張露楊 宋海波 孟晶 石婷婷 盧業(yè)虎

摘 要：為動態(tài)評價被服系統(tǒng)的熱濕舒適性能，采用出汗暖體假人測試系統(tǒng)模擬人體睡眠時代謝產(chǎn)熱，建立了一種表征被服動態(tài)熱濕舒適性的客觀測試方法，測量出汗暖體假人平均皮膚溫度、被內(nèi)溫度、被內(nèi)濕度3個指標(biāo)；并在不同環(huán)境條件下，以不同種類的被子產(chǎn)品為代表，對被服系統(tǒng)的熱濕舒適性進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：睡眠時假人平均皮膚溫度與被子的熱阻密切相關(guān)，同時高溫環(huán)境下被子透氣性對平均皮膚溫度也產(chǎn)生一定的影響；被內(nèi)溫度與假人平均皮膚溫度變化趨勢一致，二者均可以用于評價被服的熱舒適性；被內(nèi)濕度與被子的透氣性、面料結(jié)構(gòu)等有關(guān)；紗布被因其良好的透氣性而在多種環(huán)境條件下具有較好的舒適性。研究結(jié)果提供了評價被服系統(tǒng)熱濕舒適性的有效方法，并為不同睡眠環(huán)境中被子產(chǎn)品的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：被服系統(tǒng)；熱濕舒適性；平均皮膚溫度；被內(nèi)溫度；被內(nèi)濕度

中圖分類號：TS941.75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-265X（2024）05-0097-08

收稿日期：20230922 網(wǎng)絡(luò)出版日期：20231216

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校基礎(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）重大項(xiàng)目（21KJA540004）；蘇州市科技計劃項(xiàng)目（SS202147）

作者簡介：張露楊（1998—），女，山東日照人，碩士研究生，主要從事服裝舒適性方面的研究。

通信作者：盧業(yè)虎，E-mail：yhlu@suda.edu.cn

良好的睡眠是維持人體健康的重要基礎(chǔ)^[1]?，F(xiàn)代社會中，人們的生活節(jié)奏不斷加快，各種睡眠障礙隨之產(chǎn)生，睡眠質(zhì)量問題亟待解決^[2]。熱環(huán)境是影響人們睡眠質(zhì)量的重要因素^[3]，包括外界環(huán)境和被服系統(tǒng)微氣候兩種環(huán)境，其中被服系統(tǒng)微氣候?qū)λ邿崾孢m有更顯著的影響^[4-5]。因此，建立有效的方法對被服系統(tǒng)熱濕舒適性進(jìn)行評價，可以為不同環(huán)境條件下被子的選擇提供科學(xué)依據(jù)，對保障人們的睡眠質(zhì)量具有重要的作用。

目前，被服系統(tǒng)熱濕舒適性的實(shí)驗(yàn)研究主要通過真人生理實(shí)驗(yàn)與被服隔熱性能測試開展^[6]。在真人睡眠生理實(shí)驗(yàn)中，皮膚溫度、皮膚濕潤度^[7]以及心率變異性^[8]等直接測量指標(biāo)均可以反映人體睡眠熱舒適水平。睡姿和壓力等間接測量指標(biāo)也可以用于評價熱舒適性^[9]，雖然這類方法避免了直接測量中因皮膚佩戴傳感器對舒適性評價可能造成的干擾，但也存在準(zhǔn)確性較低的缺陷。另一方面，研究者們通過暖體假人對被服系統(tǒng)熱阻進(jìn)行測試，進(jìn)一步建立被服舒適性預(yù)測模型，通過模型分析被服系統(tǒng)在不同條件下的熱舒適性^[10-11]。借助暖體假人進(jìn)行被服隔熱性能測試，可重復(fù)性較強(qiáng)，避免了真人生理實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的安全問題，但沒有考慮人體代謝產(chǎn)熱等因素，無法直接反映人體在長時間睡眠過程中的舒適性。

