服装款式特征对人体局部传热性能的影响

张昭华， 倪 军， 王文玲， 曾 恋， 胡青青， 韩依恬

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092； 3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

服装样板设计往往通过在人体的一些关键部位增加放宽松量，从而形成具有不同款式的着装效果，然而人体是一个具有复杂曲面的立体构造，肌肉与骨骼的隆起在人体体表形成不同的凹凸特征，使得人体与服装间的真实空间呈现出复杂的非均匀分布特征[1-3]。人体与服装间的衣下间隙不仅影响服装的外观廓型与活动工效性，还对人体与外环境间的热湿传递发挥作用，衣下间隙的非均匀分布会造成服装局部传热性能的非均匀分布。已有学者关注衣下间隙与服装热防护间的关系，如Young Kim 等[4]采用三维人体扫描仪分别对裸体及穿着防护服后的火人进行扫描，用火人燃烧实验分析体表烧伤等级的分布，从而研究了衣下间隙厚度与烧伤程度之间的关系，结果发现人体表面的烧伤严重程度随衣下间隙厚度的减小而增加。Song[5]也应用三维人体扫描仪测量了不同号型防火服的衣下间隙分布，建立了烧伤模型与衣下间隙间的关系，并使用数值模型预测达到最优防火性能时皮肤-服装间的衣下间隙厚度。Tannie Mah 等[6-7]通过三维人体扫描仪测量了女性燃烧假人与防护服之间的衣下间隙大小和分布，研究了女性防护服与男性防护服相比的热防护性能，结果表明服装的款式和合体性均影响防护性能，由于女性与男性体型的差异，女性的某些部位更易受到烧伤伤害。可见，衣下间隙对服装的局部热防护性能有重要影响，为了兼顾服装活动工效性与传热性的双重要求，只有设计合理的衣下间隙量才能达到最佳的安全防护性能与活动适应性。

为将服装舒适合体的工效要求体现在服装热功能产品的设计上，需要定量精准地测量衣下间隙物理性状及服装外表面温度分布。在前期研究[1]量化了服装款式对衣下间隙分布影响的基础上，本文研究应用红外热像仪对服装外表面温度分布进行无干扰高精度探测，实现对服装局部热传递性能评价的创新方法，探究服装款式设计与服装局部传热性能之间的关系。

1 实验部分

1.1 实验服装

实验采用同种平纹本白棉布(织物厚度为0.21 mm，面密度为113.0 g/m2，经、纬密分别为264、282根/(10 cm)，透气率为347.6 mm/s，悬垂系数为78.25%)，制作不同款式的3件女式衬衫。其中H型衬衫的胸围、腰围与臀围尺寸相同，外观廓型呈现字母H型；A型衬衫是在H型衬衫的基础上，通过增加腰围与臀围尺寸实现字母A的外观廓型；而X型衬衫是在H型衬衫的基础上，通过对腰部收省实现字母X的外观廓型。3件女式衬衫只在腰围与臀围的廓型控制尺寸上存在差异，而其他部位尺寸保持一致，适合体型为160/84 A的女性穿着。实验衬衫各部位的详细尺寸如表1所示，款式结构如图1所示。

表1 实验衬衫各部位尺寸Tab.1 Detailed specifications of experimental shirts

图1 实验衬衫的款式图Fig.1 Style features of experimental shirts. (a) Style A; (b) Style H; (c) Style X

1.2 受试者选取

实验挑选了7位年龄在20～22岁之间，身高为(159±3.1)cm、体重为(49.4±1.5)kg，体型构造接近GB/T 1335.1—1997《中国女子服装号型》中标准体健康女大学生作为受试者。应用TC2NX-16三维人体扫描仪测量受试者的体型特征，结果见表2。实验前，所有受试者签署同意实验意向书，并预先熟悉实验流程及注意事项。

表2 受试者的身体尺寸Tab.2 Body specifications of participants

1.3 实验仪器

实验采用M7800非接触式测温仪器—红外热像仪(美国美光红外有限公司) 测量人体皮肤与服装外表面的温度分布，其温度分辨率高达0.06 ℃，测温范围在-40～500 ℃之间。所拍摄的红外图像使用仪器配套软件MikroSpec 4进行温度分析，该软件可采用点、线、区域等测温方式对所拍摄的红外图像进行分析，并得到测试范围内的最高、最低及平均温度。

1.4 参考表面

参考表面是2块尺寸为12 cm×12 cm的木板，其中一块表面均匀涂抹黑色哑光漆，另一块表面覆盖一层铝膜。2个热电偶(Omega 36AWG)分别用胶带固定在2个参考表面上，通过计算机每隔30 s采集1次表面温度数据。黑色哑光表面所得到的温度值用于校准红外热像仪的测量温度，而铝膜表面所得到的温度值用于校准周围环境的反射温度。

