李佳怡，盧業(yè)虎,2,3，王發(fā)明,2，孫艷嬌，王 喆，朱 敏

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123； 3.蘇州大學(xué) 絲綢工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215006)

應(yīng)用男體出汗圖譜的運(yùn)動(dòng)裝設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

李佳怡1，盧業(yè)虎1,2,3，王發(fā)明1,2，孫艷嬌1，王 喆1，朱 敏1

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123； 3.蘇州大學(xué) 絲綢工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215006)

運(yùn)動(dòng)裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響其熱濕傳遞性能，從而影響著裝者的舒適性。為此，根據(jù)男體局部出汗分布特征和當(dāng)前各種吸濕排汗面料的特性，設(shè)計(jì)了幾款不同面料拼接的運(yùn)動(dòng)裝，采用34區(qū)段出汗暖體假人Newton來客觀評(píng)價(jià)所研發(fā)的人體繪圖運(yùn)動(dòng)服裝的熱阻、濕阻和透濕指數(shù)，并通過熱應(yīng)激預(yù)測(PHS)模型預(yù)測在各種環(huán)境條件下穿著運(yùn)動(dòng)裝后的人體生理指標(biāo)(包括皮膚溫度、核心溫度、出汗率、總出汗量)的變化，從而評(píng)價(jià)所研制的運(yùn)動(dòng)裝在不同環(huán)境下對(duì)人體的熱調(diào)節(jié)作用。

出汗圖譜；人體繪圖運(yùn)動(dòng)裝；出汗率；熱濕傳遞；出汗暖體假人

運(yùn)動(dòng)裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響其熱濕傳遞性能，從而影響著裝者的穿著舒適性[1-2]。當(dāng)前，人體繪圖運(yùn)動(dòng)裝逐漸成為很多知名運(yùn)動(dòng)品牌重點(diǎn)推出的一類功能性運(yùn)動(dòng)服裝。人體繪圖運(yùn)動(dòng)裝，不同于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)服裝，是把不同性能或不同組織的面料拼接起來的一種運(yùn)動(dòng)服裝[3-4]。人體繪圖服裝充分考慮人體身體局部出汗、汗液蒸發(fā)差異等特點(diǎn)，合理選取不同性能的面料并拼接在服裝的不同部位，可以為人體局部身體部位提供更好的舒適性。

盡管目前人體繪圖運(yùn)動(dòng)服裝已出現(xiàn)在國際運(yùn)動(dòng)服裝市場上，但關(guān)于如何合理設(shè)計(jì)、開發(fā)人體繪圖運(yùn)動(dòng)服裝并使其具有優(yōu)越的性能等方面的基礎(chǔ)研究較少[5]。首先，設(shè)計(jì)人體繪圖服裝最重要的前提是深入地了解人體局部部位的出汗分布情況；其次，人體出汗效率、出汗蒸發(fā)效率及身體局部部位汗液蒸發(fā)散熱能力對(duì)于設(shè)計(jì)高性能人體繪圖運(yùn)動(dòng)服裝具有重要的意義。大量研究[6-8]發(fā)現(xiàn)，身體不同部位的蒸發(fā)能力存在著較大差異，特別是在高風(fēng)速情況下，四肢和軀干蒸發(fā)散熱能力之間的差異更加突出。人體四肢部位的局部出汗率要遠(yuǎn)低于軀干部位的局部出汗率[9-10]，這就導(dǎo)致軀干部位出汗不能夠像四肢部位出汗那樣快速地蒸發(fā)，因此，如何幫助人體軀干等部位分泌的汗液快速蒸發(fā)是至關(guān)重要的。

本文研究首先從青年男體出汗率圖譜出發(fā)，設(shè)計(jì)、研發(fā)，各種人體繪圖功能運(yùn)動(dòng)服裝，采用34區(qū)段出汗暖體假人Newton和人體熱應(yīng)激預(yù)測模型客觀評(píng)價(jià)研發(fā)的人體繪圖運(yùn)動(dòng)服裝熱濕傳遞性能，并與市場上采購的品牌運(yùn)動(dòng)裝進(jìn)行比較，從而為運(yùn)動(dòng)裝的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 運(yùn)動(dòng)裝的研發(fā)