本文在現(xiàn)有的被服舒適性實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立一種被服動態(tài)熱濕舒適性的實(shí)驗(yàn)方法，借助出汗暖體假人來模擬人體睡眠狀態(tài)，對假人的皮膚溫度及被服系統(tǒng)內(nèi)微環(huán)境的濕度和溫度進(jìn)行監(jiān)測，并對不同面料的6種被子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對被服系統(tǒng)的動態(tài)熱濕舒適性進(jìn)行評價與比較，探究被子樣品的熱阻、透氣性等參數(shù)對熱濕舒適性指標(biāo)的影響。研究結(jié)果將用于指導(dǎo)不同睡眠環(huán)境中被子產(chǎn)品的選擇，并為被服系統(tǒng)熱濕舒適性的測評提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)和使用季節(jié)等因素，本文選擇紗布被、紗布夾棉被、棉被、蠶絲被、羽絨被和化纖被6種樣品，開展出汗暖體假人睡眠模擬實(shí)驗(yàn)，比較不同環(huán)境下被服系統(tǒng)的動態(tài)熱濕舒適性。樣品的熱阻、面密度和透氣性等參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)流程

采用人工氣候室（日本ESPEC）設(shè)定4種環(huán)境條件，分別模擬夏季空調(diào)房環(huán)境、夏季高溫環(huán)境、冬季暖氣房環(huán)境、季節(jié)交替時夜間溫度變化環(huán)境。4種環(huán)境的具體條件及每種條件下進(jìn)行測試的樣品如表2所示。

待氣候室內(nèi)環(huán)境達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，采用Newton出汗暖體假人（美國西北測試公司）進(jìn)行睡眠實(shí)驗(yàn)。首先，選用1.5 m×2.0 m普通彈簧床墊、聚酯纖維填充枕頭及純棉床單與被套，暖體假人穿著薄棉針織長袖和針織長褲，平躺在床墊上，雙手置于身體兩側(cè)；其次，將MSR145溫濕度傳感器（瑞士MSR）固定至暖體假人前胸外側(cè)、腹部外側(cè)、上臂內(nèi)側(cè)、手部、大腿內(nèi)側(cè)、小腿內(nèi)側(cè)6個位置，使傳感器探頭懸空，不接觸暖體假人，采集被內(nèi)微環(huán)境溫度、濕度，如圖1所示；再次，將被子樣品完全覆蓋假人頭部以下的部分；最后，使用控制軟件ThermDAC設(shè)置暖體假人在恒定功率模式下（40 W/m²）運(yùn)行，保持與人體睡眠的平均代謝率一致?？紤]人體睡眠時皮膚的無感蒸發(fā)散熱，在環(huán)境條件Ⅰ和Ⅲ下，設(shè)置假人出汗率為10 mL/（m²·h），環(huán)境條件Ⅱ和Ⅳ下，設(shè)置假人出汗率為20 mL/（m²·h）。在測試前，將出汗暖體假人各區(qū)段皮膚溫度均平衡至32.5 ℃。

在環(huán)境條件Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中進(jìn)行的試驗(yàn)持續(xù)90 min，在環(huán)境條件Ⅳ中進(jìn)行的試驗(yàn)持續(xù)4 h。通過ThermDAC軟件和MSR145溫濕度傳感器每分鐘分別記錄暖體假人皮膚溫度和被內(nèi)溫度、濕度。

1.3 評價指標(biāo)

1.3.1 平均皮膚溫度

Newton出汗暖體假人身高170 cm，體表面積為1.697 m²，全身34個區(qū)段分布如圖2所示。其中20、23兩個區(qū)段在假人平躺測試狀態(tài)下不運(yùn)行。基于ThermDAC軟件輸出假人剩余32個區(qū)段的皮膚溫度，按每個區(qū)段對應(yīng)的體表面積計算加權(quán)平均值，得到平均皮膚溫度。

