实用型散热童装的设计与性能

郭 虹

（湖南工程学院 纺织服装学院，湘潭411104）

夏季天气炎热，加之儿童活动量大，如果不能及时散热，就容易在皮肤表面滋生细菌，进而产生疾病，因此，散热对夏季儿童服装非常重要.传统服装通过选用轻薄面料、减少覆盖面积、加大开口等方式进行散热，但在短时间内散热效果不明显，于是人们开始着眼于智能散热服装的研究.目前用于智能服装的散热方式主要有相变材料、气冷式和液冷式三种［1］.

相变材料（PCM-Phase Change Material）是材料本身能随温度变化实现从固态到液态的转变，当温度过热时吸收并储存热量，过冷时释放热量，多用于空调服的研究与设计，目前的应用主要有以下几种方式：（1）将相变材料装入空调服口袋中［2］，典型的如Steele公司的“Steele vest”；（2）将含有相变材料的微胶囊编织在空调服中［2］；（3）将相变材料纳米纤维埋藏在空调服织物中［3］；（4）直接采用相变材料制作，如张兴祥［4］利用微胶囊技术将相变材料运用在恒温夹克、恒温衬衣等产品当中；Outlast技术公司的Outlast®相关材料，可有效减少出汗，一些用该面料制作的婴幼儿产品已经开始在市场上进行销售.液冷式和气冷式的基本原理是在服装内部加入相应的制冷装置，最初多被用于航天、军事、冶金等高温作业相关领域，比较典型的如Veskimo公司的液体循环空调服［5］.有很多研究者也在持续推进该类服装的改进，如牛丽等［6］在消防服中加入液冷循环管，并测试其降温效果；毛雷武［7］同样采用液冷式进行消防服的设计；孙晓阳［5］以及骆雯等［8］提出新型高效环保空调服；王丽丽等［9］则采用气冷式设计并测试其热舒适性.

上述智能服装仅适用于特殊环境从业者，尚处于研究开发阶段，经调查发现，目前真正进入普通消费市场的散热服装可以归纳为以下几类：（1）通过持续不断的涡流压缩空气达到降温效果，适合户外作业及活动；（2）通过在服装上安装风扇进行降温，采用电池续航，可以根据需求调整风扇功率大小.上述方法主要针对成人，专门针对儿童日常穿着的研究主要集中在Outlast等相变材料，该材料虽然可以用于童装制作，但与普通服装面料相比价位较高.因此本文针对上述情况，提出一款适合儿童日常穿着的低价位散热服装.

1 散热元件的选择

针对日常穿着的散热童装，需具备以下几个特点：价位低、重量轻、无安全隐患，且操作简单，因此考虑采用风扇散热的原理.目前市场上已有的风扇类服装基本是针对成人，如果用于儿童，会出现以下问题：第一，重量大，由于现有风扇和电池本身具有一定的重量，再加上风扇以及面料的重量，远超过普通儿童夏季服装重量，详见表1（表中数据以尺码120 cm（身高）的童装为依据进行测量）；因此需要配备专用的电池；第二，风扇体积大，且为保证散热效果，风扇局部一般会外露，既影响外观，又具有一定的安全隐患，黎仁林［10］虽然对风扇体积进行了优化，将直径控制在70～80 mm之间，但风扇仍为外露状态；第三，由于是基于户外等特殊场合，如工装、户外服，因面料透气性本身相对较差，使用风扇后，服装会由于风力鼓起，整体较为臃肿，不适合儿童活动.

表1 常见童装重量参考

综上，要想应用于童装散热，必须选用体积小、重量轻的风扇，为降低成本，选择市场上现有的微型散热风扇，进行适当改进后运用于童装.分别选择三种风扇，测试其实际散热效果，详细参数如表2所示.

由表2可以看出，风扇重量和体积都比传统风扇小很多，根据GB 50118-2010《民用建筑隔声设计规范》［11］、GB3096-2008《声环境质量标准》［12］等的相关规定，风扇的噪音基本属于最低级别，较适合儿童穿着.

表2 风扇参数表

2 散热性实验

2.1 热阻测试

服装层中因温度而产生的热流阻力称为热阻，热阻反映了服装及其材料具有的隔热保暖能力，有时也称隔热值或保暖值.表征服装隔热性能有多种方法，其中Clo（克罗）是目前国际上的一个通用指标［13］，克罗值越大表明服装的隔热性越好，反之，则表明服装的散热性越好.

2.1.1 测试方法

测试不同风扇的热阻大小，进而选择合适的风扇进行试穿实验.考虑到服装是在炎热天气穿着，故将实验条件设计为：温度29℃±2℃，湿度76%±2%.

测试方法如下：测试设备选用LD—1型服装保温及冷感性能测试仪，先将实验设备预热至35℃，放置试样，稳定1800 s，而后进行测试，测试时间设定为600 s，每个试样分别进行3次试验，最后取测试结果的均值.测试样品制作统一采用纯色人造棉（100%粘纤），幅宽140 cm，克重158 g/m2，经纬密度为112×70.

考虑到人体不同部位对冷热敏感程度的不同，再结合穿着的方便性，最终确定在1～7号位置分别开口或安装风扇，如图1所示，并测试其Clo值大小.

