针织运动服的通风设计与热湿舒适性评价

孙岑文捷， 倪 军,2,3， 张昭华,2,3， 董婉婷

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051； 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

随着社会的进步与生活水平的提高，人们对于运动服的要求不仅停留在面料、款式上，在改善运动服舒适性方面的需求也日益凸显。与日常服装不同，运动服在剧烈运动过程中更容易积累汗液从而导致不舒适，甚至影响运动员成绩，因此在设计运动服时尤其要考虑热湿舒适性。

提高服装的通风性能是改善人体热湿舒适性的主要手段之一。Ho等[1]研究发现，仅在侧缝增加宽松量的运动T恤未能改善通风冷却，因为人体的前胸与后背仍与服装贴合接触，而采用在服装围度上均匀加入松量的设计可显著减小服装的热阻与湿阻，增加开孔设计可进一步提高服装的通风冷却功能。该研究表明要改善服装的通风性能，需要增加通风孔与皮肤之间的衣下空间，避免服装紧密接触皮肤。随后，Sun等[2]设计了一款在前胸和后上背增加了通风孔与菱形凸条的运动T恤，结果发现在有风的条件下，新开发的T恤衫能有效减小人体热蓄积及衣下湿度，改善热环境中的着装舒适性，但通风孔与凸条在改善服装通风效能中各自所发挥的作用未深入分析。

近年来，人体皮肤的局部热生理差异逐渐成为国内外学者普遍关注的热点问题，如：有关人体全身皮肤温度的分布[3]，出汗率的分布[4-5]，暖感觉的分布[6]，湿感觉的分布等[7-8]。根据人体皮肤表面非均匀的生理区域分布，选取不同性能的面料拼接在服装的不同部位[9-10]，实现服装的“人体生理映射”设计是当前学术研究及运动服市场的新趋势。有研究发现，通过在人体高出汗区域配置网眼布，在其他区域使用常规经编布的运动T恤[11]，能显著降低人体皮肤温度及微气候相对湿度，并提供更佳的热湿舒适感觉，但采用面料拼接方法设计的“人体生理映射”运动服，由于增加了拼接的缝份，易产生触感不佳的问题。

为了研究通风孔和通风道设计对人体运动热生理及主观舒适感的影响，本文应用全成型电脑横机，依据人体出汗分布图谱，织造出具有不同通风孔大小和通风道设计的运动服，并进行着装人体运动实验，检验以下假设：1)与传统服装相比，具有与人体出汗率分布一致的通风孔设计可有效改善人体的热生理舒适性；2)在通风孔设计的基础上，增加通风道设计可进一步改善人体的热生理舒适性。

1 实验部分

1.1 实验服设计

选取25.6 tex(3 f)的100%棉线，采用电脑横机(CMS530，德国斯托尔公司)编织平针、挑洞、凸条3种组织结构的长袖针织衫，如图1所示。挑洞是横机上通过移圈工艺形成孔洞的俗称，凸条是对针织面料表面凸起的统称。款式CloA采用纬平针组织。款式CloB根据女性人体出汗图谱[13]，在高出汗率的腋下、后脊柱与前胸采用大挑洞组织；在中等出汗率的上臂与前臂采用小挑洞组织，其他区域仍采用纬平针组织。款式CloC在CloB有挑洞组织的区域上，进一步增加了凸条组织，创造出通风道设计。CloB与CloC的通风孔面积占上衣总面积的10%左右。

图1 实验服款式Fig.1 Style of experimental garments.(a) Style CloA; (b) Style CloB; (c) Style CloC

1.2 受试者

8名健康的女受试者(年龄为(24±1)岁、体重为(56.3±3.01) kg、身高为(161.8±3.11) cm)自愿参加实验。实验前告知受试者详细的实验流程要求，受试者均有规律的运动习惯，每次实验前24 h内不摄入咖啡因或酒精，避开生理期。每位受试者2次实验间隔至少72 h。

1.3 环境条件

实验均在恒温恒湿气候舱内进行(温度为(25±2) ℃，相对湿度为(45±5)%，风速为(0.2±0.2) m/s)，每件实验服在实验前至少在气候舱内放置2 h。

为评价吹风对服装热湿传递性能的影响，采用风扇从受试者背部正后方吹风，风扇距离受试者约150 cm，可产生(0.5±0.2) m/s大小的背向风。

1.4 测试指标

1.4.1 客观生理指标

1.4.1.1平均皮肤温度和衣下湿度测试 在实验准备阶段为受试者粘贴温湿度一体传感器iButton (DS 1922 L，美国Maxim公司)，从而获取12个不同部位的温度和湿度数据(前额、上臂、上胸部、腋下、肩胛骨、后中、胸口、后腰、下臂、大腿、小腿、手背)。

