風(fēng)速、濕度及汗?jié)窳繉?duì)服裝熱阻影響的試驗(yàn)

柳光磊,劉何清,唐炫,吳世先,吳國珊

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院,貴州 興義市 562400)

服裝的熱阻是衡量服裝熱舒適性的重要標(biāo)準(zhǔn),它由基本熱阻和服裝外表面邊界空氣層的熱阻組成并受多種因素影響,每種因素對(duì)熱阻的影響都是一個(gè)復(fù)雜的過程.

目前國內(nèi)外主要從構(gòu)建模型、試驗(yàn)、數(shù)值模擬3個(gè)方面開展服裝熱阻的研究.Fanger[1]在1970年建立著裝人體在穩(wěn)態(tài)條件下能量平衡的熱舒適性方程;周俊彥[2]建立環(huán)境風(fēng)速和溫度的熱舒適組合模型;Wan[3]引入服裝的熱濕傳遞到二節(jié)點(diǎn)模型來預(yù)測人體生理反應(yīng);于瑤[4]分析風(fēng)速與步速對(duì)服裝表面空氣層熱阻的影響并得出服裝的熱阻與風(fēng)速及步速的關(guān)系公式;李敏[5]研究了服裝熱阻的計(jì)算方法;張文歡[6]研究了服裝局部熱阻與總熱阻的動(dòng)靜態(tài)關(guān)系及其模型;Joshi[7]考慮身體運(yùn)動(dòng)因素建立了服裝熱傳遞模型;周俊彥[8]開展了熱舒適條件下環(huán)境風(fēng)速和溫度最佳組合的試驗(yàn)研究;Ueda[9]研究了織物透氣性對(duì)服裝通風(fēng)的影響;賴軍[10]研究了風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)服裝動(dòng)態(tài)熱阻的影響;Oh[11]研究了風(fēng)速和風(fēng)向?qū)θ梭w散熱的影響;Ismail[12]研究了環(huán)境條件對(duì)潛熱和顯熱損失的影響以及步行和風(fēng)速對(duì)熱阻的影響;胡紫婷[13]研究了衣下空氣層對(duì)透氣型防護(hù)服熱阻和濕阻的影響;楊恩慧[14]研究了礦工服濕潤程度對(duì)其熱阻的影響;Liu[15]研究了服裝熱阻與操作溫度對(duì)皮膚溫度的影響;Wang[16]研究了服裝空氣層與濕阻的關(guān)系;Tu[17]研究了有風(fēng)環(huán)境下透水織物的有效熱阻;Mao[18]對(duì)服裝系統(tǒng)進(jìn)行了熱濕傳遞數(shù)值模擬;Zhang[19]對(duì)手部對(duì)流傳熱系數(shù)及風(fēng)速影響的數(shù)值模擬;Shen[20]對(duì)多孔紡織品進(jìn)行了傳熱和流動(dòng)的數(shù)值模擬.

目前的研究多關(guān)注服裝本身因素、環(huán)境因素對(duì)服裝熱阻的影響,但關(guān)于風(fēng)速、濕度及汗?jié)窳繉?duì)服裝熱阻影響的研究不多,仍然需要進(jìn)一步研究.本文借助自制暖體假人平臺(tái),選取礦工服面料和絨衣,分別在不同的風(fēng)速、濕度及汗?jié)窳康臓顟B(tài)下進(jìn)行服裝熱阻的測定試驗(yàn),為礦井工人熱舒適評(píng)價(jià)提供參考.

1 研究方法

1.1 服裝熱阻

為了研究環(huán)境濕度、風(fēng)速及汗?jié)窳繉?duì)服裝熱阻的影響,必須清楚服裝熱阻的測定方法和計(jì)算方法,并且明確服裝在人與環(huán)境的熱交換中的計(jì)算模型和服裝熱阻的影響因素.

1.1.1 服裝熱阻的測定方法和計(jì)算方法

本試驗(yàn)裝置是基于“銅人模型”自制暖體假人.測定的方法:通過測量電能的消耗計(jì)算出服裝的熱阻值.在測定過程中,暖體假人表面溫度維持在33 ℃.