图1 测试样品说明

2.1.2 实验结果分析

实验表明，三种不同风量的风扇，随着风量的增大，散热量会有所提高，如表3所示，总体Clo值1号风扇＞2号风扇＞3号风扇，表明散热情况3号风扇＞2号风扇＞1号风扇.7号位置的散热明显弱于其他位置，对比4号试样，腋下位置的直接开口有助于提高散热，但在腋下加风扇（7号位置）相比在其他更为平面的位置（如3、4、5、6号位置）散热效果却不明显，说明风扇加在较为平面的位置更易于散热.增加开口会提高散热效果，比如3号和4号试样，腋下位置开口（4号试样）散热效果尤其明显，但过大的开口会影响穿着，只能在不影响外观的情况下适当采用.

表3 热阻实验结果记录

18 19备注6号位置安装3号风扇7号位置安装3号风扇位置说明详见图1，风扇编号见表2 2.795 3.200试样编号 试样说明 Clo值

2.2 试穿实验

2.2.1 样衣说明

在热阻实验的基础上进行儿童试穿实验，经初步感觉实验，1号风扇的风量感觉不明显，2号和3号风扇有明显感觉，因此，分别选取2号和3号风扇进行进一步的测试.由热阻实验可知，风扇安装在较为平面的部位散热效果相对较好，考虑穿着舒适性及活动的方便性，最终确定将风扇安装在前后腰附近，如图2所示，并制作样衣进行试穿实验，样衣规格如表4所示.

表4 样衣规格表

图2 样衣说明

连衣裙面料采用与同热阻实验相同的面料，可以用于夏季日常穿着，在此基础上，增加可拆卸的散热装置，就可以具备散热功能.散热装置包括调节开关、移动电源和连接线路，以及微型风扇，移动电源输出端通过USB接口和连接线与调节开关进行连接，调节开关通过USB接口与连接线和风扇进行连接，一个开关控制两个风扇.由于有USB的连接，散热装置本身各个部位也可以拆卸.

电池和调节开关均隐藏于腰下部或者胸部口袋里侧（口袋具体部位可根据款式需要调整），口袋里侧设有开关固定装置以及开口，移动电源、调节开关等均可通过此开口进行拆卸或安装，在服装反面腰围线附近，前后片两侧均设有风扇固定部位，便于对风扇进行拆卸和安装，同时，腰围下方反面设有线路隐藏部位，以防止儿童直接接触线路和风扇，如图2所示.为增加舒适性又不影响散热效果，风扇表面覆盖一层网眼布.为方便重复使用，电池可以选择用于手机充电的移动电源，目前市场有很多小巧轻便的移动电源可供选择，如胶囊型电池，长度接近一枚5号电池，重量约在15～30 g左右，以尺码120 cm的样衣为例，如表4所示，安装散热装置后的总重量约为200 g，由表1可以看出，重量符合日常夏季童装的重量.

2.2.2 实验结果分析

通过真人穿着测试样衣的散热效果，分别采用2号风扇和3号风扇进行两组实验，每组实验分两轮进行.选择6～8岁的儿童10名，每名儿童在相同温度环境下进行两轮测试.第一轮实验，测试者进行一定量运动后，休息一段时间（约10 min）让体温上升后开始测量（因为运动后体温不会立即上升），穿着没有安装风扇的样衣，采用电子体温表测量腋下温度的变化，每隔3 min记录一次，共记录30 min；第二轮实验，进行与第一轮实验相同的运动，休息一段时间待体温与第一轮实验的初始记录温度一致时，开始测试并记录腋下温度，同样记录30 min.待所有测试者测完之后，将所有时间间隔点的数据取均值，产生两组数据，不散热情况下的温度变化数据以及风扇散热情况下的温度变化数据.由图3可以看出，利用2号风扇散热在前12 min散热速度明显，后18 min虽然速度有所下降，但整体温度还是低于不散热的情况.

图3 2号风扇温度变化趋势

进一步分析上述数据，由于上述两组数据均不属于正态分布，故采非参数检验中的两个相关样本检验，非参数检验是指在总体不服从正态分布，且分布情况不明时，用来检验不同样本是否来自同一个总体的统计推断方法［14］.原假设H0为：增加风扇前后的温度变化来自同一分布的总体；备择假设H1为：增加风扇前后的温度变化不是来自同一分布的总体.以2号风扇为例，通过SPSS22.0软件分析，由于Wilcoxon检验和Sign检验的显著性取值分别是0.007和0.004，均小于0.05，故否定原假设，认为增加风扇前后的温度变化不是来自同一分布的总体，3号风扇的结果与2号风扇一致，即增加风扇后散热效果显著.同时，在整个实验过程中，样衣未出现由于风力产生的鼓起现象.另外，通过对测试者的问卷调查：采用2号风扇穿着较为舒适，3号风扇由于体积略大，对穿着有一定影响.

3 结论

通过上述两种实验表明：

（1）在传统连衣裙上增加风扇散热装置，随着风量的增加，散热效果会明显增加，如3号风扇＞2号风扇＞1号风扇.风扇的体积大小会对人体舒适性产生影响，如2号风扇舒适性优于3号风扇，总体而言，在风扇体积在40×40×10至60×60×15之间，风扇重量14～35 g左右，由于风扇和电池的重量轻，不会对儿童穿着造成负担，非常适合儿童在夏季穿着.

（2）风扇安装在较为平面的部位，其散热效果会好于非平面部位.

（3）针对夏季服装面料，风扇不外露也可以达到良好的散热效果.

（4）散热装置可以拆卸，便于重复利用.

（5）可拆卸的散热装置，虽然便于服装的养护，但拆卸过程具有一定的难度.另外，散热设置的安全性也有待进一步完善.