熱調(diào)節(jié)暖體假人在著裝舒適性評價(jià)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

許靜嫻，李 俊,3，劉慧娟，王云儀,3

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051；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)

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熱調(diào)節(jié)暖體假人在著裝舒適性評價(jià)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

許靜嫻1,2，李 俊1,2,3，劉慧娟1,2，王云儀1,2,3

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051；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)

為豐富暖體假人評價(jià)服裝熱濕舒適性的測評參數(shù)，基于對恒皮溫、恒熱流、熱舒適3種模式的原理及應(yīng)用分析指出，有必要將體溫調(diào)節(jié)模型引入假人系統(tǒng)，彌補(bǔ)常見模式無法模擬人體熱調(diào)節(jié)的缺陷。以Fiala模型為例，分析了生物熱方程為基礎(chǔ)的被動(dòng)系統(tǒng)、包含四大熱調(diào)節(jié)機(jī)制的主動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成及熱調(diào)節(jié)假人系統(tǒng)的耦合機(jī)制。結(jié)合預(yù)測平均投票值及加州大學(xué)伯克利分校熱感覺模型等，熱調(diào)節(jié)假人可實(shí)現(xiàn)對人體穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱感覺的預(yù)測，從人體角度評價(jià)服裝舒適性。對比熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人和暖體假人，前者靈活性更強(qiáng)，但需要考慮的因素過多，模擬準(zhǔn)確性低于后者。

著裝舒適性；暖體假人；體溫調(diào)節(jié)；數(shù)值模擬；穩(wěn)態(tài)熱感覺；瞬態(tài)熱感覺

考慮到特殊著裝環(huán)境會(huì)使人體產(chǎn)生冷熱應(yīng)激反應(yīng)，特種功能服裝在投入使用前有必要進(jìn)行舒適性評價(jià)，判斷著裝人體在指定環(huán)境下從事一定強(qiáng)度作業(yè)，人體生理指標(biāo)能否維持正常。相關(guān)評價(jià)方法以人體實(shí)驗(yàn)為主[1-2]，但對于極端冷、熱或火場等復(fù)雜環(huán)境，不便使用真人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)人體主觀因素會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生不可控誤差，因此出現(xiàn)了燃燒假人和暖體假人等替代性設(shè)備，具有實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定、可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。

暖體假人已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)采納為服裝熱、濕阻測試的重要手段，獲取單件或成套服裝的干、濕熱散失阻力，從而評價(jià)服裝舒適性。但這類測試方法只能客觀表征服裝的隔熱散濕能力，無法反映人體舒適性。后來Holmer又提出了服裝所需熱阻(IREQ)模型，規(guī)定了為避免人體遭受冷應(yīng)激，服裝應(yīng)具備的隔熱能力[3]，將其與實(shí)測熱阻對比，即可判斷服裝能否保障人體舒適性[4-5]，該指標(biāo)被ISO 11079∶2007《熱環(huán)境工效學(xué)——使用服裝所需熱阻和局部降溫效果確定人體冷應(yīng)激》采納，但是，不管是服裝實(shí)測熱阻或所需熱阻，這類暖體假人實(shí)驗(yàn)從服裝角度出發(fā)，并不能得到具體的人體生理狀態(tài)。后來，又有學(xué)者結(jié)合溫濕度傳感器，通過分析衣下微環(huán)境的溫濕度，評價(jià)人體舒適性[6-7]。雖然，微環(huán)境參數(shù)可間接反映人體所處熱狀態(tài)，但仍無法表征服裝對人體熱生理產(chǎn)生的影響。隨后，以Stolwijk等[8]的25節(jié)點(diǎn)模型為基礎(chǔ)開展的體溫調(diào)節(jié)模型的構(gòu)建與完善，為服裝舒適性評價(jià)提供了新思路。Tanabe等[9]提出將體溫調(diào)節(jié)模型與數(shù)值假人結(jié)合，通過計(jì)算流體力學(xué)軟件，獲得假人體表和周圍環(huán)境的溫度分布，但當(dāng)時(shí)并未考慮服裝這個(gè)因素。后來，美國可再生能源研究所首次提出暖體假人的熱調(diào)節(jié)模式概念，將體溫調(diào)節(jié)機(jī)制與假人系統(tǒng)耦合[10]，綜合環(huán)境、服裝和人體因素，使得暖體假人可模擬人體進(jìn)行熱反應(yīng)，得到瞬態(tài)皮溫、下丘腦溫度，為服裝舒適性評價(jià)提供更具實(shí)際物理意義的參數(shù)，擴(kuò)大了舒適性的研究范圍。

