充气防寒服的保暖性能

苏文桢， 宋文芳， 卢业虎,3， 杨秀月

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215006； 2. 广东工业大学 艺术与设计学院， 广东 广州 510006；3. 南通纺织丝绸产业技术研究院， 江苏 南通 226300； 4. 上海市服装研究所， 上海 200082)

当人体长时间暴露于低温环境下，体内产生的热量通常无法补偿其散热量，热平衡被打破，易出现低体温、冻伤，甚至是死亡的风险[1]。为维持人体热平衡，可以穿着防寒服来抵御寒冷。防寒服主要分为2类：一类是主动产热式防寒服；一类是被动隔热式防寒服[2]。主动产热式防寒服通常采用电加热方式，这种方式需要携带电池，存在续航、安全性和洗涤等问题，因此限制了其在日常生活中的广泛使用[3]。目前，大多数防寒服为被动隔热式，通常以增加服装厚度或层数以达到保暖效果，但是过于厚重的服装会阻碍人体活动自由度，影响人体舒适性和工效。此外，人体在活动量变化和外界环境温度变化时，通常需要增加或者减少防寒服厚度或层数以维持人体热舒适性，这显然会为户外活动群体带来不便。因此，需要开发一种轻便、有效且保暖性可调的防寒服装，满足人体在不同活动量和环境温度下对服装保暖性的需求。自然界中，静止空气具有较低的导热系数(常温环境下为0.027 W/m·K)，远低于常用保暖材料羽绒、羊毛的导热系数(羽绒为0.072 W/m·K，羊毛为0.052 W/m·K)。防寒服的保暖性能很大程度上取决于服装系统内静止空气的含量：静止空气层越厚，服装的保暖性能就越好[4]。近期，NuDown公司推出了一款充气保暖马甲，其保暖性是通过将空气充入服装内被分割的织物气囊实现的，同时，保暖性的调节可以通过充气量的调节实现。虽然充气马甲的保暖性在理论上可行，但是未有研究对充气马甲进行实验验证和评价。

服装的款式结构设计，如覆盖率、宽松度、开口以及服装层数，都会对服装的保暖性产生重要影响。服装覆盖率越高，保暖性越好；宽松服装的保暖性一般优于紧身服装；服装开口大会造成风箱效应从而降低保暖性[5]；等厚度的多层服装比单件服装具有更好的保暖性[6-7]。另外，服装的保暖性还受到人体自身(主要是出汗量、运动和姿势的影响)和环境因素(主要是风速的影响)的影响。人体出汗后面料含水量增加，服装保暖性会随着面料含水量的增加而降低；服装的保暖性在站姿时比坐姿低[8-10]；风速会促进人体对流和蒸发散热量，并使服装边界空气层变薄，导致服装保暖性下降。

本文研究采用“Newton”出汗暖体假人测试了充气服装在不同充气量和风速下的总热阻和局部热阻，从而评价充气服装保暖性的动态调节能力以及风速对其保暖性的影响。

1 实 验

1.1 充气服装

实验采用的充气服装是在NuDown公司推出的一款充气马甲基础上设计制成。衣身充气面料结构如图1(a)所示。衣身充气面料由内外2层膜-织物复合材料通过热压黏合形成封闭气囊，各气囊之间通过空气通道相连，其中，内层是由网眼涤纶面料1和防水透湿聚氨酯(PU)材料2复合而成，外层是由高密度涤纶3和防水透湿PU材料4复合而成的防风透湿面料，内外层通过热压形成波浪形黏结线5，黏结线之间形成的气囊宽度为2.5 cm。不充气气囊厚度为0.3 cm，充满气气囊厚度为1.85 cm。图1(b)为充气服装款式图。气囊呈菱形状且均匀分布于上半身，由连接气囊的橡胶充气泵和泄压阀实现对服装的充、放气的控制。袖子为防水型覆膜涂层面料和聚酯纤维里料的复合。

图1 充气服装示意图Fig.1 Schematic of air inflatable clothing.(a) Fabric structure; (b) Clothing style

图2 34区段Newton出汗暖体假人示意图Fig.2 Thirty-four-zone "Newton" thermal manikin

1.2 暖体假人

图2为“Newton”出汗暖体假人示意图。实验采用该假人测得的热阻来评价充气服装的保暖性能。暖体假人模型为34区段，本文实验只计算上身总热阻和局部热阻，包括上臂、下臂、胸部、腹部、背部，不包括头和手。各部位对应区段如表1所示。

测试标准采用ISO 15831—2004 《服装-生理效应-采用暖体假人测试服装的热阻》，空气温度和相对湿度分别控制为(15±0.2) ℃和(50±5)%，出汗暖体假人皮肤温度恒定在34 ℃，使用ThermDAC软件记录暖体假人各身体部分的热流量，每30 s记录一次数据。

