鄭 晴， 王昭杰， 王鴻博， 王 敏， 柯 瑩

(1. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122； 3. 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)

電動(dòng)自行車(chē)是綠色出行、緩解城市交通壓力的重要交通工具。相較普通自行車(chē)，它有著省時(shí)省力和易攜帶重物的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)擁有巨大的保有量。在冬季低溫的戶(hù)外環(huán)境中騎行，冷感和不適感會(huì)降低人們的機(jī)警性、反應(yīng)速度和肢體靈活度，從而增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

為了提高電動(dòng)自行車(chē)騎行過(guò)程中的熱舒適性，人們普遍會(huì)使用各種防寒裝備，如擋風(fēng)被、防風(fēng)衣、手套、護(hù)膝等[3-4]?，F(xiàn)有防寒裝備,一方面無(wú)法做到全身性的冷防護(hù)，且對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)有較大的束縛，存在很大的安全隱患;另一方面，新能源技術(shù)的發(fā)展使得電池在體積減小的同時(shí)續(xù)航能力提高，從而出現(xiàn)了許多輕便的、可腳踏騎行的電動(dòng)自行車(chē)。于2019年實(shí)施的GB 17761—2018《電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規(guī)范》也明確提出電動(dòng)自行車(chē)需具備腳踏騎行功能。這使得防風(fēng)被和擋風(fēng)衣等包裹式防寒裝備難以滿(mǎn)足腿部靈活運(yùn)動(dòng)的需求。例如江慧芝[5]所設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車(chē)冬季防護(hù)服，填充有棉絮或羽絨，兼顧了軀干的保暖性和運(yùn)動(dòng)靈活性，但腿部的冷防護(hù)較為欠缺。宋凌峰等[6]基于防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了上下分體的電動(dòng)自行車(chē)騎行服，針對(duì)身體各部位的防護(hù)需求調(diào)整了服裝款式和結(jié)構(gòu)。王宏等[7]采用功能化纖維材料在電動(dòng)車(chē)服上添加了護(hù)具。上述2款服裝均具備良好的舒適性和安全性，與日常服裝類(lèi)似，但不便于騎行前后的穿脫，且僅選用具有防水功能的面料，難以滿(mǎn)足冬季保暖的需求。電動(dòng)自行車(chē)騎行防寒裝備設(shè)計(jì)對(duì)改善騎行者的舒適感、保護(hù)身體健康具有重要作用，但現(xiàn)有對(duì)此類(lèi)服裝的設(shè)計(jì)研究非常有限，并且缺乏相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)。

本文基于電動(dòng)自行車(chē)騎行防寒裝備在保暖性和肢體靈活性方面的缺陷，對(duì)其進(jìn)行款式結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì);應(yīng)用功能性面料完成新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服的制作;從保暖性和工效性方面對(duì)服裝進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文設(shè)計(jì)研究可為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下的電動(dòng)自行車(chē)功能性防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 新型防寒服設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

防寒服通常采用多層面料組合結(jié)構(gòu)，有利于提高服裝的保暖性和熱濕調(diào)節(jié)性能。最外層具有防風(fēng)、防水等防護(hù)功能；中間層是能保留較多靜止空氣的保溫層；最內(nèi)層以具備親膚和吸濕排汗功能為主[8-10]。新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服包括外層和保暖層，材料參數(shù)如表1所示。外層需防風(fēng)、防雨,有較好的耐磨性和強(qiáng)度，選用了錦綸塔絲綸織物，正面經(jīng)防水處理，背面濕法涂層，耐水壓超過(guò)49 kPa。保暖層面料為針織搖粒絨，具有良好的保暖性和親膚性。保暖層夾棉采用3MTM新雪麗TMG型保溫棉，具有輕薄、柔軟、保暖性高等特點(diǎn)，纖維回潮率小于1%，在潮濕環(huán)境下仍保持良好的保暖性能[11]。Woods R I[12]曾研究了摩托車(chē)騎行服厚度與保暖性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在5 ℃環(huán)境下，除防風(fēng)層外的平均服裝厚度應(yīng)達(dá)到20 mm?；诖?本文選擇了20 mm厚度的保溫棉作為夾棉層。另外，選用3 cm寬的銀色反光條，在高亮度下380～420 m之間可見(jiàn)，加強(qiáng)夜間騎行的可視性。

表1 新型防寒服材料參數(shù)Tab.1 Parameters of thermal protective clothing

1.2 款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服的款式采用分體設(shè)計(jì)，包括上衣和褲裝，如圖1所示。上衣和褲裝的保暖層均可拆卸，外層可作為雨衣使用。