1.5 测试方法

人工气候室内的温度控制在(23±0.5)℃，相对湿度为(50±5)%，风速小于0.5 m/s。每次实验前，实验服预先在气候室内悬挂12 h。人体站立位置与红外热像仪间的距离为3.6 m，为保证每次测量位置与人体姿势的一致性，预先在地上画好脚印以确定站立位置，并在身体两侧放置椅子帮助手臂保持握持角度(手臂抬起约30°)。为了保证测量精度，每件服装均穿脱3次拍照，取其平均值。

受试者进入人工气候室后首先静坐休息30 min以适应室内的温湿度环境，然后更换统一的运动长裤及文胸，双脚站立于指定的脚印上，双手自然握持身体两侧的椅背，目视前方，由实验操作人员拍摄人体静止站立时正面和背面的红外图像，每张图像重复拍摄3次，以此作为人体上身的裸体皮肤温度。随后，受试者随机从A型、H型及X型中选取1件衬衣穿着，再次重复相同的拍摄步骤，以得到服装外表面的温度分布。每次更换实验服后应休息10 min以使人体适应新的服装。

根据所拍摄的红外图像，利用MikroSpec 4的多边形区域测温工具，将人体上半身划分为8个区域，如图2所示，分别为上胸、下胸、腹部、前臀、上背、下背、腰部、后臀，从而得到各区段的平均皮肤温度，随后按照相同的划分区域测量8个区段的服装外表面温度。

图2 人体区段的划分Fig.2 Segments of human body. (a) Front; (b) Back

1.6 数据分析

人体皮肤表面温度呈非均匀分布状态，不同区域的皮肤温度存在局部差异[8]，且由于女性受试者穿着文胸的影响，不能直接通过比较A、H、X型的衣表温度来确定款式对温度的影响。故通过衣表温度与裸体温度的差值来探究服装款式与区段对局部热传递的影响，温差越小说明服装的局部传热性能越好。

ΔT=Tn-Tc

式中：ΔT为衣表温差，℃，用于表征服装的局部传热性能；Tn为着装前的体表温度，℃；Tc为着装后的服装外表面温度，℃。

使用SPSS 17.0分析实验数据，重复测量方差分析(repeated ANOVA)用于分析服装款式、人体区段对衣表温差的影响，若发现显著性差异，进一步应用多重比较(Bonferroni′s post-hoc)分析两两款式之间的差异。在显著性水平P<0.05情况下，表明有显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 服装外表面与裸体皮肤的温差分布

受试者穿着X型、H型和A型3款实验衬衫，各区段的衣表温度与裸体皮肤的温度差如图3所示。可看出，温差在体表呈非均匀分布状态，腹部与腰部的温差最大，表明其局部隔热性能最好。下胸与后臀的温差值最小，表明其局部隔热性能最差。以温差作为局部传热性能的表征指标，可排除局部皮肤温度差异对实验结果的影响，温差的非均匀分布可能是由于衣下间隙的厚度差异造成的[9]。纺织纤维的导热系数约为静止空气的2倍[10]，较大的衣下间隙厚度增加了服装的局部隔热值。由于女性乳房与臀部的隆起，下胸与后臀的衣下间隙较小；人体脊柱自然的S形态造成腹部与腰部的衣下间隙较大。

图3 实验衬衣各区段的衣表温差Fig.3 Segmental temperature differences of experimental shirts

应用双因素方差分析，以服装款式与人体区段为自变量，以衣表温差为因变量。结果表明：服装款式显著影响衣表温差，F(2,12)=10.37，P=0.002；人体区段显著影响衣表温差，F(7,42)=74.22，P<0.001；服装款式与人体区段间的交互作用显著影响衣表温差，F(14,84)=10.73，P<0.001。可见，人体局部的体型特征与服装款式共同影响服装局部传热性能，因此需要进一步分析人体各区段与服装款式对人体通过服装向外界的局部热传递的影响机制。

2.2 服装款式对衣表温差的影响

服装款式与人体体型共同影响衣下空气层在人体躯干不同部位的分布，进而影响人体皮肤与外环境的热湿交换。在前期研究[1]中已发现，衣下空气层在体表的非均匀分布规律，如图4所示3种服装款式在各区段的衣下空气层厚度。在体表凹进的部位，如后腰部，3款服装都有最大的平均衣下空气层厚度；而在人体的支撑点或骨骼肌肉形成的凸起部位，衣下空气层的厚度较小，如前后肩部、胸臀部。衣下空气层厚度分布的不均匀性，势必会影响人体各区域的局部传热性能，造成服装外表面温度分布的不均匀性。通过分析3种服装款式的衣表温度分布特征，探究人体各区段的传热特征，指导服装的热功能产品设计。

图4 3种服装款式在各区段的衣下空气层厚度Fig.4 Air gap thicknesses of three clothing styles at different segments

综合分析人体8个区段的局部衣下空气层厚度与衣表温差数据，可将局部传热归纳为3种类型：1)服装款式对衣表温差(局部传热)没有显著性影响的区段；2)仅部分款式对衣表温差有显著性影响的区段；3)服装款式对衣表温差有显著性影响的区段。

