開放式局部熱阻測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

鄧 輝, 師云龍, 胡源盛 , 錢曉明, 范金土,

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 康奈爾大學(xué) 人類生態(tài)學(xué)院， 紐約 14853)

熱阻是影響服裝熱舒適性的重要參數(shù)，其測量方法和測試系統(tǒng)對于研究和改善服裝的熱舒適性具有重要意義[1]。眾所周知，人體各部位的體表溫度各不相同，人體各部位的局部熱阻也各不相同。局部熱阻能更真實(shí)地表達(dá)服裝對所覆蓋部分身體的隔熱性能[2-3]，特別是對于由相同面料組成的服裝而言，局部熱阻還能區(qū)分由服裝結(jié)構(gòu)形成的細(xì)微差別。

目前局部熱舒適性研究是國際上此類研究的熱點(diǎn)問題，包括如日本[4-6]、葡萄牙[7-9]、瑞典[10-12]以及德國[13-14]等國家在內(nèi)的許多學(xué)者均借助假人在研究人體局部熱舒適性上取得了較大的進(jìn)展，但上述的研究均在多段暖體假人(multi-segment manikin)上完成。多段暖體假人在局部熱舒適性的研究上具有一定的優(yōu)勢，但多段暖體假人是由溫度和測量系統(tǒng)單獨(dú)控制的多節(jié)段組成，這種暖體假人可以給出在一定的環(huán)境條件下各段的相對熱損失，但同時(shí)其某一節(jié)段到另一節(jié)段還存在內(nèi)部熱傳遞，服裝層內(nèi)之間有熱流，這些都會(huì)影響局部熱阻的準(zhǔn)確性，這顯然與真實(shí)的人體是有區(qū)別的。單段暖體假人(whole-segment manikin)全身為一個(gè)整體，各部位由于相互連通，其參數(shù)如表面溫度和濕度等可以相互影響，更貼近真人的情況。目前對于單段暖體假人的局部熱舒適性的相關(guān)研究較少,主要原因在于適合于單段暖體假人的局部熱阻測試系統(tǒng)并不多見。

本文結(jié)合康奈爾大學(xué)的出汗暖體假人Walter[15-16]。設(shè)計(jì)開發(fā)開放式遠(yuǎn)程局部熱阻測試系統(tǒng)并完成局部熱阻的測試，并通過多個(gè)實(shí)例進(jìn)行測試以驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 局部熱阻測試原理

1.1 暖體假人熱阻測試原理

熱阻的計(jì)算主要有3種方法，包括總體法、并行法和串行法，其中可應(yīng)用于局部熱阻計(jì)算的為并行法和串行法2種計(jì)算方法。

并行法算法如式(1)所示。

(1)

串行法算法如式(2)所示。

(2)

(3)

式中：IT為熱阻，m2·℃/W；fi=Ai/A，其中A為假人體表面積，m2，Ai為假人身體各區(qū)域表面積，m2；i為假人身體各個(gè)區(qū)域編號(i=1,2, …,n)；t0為空氣溫度，℃；Qs,i為每個(gè)區(qū)域的局部熱流密度，W/m2；tsk,i為每個(gè)區(qū)域的皮膚表面溫度，℃。

這2種方法目前在世界上均有被采用，其中北美和中國大多采用并行法作為衡量熱阻結(jié)果的方法，而歐洲大多采用串行法作為衡量熱阻結(jié)果的方法。一般來說，采用串行法需要先計(jì)算服裝各節(jié)段的熱阻，再按暖體假人各節(jié)段的體表面積加權(quán)得到服裝的總熱阻，測得的熱阻值數(shù)值往往比采用并行法測得的熱阻值數(shù)值要高20%左右。結(jié)合我國實(shí)際情況，本文以并行法作為衡量最終結(jié)果準(zhǔn)確性的方法。

目前，出汗暖體假人Walter的熱阻通過下述公式[17]計(jì)算得出：

(4)

Hd=Hs+Hp-He-Ha

(5)

He=Qλ

(6)

Ts=12%T1+9.12%T2+9.5%T3+

6.01%T4+6.37%T5+4.93%T6+

4.93%T7+3.3%T8+3.3%T9+

6.97%T10+6.97%T11+6.97%T12+

6.97%T13+6.33%T14+6.33%T15

(7)