平均皮肤温度(tSK)根据ISO 9886—2004《人类工效学 热疲劳的生理测量评价》测量计算，计算公式为

tSK=0.07t前额+0.175t上胸+0.175t肩胛骨+0.07t上臂+

0.07t下臂+0.05t手背+0.19t大腿+0.2t小腿

(1)

式中：带有下角标的t为各部位的局部皮肤温度，℃。

衣下湿度取iButton测量的各部位湿度数据，将人体躯干分成前、后2个部分，前躯干的衣下湿度取上胸部、腋下和胸口3个部位的算术平均值；后躯干的衣下湿度取肩胛骨、后中和后腰3个部位的算术平均值。

1.4.1.2出汗量、汗液蒸发量和汗液蒸发率测试 人体皮肤出汗量(G1)根据测试前和测试后的裸体质量差异计算如下：

G1=ΔW1-ΔWresp-ΔW0

(2)

式中：ΔW1为实验前后受试者裸体体重变化，g；ΔWresp为由呼吸道引发的质量损失，g；ΔW0为呼出CO2和吸入O2之间的质量差，g。

汗液蒸发量(G2)用人体皮肤出汗量减去留在毛巾、服装以及袜子上的残留汗液量，计算公式为

G2=G1-Δm2-Δm3-Δm4

(3)

式中：Δm2为实验前后的毛巾质量差，g；Δm3为实验前后的袜子质量差，g；Δm4为实验前后的服装质量差，g。

汗液蒸发率(η1)为人体汗液蒸发量与出汗量的比值，计算公式为

(4)

1.4.2 主观评价指标

受试者采用主观评价量表[11]，对着装热感觉、湿感觉、黏体感及舒适感进行评价，如图2所示。热感觉/湿感觉范围从-3(非常冷/非常干)到3(非常热/非常湿)，着装舒适感/黏体感范围从0(舒适/不黏体)到4(极度不舒适/极度黏体)。

图2 主观评价量表Fig.2 Subjective evaluation scales. (a) Wetness sensation scale; (b) Stickiness sensation scale; (c) Thermal sensation scale; (d) Discomfort sensation scale

1.5 实验步骤

每位受试者共需进行4次实验，包括1次最大耗氧量测试和3次正式实验。受试者以随机顺序穿着3款服装进行运动实验，每次实验耗时约2 h，2次实验至少间隔48 h。

首先在准备舱中，测量受试者的裸体质量以及毛巾、袜子的质量，随后在身体12处皮肤表面粘贴温湿度传感器，并佩戴心率带(M600，芬兰Polar电子公司)，更换实验服装后进入气候舱。实验流程如表1所示。初始阶段包括静立20 min(PD1)，以及在跑步机上(Mercury，德国h/p/cosmos公司)以5 km/h的速度热身5 min(PD2)。在运动阶段，受试者以60%的最大耗氧量匀速运动30 min(PD3)。最后进入恢复阶段，包括以5 km/h的速度缓冲5 min(PD4)，以及静立恢复20 min(PD5)。实验过程中，每隔5 min用耳道温度枪(ET001，贝尔康医疗器械公司)测量1次耳道温度，并应用主观评价量表记录受试者的各项感觉评分。受试者回到准备舱，快速脱下服装、袜子并装入密封袋中，同时受试者用毛巾擦干身上多余的汗液，再次称量裸体质量、毛巾、服装及袜子的质量。

表1 实验流程表Tab.1 Experimental flow chart

1.6 数据分析

使用SPSS Statistics 22进行数据分析。实验中的2个自变量为时间和服装款式，因变量为耳道温度、平均皮肤温度、衣下湿度、心率、出汗量、汗液蒸发率。使用单因素方差分析检验服装款式对出汗量以及汗液蒸发率的影响。使用双因素重复测量方差分析(F分布)检验时间和服装款式的影响，当发现显著差异时进行邦弗朗尼两两比较。用弗里德曼检验(χ2分布)分析服装款式对热感觉、湿感觉、黏体感和舒适感的影响。所有检验中显著水平均为P(显著性)<0.05。

