基于微型风扇阵列的通风服研发与测评

党天华，赵蒙蒙，钱 静

(上海工程技术大学纺织服装学院，上海 201620)

气候变暖的加剧使高温热浪席卷全球，世界各地最高气温不断被打破。夏季，室内热条件恶化，易使人们情绪烦躁，影响身体健康和工作效率。使用空调制冷设备，会消耗较多的电能，造成环境污染，如何提高办公室工作人员的室内热舒适成为近几年的研究热点[1]。个体降温服装(Personal cooling garment)的开发是满足个人热舒适需求最便捷、最有效的方式，已成为服装发展趋势之一。个体降温服装一般分为：液体降温服[2]、气体降温服(通风服)、相变材料降温服[3]、混合降温服[4]、新型材料降温服[5]。其中液体降温服与部分气体降温服需要额外制冷装置，不易携带，相变材料降温服制冷时间较短。风扇式通风服轻便易携带，不需要额外制冷装置，降温效果良好。

Crockford于1972年最早提出了服装通风的概念，他指出衣下微气候与外界环境之间的空气交换，可实现皮肤表面与环境之间的热量交换[6]。通风服是把温度适宜的空气引入，并分布到人体，形成舒适的微小气候的一种个体降温服装，通常用于航空、建筑、交通指挥等领域。此外，通风服在降低人体温度的同时，可以改善衣下潮湿感，提高热舒适性[7-8]。国内外众多学者对其已有一定的研究。美国海军航空兵系统司令部[9]、孙晓艳等[10]、陈宁等[11]、柳源等[12]、Guo等[13]研究了管道式通风服，但装置复杂。风扇式通风服，携带穿着方便。赵蒙蒙[14]设计了5套风扇式通风服，通过出汗暖体假人和真人着装实验，对比它们的降温效果，发现躯干散热最佳的条件是将风扇配置于前胸下部且衣身前后都开口，但使用的风扇体积较大，不太符合人体工效学。微型风扇阵列通风服，风扇小、质量轻，有学者[15-17]使用大小为2 cm或4 cm的风扇，以并联的方式将风扇连接在一起，对流提高了人体与环境的热交换，经实验研究对人体有良好的降温效果。一般选用干电池或锂电池对风扇供电，少数使用太阳能电池板供电。

目前市场上已有的风扇式通风服，风扇体积较大，穿着臃肿。本文针对夏季办公室工作人员，设计开发出3款微型风扇阵列通风服，通过测量每款通风服风速大小以及开展真人着装实验研究衣下温度、平均皮肤温湿度等客观指标以及主观感受指标对人体热舒适的影响。研究结果可为未来个体降温服装的开发提供参考。

1 通风服降温原理

人体主要通过辐射、对流、传导和汗液蒸发散热。在高温环境下，人体最主要的散热方式是蒸发。通风服对人体的降温主要是通过对流和蒸发散热，气体流动速度影响降温效果。通风带来的散热量可用式(1)表示[18]：

Q=ρm(hv(1，Ts)-hv(φa，Ta))+
ρm(ha(Ts)-ha(Ta))

(1)

式中：Q为通风散热量，W；ρ为空气的密度，kg/m3；m为空气流质量，kg；hv和ha分别为水蒸气和干态空气的热焓，kJ/kg；Ts和Ta分别为皮肤和环境空气的温度，℃；φa为空气的相对湿度，%。式中，右边第一项为蒸发散热量，第二项为对流散热量。

散热量与空气流量关系为：

Ф=ρ×с×S×Δt

(2)

式中：Ф为散热量，W；ρ为空气密度，kg/m3；с为空气比定压热容，J/(kg·℃)；S为空气流量，m3/h；Δt为需要控制的温升，℃。从式(2)中可以看出，通风散热量与空气温度、空气流量密切相关。

2 通风服通风系统设计

通风服通常包括通风系统和基础服装，其中最为关键的设计是通风系统。

2.1 通风系统设计

2.1.1 微型风扇阵列

微型风扇阵列使用额定电压为5 V、电流为0.15 A 的6个3 cm(3 cm× 3 cm×1 cm，5个扇叶，重7.3 g)的风扇与4个5 cm(5 cm×5 cm×1 cm，7个 扇叶，重16.5 g)的风扇组成，其中3个3 cm和2个5 cm的风扇一组，并联在一起，共两组，电路图如图1所示。