式中：Ta為環(huán)境溫度，℃；Ts為假人皮膚表面平均溫度，℃；Hd為假人干熱損失，W；Hs為加熱器能量消耗，W；Hp為水泵能量消耗，W；He為濕熱損失，W；Ha為管路熱損失，W；Q為假人每小時(shí)汗汽蒸發(fā)量，g/h；λ為水的汽化熱，(W·h)/g，其每小時(shí)值為0.67 W/g；T1～T15為假人身上不同位置的表面溫度，℃。

上述公式可根據(jù)Walter的整體輸入能量與輸出能量之差計(jì)算出Walter的整體熱阻，但不能計(jì)算出Walter的局部熱阻，因此，只要本文所述局部熱阻測試系統(tǒng)通過式(1)計(jì)算出Walter整體熱阻并與通過式(4)計(jì)算得出的整體熱阻相比較，如誤差較小，即可認(rèn)定局部熱阻測試系統(tǒng)準(zhǔn)確。

1.2 熱流密度的測試

由并行法的公式可看出，為得到假人的局部熱阻值需要首先獲得每部分軀干的局部熱流密度值和表面溫度值。表面溫度值可采用溫度傳感器來測量，而局部熱流密度值需要采用熱流傳感器對熱流密度進(jìn)行測量。

在本文系統(tǒng)中選用適合于服裝用的高精度熱流傳感器，并根據(jù)ISO 8301 AMD 1—2010《絕熱恒定熱阻及相關(guān)性能的測定-熱流量計(jì)法》標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行標(biāo)定。經(jīng)標(biāo)定，熱流傳感器的測量范圍為-689.75～689.75 W/m2, 測量精度為2.6 W/m2，測量范圍和精度完全滿足測試要求。

2 局部熱阻測試系統(tǒng)的建立

2.1 出汗暖體假人系統(tǒng)

出汗暖體假人是一種具有人體外形且能真實(shí)模擬并測量人體與外界進(jìn)行熱濕交換的儀器設(shè)備系統(tǒng)，它能在設(shè)定的環(huán)境條件下，模擬人體、服裝和環(huán)境間的熱交換過程，科學(xué)地測試服裝整體或局部的熱學(xué)性能參數(shù)，避免了人體實(shí)驗(yàn)中個(gè)人生理、心理因素和個(gè)體差異的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，可重復(fù)性好。

本文采用的出汗暖體假人為康奈爾大學(xué)的Walter假人，如圖1所示，出汗水路系統(tǒng)如圖2所示。2005年美國將Walter假人收錄到用于出汗假人測試的ASTM F2370—2010 《利用出汗假人測量服裝濕阻的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》中。

圖1 Walter暖體假人外觀圖Fig.1 Look of manikin Walter

圖2 Walter暖體假人的水路系統(tǒng)Fig.2 Water system of manikin Walter

出汗暖體假人為男性身體：身高172 cm、頸圍45 cm、胸圍95 cm、腰圍89 cm、臀圍100 cm、表面積1.79 m2，假人皮膚表面為防水透氣聚四氟乙烯(PTFE)3層面料。出汗暖體假人出汗量為0～600 g/h。出汗暖體假人中心溫度穩(wěn)定可控為(37±0.1)℃。

2.2 局部熱阻測試系統(tǒng)

局部熱阻測試系統(tǒng)選用了LabVIEW(NI公司的圖形編程軟件)作為整套系統(tǒng)的開發(fā)工具，局部熱阻測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析及存儲(chǔ)、虛擬儀器操作及顯示面板等均采用其來開發(fā)完成。本文系統(tǒng)主要由底層信號采集與外圍硬件接口模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、假人表面溫度及熱流值實(shí)時(shí)顯示模塊、水泵PID控制調(diào)節(jié)模塊、運(yùn)行過程監(jiān)控模塊等功能模塊組成，各模塊之間相互協(xié)調(diào)、相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)局部熱阻測試系統(tǒng)的功能。

2.2.1信號采集與外圍硬件接口模塊

位于出汗暖體假人Walter表面每個(gè)區(qū)域的熱流傳感器及其他傳感器信息均由多塊16通道16位數(shù)據(jù)采集卡(型號為cFP-AI-112)采集傳送至網(wǎng)絡(luò)化浮點(diǎn)分析處理系統(tǒng)(型號為cFP-2220)進(jìn)行分析處理。

