05)。皮膚濕感覺與人體皮膚出汗及衣下微氣候濕度相關，由于2種試驗條件在出汗率和汗液蒸發量上沒有顯著差異，因此，濕感覺評分間的差異也不顯著。

圖11 濕感覺評分變化量對比圖Fig.11 Comparison of wetness sensation score changes

2.2.3 舒適感

受試者的舒適感評分變化量如圖12所示。整個運動過程中，VH組的不舒適感始終低于V組，但2組的舒適感評分在每個時間點上均無顯著差異(P>0.05)。

圖12 舒適感評分變化量對比圖Fig.12 Comparison of changes in comfort score

應用多元線性回歸，建立舒適感評分與熱濕感評分之間的多元線性模型，對比模型中標準化偏回歸系數絕對值的大小，可得到各階段熱濕感對舒適感的影響程度[19]。計算結果如圖13所示。

注：*表示標準化系數在0.05水平上顯著；**表示在0.1水平上顯著。圖13 熱感與濕感對舒適感的影響程度Fig.13 Extent of effect of thermal and wetness sensation on comfort

由圖13可知，在運動前的初始階段(20 min)，熱感的影響程度較大，隨后的熱身運動(20～30 min) 中人體開始出汗，濕感系數上升至較高水平，成為了造成不舒適感的主要因素。在人體繼續運動并開始通風的初期，衣下通風促進了汗液的蒸發使得濕感的影響程度在35～40 min內有所下降，但隨著受試者出汗量的進一步增加，濕感系數又開始上升且遠高于熱感?？梢姡斎梭w運動大量出汗時，濕感覺是影響著裝不舒適感的主要因素。試驗過程中通風溫度接近皮膚溫度，空氣對流傳熱受到抑制，主要靠對流傳質增加汗液的蒸發散熱，以保持皮膚干爽。在本文試驗中9 L/s的通風量雖對緩解人體熱濕感有一定積極作用，但不足以補償人體的熱蓄積，可考慮采用降低通風溫度或增大通風量的方法進一步促進汗液的蒸發散熱。

2.2.4 頭部舒適感

根據受試者反饋，通風帽佩戴初期(30～35 min) 頭部有較明顯的涼爽感，但佩戴約15 min后，隨著出汗量的增加，通風帽對熱感的緩解效果不再顯著。部分受試者指出在運動后期頭部會出現較強的悶熱感：一方面可能是由于通風帽對頭部產生了壓迫，使頭發緊貼頭皮，影響了頭部的散熱；另一方面可能是帽體影響了頭部的自然對流；因此，在通風帽的設計中，要考慮降低帽體熱阻，增強帽子透氣性，比如在帽頂設計通氣孔或使用網眼材料等，促進頭部空氣流通。

3 結束語

本文探討了熱環境中僅軀干通風與軀干聯合頭部通風對人體熱生理及心理感覺的影響，得到以下主要結論。

1)衣下通風有助于緩解人體運動狀態下的生理熱負荷，但軀干通風或軀干與頭部聯合通風對人體熱生理指數的影響無顯著差異，說明實際通風量是主要影響因素。

2)在總通風量一致的前提下，軀干與頭部聯合通風時的熱感覺、濕感覺及不舒適感覺都低于僅軀干通風的條件，但僅在運動初期的10 min內熱感覺有統計學差異。當人體運動大量出汗時，濕感覺是影響著裝不舒適的主要因素，未來可研究通過降低通風溫度或增大通風量促進汗液蒸發散熱的著裝舒適效能。

3)通風帽應采用低熱阻及高透氣設計，通過在帽頂增加通氣孔或使用網眼材料，促進頭部空氣流通，減少悶熱感。

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