服裝局部熱阻與總熱阻的動靜態(tài)關(guān)系及其模型

張文歡， 錢曉明， 師云龍， 范金土，2， 牛 麗

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 康奈爾大學(xué) 人類生態(tài)學(xué)院， 美國 紐約 14850)

服裝作為人體與環(huán)境的中間層，在傳熱傳濕過程中主要起到隔熱、透濕、透氣的作用。服裝熱阻是評價服裝熱傳遞性能的重要指標之一，服裝本身(服裝結(jié)構(gòu)與款式[1]、厚度、水分含量[2]、層數(shù)[3]、微氣候[5-6])、人體生理活動(著裝姿勢、活動量[6-7]、皮膚表面溫度)、外界環(huán)境條件(熱輻射、風(fēng)速[6-7]、等溫與非等溫)等都對其產(chǎn)生重要的影響。服裝動靜態(tài)熱阻研究對功能服裝設(shè)計、暖體假人設(shè)計等起到至關(guān)重要的作用，局部服裝熱阻的研究對人體出汗圖譜式服裝(body mapping服裝)的設(shè)計有著重要的理論支持，對服裝局部熱舒適性評價具有重要的作用。

隨著數(shù)據(jù)庫的豐富，已有眾多學(xué)者針對動靜態(tài)熱阻之間的關(guān)系進行探究。Qian等[8]利用暖體假人“Walter”探究了風(fēng)速和步速對服裝熱阻、濕阻的影響。于瑤等[9]在此基礎(chǔ)上對服裝空氣層熱阻與風(fēng)速步速的關(guān)系進行了分析，并得到了相應(yīng)模型。Nilsson等[10]將面料透氣性、風(fēng)速和行走速度同時考慮在內(nèi)，得到熱阻與面料透氣性、風(fēng)速和行走速度的關(guān)系。Havenith等[11]在Nilsson的研究基礎(chǔ)上進行改進得到新模型，提高了相關(guān)系數(shù)。趙巧寧等[12]利用熱流計法定量分析了真人實驗中環(huán)境濕度、運動、風(fēng)速對服裝熱阻的影響。賴軍等[13]對服裝動態(tài)熱阻測量因素、方法以及模型進行了分類總結(jié)。除服裝總熱阻外，Lu等[14]利用暖體假人測量了人體8個不同部位的服裝熱阻，并探討了運動對其產(chǎn)生的影響，推導(dǎo)出相關(guān)公式。雖然現(xiàn)有研究已經(jīng)在不斷完善中，但是針對局部服裝動靜態(tài)熱阻之間的關(guān)系還有待進一步探討，在不同環(huán)境條件下測量得到的關(guān)系也有待驗證。此外，現(xiàn)有研究主要集中在真人動靜態(tài)熱阻之間的關(guān)系以及假人動靜熱阻態(tài)之間的關(guān)系，鮮有針對真人與暖體假人的動態(tài)熱阻關(guān)系、靜態(tài)熱阻關(guān)系的研究。

本文主要是針對真人實驗中，人體背、腰、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂10個部位熱阻的動靜態(tài)關(guān)系以及整套服裝熱阻在真人結(jié)果與暖體假人“Walter”結(jié)果之間的關(guān)系進行探討，得到相關(guān)模型，以期為服裝設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，對暖體假人“Walter”設(shè)計的修正與改進提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

熱流密度測量儀(g-SKIN熱流計, 瑞士GREEN TEG公司生產(chǎn))。熱流計是利用熱流傳感器接收信號并產(chǎn)生與熱流成正比的輸出電壓，輸出電壓除以傳感器靈敏度，即可得到熱流值并顯示在電腦終端。每個熱流傳感器均附有單獨的靈敏度。整套服裝的總體熱阻采用站立式出汗暖體假人“Walter”測量。

1.2 實驗人員與服裝

人員：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的中國成年健康男性。

服裝：規(guī)格為175/96A的短款合體薄型羽絨服(含絨量90%)4套，純棉內(nèi)衣和運動褲。整套服裝包括純棉內(nèi)衣(上裝+下裝)、運動褲以及單件羽絨服。服裝的基本性能如表1所示。

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

1.3 熱流密度測定

采用熱流密度測量儀在環(huán)境溫度為13 ℃，相對濕度為35%的條件下測量4名要求人體分別穿著4套實驗服裝時左半個身體區(qū)域內(nèi)背、腰、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂10個部位的熱流密度(站立和以2 km/h速度行走)。為避免誤差，測量部位事先確定并進行標注。同時，利用暖體假人系統(tǒng)中溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)測定人體局部皮膚表面溫度。測試項目選擇在每天同一時間進行，減小人體自身變化對結(jié)果的影響。

