汪秀花， 王云儀,3， 李俊*,3

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

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高海拔環(huán)境下防護服的設(shè)計原則與方法

汪秀花1,2， 王云儀1,2,3， 李俊*1,2,3

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

高海拔環(huán)境的氣侯特征及其變化對服裝的熱舒適性提出了較高要求。通過對高海拔環(huán)境分析并以人體熱平衡機理出發(fā)，提出“通過抑制內(nèi)熱傳遞、促進外熱吸收”的熱防護機理以及溫差調(diào)節(jié)功能的設(shè)置，得出高海拔環(huán)境下防護服的設(shè)計原則與方法，為該環(huán)境下的防護服設(shè)計提供參考。

高海拔；防護服；熱舒適性；設(shè)計方法

高海拔環(huán)境因素較為復(fù)雜，低溫、晝夜溫差大及強紫外線等特殊的環(huán)境條件會對人體尤其是初入高原者造成不同程度的傷害。服裝作為人體與環(huán)境之間的緩沖體，能夠有效隔熱、減輕人體熱應(yīng)激、為人體提供熱防護。在以往的研究中，對低溫環(huán)境下防護服裝研發(fā)和設(shè)計較為普遍，而針對高海拔復(fù)雜環(huán)境下防護服裝設(shè)計與研發(fā)尚未有深入研究。文中遵循基礎(chǔ)的防護服裝設(shè)計理論，基于熱防護服裝的設(shè)計模式，從高海拔環(huán)境分析、人體熱防護機理、服裝熱功能設(shè)計手段3個層面，總結(jié)高海拔環(huán)境下的服裝設(shè)計需求,并提出相應(yīng)的設(shè)計原則與解決方案。

1 高海拔環(huán)境分析

高海拔，一般指平均海拔在3 000 m以上的地域。在海拔3 000 m左右的大多數(shù)人在靜息狀態(tài)下會出現(xiàn)不同程度的高原反應(yīng)，超過這個海拔高度，人體在機能代謝上的改變愈加明顯。該環(huán)境由多個環(huán)境影響因素構(gòu)成，對環(huán)境合理而全面的解析將為防護服的設(shè)計研發(fā)及性能評價提供準確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見表1)。由表1可知高海拔地區(qū)的環(huán)境特點及其影響主要以低溫、大溫差以及強紫外線等環(huán)境因素為主。

表1 高海拔地區(qū)的環(huán)境特點及其影響

2 人體熱防護機理

2.1 人體熱平衡

熱平衡是人類生存的必要條件，維持熱平衡是保持生命體征及獲得熱舒適的基本條件。當(dāng)所處的外界環(huán)境發(fā)生改變導(dǎo)致熱平衡被打破時，人體可以通過一系列的生理機體活動來調(diào)節(jié)暫時的失衡。在人體、服裝、環(huán)境這一系列熱力系統(tǒng)中，人體除了通過傳導(dǎo)、對流、輻射方式與周圍環(huán)境交換熱量外，還可通過皮膚表面汗液的蒸發(fā)散失熱量。在此熱量傳遞過程中，服裝能夠有效地調(diào)節(jié)皮膚與環(huán)境之間的熱交換。

從生理學(xué)的角度看，熱舒適的先決條件是人整體以及局部肢體都處于良好的熱平衡之中，這意味著皮膚溫度必須處于一個較小的變化范圍并保持相對的穩(wěn)態(tài)。在低溫及溫差較大的環(huán)境下，要保持人體良好的熱平衡，應(yīng)抑制對流、輻射及蒸發(fā)過程中的熱量損失，同時增加對于外界輻射及傳導(dǎo)熱的吸收。

2.2 服裝系統(tǒng)中的熱傳遞

當(dāng)人體處于低溫環(huán)境時，皮膚溫度遠高于環(huán)境溫度，服裝內(nèi)表面溫度高于外表面溫度，在這種正溫差條件下，服裝的防護機理可以總結(jié)為抑制內(nèi)熱散失和促進外熱吸收兩個方面，低溫防護服的防護機理如圖1所示。

圖1 低溫防護服的防護機理Fig.1 Protective mechanism of low temperature protective clothing

一方面，由于熱量是由皮膚表面通過服裝向環(huán)境傳遞，需要服裝能夠抑制傳導(dǎo)和對流散熱，被動減少人體向外界的熱量傳遞；另一方面，通過外部熱源升溫和服裝材料對輻射熱吸收主動獲取外界環(huán)境中的熱量來輔助達到維持人體熱平衡的目的。