图1 微型风扇阵列电路Fig.1 Circuit diagram of micro fan array

每个3 cm的风扇垂直相距4.5 cm，每个 5 cm 的风扇垂直相距5 cm。在前面安装风扇与在后面安装风扇的两件通风服中3 cm风扇与 5 cm 风扇水平相距4.5 cm。参考前人经验[15-17]，考虑到服装的美观及舒适性，风扇的位置不宜放置在胸部，选择胸部以下的腹腰部(前面)和肩胛骨以下的背腰部(后面)；考虑到服装的轻便性、衣长及供电设备，经过多次样衣制作，因此确定了风扇数量及位置。风扇安装部位通过粘衬加固服装，将风扇的4个角用线缝在衣服上固定，实物如 图2 所示。

图2 微型风扇阵列实物Fig.2 Physical map of micro fan array

2.1.2 电源系统

使用电池容量为10000 mAh(37 Wh)，输出电压为5 V，重量为202 g的ROMOSS充电宝作为供电系统。充电宝的尺寸为92.2 mm×62.6 mm×23.6 mm，有两个USB接口，分别对应两组风扇，电量满载时可以提供4.3 h的通风时间。

2.2 基础服装设计

基础服装为工装结构，使用东华原型制版，服装规格尺寸如表1所示。基础服装袖子上缝有调节扣，可根据需求调节袖子长短；胸部以下部位的两侧设有隐形拉链，拉开拉链作为开口；下摆处松紧带设计；在服装内侧后中位置缝制一个口袋放置充电宝。

表1 服装规格尺寸Tab.1 Clothing specification size cm

设计制作了4款实验服装，包括：前面带有风扇的通风服(FFV)、后面带有风扇的通风服(BBV)、前后均带有风扇的通风服(FBV)与前后均无风扇对照服装(CON)。4款服装均使用棉涤(棉91%，涤纶9%)斜纹梭织面料，并采用相同的尺寸规格。服装参数及款式如表2所示。

表2 服装参数及款式Tab.2 Clothing parameters and style

续 表

3 通风服风速测量

风速的测量在恒温恒湿的人工气候室进行，使用手持式热式风速仪(日本加野Kanomax-6006型，量程为0.01～20.0 m/s，精度为风速读数的±5%)完成。经测定规格为3 cm的风扇与规格为5 cm 的风扇风速分别为4.85、4.02 m/s，由于测量时将风速仪贴近风扇出风口，因此风速均较大，规格为 3 cm 的风扇转速更快一些。

将FFV穿在165/88A的人台上，风扇左右对称，选取右侧带风扇区域，使用标记线在人台相应位置贴出区域，选择5个点进行风速测量，把风速仪用胶布固定在人台测量点位置上，关好通风服拉链，打开通风服风扇，查看风速仪读数，每个点取出现次数最多的风速值，计算5点平均值，即为该区域风速大小。BBV的风速测量方法与FFV相同。FBV的风速测量分为右侧前面区域(取4个点)，以及右侧后面区域(取3个点)，则单侧风速为两者之和。服装风速测试结果如表3所示。由表3可知，FBV前面风速为0.77 m/s，后面风速为0.80 m/s，单侧风速为1.57 m/s，相比FFV和FBV两款通风服，风速最大。显然这些风速比单个风扇的风速小很多，因为不是将风速仪贴近风扇出风口测量的原因，通风服与人台之间有一定的松量，人体穿着通风服也存在着一定的松量，因此这个结果更接近人体感受到的风速值。

表3 服装风速测试结果Tab.3 Clothing wind speed test results

4 真人着装实验

4.1 受试者

选取10名健康的女受试者进行实验，她们年龄为(24±1)岁、身高为(161±4) cm、体重为(50±5) kg、BMI值为19.5±2。实验前告知受试者研究目的及实验过程，在实验前24 h内禁止饮酒、喝咖啡、服药等，不要剧烈运动，情绪稳定，避开生理期。