本文著眼于熱調(diào)節(jié)操作模式在暖體假人評價(jià)服裝舒適性中的應(yīng)用，以暖體假人常見的3個(gè)操作模式為出發(fā)點(diǎn)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，指出開發(fā)熱調(diào)節(jié)操作模式的可行性和必要性，并闡述開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀。最后將其與全尺度熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人進(jìn)行對比，總結(jié)熱調(diào)節(jié)假人未來的發(fā)展方向。

1 暖體假人常見操作模式

暖體假人評價(jià)服裝舒適性時(shí)，通常使用服裝熱、濕阻這2個(gè)指標(biāo)。熱濕阻的測試有恒皮溫(CT)、恒熱流(CHF)和熱舒適(TC)3種模式。從ASTM及ISO標(biāo)準(zhǔn)對3種測試模式的定義可看出，3種模式操作原理不同，假人皮膚溫度和加熱功率設(shè)置不同，因此適用的熱環(huán)境也不同。恒皮溫模式設(shè)定假人各區(qū)段皮溫為34～35 ℃，假人通過自我調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)的功率來保障皮溫的恒定。但由于34～35 ℃為人體熱中性環(huán)境下的皮溫，所以恒皮溫模式適用于非極端環(huán)境。恒熱流模式根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)負(fù)荷設(shè)定假人的加熱功率，因此適用于各種環(huán)境，但由于假人缺少熱調(diào)節(jié)功能，假人皮膚溫度會(huì)隨著加熱功率的增加而不斷上升，偏離人體實(shí)際情況，因此可控性不強(qiáng)[11]。熱舒適模式以Fanger提出的人體熱舒適方程為控制模型，存在類似人體熱調(diào)節(jié)的過程，但只適用于熱中性條件[12]。目前恒皮溫模式是慣用的熱阻測試模式，也是ASTM標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的測試模式。

3種模式對應(yīng)3種不同的算法，因而測試結(jié)果也不同。表1示出文獻(xiàn)[12]～[15]使用不同方法測試服裝熱阻時(shí)，恒熱流模式測試值與熱舒適模式測試值的差異。由表可知，恒熱流模式測試結(jié)果顯著高于熱舒適模式，差異最大可達(dá)78.4%。另外，服裝阻值測試有ISO 9920: 2009《熱環(huán)境工效學(xué)——服裝熱濕阻值評估》、ISO 7730: 2005《熱環(huán)境工效學(xué)——使用PMV、PPD、局部熱舒適指標(biāo)計(jì)算熱舒適》、ASHARE 55—2013《人類居住熱環(huán)境條件》、ASTM F1291—2016《使用暖體假人測試服裝熱阻的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》等多種標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)對測試細(xì)節(jié)規(guī)定不同，如ISO 9920恒皮溫模式規(guī)定皮溫為32～34 ℃，而ASTM F1291規(guī)定皮溫為35 ℃。針對相同的服裝，ISO 7730給出的熱阻參考值大于ASHARE 55[16]，這就使得標(biāo)準(zhǔn)化失去了意義，所以需要尋求一種更接近人體真實(shí)狀態(tài)的操作模式來評價(jià)服裝舒適性。

表1 恒熱流和熱舒適模式測試服裝熱阻值差異Tab.1 Differences between insulation values calculated by CHF mode and TC mode %

