冬季保暖服结构对其舒适性能的影响研究

刘秀龙,庄梅玲,商 蕾

(青岛大学 纺织服装学院,山东 青岛266071)

中国北方地区冬天温度偏低,南方地区温度稍高但如果缺少良好的保暖设备也算比较寒冷。在寒冷的冬天,若没有做好防护措施会很容易冻伤,甚至有生命危险。保暖服作为重要的防护措施之一,成为了人们必不可少的装备之一。

综合国内外对防寒保暖服的研究来看,国外学者以隔热指标、方程式的推导及其他学科的结合为主要研究对象[1],隔热指标如热阻、热欧姆以及克罗值的建立[2],方程式的推导如Mocullough等学者的研究,结合的学科主要有生理学、气候学、心理学、环境科学等[3-4]。国内对防寒服的研究始于20世纪60年代,主要围绕服装内空气层、保暖性能评价方法、服装材料、款式结构的设计等方面展开。从这些研究可以看出,针对保暖服结构与性能展开的研究相对较少,现从实际出发,结合前人研究成果对市场上常见的保暖服造型、层数和层放量、开口结构及其他细部结构与保暖性的关系展开研究。

1 舒适性理论基础

1.1 保暖机理

人属于恒温动物,保持人体温度的相对恒定可以维持人体正常生命活动。人体平均温度在36～37℃之间,体温过高或过低都会影响人体的各项机能,严重时会危及生命。人体温度由人体产热量与散热量决定。产热量主要由人体的新陈代谢活动决定,散热则主要通过热传导、对流、辐射和蒸发等途径进行。保持体温稳定需要产热量与散热量达到相对平衡的状态。除此之外,环境温度与服装保暖能力也是主要影响因素。在寒冷条件下,服装可以抑制体热的散发,通过形成服装内气候和服装空气层起到保暖作用。

从人-服装-环境系统分析,影响服装保暖性的因素主要有:(1)人,即人体的运动与姿势;(2)服装,包括覆盖面积、衣下空气层、服装的开口、服装的层数次序、服装的重量、服装的组合搭配形式及服装的材料(织物的厚度、纺织材料的密度、纺织纤维的导热系数、衣料的弹性和缩水性、表面粗糙度、织物污渍以及特殊处理)等;(3)环境,包括风速、湿度、气压等。

1.2 透湿机理

服装的透湿性也是影响舒适性的主要因素之一。一般来说,服装内气候的相对湿度在40%～60%之间时人体最为舒适。服装主要通过水蒸汽的扩散和凝结、液态水的传输和蒸发进行湿传递。如果服装透湿性差,体内及服装内的水蒸汽与液态水无法及时排出体外,导致衣内相对湿度增加,回潮率上升,传导热阻下降,从而降低服装保暖效果。

服装透湿性的评价指标主要有湿阻与透湿指数。影响服装透湿性能的因素主要有环境湿度、风速、人体运动、服装的隔热值、服装的透气性及服装材料的吸湿性等。

2 保暖服结构分析

2.1 长度与廓形

2.1.1 长度

服装的覆盖面积是影响保暖性的因素之一,保暖服通过长度影响覆盖面积来影响服装性能。理论上讲,在其他因素不变的情况下,服装越长,覆盖面积越大,则服装的热阻值越大,阻碍人体向外散发热量的能力就越强,服装越保暖。市场上的保暖服根据长度可划分为3类:长款、中长款和短款。在北方等多风寒冷地区,中长款和长款具有较高的市场占有率。

2.1.2 廓形

服装的廓形以字母划分,主要有 H型、A型、O型、X型、V型等。这几种廓形在保暖服上的区别主要体现在放松量、开口结构与腰部设计等方面。

(1)H型保暖服上下加放量接近,不存在或很少存在省道或分割线等,线条简洁流畅,衣片数量构成相对较少,是最为常见的保暖服廓形,具有很好的保暖效果。

(2)A型和O型都是下摆开口较大的类型,但由于下摆开口易形成风箱效应,对服装保暖性的影响不大,A型还在领口处设计较小的开口、在上半身设计较小的加放量并在腰部进行收腰设计,都有效地减少了服装内空气的流动,保证了服装整体的保暖性。