3 服裝熱功能設(shè)計手段

3.1 抑制內(nèi)熱傳遞

抑制內(nèi)熱傳遞主要是利用服裝材料、結(jié)構(gòu)和配件的設(shè)置，減少人體與外部熱環(huán)境之間的熱交換以維持體內(nèi)熱平衡，這也是高海拔環(huán)境下防護服熱功能設(shè)計的主要手段。

3.1.1 材料功能選擇與配置

1)保暖材料配置。服裝材料的選擇和配置在低溫防護服設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。目前國內(nèi)對保暖材料的研究主要集中在保暖纖維、保暖絮料以及相應(yīng)的保暖面料。從發(fā)展最早的超細纖維、三維卷曲纖維、遠紅外纖維、遠紅外中空保暖纖維，到新型環(huán)保的咖啡炭纖維，針對不同高海拔環(huán)境的溫度需求可以選擇合適的纖維材料。此外，還可以通過在服裝設(shè)計中進行特別的配置組合，滿足人體不同身體部位的生理需要。

2)材料厚度設(shè)計。對于相同的材料，厚度的增加可以提高其熱阻從而有效提高服裝的隔熱能力[10]。研究表明在織物絮層材料相同的情況下，10 mm厚度的隔熱能力比5 mm厚度的隔熱能力平均提高30%，20 mm厚度的隔熱能力比10 mm厚度的隔熱能力平均提高44%[11]。但兩者并不呈線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)材料厚度增加到一定程度時，其隔熱能力的增加趨勢將逐步減小。因此需要根據(jù)織物絮層材料及隔熱要求來設(shè)計最佳的材料厚度。

3)防風(fēng)面料。保暖纖維、保暖絮料的開發(fā)是低溫防護的基礎(chǔ)，此外織物的組織形式、后整理等對保暖性也有很重要的影響。由于風(fēng)對人體有致冷作用，增加對流散熱，加速體熱散失，降低服裝的隔熱保暖效果[12]，所以在高海拔多風(fēng)環(huán)境下，外層材料應(yīng)選擇防風(fēng)性較好，組織緊密、手感厚實的面料，且對面料表面進行特殊防風(fēng)處理使服裝達到更好的保暖效果。

3.1.2 服裝保暖結(jié)構(gòu)設(shè)計 針對低溫的防護服整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，常采用上下身分離、衣褲連體和大褂3種形式。在上下分離款式中，褲子除常規(guī)的運動褲款式外，還可以采用背帶褲的形式以增加服裝重疊的面積，對于腰部的保暖具有積極的作用。為增加保暖效果，還可以在腰部、腹部添加護腰、護腹結(jié)構(gòu)[13]。

在服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可以通過多種細部設(shè)計來提高服裝的保暖能力，包括增加皮膚表面的覆蓋面積來達到保暖的效果；將開口部位縮小或封閉，例如將腳口、袖口收緊，這樣的造型結(jié)構(gòu)可以減小煙囪效應(yīng)；協(xié)調(diào)尺寸與體型之間的配伍關(guān)系，使衣下空氣層厚度達到最佳的保暖效果[14]。此外，易產(chǎn)生冷感的部位應(yīng)采用特殊結(jié)構(gòu)進行加強，如領(lǐng)子采用翻立雙用領(lǐng)等[15]。

3.1.3 配件設(shè)計 低溫環(huán)境下，一些血流較少或裸露的部位，如肢端、耳廓、面部，更容易發(fā)生凍傷，Imray C等[16]研究表明，90%凍傷發(fā)生在手部和腳部，手腳部位受冷是戶外工作者面臨的極大威脅。因此，針對這些局部部位需加以特別的保暖防護，以防止產(chǎn)生全身性的病癥[17]。常用的防護配件包括防寒面罩、外套靴、護耳、防寒手套、帽子、圍巾、內(nèi)衣、口罩、保暖襪等，可以根據(jù)具體的人體活動需求進行選擇性配置[18-20]。

3.2 促進外熱吸收

可以通過增加面料對輻射的熱吸收補給人體維持熱平衡所需熱量，達到促進外熱吸收的目的。不同表面狀態(tài)、不同顏色的服裝材料,對熱射線的反射、吸收有較大差別[21]。吸收和透過的熱射線越多，隔熱保暖能力越強。