1.3.2 被內(nèi)溫濕度

分別計算MSR145溫濕度傳感器在6個位置所采集的溫度和濕度的平均值，得到被內(nèi)溫度和濕度。

2 結(jié)果與討論

2.1 平均皮膚溫度

人體睡眠時保持熱舒適的平均皮膚溫度范圍為32.5～35.7 ℃^[12-13]。不同環(huán)境下平均皮膚溫度隨時間的變化如圖3所示。在夏季空調(diào)房環(huán)境下，平均皮膚溫度隨時間的變化如圖3（a）所示。從圖3（a）中可以看出，在25 ℃夏季空調(diào)房環(huán)境下，不覆蓋任何被子時，假人平均皮膚溫度為31.5 ℃，低于舒適溫度，體感偏涼。使用紗布被和蠶絲被時，在90 min內(nèi)，假人平均皮膚溫度穩(wěn)定在32.7～32.8 ℃之間，略高于舒適溫度的下限，可以獲得涼爽的睡眠舒適性；使用紗布夾棉被時，平均皮膚溫度上升后逐漸穩(wěn)定在33.5 ℃，體感舒適；使用化纖被時假人平均皮膚溫度持續(xù)上升至34.6 ℃，90 min時仍有明顯上升趨勢?？梢?，所覆蓋被子熱阻越大，被服系統(tǒng)對假人與外界環(huán)境之間熱傳遞的阻隔越強(qiáng)，假人平均皮膚溫度越高，與真人睡眠實(shí)驗(yàn)中平均皮膚溫度的變化規(guī)律一致^[14]?？傮w而言，在夏季空調(diào)房環(huán)境中，使用熱阻較低的紗布被、蠶絲被與紗布夾棉被較為適宜。

由圖3（b）可知，在30 ℃夏季高溫環(huán)境下，使用4種被子時假人平均皮膚溫度均持續(xù)增加。在90 min時，使用紗布被時假人平均皮膚溫度最低（34.9 ℃），使用化纖被時假人平均皮膚溫度最高（36.7 ℃）。使用紗布被時，90 min內(nèi)平均皮膚溫度仍然處于舒適溫度范圍內(nèi)，而使用其他被子時，平均皮膚溫度逼近或超出舒適溫度范圍上限，體感較熱?？傮w而言，在夏季高溫環(huán)境下，假人平均皮膚溫度與被子熱阻呈正相關(guān)。紗布被與蠶絲被的熱阻值接近，皮膚溫度卻相差0.7 ℃，與夏季空調(diào)房環(huán)境下的趨勢不同，這主要是由于紗布被具有良好的透氣性，有利于蒸發(fā)散熱，從而降低了假人平均皮膚溫度。因此，在夏季高溫環(huán)境中，使用熱阻較低且透氣性較好的紗布被最為合適。

在冬季暖氣房中，平均皮膚溫度隨時間的變化如圖3（c）所示。由圖3（c）可以看出，在20 ℃冬季暖氣房環(huán)境下，使用化纖被和棉被時，平均皮膚溫度逐漸下降并穩(wěn)定在31.6 ℃，體感微涼；使用羽絨被和紗布夾棉被時，平均皮膚溫度持續(xù)下降，最終皮膚溫度分別為30.8 ℃和30.5 ℃，人體將產(chǎn)生冷感。相對而言，熱阻較高的化纖被和棉被在冬季暖氣房環(huán)境中使用較為合適。