圖1 新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服款式圖Fig.1 Pattern of novel moped cycling clothing. (a) Front; (b) Side; (c) Rear; (d) Interior

上衣為中長(zhǎng)款的H型廓形，該款式分割線少，具有很好的保暖效果[13]。采用搭襟的設(shè)計(jì)，在胸部有2層面料，為胸部保暖防風(fēng)，內(nèi)部有繩結(jié)進(jìn)行固定。領(lǐng)型為防寒服設(shè)計(jì)中常用的高立領(lǐng)，設(shè)有魔術(shù)貼，可根據(jù)情況調(diào)節(jié)松緊，對(duì)面部進(jìn)行保暖[14]。為了增加保暖性，應(yīng)盡量減少縫隙，在肩部結(jié)構(gòu)中采用無(wú)分割縫的插肩袖設(shè)計(jì)，且可以方便手臂運(yùn)動(dòng)[14]。腰部設(shè)有抽帶，可調(diào)節(jié)松緊，防風(fēng)保暖。下擺2側(cè)設(shè)有拉鏈，可在電動(dòng)自行車(chē)騎行時(shí)打開(kāi)，便于腿部活動(dòng)。

與現(xiàn)有的電動(dòng)自行車(chē)防寒裝備不同，針對(duì)GB 17761—2018要求，新型防寒服需要滿(mǎn)足著裝者腳踏騎行的需求,因此，為了兼顧腿部的熱舒適感和運(yùn)動(dòng)靈活性，設(shè)計(jì)了防寒褲裝。該褲裝對(duì)腰部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，提高后腰腰高，以避免坐姿騎行時(shí)褲后腰下滑。左右側(cè)縫均設(shè)有拉鏈，方便穿脫。在膝蓋處使用了雙層填充棉，加強(qiáng)膝蓋關(guān)節(jié)處保暖。根據(jù)ISO 9920—2007《熱環(huán)境的人類(lèi)工效學(xué)·服飾整體隔熱和耐水蒸氣性的估計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)，估算服裝整體的總熱阻為1.53 clo。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 測(cè)試樣品

本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)試電動(dòng)自行車(chē)防寒服包括上述所設(shè)計(jì)的新型防寒服和一款現(xiàn)有市售的電動(dòng)自行車(chē)防風(fēng)衣。比較現(xiàn)有的各種電動(dòng)自行車(chē)防寒裝備發(fā)現(xiàn)，該市售防風(fēng)衣與本文設(shè)計(jì)的新型防寒服款式最為相近，因此將其作為測(cè)試實(shí)驗(yàn)的對(duì)比樣品。防風(fēng)衣為長(zhǎng)袍式的上衣，在背后用魔術(shù)貼開(kāi)合，無(wú)褲裝，如圖2所示。

圖2 防風(fēng)衣款式圖Fig.2 Pattern of wind-proof clothing. (a) Front; (b) Side; (c) Rear

2.2 受試者選擇

利用G*Power(Version 3.1.9.6)軟件計(jì)算確定受試者數(shù)量，設(shè)置效應(yīng)量d=1.6，顯著性水平α=0.05，檢驗(yàn)功效為0.8，得出實(shí)驗(yàn)至少應(yīng)包含6名受試者[15]。因此，本文共招募了6名女性大學(xué)生作為保暖性和功效性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的受試者，其基本信息如表2所示。

表2 受試者信息Tab.2 Information of subjects

2.3 保暖性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

保暖性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在人工氣候室(日本Espec公司)內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前，受試者在室內(nèi)(25 ℃，50%相對(duì)濕度)靜坐至少30 min，達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，感覺(jué)不冷不熱且無(wú)顯汗。然后，在受試者10個(gè)部位的皮膚表面用醫(yī)用膠帶粘貼iButton溫度傳感器(美國(guó)Maxim公司，精度為0.062 5 ℃，誤差為±0.5 ℃)，每1 min測(cè)量1次皮膚溫度。10個(gè)部位分別是前額、左前胸、右上臂、左小臂、左手背、左腹部、右肩胛、左后腰、右大腿前側(cè)和左小腿后側(cè)。受試者穿著相同的純棉長(zhǎng)袖T恤、薄羽絨夾克、純棉薄絨長(zhǎng)褲、棉襪和運(yùn)動(dòng)鞋，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求穿著新型防寒服或防風(fēng)衣。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，受試者進(jìn)入人工氣候室內(nèi)靜坐10 min，以適應(yīng)氣候室的低溫環(huán)境。氣候室的空氣溫度和相對(duì)濕度分別為(5±0.5) ℃和(50±5)%。然后受試者在動(dòng)感單車(chē)上進(jìn)行30 min的間歇騎行(2 min腳踏和3 min靜坐交替進(jìn)行)，以模擬電動(dòng)自行車(chē)的騎行狀態(tài)，同時(shí)用電風(fēng)扇面對(duì)人體吹風(fēng)，風(fēng)速為(4.5±0.5) m/s。圖3為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖3 保暖性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Experimental photo of thermal protection evaluation

