羽絨服裝系統(tǒng)的面積因子預(yù)測(cè)及適用性分析

張文歡， 江 舒， 李 俊,2

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 上海 200051; 2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200051)

羽絨服作為冬季戶外日常及作業(yè)服裝，可有效維持人體熱平衡，避免人體過度散熱而發(fā)生冷應(yīng)激。采用體溫調(diào)節(jié)模型與熱感覺模型相結(jié)合的方法可預(yù)測(cè)人體熱反應(yīng)，評(píng)估服裝的熱濕舒適性，尤其是極端冷熱環(huán)境[1-2]。Koelblen等[3]研究表明，皮膚溫度偏差1 ℃或核心溫度偏差0.2 ℃，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校(UC-Berkeley)建立的熱感覺模型預(yù)測(cè)得分值偏差達(dá)到3個(gè)等級(jí)[4-5]。甚至，在服裝系統(tǒng)內(nèi)置主動(dòng)加熱元件時(shí)，以皮膚溫度控制的加熱功率過高或過低均會(huì)造成局部皮膚損傷[6]。由此可見，準(zhǔn)確的人體熱生理數(shù)據(jù)對(duì)熱舒適評(píng)估尤為關(guān)鍵。除了本身的有效性外，熱舒適模型的預(yù)測(cè)能力顯著依賴于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性[7-8]。服裝面積因子作為其中關(guān)鍵一環(huán)，其測(cè)量和計(jì)算方法被廣泛討論。偏高的面積因子將會(huì)高估服裝表面靜止空氣層的作用，進(jìn)而低估服裝的熱阻，過分高估人體向外界環(huán)境的散熱，產(chǎn)生較低的皮膚溫度預(yù)測(cè)值[9]。因此，必須確定正確的羽絨服面積因子(fcl)計(jì)算方法，以修正服裝與裸態(tài)人體、以及不同服裝之間面積因子的差異帶來的誤差。

ASTM F2732—2017《確定寒冷天氣防護(hù)服溫度額定值的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》提供了服裝面積因子的估算值：用于測(cè)試防寒服的內(nèi)搭基礎(chǔ)服裝面積因子fcl為1.25；用于測(cè)試防寒褲的內(nèi)搭基礎(chǔ)服裝面積因子fcl為1.30；用于測(cè)試防寒服裝的面積因子fcl為1.35。然而，單一的估算值無法體現(xiàn)不同服裝之間的差異。標(biāo)準(zhǔn)ISO 15831—2004《服裝—生理效應(yīng)—用熱的人體模型測(cè)量熱絕緣性》規(guī)定服裝的面積因子可采用拍照法獲得裸態(tài)及著裝人體的外表面積后進(jìn)一步計(jì)算得到。隨著三維人體掃描技術(shù)的發(fā)展及圖像處理技術(shù)的更新，有學(xué)者提出了更加準(zhǔn)確的體表面積測(cè)量方法[10]。相比前一種方法，三維掃描圖像可視化的功能可從多角度清晰地顯示人體及服裝表面外輪廓特征，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算面積因子，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法過程復(fù)雜耗時(shí)，且圖像處理過程中去噪、優(yōu)化等步驟繁瑣[11]，存在人為因素的誤差。

為提高預(yù)估準(zhǔn)確性和便利性，部分研究擬在熱阻和面積因子之間找到量化關(guān)系，以提供面積因子預(yù)測(cè)模型[12]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了面積因子與固有熱阻之間的經(jīng)驗(yàn)方程，但是數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)輕薄、單層的短款室內(nèi)著裝系統(tǒng)(固有熱阻Icl< 1.00 clo)[13]。然而，戶外著裝以多層服裝系統(tǒng)為主，熱阻多數(shù)在1.50 clo以上，甚至達(dá)到2.00 clo。顯然，標(biāo)準(zhǔn)方法無法反映冬季戶外服裝多層結(jié)構(gòu)、挺括外輪廓特征等因素的影響，這會(huì)造成對(duì)面積因子誤判，進(jìn)而影響熱生理及熱感覺預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。隨后，部分研究[13]針對(duì)連體式應(yīng)急救援服提出了面積因子預(yù)測(cè)方法，但是這種服裝設(shè)計(jì)多寬松、臃腫；并且由于連體結(jié)構(gòu)上下一體化的特點(diǎn)，導(dǎo)致著裝不合體，從而造成面積因子測(cè)量值與常規(guī)著裝條件不匹配的問題[14]。此外，羽絨服具有較大的蓬松度，表面由于絎縫線作用而形成微胞結(jié)構(gòu)，增加服裝熱阻的同時(shí)，放大了三維空間上的曲面形態(tài)，從而增加了服裝表面積，因此，有必要針對(duì)羽絨防寒服裝這一特定服裝類型探討已有面積因子預(yù)測(cè)方法的適用性及準(zhǔn)確性，為服裝熱舒適模型研究提供準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)。