1.4 真人測試局部服裝熱阻

真人測試局部服裝熱阻，即真人測試服裝及表面空氣層總的熱阻為

(1)

式中：It為真人測試局部服裝熱阻，℃·m2/W；ts為皮膚表面的溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；Hd為設(shè)定環(huán)境中干熱損失量，W；q為設(shè)定環(huán)境中測試的總熱流密度，W/m2；qe為設(shè)定環(huán)境中測試的潛熱熱流密度，W/m2；qd為設(shè)定環(huán)境中測試的干熱熱流密度，W/m2。

1.5 真人測試整體服裝熱阻

參照文獻[15]中計算平均皮膚溫度的方法，將局部熱阻進行加權(quán)計算得到服裝的總熱阻，并分析運動對真人測試和假人測試得到的服裝熱阻的影響?？偀嶙璧挠嬎愎綖?/p>

I=I背×0.047 5+I腰×0.047 5+I胸×0.091 2+I腹×0.060 1+I臀×0.063 7+I大腿前×0.139 4+I大腿后×0.139 4+I小腿×0.126 6+I上臂×0.098 6+I下臂×0.06

(2)

式中：I為總熱阻，℃·m2/W；Ii為i部位的熱阻計算值，℃·m2/W。頭部不屬于服裝覆蓋范圍，不計入總數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同運動狀態(tài)下服裝局部熱阻關(guān)系

根據(jù)4個人在13 ℃、不同活動狀態(tài)(站立和以2 km/h低速行走)下穿著相同服裝時的熱流密度計算得到局部熱阻值，取其均值作為最終局部熱阻，按照人體在靜止和行走狀態(tài)下最終局部熱阻繪制關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)和動態(tài)局部熱阻模擬曲線Fig.1 Simulation curves of static and dynamic local thermal insulation.(a) Trunk; (b) Lower body; (c) Arm

圖1示出服裝上半身軀干部位、下半身、手臂3個區(qū)域內(nèi)真人測試得到的動靜態(tài)熱阻的線性回歸模型?？煽闯觯壕€性關(guān)系的系數(shù)均小于1，說明服裝各部位動態(tài)熱阻均低于靜態(tài)熱阻；在3個區(qū)域中，區(qū)域內(nèi)的斜率差異較小，說明在相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)服裝的靜態(tài)熱阻和動態(tài)熱阻之間的關(guān)系一致，受運動狀態(tài)的影響相對一致；手臂部位的斜率最低，偏離y=x這條線最遠，動態(tài)熱阻與靜態(tài)熱阻的差距最大，說明該部位最容易受到運動狀態(tài)的影響，這主要是因為在行走過程中上、下手臂發(fā)生擺動，外界冷空氣進入服裝內(nèi)部，服裝微氣候內(nèi)溫濕度與環(huán)境產(chǎn)生對流，這種對流破壞了微環(huán)境狀態(tài)，使得人體對外界變化產(chǎn)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致測量值更低。其中，特殊位置為小腿部位，在行走狀態(tài)和站立狀態(tài)下的熱阻變化量小，這一方面是因為下半身穿著純棉內(nèi)衣與運動褲，本身的保暖效果比上半身差，所以在一定的運動變化范圍內(nèi)熱阻變化量也較??；另一方面是因為下半身穿著寬松敞口的運動褲，在站立狀態(tài)下外界環(huán)境與服裝微環(huán)境之間的對流明顯高于其他部位，在人體以較低速度行走時服裝發(fā)生形變，產(chǎn)生一定量的對流變化，但是由于站立狀態(tài)的對流已較大，此時的變化率很小，所以小腿部位在2種狀態(tài)下的值更為相近；其他部位的斜率在0.72～0.87之間，受運動狀態(tài)的影響程度較為一致，運動狀態(tài)熱阻的降低率為靜止狀態(tài)的13%～28%。

對真人測試的4套服裝各部位站立和行走狀態(tài)下計算得到的熱阻進行配對t檢驗，結(jié)果如表2所示。

表2 站立和行走狀態(tài)下服裝局部熱阻配對結(jié)果Tab.2 Paired results of local thermal insulation between standing and walking state

由表2可知，在服裝動靜態(tài)熱阻模擬曲線的斜率小于或等于0.76的人體各部位，運動對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，這也充分說明當(dāng)動態(tài)熱阻降低率高于靜態(tài)熱阻的24%時，運動對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

