服装的热湿舒适性研究进展

代玲静，刘皓

（1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 智能可穿戴电子纺织品研究所，天津 300387）

人们在工作、生活中难免会面临寒冷和炎热的环境，例如在边疆守卫的边关战士，夏季在户外工作的交通警察，外卖或快递骑手，冬季户外冰雪运动员等。当长时间处于-20 ℃～0 ℃和35℃以上的环境时，服装不能提供足够的保暖或散热能力，人体热湿平衡失调，轻则导致人体会产生不适感，使人的生活质量和工作效率下降，重则将会导致人体损伤和诱发相关疾病，所以对于服装热湿舒适性的研究就尤为重要。

1 服装热湿传递机理和影响因素

1.1 服装热湿传递机理

服装热湿舒适性是研究人体—服装—环境三者之间热与湿的传递，人体-服装-环境是一个整体的系统，如图1 所示，在这个系统中，人体必须保持恒定的体温以维持所有正常的生命功能。身体能够通过出汗、血管收缩和其他行动来调节体温的变化，以保持身体热湿平衡。当人体温度低于或等于外部环境温度时，环境与人体之间通过热辐射和热对流的方法向人体表面输送热能；当人体温度高于外部环境温度时，则通过热传导的方法透过衣物向周围环境传热，人体通过大量出汗来降低温度，同时衣物也能够遮挡身体表面热能的散失。

图1 服装系统内的热湿传递[1]Fig.1 Heat and Humidity transfer in clothing system

在湿传递的过程中，服装对汗液的传递有显著影响。因为在汗液蒸发过程中，服装是其传递过程中的额外阻力，即在相同的环境条件下，由于服装的阻力，人体汗液蒸发散热减少。由于纤维具有吸湿性、导湿性，纤维可以将汗液传递到服装的表面，此时汗液的蒸发是在织物内部和在服装的外表面。

1.2 影响因素

1.2.1 外界环境

人体的热湿传递是一个非常复杂的过程，其变化受到许多因素的影响。在人体穿着衣服达到热湿平衡状态时，服装覆盖面积、衣下空气层以及服装开口、重量、层数等均影响着服装热湿舒适性。外界环境是影响服装热湿舒适性的主要外在因素，其中温度、湿度、风速等对服装热湿舒适度的影响最为显著。服装纤维具有吸湿性，在潮湿环境中纤维含水量增大，将会阻碍服装的热湿传递。在风速较大的环境中，服装表面和内部的空气层会产生对流，增加了对流散热，从而影响服装的热湿传递性能。

1.2.2 人体状态

人体通过新陈代谢来维持体温平衡，人体处在不同状态，其新陈代谢的水平也会存在差异，同时也会影响服装热湿阻。例如当人体处于运动状态时，会增加服装内层和外层之间的空气流动，增加了对流散热；另一方面，运动状态会提高人体的代谢水平，身体会出现的发热、出汗等现象，运动出汗后，汗液和蒸汽会积聚在衣下空气层和皮肤中而不能及时地传递到外界环境中去，给人体带来黏腻感，同时在汗液蒸发过程中会带走体表的热量，影响人体着装舒适度。

2 服装热湿舒适性评价方法

2.1 客观评价法

2.1.1 暖体假人

暖体假人可以模拟环境与人体之间的热湿交换，测量服装的热阻和湿阻。在暖体假人的发展过程中出现了一些典型的暖体假人，如Newton,Coppelius,SAM,Walter 和Wenda 等，如图2所示。Newton 暖体假人[2]使用32 段独立控制的热能模块组成，由ThermDAC 软件控制，Newton 暖体假人的脖子和手腕部分可以根据需求增加关节，该软件具有更快的瞬态响应和更大的应用环境范围。Coppelius 暖体假人是由高吸湿织物组成，通过向织物喷水来模拟出汗，其肩部、肘部、臀部和膝盖安装在假关节上，以确保假人的运动自由和各种姿势[3]。Coppelius 通过计算实验前后的供水量和衣服的重量来确定衣服的热阻和湿阻。SAM 暖体假人是在Coppelius 暖体假人的基础上制成的[4]，并使用发泡塑料混合铝粉制成，包括125 个汗孔，这些汗孔分布在整个身体表面，提高了假人的热导率，使出汗更均匀。SAM 的内骨骼悬挂在重量系统上，假人由26 个外壳覆盖。每个外壳可以独立加热，并配备传感器。Walter 暖体假人[5]是由水循环系统和防水透湿织物制成的出汗假人。Walter 通过高精度天平实时监测水蒸气的动态变化来计算水分蒸发量，运用一步法测试同时测试服装热阻和湿阻。

图2 暖体假人（a 是Newton；b 是Coppelius；c 是SAM；d 是Walter）Fig.2 Warm body dummy(a is Newton;b is for Coppelius;c is for SAM;d is for Walter)