本文研究分析了服裝結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱物理性能與面積因子之間的相關(guān)關(guān)系，并建立面向各參數(shù)的面積因子預(yù)測(cè)模型；探討了已有面積因子預(yù)測(cè)方法在羽絨防寒服裝中的適用性，提出最優(yōu)的預(yù)測(cè)方法，為熱生理、熱感覺、熱舒適模型等模型輸入?yún)?shù)提供依據(jù)，并進(jìn)一步擴(kuò)充面積因子數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

選擇12款冬季常見連帽式羽絨服裝作為測(cè)試對(duì)象。其中，款式包含短款、面包服、中長(zhǎng)款以及長(zhǎng)款；充絨量(單位面積的充絨量)范圍為115～180 g/m2；絎縫線范圍為6～12條。測(cè)試服裝的尺寸規(guī)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)男子體型設(shè)置為M碼(175/88A)，具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)ASTM F2732—2017《確定寒冷天氣防護(hù)服溫度額定值的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》，內(nèi)搭基礎(chǔ)服裝包括針織衫、牛仔褲、男士?jī)?nèi)褲、襪子、運(yùn)動(dòng)鞋、針織手套與針織帽，固有熱阻為0.83 clo(1 clo=0.155 ℃·m2/W)。

表1 羽絨服裝的具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters of down jacket clothing

1.2 服裝熱阻的測(cè)量與計(jì)算

熱阻測(cè)試均在東華大學(xué)人工氣候艙內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)室的溫度設(shè)置為(0 ± 0.5)℃，相對(duì)濕度為(50 ± 5)%，風(fēng)速為(0.4 ± 0.1)m/s。熱阻使用Newton-34區(qū)出汗暖體假人系統(tǒng)(美國(guó)西北測(cè)試公司)進(jìn)行測(cè)試，假人的每個(gè)區(qū)段均設(shè)置有獨(dú)立的溫度傳感器，并通過Therm DAC軟件記錄人體各節(jié)段的熱流，用于熱阻計(jì)算。假人體表溫度設(shè)置為35 ℃。為減少測(cè)量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，每套服裝測(cè)試3次，并確保3次測(cè)量結(jié)果的差異小于4%。

通過上述實(shí)驗(yàn)獲取的皮膚表面熱流密度可計(jì)算局部熱阻，如式(1)所示。羽絨服裝系統(tǒng)的總熱阻是獲得各個(gè)區(qū)段熱阻后，采用并列法計(jì)算得到，如式(2)所示。

It,i=(Tskin,i-Ta)/Hi

(1)

(2)

式中：It,i和It分別為假人第i個(gè)區(qū)段和整體的服裝熱阻，m2·℃/W；Ai和At分別為區(qū)段i的體表面積和假人總體表面積，m2；Tskin,i和Ta分別為區(qū)段i的皮膚表面溫度和環(huán)境溫度，℃；Hi表示區(qū)段i處測(cè)量的顯熱損失，W/m2。

服裝固有熱阻(Icl)，又稱服裝基本熱阻，是從皮膚到服裝表面的熱阻，排除了著裝后人體體表面積增大帶來的影響，計(jì)算公式為

Icl=It-Ia/fcl

(3)

式中：Icl為服裝的固有熱阻，clo(1 clo=0.155 m2·℃/W)；Ia為裸態(tài)假人體表空氣層的熱阻(本文實(shí)驗(yàn)中為0.43 clo)。

