交警夏季制服的熱學(xué)性能研究

李 莎 蔣銘媛 趙 巖 楊瑞梁 錢曉明

（天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387）

警服是警察專屬使用的制式服裝。目前我國使用的 99 式警服是警察執(zhí)勤時(shí)穿的常服［1?2］。交通警察由于其工作性質(zhì)的特殊性，某些時(shí)段內(nèi)不可避免需要暴露于戶外高溫環(huán)境下，而且不能隨意改變著裝及周圍微環(huán)境，因此更容易受到高溫環(huán)境的熱傷害。高溫天氣里戶外工作者的中暑現(xiàn)象不僅影響工作效率，更危及生命安全，因此如何避免高溫帶來的中暑等熱傷害是戶外職業(yè)熱防護(hù)的重要研究方向［3?4］。交警夏季戶外執(zhí)勤過程中穿著的制服是人體與空氣之間熱濕傳遞的媒介，所起的作用包括隔熱和阻礙濕擴(kuò)散，直接影響人體散熱散濕，影響著交警的舒適程度［5］。有文獻(xiàn)研究交警制服面料的防曬功能和款式設(shè)計(jì)，但對交警制服熱學(xué)性能方面的研究還比較少［6］。

GA 254—2009《警服 襯衣》和GA 258—2009《警服單褲》都沒有涉及警服的熱學(xué)性能。中華人民共和國公安部印發(fā)的《人民警察著裝范圍和供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定》中僅指出，交警夏季配發(fā)定點(diǎn)企業(yè)生產(chǎn)的滌棉短袖襯衣和單褲等。以天津?yàn)槔ㄟ^對夏季戶外18 名執(zhí)勤交警不同值班時(shí)段的持續(xù)問卷調(diào)查，共獲得416 份有效問卷；其中，2019 年6 月主觀熱感覺投票集中在“熱”和“非常熱及以上”的為 68.6%，7 月為 82.3%［7］。我們在此基礎(chǔ)上以天津交警新配發(fā)的夏季執(zhí)勤制服為研究對象，測試和分析警服及面料的熱濕性能，為設(shè)計(jì)或改進(jìn)交警制服結(jié)構(gòu)、面料等提供依據(jù)。

1 交警制服的熱學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

目前，出汗暖體假人是主要的客觀測量工具。本試驗(yàn)采用Walter 出汗暖體假人測量交警夏季工作制服的熱阻和濕阻，外觀如圖1 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示［8］。Walter 出汗暖體假人能較為真實(shí)地模擬人的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中心溫度可控制在37 ℃±0.1 ℃，皮膚溫度可通過調(diào)節(jié)模擬血液循環(huán)系統(tǒng)控制在31 ℃～35 ℃內(nèi)，可同時(shí)精確地檢測到假人身上的熱能損失和蒸發(fā)水量以及15 點(diǎn)皮膚溫度、7 點(diǎn)皮膚濕度、人體中心和環(huán)境的溫濕度，實(shí)現(xiàn)服裝熱濕舒適性的兩個(gè)最重要參數(shù)——熱阻和濕阻的同時(shí)測量。試驗(yàn)在人工氣候室中進(jìn)行，空氣溫度控制范圍為-20 ℃～50 ℃，精度±1 ℃；空氣相對濕度控范圍為45%～90%，相對濕度穩(wěn)定度±5%；風(fēng)速可控范圍為0～12 m/s，精度±0.1 m/s?？諝鉁囟?、相對濕度、風(fēng)速技術(shù)參數(shù)滿足1.5 m×1.5 m×2.3 m 范圍內(nèi)假人活動區(qū)域。

圖1 Walter 出汗暖體假人外觀

圖2 Walter 出汗暖體假人內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)過程和熱阻與濕阻的計(jì)算方法

試驗(yàn)操作流程按照ASTM F 1291―2005《Standard Test Method for Measuring the Ther?mal Insulation of Clothing Using a Heated Mani?kin》和 ISO 9920―2007《Ergonomics of the Ther?mal Environment―Estimation of Thermal Insula?tion and Water Vapour Resistance of a Clothing Ensemble》對服裝測試方法的要求，分別測量裸態(tài)假人和穿著交警執(zhí)勤服時(shí)的熱阻、濕阻。試驗(yàn)測定時(shí)人工氣候室環(huán)境工況：溫度20 ℃±1 ℃，相對濕度60%±5%，風(fēng)速0～0.3 m/s。做試驗(yàn)前將嶄新的交警制服懸掛至恒溫恒濕室調(diào)濕平衡24 h。試驗(yàn)過程中，為了減少進(jìn)入氣候室換裝的時(shí)間以避免影響氣候室環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定與精確，在裸態(tài)基礎(chǔ)上采取長褲、長褲+短袖襯衫、長褲+反光背心、長褲+短袖襯衫+反光背心的試驗(yàn)次序，試驗(yàn)編號依次為 A1、A2、A3 和 A4，具體如圖3 所示。

圖3 氣候室中交警制服的測試圖

待暖體假人核心溫度達(dá)到37 ℃且保持穩(wěn)定時(shí)，主界面中“Stable”亮起，此時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)開始自動記錄數(shù)據(jù)，每隔30 s 采集并保存一次皮膚溫度、空氣溫度、空氣相對濕度、加熱功率、蒸發(fā)水量，連續(xù)記錄1 h 后計(jì)算出熱阻和濕阻。透濕指數(shù)是一個(gè)無因次量，表明服裝的透濕性能，是服裝舒適性的另一重要指標(biāo)；透濕指數(shù)越大，即服裝的透濕性能越好，在高濕環(huán)境中越容易維持人體的熱平衡。由于熱濕傳遞的耦合作用，在對服裝的透濕性能進(jìn)行定量評價(jià)時(shí)，通常采用透濕指數(shù)Im和透濕指數(shù)與熱阻比值Im/Rcl進(jìn)行綜合評定，Im/Rcl稱為蒸發(fā)散熱效能［9］。數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件由圖形化編程語言LabVIEW 編寫得到，主界面如圖4 所示。

