サイズの異なる衣服が人体温熱環境に与える影響
The effects of different sized garment on human thermal environment
○安藤竜之介（豊橋技術科学大学） 正 会 員 島崎 康弘（豊橋技術科学大学） 1. はじめに 近年，地球温暖化，ヒートアイランド現象な どの温熱環境悪化が顕著である．特にその影響 として夏季の建設現場の屋外の作業員の熱中症 による死傷者数が増加している 1)．我々が安全 で快適な就業，生活を送る為の 暑熱環境の対策， 予防は不可欠であるといえる．その一環として 現在，建設現場では，ファン付きの衣服の衣服 内クーリング効果が調査されるなど，衣服内空 気の働きによる人体の冷却効果が注目されてい る 2)．人体温熱環境は環境側の温度，湿度，ふ く射，気流と人体側の代謝量，着衣量の温熱環 境6 要素によって複合的に決定される．その中 でも着衣量は唯一，我々の手によって調節でき る要素であることからも，快適な温熱環境創出 に着衣量が重要であること が分かる．そこで本 研究では，夏季屋外においてサイズの異なる衣 服( 衣 服 内 空 気 層 大 =Loose ， 衣 服 内 空 気 層 小 =Tight)が 人 体 温 熱 環 境 に 与 え る 影 響 を 調 査 す るために被験者実験を行う． 2. 評価方法 2.1. 潜熱損失 Loose と Tight の衣服を着用することによる 人体からの発汗蒸発による熱損失 の違いを調査 することを目的に，潜熱損失を算出する．潜熱 損失量 E [W/m2]は式(1)から求める． 𝐸 = 2430 × 𝑆𝑊 𝐴 × 𝑡 × 1000 (1) ここで，2430 は 30 C の水の蒸発潜熱 [kJ/kg]， SW は実験前後の被験者の体重減少量 [kg]，t は， 実験時間 [s]である．A は，被験者の人体表面積 [m2]である．人体表面積は Dubois の式(2)から算 出する． 𝐴 = 𝑊0.425× 𝐻0.725× 0.007184 (2) ここで，W は体重[kg]，H は身長[m]を表す． 2.2. 顕熱損失 Loose と Tight の衣服を着用することによる 顕熱損失の違いを調査することを目的に対流に よる熱損失を算出する．顕 熱損失量は，式(3)か ら算出する． 𝐶 = ℎ(𝑇sk− 𝑇Air) (3) こ こで ，h は人体の対流熱伝達率 [W/(m2K)]， Tskは，平均皮膚温度 [℃]，TAirは，衣服内の空 気 温 度 [℃]を 表 す ． 平 均 皮 膚 温 度 は ， Hardy-Dubois の 7 点法に基づいて式(4)から算出する．
𝑇sk= 0.07𝑇head+ 0.14𝑇arm+ 0.05𝑇hand
+0.35𝑇abdomen+ 0.19𝑇thigh+ 0.13𝑇leg+ 0.07𝑇foot (4)
ここで，Theadは，額の温度 [℃]，Tarmは，上腕 の温度 [℃]，Thandは，手甲の温度 [℃]，Tabdomen は，腹の温度 [℃]，Tthighは，上腿の温度 [℃]， Tleg は，下腿の温度 [℃]，Tfoot は，足甲の温度 [℃]を表す． 2.3. 対流熱伝達率 顕熱損失を算出するために，衣服内の対流熱 伝達率を以下の手順で算出する．Fig. 1 のよう に人体と衣服を模擬し，人体と，衣服の熱流束 を適切に表現することができる 垂直平板の自然 対流のヌセルト数を用いて 対流熱伝達率を算出 する．ヌセルト数の関係を式(5)で表す3)． 𝑁𝑢 = 𝑅𝑎 {24(1+𝑅)}0.5(1−𝑒𝑥𝑝(−𝐾(1+𝑅) 3 4)𝑅𝑎𝑛)=ℎ 𝑆 𝜆 (5) ここで，Ra は，衣服内空気のレイリー数を表し， 空気調和・衛生工学会中部支部 学術研究発表会論文集 第22号 2021年3月 －81－
R は人体からの熱流束 qw [W/m2]と衣服からの 熱流束 Rqw [W/m2]の比を表す．qwは人体の代謝 量を表し，Rqwは，長波，短波それぞれ に対して 衣服の性能を加味し求めた衣服からの熱流束の 値である．平板間の流体を空気とするときは， K と n は 2.84，-0.6 を与える．S は代表長さで あ る衣 服内空 気層厚 さ [m]，λ は衣服内空気の 熱 伝 導 率 [W/(mK)]を 表 す ． 上 半 身 着 衣 無 し の 時は，風速を用いて式(6)によって算出する． ℎ = 3.6 + 6.97 × 𝑣0.89 (6) ここで v は風速 [m/s]を表す． 2.4. 衣服内空気層厚さ 対流熱伝達率を算出するために， 衣服内空気 層厚さ定義する．衣服着用時の衣服内空気層厚 さをFig. 2 のように人体と衣服を円筒に模擬し， 衣 服 と 人 体 の 隙 間 厚 さ を 衣 服 内 空 気 層 厚 さ と + した．それぞれの円筒の周径は，人体の胴囲， 衣服の胴囲とする． 3. 被験者実験 3.1. 被験者実験概要 被験者は，健康な 20 代の男性 9 人を対象と した．