基于微型風(fēng)扇陣列的通風(fēng)服研發(fā)與測評

黨天華，趙蒙蒙，錢 靜

(上海工程技術(shù)大學(xué)紡織服裝學(xué)院，上海 201620)

氣候變暖的加劇使高溫?zé)崂讼砣?，世界各地最高氣溫不斷被打破。夏季，室?nèi)熱條件惡化，易使人們情緒煩躁，影響身體健康和工作效率。使用空調(diào)制冷設(shè)備，會消耗較多的電能，造成環(huán)境污染，如何提高辦公室工作人員的室內(nèi)熱舒適成為近幾年的研究熱點[1]。個體降溫服裝(Personal cooling garment)的開發(fā)是滿足個人熱舒適需求最便捷、最有效的方式，已成為服裝發(fā)展趨勢之一。個體降溫服裝一般分為：液體降溫服[2]、氣體降溫服(通風(fēng)服)、相變材料降溫服[3]、混合降溫服[4]、新型材料降溫服[5]。其中液體降溫服與部分氣體降溫服需要額外制冷裝置，不易攜帶，相變材料降溫服制冷時間較短。風(fēng)扇式通風(fēng)服輕便易攜帶，不需要額外制冷裝置，降溫效果良好。

Crockford于1972年最早提出了服裝通風(fēng)的概念，他指出衣下微氣候與外界環(huán)境之間的空氣交換，可實現(xiàn)皮膚表面與環(huán)境之間的熱量交換[6]。通風(fēng)服是把溫度適宜的空氣引入，并分布到人體，形成舒適的微小氣候的一種個體降溫服裝，通常用于航空、建筑、交通指揮等領(lǐng)域。此外，通風(fēng)服在降低人體溫度的同時，可以改善衣下潮濕感，提高熱舒適性[7-8]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對其已有一定的研究。美國海軍航空兵系統(tǒng)司令部[9]、孫曉艷等[10]、陳寧等[11]、柳源等[12]、Guo等[13]研究了管道式通風(fēng)服，但裝置復(fù)雜。風(fēng)扇式通風(fēng)服，攜帶穿著方便。趙蒙蒙[14]設(shè)計了5套風(fēng)扇式通風(fēng)服，通過出汗暖體假人和真人著裝實驗，對比它們的降溫效果，發(fā)現(xiàn)軀干散熱最佳的條件是將風(fēng)扇配置于前胸下部且衣身前后都開口，但使用的風(fēng)扇體積較大，不太符合人體工效學(xué)。微型風(fēng)扇陣列通風(fēng)服，風(fēng)扇小、質(zhì)量輕，有學(xué)者[15-17]使用大小為2 cm或4 cm的風(fēng)扇，以并聯(lián)的方式將風(fēng)扇連接在一起，對流提高了人體與環(huán)境的熱交換，經(jīng)實驗研究對人體有良好的降溫效果。一般選用干電池或鋰電池對風(fēng)扇供電，少數(shù)使用太陽能電池板供電。

目前市場上已有的風(fēng)扇式通風(fēng)服，風(fēng)扇體積較大，穿著臃腫。本文針對夏季辦公室工作人員，設(shè)計開發(fā)出3款微型風(fēng)扇陣列通風(fēng)服，通過測量每款通風(fēng)服風(fēng)速大小以及開展真人著裝實驗研究衣下溫度、平均皮膚溫濕度等客觀指標(biāo)以及主觀感受指標(biāo)對人體熱舒適的影響。研究結(jié)果可為未來個體降溫服裝的開發(fā)提供參考。

1 通風(fēng)服降溫原理

人體主要通過輻射、對流、傳導(dǎo)和汗液蒸發(fā)散熱。在高溫環(huán)境下，人體最主要的散熱方式是蒸發(fā)。通風(fēng)服對人體的降溫主要是通過對流和蒸發(fā)散熱，氣體流動速度影響降溫效果。通風(fēng)帶來的散熱量可用式(1)表示[18]：

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

(1)

式中：Q為通風(fēng)散熱量，W；ρ為空氣的密度，kg/m3；m為空氣流質(zhì)量，kg；hv和ha分別為水蒸氣和干態(tài)空氣的熱焓，kJ/kg；Ts和Ta分別為皮膚和環(huán)境空氣的溫度，℃；φa為空氣的相對濕度，%。式中，右邊第一項為蒸發(fā)散熱量，第二項為對流散熱量。