圖4 Walter 出汗暖體假人的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件主界面圖

2 試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

經(jīng)過連續(xù)兩天的測量，得到假人在裸態(tài)及4種著裝狀態(tài)下的測量結(jié)果，見表1。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到交警執(zhí)勤制服褲裝、襯衫、反光背心及套裝的熱阻、濕阻，并計(jì)算其對應(yīng)的透濕指數(shù)，見表2。其中，熱阻Rcl為測試值，可換算成常用的熱阻Icl。

表2 制服熱學(xué)性能計(jì)算結(jié)果

其中，美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會的ASHRAE 55—2013 《Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》推薦的長褲、襯衫和套裝的熱阻分別為0.15 clo、0.19 clo 和0.57 clo［10］；ISO 7730—2005《Ergonomics of the Thermal Environment Analytical Determinationand Interpretation of Thermal Comfort Using Cal?culation of the PMV and PPD Indices and Local Thermal Comfort Criteria》推薦的長褲、襯衫和套裝的熱阻值分別為0.20 clo、0.15 clo 和0.5 clo［11］。對比表2 可以看出 ，交警執(zhí)勤制服的試驗(yàn)測量熱阻均比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值大。

濕阻作為服裝熱濕性能的另一參數(shù)，在高溫環(huán)境下人體與環(huán)境的熱交換中顯得尤其重要，但目前標(biāo)準(zhǔn)中并無這一參數(shù)的推薦值。ASHRAE 55—2013《Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》中涉及到服裝套裝的透濕指數(shù)Im；本試驗(yàn)測量得到交警制服套裝的透濕指數(shù)Im為0.242，較上述標(biāo)準(zhǔn)中推薦透濕指數(shù)0.36 小32.8%。

測試數(shù)據(jù)表明，交警制服的熱學(xué)性能參數(shù)不能滿足國際通用標(biāo)準(zhǔn)要求，這是目前交警夏季制服穿著舒適感差、容易受到熱傷害的原因之一。制服熱學(xué)性能參數(shù)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的原因與服裝版型、款式、面料的差異性等因素有重要關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不僅要用查表法參考標(biāo)準(zhǔn)要求，還需要采取直接測量的方法獲得更為精確的服裝熱學(xué)性能參數(shù)。由于目前試驗(yàn)的制服熱學(xué)性能不能滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求，為此我們繼續(xù)探究其面料的熱學(xué)性能。

3 交警制服面料的熱學(xué)性能試驗(yàn)

測試交警制服面料熱學(xué)性能參數(shù)，將其中褲裝面料（毛/滌綸50/50 斜紋）、短袖面料（滌綸紗卡）、背心網(wǎng)紋面料（全滌綸網(wǎng)紋）、背心反光條面料（反光材料）依次編號為 1、2、3、4，實(shí)物照片如圖5 所示。

圖5 交警制服面料式樣照

首先測量各面料的基本參數(shù)，利用YG141 LA 型數(shù)字式織物厚度儀測量厚度；利用電子天秤測量質(zhì)量，計(jì)算織物單位面積質(zhì)量。將各面料試樣放置于恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室（空氣溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度60%±2%）調(diào)濕平衡24 h，利用YG（B）216?Ⅱ型織物透濕量儀測試透濕率［12］；利用 YG461 型織物中壓透氣量儀測試透氣率；利用平板式織物保溫儀測量保溫率、熱阻。測試結(jié)果見表3。

表3 交警制服各面料基本參數(shù)和熱學(xué)性能參數(shù)

如表3 所示，長褲、襯衫的面料均以滌綸為主，其熱阻均比成衣熱阻大，這可能是由于服裝成品存在一定的開口度，有微弱氣流在其中循環(huán)導(dǎo)致測量出的熱阻受到一定的影響。長褲面料和短袖襯衫面料的透濕率基本相同，與假人試驗(yàn)測量得到長褲、短袖濕阻相差不大的結(jié)果相一致。反光背心是全滌綸網(wǎng)紋布和反光條拼接而成。網(wǎng)紋布的熱阻較小，且由于網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)的特殊性，其透濕率約是褲子面料和短袖面料的2 倍左右；反光條材料的厚度和單位面積質(zhì)量遠(yuǎn)超過其他面料，且不透濕、不透氣。

4 結(jié)論

采用Walter 出汗暖體假人測量了以天津市交警夏季執(zhí)勤制服及其面料的熱學(xué)性能參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)測的交警制服熱阻值均比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)服裝款式推薦的熱阻值大，不能滿足國際通用標(biāo)準(zhǔn)要求，這是其穿著舒適感差、容易受到熱傷害的原因之一。實(shí)測交警制服套裝的透濕指數(shù)為0.242，比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)服裝款式推薦透濕指數(shù)小，這是穿著不透氣的重要原因。長褲、襯衫面料均以滌綸為主，熱阻均比成衣熱阻大，而透濕率基本相同。反光背心是全滌綸網(wǎng)紋布和反光條拼接而成，網(wǎng)紋布的熱阻較小，其透濕率約是長褲和短袖襯衫面料的2 倍左右；反光條材料的厚度和單位面積質(zhì)量遠(yuǎn)超過其他面料，且不透濕、不透氣。未來我國的交警制服和面料設(shè)計(jì)應(yīng)采用熱阻低、透濕指數(shù)高的面料，在服裝結(jié)構(gòu)上也要從執(zhí)勤交警的熱舒適角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止發(fā)生熱傷害。