4.2 实验方案

实验在温度为(32±1)℃，相对湿度为(65±5)%的人工气候室中进行，模拟夏季的办公室工作环境。

受试者穿着内衣、内裤、短袖T恤、长裤、袜子、运动鞋，进入气候室适应30 min。受试者分别穿着4款服装(FFV、BBV、FBV、COV)，坐在凳子上，使用笔记本电脑工作，进行70 min实验测试。期间，每隔10 min使用耳温枪测量一次耳道温度；每隔10 min 填写一次主观调查问卷(热感觉、湿感觉、热舒适度)；每次5 min的走动按照规定路线以平时步行速度行走。真人着装实验流程如图3所示。

图3 真人着装实验流程Fig.3 Real-life dressing experiment process

实验过程中，使用红外热像仪(FLIR T250型，美国，精度为0.1 ℃)测量被测服装下温度。将红外热像仪固定在一个位置，与受试者相距约1 m，并对受试者站立拍照时的位置做好标记，每次站在相同位置。在实验0 min时，即未穿测试服装，以及70 min 实验结束时，拍受试者脱掉测试服装后的红外成像图(前面与后面)，从而查看衣下温度变化。

对于局部皮肤温湿度的测量使用DS1923型ibutton温湿度传感器，采集并记录受试者8个部位的局部皮肤温湿度随时间变化的数据。在受试者身体左侧的胸部、腹部、肩胛骨、下背部、脖子、手、大腿、小腿内侧处用3M医用胶布将温湿度传感器固定住。真人着装实验示意如图4所示。

图4 真人着装实验示意Fig.4 Showcase of real-life dressing experiment

4.3 测试指标

4.3.1 客观生理指标

使用ibutton温湿度传感器测量了受试者的皮肤温湿度，使用耳温枪每隔10 min测一次耳道温度，使用红外热像仪测量实验前后的衣下温度。平均皮肤温度参考文献[19]采用式(3)计算、平均躯干温度参考文献[20]采用式(4)计算、平均皮肤湿度计算参考平均皮肤温度的权重系数，采用式(5)计算：

Tsk= 0.28Tneck+ 0.28Tscapula+
0.16Thand+0.28Tshin

(3)

Ttorso= 0.25Tchest+ 0.25Tscapula+
0.25Tabdomen+0.25Tlower back

(4)

Hsk= 0.28Hneck+ 0.28Hscapula+
0.16Hhand+0.28Hshin

(5)

式中：Tsk为平均皮肤温度，Tneck为脖子温度，Tscapula为肩胛温度，Thand为手部温度，Tskin为小腿内侧温度，Ttorso为躯干温度，Tchest为胸部温度，Tabdomen为腹部温度，Tlower back为下背温度，单位均为℃。Hsk为脖子湿度，Hscapula为肩胛湿度，Hhand为手部湿度，Hshin为小腿内侧湿度，单位均为%

4.3.2 主观评价指标

受试者对着装的热感觉、湿感觉、热舒适度进行评价，主观评价量表如表4所示。

表4 主观评价量表Tab.4 Subjective evaluation scale

4.4 数据分析

采用SPSS Statistics 24进行数据分析。使用非参数检验的Kruskal Wallis检验，检验受试者穿着4件服装对平均皮肤温湿度、平均躯干温度、耳道温度、躯干热感觉、躯干湿感觉、躯干热舒适度，是否存在显著性差异。当检验结果p<0.05时，则判定它们之间存在显著性差异，然后进行两两比较。

4.5 实验结果与讨论

4.5.1 平均皮肤温度、平均躯干温度、耳道温度

平均皮肤温度变化如图5(a)所示，由图5(a)可以看出，对照组(CON)的平均皮肤温度整体要高于其他三组，CON最高温度35.4 ℃，而通风服组(FFV、BBV、FBV)最高温度35.1 ℃，下降0.3 ℃，说明通风服起到一定降温效果。在20～25 min和45～50 min时皮肤温度呈下降趋势，可能是由于人体走动带动起风，使皮肤表面温度暂时降低，当受试者走动5 min后静坐，皮肤温度又开始回升。数据分析显示，整个实验过程中，4件服装对平均皮肤温度影响存在显著性差异(p<0.05)，通过两两对比显示，FFV、BBV、FBV均与CON存在显著性差异(p<0.05)，但FFV、BBV、FBV之间不存在显著性差异(p>0.05)。赵蒙蒙等[21]研究的通风服在受试者运动结束休息20 min后，风扇打开时的平均皮肤温度比未打开时低0.9 ℃。周文等[22]研究的相变降温军训服在60 min实验过程中，平均皮肤温度较传统军训服最大降低0.95 ℃。虽然与前人相比，此次设计的通风服对人体的降温效果较小，但由于实验环境与安排不同，本次主要是在无运动状态下进行实验，因此达到的效果不同。

