座椅的热舒适性及其评价方法的探讨

赵 鹤，林金国，李吉庆

（福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002）

人类在一天当中主要有坐、躺、站三个行为，而坐着的时间占有相当大的比例，作为坐姿活动的必要家具，座椅的舒适程度极大地影响着人们的工作和生活质量。座椅和身体紧贴部位的闷热问题是座椅舒适性评价中的一个重要的影响因素，皮肤的呼吸功能在很大程度上受座椅的散热性能影响，如果座椅温湿度与人体的生理机能适应不良就会影响人的热舒适性，长时间会引起疲劳产生，严重的还会使皮肤患上疾病[1,2]。这个问题在夏季表现的尤为突出，从健康舒适的角度来看，研究座椅热舒适性是十分必要的。座椅舒适性的科学评价可为坐具的设计与制造提供十分重要的理论依据，因此如何设计出具有良好热舒适性的座椅，正成为家具、汽车、航天等领域的热门课题。

座椅的舒适性是指人体对座椅的软、硬、角度和温湿度等的满意程度，包括生理舒适和心理舒适；其中，人体对环境温湿度的满意程度通常用热舒适性来表示。西方的一些学者很早就已经开始对座椅舒适性展开了研究，如Thakurta等[3]对于汽车座椅的长期和短期舒适性进行了研究，M.Kolich等[4]建立人工神经网络的数据模型来预测汽车座椅的舒适性，Oudenhuijzen等[5]对座椅的压力分布和舒适性的关系进行了研究。我国在座椅舒适性方面的研究虽然起步较晚，但是也取得了一定进展，如南京林业大学陆剑雄等[6]运用人体解剖学原理，结合坐姿行为的分析，总结了座椅设计的基本原则，为座椅设计提供了科学依据。但对于座椅的热舒适性方面的研究相对较少，且多数为定性研究。

1 温湿度条件对人体舒适性的影响

座椅的热舒适性是温湿度条件共同作用的结果，人体的温湿度舒适性受到皮肤表面汗液蒸发程度的影响，通过汗液的蒸发调节人体的能量代谢。当环境温度较低（20℃～23℃）时，皮肤通过汗液蒸发来降低身体温度的作用不大，但此时依然有气态水分从皮肤表面不间断的蒸发（被称作无感蒸发），人体皮肤表面每小时的无感蒸发汗量大约为30～80g；而当环境温度较高时，人体的热平衡更多地依靠皮肤表面汗液的蒸发来调节，此时如果环境中的相对湿度增加，人体皮肤表面的汗液排出量并无太大变化，但皮肤表面的蒸汽压力与空气的压力差减少，导致人体皮肤表面的汗液不能顺利蒸发，通过汗液蒸发带走的热量减少，从而影响人体的热舒适性[7]。不管是处于舒适温度还是高温环境中，人们想获得良好的热舒适感，就要让人体皮肤表面的汗液顺利地排出。人体皮肤总面积约为1.6～2m2，当人坐在汽车座椅上，并处于靠在座椅靠背上的坐姿时，和座垫接触的皮肤面积约占总面积的一半，此时座椅上与人接触的部分相当于给人体穿上的又一层衣服，只有座椅材料具有良好的导热、透气和透湿性能，才能保证人体的汗液顺利地穿透它，给人以良好的热舒适性[8]。

早在20世纪初，国外就开始有学者对人体的生理热舒适开展研究，探讨了满足人体舒适性的热环境，但尚未把研究结果与生产实践结合起来。到20世纪中期，人体热舒适方面的研究受到了人们的广泛重视，开始认识到建筑的通风状况和空气调节对于人体热舒适的重要影响。国内外学者围绕环境温湿度对人体热舒适度的影响做了大量的研究工作。法国Diavia公司研究得出结论，能够保证人体与环境的最佳热平衡的车内环境为车内空气流速≤0.2～0.25m•s-1，干球温度23～27℃，相对湿度35%～65%[9]。我国对热舒适性的研究起步较晚，从20世纪末期才开始人体热舒适的理论研究，有研究表明人体的皮肤表面温度为32℃，内部平均温度为37℃[10]，人体和材料接触所产生的温冷感，主要来自人体与材料接触的部位和周围环境所产生的温差，当外界温度比皮肤表面的温度高0.4℃或者低0.15℃时，人体即会产生温暖感，人体既不感到暖也不感到冷时的温度被称作生理零度，此时的温度一般为人体皮肤的表面温度，即32℃左右[11]。