(3)X型和V型共同点是领部开口较大或上半身较为宽松,由于领部开口形成烟囱效应会加快服装内热量的散失,所以保暖效果相对较差。

2.2 层数与层序

2.2.1 层数

冬季服装的穿着通常采用多层次搭配的方案,科学的多层次搭配结构,可以根据穿着者的活动量大小和气候的变化,通过增加或减少层次的方法来调节穿衣量。

服装的保暖性由服装本身及其周围空气层决定。多层服装组合后,由于空气层挤压变薄,整体热阻要小于各单件热阻之和。若套穿层数较少,可增加服装层数,服装本身厚度增加提高的热阻要明显高于周围空气层挤压减小的热阻,所以整体保暖性会提高。若超过一定范围,则周围空气层减小的热阻会大于服装本身提高的热阻,整体保暖性会降低。一般情况下,服装层数以3～5层为最好。

2.2.2 层序

李东平对紧身的羊毛衫与宽松的衬衫利用不同的穿着层序做了对比测试,发现羊毛衫外穿衬衫的热阻值要比衬衫外穿羊毛衫提高了22%[5]。一般内层服装较轻薄,越外层服装越厚重,对人体及内层服装产生的压力就越大。采用内紧外松的穿着方式,外层服装产生的压力相对较小,整体的空气层含量及分配合理,内层服装紧身导致内层空气层本身空气含量就少,不存在受压明显减少的情况,并且最内层空气层相对稳固,皮肤不会有直接且明显的冷感。

2.3 加放量

通常说“量体裁衣”,在选择服装时我们会选择合体服装。过紧的服装会阻碍血液循环,压迫身体,从而影响生理活动的正常进行。同时,过紧也会导致服装内静止空气含量不足,不利于保暖,也不利于体表水分的蒸发,产生闷热感与心理上的不适。

服装的热阻在空气层达到3.5 mm后逐渐趋向于稳定[6],在5～15 mm之间服装的热阻最大,保暖性最好,超过15 mm保暖性会有所下降[7]。所以服装过松,在人体运动过程中或在寒风吹来时会造成大面积的空气流动,带走人体热量,降低服装保暖性。

2.3.1 静态加放量

人体结构较为复杂,在研究保暖服放松量时可将人体看做标准圆柱体这种理想化模型[8]。采用160/84 A作为中间体进行加放量推算,选择4层服装分层(内衣、秋衣、毛衣、保暖服)和内紧外松的形式,对各层服装进行静态加放量设置:皮肤-内衣为2 mm,内衣-秋衣为3 mm,秋衣-毛衣为5 mm,毛衣-保暖服为5 mm。通过对日常穿着各层服装进行厚度测量,求得平均值并进行厚度设置:内衣2 mm,秋衣2.15 mm,毛衣5.7 mm,保暖服25.5 mm。根据公式[9]进行静态加放量推算:

静态加放量推算结果见表1。

2.3.2 动态加放量

服装在进行结构设计时,除了要考虑人体静态过程,还要考虑人体的动态特征,尤其是对重点关节部位的运动方向和可移动范围进行分析。

如图1所示,人体皮肤的伸长主要集中在膝、肘、肩、臀等部位,尤其是膝部和肘部,因为膝关节和肘关节的存在,这两个部位变化幅度较大,所以在上装设计时要重点加大肘部的放松量,在下装设计时,要重点加大膝部的放松量。

表1 静态加放量推算表单位:mm

关节的运动形式有4种,即屈伸、内收外展、旋转和环转运动。通过测试发现,由于关节运动引起变化最大的部位是后腋点和臀部中央,与之对应的就是胸围与臀围的变化。滑雪服的延伸率在35%～50%之间,我们将冬季保暖服的延伸率设置为30%。根据胸围=净胸围×(1+延伸率),可知冬季保暖服外套的动态胸围为109.2 c m,将其设置为108 c m,加放量达到了24 c m。

2.4 开口结构

2.4.1 领部开口

领部开口方向向上,容易引起烟囱效果,如图2(a)所示。所以领部通常会采用闭合的立领或翻折领来阻止热量的散失,高度往往为6～8 c m。除此之外,为了便于穿脱,防寒保暖服装大多采用前开口的设计,与拉链式门襟相结合。

