考慮服裝覆蓋率的服裝熱阻計算及其對熱感覺的影響

梁樹維，楊 洋，紀銥行，劉國丹，王志欣，康云星

(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266525)

服裝熱阻是熱舒適和熱適應模型中的一個重要參數(shù)，其物理意義是單位面積內(nèi)外層衣服的溫度梯度與垂直方向上通過衣服的熱流之比，表示衣服的熱阻性能[1-2]。NISHI等[1]定義了clo——服裝的熱阻單位。在PMV模型中，服裝熱阻值是通過“暖體假人”方法獲得的。在實際應用中，總的服裝熱阻值是由特定類型的單件衣物的熱阻值相加而獲得的[3]?！芭w假人”方法既簡單又可重復，常被應用在服裝熱阻測試中?！芭w假人”方法的測試條件為：工作溫度通常設(shè)定比平均皮膚溫度低12 ℃，相對濕度設(shè)定為50%，風速設(shè)定小于0.15 m/s[4]。但是，當人體處于實際著裝時，工作溫度、相對濕度和風速等環(huán)境條件與試驗環(huán)境不同，服裝的實際保溫效果也可能不同。因此，在熱舒適性預測模型中不應將服裝的熱阻值設(shè)定為固定值，許多學者對此進行了研究。目前，關(guān)于服裝動態(tài)保溫的相關(guān)研究主要集中在風速、身體姿勢和行走速度對服裝保溫的影響[5-8]。服裝有開口，可以與環(huán)境進行空氣交換[9]。當人體處于運動狀態(tài)時，人體皮膚表面和衣物之間的熱對流顯著加強，這通常被稱為“泵效應”，它導致動態(tài)熱阻值低于靜態(tài)熱阻值[10-11]。ISO 7730[12]針對人體處于運動狀態(tài)，空氣流速介于1.5～3.5 m/s的情況，鑒于衣物外表面空氣層熱阻的性能變化，提供了靜態(tài)熱阻修正方法。一些學者給出了在戶外以不同步速行走和在不同風速的環(huán)境中站立時，人體舒適性所需的服裝熱阻性能[13]。然而，在室內(nèi)微風條件下，服裝的熱阻性變化規(guī)律與室外環(huán)境的不同。

除了環(huán)境因素外，服裝材料和服裝覆蓋率也會影響熱阻。在給定的服裝材料下，服裝覆蓋人體表面的比例對服裝熱阻值存在較大影響。魏潤柏等[14]將“暖體假人”模型表面分為3 cm×3 cm的方塊，以計算衣服覆蓋的面積。研究表明，穿著同樣的衣服，通過擴大覆蓋面積而增加的衣服熱阻要比僅僅增加衣服的厚度而增加的效果高。陳東生[15]使用石膏繃帶法測量成年女性的平均體表面積，并定義了著裝面積比。研究發(fā)現(xiàn)，隨著衣服覆蓋皮膚面積的增加，服裝熱阻值也隨之增加，呈現(xiàn)正比例。在覆蓋面積相同的情況下，服裝對不同身體部位和形狀的熱效應是不同的，下肢的熱效應大于上肢。王云儀等[16]利用三維掃描技術(shù)和Geomagic軟件處理三維點云數(shù)據(jù)，得到人體的服裝覆蓋情況。研究發(fā)現(xiàn)，僅僅改變衣服的覆蓋面積，衣服的熱阻就會發(fā)生顯著的變化，但如果伴隨著部分衣服厚度的變化，如卷起袖子，這種影響就會略有下降。BRICENO等[17]使用Blender軟件計算服裝的全身表面積(WBSA)和體表面積覆蓋率(BSAC)。GUO等[18]用數(shù)碼相機從兩個高度和三個方向計算服裝面積系數(shù)和，并將用這種方法得到的西藏服裝面積系數(shù)和服裝熱阻與ISO 11079標準值進行比較，發(fā)現(xiàn)用攝影來獲得服裝的覆蓋面是最簡單的方法。上述研究沒有考慮服裝熱阻變化對人體熱感覺產(chǎn)生的影響。

此外，服裝熱阻值的計算方法并不統(tǒng)一。常用的“暖體假人”方法來計算熱阻值的方法分為整體法、串聯(lián)法和并聯(lián)法。一些學者比較分析了不同方法的計算值[5,19-22]。整體法是最常用的一種方法，也是與ISO 9920[22]中對服裝熱阻的定義最為一致的表達方式。在這種方法下，首先計算各部位的熱損失和皮膚溫度，再通過面積比例加權(quán)得到全身的熱損失和平均皮膚溫度，最后得到服裝的熱阻值。串聯(lián)法和并聯(lián)法通過各段的表皮溫度和熱流計算出局部熱阻值，然后分別按照串聯(lián)模型和并聯(lián)模型計算出熱阻值。OLIVEIRA等[19]對這三種方法進行了詳細的分析，并對他們計算的熱阻值進行了比較。結(jié)果表明，串聯(lián)法的數(shù)值最大，而整體法可以適用于所有的人體調(diào)節(jié)模型。HAVENITH[21]提供了串聯(lián)法和并聯(lián)法的適用條件。并聯(lián)法在皮膚溫度均勻的條件下適用，串聯(lián)法在局部熱流均勻的條件下適用，而整體法則在任何情況下都適用。