散熱量與空氣流量關(guān)系為：

Ф=ρ×с×S×Δt

(2)

式中：Ф為散熱量，W；ρ為空氣密度，kg/m3；с為空氣比定壓熱容，J/(kg·℃)；S為空氣流量，m3/h；Δt為需要控制的溫升，℃。從式(2)中可以看出，通風(fēng)散熱量與空氣溫度、空氣流量密切相關(guān)。

2 通風(fēng)服通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

通風(fēng)服通常包括通風(fēng)系統(tǒng)和基礎(chǔ)服裝，其中最為關(guān)鍵的設(shè)計是通風(fēng)系統(tǒng)。

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 微型風(fēng)扇陣列

微型風(fēng)扇陣列使用額定電壓為5 V、電流為0.15 A 的6個3 cm(3 cm× 3 cm×1 cm，5個扇葉，重7.3 g)的風(fēng)扇與4個5 cm(5 cm×5 cm×1 cm，7個 扇葉，重16.5 g)的風(fēng)扇組成，其中3個3 cm和2個5 cm的風(fēng)扇一組，并聯(lián)在一起，共兩組，電路圖如圖1所示。

圖1 微型風(fēng)扇陣列電路Fig.1 Circuit diagram of micro fan array

每個3 cm的風(fēng)扇垂直相距4.5 cm，每個 5 cm 的風(fēng)扇垂直相距5 cm。在前面安裝風(fēng)扇與在后面安裝風(fēng)扇的兩件通風(fēng)服中3 cm風(fēng)扇與 5 cm 風(fēng)扇水平相距4.5 cm。參考前人經(jīng)驗[15-17]，考慮到服裝的美觀及舒適性，風(fēng)扇的位置不宜放置在胸部，選擇胸部以下的腹腰部(前面)和肩胛骨以下的背腰部(后面)；考慮到服裝的輕便性、衣長及供電設(shè)備，經(jīng)過多次樣衣制作，因此確定了風(fēng)扇數(shù)量及位置。風(fēng)扇安裝部位通過粘襯加固服裝，將風(fēng)扇的4個角用線縫在衣服上固定，實物如 圖2 所示。

圖2 微型風(fēng)扇陣列實物Fig.2 Physical map of micro fan array

2.1.2 電源系統(tǒng)

使用電池容量為10000 mAh(37 Wh)，輸出電壓為5 V，重量為202 g的ROMOSS充電寶作為供電系統(tǒng)。充電寶的尺寸為92.2 mm×62.6 mm×23.6 mm，有兩個USB接口，分別對應(yīng)兩組風(fēng)扇，電量滿載時可以提供4.3 h的通風(fēng)時間。

2.2 基礎(chǔ)服裝設(shè)計

基礎(chǔ)服裝為工裝結(jié)構(gòu)，使用東華原型制版，服裝規(guī)格尺寸如表1所示。基礎(chǔ)服裝袖子上縫有調(diào)節(jié)扣，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)袖子長短；胸部以下部位的兩側(cè)設(shè)有隱形拉鏈，拉開拉鏈作為開口；下擺處松緊帶設(shè)計；在服裝內(nèi)側(cè)后中位置縫制一個口袋放置充電寶。

表1 服裝規(guī)格尺寸Tab.1 Clothing specification size cm

設(shè)計制作了4款實驗服裝，包括：前面帶有風(fēng)扇的通風(fēng)服(FFV)、后面帶有風(fēng)扇的通風(fēng)服(BBV)、前后均帶有風(fēng)扇的通風(fēng)服(FBV)與前后均無風(fēng)扇對照服裝(CON)。4款服裝均使用棉滌(棉91%，滌綸9%)斜紋梭織面料，并采用相同的尺寸規(guī)格。服裝參數(shù)及款式如表2所示。