從圖3（d）中可以看出，在溫度逐漸下降的動態(tài)環(huán)境下，使用紗布被、蠶絲被、紗布夾棉被、化纖被時假人平均皮膚溫度先上升后逐漸下降，最終溫度分別為29.5、30.8、31.6、32.7 ℃。使用4種被子時，假人的平均皮膚溫度與4種被子熱阻值的大小規(guī)律一致，可知溫度較低時人體的平均皮膚溫度與被子的熱阻緊密相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度降低至20 ℃時，僅當(dāng)使用化纖被時，假人的平均皮膚溫度高于舒適溫度下限，仍處于舒適范圍；使用紗布夾棉被時，人體平均皮膚溫度略低于舒適溫度，體感偏涼；使用蠶絲被和紗布被時，人體平均皮膚溫度低于31 ℃，體感較冷。此外，平均皮膚溫度開始下降的先后排序?yàn)椋夯w被、紗布夾棉被、蠶絲被、紗布被（后兩者基本相同）。當(dāng)環(huán)境溫度由26 ℃降至24 ℃過程中，使用紗布被時的平均皮膚溫度下降至32.5 ℃以下；而當(dāng)環(huán)境溫度由24 ℃降低至22 ℃時，使用蠶絲被時的平均皮膚溫度下降至32.5 ℃以下；當(dāng)環(huán)境溫度由22 ℃降低至20 ℃時，使用紗布夾棉被時的平均皮膚溫度下降至32.5 ℃以下。由此可見，在溫度逐漸下降的環(huán)境中，使用保暖性能較好的化纖被最為合適。

2.2 被內(nèi)溫度

不同環(huán)境下被內(nèi)溫度隨時間的變化如圖4所示。在夏季空調(diào)房環(huán)境下，被內(nèi)溫度隨時間的變化如圖4（a）所示。由圖4（a）可知，在25 ℃夏季空調(diào)房環(huán)境下，不覆蓋任何被子時，被服系統(tǒng)微環(huán)境溫度為26.8 ℃左右。使用紗布被、紗布夾棉被、蠶絲被和化纖被時的被內(nèi)溫度分別為32.1、32.6、31.5 ℃和33.6 ℃，與平均皮膚溫度的變化趨勢基本一致，二者的溫度差異為0.7～1.2 ℃。

夏季高溫時，被內(nèi)溫度隨時間的變化如圖4（b）所示。從圖4（b）中可以看出，在30℃夏季高溫環(huán)境下，紗布被、蠶絲被、紗布夾棉被、化纖被的被內(nèi)平均溫度分別為34.4、35.2、35.3、36.0 ℃，與平均皮膚溫度差異為0.4～0.7 ℃，被內(nèi)溫度和平均皮膚溫度的變化趨勢類似。值得注意的是，在夏季高溫環(huán)境下，在實(shí)驗(yàn)初期，因人體與環(huán)境溫差僅為2.5 ℃，被子干態(tài)散熱占比較小，而蒸發(fā)散熱成為最主要的散熱方式，由于紗布被具有良好的透氣性能，有利于汗液蒸發(fā)散熱，平均皮膚溫度和被內(nèi)溫度均比蠶絲被低，使得紗布被比蠶絲被表現(xiàn)出更好的熱濕舒適性。

蠶絲被熱阻雖然明顯低于紗布夾棉被，但二者平均皮膚溫度和被內(nèi)溫度的差異很小，這也與紗布夾棉被具有較好的透氣性有關(guān)。

在冬季暖氣房中，被內(nèi)溫度隨時間的變化如圖4（c）所示。夏季高溫時由圖4（c）可以看出，在20 ℃冬季暖氣房環(huán)境下，羽絨被、紗布夾棉被、棉被、化纖被的被內(nèi)平均溫度分別為29.7、29.5、30.2、30.4 ℃，與平均皮膚溫度差異為1.0～1.4 ℃，該差值較之夏季空調(diào)房和夏季高溫環(huán)境有所上升，可見環(huán)境溫度越低，平均皮膚溫度與被內(nèi)溫度的差值越大。

季節(jié)交替變化時，被內(nèi)溫度隨時間的變化如圖4（d）所示。由圖4（d）可知，在溫度逐漸下降的動態(tài)環(huán)境下，平均皮膚溫度和被內(nèi)溫度的變化趨勢同樣具有非常好的一致性，使用紗布被、蠶絲被、紗布夾棉被、化纖被4種被子時，被內(nèi)溫度先上升后逐漸下降，最終溫度分別為28.4、29.6、30.0、31.6 ℃，與平均皮膚溫度的差值為1.1～1.6 ℃，與冬季暖氣房條件下的差值接近。