從以上研究可以看出，通過“暖體假人”試驗得到的服裝熱阻值與人體的實際服裝熱阻值存在差異。在計算服裝熱阻時，對服裝覆蓋率的研究較少，其對人體熱感覺的影響研究也較少。除此之外，服裝熱阻的計算方法不同，造成計算值的差異，從而影響人體熱感覺的評價。為了解決這些問題，本文基于人體實際服裝覆蓋率會存在不同的情況，提出了一種考慮服裝覆蓋面積的服裝熱阻值的計算方法。由于人體表面溫度的差異不大，本文在并聯(lián)法的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮衣物覆蓋面積的修正并聯(lián)法來計算服裝對人體的熱阻，并與整體法的數(shù)值做了比較，通過方差分析法研究了環(huán)境溫度和活動水平對服裝熱阻的相對影響，并比較了不同的服裝熱阻計算方法下的PMV(Predicted Mean Vote，PMV)和熱感覺投票TSV(Thermal Sensation Vote，TSV)的差異。

1 服裝熱阻的計算方法

1.1 服裝熱阻的傳統(tǒng)計算方法

衣服熱阻的計算，涉及到衣服的總熱阻(IT)、有效服裝熱阻(Icle適用套裝，Iclu適用單件服裝)和服裝基本熱阻(Icl適用衣服的基本隔熱性，Icli適用單件服裝)[22]。

衣服的總熱阻IT指的是皮膚和環(huán)境之間的熱阻，由以下公式計算：

(1)

有效服裝熱阻Icle(Iclu單件服裝)是指皮膚和服裝外表面之間的熱阻，其計算方法如下：

(2)

式中，邊界空氣層的熱阻Ia是指衣服表面和環(huán)境空氣之間的熱阻：

(3)

式中：hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

服裝基本熱阻Icl(Icli用于單件服裝)是指考慮到服裝的面積系數(shù)后的服裝內(nèi)在或基本熱阻，其計算公式如下：

(4)

式中，服裝面積因子fcl可以通過經(jīng)驗公式估算得到，可以用式(5)[23]計算：

fcl=1+0.3×Icl

(5)

根據(jù)已有研究[19,21-22]，服裝熱阻的計算方法有三種，即整體法、并聯(lián)法和串聯(lián)法，三種方法的計算公式如下：

1) 整體法。

(6)

2) 并聯(lián)法。

(7)

3) 串聯(lián)法。

(8)

1.2 修正的并聯(lián)法

服裝對人體的覆蓋率定義為服裝覆蓋的表面積與人體總表面積的比值，反映了服裝的隔熱功能區(qū)、對流區(qū)和輻射區(qū)的大小[24]。本文通過攝影分別確定了人體不同部位的服裝覆蓋率[17-18]，分別是：胸部(18.95%)、背部(18.95%)、手臂(13.8%)、腿部(35.7%)。服裝覆蓋率計算公式如下：

(9)

SBSAC=∑SBSAC,i

(10)

式中：SBSAC,i為人體第i個部位的服裝覆蓋率；Acln,i為人體第i個部位的服裝覆蓋面積，m2；AD,i為人體第i個部位的裸體面積，m2；SBSAC為人體的衣物覆蓋率。

根據(jù)覆蓋區(qū)域的體表溫度和熱流，計算出服裝在覆蓋區(qū)域的隔熱熱阻。然后，以人體的服裝覆蓋率作為算術(shù)平均加權(quán)系數(shù)，計算出總的服裝熱阻。

本文提出的修正的并聯(lián)法計算服裝熱阻的公式如下：

(11)

(12)

2 實驗信息

2.1 受試者及服裝信息

本實驗招募了10名男性和10名女性受試者，每名受試者需要完成3次實驗，每次實驗填寫1份問卷，共計收到60份問卷。受試者在實驗前要求有充足的睡眠，正常飲食，沒有嚴重疾病或酗酒的記錄。受試者的信息見表1。

表1 受試者的信息

本實驗考慮了8件單件服裝和3套服裝組合，見表2。這些服裝包括8件日常服裝。在本實驗中，3套服裝組合分別被定義為第一組(G1)、第二組(G2)和第三組(G3)：G1——長內(nèi)衣上衣+長內(nèi)衣下衣+工作服；G2——長內(nèi)衣上衣+長內(nèi)衣下衣+工作服+馬甲；G3——長內(nèi)衣上衣+長內(nèi)衣下衣+工作服+毛衣。