注：差異值=(CHF值-TC值)/CHF值。

綜上，暖體假人常用的3類評價(jià)服裝舒適性模式存在明顯的不足：1)僅適用于偏熱中性環(huán)境。環(huán)境因素影響著裝人體系統(tǒng)的熱傳遞[17]，常用的3類模式無法表征特種防護(hù)服在其著裝環(huán)境下的實(shí)際隔熱能力和人體實(shí)際著裝舒適性；2)測試標(biāo)準(zhǔn)及模式間差異明顯。而標(biāo)準(zhǔn)對3種模式都是認(rèn)可的，這就增加了測試人員自由發(fā)揮的空間，也增加了評價(jià)服裝舒適性的誤差；3)忽略了復(fù)雜的人體內(nèi)部熱調(diào)節(jié)機(jī)制。關(guān)于人體—服裝—環(huán)境系統(tǒng)熱傳遞，只考慮了皮膚—服裝—環(huán)境的熱交換。一方面，使得假人瞬態(tài)的皮溫、加熱功率不具備實(shí)際物理意義。另一方面，無法反映某一特定環(huán)境下，服裝影響人體熱調(diào)節(jié)的過程，或環(huán)境瞬態(tài)變化對人體產(chǎn)生的影響。

2 熱調(diào)節(jié)模式

鑒于常用的3種操作模式無法模擬人體熱調(diào)節(jié)反應(yīng)，學(xué)者們嘗試了不同的方法使暖體假人更接近真實(shí)人體，比如參照人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果為假人不同區(qū)段設(shè)置不同溫度[18]，設(shè)置假人各區(qū)段溫度隨時(shí)間變化等[19]，這些嘗試都增加了假人測試的靈活性，但并沒有從本質(zhì)上彌補(bǔ)無法模擬熱調(diào)節(jié)的缺陷。假人需要根據(jù)環(huán)境及著裝情況自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱功率，使皮溫朝著熱舒適的方向調(diào)整[10]，類似于智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念[20]。隨著數(shù)值模擬研究在服裝領(lǐng)域的展開，人體體溫調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型發(fā)展成熟，其中以Stolwijk的25節(jié)點(diǎn)模型[8]最為經(jīng)典，后來Fiala等[21-22]、Tanabe等[9]在Stolwijk的研究基礎(chǔ)上對血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，為暖體假人熱調(diào)節(jié)模式的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。熱調(diào)節(jié)模式的開發(fā)及運(yùn)用依賴于體溫調(diào)節(jié)模型與假人的耦合。

2.1 多節(jié)點(diǎn)體溫調(diào)節(jié)模型

人體體溫調(diào)節(jié)機(jī)制如圖1所示，包括控制系統(tǒng)(主動(dòng)系統(tǒng))和被控系統(tǒng)(被動(dòng)系統(tǒng))，其中，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)實(shí)時(shí)體溫作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)反應(yīng)，以保證人體內(nèi)部溫度恒定，包括應(yīng)對低溫的調(diào)節(jié)，有肌肉顫抖和血管收縮，應(yīng)對高溫的調(diào)節(jié)，有皮膚出汗和血管舒張。被動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)響應(yīng)體溫調(diào)節(jié)反應(yīng)，包括人體的構(gòu)成和人體內(nèi)部及人體與外界環(huán)境的熱交換系統(tǒng)[21-22]。

圖1 人體熱調(diào)節(jié)機(jī)制Fig.1 Human thermoregulation mechanism

體溫調(diào)節(jié)模型以數(shù)學(xué)方程的形式描述體溫調(diào)節(jié)機(jī)制中的因果關(guān)系，通過求解方程預(yù)測體溫調(diào)節(jié)的結(jié)果。最初,體溫調(diào)節(jié)模型被運(yùn)用在暖通、航天等領(lǐng)域，后來逐漸拓展至服裝領(lǐng)域?，F(xiàn)有的經(jīng)典模型概括見表2，其中Fiala模型和多節(jié)點(diǎn)Pierce模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停溆酁槔碚撃Ｐ?。理論模型的適用范圍更廣，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谶m用范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性更高[23]。

表2 經(jīng)典的體溫調(diào)節(jié)模型及其特征Tab.2 Classic thermoregulatory models and corresponding characteristics