該網(wǎng)絡(luò)化浮點(diǎn)分析處理系統(tǒng)擁有400 MHz的中央處理器，其自帶256MBSDRAM，存儲(chǔ)空間可達(dá)512 MB。另外其本身的CF卡或USB插口便于實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)插口便于實(shí)現(xiàn)局部熱阻測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)提取與控制。所采集到的數(shù)據(jù)均由LabVIEW 編寫的本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取、分析和存儲(chǔ)顯示，系統(tǒng)內(nèi)涉及到的數(shù)字信號控制信息輸出由數(shù)字輸出模塊(型號為cFP-DO-403)完成，模擬信號控制信息輸出由模擬輸出模塊(型號為cFP-AO-210)完成。

為完成系統(tǒng)應(yīng)用程序的所有功能，還需要將底層硬件和上層應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)和外圍接口程序連接起來，其中的擴(kuò)展模塊預(yù)留了相應(yīng)的接口，可將本文系統(tǒng)在今后擴(kuò)展為局部濕阻測試打下軟硬件基礎(chǔ)，也體現(xiàn)了本文系統(tǒng)的開放性。

2.2.2參數(shù)設(shè)置模塊

局部熱阻測試系統(tǒng)中需要設(shè)定的重要參數(shù)主要有假人核心溫度、熱流值采樣間隔，各區(qū)域面積與全身面積比值等。假人核心溫度通常是根據(jù)具體的國際通行測試標(biāo)準(zhǔn)來確定，如對站姿假人進(jìn)行測試時(shí)需要將核心溫度設(shè)置為37 ℃，而對于躺姿假人來說測試時(shí)需要將核心溫度設(shè)置成35 ℃等，該核心溫度值必需與Walter假人系統(tǒng)的核心溫度值保持一致，一旦出現(xiàn)不匹配則發(fā)出錯(cuò)誤信息進(jìn)行報(bào)警。熱流值采樣間隔則是根據(jù)測試的精度要求可設(shè)置為5、10、20、30、60 min時(shí)采樣1次，精度依次遞增，一般而言20 min為默認(rèn)值。各區(qū)域面積與全身面積比值為式(2)、(3)中的fi，根據(jù)不同的位置fi分別為12%(頭)、9.12%(胸)、9.5%(背)、6.01%(腹)、6.37%(腰)、4.93%(左右上臂2處)、3.3%(左右下臂2處)、6.97%(左右大腿前后2處)、6.33%(左右腳踝2處)。

2.2.3假人表面溫度及熱流值實(shí)時(shí)顯示模塊

為能實(shí)時(shí)對假人各部分皮膚溫度進(jìn)行測試和顯示，以便保證局部熱流密度測試更加準(zhǔn)確，采用NI VISION技術(shù)開發(fā)了假人皮膚溫度實(shí)時(shí)圖像顯示模塊。該模塊在系統(tǒng)中的顯示如圖3所示。該模塊不僅可實(shí)時(shí)監(jiān)測假人各部分的表面溫度，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測假人水路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)預(yù)約定時(shí)采集。

圖3 假人表面溫度實(shí)時(shí)顯示模塊Fig.3 Skin temperature real-time display module of Manikin

2.2.4水泵PID控制調(diào)節(jié)模塊

為將假人體內(nèi)的熱水盡快分散到假人體內(nèi)的各個(gè)區(qū)域并盡可能保持皮膚表面溫度均勻以更能貼合真實(shí)人體表面皮膚溫度分布，本文系統(tǒng)在假人內(nèi)部安裝6個(gè)水泵完成上述功能。這就要求在測試局部熱阻時(shí)，需要對每個(gè)水泵都進(jìn)行單獨(dú)控制并盡量保持假人表面溫度穩(wěn)定和平均，而PID參數(shù)設(shè)置是實(shí)現(xiàn)這種控制模式最有效的方式。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，本文系統(tǒng)對每個(gè)水泵均進(jìn)行了PID參數(shù)設(shè)置，該參數(shù)可以使皮膚表面溫度盡可能均勻并保證其測試內(nèi)容符合ASTM F2370—2010 《利用出汗假人測量服裝濕阻的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.5運(yùn)行過程監(jiān)控模塊