実験時の被験者の身長，体重，年齢の平 均±標準偏差はそれぞれ，1.69±0.11 m，64.1± 11.3 kg，22.5±0.9 yr である．上半身は上述のサ イズの異なる衣服を着用し，下半身は 同一の白 スパッツで統一する．そして衣服着用による人 体温熱改善効果の検討を目的に，上半身着衣無 しの被験者も用意し実験を行 う．被験者は，50 分間屋外環境に暴露させる．実験時間は，30 分 間とし，厚生労働省で「歩行」と設定される， 81 m/min で歩行する．実験前の 10 分と実験終 了後の 10 分は経過観察のため直立安静とする． 直 立 時 に は 被 験 者 は 太 陽 に 正 対 す る ． 実 験 は 2020 年 8 月 23 日～9 月 1 日の期間に豊橋技術 科学大学構内にて実施 した．被験者の Loose， Tight そ れ ぞ れ の衣 服着 用 時 の衣 服 内空 気 層厚 さをTable 1 に被験者実験の様子を Fig. 3 にそ れぞれ示す． 3.2. 測定項目 3.2.1. 人体測定項目 人体側の測定項目を Table 2 に示す．皮膚温の 測定点は，頭，腹，上腕，手甲，大腿，下脚， 足甲の 7 点であり深部温度の直腸温度も加えた 計 8 点をサーミスタで計測する．サーミスタは 皮膚ではサージカルテープで貼り付け，温度ロ ガーで 1 分間隔で計測する．心拍数は胸部に心 拍計を取り付け，1 分間隔で計測する．総発汗 量は，実験前後の被験者の体重変化量 から，上 下着衣の吸収分の重量変化を除いて算出する．
Fig. 1 Geometry for natural convection in vertical parallel plates
Fig. 2 Cylindrical model for body and clothing Table 1 Average air layer thickness
Fig. 3 Experiments situation Air layer thickness, S [m] Loose
Tight
0.024±0.008 0.005±0.004
異 な る サ イ ズ の 衣 服 を 着 用 す る こ と で 変 わ ると考えられる衣服内環境 の調査を目的として， 衣服内空気温度，衣服内空気湿度，衣服内気圧， 衣服温度の計測を行う．衣服内空気温度，衣服 内空気湿度は Sensirion SHT-35 センサモジュ ールを用いて計測する．衣服温度はサーミスタ を用いて計測する．着衣時対流熱伝達率の算出 のため，衣服内空気温度を衣服内上部1 点，下 部 1 点を前面で合計 2 点を計測し，2 点の平均 値を式(3)における TAirとする．衣服温度を衣服 の首元から25 cm 下の位置で前後 2 点の計測を 行った． 3.2.2. 環境側測定項目 Table 3 に 環 境 側 の 測定 項 目 を 示 す ． 温 度 は Pt-100， 湿度は 静電 容量 式湿 度セン サー を用い て計測する．日射および，長波の測定は長短波 放射計を用いる．人体が受けるふく射 量を 6 方 向で計測するため，上下方向，南北方向，東西 方向の計測を行う．放射温度はグローブ温度を 用いて，風速は 3D 風速計を用いて計測する． また，歩行時に人体が受ける風速を測定するた めに，モバイル熱線風速計を持ち，被験者の歩 行に同行する． 4. 結果と考察 4.1. 屋外環境 屋外環境は，気温: 32.4±1.6 C，湿度: 54±6%， 風速: 1.22±0.72 m/s，短波放射量: 688.5±203.7 W/m2，長波放射量：508.3±9.9 W/m2の環境で行 われた．日射が有意な環境である． 4.2. 人体温熱環境 測 定 結 果 と し て 実 験 中 の 平 均 皮 膚 温 度 の 経 時変化の結果を Fig. 4 に示す．それぞれの衣服 を着用した場合の，人体表面温度の平均±標準 偏差は，Loose 着用時で 35.7±0.4 ℃，Tight 着 用時で 35.6±0.4 ℃，上裸の場合で 36.1±0.4 ℃ となった．衣服を着用することで 全被験者の平 均皮膚表面温度が上裸に比べて小さい値を示し た．これは，日射の影響が有意である屋外環境 において，衣服着用時は上半身着衣無しに比べ， 衣服の日射遮蔽によって日射 による熱取得を低 減させることができたためであると考えられる． Fig. 5 に衣服内空気層厚さとヌセルト数の関 係を示す．衣服内空気層の増加に従って，ヌセ ルト数が大きくなっていることが分かる．この ことから，衣服内空気層が大きくなるに従って， 空気の対流による働きが有意になるとわかる． Fig. 6 に 衣 服 内 空 気 温 度 の 経 時 変 化 を 示 す ． Loose 着用時と Tight 着用時，それぞれの衣服内 空気温度の平均±標準偏差は，32.6±0.4 ℃，34.3
Table 2 Measurement items for human factors