一般情況下，平滑表面對熱射線的反射較大，粗糙表面反射較?。欢鴮嵘渚€的吸收率則是粗糙表面較大，平滑表面較小[22]。就服裝材料顏色而言，染色布對熱射線的吸收比白色布多，深色布比淺色布多，其中黑色布對熱射線的吸收最多[23]。所以在高海拔環(huán)境防護服的設(shè)計中，可以采用粗糙、深色的面料來達到更好的保暖效果。

3.3 溫差調(diào)節(jié)功能設(shè)計

3.3.1 可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 服裝結(jié)構(gòu)中的寬松度、開口度以及覆蓋率是影響服裝熱阻的3個主要結(jié)構(gòu)因素，在溫度變化較大的環(huán)境下，可以利用服裝熱阻的可調(diào)節(jié)性來改變服裝的隔熱性能，以適應(yīng)環(huán)境需求[24]。

服裝結(jié)構(gòu)的寬松度直接影響到著裝衣下空氣層厚度，衣下保持的空氣層越厚，對服裝表面熱流的阻礙作用越明顯，服裝的熱阻越大，保暖效果越好。在溫差較大的氣候環(huán)境下，可以通過防護服的細部結(jié)構(gòu)設(shè)置，如內(nèi)層抽繩[25]、外層可調(diào)節(jié)束帶來調(diào)整服裝的寬松度以達到不同的熱阻需求，從而適應(yīng)高海拔地區(qū)晝夜溫差變化。

服裝的開口主要在領(lǐng)口、袖口、底擺和褲口處,它們與服裝衣下空間的對流散熱關(guān)系密切，服裝開口度的大小會改變服裝微氣候內(nèi)空氣分子的運動性質(zhì)和速度，進而影響服裝的熱傳遞性。將袖口、底擺通過調(diào)節(jié)袢設(shè)置成可調(diào)結(jié)構(gòu)，促進或阻礙煙囪效應(yīng)使其適應(yīng)溫度變化[26]。周永凱等[27]通過實驗得出，服裝開口度在0～1.5 cm 時,服裝熱阻隨開口度增加而逐漸增大；服裝開口度大于1.5 cm時,服裝熱阻隨開口度的增加而下降,并逐漸接近裸體時人體的邊界空氣層熱阻值0.87 K/W。

服裝對人體體表的覆蓋面積，可以在很大程度上調(diào)節(jié)體熱散失[27]。被覆蓋部分身體表面的空氣層成為靜止空氣層，會阻礙熱與水分的散失。材質(zhì)相同而覆蓋面積各異的服裝熱阻，隨覆蓋面積的增加而增加，二者呈正相關(guān)關(guān)系。郭曉芳等[28]對青藏高原地區(qū)常見的3種藏袍著裝方式(雙袖、單袖和無袖)進行熱阻測試。發(fā)現(xiàn)這種可調(diào)節(jié)熱阻對于不同的環(huán)境溫度需求表現(xiàn)出優(yōu)良的適應(yīng)性，這對于高海拔非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下服裝研發(fā)具有一定價值。

3.3.2 多層結(jié)構(gòu)的配套 除了在服裝中設(shè)計可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)外，服裝系統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)之間的配套組合設(shè)計也是實現(xiàn)服裝可調(diào)性的另一手段。美軍現(xiàn)行的冬季防寒服為6個基本層次，全套服裝可按不同組合方式合理加減，從而適應(yīng)-4～51 ℃之間的天氣環(huán)境，不僅極大地改善了服裝的防護性能，質(zhì)量也比普通棉衣減少了28%[12]。

李東平[30]通過研究多層結(jié)構(gòu)服裝穿著層序與服裝熱阻之間的關(guān)系得出，服裝穿著合體能提高服裝的保暖性。當(dāng)采用內(nèi)緊外松的層序合理搭配穿著時，應(yīng)保持層間適量的空氣層，對提高多層服裝套穿的溫差調(diào)節(jié)性能具有顯著作用。

多層結(jié)構(gòu)服裝的配套設(shè)計，包括3層設(shè)計考量，內(nèi)層、中間層和外層。內(nèi)層緊貼皮膚以減少衣下微氣候的熱對流；中間層為隔熱層，其厚度和面料的選擇根據(jù)環(huán)境要求各不相同，可以包含若干單獨層；最外層則保護人體免受外界風(fēng)、雨、雪、摩擦及化學(xué)物質(zhì)等傷害，同時也提供額外的熱阻[31]。這種設(shè)計思路對于高海拔環(huán)境下防護服的設(shè)計具有很好的參考和借鑒意義。