運(yùn)行監(jiān)控模塊主要完成對諸如環(huán)境溫度，環(huán)境濕度，各部分傳感器及整體系統(tǒng)供電供水是否異常等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控。由于ASTM F2370—2010標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境溫濕度有著非常嚴(yán)格的要求，因此本文系統(tǒng)必須對環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)控并顯示，一旦出現(xiàn)溫濕度不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況則必須停止測試，待符合測試標(biāo)準(zhǔn)才能重新開始測試。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了表征本文系統(tǒng)的測試結(jié)果，選取了5種狀態(tài)來進(jìn)行本文實(shí)驗(yàn)，包括裸態(tài)(后文代號為N)指的是假人不穿任何衣服時(shí)的狀態(tài)，這通常用作驗(yàn)證假人系統(tǒng)正常工作與否的標(biāo)準(zhǔn)。其他4種狀態(tài)分別為將假人穿上M號全棉襯衣和休閑褲(后文代號為ST16)，M號全棉短袖衫和休閑褲，大孔代表短袖衫在左右2個(gè)上臂部具有較大的花紋孔(后文代號為SLT)，小孔代表其左右2個(gè)上臂部具有較小的花紋孔(后文代號為SST)，最后一種為M號全棉T恤和休閑褲(后文代號為TT)，休閑褲均采用同一款式同一面料同一大小。

實(shí)驗(yàn)過程中，將人工氣候室設(shè)定為環(huán)境溫度為20 ℃，相對濕度為65%，風(fēng)速為無風(fēng)的標(biāo)況。假人的核心溫度保持37 ℃不變。所使用的服裝均需在人工氣候室中調(diào)濕24 h。每套服裝對應(yīng)的測試均需要測試4次取平均值并且每次均需要將假人進(jìn)行穿脫服裝。熱阻的測量需要假人在人工氣候室中穩(wěn)定12 h之后再進(jìn)行測量。假人在測試過程中始終保持懸掛狀態(tài)并不接觸地面。

將假人表面劃分為15個(gè)區(qū)域(如圖3所示，其中左右臂測試時(shí)分別再細(xì)分為左右上臂和左右下臂)，每個(gè)區(qū)域均放置1個(gè)熱流傳感器和1個(gè)溫度傳感器緊貼假人皮膚表面，放置位置為每個(gè)區(qū)域中心部位任意點(diǎn)，所有的熱流傳感器和溫度傳感器均連接至多通道熱流測試系統(tǒng)上完成熱阻和局部熱阻測試，水分損失通過如圖2所示的小水箱下面的電子天平來進(jìn)行測量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1全身熱流密度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

首先進(jìn)行全身熱流密度實(shí)驗(yàn)，表1示出全身熱能量變化數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)包括了加熱器能量消耗Hs、管路熱損失Ha，假人每小時(shí)汗汽蒸發(fā)量Q以及水泵能量消耗Hp，經(jīng)公式(5)可計(jì)算得出全身熱能量變化，再除以假人全身表面積(1.79 m2)即可得出全身熱流密度。

圖4示出采用局部熱阻測試系統(tǒng)對包括裸態(tài)、M號全棉襯衣和休閑褲、大孔M號全棉短袖衫和休閑褲、小孔M號全棉短袖衫和休閑褲、M號全棉T恤和休閑褲在內(nèi)的每種狀態(tài)經(jīng)過5次實(shí)驗(yàn)得出的標(biāo)準(zhǔn)差。從圖上可看出，該測試系統(tǒng)的重復(fù)性非常好。

表1 全身熱能量變化數(shù)據(jù)表Tab.1 Data of whole body heat energy change

圖4 每種狀態(tài)5次試驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Mean value and standard deviation of this test method after 5 times on different samples

圖5 各種狀態(tài)下假人身體每部分局部熱流量值圖Fig.5 Local heat flux of every division zone of manikin in different statuses