2.3 被內(nèi)濕度

人體感到舒適的微氣候相對濕度范圍為（50±10）%^[15]。圖5示出不同環(huán)境下被內(nèi)濕度隨時間的變化。夏季空調(diào)房中，被內(nèi)濕度隨時間的變化如圖5（a）所示。由圖5（a）可知，在25 ℃夏季空調(diào)房環(huán)境下，使用紗布被時被內(nèi)濕度為58.1%，蠶絲被、紗布夾棉被和化纖被的被內(nèi)濕度分別為60.3%、60.1%、62.5%，均在舒適范圍附近。相較而言，紗布被和紗布夾棉被的被內(nèi)濕度低，化纖被的被內(nèi)濕度較高，這與被子的透氣性有關(guān)。

夏季高溫時，被內(nèi)濕度隨時間的變化如圖5（b）所示。由圖5（b）可知，在30 ℃夏季高溫環(huán)境下，被內(nèi)相對濕度為74.1%～78.8%，均超出舒適范圍，即在夏季高溫高濕環(huán)境下，覆蓋幾種被子樣品時人體產(chǎn)生的汗液不能及時散發(fā)至環(huán)境中。

由圖5（c）可知，在20 ℃冬季暖氣房環(huán)境下，羽絨被、紗布夾棉被、棉被、化纖被的被內(nèi)濕度分別為57.2%、46.5%、59.5%、56.0%，紗布夾棉被具有良好的透氣性，被內(nèi)濕度最低；羽絨被熱阻低于化纖被，但受其面料防鉆絨處理的影響，被內(nèi)濕度較高；棉被具有致密的組織結(jié)構(gòu)，相對濕度偏高，但整體均在舒適范圍內(nèi)?？傮w來說，在冬季暖氣房內(nèi)，被子的熱濕舒適性與其熱阻呈正相關(guān)，紗布夾棉被透氣性較好，有利于濕氣散熱，不會在被內(nèi)集聚，而其他被子長期使用會導(dǎo)致濕氣集聚在被內(nèi)，影響被子的保暖效果。

季節(jié)交替變化時，被內(nèi)濕度隨時間的變化如圖5（d）所示。從圖5（d）中可以看出：在溫度逐漸下降的動態(tài)環(huán)境下，使用紗布被、蠶絲被、紗布夾棉被和化纖被時的被內(nèi)濕度逐漸上升，化纖被的起始和最終濕度最高，達(dá)到70%；而紗布被、蠶絲被、紗布夾棉被的濕度相近，分別為65.5%、66.7%、66.8%，即所有被子的被內(nèi)濕度均超過舒適范圍，其中透氣性較好的紗布被內(nèi)濕度低于其他幾種被子樣品。

3 結(jié)論

本文建立了一種通過出汗暖體假人對被服系統(tǒng)熱濕舒適性進(jìn)行測評的實(shí)驗(yàn)方法，并以6種被子產(chǎn)品為代表，對被服系統(tǒng)的動態(tài)熱濕舒適性進(jìn)行評價，得到以下結(jié)論：

a）假人平均皮膚溫度與所覆蓋被子的熱阻密切相關(guān)，同時受到被子透氣性的影響。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，被子熱阻越大，使用時人體平均皮膚溫度越高。

b）在相同環(huán)境條件下，使用某種被子時的被內(nèi)溫度與假人平均皮膚溫度變化趨勢一致，環(huán)境溫度越低，二者的差值越大。兩個指標(biāo)均可以用于反映被子的熱舒適性。

c）在不同環(huán)境條件下，使用某種被子時的被內(nèi)濕度與被子的透氣性、面料結(jié)構(gòu)等有關(guān)。使用透氣性較好的被子時，被內(nèi)濕度較低。