3.3.3 相變材料應(yīng)用 利用相變材料(PCM-Phase Change Material)的相變潛熱(指物質(zhì)在等溫等壓情況下，從一個相變化到另一個相吸收或放出的熱量)來實現(xiàn)與人體的熱量交換，從而達到升降溫的目的，為實現(xiàn)溫差調(diào)節(jié)功能提供了另一種思路。在服裝中添加相變材料，當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時，相變材料吸收熱量，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，減少向人體傳遞熱量；相反，當(dāng)外界環(huán)境溫度降低時，相變材料釋放熱量，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，減少人體冷感?？梢?，相變材料可以在一定的相變范圍內(nèi)調(diào)節(jié)“衣內(nèi)微氣候”[32]，減緩高海拔地區(qū)晝夜溫差帶來的不舒適感。

李發(fā)學(xué)等[33]利用相變材料的吸熱和放熱原理，將相變材料應(yīng)用于新型紅外偽裝服的研發(fā)，在已開發(fā)出的近紅外偽裝服的基礎(chǔ)上，通過復(fù)合相變溫度與環(huán)境溫度一致的相變材料，可逆地吸收或釋放大量潛熱(人體或探測儀發(fā)射的熱紅外能量)，使物體表面溫度始終與環(huán)境溫度一致，從而使這種服裝對于主、被動式熱紅外探測儀具有偽裝效果。

Gao C等[34]在暖體假人上測試了PCM背心對假人軀干的吸熱情況，并測試了受試者穿著PCM背心與不穿降溫背心、不穿消防服時的熱應(yīng)激。研究表明，PCM的相變溫度與暖體假人的表面溫度之間的溫差越大,PCM的覆蓋面積越大,用量越大，吸熱降溫效果越好。穿著PCM背心后，受試者的核心溫度、平均皮膚溫度均有所降低。

4 高海拔服裝設(shè)計方法

4.1 設(shè)計目標

4.1.1 熱舒適性 通過對高海拔地區(qū)環(huán)境的綜合分析，發(fā)現(xiàn)低溫及溫差是造成該環(huán)境下人體不舒適的主要環(huán)境因素。為了達到人體熱平衡，可以通過服裝來實現(xiàn)與外界環(huán)境之間的有效隔熱，因此，熱舒適性是設(shè)計中最重要也是首要的設(shè)計目標[35]。

4.1.2 可調(diào)節(jié)性 在高海拔環(huán)境防護服的設(shè)計中，除了解決低溫環(huán)境對熱平衡的維持外，還需應(yīng)對低壓下稀薄空氣導(dǎo)致的晝夜溫差以及人體本身活動所造成的熱量變化。為了維持不同條件下人體的熱舒適狀態(tài)，對服裝熱阻的要求也各不相同。因此，將方便簡易可調(diào)節(jié)式熱阻加入到服裝設(shè)計中，應(yīng)對溫度變化是實現(xiàn)多功能設(shè)計的關(guān)鍵目標。

4.1.3 運動靈活性 人體著裝的運動靈活性往往與防護服的防護性能存在矛盾，而前者又是人們?nèi)粘Ｉ詈妥鳂I(yè)的基本需求。因此，在滿足和提升防護性能的基礎(chǔ)上，同時關(guān)注并兼顧運動靈活性，是該項設(shè)計的基礎(chǔ)和必要目標。在防護服工效學(xué)研究中，以肢體活動范圍作為運動靈活性的評價指標能夠較好地表征防護服對人體的束縛程度。在滿足高海拔地區(qū)氣候環(huán)境下熱舒適性及可調(diào)節(jié)性時，還需針對不同的防護作業(yè)需求，通過結(jié)構(gòu)設(shè)置來滿足作業(yè)任務(wù)的肢體活動范圍。

4.1.4 可生產(chǎn)性 任何設(shè)計都必需具有可實現(xiàn)性，才能從構(gòu)想轉(zhuǎn)化成實物?？缮a(chǎn)性一方面體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)的難易程度上；另一方面體現(xiàn)在是否具有市場競爭力的生產(chǎn)成本上。因此，可生產(chǎn)性是設(shè)計得以實現(xiàn)的保障性目標。