1.3 服裝面積因子的獲取

1.3.1 面積因子的實(shí)測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先利用手持式HandyScan 700三維人體掃描儀，獲取裸態(tài)和著裝狀態(tài)下假人的三維模型。然后，將三維模型導(dǎo)入Geomagic逆向工程軟件，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)齊等操作后獲得裸態(tài)及各著裝狀態(tài)下的外表面積。最后，采用式(4)計(jì)算服裝的面積因子。

(4)

式中，Acl和Adu分別為著裝假人和裸態(tài)假人的外表面積，m2。

1.3.2 面積因子的估算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 11079—2007《熱環(huán)境的人類工效學(xué)—使用必備防護(hù)服時(shí)的冷應(yīng)力和局部冷卻效應(yīng)的測(cè)定和說明》、ISO 7933—2004《環(huán)境的人體工程學(xué)—使用預(yù)測(cè)熱應(yīng)變的計(jì)算分析測(cè)定和解釋熱應(yīng)力》、ISO 9920—2009《熱環(huán)境人類工效學(xué)—服裝隔熱和抗蒸發(fā)的評(píng)定》和ISO 7730—2005《使用PMV和PPD指數(shù)的計(jì)算及局部熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱舒適度分析測(cè)定和解釋》，服裝面積因子可采用固有熱阻進(jìn)行估算，二者之間的線性擬合關(guān)系式可表示為式(5)。對(duì)應(yīng)的系數(shù)如表2所示。

表2 面積因子標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)方法的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of standardized prediction method of fcl

fcl,p=aIcl+b

(5)

式中：fcl,p為面積因子預(yù)測(cè)值；a為固有熱阻的作用系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)。

1.4 預(yù)測(cè)結(jié)果的敏感性及有效性分析

已有面積因子預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性采用預(yù)測(cè)值與測(cè)量值之間的相對(duì)偏差RRD、均方根誤差RRMSE和乖離率Rbias進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算公式如式(6)～(8)所示。

RRD=|fcl,m,j-fcl,p,j|/fcl,m,j×100%

(6)

(7)

(8)

式中：fcl,m,j和fcl,p,j分別為第j組服裝測(cè)試和預(yù)測(cè)的面積因子；j為樣本編號(hào)；n為樣本總數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 服裝結(jié)構(gòu)參數(shù)與面積因子的關(guān)系

表3示出羽絨服系統(tǒng)面積因子和總熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算得到的固有熱阻。為深入理解服裝結(jié)構(gòu)參數(shù)與面積因子之間的關(guān)系，對(duì)長(zhǎng)度、總充絨量與面積因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，總充絨量與面積因子顯著相關(guān)，但長(zhǎng)度卻表現(xiàn)出相關(guān)卻不顯著的情況。這可能是因?yàn)榉b長(zhǎng)度接近的情況下，服裝的總充絨量和平米充絨量存在顯著差異，例如ES 8和ES 9，這就影響了服裝的厚度及硬挺度，最終導(dǎo)致上述表現(xiàn)。

表3 所有服裝的總熱阻、固有熱阻和面積因子結(jié)果Tab.3 Measurement results of clothing total thermal insulation, basic thermal insulation and area factor

表4 服裝結(jié)構(gòu)參數(shù)與面積因子的皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果Tab.4 Pearson correlation results between garment structure parameters and fcl

為進(jìn)一步探索服裝結(jié)構(gòu)及填充物信息等設(shè)計(jì)階段的參數(shù)對(duì)面積因子的影響，為服裝設(shè)計(jì)過程提供理論指導(dǎo)，研究建立了總充絨量(Tdc)、服裝長(zhǎng)度(L)與面積因子之間的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。

總充絨量和面積因子的相關(guān)關(guān)系如圖1(a)所示。量化關(guān)系可表示為fcl=0.001 5Tdc+1，可決系數(shù)(R2)為0.998，置信度(P)為0.001。由此可見，隨著總充絨量的增加，面積因子不斷增加。這主要是因?yàn)榭偝浣q量的增加可表示兩方面的內(nèi)容。一方面是在單位面積充絨量不變的情況下服裝長(zhǎng)度在增加；這就使得體表被覆蓋的區(qū)域增加，從而加大了著裝人體外表面的面積。另一方面是在長(zhǎng)度不變的情況，單位面積充絨量增加；這促進(jìn)了羽絨服表面微胞結(jié)構(gòu)的形成及擴(kuò)大化，即增加了服裝表面的彎曲形態(tài)，因此，面積因子增加。