表2 日常服裝

2.2 實驗地點

實驗在青島理工大學暖通實驗樓的氣候室(長5 m×寬3 m×高2.6 m)進行。該氣候室(圖1)的空調(diào)為均勻送風空調(diào)，可保證室內(nèi)溫濕度在較高精度設(shè)定范圍內(nèi)。

圖1 氣候室

2.3 實驗測量參數(shù)及相關(guān)計算公式

需要測量的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)有室內(nèi)溫度、相對濕度、室內(nèi)風速以及黑球溫度。式(13)被用來計算室內(nèi)的平均輻射溫度[3,25]：

(13)

式中：tg為黑球溫度，℃；εg為黑球的發(fā)射率，取0.95；D為黑球溫度計的直徑，D=75 mm。

平均皮膚溫度是通過五點法[26]測量的，測量部位為額頭、前胸、上臂、后背和大腿。局部皮膚溫度由iButton DS1923測定。平均皮膚溫度的計算公式如下：

(14)

實驗中使用的測量儀器見表3。

表3 測量儀器

熱感覺投票采用ASHARE 55—2017[11]中的七級熱感覺標尺。

2.4 實驗方案

氣候室的室內(nèi)溫度分別控制在18，20和22 ℃，相對濕度控制在45%左右，風速實測為0.06 m/s。受試者處于三種不同活動水平，即靜坐、站立和行走(利用跑步機控制步速為1 m/s)，以模擬本實驗中辦公室的活動水平。實驗過程如圖2所示。

圖2 實驗過程

3 結(jié)果分析

3.1 平均皮膚溫度

平均皮膚溫度的計算結(jié)果如圖3所示，其中，縱坐標溫差為平均皮膚溫度的值減去相應的環(huán)境溫度。

由圖3可以看出，在相同的服裝組合和活動水平下，平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的差異隨著環(huán)境溫度的增加而減少。以G1組為例，在靜坐狀態(tài)下，當環(huán)境溫度為18，20，22 ℃時，溫差分別為13.70，12.20，11.12 ℃，這主要是由于人體皮膚表面溫度的變化比環(huán)境溫度小。另外，在環(huán)境溫度相同的情況下，平均皮膚溫度的關(guān)系是G3>G2>G1，衣服隔熱性越好，平均皮膚溫度越高。

3.2 環(huán)境溫度和活動水平對服裝熱阻的影響

分別利用整體法(式(6))、修正的并聯(lián)法(式(9)—(12))計算服裝熱阻，對兩種方法計算結(jié)果進行了比較和分析，如圖4、圖5所示。

3.2.1 活動水平對服裝熱阻值的影響

如圖4所示，在相同的環(huán)境溫度下，同一服裝組合的熱阻值隨著活動水平的增加而減少，這符合同一組合體的動態(tài)熱阻值小于靜態(tài)熱阻值的規(guī)律。同時，修正后的并聯(lián)法計算的熱阻值總是大于整體法計算的熱阻值。

圖4顯示，在相同的環(huán)境溫度和相同的服裝組合下，熱阻值隨著活動水平的增加而降低，說明活動水平與熱阻值之間存在負相關(guān)關(guān)系。綜合分析三種不同環(huán)境溫度下整體法計算的熱阻值的具體變化，發(fā)現(xiàn)當活動水平從靜坐變?yōu)檎玖r，G1的最大熱阻值減少了5.21%，G2的最大熱阻值減少了4.23%，G3的最大熱阻值減少了4.82%。當活動水平從靜坐變?yōu)樽邉訒r，G1的最大熱阻值減少了9.79%，G2的最大熱阻值減少了8.03%，G3的熱阻值減少了6.88%。

采用修正的并聯(lián)法得到的服裝熱阻值：當活動水平從靜坐變?yōu)檎玖r，G1的最大熱阻值減少了3.58%，G2的最大熱阻值減少了2.70%，G3的熱阻值減少了7.83%。當活動水平從靜坐變?yōu)樽邉訒r，G1的最大熱阻值減少6.24%，G2的最大熱阻值減少4.84%，G3的熱阻值減少10.22%。

這種現(xiàn)象可以歸因于衣服的“泵效應”[10]。當受試者運動時，空氣交換將隨著身體的運動在衣服的開口處進行。運動強度越大，空氣交換越快，這反過來又導致熱對流系數(shù)增大，邊界層熱阻降低，從而降低了衣服的總熱阻和衣服的有效熱阻。