2 结果与讨论

2.1 客观生理指标分析

实验数据取每5 min的平均值进行分析，并把静立阶段(15～20 min期间)的平均值作为运动前的基准值。

2.1.1 耳道温度、皮肤温度和心率

图3示出受试者穿着3件实验服时的耳道温度、皮肤温度及心率随时间的变化值。服装款式对各生理指标没有显著性影响：耳道温度，F(2，14)=2.44，P=0.12；皮肤温度，F(2，14)=2.53,P=0.12；心率，F(2，14)= 0.49，P=0.62。

时间对各生理指标有显著性影响：在运动阶段，受试者的耳道温度从运动前的基准值(36.8±0.1) ℃显著增加到(37.1±0.1) ℃，F(2.7，18.3)=5.64，P=0.01；皮肤温度从基准值(31.8±0.1) ℃显著增加到(34.0±0.21) ℃，F(1.68,11.74)=62.65，P<0.001；心率从基准值(86.1±3.6)次/min显著增加到(158.3±4.1)次/min，F(1.6，11.1)=89.82，P<0.001。随着运动时间的增加，受试者的各项生理指标逐渐上升，表明生理热应激增加。虽然服装间的各项生理指数由大到小为CloA、CloC、CloB的趋势，但并不具备统计学上的差异，说明改变服装的织造结构没有起到显著改善生理应激水平的作用。

图3 耳道温度、皮肤温度和心率的平均值Fig.3 Mean values of ear temperature(a), skin temperature (b) and heart rate (c)

2.1.2 出汗量和汗液蒸发率

图4示出受试者穿着3件实验服的平均出汗量与汗液蒸发率。服装款式对出汗量有显著性影响(F(2,14)=12.22，P=0.001)，穿着款式CloB的出汗量((167.64±18.55)g)显著低于款式CloC的出汗量((209.89±16.12)g)，而穿着款式CloA的出汗量((182.66±19.76)g)与其他2件服装间没有显著性差异(P>0.05)。根据暖体假人(Newton，西北测试技术公司，美国)的测试结果，3件实验服CloA、CloB与CloC的热阻值分别为0.39、0.39、0.48 clo。实验服CloB因具有通气孔设计且热阻值较低，人体着装后的散热效果较好，而CloC虽然也有通风孔设计，但因凸条结构增加了服装的热阻值，致使其出汗率显著高于CloC。穿着CloA时的出汗量与其他服装之间没有显著差异，说明服装的通风透气性能与隔热性能共同影响人体的热生理反应，需要综合评价各因素的作用。

图4 汗液蒸发效率和出汗量Fig.4 Evaporation efficiency(a) and sweat amount (b)

另外，服装款式对汗液蒸发率也有显著性影响(F(1.18，8.24)=5.86，P=0.037)，CloB的汗液蒸发率显著高于CloA(P=0.023)，而CloC的汗液蒸发率与其他2件服装间没有显著性差异(P>0.05)。说明人体的汗液蒸发率也受服装通风性能与隔热性能的共同影响，CloC的高通风与高热阻特征在人体实际着装运动条件下，并没有表现出更好的生理热调节性能。以上研究结果说明，在运动服的设计中，应在控制服装热阻值的前提下尽可能地提高通风性能。

2.1.3 前后躯干衣下湿度

图5示出穿着3件实验服的前躯干与后躯干的衣下湿度。在运动阶段25～55 min期间，服装款式对后躯干的衣下湿度有显著影响(F(2，14)=5.39，P=0.018)，穿着CloB的衣下湿度显著低于CloA (P=0.032)。CloC的衣下湿度值介于CloB与CloA之间，但并未发现显著性差异(P>0.05)，这可能是由于CloC虽然也具有挑洞组织，但其凸条结构同时增加了服装的热湿传递阻力。

图5 衣下湿度Fig.5 Humidity under experimental garments. (a) Front torso; (b) Back torso

服装款式对前躯干的衣下湿度没有显著影响(F(2，14)=0.11，P=0.90)。可见，吹风方向影响服装的局部湿传递性能，实验中采用了背向风，由于空气的强迫对流作用，增加了后背的汗液蒸发效率，显著降低了后躯干的衣下湿度。而前躯干由于没有吹风作用，更多温暖湿润的空气积聚在衣下空间内，难以通过自然对流从通风孔中散失。可见，在外界有风的情况下，挑洞组织能更好地发挥服装的通风散湿作用。