2 座椅材料的热舒适性评价指标

导热性、透湿性和透气性是衡量材料热舒适性的重要热物理指标，因此研究座椅材料的热舒适性应从这三个方面入手。

2.1 导热性

导热性通常用热导率来表示，是衡量座椅材料表面冷暖感的一个非常重要的指标。热导率与材料的含水率、密度、结构和组成等因素有关。在温度较高的夏季，人们常常不愿坐在海绵沙发上，而是喜欢使用竹木座椅，温度较低的冬天则正好相反，正是因为海绵的导热性差，而竹木材的热导率较好。因此，应该针对不同的热环境来选择相应的座椅材料以保证人体的热舒适性。

日本学者围绕材料的热舒适性和木质环境学做了较多研究。原田康裕[12]等通过记录测试者直接用手接触实验材料表面的冷暖感得出结论，随着材料热导率的对数值和人手与材料接触面的热流量的增大，温冷感减小。荒川纯一等[13]测定了表面用厚度为0.2-6mm单板覆盖的聚苯乙烯泡沫、金属、石材和水泥等材料的冷暖感，发现表面覆盖的单板越薄，下面基材的热导率对冷暖感影响较大，直到当覆盖单板的厚度达到6mm时，下面基材对冷暖感影响几乎为零。大熊等人用丙烯酸清漆分别对10mm和20mm厚的日本柳杉径切板进行多次涂刷，结果表明：只有当涂层厚度达到40～50μm时，涂饰前后的冷暖感才有差别[14]。冈岛达雄等[15]认为木材给人的冷暖感主要受到环境的温度变化、热空气流动的速度以及皮肤与材料界面之间的表面构造的影响，也就是受到材料的热导率的影响。铃木正冶测定了人手与多种材料接触的热移动量，研究表明：木材以及木质人造板等生物质材料的热导率和热移动量要比玻璃、钢板、铅板等材料低很多，给人体以较为舒适的温冷感，是非常理想的室内装饰与家具用材[16]。

我国台湾学者王松永[17]等在几种装修材料不同的地板上，测定了测试者赤脚接触地板时脚跟、小腿、膝盖部位温度及人的冷暖感的变化，实验结果表明：地板材料的热导率和比重的对数值越大，温冷感越小，热导率小的轻木等触觉感受呈温暖感，热导率大的混凝土构件则给人以凉冷的感觉。目前也有学者开始研发具有良好热舒适性的座椅材料，如可以随着环境的变化吸收、存储和释放能量的新型功能材料。张佳萌等[18]以液体石蜡作芯材合成了聚脲型相变微胶囊，直径大约3.0μm，将其以涂层的方式涂布在纺织品表面，得到相变调温纺织品，经多次研究发现涂层率在7%～10%时，调节温度的效果最佳，并且有较好的手感。

2.2 透湿性

透湿性是指水分穿过织物的挥发速率，是衡量织物转移和分散人体皮肤表面汗液的能力，是座椅材料热舒适性的又一重要的指标，用水分在24小时内透过每平方米材料的克数来表示，通常可遵循ASTM E398测定分析材料的透湿量和透湿系数。当人体接触座椅材料时，人体皮肤表面的汗液就会从座椅的近臀侧向远臀侧移动，一般认为人体表面的汗液通过座椅材料传递的方式有3种：一是座椅材料接触高湿空气的一侧直接从空气中吸收水分，水分子经过材料纤维内部向与低湿空气接触的另一侧转移；二是水分在材料纤维中的毛细管之间的传递；三是水气直接从材料之间的空隙穿透至另一侧，王元明等[8]认为上述3种水分子移动方式共同作用构成了材料的透湿性，并且测量了聚氨酯泡沫、聚酯针织物、天然皮革、人造皮革和聚氨酯薄膜五种常用的座椅材料在21℃时的透湿性能，几种材料的透湿性能：聚酯针织物﹥聚氨酯泡沫﹥人造皮革﹥天然皮革﹥聚氨酯薄膜。

2.3 透气性

材料透气性常以其透气量来衡量。人体热量通过空气分子的流动传递出去被称为对流散热，座椅材料的透气性越好，空气通过材料对流的速度越快，人体多余的热量也就会较快速的扩散和传递出去，从而减少座椅材料给人体的闷热感。

金属、竹材、木材、皮革、针织物、聚氨酯泡沫等多种材料均可以作为座椅材料，对于其中的聚氨酯泡沫塑料、皮革和织物几种材料来说，透气性这个衡量指标在热舒适性评价时显得尤为重要，材料的类型不同，选择的透气性检测标准也不一样。对于多孔弹性高聚物材料（如，聚氨脂泡沫）可以参照ISO 4638和GB/T 10655-2003的空气透过率的测定方法，对于纺织品可以参照ASTM D737和GB/T 5453中透气度的测定方法，对于皮革制品可以按照GB/T 4689中规定的透气度的试验方法[11,24]。