Table 3 Measurement items for environmental factors
Type of
measurement Evaluation items Instruments Measuring interval
Physiological Quantity Skin temperature 7 points Thermistor (±0.3℃) 1/min Rectum temperature Thermistor (±0.3℃) Heart rate Heart rate meter (±1% 1/min)
Sweat rate Balance Electric Before and after
experiments Clothing Characteristics Clothing surface temperature Thermistor 1/min Skin temperature Thermistor Temperature of trapped air inside clothing Sensirion SHT-35 sensor module Measurement
Items Instruments Interval
Temperature Pt-100 (±0.3℃)
1/min
Humidity Capacitant hygrometer
(±5%RH) Long and short
Radiation
Radiometer(±10％ W/m2)
Globe temperature Globe thermometer
Air flow 3D Anemometer(±0.05 m/s) 1/0.1sec Anemometer 1/min 空気調和・衛生工学会中部支部 学術研究発表会論文集 第22号 2021年3月 －83－
±0.5 ℃となった．平均値において Loose 着用時 に比べ Tight 着用時で 1.7 ℃高い値となった． Tight 着用時に比べて，Loose 着用時のヌセルト 数が大きいことから Loose 着用時の衣服内は対 流有意な環境であり，対流によって衣服内の空 気より温度の低い外気を流入させていると考え られる． Fig. 7 に各着衣状態の被験者の潜熱損失量， 顕熱損失量の平均値を示す．対流熱伝達率の全 被 験 者 の 平 均 値 は ， 上 半 身 着 衣 無 し で 16.25 W/(m2K)，Loose 着用時は，12.41 W/(m2K)，Tight 着用時は，8.08 W/(m2K)となった．対流熱伝達率 が最も大きく，外気との温度差の大きい上半身 着衣無しが最も熱損失の値が大きいことが分か る．衣服を着用している場合は ，衣服内空気層 厚さとヌセルト数の関係からもわかるように， サイズの異なる衣服において対流熱伝達と衣服 内温度が異なることでLoose，Tight 着用時の熱 損失に差が表れた． 5. まとめ Loose と Tight の異なる衣服を用意し，衣服着 用による人体温熱環境への影響を調査すること を目的として夏季屋外で，被験者実験を行った． 日射有意である屋外環境にて，衣服を着用する ことで，衣服の日射遮蔽により， 平均皮膚温度 を低減させることを確認できた．そして，衣服 のサイズの違いによる衣服内空気の状態，人体 の熱損失量を定量化することができた． 屋外環境では，適切な衣服を着用することで， 人体温熱環境の改善さらには，快適な温熱環境 の創出に役立つと考えられる． 参考文献 1) 国土交通省，建設現場 にお ける熱中症 対策事 例集 ， 国 土 交 通 省 大 臣 官 房 技 術 調 査 課 ， 2017．
2) Xiang W， ”Numerical analysis of cooling effect of
hybrid cooling clothing incorporated with phase change material (PCM) packs and air ventilation fans”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 126, pp636-648, 2018．
3) 伝 熱 工 学 資 料 改 訂 第 五 版 ， 日 本 機 械 学 会 ， 2009,pp54-55
Fig.4Time change of mean body surface temperature
Fig.5 Relationship between Air layer thickness and Nusselt number
Fig. 6 Temporal change of air temperature inside clothing
Fig. 7 Latent heat loss and Convective heat 0
50 100 150
Loose Tight Naked
H ea t L os s [W /m 2 ]
Convective heat loss Latent heat loss