本文對目前與假人耦合最多的Fiala模型進(jìn)行詳細(xì)介紹，分析其被動(dòng)系統(tǒng)和主動(dòng)系統(tǒng)的特征。

2.1.1 被動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

Fiala模型以中等男性人體為依據(jù)，將人體劃分為15個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段再根據(jù)各自構(gòu)造的特點(diǎn)劃分為多層結(jié)構(gòu)，包括7種不同的組織材料層：大腦、肺部、骨骼、肌肉、內(nèi)臟、脂肪、皮膚[22]。各區(qū)段分成前、后、側(cè)3個(gè)方位分開考慮，保證了模型適用于非均勻環(huán)境。

人體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)熱傳遞，以Pennes生物熱方程(1)為基準(zhǔn)。該方程的左邊考慮了節(jié)點(diǎn)間的徑向熱傳導(dǎo)、各節(jié)點(diǎn)的代謝產(chǎn)熱、各節(jié)點(diǎn)通過血液流動(dòng)進(jìn)行的對流傳熱，方程的右邊為節(jié)點(diǎn)瞬態(tài)蓄熱量。簡化了節(jié)點(diǎn)間的橫向熱傳遞，只考慮了徑向溫差造成的熱傳遞。雖然從理論上來說，相比徑向熱傳遞，橫向傳熱量較小，可忽略，但是若將熱調(diào)節(jié)模型應(yīng)用于暖體假人系統(tǒng)，由于假人內(nèi)部存在橫向熱流，所以會(huì)造成模型與實(shí)際情況不符，降低模型的控制準(zhǔn)確性。

(1)

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度；r為節(jié)點(diǎn)半徑；ω為幾何因子；ρbl為血液密度；wbl為血液擴(kuò)散率；cbl為血液熱容量；Tbl,a為動(dòng)脈血液溫度；ρ為節(jié)點(diǎn)密度；c為節(jié)點(diǎn)熱容量；t為時(shí)間。

2.1.2 主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)以熱中性條件下人體各節(jié)點(diǎn)的溫度為基準(zhǔn)，判斷人體瞬態(tài)的冷熱感覺，然后作出相應(yīng)的體溫調(diào)節(jié)反應(yīng)，使各節(jié)點(diǎn)的溫度趨向于設(shè)定值。

圖2 暖體假人熱調(diào)節(jié)模式運(yùn)行流程Fig.2 Operation flow of thermal manikin under thermoregulatory mode

Fiala對26組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，量化人體主動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)所起的熱量調(diào)節(jié)效果，如式(2)～(5)[21]所示，熱調(diào)節(jié)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)主要為皮膚和下丘腦溫度與設(shè)定溫度的差值。

1)肌肉顫抖。

(2)

2)血管收縮。

(3)

3)出汗。

Sw=[0.8tanh(0.59△Tsk,m-0.19)+1.2]△Tsk,m+ [5.7tanh(1.98△Thy-1.03)+6.3]△Thy

(4)

4)血管舒張。

Dl=21[tanh(0.79△Tsk,m-0.70)+1]△Tsk,m+ 32[tanh(3.29△Thy-1.46)+1]△Thy

(5)

式(2)～(5)中：Sh為肌肉顫抖產(chǎn)生的熱量；△Tsk,m為實(shí)際平均皮溫和設(shè)定值的差值；△Thy為實(shí)際下丘腦溫度和設(shè)定值的差值；Tsk,m為平均皮溫；t為時(shí)間；Cs為血管收縮減少的熱流量；Sw為皮膚出汗產(chǎn)生的熱量；Dl為血管舒張?jiān)黾拥臒崃髁俊?/p>

2.2 體溫調(diào)節(jié)模型與暖體假人系統(tǒng)耦合

使用2.1中介紹到的體溫調(diào)節(jié)模型來控制暖體假人系統(tǒng)的操作，假人內(nèi)部的熱調(diào)節(jié)及熱傳遞便通過數(shù)值模擬的方式進(jìn)行，皮膚—服裝—環(huán)境的熱交換則實(shí)際存在著。具體的運(yùn)行流程如圖2所示。