常见领部开口形式如图2(b)所示,第1种结构防风防寒性能最弱,第2种结构添加高于拉链头的里襟,在增强防风防寒性能的同时避免了拉链接触人体。但缺点是结构不稳定,暴露的拉链使用寿命会降低。第3种结构采用了双襟设计,解决了前2种结构存在的问题,是目前采用最多的较为科学的开口结构。同时,为了对头部和面部也起到一定的保暖作用,防寒保暖服往往会采用连帽设计或可拆卸帽设计。

2.4.2 肩部开口

肩部开口方向水平。为了增加保暖性,会尽量减少保暖服缝隙的存在,在肩部结构中通常采用无分割缝的形式,常见形式如图3所示。这些结构共有的特点是采用一片袖的插肩袖设计,前后片无接缝,或将接缝转移到分割线中。在具体的设计中,通常将袖子、衣身、背宽结合在一起进行纸样处理。除此之外,在袖窿底部或侧缝处会采用拉链开口或三角片拼接设计,起到调节服装内热湿平衡、透气保暖的作用。

2.4.3 下摆

下摆开口方向向下,易形成风箱效应,如图4所示。下摆开口可以促进换气,增加散热量,但由于散热量相对较少且人体活动的需要可适当开大。通常短款会用松紧带、罗纹口等收口,中长款会用调节袢、绳带等,便于人为调节。

2.4.4 袖裤口开口

袖口是水平开口,裤口是下向开口,如图5(a)、(b)所示。大多数情况下袖裤口会采用收口的形式,通常采用调节袢和拉链等来调节大小。常见的袖裤口设计如图5(c)所示:(1)是采用松紧带,(2)是采用罗纹口,这2种方式都具有良好的弹性和保暖效果,可以根据人体开口部位的大小自动进行收缩调节;(3)和(4)都是采用了调节袢,可以人为调节开口的大小及松紧程度,更加具有主观能动性;(5)则是采用了拉链,除了可以人为调节之外,还具有透气功能。

2.5 口袋与腰带

2.5.1 口袋

口袋是保暖服中常见的结构之一,通常数量为2～4个,位置主要设置在胸前或腰部。口袋的作用除了放置物品也有保暖的作用,保暖服中的口袋主要对手部起到保暖作用。根据市场调查,保暖服局部(尤其是手足)保暖不足是很大的一个问题,所以为了对手部进行防护,为了方便手插入口袋,会在人体前中线和肋线之间确立袋口位置和高度,以手掌围的最大值确立袋口的基准值,并且采用斜插袋的方式,这些设计都更符合人体结构。

2.5.2 腰带

腰带除了美观外也具有功能性。中长款和长款保暖服会设计腰带,通过对腰部收紧可以将上下半身进行分隔,减少空气流动,增加保暖性。

3 保暖服着装试验

3.1 试验设定

服装性能的测试主要有主观评价法、客观数据分析法和暖体假人法,这3种方法可从生理和心理上对服装的舒适性做出评价。现用主观心理评价法来对服装的2个影响因子长度与加放量导致的性能上的差异进行分析。

服装长度设置3种水平:短、中长、长,并分别给其赋值为1、2、3,服装加放量也设置3种水平:紧身、合体、宽松,也分别给其赋值为1、2、3。这2个因子进行排列组合,一共9种情况:短紧身、短合体、短宽松、中长紧身、中长合体、中长宽松、长紧身、长合体、长宽松。根据这9种排列选取市场上已有的9款羽绒服,选取9名同学进行测试。

试验统一指标:

(1)测试服装 9款羽绒服除了长度与加放量以外,其他地方都相似。

(2)测试人员 9名女性身高160～165 c m,体重50～60 kg,年龄22～24周岁,身体健康状况良好。

(3)测试条件 测试当晚气温6℃,空气湿度为65%,有风。测试地点为有风的室外,测试方法是站立测试,每款保暖服测试时间为3 min。

(4)主观测试指标,见表2。

3.2 试验数据分析

对试验数据求平均值,均值汇总见表3。用SPSS软件对主观感觉、闷热感、风冷感、压力感、厚重感及精神状态6个指标分别与长度和加放量做相关分析,相关关系见表4。对相关性较大的做曲线回归分析并采用0.05的置信度,得出回归关系式与回归关系图[11],如图6所示。