1.1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，男女體局部出汗率不同，本文以男體為例研究人體上肢各部位出汗率，為運(yùn)動(dòng)上衣的設(shè)計(jì)提供參考。已有研究[10]表明：人體背面的出汗率極高，其中最高出汗率集中在背部中央，最低部位是人體四肢；正面出汗率較高的部位則集中于前中，且前胸和后背兩側(cè)的出汗率均小于中間[10]。

綜合考慮各種吸濕排汗面料的性能、衣下空氣層以及服裝舒適度和綜合強(qiáng)度等因素，運(yùn)動(dòng)服整體采用無領(lǐng)收腰設(shè)計(jì)，與身體貼合度較高，降低了服裝的熱阻和濕阻，減小了運(yùn)動(dòng)過程中的阻力。在運(yùn)動(dòng)過程中，上臂的運(yùn)動(dòng)幅度較大，因此短袖采用彈性較好的全棉面料，貼合上臂的肌肉線條。在運(yùn)動(dòng)過程中，人體高濕高熱部位為前胸部位和后背部位，本文研究設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)服在這2個(gè)部位采用Coolmax?和CoolDryTM這2種吸濕速干面料拼接，使得人體汗液能盡快散發(fā)，熱量傳遞速度加快，提高了整件運(yùn)動(dòng)服的熱濕舒適性。腹臀部和側(cè)腰部位溫度不高，出汗量也較小，因此采用網(wǎng)眼面料，保持較高的透氣性，與外界空氣對(duì)流幫助前胸和后背部位排汗散熱。

1.2人體繪圖功能運(yùn)動(dòng)裝

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了4款人體繪圖功能運(yùn)動(dòng)裝，如圖1～4所示。G1胸前以及后背主要使用Coolmax?面料，其余衣身和袖子采用純棉針織面料；G2設(shè)計(jì)前后對(duì)稱，中上部位使用CoolDryTM面料，其余衣身和袖子采用純棉針織面料，而衣身兩側(cè)使用網(wǎng)眼布；G3衣身上部采用純棉針織面料，衣身兩側(cè)以及正面胸下部使用網(wǎng)眼布，而后背中下部使用CoolDryTM面料；G4的設(shè)計(jì)也是前后對(duì)稱的，衣身胸上部使用Coolmax?面料，胸部以下使用CoolDryTM面料，袖子以及衣身兩側(cè)采用純棉針織面料。

2 實(shí)驗(yàn)部分

圖5示出Newton出汗暖體假人。在一定環(huán)境條件下，采用Newton出汗暖體假人測量設(shè)計(jì)制作的4款成衣G1～G4以及1件Tiaga滌綸polor衫(G5)的熱阻、濕阻和透濕指數(shù)，并利用熱應(yīng)激預(yù)測(PHS)模型預(yù)測人體的生理指標(biāo)，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)裝的熱調(diào)節(jié)能力。

2.1 熱阻和濕阻測量

按照ISO 15831(2004)，采用恒定皮膚溫度模式(Tmanikin為34 ℃)，在恒溫恒濕條件下測量服裝的熱阻?？諝鉁囟葹?20±0.5)℃，相對(duì)濕度為(65±5)%，風(fēng)速為(0.4±0.1)m/s。假人上身穿著制作的運(yùn)動(dòng)裝，下身穿著純棉內(nèi)褲和針織運(yùn)動(dòng)短褲，腳部穿運(yùn)動(dòng)鞋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每件衣服測量3次。服裝總熱阻(It)采用并聯(lián)法計(jì)算，如式(1)所示；固有熱阻(Icl)計(jì)算如式(2)所示。因?yàn)檠芯康姆b為合體服裝，fcl對(duì)服裝固有熱阻的影響較小，故假定fcl為1。

(1)

(2)

按照ASTM F 2370(2010)采用等溫模式(Tmanikin=Tair=34 ℃)測量服裝濕阻。空氣溫度為(34±0.5)℃，相對(duì)濕度為(40±5)%，風(fēng)速為(0.4±0.1)m/s。假人著裝情況與熱阻測試相同。在每次測試結(jié)束后將被汗水浸濕的服裝烘干以備下次實(shí)驗(yàn)。每件衣服測試3次。服裝濕阻采用散熱法計(jì)算，如式(3)所示，并采用式(4)計(jì)算服裝的透濕指數(shù)。

(3)

(4)