表2示出實(shí)測和計(jì)算全身熱流密度。表中實(shí)測全身熱流密度的數(shù)值是通過將假人身體表面每個(gè)區(qū)域的熱流密度有效值經(jīng)面積加權(quán)得出，與整體熱流密度相比二者的誤差最大不超過4.6 W/m2。證明從總體上看，采用局部熱阻測試系統(tǒng)可反映假人的全身熱流密度。

表2 實(shí)測全身熱流密度和計(jì)算全身熱流密度數(shù)據(jù)表Tab.2 Data sheet of the real heat loss and heat loss calculated W/m2

3.2.2局部熱流密度測試實(shí)驗(yàn)

圖5示出在局部熱流實(shí)驗(yàn)中假人各區(qū)域的熱流密度分布圖。可看出假人處于各種狀態(tài)下的熱流密度分布情況。

在圖5所示的5種狀態(tài)下，頭部熱流密度值基本保持不變(其值為130 W/m2左右，下同)，對于假人身體其他部分而言，如所穿著服裝不同，則數(shù)值會(huì)有較大差異；而所穿著服裝相同，則數(shù)值變化不大。舉例來說，如假人臂部部分(包括左臂和右臂)，當(dāng)穿上ST16長袖和SLT短袖襯衫之后，其值發(fā)生了較大的變化(值從長袖狀態(tài)下左下臂的86 W/m2變?yōu)槎绦錉顟B(tài)下的131 W/m2，長袖狀態(tài)下右下臂從45 W/m2變?yōu)槎绦錉顟B(tài)下198 W/m2)，即當(dāng)從長袖襯衫換為短袖襯衫時(shí)，假人在下臂部分感覺更涼快；對于SLT狀態(tài)的短袖襯衫和SST狀態(tài)的而言，當(dāng)短袖處為大孔和小孔時(shí)，其值也發(fā)生了較大的變化(大孔的左上臂82 W/m2變?yōu)樾】椎?4 W/m2，大孔的右上臂100 W/m2變?yōu)樾】椎?5 W/m2)，即當(dāng)從大孔短袖襯衫換為小孔短袖襯衫時(shí)，假人在上臂部分感覺更“悶熱”。在測試的5種狀態(tài)中，由于下身均穿著同一款褲子，下身的各部分區(qū)域熱流密度值變化不大。說明該測試系統(tǒng)可準(zhǔn)確表示不同服裝條件下假人的局部熱流密度測試數(shù)值。

3.2.3服裝熱阻實(shí)驗(yàn)

由式(1)～(3)可知，通過局部熱流密度可獲得假人的總熱阻值，由此也可驗(yàn)證所測局部熱流密度的準(zhǔn)確性。將各區(qū)域局部熱阻值按照面積權(quán)值根據(jù)轉(zhuǎn)化為整體熱阻值再和式(4)計(jì)算值進(jìn)行比較(考慮到目前我國和美國均采用并行法表示熱阻，所以本文也采用并行法)。表3示出各種狀態(tài)下假人標(biāo)準(zhǔn)熱阻和計(jì)算熱阻數(shù)據(jù)。

表3 各種狀態(tài)下假人標(biāo)準(zhǔn)熱阻和計(jì)算熱阻數(shù)據(jù)表Tab.3 Thermal resistance of manikin (real and calculated) in different statuses

從表3可看出，這幾種情況和標(biāo)準(zhǔn)值比較后，其最大誤差均小于3.1%，證明其測試結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合康奈爾大學(xué)的Walter暖體出汗假人，設(shè)計(jì)開發(fā)了開放式局部熱阻測試系統(tǒng)并選取了裸態(tài)和穿M號全棉襯衣和休閑褲、穿大孔M號全棉短袖衫和休閑褲、穿小孔M號全棉短袖衫和休閑褲、穿全棉T恤和休閑褲等4種著裝狀態(tài)共5種情況，完成了整體熱流密度測試、局部熱流密度測試和服裝熱阻測試等3項(xiàng)測試。實(shí)驗(yàn)得出，開放式局部熱阻測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確表示穿著不同服裝條件下假人的局部熱流密度數(shù)值，其整體熱流密度誤差不超過4.6 W/m2，熱阻誤差不超過3.1%。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以完成暖體出汗假人的局部熱阻的測試。在今后的科研工作中，還可對本文系統(tǒng)的開放式接口進(jìn)行適當(dāng)改造，以完成更多的測試工作。