張文歡， 錢(qián)曉明， 范金土，2， 牛 麗， 師云龍

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 美國(guó)康奈爾大學(xué) 纖維科學(xué)與服裝設(shè)計(jì)系， 紐約 14850)

人體散熱主要分為對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射、蒸發(fā)4種方式，蒸發(fā)散熱分為可感知和不可感知散熱2種方式?？筛兄嵋燥@汗的形式呈現(xiàn)，主要發(fā)生在高溫或人體活動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)；不可感知散熱由非顯汗的蒸發(fā)引起并隨時(shí)都在進(jìn)行[1-4]。不同部位的汗液產(chǎn)生量與人體熱交換、服裝覆蓋率、環(huán)境及肢體運(yùn)動(dòng)具有較大關(guān)系，對(duì)人體熱生理學(xué)模型的建立具有重要的意義[5-7]。目前，人體非顯性出汗的測(cè)量也是醫(yī)學(xué)界較為關(guān)注的問(wèn)題之一。已有研究集中在裸態(tài)人體在高強(qiáng)度或者高溫環(huán)境下人體總汗液產(chǎn)生量方面：Weiner[8]探究發(fā)現(xiàn)背部比腹部的出汗率更低，上胸部表現(xiàn)出最高值，而且在接近臀部部位出汗率降低，腋下也表現(xiàn)出較低值；Machado-Moreira[9]等利用通氣汗囊法針對(duì)(36 ℃：60%)裸態(tài)人體軀干部位(上背、下背、肩、胸、腹、腋下)在不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的顯性出汗率進(jìn)行測(cè)量，與前者的結(jié)論有所不同，該實(shí)驗(yàn)計(jì)算不同生理指標(biāo)的結(jié)果時(shí)分別選取10、9、3、2個(gè)樣本進(jìn)行計(jì)算；Smith等[10]研究了9名運(yùn)動(dòng)員在中等運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下各部位的總出汗率，并且Havenith等[11]針對(duì)9名男子和9名女子之間的差異進(jìn)行詳細(xì)探究；Lee等[12]對(duì)亞洲人和韓國(guó)人之間的出汗區(qū)別的探討顯示，韓國(guó)人整體的出汗率比其他亞洲人多，但是二者都是在背部出汗率最高，大腿的出汗率最少。除此之外，文獻(xiàn)[13-15]等探究了人體的頭部、手部和胳膊的局部顯性出汗率。目前為止，關(guān)于局部非顯性出汗率的詳細(xì)研究非常少，對(duì)于非顯性出汗率的研究也集中全身或個(gè)別部位的出汗率數(shù)值的探討，尤其是著裝人體局部非顯性出汗率。Reither等[16]在環(huán)境溫度為21～25 ℃和相對(duì)濕度為45%～60%情況下，對(duì)人體進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果顯示為600～900 g。Thiele等[17]測(cè)試結(jié)果顯示在21～32 ℃，相對(duì)濕度為50%環(huán)境下人體前臂和手掌的非顯性出汗率分別為3～25 μg/(min·cm2)。李標(biāo)等[2-3]在溫度為22～25 ℃、步行速度為0、0.68、1.35 m/s的情況下，對(duì)人體手部、前臂、前胸和后背的非顯性出汗率進(jìn)行測(cè)量。但是現(xiàn)有研究并沒(méi)有對(duì)人體全身進(jìn)行詳細(xì)的劃分，對(duì)不同部位的出汗率之間的比例關(guān)系的研究缺少詳細(xì)報(bào)道。

本文研究以改進(jìn)皮膚水分蒸發(fā)測(cè)量?jī)x為基礎(chǔ)，擬采用通氣汗囊法測(cè)量人體在低溫(環(huán)境溫度 為13 ℃、相對(duì)濕度為35%)坐、站立、低速行走(2 km/h，模擬人體走路速度)3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各部位非顯性出汗率，并對(duì)基于各部位與出汗最高出汗率部位(腰部)的比值關(guān)系進(jìn)行研究，為評(píng)價(jià)局部服裝熱濕舒適性以及暖體假人的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