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者每5 min需進(jìn)行主觀熱感和熱舒適感的評(píng)價(jià)。參考ISO 10551—2019《熱環(huán)境人類(lèi)工效學(xué)·使用主觀判定量表評(píng)價(jià)熱環(huán)境的影響》，熱感和熱舒適感分別采用7級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)尺和5級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)尺，如圖4所示。

圖4 保暖性主觀評(píng)價(jià)標(biāo)尺Fig.4 Subjective evaluation scales of thermal protection. (a) Thermal sensation scale; (b) Thermal comfort sensation scale

參考ISO 9886—2004《人體工效學(xué)·熱疲勞的生理學(xué)測(cè)量評(píng)價(jià)》，利用8個(gè)不同部位的局部皮膚溫度計(jì)算平均皮膚溫度(ts)，如式(1)所示。利用胸部、腹部、肩胛和后腰4個(gè)部位的局部皮膚溫度計(jì)算軀干皮膚溫度(tb)，如式(2)所示。利用大腿和小腿的局部皮膚溫度計(jì)算腿部皮膚溫度(tl)，如式(3)所示。

ts=0.07t前額+0.175t肩胛+0.175t胸部+

0.07t上臂+0.07t小臂+0.05t手背+

(1)

0.19t大腿+0.2t小腿

tb=0.25×(t胸部+t腹部+t肩胛+t后腰)

(2)

tl=0.5×(t大腿+t小腿)

(3)

2.4 工效性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)新型防寒服和現(xiàn)有市售防風(fēng)衣的工效性評(píng)價(jià)采用視覺(jué)模擬評(píng)分法(VAS)[16]。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括穿脫便捷性和上肢、腿部、軀干在騎行時(shí)的活動(dòng)靈活性。評(píng)價(jià)游動(dòng)標(biāo)尺兩端分別為“0”分和“10”分，“0”分表示“非常不便捷”或“非常不靈活”，“10”分表示“非常便捷”或“非常靈活”。受試者在完成保暖性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)后將主觀感受在評(píng)價(jià)標(biāo)尺的相應(yīng)位置標(biāo)出。

2.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用IBM SPSS Statistics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測(cè)試變量通過(guò)Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，均符合正態(tài)分布。采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn),判斷各時(shí)間點(diǎn)的各測(cè)試變量在2種服裝條件下是否存在顯著差異。顯著性水平設(shè)為P<0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 保暖性分析

3.1.1 皮膚溫度

穿著新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服和現(xiàn)有市售防風(fēng)衣時(shí)的平均皮膚溫度、軀干皮膚溫度和腿部皮膚溫度如圖5所示。

圖5 皮膚溫度Fig.5 Skin temperature. (a) Average skin temperature; (b) Torso skin temperature; (c) Leg skin temperature

從圖5(a)可看出，在實(shí)驗(yàn)前10 min的靜坐階段，平均皮膚溫度無(wú)明顯下降，均處于32～34 ℃較舒適的溫度范圍，說(shuō)明在無(wú)風(fēng)非運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下防寒服和防風(fēng)衣均有較好的保暖性。在10～40 min受試者開(kāi)始騎行后，由于風(fēng)速增加，且騎行運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了服裝內(nèi)的空氣對(duì)流散熱，平均皮膚溫度顯著下降后趨于穩(wěn)定。穿著新型防寒服和防風(fēng)衣的平均皮膚溫度在5～40 min區(qū)間存在顯著差異(P<0.05)，前者比后者平均提高了1.2 ℃。

從圖5(b)可看出，穿著新型防寒服的軀干皮膚溫度在5～30 min區(qū)間顯著高于防風(fēng)衣(P<0.05)，但2種服裝條件下的軀干皮膚溫度差值小于0.5 ℃，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均較為穩(wěn)定，說(shuō)明2款服裝對(duì)于上半身的軀干均達(dá)到了很好的御寒防護(hù)作用。