表1 身体部位信息Tab.1 Information of body parts

实验过程中，出汗假人穿着多层服装系统，主要包括充气服装、纯棉长袖秋衣、纯棉内裤、纯棉秋裤、外层薄绒长裤以及纯棉袜子和运动鞋。实验测试了充气服装在4种充气量(不充气、1/3充气、2/3充气、充满气)下的热阻，其中充满气通过挤压充气泵48次实现，1/3 充气挤压16次，2/3 充气挤压 32次。另外，测试了充气服装(1/3充气和充满气)在3种风速(0.15、1.55、3.04 m/s)下的热阻，其中0.15 m/s模拟正常室内无风，1.55 m/s模拟室外软风，3.04 m/s模拟室外轻风。风速是由假人正前方1.45 m处的风扇系统产生[11]。每次实验至少测量3次，保证变异系数低于5%。

1.3 充气服装总热阻与局部热阻的计算

参照ISO 15831—2004，上身总热阻计算公式为

式中：It为上身总热阻，clo；Tsk、Ta分别为暖体假人皮肤温度(本文研究为34 ℃)和环境温度，℃；Ai为暖体假人各区段的皮肤表面积，m2；Hi为暖体假人各区段的热流量，W/m2，i包括区段3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 22, 24。

局部热阻的计算公式为

式中：It, j为局部热阻，clo；Aj为暖体假人局部体表面积，m2；Tmanikin,i为暖体假人各区段皮肤温度(本文研究为34 ℃)。

1.4 数据分析

采用One Way ANOVA 和多重比较分析探索充气量和风速对充气服装局部和上身总热阻的影响。显著性差异水平p<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平p<0.01时，标记为“**”。

2 结果与讨论

2.1 充气量对局部热阻和上身总热阻影响

图3示出了不同充气量情况下充气服装的局部热阻比较。在腹部、胸部、背部，3种充气量(1/3充气，2/3充气和充满气)下服装的热阻显著大于未充气状态(p<0.01)，但是3种充气量服装之间的热阻几乎没有显著差别(p>0.05)。胸部、腹部和背部被充气服装覆盖，充气后服装内空气层厚度增加，有效降低了暖体假人向外界环境中的传导和辐射热量，保暖性增加。另外，由于充气服装只在人体上身躯干部位充气，所以上臂和下臂的热阻在充气和未充气状态没有明显差异(p>0.05)。不同充气量的服装几乎没有表现出差异，这可能是因为服装在充气过程中会挤压人体，造成人体和服装之间的空气层厚度下降，2种作用(服装内空气厚度增加和人体-服装之间空气层厚度减少)此消彼长，使得热阻没有明显变化。

表2示出不同充气量情况下充气服装上身总热阻结果。

表2 不同充气量下充气服装上身总热阻Tab.2 Total thermal insulation of upper body in different air inflation volumes

3种充气量(1/3充气，2/3充气，充满气)下充气服装上身总热阻均显著高于未充气状态(p<0.05)，然而，不同充气量服装之间的热阻并没有显著差异(p>0.05)。可见，充气服装和未充气服装局部热阻的显著差异最终引起上身总热阻的显著差异。同样，不同充气量服装之间没有局部热阻差异，导致上身总热阻没有差异。

2.2 风速对局部热阻和上身总热阻的影响

图4示出了不同风速下充气服装局部热阻之间的差异。可以看出，服装局部热阻均随着风速的增加显著降低(p<0.01)。除背部外，其余4个部位的热阻在风速增加至1.55 m/s时的下降速度显著大于这些部位在风速从1.55 m/s增加到3.04 m/s时热阻下降速度，其中，腹部的热阻随着风速的增加下降速度最为明显。服装局部热阻随风速的变化规律与Lu等[12]的研究一致。风速的增加一方面使服装内静止空气变成流动状态，对流换热量增大；另一方面，风速增加促进暖体假人表面向外界环境的对流散热，从而降低了服装热阻。腹部正对风速最大位置(正前方1.45 m放置风扇)，大量的空气从服装下摆进入服装内部，使腹部对流换热量增加最为显著，因此热阻下降更为明显。研究表明在有风条件下，人体腹部的保暖变得非常重要。

图4 不同风速下充气服装(充满气)的局部热阻Fig.4 Local thermal insulation in different air speeds

图5示出了不同风速下充气服装的上身总热阻。随着风速的不断增加，2种充气量(1/3充气和充满气)情况下服装上身总热阻不断下降，这与充气服装局部热阻在不同风速下的变化一致。另外，2种充气量服装的热阻在不同风速下没有显著差异(p>0.05)。研究发现，风速的增加会显著降低充气服装的保暖性，与Lu等[12]的研究中发现的服装总热阻随风速下降的趋势类似。

图5 不同风速下充气服装上身总热阻Fig.5 Total thermal insulation of upper body in different air speeds

3 结 论

本文借助出汗暖体假人研究了充气服装在不同充气量和风速下的总热阻和局部热阻，得到以下结论：1)充气服装上身总热阻以及局部热阻显著高于未充气状态，充气量的大小对服装热阻没有显著影响；2)风速会显著降低充气服装的局部热阻和上身总热阻。

可见，充气服装在一定范围内可以作为一种有效的手段动态调节服装的保暖性。为扩大服装的保暖性调节范围，未来研究将对充气防寒服面料和款式进行设计，如采用防风性更好的面料，扩大气囊增加充气量，增加服装宽松度等。

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