假人提供人體當(dāng)下的熱狀態(tài)作為體溫調(diào)節(jié)模型的輸入?yún)?shù)，即圖2中的Error值，模型計(jì)算出在該狀態(tài)下體溫調(diào)節(jié)的結(jié)果，然后將計(jì)算結(jié)果反饋給假人[30]，假人調(diào)節(jié)加熱功率，系統(tǒng)不斷迭代計(jì)算，直至假人達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這樣的體溫調(diào)節(jié)模型與假人系統(tǒng)耦合最初是由NREL提出的，用來評價(jià)航天用液冷服，通過觀察平衡過程中假人體表的溫度變化得出環(huán)境及服裝對人體產(chǎn)生的生理影響，進(jìn)而判斷著裝人體熱舒適狀態(tài)。后來，瑞士EMPA研究所[30]、美國西北測試科技公司(MTNW)[31-32]、Alto大學(xué)[33]都分別從事熱調(diào)節(jié)暖體假人的開發(fā)，用于評價(jià)消防服、智能服裝等對人體的熱調(diào)節(jié)作用。

3 熱調(diào)節(jié)暖體假人的應(yīng)用

從客觀評價(jià)角度來看，暖體假人在熱調(diào)節(jié)模型的控制下，體表各區(qū)段的溫度、體核溫度、衣下溫濕度、服裝表面溫度等瞬態(tài)參數(shù)值，可代表人體達(dá)到熱平衡過程中的生理變化情況。從主觀評價(jià)角度看，結(jié)合主觀熱感覺經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停色@得人體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的主觀熱感覺和舒適性評價(jià)值。這是目前熱調(diào)節(jié)假人在服裝舒適性評價(jià)方面的主要應(yīng)用。

3.1 穩(wěn)態(tài)熱感覺預(yù)測

文獻(xiàn)[33]使用多節(jié)點(diǎn)Pierce體溫調(diào)節(jié)模型控制暖體假人，預(yù)測不同環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速條件下著裝假人各區(qū)段的溫度值，并使用加州大學(xué)伯克利分校熱感覺模型(UCB)預(yù)測人體局部熱感覺，同時(shí)與基于ASHARE 9級主觀評價(jià)標(biāo)尺的主觀熱感覺投票值進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，UCB熱舒適模型預(yù)測結(jié)果與主觀評價(jià)結(jié)果基本一致，其中針對下半身的預(yù)測結(jié)果更接近主觀評價(jià)值，原因主要在于UCB熱舒適模型預(yù)測值的準(zhǔn)確性，受熱調(diào)節(jié)模型對局部皮溫及代謝產(chǎn)熱率預(yù)測準(zhǔn)確性的影響?？紤]到該研究的受試者來自熱帶地區(qū)，而多節(jié)點(diǎn)Pirece體溫調(diào)節(jié)模型構(gòu)建所依據(jù)的人體來自非熱帶地區(qū)，這可能是導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與主觀評價(jià)結(jié)果存在差異的原因之一。由此可見，不同人種體溫調(diào)節(jié)機(jī)制存在差異，Havenith等[34]在構(gòu)建人體出汗圖譜時(shí)也指出這一點(diǎn)，因此，使用熱調(diào)節(jié)假人評價(jià)服裝舒適性時(shí)，應(yīng)根據(jù)著裝對象選擇對應(yīng)的體溫調(diào)節(jié)模型進(jìn)行耦合。目前的經(jīng)典模型大都由歐美地區(qū)學(xué)者構(gòu)建，亞非地區(qū)應(yīng)構(gòu)建屬于自己的模型。Foda等[33]同時(shí)使用了等效溫度模型預(yù)測局部熱感覺，并將預(yù)測結(jié)果與基于Bedford 7級主觀評價(jià)標(biāo)尺的熱感覺投票值進(jìn)行了對比，結(jié)果與UCB模型類似。