式中：Ret是總濕阻，Pa·m2/W；psk和pa分別是濕態(tài)織物皮膚和環(huán)境的水蒸氣壓，Pa；Hi是i軀段的蒸發(fā)散熱量，W/m2；Ai是i軀段的表面積，A是皮膚總表面積，m2；im是透濕指數(shù)。

表1示出服裝的熱阻、濕阻和透濕指數(shù)。結(jié)果表明，G1～G4的熱阻和濕阻均小于G5，而透濕指數(shù)大于G5，G1～G4之間沒有明顯差異。

表1 服裝的熱阻和濕阻Tab.1 Thermal insulation and evaporative resistance

2.2 采用PHS模型的生理指標(biāo)預(yù)測

利用PHS模型預(yù)測5件服裝在不同環(huán)境下穿著后人體的生理指標(biāo)，包括皮膚溫度、核心溫度、出汗率、總出汗量。表2示出模擬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為5個(gè)階段，即休息—運(yùn)動(dòng)1—休息—運(yùn)動(dòng)2—休息。表3示出7種實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件。

表2 模擬的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Tab.2 Simulated activity

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件Tab.3 Environmental conditions for simulation

3 結(jié)果與討論

3.1 皮膚溫度

圖6示出在34 ℃，75% 相對(duì)濕度條件下穿著5件服裝后皮膚溫度的變化規(guī)律。從整體來看，呈現(xiàn)以下趨勢：在0～50 min區(qū)間皮膚溫度迅速上升；在50～70 min皮膚溫度逐漸下降；在70～110 min區(qū)間皮膚溫度大幅度上升，并在110 min皮膚溫度達(dá)到最大值；110 min以后皮膚溫度開始逐漸下降。

從25 min開始，G5的皮膚溫度明顯高出其他4件服裝，尤其是在70 min以后，并于110 min達(dá)到最大值(約36.8 ℃)。在第1次運(yùn)動(dòng)后(50 min)，G5與其他服裝的最大皮膚溫差為0.4 ℃，而在第2次運(yùn)動(dòng)后(110 min)，最大皮膚溫差為0.9 ℃。

在其他6種環(huán)境條件下，人體皮膚溫度的變化呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。表4示出在不同環(huán)境條件下在各時(shí)間段人體皮膚溫度的變化。

表4 不同環(huán)境條件下人體皮膚溫度Tab.4 Skin temperature under different conditions ℃

由表4可知，高溫條件下(I和II)，在第2個(gè)運(yùn)動(dòng)階段T4(70～110 min)，穿著4件運(yùn)動(dòng)裝G1～G4后的皮膚溫度明顯低于G5。這表明新型的面料拼接運(yùn)動(dòng)裝(G1～G4)較普通滌綸運(yùn)動(dòng)裝具有較好的散熱性能。這可能與新型運(yùn)動(dòng)裝具有較小的熱阻和較大的透濕指數(shù)有關(guān)，人體運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的汗液能夠較快地傳遞至服裝表面并蒸發(fā)，將人體表面的熱量帶走，降低皮膚溫度。另外，比較條件I和II可知，環(huán)境濕度越低，服裝的濕傳遞阻力越小，蒸發(fā)散熱作用越明顯。

在環(huán)境條件III下，在15～50 min和75～110 min區(qū)間，G5的皮膚溫度明顯高出其他4件服裝，并于110 min達(dá)到最大值34.8 ℃左右。

在暖溫條件IV，V和VI下，在2個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間段T2和T4，G5的皮膚溫度明顯高出其他4件服裝，并于110 min達(dá)到最大值，而在休息階段(T1、T3、T5)，各服裝的皮膚溫度沒有明顯差異。結(jié)果表明：在25 ℃條件下，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，面料拼接運(yùn)動(dòng)裝較普通滌綸運(yùn)動(dòng)裝具有較好的散熱性能。這與較高溫環(huán)境III下皮膚溫度的總體趨勢相似。另外，在暖溫條件下，高濕度環(huán)境IV下的皮膚溫度明顯高于V和VI，而V和VI條件下的皮膚溫度沒有明顯差異。

在環(huán)境條件VII下，在2個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間段T2和T4，G5的皮膚溫度明顯高出其他4件服裝，但皮膚溫度均低于34 ℃。