表2 服裝參數(shù)及款式Tab.2 Clothing parameters and style

續(xù) 表

3 通風(fēng)服風(fēng)速測量

風(fēng)速的測量在恒溫恒濕的人工氣候室進行，使用手持式熱式風(fēng)速儀(日本加野Kanomax-6006型，量程為0.01～20.0 m/s，精度為風(fēng)速讀數(shù)的±5%)完成。經(jīng)測定規(guī)格為3 cm的風(fēng)扇與規(guī)格為5 cm 的風(fēng)扇風(fēng)速分別為4.85、4.02 m/s，由于測量時將風(fēng)速儀貼近風(fēng)扇出風(fēng)口，因此風(fēng)速均較大，規(guī)格為 3 cm 的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速更快一些。

將FFV穿在165/88A的人臺上，風(fēng)扇左右對稱，選取右側(cè)帶風(fēng)扇區(qū)域，使用標(biāo)記線在人臺相應(yīng)位置貼出區(qū)域，選擇5個點進行風(fēng)速測量，把風(fēng)速儀用膠布固定在人臺測量點位置上，關(guān)好通風(fēng)服拉鏈，打開通風(fēng)服風(fēng)扇，查看風(fēng)速儀讀數(shù)，每個點取出現(xiàn)次數(shù)最多的風(fēng)速值，計算5點平均值，即為該區(qū)域風(fēng)速大小。BBV的風(fēng)速測量方法與FFV相同。FBV的風(fēng)速測量分為右側(cè)前面區(qū)域(取4個點)，以及右側(cè)后面區(qū)域(取3個點)，則單側(cè)風(fēng)速為兩者之和。服裝風(fēng)速測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，F(xiàn)BV前面風(fēng)速為0.77 m/s，后面風(fēng)速為0.80 m/s，單側(cè)風(fēng)速為1.57 m/s，相比FFV和FBV兩款通風(fēng)服，風(fēng)速最大。顯然這些風(fēng)速比單個風(fēng)扇的風(fēng)速小很多，因為不是將風(fēng)速儀貼近風(fēng)扇出風(fēng)口測量的原因，通風(fēng)服與人臺之間有一定的松量，人體穿著通風(fēng)服也存在著一定的松量，因此這個結(jié)果更接近人體感受到的風(fēng)速值。

表3 服裝風(fēng)速測試結(jié)果Tab.3 Clothing wind speed test results

4 真人著裝實驗

4.1 受試者

選取10名健康的女受試者進行實驗，她們年齡為(24±1)歲、身高為(161±4) cm、體重為(50±5) kg、BMI值為19.5±2。實驗前告知受試者研究目的及實驗過程，在實驗前24 h內(nèi)禁止飲酒、喝咖啡、服藥等，不要劇烈運動，情緒穩(wěn)定，避開生理期。

4.2 實驗方案

實驗在溫度為(32±1)℃，相對濕度為(65±5)%的人工氣候室中進行，模擬夏季的辦公室工作環(huán)境。

受試者穿著內(nèi)衣、內(nèi)褲、短袖T恤、長褲、襪子、運動鞋，進入氣候室適應(yīng)30 min。受試者分別穿著4款服裝(FFV、BBV、FBV、COV)，坐在凳子上，使用筆記本電腦工作，進行70 min實驗測試。期間，每隔10 min使用耳溫槍測量一次耳道溫度；每隔10 min 填寫一次主觀調(diào)查問卷(熱感覺、濕感覺、熱舒適度)；每次5 min的走動按照規(guī)定路線以平時步行速度行走。真人著裝實驗流程如圖3所示。

圖3 真人著裝實驗流程Fig.3 Real-life dressing experiment process

實驗過程中，使用紅外熱像儀(FLIR T250型，美國，精度為0.1 ℃)測量被測服裝下溫度。將紅外熱像儀固定在一個位置，與受試者相距約1 m，并對受試者站立拍照時的位置做好標(biāo)記，每次站在相同位置。在實驗0 min時，即未穿測試服裝，以及70 min 實驗結(jié)束時，拍受試者脫掉測試服裝后的紅外成像圖(前面與后面)，從而查看衣下溫度變化。

對于局部皮膚溫濕度的測量使用DS1923型ibutton溫濕度傳感器，采集并記錄受試者8個部位的局部皮膚溫濕度隨時間變化的數(shù)據(jù)。在受試者身體左側(cè)的胸部、腹部、肩胛骨、下背部、脖子、手、大腿、小腿內(nèi)側(cè)處用3M醫(yī)用膠布將溫濕度傳感器固定住。真人著裝實驗示意如圖4所示。