Foda等[11]于2012年又使用多節(jié)點(diǎn)Pierce模型進(jìn)行了熱感覺評價(jià)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使用恒皮溫模式和受試者進(jìn)行了對照實(shí)驗(yàn)，采用等效溫度模型評價(jià)主觀熱感覺。對比結(jié)果顯示，相比恒皮溫模式，熱調(diào)節(jié)模式達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間更短，且熱感覺評價(jià)結(jié)果更接近受試者評價(jià)結(jié)果，但二者還是存在些微差距。由此可見，假人的熱調(diào)節(jié)模型始終無法替代真人實(shí)驗(yàn)。Redortier等[35]和Burke等[36]在使用熱調(diào)節(jié)假人時(shí)都指出，熱調(diào)節(jié)模式預(yù)測結(jié)果與真人實(shí)驗(yàn)相似，但在局部差異較明顯。Wang[37]也曾在他的研究報(bào)告中針對熱調(diào)節(jié)假人能否取代真實(shí)人體這個(gè)問題，從理論角度展開過分析，認(rèn)為提高熱調(diào)節(jié)模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，需要完善假人的構(gòu)造，以更好地匹配熱調(diào)節(jié)模型。

3.2 瞬態(tài)熱感覺預(yù)測

對于任意熱環(huán)境下的人體，尤其是特殊環(huán)境，大多數(shù)情況下人體是處于非穩(wěn)態(tài)的，所以瞬態(tài)熱感覺的預(yù)測更具實(shí)際意義。自等效溫度、PMV等熱感覺模型的開發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化以后，復(fù)雜的瞬態(tài)熱感覺成為學(xué)者們的研究重點(diǎn)，其中以Zhang等的研究成果為代表[38-40]，總結(jié)了非均勻環(huán)境下人體局部及整體瞬態(tài)熱感覺和熱舒適性的UCB經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｎ墨I(xiàn)[31]使用ADAM假人，耦合NREL自主研發(fā)的有限元體溫調(diào)節(jié)模型，評價(jià)防護(hù)服對人體生理參數(shù)的影響時(shí)，就運(yùn)用到了UCB經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

Farrington等[32]使用ADAM假人和NREL體溫調(diào)節(jié)模型，評價(jià)航天用液冷服對人體的降溫效果，同時(shí)使用了紅外相機(jī)拍攝著裝假人表面紅外圖像，得到了服裝外表面的溫度分布情況，以此來評價(jià)服裝的局部降溫效果。由此可見，暖體假人熱調(diào)節(jié)模式的運(yùn)用一方面可模擬人體的真實(shí)熱反應(yīng)過程，另一方面可結(jié)合紅外相機(jī)、外界傳感器等設(shè)備獲取服裝外表面的溫度信息，為舒適性評價(jià)提供更多的信息，擴(kuò)大了舒適性的研究范圍。

文獻(xiàn)[7]使用Fiala熱調(diào)節(jié)模型和Newton暖體假人結(jié)合，預(yù)測穿著不同面料配置運(yùn)動(dòng)服運(yùn)動(dòng)過程中體表溫度和核心體溫的變化趨勢，然后使用UCB熱舒適模型預(yù)測運(yùn)動(dòng)過程中人體的熱感覺，由此來分析運(yùn)動(dòng)服面料配置對人體熱濕舒適性的影響，結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了多區(qū)段體溫調(diào)節(jié)模型的優(yōu)勢。

圖3 整體熱感覺隨時(shí)間的變化Fig.3 Development of whole body thermal sensation over time

在軍服領(lǐng)域，考慮到軍人經(jīng)常從事負(fù)重行軍等任務(wù)，人體會(huì)遭受熱應(yīng)力的影響，對軍服進(jìn)行舒適性評價(jià)，是保障軍人安全、提高作業(yè)效率的重要手段。Miyo等[29]使用美軍方研發(fā)的熱調(diào)節(jié)模型預(yù)測穿著軍裝在高溫環(huán)境下的皮膚溫度和核心溫度，然后使用生理應(yīng)激指標(biāo)判斷人體在作業(yè)過程中遭受的熱應(yīng)激程度，為軍服設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性意見。