从以上试验可以看出,冬季保暖服的长度和加放量会影响服装的舒适性。其中,长度主要影响服装的保暖性和风冷感,服装越长,覆盖面积越大,则保暖服就会越加保暖;加放量则主要影响服装的压力感和测试者的精神状态,服装越紧,加放量越小,测试者就会感觉到压力越大,心情状况就会越加偏向于烦躁。

服装的长度与压力感、厚重感等相关性并不显著,分析原因可能是因为保暖服材料为羽绒,羽绒较轻,即使增加长度,也不会明显增加服装的重量。加放量与主观感觉、闷热感等相关性也不显著,与厚重感不相关,分析原因是保暖服是最外层服装,加放量相对较大,并且由于测试者穿着秋衣、毛衣等衣物,所以加放量对主观感觉等影响不大。

表2 主观评价指标

表3 主观测试平均值

表4 各指标与长度和加放量的相关系数

4 结构设计与优化

4.1 设计依据

根据对各结构层次的理论分析,结合实际着装试验结果分析,选择最有利于服装舒适性的各结构层次进行组合。

4.2 设计方案

款式设计见图7。

规格尺寸设计见表5。成衣制作(1∶2)见图8。设计方案如下:

表5 保暖服规格尺寸表(160/84 A)

(1)廓型 中长款H型廓形。主体部分采用左右前片与后片3部分,无省道和分割缝。在工艺方面选择均匀绗缝设计。

(2)服装分层与加放量 4层服装和内紧外松的服装搭配形式。4层服装为内衣、秋衣、毛衣和保暖外套。加放量设置为24 c m。

(3)衣领 前开口、正常高度、双襟、搭配可拆卸帽子(图9)。

(4)帽子 粘合式连接,高度较高,可对口鼻部位进行防护。帽子中部设置抽绳,可根据环境温度和风的大小来进行调整。额头部位保暖设计:额头布料单独,可与服装用按扣结合,也可拆卸(图10)。

(5)肩部 无分割缝一片式插肩袖。除此之外,在袖窿底部设计拉链式开口,可以调节服装内热湿平衡(图11)。

(6)袖口 靠近袖口10 c m处用松紧带收口,袖口处采用蓬松设计,既能保证体内热量流失,又可以提供空间对手进行保暖(图12)。

(7)下摆 通过增加调节袢来调节服装开口的大小,使其更加具有主观能动性(图13)。

(8)口袋 腰下和前胸各设立2个口袋,腰下口袋是敞开式斜插袋,更符合人体结构,方便手的伸入。前胸口袋通过按扣进行闭合,方便放置现金、手机等相对贵重的物品,减少财产丢失(图14)。

(9)腰带 在本款保暖服上设置“腰带”,它与服装连为一体,中间增加调节袢可以根据人们的日常需求来进行调节。

5 结论

从保暖服结构的角度出发探讨与舒适性之间的关系,根据理论分析、试验分析与结构优化,可得出:

(1)保暖服与舒适性相关的结构主要有长度与廓形、层数与层序、加放量、开口结构(领部、肩部、下摆、袖裤口)以及口袋与腰带等。各结构层次主要通过影响覆盖面积与服装内静止空气的含量与流动来影响服装舒适性。

(2)选择与覆盖面积相关的长度以及与静止空气相关的加放量进行实际着装试验并进行心理学指标评分,结果显示长度主要影响服装的主观感觉和风冷感,加放量则主要影响服装的压力感和测试者的精神状态。

(3)结构优化方案为:中长款H型、4层服装内紧外松的搭配形式、加放量为24 c m、领口是前开口搭配可拆卸帽子、门襟是双襟、肩部是无分割缝插肩袖,袖窿底部有拉链式开口、袖部与下摆收口、设置腰带与4个口袋。

虽然现在全球变暖,但中国大部分地区冬天还很寒冷,大家对保暖服的功能性要求也很高,所以保暖服的市场前景仍然很广阔。除了在材料方面进行创新外,通过结构的创新与组合不仅能够在一定程度上达到节省面料的作用,也能很好地提高保暖服的性能。