測定服裝熱阻,要明確3種不同概念的服裝熱阻的計(jì)算方法[21-22]:

1)總熱阻It(從人體皮膚表面到環(huán)境的熱阻)

(1)

式中:It為服裝總熱阻, m2·℃·W-1;tsk為皮膚表面平均溫度,℃;ta為環(huán)境空氣溫度,℃;H為人體皮膚表面到環(huán)境的熱流密度, W·m-2.

2)有效熱阻Icle(從人體皮膚表面到服裝外表面的熱阻)

Icle=It-Ia.

(2)

式中:Icle為服裝的有效熱阻, m2·℃·W-1;Ia為裸體銅人表面空氣層的熱阻, m2·℃·W-1.

為了得到Ia的值,可以對(duì)裸體暖體假人在相同的環(huán)境條件下做測定,并利用式(1)計(jì)算.

3)基本熱阻Icl(從人體皮膚表面到服裝外表面的熱阻,并考慮到服裝面積因素的影響)

Icl=It-Ia/fcl.

(3)

式中:Icl為基本熱阻,m2·℃·W-1;fcl為服裝面積系數(shù),是著裝的人體表面積與裸體表面積之比.

1.1.2 服裝在人與環(huán)境的熱交換中的計(jì)算模型

1970年, Fanger提出了描述著裝人體在穩(wěn)態(tài)條件下能量平衡的熱舒適性方程[23-24]，如式(4)所示.

M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]-0.42(M-W-58.15)-0.017 3M(5 867-Pa)-

(4)

式中:M為活動(dòng)量(能量代謝率),W·m-2;W為人體對(duì)外所做的機(jī)械功,W·m-2;Pa為人體周圍空氣中的水蒸氣分壓,kPa;tcl為著裝人體外表平均溫度,℃;Icl為成套服裝基本熱阻,m2·K·W-1;hc為人體外表與環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù),W·m-2·K-1;Tcl為著裝人體外表平均溫度,K;Tr為環(huán)境的平均輻射溫度,K.

環(huán)境與人體的中介即服裝的基本熱阻,它雖然沒有直接反映在熱平衡方程中,但它直接影響服裝的特性系數(shù).本試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)風(fēng)速改變對(duì)流換熱系數(shù)hc,通過調(diào)節(jié)相對(duì)濕度改變?nèi)梭w周圍空氣的水蒸氣分壓,通過調(diào)節(jié)服裝的汗?jié)窳扛淖儚娜梭w帶走的蒸發(fā)熱量.

1.1.3 服裝綜合熱阻的定義

邊界層的概念對(duì)于表面與流過表面的流體之間的對(duì)流傳熱和傳質(zhì)有重要意義.服裝表面的速度邊界層結(jié)構(gòu)如圖1所示(U0表示主流速度,x表示流體在平板上沿流動(dòng)方向流動(dòng)的長度,y表示邊界層厚度,xcr表示邊界層的臨界長度,δ0表示層流底層厚度),與速度邊界層類似,熱和濃度邊界層沿流動(dòng)方向是增大的.

圖1 服裝表面速度邊界層結(jié)構(gòu)

服裝在人體熱平衡過程中起到保溫和阻礙濕擴(kuò)散的作用.服裝的存在影響了皮膚表面的汗液蒸發(fā).一方面服裝對(duì)皮膚表面的水蒸氣擴(kuò)散有一個(gè)附加的阻力,另一方面服裝吸收部分汗液,使得只有剩余部分汗液蒸發(fā)冷卻皮膚.服裝借助毛細(xì)現(xiàn)象吸收和傳輸汗液,這部分汗液不是在皮膚表面蒸發(fā),而是在服裝表面或服裝內(nèi)部蒸發(fā),這樣就形成了水蒸氣的濃度梯度,通過水蒸氣的濃度梯度得出“濕阻”公式.