Ke 等[6]利用Newton 暖体假人测试风速和服装开口位置对服装热湿舒适性的影响，并提出服装尺寸和织物透气性也会影响服装热湿舒适性。吴黛唯等[7]使用Newton 暖体假人测试防寒加热服装的热湿阻。

2.1.2 人体生理实验评价

防寒服装的保暖性也受服装热湿舒适性的影响，人体生理指标是直接反映穿着防寒产品时穿戴者的温暖状态的物理量，可以通过客观实验获得的。有代表性且易于收集的参数有皮肤温度，心率，脑电，耗氧量等。其中，皮肤温度是人体热平衡过程中最重要的生理参数，可以更好地表征人体穿着服装后的舒适或不舒适状态；而耗氧量和心率等不易改变，可用于确定人体是否处于冷热应激反应状态以及是否能维持正常生理功能。生理指标测试方法通常是测试在特定实验环境中生活特定时间的实验人员的生理指标来反映服装的保暖性能。Marsza ek 等[8]测量了6 名女性实验人员穿不同衣服后的皮肤温度、出汗率和心率的变化，从而反映了衣服的防寒性能。牛梦雨等[9]通过人体生理实验测试医用防护服的热湿舒适性。实验设计了3 种不同的内穿服装的防护服组合，分别测量了皮肤温度、代谢当量、心率等指标，以及冷热感、舒适感、湿感觉等主观感受指标。

2.1.3 数值人体模型评价法

数值人体模型是一种基于计算流体力学（CFD）仿真软件的虚拟暖体假人。几何模型是通过三维激光扫描真实暖体假人获得的。然后，软件将虚拟暖体假人进行分块和网格处理，并与热生理调节模型耦合。CFD 模拟为研究各种环境下的生理反应和传热提供了一种有效而简单的方法。在过去的几十年里，CFD 已经成为一种有用的工具，它与数值热模型一起计算虚拟环境中人体与周围环境之间的热交换。一些研究将CFD 与热生理调节模型相结合，以研究热舒适性、生理反应和传热。Zhu 等[10]提出了一个耦合系统来评估人体周围的皮肤温度分布和传热，但模拟皮肤温度与实验结果之间的最大偏差高达2.9℃。Voelker 等[11]提出了一种通过将CFD 求解器与UCB 热舒适模型耦合来模拟人体周围微气候的方法。Yang 等[12]通过耦合热生理调节模型和CFD，模拟了裸体人体的热行为和传热。然而，他的研究集中在裸体人体上，没有考虑衣服对传热和传质的影响。在未来的研究中，应考虑服装层的热量和水分，以评价服装热湿舒适性。

2.2 主观评价法

主观评价是通过热舒适或湿舒适性主观评价标尺来对服装热湿舒适性进行评价，评价标尺有3 级评价、4 级评级、5 级评价、7 级评价、9 级评价、13 级评价等。柯莹等[13]对热舒适性中采取了两种评价标尺，热感评价标尺分为9 级，包括非常冷、冷、凉、比较凉、中立、比较温暖、温暖、热、非常热；对湿舒适性的湿感评级标尺分为5 级，包括干燥、粘体、潮湿、汗湿、滴汗。

不同的人针对主观评价标尺的定义与衡量不尽相同。目前已有的评价指标包括热湿感、适穿感两大类。此外，PMV（预测平均投票数）、PPD（不满意百分数）也比较常用。PMV 表示对热环境的平均投票值，与七级热感相对应，区间为-3 到3；PPD 为对热环境表示不满意的人数占总人数的百分比。心理评价标尺除了常见的热感主观比例标尺外，还包括Hollie、Natick Mc Ginnis热舒适标尺、Fritz 语意差异标尺等。陆丽娅等[14]使用预测不满意百分比（PPD），表示在给定环境、服装和活动水平下一组人的不满意百分比，且7.5%作为定义热湿舒适性的最大不满意百分比。Wang 等[15]的研究中使用了7 度量表，并设计了热湿接受量表来综合评估受试者的热湿感觉。Guo 等[16]也使用了该量表，并细化了各等级之间的得分，并要求实验人员每5 分钟对热湿舒适度进行评分。

3 结束语

随着人类社会、文化和经济的发展，消费者对于服装舒适性的要求也越来越高，本文阐述了服装热湿传递的机理，总结了服装热湿舒适性的主、客观评价方法，分析了服装热湿舒适性的影响因素，为服装的优化设计提供更有力的理论依据，推动服装往高舒适性方向发展。但目前对于服装热湿舒适性的评价方法还有待研究，例如目前的暖体假人只能测量服装的总热阻和湿阻，对于服装局部热湿阻的测量存在缺陷，而局部热阻和湿阻更能表达服装覆盖人体部位的热湿舒适性，因此，加快局部暖体假人的发展，例如头部暖体假人等，对服装热湿舒适性的发展有重要意义。