圖1示出SKN-2000型皮膚水分蒸發(fā)測(cè)量?jī)x(NISHIZAWA ELECTRIC METERS MANUFAC-TURING CO., LTD)示意圖。測(cè)量?jī)x量程為0～4 mg/(min·m2)，精度為10%。整套服裝的總體熱阻和濕阻采用站立式出汗暖體假人“Walter”測(cè)量。

圖1 皮膚水分蒸發(fā)測(cè)量?jī)xFig.1 Ventilation capsule system flux compensation type perspiration meter

1.2 實(shí)驗(yàn)人員與服裝

人員選擇年齡為22～25歲、身高為(174±3) cm、體重為(70±2) kg、身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為 20～24的中國(guó)成年健康男性。本文實(shí)驗(yàn)首先選擇8名受試者進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，選擇非顯性出汗率接近且較為一致的個(gè)體作為最終樣本。

本實(shí)驗(yàn)選取的服裝包括規(guī)格為175/96 A的短款合體薄型羽絨服(含絨量90%)、純棉內(nèi)衣和運(yùn)動(dòng)褲。服裝的主要規(guī)格參數(shù)及基本性能如表1所示。

表1 服裝基本性能Tab.1 Basic performance of clothing

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模耗M天津初冬時(shí)節(jié)，測(cè)定著裝人體局部非顯性出汗率，探究著裝人體局部非顯性出汗率之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：環(huán)境溫度為13 ℃、相對(duì)濕度為35%。

實(shí)驗(yàn)方法：本文實(shí)驗(yàn)采用通氣汗囊法，該方法通過(guò)測(cè)定氣流流經(jīng)測(cè)量腔之前和之后的濕度，得到濕度變化來(lái)計(jì)算皮膚水分蒸發(fā)速度。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)定：本文實(shí)驗(yàn)中受試者首先在控制室內(nèi)靜坐30 min，使得人體達(dá)到穩(wěn)定統(tǒng)一的狀態(tài)，排除測(cè)量前活動(dòng)帶來(lái)的干擾。測(cè)試中，靜坐20 min，站立20 min，行走20 min。行走速度的確定以安全為第一宗旨并結(jié)合人體皮膚表面不出現(xiàn)顯汗這一準(zhǔn)則進(jìn)行確立，最終確定為跑步機(jī)速度2 km/h。

1.4 誤差分析與空白實(shí)驗(yàn)測(cè)定

測(cè)量之前首先對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的精度進(jìn)行校準(zhǔn)，將空白實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)值。首先開(kāi)機(jī)預(yù)熱約10 min，將測(cè)量腔腔口朝下放好，數(shù)十秒后，待顯示值穩(wěn)定，按開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)零，確保測(cè)量腔支架無(wú)汗水和濕氣附著，與外界環(huán)境之間無(wú)氣流交換。對(duì)空白實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終將測(cè)量曲線總結(jié)為 2種變化趨勢(shì)：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)。將實(shí)驗(yàn)誤差情況總結(jié)為2種：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)，為后期實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1.5 非顯性出汗率測(cè)定

采用皮膚水分蒸發(fā)測(cè)量?jī)x，在相同測(cè)試條件下測(cè)量4名受試人員在左半個(gè)身體區(qū)域內(nèi)背、腰、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂10個(gè)部位的出汗率，為避免誤差，測(cè)量部位事先確定并進(jìn)行標(biāo)注，在人體表面固定測(cè)量腔前，先用干布或紙巾時(shí)擦干汗液測(cè)定部位的汗水和水分。固定至測(cè)定部件后，再用醫(yī)用膠帶固定，避免測(cè)定部位與測(cè)量腔間有間隙影響測(cè)量精度。測(cè)試項(xiàng)目選擇在每天同一時(shí)間進(jìn)行，減小人體自身變化對(duì)結(jié)果的影響。測(cè)量前每人攝入等量水分(200 mL)。

1.6 總出汗率確定

將局部出汗率進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到人體整體出汗率，并對(duì)相同溫度、不同狀態(tài)和不同溫度、相同狀態(tài)的總出汗率進(jìn)行比較。其計(jì)算公式為：

式中：Q為總出汗率；Qi為i部位的出汗率測(cè)量值；其中頭部不屬于服裝覆蓋范圍，不加入計(jì)算。

1.7 相對(duì)出汗率比確定

在每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均以出汗率最高的部位作為基礎(chǔ)值，以最高部位出汗率與其他部位的比值表示該部位的相對(duì)出汗率水平。