2.2 真人與假人測試總熱阻的關(guān)系

為進一步評價人體不同活動狀態(tài)下服裝總熱阻之間的關(guān)系，將真人測試的局部值按照面積公式加權(quán)求平均值，得到總熱阻。真人測試的靜態(tài)和動態(tài)服裝總熱阻的線性回歸模擬關(guān)系如圖2所示。

圖2 真人動靜態(tài)總熱阻的關(guān)系Fig.2 Relationship between static and dynamic total thermal insulation of human testing

從圖2可看出，動態(tài)與靜態(tài)熱阻之間的模擬曲線斜率為0.97，模擬復(fù)相關(guān)系數(shù)達到0.99。說明動態(tài)熱阻低于靜態(tài)熱阻，但是在現(xiàn)有研究的2種狀態(tài)下，運動對真人測試的服裝總熱阻的影響較小。熱阻的變化主要是由于人體在運動狀態(tài)下服裝發(fā)生較大的形變，空氣層厚度產(chǎn)生變化，內(nèi)部熱空氣發(fā)生流動，并有部分熱空氣與冷空氣之間產(chǎn)生交換，人體皮膚表面的溫度降低，溫差減小，從而使動態(tài)熱阻減小。

真人和假人測試得到的靜態(tài)熱阻之間的關(guān)系如圖3所示，真人和假人測試得到的動態(tài)熱阻之間的關(guān)系如圖4所示。

圖3 靜態(tài)條件下真人和假人測試服裝總熱阻的關(guān)系Fig.3 Relationship between human testing and manikin testing thermal insulation of garment under static condition

圖4 動態(tài)條件下真人和假人測試服裝總熱阻的關(guān)系Fig.4 Relationship between human testing and manikin testing thermal insulation of garment under dynatic condition

從圖3可看出，真人與假人在測試環(huán)境與條件下分別穿著不同服裝測量得到的結(jié)果呈現(xiàn)的趨勢一致，真人與假人測試得到的靜態(tài)總熱阻之間的定量擬合關(guān)系為y=-0.74+3.05x，復(fù)相關(guān)系數(shù)達到0.997。其中，在服裝熱阻較小時，假人測得的結(jié)果高于真人測試的結(jié)果，但是當(dāng)服裝熱阻超過0.36 ℃·m2/W時，真人測試的結(jié)果將會高于假人測試的結(jié)果。這一方面是因為當(dāng)服裝熱阻增大時，真人更容易產(chǎn)生溫暖感；另一方面是因為熱阻達到一定值時，人體體表的汗液蒸發(fā)量增加，潛熱散失量增多，計算過程中利用總熱減去潛熱得到的干熱值減少，從而使熱阻值有所增加。

從圖4可看出，真人與假人測試得到的動態(tài)熱阻之間的顯性擬合關(guān)系為y=-0.87+4.06x，其中當(dāng)服裝熱阻為0.28 ℃·m2/W時，真人測試結(jié)果與假人測試結(jié)果相等，達到測試平衡點。

比較靜態(tài)和動態(tài)測試平衡點熱阻，動態(tài)顯然低于靜態(tài)。這一方面是由于同一套服裝本身的動態(tài)熱阻小于靜態(tài)熱阻；另一方面是由于動態(tài)熱阻的斜率高于靜態(tài)，說明相同服裝進行動態(tài)真人測試時，與假人測試結(jié)果之間更快速地產(chǎn)生差距，熱阻變化率更快速。

3 結(jié) 論

1)真人測試結(jié)果表明，人體各部位的服裝局部動態(tài)熱阻低于靜態(tài)熱阻，在上臂和下臂的熱阻變化最大，小腿的熱阻變化最小。其余上半身和下半身區(qū)域內(nèi)部的動靜態(tài)熱阻比例關(guān)系相近。

2)局部熱阻測試表明，斜率不大于0.76部位的動靜態(tài)熱阻之間差異顯著。說明變化率高于24%時，運動對熱阻產(chǎn)生顯著影響。

3)真人測試時，動靜態(tài)總熱阻之間的關(guān)系式為y=0.97x，R2=0.99；靜態(tài)測試時，真人測試和假人測試結(jié)果之間的關(guān)系為y=-0.74+3.05x，R2=0.997；動態(tài)測試時，真人測試和假人測試結(jié)果之間的關(guān)系為y=-0.87+4.06x，R2=0.98。

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