应用单因素重复测量方差分析，结果发现H型、A型、X型3款服装款式对上胸区段的衣表温差无显著性影响，F(2,12)=1.82,P=0.204；服装款式对下胸区段的衣表温差无显著性影响，F(2,12)=0.625,P=0.552；服装款式对上背区段的衣表温差也无显著性影响，F(2,12)=1.15,P=0.252。这主要有2个方面的原因，其一是女性乳房和肩胛骨的隆起，造成服装局部与人体表面的贴合度高，这与上胸、下胸、上背的衣下间隙分布特征相吻合，即服装款式对3个区段的衣下间隙厚度无显著性影响：上胸区段F(2,10)=0.894,P=0.44；下胸区段F(2,12)=2.3,P=0.14；上背区段F(2,10)=0.219,P=0.807。其二，实验中3款衬衣的胸围放松量一致，进一步减小了款式对于局部传热的影响。Chupo Ho等[11]在研究中也发现，采用传统的制板方法增加T恤衫的宽松量，并不能改进服装的通风冷却效能，因T恤衫仍然与人体的前胸及后背发生接触，这与本文研究在人体支撑部位没有发现服装款式对传热性能影响的结论一致。

下背区段的单因素方差结果显示，服装款式对衣表温差有显著性影响，F(2,12)=4.6,P=0.032；进一步应用多重比较发现，仅A型与H型间的衣表温差有显著性差异(P=0.02)，而H型与X型之间无显著性差异(P>0.05)。

对腹部应用单因素重复测量方差分析，球形检验(Mauchly′s test)表明背离方差齐性假设，χ2(2)=6.6，P<0.05，因此使用备选方差分析(Greenhouse-Geisser)修改自由度，结果表明服装款式显著影响衣表温差，F(1.15,6.92)=12.71,P=0.008。多重比较结果表明A型与其他2款衬衫的衣表温差有显著性差异(P<0.05)，而H型与X型之间无显著性差异(P>0.05)。

对腰部区段应用单因素方差分析，球形检验表明背离了方差齐性假设，χ2(2)=6.33,P<0.05(0.042)，因此使用备选方差分析修改自由度，结果表明服装款式显著影响衣表温差，F(1.12,6.98)=15.29，P<0.05(0.005)。进一步应用多重比较发现，A型与X型、A型与H型之间都有显著性差异(P<0.05)，但H型与X型之间不存在显著性差异(P=0.337)。对比3种服装款式后可知，由于腰省的存在，X型的腰围尺寸比H型少16 cm，但在腰腹2个区段未发现显著性差异，虽然受限于较少的受试者人数未发现统计学差异，但X型比H型的衣表温差在腹部与腰部分别低4%和6%。

后臀区段的单因素方差结果显示，服装款式对衣表温差有显著性影响，F(2,12)=17.48,P<0.001；进一步应用多重比较发现，A型与H型、A型与X型之间有显著性差异(P<0.05)，但H型与X型不存在显著性差异(P=1.0)。

在人体的绝大多数区段未发现H型与X型之间存在显著的局部隔热性能差异。虽然2款服装在这些区段下的空气层厚度大多超过了临界厚度12 mm(导热向自然对流的过渡)[9]，但由于2款服装的空气层厚度差异在3～8 mm之间，不足以引起显著的传热量差异。

前臀区段的单因素方差结果显示，服装款式对衣表温差有显著性影响，F(2,12)=24.46,P<0.001；进一步应用多重比较发现，3种服装款式的衣表温差均存在两两显著性差异(P<0.05)。根据服装结构设计原理，臀围处的放松量是根据服装款式按一定比例均匀加放的，但在实际的着装条件下，由于人体臀突的影响，衣下松量并不是均匀分布的。比如臀围处的松量在前部分布较多(见图4)，导致款式A型与H型、A型与X型、H型与X型之间的衣表温差均存在显著性差异，而在后臀区段，仅A型与其他2款服装间的衣表温差有显著性差异，进一步说明了人体局部体表特征与局部衣下间隙厚度共同影响局部传热性能。

3 结 论

应用红外热像仪非接触探测服装的表面温度，为研究服装的局部热传递性能提供了一种可行的方法，本文基于该方法，分析了服装款式设计对人体各区段的局部热传递性能的影响，得出了以下结论：

1)服装款式影响人体的传热性能，A型的隔热性能最好，其衣表温差显著高于H型和X型款式，H型与X型之间未发现显著性的统计差异；

2)上胸、下胸、上背3个区段的局部服装与人体贴合最近，局部隔热性能最差，但3种服装款式之间并未发现显著性局部传热差异，这说明增加服装宽松量对这些部位传热性能的影响意义不大，应考虑其他改善隔热性的方法；

3)虽然A型款式具有最佳的隔热性能，但由于其较大的衣下空间，在外界风速较大的情况下可能增加衣下空气的受迫对流换热，从而降低服装的隔热性能。H型与X型之间的隔热性未发现显著性差异，但也提示在选择兼具美观性与隔热性的服装款式时，X型廓形在保障外观性的同时，没有显著降低隔热性能，是一种较优的设计方案。

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