熱調(diào)節(jié)暖體假人在服裝舒適性評價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用，呈現(xiàn)出了預(yù)測皮溫及核心溫度，然后運(yùn)用主觀熱感覺經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測著裝人體主觀感覺的模式，已在防護(hù)服、航天服、運(yùn)動(dòng)服等服裝評價(jià)中得到應(yīng)用。目前，熱調(diào)節(jié)模式預(yù)測結(jié)果相比傳統(tǒng)模式更接近真實(shí)情況，但仍存在改進(jìn)的空間。

4 與熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人的對比

理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬并稱為科學(xué)研究的3種方法，其中數(shù)值模擬以低成本、高效、可仿真且能夠得到許多物理試驗(yàn)得不到的參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為服裝防護(hù)性及舒適性研究領(lǐng)域的一大發(fā)展方向[41]。

熱調(diào)節(jié)暖體假人評價(jià)服裝舒適性正是試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的結(jié)合，兼?zhèn)淞饲罢叩恼鎸?shí)性和后者的靈活性。然而，全尺度的數(shù)值模擬已成為近年的研究趨勢，其中，織物層面的研究已相當(dāng)豐富，尤其在熱防護(hù)領(lǐng)域，通過對熱流等邊界條件的把握求解熱傳遞模型，可預(yù)測皮膚燒傷情況[42-43]。結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對織物熱防護(hù)性能(TPP)測試進(jìn)行可視化數(shù)值模擬，可預(yù)測織物的熱防護(hù)性能[41]。在服裝層面，有學(xué)者將熱調(diào)節(jié)模型、皮膚—服裝—環(huán)境系統(tǒng)熱傳遞模型結(jié)合起來，構(gòu)造全尺度熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人模型[44]，評價(jià)服裝舒適性。

理論上分析熱調(diào)節(jié)暖體假人和熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示，熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人可彌補(bǔ)暖體假人在模型與假人匹配性方面的缺陷，提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，且可得到更多有價(jià)值的信息。Tanabe等[9]曾使用65節(jié)點(diǎn)體溫調(diào)節(jié)模型與數(shù)值假人結(jié)合進(jìn)行環(huán)境艙內(nèi)人體的全尺度模擬試驗(yàn)，得到了假人體表各區(qū)段的溫濕度分布情況。Burker等[45]也曾使用Fiala體溫調(diào)節(jié)模型分別進(jìn)行了數(shù)值假人和暖體假人試驗(yàn)，模擬25 ℃的環(huán)境，46.52 W/m2的代謝產(chǎn)熱，結(jié)果如圖4所示，各區(qū)段溫度分布趨勢相一致，但局部溫差較大，最高可達(dá)2 ℃。但上述研究都未使用真人進(jìn)行對比試驗(yàn)，因此2種模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性都無從考證。

表3 熱調(diào)節(jié)暖體假人與熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人的對比Tab.3 Comparison between thermoregulatory manikin and thermoregulatory numerical manikin

圖4 數(shù)值假人及熱調(diào)節(jié)假人各區(qū)段溫度Fig.4 Temperature distribution over sectors of numerical and thermoregulatory manikins

目前，熱調(diào)節(jié)數(shù)值假人大都用于分析環(huán)境對人體的影響，考慮服裝因素的研究較少，而熱調(diào)節(jié)暖體假人的相關(guān)應(yīng)用更多。作為服裝舒適性評價(jià)的2種手段，二者各有優(yōu)點(diǎn)，提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性是目前2種方法都需要進(jìn)一步完善的方向。

5 結(jié) 語

人體熱調(diào)節(jié)模型與暖體假人系統(tǒng)的耦合實(shí)現(xiàn)了假人體溫自適應(yīng)的功能，彌補(bǔ)了恒皮溫、恒熱流、熱舒適3個(gè)操作模式的缺陷，使得暖體假人不只是用來進(jìn)行服裝阻值評估，也可模擬人體對不同熱環(huán)境作出的響應(yīng)，瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)的假人體表參數(shù)可為熱感覺模型所用，評價(jià)著裝人體任意時(shí)刻的舒適性，為服裝的改進(jìn)提供參考。目前，熱調(diào)節(jié)假人已在消防服、運(yùn)動(dòng)服、航天液冷服等功能服裝評價(jià)領(lǐng)域得到應(yīng)用，但仍存在如下一些不足及可改進(jìn)的方向。