(5)

式中:Iet為服裝濕阻,Pa·m2·W-1;psk為皮膚溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣分壓,Pa;q為熱流密度,即假人與外界進(jìn)行熱濕交換的單位面積上的總功率,W·m-2.

本文給出“服裝綜合熱阻”定義,它是指服裝兩側(cè)的溫度差與熱流密度之間的比值.

(6)

式中:Rcomp為服裝的綜合熱阻, m2·℃·W-1;Δt為服裝兩側(cè)的溫差,℃;q為熱流密度(單位時(shí)間內(nèi)通過物體單位橫截面積上的熱量),W·m-2.

1.2 試驗(yàn)方案與系統(tǒng)

本試驗(yàn)對(duì)不同環(huán)境相對(duì)濕度、風(fēng)速條件下的工作服熱阻進(jìn)行測量,得出熱阻隨濕度、風(fēng)速變化的規(guī)律.

1.2.1 試驗(yàn)方案

環(huán)境溫濕度及風(fēng)速的變化會(huì)影響服裝外表面空氣層的對(duì)流及輻射散熱,從而影響服裝熱阻.通過暖體假人試驗(yàn)研究環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)速對(duì)干濕礦工服熱阻的影響.

圖2 試驗(yàn)所用服裝面料和絨衣

試驗(yàn)服裝采用純棉布料和礦工絨衣,試驗(yàn)所用服裝面料和絨衣如圖2所示.其中編號(hào)01,02為厚度不同的純棉服裝面料,03為絨衣.

試驗(yàn)工況:環(huán)境溫度19,21,23 ℃,假人表面溫度33 ℃,風(fēng)速小于0.1 m/s,每組試驗(yàn)進(jìn)行1 h,前30 min用來穩(wěn)定假人皮膚表面溫度,待假人表面溫度穩(wěn)定后,測量后30min內(nèi)的假人消耗功率,利用式(1)計(jì)算總熱阻.

試驗(yàn)分為3個(gè)階段,每個(gè)階段中暖體假人的表面溫度均保持33℃.第一階段研究服裝外表面熱阻,環(huán)境溫度為19,21,23 ℃,風(fēng)速小于0.1 m/s,每種環(huán)境溫度下測量5次,取平均值;第二階段研究濕度對(duì)服裝熱阻的影響,環(huán)境溫度為33±0.4 ℃,風(fēng)速小于0.15 m/s,環(huán)境相對(duì)濕度為50%,60%,70%,80%,90%及100%;第三階段研究不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)服裝熱阻的影響,環(huán)境溫度為30 ℃,濕度為90%,環(huán)境風(fēng)速為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m/s.

1.2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)在人工環(huán)境艙進(jìn)行,試驗(yàn)中測量的環(huán)境參數(shù)為溫度(ta),濕度(RH),風(fēng)速(vwind),測量服裝質(zhì)量:干服裝質(zhì)量(mdry),濕服裝質(zhì)量(mwet),測量不同工況下的服裝表面熱阻(Ia)和服裝總熱阻(It).

1)試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)在湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院人工環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行.艙內(nèi)的溫度、濕度用監(jiān)測監(jiān)控程序動(dòng)態(tài)調(diào)控,艙內(nèi)密封性可滿足試驗(yàn)要求.其中,艙的溫度調(diào)控范圍為-15～50 ℃,精度±0.5 ℃;濕度調(diào)控范圍為30%～95%,精度±2%.環(huán)境因素對(duì)服裝熱阻的影響試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示.

1-TSI-5725手持式葉輪空氣流速儀;2-溫濕度手持式儀表(HMP76、77探頭);3-萬特電子天平;4-一等標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì);5-暖體假人

2)環(huán)境影響因素和服裝質(zhì)量測量儀器與參數(shù)

環(huán)境參數(shù)主要是測量人工環(huán)境艙內(nèi)的ta,RH,vwind,測量服裝質(zhì)量mdry,mwet.儀器和參數(shù)見表1.