Sun等[2]认为，与普通平针组织的T恤相比，增加了菱形凸条和网眼结构的新型T恤衫可有效减少32%的衣下湿度，但其研究并未说明所改善的通风散湿效能，是由于网孔的作用还是凸条的作用。本文研究证明：在外界有风的条件下，与普通平针组织的T恤相比，基于人体出汗地图设计的挑洞运动服(CloB)可显著降低衣下湿度25%左右；而在CloB基础上进一步增加凸条设计的CloC，仅降低衣下湿度10%左右，这是由于凸起的纹理增加了衣下空气层的厚度，导致服装的热湿传递阻力增大。

2.2 主观评价指标分析

图6示出穿着3件实验服的主观热感觉、湿感觉、黏感觉和不舒适感评分。

图6 主观感觉评分Fig.6 Subjective sensation ratings. (a) Thermal sensation rating; (b) Wetness sensation rating; (c) Stickiness sensation rating; (d) Discomfort sensation rating

在运动阶段(25～55min期间)及恢复阶段(55～80 min)，对4种主观评分进行弗里德曼检验，结果如下。

服装款式对热感觉的影响在运动阶段有显著差异(χ2(2，48)=57.350，P<0.001)，穿着CloB的热感觉评分((1.58±0.8)分)显著低于CloA((2.17±1.0)分)与CloC((2.25±0.94)分)；在恢复阶段也有显著差异(χ2(2，40)=40.574，P<0.001)，穿着CloB的热感觉评分((1.26±0.92)分)显著低于CloA((2.40±0.84分)与CloC((2.34±0.75)分)。CloA与CloC之间未发现显著性差异(P>0.05)。

服装款式对湿感觉的影响在运动阶段有显著差异(χ2(2，48)=16.747，P<0.001)，穿着CloB的湿感觉评分((1.65±0.8)分)显著低于CloA((2.29±1.1)分)与CloC((2.05±1.0)分)；服装款式对湿感觉的影响在恢复阶段也有显著差异(χ2(2，40)=40.109，P<0.001)，穿着CloB的湿感觉评分((1.28±0.6)分)显著低于CloA((2.46±0.8)分)与CloC((2.26±0.8)分)。CloA与CloC之间未发现显著性差异(P>0.05)。

服装款式对黏体感的影响在运动阶段有显著差异(χ2(2，48)=22.041，P=0.002)，穿着CloB的黏体感评分((1.71±0.9)分)显著低于CloA((2.21±1.1)分)与CloC((2.08±1.1)分)；服装款式对黏体感的影响在恢复阶段也有显著差异(χ2(2，40)=16.478，P<0.001)，穿着CloB的黏体感评分((1.61±0.8)分)显著低于CloA((2.01±1.0)分)与CloC((2.38±1.0)分)。CloA与CloC之间未发现显著性差异(P>0.05)。

服装款式对不舒适感的影响只在恢复阶段有显著差异(χ2(2，40)=15.630，P<0.001)，穿着CloB的不舒适感评分((1.65±0.7)分)显著低于CloA((1.98±0.9)分)与CloC((2.38±0.9)分)，CloA与CloC之间未发现显著性差异(P=0.07)，CloA与CloB之间也未发现显著性差异(P=0.15)；在运动阶段没有显著差异(χ2(2，48)=0.406，P=0.816)。

综合各主观感觉评分结果可知，3件实验服装中CloB的热感、湿感、黏体感评分最低，具有挑洞设计的服装CloB由于较好的通风透气性能与较低的热阻值，具有更好的感觉舒适度，证实了研究假设1)，而增加凸条组织的服装CloC由于热湿阻力的增加，并未起到进一步改善热湿舒适性的目的，因此实验驳斥了研究假设2)。

3 结 论

本文研究基于人体出汗图谱，设计开发了3款具有不同编织结构的针织运动服，探讨了针织服装的通风孔与通风道设计对人体运动热生理及舒适性的影响，得到以下结论。

1) 采用针织挑洞工艺设计出的通风孔服装CloB，由于孔眼分布依据人体出汗分布图谱，在外环境有风的条件下，能显著增加人体的汗液蒸发率，减少衣下空气湿度，同时受试者的主观热、湿、黏体及不舒适感觉也显著下降。

2) 在孔眼分布的区域进一步增加凸条通风道的服装CloC，由于增加了衣下空气层厚度，因而增加了服装的热湿传递阻力，未能起到进一步改善人体热生理及舒适感的作用，因此，在运动服的设计中，应在控制服装热阻值的前提下提高通风性能。

3) 本文所研发的“人体生理映射”运动服，实验结果虽表明对改善衣下空气湿度及着装不舒适感有显著作用，但由于通风孔面积仅占上衣总面积的10%，其对耳道温度、皮肤温度和心率等生理指数未产生显著影响。