3.2 核心溫度

圖7示出在34 ℃，75%相對(duì)濕度條件下穿著5件服裝后人體核心溫度的變化?？傮w來說，呈現(xiàn)以下趨勢：在T1和T2階段(0～50 min)核心溫度上升；在T3階段(50～70 min)核心溫度稍有下降；在T4階段(70～110 min)核心溫度快速上升，在110 min達(dá)到溫度最大值；隨后核心溫度逐漸下降。從35 min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，穿著服裝G5后人體核心溫度明顯高于其他4件新研發(fā)的服裝。在110 min達(dá)到最大值40.0 ℃左右。值得注意的是，大概在85 min時(shí)人體核心溫度高于39.0 ℃，基于安全因素，此時(shí)人體無法繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在其他6種環(huán)境條件下，人體核心溫度的變化呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。表5示出不同環(huán)境條件下在各時(shí)間段人體核心溫度的變化。

由表5可知，在高溫低濕條件II下，穿著不同的服裝后，人體核心溫度沒有明顯差異。比較條件I和II可知，環(huán)境濕度越低，服裝的濕傳遞阻力越小，蒸發(fā)散熱致冷作用越明顯，人體核心溫度越低，這與環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)皮膚溫度的影響一致(見表4)。在較高溫環(huán)境III下，核心溫度總體趨勢與溫度條件II下的核心體溫變化相似。在暖溫條件(IV、V、VI)下，環(huán)境濕度對(duì)核心溫度沒有明顯影響。在常溫條件VII下，核心溫度變化與II～VI條件下的變化規(guī)律相似?？傮w來說，除在高溫高濕條件下之外，較之滌綸服裝，新研制的面料拼接服裝并沒有發(fā)揮明顯的熱調(diào)節(jié)作用。

表5 不同環(huán)境條件下人體核心溫度Tab.5 Rectal temperatures under different conditions ℃

3.3 總出汗量

在總出汗量方面，5件服裝整體均呈現(xiàn)以下趨勢：隨著時(shí)間的延長，總出汗量持續(xù)上升，在130 min達(dá)到最大值。表6示出5件服裝在7種不同環(huán)境下的總出汗量。由表可知，G5產(chǎn)生的總出汗量比本文研究中研制的服裝G1～G4總出汗量大，而其他4件服裝之間的差異很小。隨著環(huán)境溫度的降低，皮膚總的出汗量逐漸下降。比較環(huán)境條件I和II、IV、V和VI可發(fā)現(xiàn)，在同等溫度條件下濕度越大，皮膚總的出汗量也越大，但在暖溫條件下，相對(duì)濕度對(duì)總出汗量的影響并不明顯。

表6 不同環(huán)境下5件服裝的總出汗量Tab.6 Total sweating production of five garments under different conditions g

3.4 出汗率

圖8示出34 ℃，75%相對(duì)濕度條件下5件服裝的出汗率。在I條件下，5件服裝的出汗率均呈現(xiàn)出“m”型，2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在50 min和110 min，即2次運(yùn)動(dòng)階段T2和T4結(jié)束時(shí)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中出汗率最小值出現(xiàn)在70 min和130 min，即2次運(yùn)動(dòng)結(jié)束后的休息結(jié)束階段T3和T5，且G5的出汗率整體要略高于其他4件服裝。在其他6種條件下，皮膚出汗率的變化趨勢與圖8一致。

在I條件下，2個(gè)峰值分別為1 105.8 g/h和1 108.2 g/h；2個(gè)最低點(diǎn)分別為442.9 g/h和434.6 g/h。在代謝率為250 W/m2的運(yùn)動(dòng)前期(10～30 min和70～90 min)以及T3休息階段的后10 min，服裝G5與研制的4件BMS服裝間的差異較明顯。在II條件下，2個(gè)峰值分別為852.7 g/h和860.1 g/h；最低點(diǎn)為338.0 g/h和339.2 g/h。自25 min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，服裝G5與4件BMS服裝之間的出汗率差異最明顯。由此可見，在高溫環(huán)境下，相對(duì)濕度對(duì)出汗率及服裝間的差異具有一定的影響。

在條件III下，出汗率的2個(gè)峰值分別為654.6、662.1 g/h；最低點(diǎn)為244.3、244.7 g/h。在30～65 min和85～120 min區(qū)間，服裝G5與4件BMS服裝之間的出汗率略有差異。