圖4 真人著裝實驗示意Fig.4 Showcase of real-life dressing experiment

4.3 測試指標(biāo)

4.3.1 客觀生理指標(biāo)

使用ibutton溫濕度傳感器測量了受試者的皮膚溫濕度，使用耳溫槍每隔10 min測一次耳道溫度，使用紅外熱像儀測量實驗前后的衣下溫度。平均皮膚溫度參考文獻[19]采用式(3)計算、平均軀干溫度參考文獻[20]采用式(4)計算、平均皮膚濕度計算參考平均皮膚溫度的權(quán)重系數(shù)，采用式(5)計算：

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為平均皮膚溫度，Tneck為脖子溫度，Tscapula為肩胛溫度，Thand為手部溫度，Tskin為小腿內(nèi)側(cè)溫度，Ttorso為軀干溫度，Tchest為胸部溫度，Tabdomen為腹部溫度，Tlower back為下背溫度，單位均為℃。Hsk為脖子濕度，Hscapula為肩胛濕度，Hhand為手部濕度，Hshin為小腿內(nèi)側(cè)濕度，單位均為%

4.3.2 主觀評價指標(biāo)

受試者對著裝的熱感覺、濕感覺、熱舒適度進行評價，主觀評價量表如表4所示。

表4 主觀評價量表Tab.4 Subjective evaluation scale

4.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS Statistics 24進行數(shù)據(jù)分析。使用非參數(shù)檢驗的Kruskal Wallis檢驗，檢驗受試者穿著4件服裝對平均皮膚溫濕度、平均軀干溫度、耳道溫度、軀干熱感覺、軀干濕感覺、軀干熱舒適度，是否存在顯著性差異。當(dāng)檢驗結(jié)果p<0.05時，則判定它們之間存在顯著性差異，然后進行兩兩比較。

4.5 實驗結(jié)果與討論

4.5.1 平均皮膚溫度、平均軀干溫度、耳道溫度

平均皮膚溫度變化如圖5(a)所示，由圖5(a)可以看出，對照組(CON)的平均皮膚溫度整體要高于其他三組，CON最高溫度35.4 ℃，而通風(fēng)服組(FFV、BBV、FBV)最高溫度35.1 ℃，下降0.3 ℃，說明通風(fēng)服起到一定降溫效果。在20～25 min和45～50 min時皮膚溫度呈下降趨勢，可能是由于人體走動帶動起風(fēng)，使皮膚表面溫度暫時降低，當(dāng)受試者走動5 min后靜坐，皮膚溫度又開始回升。數(shù)據(jù)分析顯示，整個實驗過程中，4件服裝對平均皮膚溫度影響存在顯著性差異(p<0.05)，通過兩兩對比顯示，F(xiàn)FV、BBV、FBV均與CON存在顯著性差異(p<0.05)，但FFV、BBV、FBV之間不存在顯著性差異(p>0.05)。趙蒙蒙等[21]研究的通風(fēng)服在受試者運動結(jié)束休息20 min后，風(fēng)扇打開時的平均皮膚溫度比未打開時低0.9 ℃。周文等[22]研究的相變降溫軍訓(xùn)服在60 min實驗過程中，平均皮膚溫度較傳統(tǒng)軍訓(xùn)服最大降低0.95 ℃。雖然與前人相比，此次設(shè)計的通風(fēng)服對人體的降溫效果較小，但由于實驗環(huán)境與安排不同，本次主要是在無運動狀態(tài)下進行實驗，因此達到的效果不同。

平均軀干溫度變化如圖5(b)所示。3件通風(fēng)服對平均軀干溫度影響沒有太大差異，最高溫度 34.9 ℃；CON的平均軀干溫度明顯高于通風(fēng)服組，最高溫度35.5 ℃，通風(fēng)服與CON服裝相比，使平均軀干溫度下降0.6 ℃。由于通風(fēng)服在上半身，因此相比于平均皮膚溫度對平均軀干溫度影響更大一些。整個實驗過程中，F(xiàn)FV、BBV、FBV均與CON存在顯著性差異(p<0.05)。FBV對于降低平均軀干溫度效果更好一些。