圖1 服裝結(jié)構(gòu)參數(shù)與面積因子的量化關(guān)系Fig.1 Quantitative relationship between garment structure parameters and area factor. (a) Relationship between total down content (Tdc) and clothing area factor (fcl); (b) Relationship between clothing length (L) and clothing area factor (fcl)

服裝長(zhǎng)度與面積因子的相關(guān)關(guān)系如圖1(b)所示。結(jié)合表2可知，在所選擇的12套服裝中，面積因子與長(zhǎng)度并未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，但是，在單位面積充絨量相等的情況下(以135 g/m2為例)，服裝長(zhǎng)度與面積因子之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。這就說明長(zhǎng)度對(duì)面積因子的影響受到單位面積充絨量的影響。其量化關(guān)系可表示為fcl=0.263L+1.016，R2=0.999，P=0.018。相比前人研究[15]中針對(duì)服裝尺寸和面積因子建立的量化模型，本文研究中服裝本身材質(zhì)特征的作用變得尤為突出。這主要是因?yàn)橐延醒芯績(jī)H針對(duì)戶內(nèi)工作時(shí)單層著裝狀態(tài)，服裝外表面形態(tài)簡(jiǎn)單，且不存在多層服裝面料彎曲剛度、填充物等特性的交互作用。

2.2 服裝熱阻與面積因子的關(guān)系

熱阻與服裝面積因子之間的皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示，固有熱阻與面積因子顯著正相關(guān)，P<0.01；總熱阻也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。為進(jìn)一步量化面積因子與熱阻之間的相關(guān)關(guān)系，分別建立了固有熱阻與面積因子之間的回歸方程(fcl=0.181Icl+1，R2=0.990，P=0.000)和總熱阻與面積因子之間的量化關(guān)系(fcl=0.152It+1，R2=0.990，P=0.001)，并分別命名為Zhang-Icl模型和Zhang-It模型。這表明，通常情況下，面積因子隨著服裝熱阻的增加而增加，預(yù)示著影響服裝熱阻的因素，比如服裝厚度、尺寸等，也會(huì)同時(shí)影響面積因子。這也提示標(biāo)準(zhǔn)ASTM F2732—2017《確定寒冷天氣防護(hù)服溫度額定值的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》中針對(duì)不同充絨量、長(zhǎng)度的羽絨服裝系統(tǒng)，僅采用單一值(1.35)估算防寒服裝的面積因子，并作為額定溫度預(yù)測(cè)輸入?yún)?shù)的做法并不準(zhǔn)確。

表5 服裝熱阻與面積因子的皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果Tab.5 Pearson correlation results between thermal insulation and fcl

2.3 采用固有熱阻預(yù)測(cè)fcl的有效性分析

服裝面積因子測(cè)量值和采用標(biāo)準(zhǔn)獲得的預(yù)測(cè)值如圖2所示。圖2(a)顯示，面積因子的實(shí)測(cè)平均值為1.30±0.08，而標(biāo)準(zhǔn)方法的預(yù)測(cè)平均值為1.48±0.02，顯著高于實(shí)測(cè)值，P<0.001。圖2(b)給出標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算的面積因子預(yù)測(cè)偏差(RRD)。結(jié)果顯示，RRD處于6%～22%，顯然超過重復(fù)測(cè)量所要求的精度(4%)。其中，ISO 7730—2005的預(yù)測(cè)值最接近測(cè)量值，但是在固有熱阻超過1.50 clo后，RRD也達(dá)到6%以上，尤其是在絎縫線數(shù)量為6的服裝中，例如ES 4、ES 5、ES 11，預(yù)測(cè)偏差達(dá)到15%以上。由此可見，標(biāo)準(zhǔn)方法顯然無法合理預(yù)測(cè)羽絨服裝系統(tǒng)的面積因子。這主要是因?yàn)槊娣e因子預(yù)測(cè)公式來源于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而目前數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)常規(guī)室內(nèi)輕薄或單層著裝系統(tǒng)，尚未將羽絨服等多層及高熱阻服裝(Icl>1.50 clo)納入考慮范圍。相比室內(nèi)服裝，戶外服裝包含多層結(jié)構(gòu)。在相同面積因子的情況下，多層服裝系統(tǒng)的熱阻比單層服裝高，仍然采用輕薄服裝的熱阻作用系數(shù)a(如表1所示)進(jìn)行預(yù)測(cè)，直接導(dǎo)致fcl預(yù)測(cè)值偏高。這就要求未來的研究理應(yīng)更加關(guān)注高熱阻服裝，例如羽絨服、消防服、化學(xué)防護(hù)服等。