表1 環(huán)境影響因素和服裝質(zhì)量測量儀器與參數(shù)

試驗(yàn)步驟如下:

1)試驗(yàn)準(zhǔn)備,打開人工環(huán)境艙電源及監(jiān)控儀器,調(diào)控環(huán)境艙的熱濕環(huán)境參數(shù),直至達(dá)到所需的試驗(yàn)工況,當(dāng)試驗(yàn)工況穩(wěn)定時(shí),為減少試驗(yàn)誤差,用一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)、溫濕度手持式儀表及TSI-5725式風(fēng)速測量儀對(duì)艙內(nèi)試驗(yàn)工況進(jìn)行核實(shí).

2)試驗(yàn)開始,將干燥的服裝、絨衣放置在設(shè)置好的環(huán)境艙(環(huán)境溫度為21 ℃、濕度為50%、風(fēng)速<0.15 m/s)內(nèi)12 h,保證其完全干燥.由于服裝貼于假人表面時(shí)間較長,每測完一組數(shù)據(jù),需要將其取下置于環(huán)境艙內(nèi),將服裝冷卻后才能進(jìn)行第二次試驗(yàn),每種工況服裝測量3次,取3次測量值的均值.

3)當(dāng)假人皮膚溫度達(dá)到設(shè)定溫度并保持穩(wěn)定30 min后,將完全干燥的服裝穿在暖體假人外表面,保證完全覆蓋,用安捷倫設(shè)備記錄30 min內(nèi)暖體假人消耗功率,試驗(yàn)過程中,保持暖體假人表面溫度及環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定.

4)重復(fù)步驟(1),將環(huán)境艙內(nèi)環(huán)境工況調(diào)至所需的試驗(yàn)工況,測量服裝面料和絨衣在不同環(huán)境溫濕度及汗?jié)駹顟B(tài)下的熱阻.記錄不同汗?jié)駹顟B(tài)下服裝蒸發(fā)所消耗水分(使用電子天平對(duì)試驗(yàn)前后的汗?jié)穹b進(jìn)行稱重)以得到蒸發(fā)散熱量.

5)試驗(yàn)結(jié)束,數(shù)據(jù)傳輸至筆記本電腦,關(guān)閉暖體假人試驗(yàn)平臺(tái).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干服裝總熱阻

試驗(yàn)利用暖體假人測量服裝外表面的空氣層熱阻.環(huán)境溫度為21 ℃,暖體假人表面溫度33 ℃,風(fēng)速小于0.15 m/s,試驗(yàn)面料01,02及絨衣03的總熱阻測量值見表2.

表2 服裝面料01,02及絨衣03的總熱阻測量值

2.2 服裝外表面熱阻

試驗(yàn)利用暖體假人測量服裝外表面的空氣層熱阻.環(huán)境溫度分別為19,21,23 ℃,暖體假人表面溫度為33 ℃,風(fēng)速小于0.1 m/s,不同環(huán)境溫度下服裝外表面熱阻值見表3.

表3 不同環(huán)境溫度下服裝外表面熱阻值

從表3可以看出：在3個(gè)環(huán)境溫度條件下測得的假人裸體空氣層熱阻均值基本接近,個(gè)別值存在較大的偏差,分析其原因可能是試驗(yàn)時(shí)環(huán)境艙門未能緊閉,造成少量空氣流入艙內(nèi),影響假人皮膚表面與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱,從而導(dǎo)致假人裸體空氣層的熱阻發(fā)生改變.

2.3 不同濕度條件下服裝總熱阻

試驗(yàn)利用暖體假人測定濕度對(duì)礦工服的影響,為研究相對(duì)濕度與新礦工服面料熱阻的關(guān)系,相對(duì)濕度分別定為50%,60%,70%,80%,90%,100%.環(huán)境溫度30 ℃時(shí)不同相對(duì)濕度下總熱阻如圖4所示.