迄今为止，综合考虑材料导热性、透湿性和透气性的研究很少，且为定性研究，李文琳[19]研究认为，选择毛织物面料作为座椅的蒙皮最适宜解决座椅的透气性差的问题，一般认为选用聚氨脂泡沫做坐垫材料能较好的满足透气和散热性能，不过透气性能最好的材料是天然纤维。

3 座椅热舒适性的评价方法

座椅舒适性的评价标准一般有两种方法：主观测评和客观评价[20]。

表1 Bedford热舒适评价指标和ASHRAE热感觉指标PMV[1]

热舒适性是指人们对温湿度舒适性的主观感受，主观测评是指利用主观评价表[21,22]，参照Bedford的热舒适七级评价指标和ASHRAE(美国供暖、制冷与空调工程师协会)的七级热感觉指标(见表1)，要求测试者对座椅舒适性作主观描述，再利用数理统计的方法加以分析，此种方法可对座椅的热舒适性作出有效评价，但这种方法受到被测试者主观因素的影响很大。

客观评价是指借助人体与座椅接触面压力检测系统等各种检测系统[23]对于人的生理因素作出舒适度的评价。国内外很多学者对于坐具热舒适性的评价方法做了大量的研究，有些学者甚至利用计算机构建模型进行模拟。周敏等人在座椅的热舒适性的评价方法中，使用探头式温湿度计测量与人体接触的座椅部分的温湿度，同时结合测试者的主观感受，从而将主、客观联系起来综合评价座椅的热舒适性能[24]。刘卓夫等[25]从接触面温度特性模型中提取出了接触面最终温度、接触面温度的最大变化率和接触面的平均温度三个评价指标，据此建立了座椅舒适度客观评价体系，利用评价体系对泡沫、压模和木质座椅三种材料的座椅进行评估，结果表明此评价体系具有一定的可靠性和实用性。陆蔚怡[2]研发了温冷感测试装置，此装置由铜柱体与保温层两部分组成，利用温冷感测试装置来代替人类参与实验，既能节省人力、增加实验安全性，同时还可以减少因测试者生理、心里差异而带来的实验误差，这种装置可接受的试验条件广泛，并可以进行连续试验和多次重复试验，测量结果稳定、误差小。陈昊等[7]对汽车座椅局部散热除湿进行了研究，应用流体力学和传热学原理，对座椅和人体接触面温湿度较高的问题进行分析，根据人体及汽车座椅的相关尺寸，建立座椅的计算模型，使用FLUENT软件进行数值模拟，选择k-E模型求解温度场和湿度场，为方便快捷的对汽车座椅做出热舒适性的评价提供重要的理论依据。美国西北测试技术公司，设计了ST-2舒适度测试系统，它是模拟人体重量对座椅压缩而设计的，能够快速检测汽车座位材料的发热和湿气特点，整个系统具有测试精度高、质量小和易携带的优点。

4 存在的问题与展望

我国对于座椅的热舒适性研究起步较晚、研究较少、多为定性研究，笔者认为，座椅热舒适性方面的研究还存在以下问题，并提出研究展望。

（1）常用的坐具材料有木材、人造板、金属、塑料、藤、竹、织物、皮革、海绵等，目前对于座椅用材热舒适性的研究还不够全面和系统。今后应加强良好热舒性的座面材料以及以座椅为基础的新功能的研究开发。

（2）在过去学者的研究成果中，只有对于座椅的座垫热舒适性的研究，对于靠背、扶手等的热舒适性的研究鲜见。今后应加强座椅整体热舒适性的评价研究，建立较为全面的座椅热舒适性分析模型，应用CAD、CAE和虚拟现实等先进设计技术进行座椅舒适性设计与评价。

（3）温度的舒适感常常与湿度紧密相连，前人的研究中很少有人将两者结合起来研究。今后应更注重温度舒适性和湿度舒适性的综合研究。

（4）我国地域广阔，地区间的温湿度存在很大的差异，如东北地区如哈尔滨的温度较低、湿度较小，而南方地区如福州的温度较高、湿度较大，这种温湿度的差异对于正确评价热舒适性有很大的影响，因此在对座椅进行热舒适性评价的时候要根据地域不同而区别对待，并注重地域差异性评价法与通用性评价相结合。

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