d）被服系統(tǒng)的熱濕舒適性可根據(jù)平均皮膚溫度、被內(nèi)溫度、被內(nèi)濕度進(jìn)行評價，所述指標(biāo)與被子的熱阻、透氣性均相關(guān)。為使人體保持良好的熱濕舒適性，在25 ℃夏季空調(diào)房環(huán)境下，應(yīng)使用熱阻較低的被子產(chǎn)品；在30 ℃夏季高溫環(huán)境下，應(yīng)使用熱阻低、透氣性較好的被子產(chǎn)品，有利于被服系統(tǒng)蒸發(fā)散熱；在20 ℃冬季暖氣房環(huán)境和溫度逐漸下降的動態(tài)環(huán)境中，應(yīng)使用熱阻高的被子產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)良好的保暖效果。透氣性較好的紗布被具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，在多種環(huán)境條件下表現(xiàn)出較好的舒適性。

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Dynamic thermal and moisture comfort of the bedding system in different conditions

ZHANG? Luyang¹，? SONG? Haibo²，? MENG? Jing¹，? SHI? Tingting²，? LU? Yehu¹

（1.College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215006， China; 2.Shenzhen Purcotton Technology Co.， Ltd.， Shenzhen 518110， China）

Abstract： ?Thermal environment is an important factor affecting people's sleep quality， including the external environment and microclimate of the bedding system. Among them， the microclimate of the bedding system has a more significant impact on sleep thermal comfort. In order to evaluate thermal and moisture comfort of quilts， a subjective evaluation method by sweating thermal manikin was developed. A subjective evaluation method based on the metabolic heat production sweating of a thermal manikin was established. There are six quilt samples in different materials. The newly developed evaluation method was used to evaluating these samples in four environmental conditions constructed by climate chamber. Three indices including sweating thermal manikins' mean skin temperature， internal air temperature and relative humidity of quilts' microclimate were measured. The comfort property of quilt samples in different conditions was analyzed and compared.

The thermal manikin's mean skin temperature changed over time. The thermal manikin's mean skin temperature was within comfortable range when covered by all four types of quilts in summer air-conditioned room. At the end of the test， the thermal manikin's mean skin temperature was steady when it was covered by gauze quilts， silk quilts and padded gauze quilts， indicating that these three types of quilts were more appropriate for this environmental condition. Under the condition of summer high temperature， the thermal manikin's mean skin temperature was within a comfortable range only when it was covered by gauze quilts. In winter heated room， the mean skin temperature was comfortable when it was covered by cotton quilts and chemical fiber quilts， ending up in 31.6 ℃. The chemical fiber quilt was the most suitable one for season alternating condition. It was also found that the thermal manikin's mean skin temperature was higher when it was covered by quilt samples of higher thermal insulation. As for internal air temperature of quilts' microclimate， its change trend was similar to that of the thermal manikin's mean skin temperature. The value difference between internal air temperature of quilts' microclimate and the thermal manikin's mean skin temperature was bigger environmental temperature was lower. The internal relative humidity of quilts' microclimate also changed over time. It was around comfortable range for all samples in summer air-conditioned room and winter heated room， and out of comfortable range in summer high-temperature condition and seasons alternating condition. Under all of the four test environmental conditions， internal relative humidity of quilts' microclimate is lowest when the thermal manikin was covered by gauze quilt， which was related to air permeability of quilt samples.

The sweating thermal manikin's mean skin temperature during sleep varies with different quilts samples and environmental conditions. It is closely related to the thermal insulation of quilts and also affected by the air permeability of quilts under a high temperature condition. The change trend between internal air temperature of quilts' microclimate and the thermal manikin's mean skin temperature is similar in same condition， demonstrating that both indices can characterize thermal property of quilts. Internal relative humidity of quilts' microclimate is relative to air permeability and fabric structure. The thermal and moisture comfort of quilts is related to their thermal insulation and air permeability. Gauze quilts perform good thermal and moisture comfort property in several conditions because of their good air permeability.

Keywords： bedding system; thermal and moisture comfort; mean skin temperature; internal temperature of quilts' microclimate; internal relative humidity of quilts' microclimate