平均躯干温度变化如图5(b)所示。3件通风服对平均躯干温度影响没有太大差异，最高温度 34.9 ℃；CON的平均躯干温度明显高于通风服组，最高温度35.5 ℃，通风服与CON服装相比，使平均躯干温度下降0.6 ℃。由于通风服在上半身，因此相比于平均皮肤温度对平均躯干温度影响更大一些。整个实验过程中，FFV、BBV、FBV均与CON存在显著性差异(p<0.05)。FBV对于降低平均躯干温度效果更好一些。

耳道温度变化如图5(c)所示。在整个实验过程中，由于受试者只是静坐及慢步走动，没有剧烈运动，因此对核心温度影响不大，耳道温度变化不明显，通过数据分析，4件服装对耳道温度影响不存在显著性差异(p=0.21>0.05)。

图5 平均皮肤温度、平均躯干温度、耳道温度随时间的变化Fig.5 Mean skin temperature, mean torso temperature and ear canal temperature change with time

4.5.2 平均皮肤湿度

平均皮肤湿度变化如图6所示。穿着4件服装平均皮肤湿度均整体呈现上升趋势，其中CON上升最多，为6.3%，经检验FFV与BBV之间存在显著性差异(p=0.049<0.05)，FFV与FBV之间存在显著性差异(p=0.004<0.05)，其他之间不存在显著性差异(p>0.05)。

图6 平均皮肤湿度随时间的变化Fig.6 Changes in average skinhumidity over time

4.5.3 衣下温度

3件通风服均使衣下温度降低，而穿着CON使衣下温度上升。其中一个受试者穿着4件服装的衣下温度变化的红外成像如图7至图10所示。明显观察到，穿着通风服，70 min的实验后，躯干前后面的衣下温度均有所下降，通风服确实可以降低衣下温度。

图7 FFV红外成像Fig.7 FFV infrared imaging

图8 BBV红外成像Fig.8 BBV infrared imaging

图9 FBV红外成像Fig.9 FBV infrared imaging

图10 CON红外成像Fig.10 CON infrared imaging

4.5.4 躯干热感觉、湿感觉、热舒适度

人体躯干热感觉、湿感觉、热舒适度变化如图11 所示。受试者穿着CON时，躯干热感觉明显比穿着通风服时评分高，受试者穿着通风服相对凉爽；躯干湿感觉同样比穿着通风服时评分高，由于通风服带有小风扇，皮肤湿度会相对减小，潮湿感减弱；躯干热舒适度评分远远低于穿着通风服时，显然通风服对人体更加舒适。数据分析显示受试者穿着通风服时的躯干热感觉、湿感觉、热舒适度均显著优于CON(p<0.05)，FFV、BBV、FBV之间不存在显著性差异(p>0.05)。

图11 主观感觉评分Fig.11 Subjective sensory score

5 结 论

本文设计了3款微型风扇阵列通风服，针对夏季办公室工作人员，考虑到人体工效学，通风服质量较轻，风扇并联在一起，即使其中一个损坏，不会影响到其他风扇转动，开口处使用隐形拉链。经实验测评得出以下结论：

a)通风服与普通服装相比，提供了有效的蒸发冷却与对流散热，使衣下温度下降，平均皮肤温度和平均躯干温度分别下降0.3、0.6 ℃，可以改善人体热感觉、湿感觉、热舒适度，对办公室工作人员的健康尤为重要。

b)风扇的风速会影响到降温效果，FBV对于降低平均躯干温度效果最好，CON和FBV的最高平均躯干温度分别为35.5、34.9 ℃，实验结束时穿着FBV的平均躯干温度为34.6 ℃，较最初相比下降0.3 ℃。通风服与制冷空调相比，不受建筑的约束，携带穿着方便，通风服的使用将减少能源的消耗及环境污染。

本次实验的受试者仅为女性，男性与女性之间的热耐受力、热感觉等可能存在差异，后期可以增加男性受试者，同时可以将开口因素加入，探究服装开口与风扇共同作用对人体热舒适的影响。