2 結(jié)果與討論

2.1 設(shè)備誤差分析

2.1.1穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)誤差

圖2示出穩(wěn)定狀態(tài)誤差，各探頭并無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，4個(gè)探頭在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)測(cè)量值均保持穩(wěn)定，上下波動(dòng)的幅度一致，呈現(xiàn)近似正弦曲線狀，對(duì)于此類(lèi)情況中，模擬曲線取其中出現(xiàn)次數(shù)最多的點(diǎn)的平均值作為此次實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的基礎(chǔ)值。y1、y2、y3、y4分別為穩(wěn)定狀態(tài)下1、2、3、4號(hào)探頭的出汗率：

y1=-0.003 4 mg/(min·cm2)

y2=-0.009 8 mg/(min·cm2)

y3=-0.010 5 mg/(min·cm2)

y4=-0.001 9 mg/(min·cm2)

圖2 穩(wěn)定狀態(tài)誤差Fig.2 Error in steady state.(a)Probe 1; (b)Probe 2;(c)Probe 3;(d)Probe 4

2.1.2非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)誤差

第2種非穩(wěn)態(tài)情況表現(xiàn)為探頭的測(cè)量值出現(xiàn)較大幅度的變化與偏差，急速下降，如圖3所示。結(jié)果顯示，在開(kāi)始階段，1和3號(hào)探頭處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但是隨著時(shí)間的推移，出汗率開(kāi)始發(fā)生極大的偏差，迅速降低，對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到隨著時(shí)間的推移出汗率的具體變化曲線，擬合方程分別如下：

圖3 非穩(wěn)定狀態(tài)誤差圖Fig.3 Error in non-stable state.(a)Probe 1;(b)Probe 2;(c)Probe 3;(d)Probe 4

2.2 出汗率分析

2.2.1不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的出汗率

按照數(shù)據(jù)篩選的標(biāo)準(zhǔn)，最終選擇變化均勻且較為一致的4位受試者的結(jié)果作為最終結(jié)果。在 13 ℃不同活動(dòng)狀態(tài)(坐、站立、低速行走2 km/h)的局部出汗率均值結(jié)果如圖4所示。

注：1—背；2—腰；3—胸；4—腹；5—臀；6—大腿前；7—大腿后；8—小腿；9—上臂；10—下臂。圖4 不同狀態(tài)人體局部出汗率Fig.4 Local sweat rate in different states

從圖中可看出，在測(cè)量的3種狀態(tài)下，各部位的局部出汗率比隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化也有所不同，坐姿狀態(tài)結(jié)果為0.017～0.042 mg/(min·cm2)，站立狀態(tài)結(jié)果為0.017～0.048 mg/(min·cm2)，行走狀態(tài)結(jié)果為0.014～0.053 mg/(min·cm2)，這與前人的研究結(jié)果非顯性出汗率0.2～0.7 mg/(min·cm2)具有較高的一致性。在背部、胸部從坐姿到站立狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，2個(gè)部位的出汗率減少，但是其他部位都呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于人體坐姿狀態(tài)和站立狀態(tài)的服裝的表面積發(fā)生改變，這在一定程度導(dǎo)致熱流量的變化；另外，坐姿狀態(tài)的凳子增加了部分熱阻，使得人體散熱熱流減少；行走狀態(tài)下，上半身表現(xiàn)出較高的出汗率，但是部分部位的出汗率低于站立狀態(tài)，尤其是下半身和活動(dòng)的手臂，這是由于在低溫下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，四肢活動(dòng)與外界產(chǎn)生較強(qiáng)的熱對(duì)流，蒸發(fā)帶走的熱量減少并且低溫氣流由服裝的間隙進(jìn)入微環(huán)境，增加了對(duì)流傳熱傳濕，皮膚溫度下降，出汗率也會(huì)隨之下降。

對(duì)3種狀態(tài)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)分析，結(jié)果顯示，同部位的出汗率在不同狀態(tài)下無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)，只有極個(gè)別部位(大腿前和上臂)在靜止?fàn)顟B(tài)(坐、站)下存在顯著差異。(大腿前和大腿后對(duì)比P=0.026；下臂坐姿和站立狀態(tài)對(duì)比P=0.017)，CV值在10%～36%之間，可見(jiàn)不同活動(dòng)狀態(tài)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生顯著影響。