圖4 環(huán)境溫度30 ℃時(shí)不同相對(duì)濕度下總熱阻

從圖4可以看出:相對(duì)濕度對(duì)服裝熱阻有一定的影響.當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí),隨著相對(duì)濕度的增加,服裝熱阻呈現(xiàn)減小的趨勢.原因如下:空氣中存在許多氣相水分,氣相水分會(huì)使得織物纖維的彈性變差,對(duì)熱阻影響不明顯;但當(dāng)相對(duì)濕度變得較大時(shí),會(huì)出現(xiàn)液相水分,它會(huì)進(jìn)入織物纖維之間的空隙,并把纖維中的靜止空氣、死腔空氣擠出,從而降低服裝的總熱阻.

2.4 不同風(fēng)速條件下服裝總熱阻

2.4.1 干服裝總熱阻與風(fēng)速之間的關(guān)系

試驗(yàn)測定環(huán)境風(fēng)速對(duì)干燥礦工服面料和絨衣總熱阻的影響,環(huán)境溫度設(shè)定30 ℃,調(diào)整風(fēng)流速度,分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m·s-1.環(huán)境溫度30 ℃時(shí)不同風(fēng)流速度下的總熱阻如圖5所示.

圖5 環(huán)境溫度30℃時(shí)不同風(fēng)流速度下總熱阻

從圖5可以看出:隨著風(fēng)流速度的增加,干服裝總熱阻呈現(xiàn)下降趨勢.原因如下:

1)風(fēng)流速度影響了服裝的表面空氣層熱阻,風(fēng)流的擾動(dòng),使得服裝表面的靜止空氣被擾亂,壓縮了邊界空氣層厚度,影響了服裝的含氣量,從而使服裝的總熱阻下降.

2)風(fēng)流速度會(huì)從服裝氣孔及空間滲透到服裝內(nèi)部,擾動(dòng)里面的靜止空氣與死腔空氣,加強(qiáng)服裝開口部位內(nèi)外空氣層之間的對(duì)流換熱,同時(shí),風(fēng)流壓縮服裝,改變服裝內(nèi)空氣層的厚度,使得熱阻下降.

2.4.2 汗?jié)穹b總熱阻與風(fēng)速之間的關(guān)系

試驗(yàn)測量了服裝的總熱阻.控制服裝面料、絨衣的汗?jié)癯潭?汗?jié)窳坎煌?,利用電子天平對(duì)不同汗?jié)癯潭鹊姆b面料進(jìn)行稱重來保證每次試驗(yàn)時(shí)服裝面料及內(nèi)衣的含水量一致.環(huán)境溫度30 ℃、不同汗?jié)窳織l件下不同風(fēng)流速度時(shí)的面料總熱阻見圖6;環(huán)境溫度30 ℃、不同汗?jié)窳織l件下不同風(fēng)流速度時(shí)的絨衣總熱阻見圖7.

圖6 環(huán)境溫度30℃、不同汗?jié)窳織l件下不同風(fēng)流速度時(shí)的面料總熱阻

圖7 環(huán)境溫度30℃、不同汗?jié)窳織l件下不同風(fēng)流速度時(shí)的絨衣總熱阻

從圖6和圖7可以看出:

1)不論服裝處于完全汗?jié)駹顟B(tài)還是其他汗?jié)癯潭?其總熱阻均隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而呈現(xiàn)減小趨勢.

2)服裝的汗?jié)癯潭仍叫?其熱阻隨風(fēng)速變化的速率就越小,這是由于汗?jié)癯潭仍叫?此時(shí)風(fēng)流的擾動(dòng)會(huì)使得人體的蒸發(fā)散熱量與對(duì)流散熱量同時(shí)增加,從而使得熱阻減小.

3 討論

3.1 服裝外表面熱阻

當(dāng)環(huán)境溫度為舒適溫度21 ℃時(shí),穿著衣服的人的正常皮膚表面溫度為33 ℃,衣服內(nèi)外的溫差為12 ℃,傳熱量為43.5 W/m2,則傳熱熱阻為0.275 m2·℃/W (單位面積傳熱量=傳熱溫差/傳熱熱阻),衣服外表面有一層空氣層,這層空氣層的熱阻大約為0.12 m2·℃·W-1(0.774 clo),所以服裝所具有的熱阻值為0.275-0.12=0.155 m2·℃·W-1,由此,把1clo定義為0.155 m2·℃·W-1,熱阻的倒數(shù)為傳熱系數(shù)[17].