1)熱調(diào)節(jié)操作模式尚未標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用并不廣泛。目前使用最多的Fiala和多節(jié)點(diǎn)Pierce模型都為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，脫離特定環(huán)境及人體活動(dòng)負(fù)荷范圍后，預(yù)測的準(zhǔn)確性得不到保證，只有通過不斷的試驗(yàn)驗(yàn)證來完善熱調(diào)節(jié)模型，將誤差縮到最??；可認(rèn)為假人和熱調(diào)節(jié)模型的契合度有待提高，一方面，假人內(nèi)部是三維傳熱，而數(shù)值模型僅考慮一維傳熱，另一方面，假人的區(qū)段和熱調(diào)節(jié)模型的區(qū)段在分割方式和數(shù)量上不一致，這都會(huì)導(dǎo)致模型調(diào)控的準(zhǔn)確性受到影響。熱調(diào)節(jié)模型可參考數(shù)值假人采用有限元網(wǎng)格劃分技術(shù)來劃分人體軀干，使其應(yīng)對不同區(qū)段數(shù)的暖體假人時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2)具有國人或亞洲人體針對性的熱調(diào)節(jié)暖體假人研發(fā)。我國于80年代開始了體溫調(diào)節(jié)數(shù)值模型的研究工作，取得了不少非均勻冷、熱環(huán)境下體溫模型的研究成果，大都應(yīng)用于航天艙環(huán)境設(shè)計(jì)和航天液冷服評價(jià)中。21世紀(jì)以來，相關(guān)研究成果及應(yīng)用較少見，隨著數(shù)值模擬研究成為服裝舒適性評價(jià)領(lǐng)域的一大發(fā)展方向，不管是應(yīng)用于暖體假人還是數(shù)值假人，未來都有必要繼續(xù)完善適合中國人體特征的體溫調(diào)節(jié)模型。

3)熱感覺模型的耦合。目前，熱調(diào)節(jié)暖體假人的應(yīng)用最終都會(huì)落腳到熱感覺或熱舒適性評價(jià)上，若將已標(biāo)準(zhǔn)化的主觀熱感覺模型(如：等效溫度、PMV)和熱調(diào)節(jié)模型一同與假人操作系統(tǒng)耦合，可大大提高試驗(yàn)效率。

FZXB

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Application status of thermoregulatory mode in clothing comfort evaluation with thermal manikin

XU Jingxian1,2, LI Jun1,2,3, LIU Huijuan1,2, WANG Yunyi1,2,3

(1.Fashion·ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.ProtectiveClothingResearchCenter,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology(DonghuaUniversity),MinistryofEducation,Shanghai200051,China)

In order to expand evaluation system of thermal manikin, considering the application status of conventional modes including constant skin temperature, constant heat flux and thermal comfort, it indicates that it has great necessity to integrate human thermoregulatory system into thermal manikin. In doing so, the shortcoming incapability of simulating human thermal regulation could be offset. Taking Fiala model as an example, the controlled system based on bio-heat equation and controlling system with four regulation mechanisms were analyzed. Combined with predicted mean vote (PMV), University of Clifornia of Berkeley (UCB) and other subjective thermal sensation models, thermoregulatory manikins could make predictions of both steady and transient thermal sensations, and evaluate comfort from the perspective of human beings. By comparisons between thermoregulatory numerical manikins and thermoregulatory manikins, it is concluded that the former has better flexibility, but has more influencing factors. Therefore, the latter has better accuracy.

clothing comfort; thermal manikin; thermoregulation; numerical simulation; steady thermal sensation; transient thermal sensation

10.13475/j.fzxb.20160707309

2016-07-25

2017-04-07

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576038)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(17D110714)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(17ZR1400500)

許靜嫻(1992—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)榉b舒適性與功能服裝。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

TS 941.19

A