在條件IV下，2個(gè)峰值分別為532.4、539.8 g/h；最低點(diǎn)為140.7、140.1 g/h。在30～65 min和85～120 min，服裝G5與其他4件服裝之間具有明顯差異。在條件V下，2個(gè)峰值分別為512.0、511.6 g/h；最低點(diǎn)為140.8、141.8 g/h。在35～60 min和95～115 min區(qū)間，服裝G5與新研發(fā)的4件服裝之間存在一定的差異。在條件VI下，2個(gè)峰值分別為500.6、507.0 g/h；最低點(diǎn)為141.4、142.4 g/h。在35～60 min和95～115 min區(qū)間，服裝G5與其他4件服裝具有一定的差異。

在條件VII下，出汗率的2個(gè)峰值分別為384.2、386.6 g/h；最低點(diǎn)為70.9、71.6 g/h。在40～60 min和95～120 min區(qū)間，服裝G5與服裝G1～G4略有差異。

綜上分析可知，隨著環(huán)境溫度下降，皮膚出汗率逐漸減小。比較條件I和II可發(fā)現(xiàn)，在同等高溫條件下，相對(duì)濕度越大，運(yùn)動(dòng)階段(T2和T4)的最大出汗率越大，2個(gè)休息階段最低出汗率隨相對(duì)濕度增加而增加。比較條件IV、V和VI可知，在暖溫條件下，相對(duì)濕度越大，運(yùn)動(dòng)階段(T2和T4)的最大出汗率越大，2個(gè)休息階段最低出汗率沒有差異。

4 結(jié) 論

本文基于人體出汗分布圖譜和面料的性能特點(diǎn)，研發(fā)了4款面料拼接服裝，并通過出汗假人系統(tǒng)

和PHS模型評(píng)價(jià)了不同環(huán)境條件下新研發(fā)的服裝與滌綸服裝的熱調(diào)節(jié)作用，得到如下結(jié)論：

1)本文設(shè)計(jì)的新型面料拼接服裝的熱濕傳遞性能比普通滌綸服裝強(qiáng)；吸濕排汗能力和蒸發(fā)致冷作用優(yōu)于普通滌綸服裝。

2)新型的面料拼接服裝與普通滌綸服裝相比，皮膚溫度差異較大，新型面料拼接服裝吸濕排汗效果更好；而核心溫度差異較小，除了在高溫高濕條件下，新研制的服裝發(fā)揮了明顯的熱調(diào)節(jié)作用。

3)新型的面料拼接服裝與普通滌綸服裝相比，總出汗量和出汗率都具有明顯的差異。在高溫高濕條件下，差異主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)階段的前期和休息階段的后期；在高溫低濕條件下，自25 min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，新研制的服裝與普通滌綸服裝出汗率都具有明顯差異。在其他條件下，出汗率的差異主要出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)階段的中后期和休息階段的前期。

4)在相同環(huán)境溫度下，環(huán)境濕度越大，皮膚總的出汗量越大，皮膚溫度和核心溫度也越高，服裝吸濕排汗散熱性能越差。

FZXB

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Development and performance evaluation of sportswear based on male body sweating pattern

LI Jiayi1,LU Yehu1,2，3,WANG Faming1,2，SUN Yanjiao1,WANG Zhe1,ZHU Min1

(1.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk,Suzhou,Jiangsu215123,China； 3.ProvincialKeyLaboratoryofSilkEngineering，SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China)

The structure feature of sportswear affects the heat and moisture transfer property,and thus influences thermal comfort of the wearer.Based on the male local sweating pattern and properties of current moisture absorbent and quick dry fabrics,several functional sportswear prototypes were developed by fabrics splicing.The advanced 34-zone sweating manikin ′Newton′ was used to measure thermal insulation,evaporative resistance and permeability index of the developed body mapping sportswear (BMS),and the predicted heat stress (PHS) model was applied to predict the physiological parameters such as skin temperature,core temperature,total sweating production and sweating rate under different environmental conditions.Those indices were used to evaluate the thermoregulatory property of the BMS.

sweating pattern；body mapping sportswear；sweating rate；heat and moisture transfer；sweating thermal manikin

10.13475/j.fzxb.20141101307

2014-11-13

2015-09-11

江蘇省博士后基金項(xiàng)目(1402108C)；絲綢工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究課題項(xiàng)目(KJS1414)

李佳怡(1993—)，女，本科生。研究方向?yàn)楣δ芘c防護(hù)服裝。盧業(yè)虎，通信作者，E-mail：yhlu@suda.edu.cn。

G 818.4；TS 941.73

A