耳道溫度變化如圖5(c)所示。在整個實驗過程中，由于受試者只是靜坐及慢步走動，沒有劇烈運動，因此對核心溫度影響不大，耳道溫度變化不明顯，通過數(shù)據(jù)分析，4件服裝對耳道溫度影響不存在顯著性差異(p=0.21>0.05)。

圖5 平均皮膚溫度、平均軀干溫度、耳道溫度隨時間的變化Fig.5 Mean skin temperature, mean torso temperature and ear canal temperature change with time

4.5.2 平均皮膚濕度

平均皮膚濕度變化如圖6所示。穿著4件服裝平均皮膚濕度均整體呈現(xiàn)上升趨勢，其中CON上升最多，為6.3%，經(jīng)檢驗FFV與BBV之間存在顯著性差異(p=0.049<0.05)，F(xiàn)FV與FBV之間存在顯著性差異(p=0.004<0.05)，其他之間不存在顯著性差異(p>0.05)。

圖6 平均皮膚濕度隨時間的變化Fig.6 Changes in average skinhumidity over time

4.5.3 衣下溫度

3件通風(fēng)服均使衣下溫度降低，而穿著CON使衣下溫度上升。其中一個受試者穿著4件服裝的衣下溫度變化的紅外成像如圖7至圖10所示。明顯觀察到，穿著通風(fēng)服，70 min的實驗后，軀干前后面的衣下溫度均有所下降，通風(fēng)服確實可以降低衣下溫度。

圖7 FFV紅外成像Fig.7 FFV infrared imaging

圖8 BBV紅外成像Fig.8 BBV infrared imaging

圖9 FBV紅外成像Fig.9 FBV infrared imaging

圖10 CON紅外成像Fig.10 CON infrared imaging

4.5.4 軀干熱感覺、濕感覺、熱舒適度

人體軀干熱感覺、濕感覺、熱舒適度變化如圖11 所示。受試者穿著CON時，軀干熱感覺明顯比穿著通風(fēng)服時評分高，受試者穿著通風(fēng)服相對涼爽；軀干濕感覺同樣比穿著通風(fēng)服時評分高，由于通風(fēng)服帶有小風(fēng)扇，皮膚濕度會相對減小，潮濕感減弱；軀干熱舒適度評分遠遠低于穿著通風(fēng)服時，顯然通風(fēng)服對人體更加舒適。數(shù)據(jù)分析顯示受試者穿著通風(fēng)服時的軀干熱感覺、濕感覺、熱舒適度均顯著優(yōu)于CON(p<0.05)，F(xiàn)FV、BBV、FBV之間不存在顯著性差異(p>0.05)。

圖11 主觀感覺評分Fig.11 Subjective sensory score

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了3款微型風(fēng)扇陣列通風(fēng)服，針對夏季辦公室工作人員，考慮到人體工效學(xué)，通風(fēng)服質(zhì)量較輕，風(fēng)扇并聯(lián)在一起，即使其中一個損壞，不會影響到其他風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，開口處使用隱形拉鏈。經(jīng)實驗測評得出以下結(jié)論：

a)通風(fēng)服與普通服裝相比，提供了有效的蒸發(fā)冷卻與對流散熱，使衣下溫度下降，平均皮膚溫度和平均軀干溫度分別下降0.3、0.6 ℃，可以改善人體熱感覺、濕感覺、熱舒適度，對辦公室工作人員的健康尤為重要。

b)風(fēng)扇的風(fēng)速會影響到降溫效果，F(xiàn)BV對于降低平均軀干溫度效果最好，CON和FBV的最高平均軀干溫度分別為35.5、34.9 ℃，實驗結(jié)束時穿著FBV的平均軀干溫度為34.6 ℃，較最初相比下降0.3 ℃。通風(fēng)服與制冷空調(diào)相比，不受建筑的約束，攜帶穿著方便，通風(fēng)服的使用將減少能源的消耗及環(huán)境污染。

本次實驗的受試者僅為女性，男性與女性之間的熱耐受力、熱感覺等可能存在差異，后期可以增加男性受試者，同時可以將開口因素加入，探究服裝開口與風(fēng)扇共同作用對人體熱舒適的影響。