表面熱阻與風(fēng)速的關(guān)系見表4,說明風(fēng)速對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)影響較大,是熱交換的重要因素.

表4 表面熱阻與風(fēng)速的關(guān)系[19]

本試驗(yàn)中,假人表面溫度33 ℃,風(fēng)速小于0.1 m/s,在環(huán)境溫度為19.4,21.2,22.4 ℃測得的表面熱阻分別為0.121 8,0.125 2,0.129 9 m2·℃·W-1,與環(huán)境溫度為舒適溫度21℃下的服裝外表面空氣層的熱阻0.12 m2·℃·W-1還存在一定的試驗(yàn)誤差,但誤差不大.

表面熱阻與風(fēng)速的關(guān)系如圖8所示,其表達(dá)式為

Ia=0.062 95v-0.395 13.

(7)

圖8 風(fēng)速與服裝表面熱阻的關(guān)系

3.2 環(huán)境風(fēng)速對(duì)服裝表面熱阻的影響

環(huán)境風(fēng)速主要影響服裝的表面熱阻,從而使服裝的總熱阻明顯下降.在低風(fēng)速下,服裝保暖性能的降低主要是由于表面熱阻減小,而在高風(fēng)速下,對(duì)流、滲透及壓縮的影響程度增加.有時(shí)人感到冷風(fēng)“吹透”了服裝,實(shí)際上并不是冷空氣真的透過服裝織物進(jìn)入內(nèi)部,而是表面熱阻下降、服裝被壓縮、使局部散熱量增大而帶來的冷感.

試驗(yàn)中風(fēng)速為0.5～2.5 m·s-1,是在低風(fēng)速下進(jìn)行,不考慮風(fēng)壓縮局部服裝改變服裝內(nèi)空氣層的厚度,服裝的有效熱阻Icle不變,服裝總熱阻的降低主要是由于表面熱阻減小了.

試驗(yàn)得出了在環(huán)境溫度21℃、暖體假人表面溫度33℃及風(fēng)速小于0.15 m·s-1下面料01,02及絨衣03的總熱阻測量值分別為0.160,0.173,0.345 m2·℃·W-1,空氣層的熱阻大約為0.12 m2·℃·W-1,根據(jù)式(2)得出面料01,02及絨衣03的有效熱阻分別為0.040,0.053,0.225 m2·℃·W-1,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)式(2)得到表面熱阻與風(fēng)速的值見表5,風(fēng)速與服裝表面熱阻的關(guān)系如圖9所示.

表5 試驗(yàn)得到的表面熱阻與風(fēng)速的值

圖9 風(fēng)速與服裝表面熱阻的關(guān)系

作者將試驗(yàn)獲得與文獻(xiàn)[19]得出的數(shù)據(jù),擬合出的公式如圖10所示.

圖10 風(fēng)速與服裝表面熱阻的關(guān)系

表面熱阻與風(fēng)速的關(guān)系表達(dá)式為

Ia=0.070 02v-0.474 35.

(8)

試驗(yàn)結(jié)果顯示在環(huán)境風(fēng)速為1.5 m·s-1時(shí),干濕服裝的熱阻均出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)風(fēng)速為1.5 m·s-1,表面熱阻為0.058 m2·℃·W-1,風(fēng)流開始破壞邊界層的難度增加,導(dǎo)致熱阻出現(xiàn)拐點(diǎn).

4 結(jié)論

1)相對(duì)濕度、風(fēng)速及服裝汗?jié)窳烤c服裝熱阻呈負(fù)相關(guān).

2)表面熱阻與風(fēng)速的關(guān)系表達(dá)式:Ia=0.070 02v-0.474 35.

3)風(fēng)速為1.5 m·s-1,表面熱阻為0.058 m2·℃·W-1,風(fēng)流開始破壞邊界層的難度增加,服裝熱阻出現(xiàn)拐點(diǎn).