為拓寬面積因子預(yù)測(cè)范疇，研究基于服裝固有熱阻針對(duì)非室內(nèi)著裝系統(tǒng)發(fā)展出一系列非標(biāo)準(zhǔn)化面積因子預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。通過比較RRMSE，Rbias及RRD可發(fā)現(xiàn)，Kuklane模型[16]的預(yù)測(cè)偏差RRD高達(dá)28.23%。雖然Patty-模型預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，但仍然高于Zhang模型。這可能是因?yàn)樗x擇的樣本數(shù)量及樣本特征差異導(dǎo)致的。其中，Kuklane模型針對(duì)應(yīng)急救援服裝，其外層密閉性非常高，不透氣，且為寬松的連體結(jié)構(gòu)。這相當(dāng)于增加了衣下空間內(nèi)部空氣的隔熱能力，增加了服裝系統(tǒng)熱阻[17]，降低了熱阻作用系數(shù)a(即斜率)，因此得到的面積因子預(yù)測(cè)值偏低。

圖3 面積因子的實(shí)測(cè)值和非標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)值Fig.3 Measured and non-standardized predicted values of fcl

2.4 采用總熱阻預(yù)測(cè)fcl的有效性分析

表6對(duì)比了不同模型采用總熱阻和固有熱阻預(yù)測(cè)面積因子與實(shí)際測(cè)量值之間的均方根誤差和乖離率?？傮w上，相比固有熱阻預(yù)測(cè)結(jié)果，總熱阻預(yù)測(cè)法更為準(zhǔn)確。綜合考慮對(duì)面積因子預(yù)估時(shí)的操作便捷性，推薦使用總熱阻的方法來預(yù)測(cè)fcl。此外，建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中更新采用總熱阻預(yù)測(cè)面積因子的相關(guān)模型。

表6 非標(biāo)準(zhǔn)化面積因子預(yù)測(cè)方法的均方根誤差和乖離率Tab.6 RRMSE and Rbias of non-standardized prediction method

3 結(jié) 論

本文確定了服裝設(shè)計(jì)參數(shù)和熱物理性能與面積因子之間的相關(guān)關(guān)系，并建立了面向羽絨服裝系統(tǒng)的面積因子預(yù)測(cè)方法。經(jīng)檢驗(yàn)，相比標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法和其他預(yù)測(cè)模型，新構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型具有更高的準(zhǔn)確性。這一方面拓寬了面積因子數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面也為人體熱舒適評(píng)估模型提供了更加準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)。

結(jié)合相關(guān)性分析和預(yù)測(cè)精度分析結(jié)果得出：在服裝設(shè)計(jì)參數(shù)中，相比長(zhǎng)度而言，總充絨量這一包含覆蓋長(zhǎng)度和單位面積充絨量的綜合指標(biāo)更能夠直觀反應(yīng)面積因子，而長(zhǎng)度對(duì)面積因子的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性則受到單位面積充絨量的影響。在服裝熱物理性能參數(shù)中，總熱阻和固有熱阻均與面積因子具有顯著相關(guān)關(guān)系。另外，通過將標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)化采用總熱阻和固有熱阻預(yù)測(cè)面積因子的方法進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比固有熱阻法，總熱阻對(duì)面積因子具有更高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。