從圖5(c)可看到，穿著新型防寒服和防風(fēng)衣的腿部皮膚溫度在8～40 min區(qū)間存在顯著差異(P<0.05)。由于騎行中的腿部運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了對(duì)流散熱，防風(fēng)衣在下肢部位僅有的圍裙式的前片無(wú)法有效在腿部周?chē)纬伸o止空氣層而達(dá)到保暖的效果，腿部皮膚溫度下降至30.0 ℃。而新型防寒服為滿(mǎn)足腳踏騎行的需求，進(jìn)行了褲裝設(shè)計(jì)。與防風(fēng)衣相比，新型防寒服的褲裝對(duì)腿部有較好的保暖效果，騎行過(guò)程中，其腿部皮膚溫度僅下降至32.5 ℃。

3.1.2 保暖性主觀評(píng)價(jià)

圖6示出穿著新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服和現(xiàn)有防風(fēng)衣時(shí)的熱感和熱舒適感。可以看出，2種服裝條件下的熱感和熱舒適感評(píng)價(jià)分值變化趨勢(shì)與平均皮膚溫度基本一致，均在15～40 min區(qū)間存在顯著差異(P<0.05)。在騎行過(guò)程中，穿著防風(fēng)衣的熱感逐漸下降至-2.0(涼)，熱舒適感最終達(dá)到-1.8(接近不舒適)。雖然防風(fēng)衣對(duì)軀干部位有較好的保暖作用，但腿部降溫仍顯著影響了熱感和熱舒適感，由此證明了電動(dòng)自行車(chē)防寒服設(shè)計(jì)中對(duì)腿部保暖的必要性。而穿著新型防寒服的熱感約為-0.6(介于不冷不熱和稍涼之間)，熱舒適感約為-0.9(接近稍不舒適)。由此說(shuō)明，新型電動(dòng)自行車(chē)防寒服對(duì)人體的熱感和熱舒適感均有較好的改善作用。

圖6 保暖性主觀評(píng)價(jià)Fig.6 Subjective evaluation of thermal protection. (a) Thermal sensation; (b) Thermal comfort sensation

3.2 工效性分析

圖7示出受試者穿著新型防寒服和防風(fēng)衣后對(duì)服裝穿脫便捷性和上肢、腿部、軀干靈活性的VAS評(píng)分。參考臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)AS評(píng)分的分級(jí)，本文將評(píng)分分為：0～2分為“差”，3～5分為“一般”，6～8分為“良”，大于8分為“優(yōu)”。由圖8可知：新型防寒服和防風(fēng)衣的穿脫便捷性分別為“一般”和“良”(P=0.16)；上肢靈活性均為“良”(P=0.51)；腿部靈活性分別為“良”和“一般”(P=0.04)；軀干靈活性均為“良” (P=0.28)。由于新型防寒服設(shè)計(jì)了褲裝，所以其穿脫便捷性低于防風(fēng)衣。但褲裝的設(shè)計(jì)顯著增加了腿部的靈活性，且更適合于國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)要求下電動(dòng)自行車(chē)需要腳踏功能的需求。此外，新型防寒服和防風(fēng)衣均有較好的上肢和軀干靈活性。

圖7 工效性VAS評(píng)分Fig.7 VAS scores of ergonomic evaluation

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款新型電動(dòng)自行車(chē)騎行防寒服，通過(guò)真人著裝實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)有防風(fēng)衣對(duì)比，從生理反應(yīng)和主觀感受2個(gè)方面評(píng)價(jià)了服裝的保暖性和工效性，得到以下結(jié)論。

1)新型防寒服的保暖效果優(yōu)于防風(fēng)衣。2款服裝對(duì)軀干均有較好的保暖性，但新型防寒服對(duì)腿部的保暖性顯著高于防風(fēng)衣。

2)穿著新型防寒服時(shí)，人體的主觀熱感和熱舒適感均有顯著改善。

3)穿著新型防寒服和防風(fēng)衣時(shí)，上肢和軀干的活動(dòng)靈活性均較好。新型防寒服由于增加了褲裝，穿脫便捷性低于防風(fēng)衣，但腿部靈活性得到顯著提高。

未來(lái)研究可增加受試者的數(shù)量和人群類(lèi)別，并在實(shí)際環(huán)境條件下評(píng)估防寒服的應(yīng)用可行性，以供進(jìn)一步推廣，為電動(dòng)自行車(chē)騎行防寒服及相關(guān)行業(yè)工作服的設(shè)計(jì)研究提供參考。