2.2.2總出汗率

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境溫度對(duì)人體出汗率的影響，將局部值按照面積公式進(jìn)行加權(quán)求平均，得到總出汗率，如表2所示。

表2 不同狀態(tài)人體總出汗率Tab.2 Total sweat rate in different states

從表2可以看出，隨著人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，人體的總出汗率逐漸增加，站立狀態(tài)要比坐姿的總出汗率高出6.99%，行走狀態(tài)要比坐姿高出8.56%。但在3種狀態(tài)下相對(duì)出汗率的P>0.05，CV值為4.33%<5%，說(shuō)明3種低變化的活動(dòng)狀態(tài)的總出汗率無(wú)顯著差異。結(jié)合局部結(jié)果說(shuō)明，人體個(gè)別部位非顯性出汗率受到活動(dòng)狀態(tài)的影響，但是在合理活動(dòng)范圍之內(nèi)，著裝舒適人體皮膚表面的總非顯性出汗率是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果。

2.2.3相對(duì)出汗率比關(guān)系

人體在3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)出汗率比均值如圖5所示。

圖5 不同狀態(tài)相對(duì)出汗率比Fig.5 Ratio of local sweating rate in different states

由圖5可知，在相同的狀態(tài)下，各部位比值之間呈現(xiàn)相對(duì)一致的變化規(guī)律，但是每種狀態(tài)間具有一定差異。對(duì)3種狀態(tài)下的出汗率比均值按照背坐—背站、背坐—背走、背站—背走、……、下臂站—下臂走的規(guī)律進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，局部部位(腹部、臀部、大腿前、小腿、上臂、下臂)在3種活動(dòng)狀態(tài)下沒(méi)有明顯差異(P>0.05)，但其他部位在3種狀態(tài)下與背部的比值之間具有顯著差異(P<0.05)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)相對(duì)出汗率比產(chǎn)生顯著影響。為進(jìn)一步分析3種狀態(tài)之間的出汗比，分別將3種狀態(tài)進(jìn)行歸納得到：坐姿狀態(tài)下背、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂與腰部的比值分別是0.88、0.91、0.79、0.61、0.56、0.80、0.30、0.58、0.60；站立狀態(tài)下背、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂與腰部的比值分別是0.61、0.59、0.75、0.68、0.68、0.62、0.34、0.59、0.82；行走狀態(tài)下背、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂與腰部的比值分別是0.74、0.74、0.63、0.58、0.59、0.53、0.26、0.61、0.58。

圖6 不同狀態(tài)配對(duì)t檢驗(yàn)的P值Fig.6 P value of paired t test in different states

3 結(jié) 論

1)目前皮膚蒸發(fā)測(cè)量?jī)x精度較低，針對(duì)此特點(diǎn)模擬2種不同測(cè)試差異性分別建立模型，改進(jìn)測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

2)坐姿狀態(tài)下的人體各部位的局部非顯性出汗率在0.017～0.042 mg/(min·cm2)，站立狀態(tài)的出汗率為0.017～0.048 mg/(min·cm2)，行走狀態(tài)的出汗率為0.014～0.053 mg/(min·cm2)。比較3種狀態(tài)下相同部位的非顯性出汗率，雖然有所變化，但是從3種狀態(tài)下的配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)局部非顯性出汗率沒(méi)有顯著影響。

3)從3種狀態(tài)對(duì)總出汗率的結(jié)果來(lái)看，隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，出汗率越來(lái)越大，但是配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示三者之間沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明人體在一定溫度下著合適的服裝非顯性出汗率為相對(duì)固定的值。

4)從3種狀態(tài)對(duì)出汗率比的配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，3種狀態(tài)之間具有顯著差異。

后續(xù)研究中將會(huì)對(duì)不同測(cè)試條件下著舒適服裝的人體的非顯性出汗率情況進(jìn)行有效的聚類(lèi)分析，將各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與測(cè)試環(huán)境之間的具體比例進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)，進(jìn)一步為暖體假人的皮膚設(shè)計(jì)作出指導(dǎo)。

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