4.2 設(shè)計手段

參考HUCK J等[35-36]建立各設(shè)計手段之間的交互矩陣，具體見表2?；诓煌O(shè)計目標以獲得諸多設(shè)計手段間的平衡方案。

由表2中的交互矩陣比較結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，可調(diào)節(jié)性中的“覆蓋率”因素與運動舒適性中的“肢體活動角度”因素相沖突，這種沖突可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和松量設(shè)計而減小。“多層結(jié)構(gòu)配套”、“生產(chǎn)成本”及“生產(chǎn)難度”因素相沖突，企業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)時，可以將層間織物配套與織物材料及厚度的選擇結(jié)合成本進行綜合考量與配置?！岸鄬咏Y(jié)構(gòu)配套”因素與“肢體活動角度”因素相沖突，可以通過優(yōu)化、合理設(shè)置單層結(jié)構(gòu)的松量以及采用內(nèi)緊外松的層序套穿方式減小沖突。在后續(xù)的具體服裝設(shè)計方案中，應(yīng)對上述“沖突”加以特別關(guān)注，并在設(shè)計評價實驗中進一步進行檢驗和確認。

表2 各設(shè)計因素交互矩陣

Fig.2 Interactive matrix of design factors

4.3 設(shè)計流程

基于以上分析，總結(jié)提煉出針對高海拔環(huán)境防護服裝的設(shè)計方法和流程，具體如圖2所示。設(shè)計方法總體包括環(huán)境分析、問題結(jié)構(gòu)認知、設(shè)計要點確定、原型的建立和設(shè)計評價5個步驟，可以作為此類服裝設(shè)計開發(fā)的一般參考模式。

圖2 高海拔環(huán)境防護服設(shè)計方法及流程Fig.2 Design method and process of high altitude environmental protective clothing

5 結(jié)語

高海拔環(huán)境因素的復(fù)雜性使得防護服在設(shè)計研發(fā)時需要綜合考慮服裝對人體的防護性能。文中從高海拔環(huán)境分析以及人體熱平衡機理出發(fā)，提出“通過抑制內(nèi)熱傳遞、促進外熱吸收”的熱防護機理以及可調(diào)節(jié)式熱阻的結(jié)構(gòu)設(shè)置。

從熱舒適性、可調(diào)節(jié)性、運動舒適性以及可生產(chǎn)性4個方面入手，分析了其設(shè)計過程并從交互矩陣結(jié)果得出可調(diào)節(jié)熱阻中的“覆蓋率”因素與“肢體活動角度”因素相沖突，“多層結(jié)構(gòu)配套”因素與“生產(chǎn)成本”、“生產(chǎn)難度”以及“肢體活動角度”因素相沖突，在同類防護服裝的設(shè)計過程中結(jié)合實際設(shè)計需求綜合考慮將沖突最小化的配置方法。最后，基于防護服的一般設(shè)計模式，提出高海拔環(huán)境下防護服的設(shè)計方法及流程，為該環(huán)境下的防護服設(shè)計提供參考。

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(責(zé)任編輯：張雪，邢寶妹)

Design Principle and Methodology of Protective Clothing in High Altitude Environment

WANG Xiuhua1,2, WANG Yunyi1,2,3, LI Jun*1,2,3

(1.Fashion and Design College,Donghua University,Shanghai 200051,China;2.Protective Clothing Research Center,Donghua University,Shanghai 200051,China;3.Key Laboratory of Clothing Design and Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 200051,China)

The climate characteristics and the changes of high altitude environment hare high requirements for the thermal comfort of the clothing.Clothing provides a way to control heat conversion between body and the external environment.The changing climate and environment requires clothing to continuously adjusting thermal comfort ability.Through the analysis about the high altitude environment and the body heat balance mechanism,the thermal protection mechanism is put forward as follows:"inhibiting internal heat transfer,promoting external heat absorption" and the function setting of temperature adjustment is proposed.The design principle and methodology were obtained,which could provide a reference to the design of protective clothing in similar environment.

high altitude,protective clothing,the rmal comfort,design methodology

2017-02-06；

2017-04-08。

國家自然科學(xué)基金項目(51576038)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目(16D110713)。

汪秀花(1992—)，女，碩士研究生。

* 通信作者：李俊(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為服裝舒適性與功能服裝設(shè)計。 Email:lijun@dhu.edu.cn

TS 941．17

A

2096-1928(2017)02-0095-07