3.2.2 環(huán)境溫度對服裝熱阻值的影響

由圖5可知，服裝熱阻值隨著環(huán)境溫度的增加而增加。這是因為在不同的環(huán)境溫度下，人體皮膚的溫度是不同的，人體表面由于熱通量而損失的熱量也是不同的。首先分析整體法計算的熱阻值的變化。當環(huán)境溫度從18 ℃上升到20 ℃時，G1的最大熱阻值上升了11.32%，G2的最大熱阻值上升了6.22%，G3的熱阻值上升了9.01%；當環(huán)境溫度從18 ℃提高到22 ℃時，G1的最大熱阻值提高17.48%，G2的最大熱阻值提高13.48%，G3的最大熱阻值提高13.29%。

采用修正的并聯(lián)法計算熱阻值：當環(huán)境溫度從18 ℃上升到20 ℃時，G1的最大熱阻值增加了2.19%，G2的熱阻值增加了2.70%，G3的最大熱阻值增加了7.83%；當環(huán)境溫度從18 ℃上升到22 ℃時，G1的最大熱阻值增加了4.82%，G2的最大熱阻值增加了7.53%，G3的最大熱阻值增加了9.20%。

由此可以看出，整體法和修正的并聯(lián)法計算出的服裝熱阻值隨環(huán)境溫度變化的趨勢相同。

4 討論

在熱舒適的研究中，F(xiàn)ANGER教授的PMV指標常被用作熱感覺的評價指標[27]。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，用整體法計算的熱阻值與考慮到覆蓋面積的修正并聯(lián)方法計算的熱阻值不同。因此，由計算得出的PMV是不一致的。為了分析修正并聯(lián)法在計算服裝隔熱性能方面的適用性，將兩種不同的熱阻值計算方法得出的PMV與人體的實際熱感覺(TSV)進行了比較，如圖6所示。

由圖6可知，修正并聯(lián)法計算的PMV總是大于整體法計算的PMV，隨著活動水平的增加，PMV和TSV都呈上升趨勢，也就是說，受試者感覺更熱。另一方面，用修正的并聯(lián)法計算的PMV更接近人體的實際熱感。當環(huán)境溫度為18 ℃時，修正的并聯(lián)法計算的PMV與TSV的絕對值相差0.01～0.16，整體法計算的PMV與修正的并聯(lián)法計算的PMV的絕對值相差0.06～0.26；當環(huán)境溫度為20 ℃時，修正并聯(lián)法計算的PMV與TSV的絕對值相差0.05～0.12，修正并聯(lián)法計算的PMV與整體法計算的絕對值相差0.07～0.12；當環(huán)境溫度為22 ℃時，修正的并聯(lián)法計算的PMV與TSV的絕對值相差0.01～0.19，修正的并聯(lián)法計算的PMV與整體法計算的PMV的絕對值相差0.08～0.14。

在本實驗中，用修正并聯(lián)法計算的PMV和TSV的最大偏差為0.19，發(fā)生在環(huán)境溫度為22 ℃的第3組。此刻，人體熱感覺TSV為1.25，處于較溫暖的狀態(tài)。熱阻值相對較大，全身的熱阻分布也不均勻。在其他熱環(huán)境中，兩種方法的差異還需要進一步討論。

5 結(jié)論

在氣候室中對實際多層服裝在不同活動水平和環(huán)境溫度下對人體的隔熱性能變化進行了實驗研究，同時考慮了服裝的覆蓋面積，提出了修正并聯(lián)法來計算服裝熱阻。通過與整體法的計算結(jié)果比較，采用修正的并聯(lián)法計算熱阻值：當活動水平從靜坐變?yōu)檎玖r，G1的最大熱阻值減少了3.58%，G2的最大熱阻值減少了2.70%，G3的熱阻值減少了7.83%；當活動水平從靜坐變?yōu)樽邉訒r，G1的最大熱阻值減少6.24%，G2的最大熱阻值減少4.84%，G3的熱阻值減少10.22%。當環(huán)境溫度從18 ℃上升到20 ℃時，G1的最大熱阻值增加了2.19%，G2的熱阻值增加了2.70%，G3的最大熱阻值增加了7.83%；當環(huán)境溫度從18 ℃上升到22 ℃時，G1的最大熱阻值增加了4.82%，G2的最大熱阻值增加了7.53%，G3的最大熱阻值增加了9.20%。并且，通過PMV模型驗證發(fā)現(xiàn)，利用修正并聯(lián)法計算的熱阻值求得的PMV更接近人體的實際熱感覺TSV，說明該方法計算的熱阻值更準確。

本文提出的計算服裝熱阻值的方法，在考慮到冬季穿衣條件的情況下驗證了其適用性。對于跨季節(jié)和夏季穿衣條件下的適用性，將在后續(xù)的工作中進行實驗研究。