研究与技术

服装热阻、湿阻的测量方法及影响因素

张文欢, 钱晓明, 牛 丽

(天津工业大学 纺织学院,天津 300387)

摘要:介绍了人体热量散失的两种方式,由此引入服装热阻和湿阻的含义及其表征意义。在此基础上,总结概括了测量纺织品材料、服装面料热阻和湿阻的测量设备及方法,进一步介绍了客观测量服装总热阻、湿阻的设备——出汗暖体假人,对其“两步测量法”与“Walter一步测量法”的测量原理、测量系统、计算方法进行了详细说明。文章还总结分析了服装本身、人体生理活动、环境条件三个方面对服装热阻和湿阻的单因素影响及综合影响。最后说明了服装热湿舒适性研究的具体意义,并展望其未来研究的发展趋势。

关键词:热湿舒适性;热阻;湿阻;暖体假人;测量方法;影响因素

服装热湿舒适性[1]指着装人体在不同环境条件及人体活动水平下,与环境之间进行热量和水气交换,直至达到平衡状态,并使人体感觉舒适的服装性能。服装热湿舒适性能在各行各业具有广泛的应用,夏季[2]要求服装清爽透气,冬季[3]要求服装保暖性优良。极热环境中[4-6],服装要隔热降温,如消防服、矿服、液冷服等;极冷环境中,服装要抗寒保暖[7-8],如防寒服、航空航天服等。热阻和湿阻作为测量服装热湿舒适性的两大重要指标,服装、环境、运动等因素都会对其测量结果造成影响。这对评价服装热湿舒适性能、功能服装设计、热生理学模型建立、出汗暖体假人的改进等方面具有重要意义[9]。目前,黄建华等[10]总结比较了服装热湿舒适性的相关标准;蒋培清等[11]、尹思源等[12]、陆丽娅等[13]也就服装热湿舒适性的评价指标、评价系统及数据处理方法等方面进行概括。在此基础上,王发明等[14]、黄建华[15]针对服装热阻和湿阻的测试方法进行了深入探究。本文将综述最新服装面料及服装热阻和湿阻的测量方法,分析服装本身、人体及环境对服装热阻和湿阻的影响,为进一步探究各因素对服装热阻、湿阻的综合影响提供参考。

1 服装热阻与湿阻

人体热量散失[16]主要有显热和潜热之分。显热指人体与环境之间存在温度差时,人体向外界释放的热量,主要形式有传导、辐射和热对流;潜热指以汗液蒸发的形式带走的热量。

服装热阻( ℃·m2/W)表示在服装的层与层之间由于温度差而形成的热流阻力。热阻值可以用服装层与层之间的温度差与垂直通过该服装单位面积热流量的比值来表示,并且值越大,表明保温效果越好,导热性越差。目前,国际通用指标为克罗值(clo),定义为:气温21 ℃、湿度50%±0.2%、风速小于0.1 m/s的室内,安静坐着或从事轻度脑力劳动的成年男子感觉舒适(代谢产热量约为58.15 W/m2),并能将皮肤平均温度维持在33 ℃左右时所穿服装的隔热保温能力为1 clo(1 clo=0.155 ℃·m2/W)。

服装湿阻(Pa·m2/W)表示由于服装内外存在水蒸气压差而导致的透湿阻力。湿阻值可以用服装内外的水蒸气压差与垂直通过单位面积内蒸发热流量的比值来表示。当人体感到潮热时,将会由皮肤分泌汗液从而带走人体热量。其中,附着汗量(附着在皮肤表面的汗量)和流淌汗量(流下来的汗量)均为非有效汗量。蒸发汗量可带走人体热量,称为有效汗量。

2 热阻与湿阻的测量

研究人员探究服装的热阻与湿阻最先是从服装面料着手的。国内外学者提出多种面料热阻和湿阻的测试方法,但基本原理一致且相通。对服装总热湿阻的测量主要采用真人测试和出汗暖体假人两种方式。由于真人测试存在误差并且可重复性低,所以国内外最新研究中“出汗暖体假人”成为主要的客观测量工具。

2.1 服装面料的热阻与湿阻测量

2.1.1 纺织品热、湿阻测试仪

纺织品热、湿阻仪[17]不仅可用于检测服装面料,还可以检测建筑等领域材料的热湿传递性能。相关标准有ISO 11092—2014《纺织品 生理效应 稳态条件下耐热和耐水蒸汽性能的测量》、ASTM F1868—2009《用焊接热板测定服装材料耐热和耐蒸发的标准试验方法》、ASTM D1518—2014《对安打系统使用热板热电阻的标准测试方法》和GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》等。

2.1.2 蒸发热板法仪器和静态平板法仪器

国家标准GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》[18]中规定了两种测量纺织材料热阻、湿阻的仪器,包括蒸发热板法仪器(图1)和静态平板法仪器。这两种仪器都可以测量面料的热阻和湿阻,但目前在国内测定热阻和湿阻或仅测定其中之一时大多采用蒸发热板法仪器。最新研发的YG 606G通风式热阻湿阻测试仪就是依据此标准制成。

图1 蒸发热板法仪器
Fig.1 Sweating Hot Plate instrument

2.1.3 平板保温仪

平板式保温仪[19]用于测试各种织物平板式恒定温差散热法的保温性能。这种仪器能够测定在室温至(50±0.5)℃设定温度范围内的保温率、传热系数、克罗值等相关参数。对应的标准有ASTM D1518—2014《对安打系统使用热板热电阻的标准测试方法》、GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》及JIS L1096—2010《织物和针织物的试验方法》。

2.1.4 发汗躯干

发汗躯干[16]即皮肤模拟仪。设备采用电加热式金属圆筒制成,形状与人体躯干相近,但无法模拟人体的行为动作。该仪器可进行高精确度模拟,并测量保暖、透湿的相关参数,装置如图2所示。

2.1.5 透湿杯法

图2 发汗躯干
Fig.2 Sweating trunk

透湿杯法[20],是从湿阻的定义出发来测量服装面料的湿阻。测量中,首先测得环境的相对湿度,然后求出所测得的值与水表面的湿度差,用差值除以实际的透湿率得到总湿阻(总湿阻=杯中空气层、织物表面空气层湿阻+织物本身的湿阻)。最后,总湿阻减去空白实验中杯中空气层与织物表面空气层的湿阻,就是织物的湿阻值。在测量的过程中,需要考虑面积因素的影响。

2.1.6 出汗暖体躯干模拟装置

出汗暖体躯干实验装置[21]包括躯干实体部分和测量与控制部分,能够较好地模拟动态传热传湿。在平衡稳定条件下,装置能够测量体表、环境和躯干体内的温湿度数值及变化率,并且通过一定平衡方程式得到在稳定平衡状态和热湿通量恒定、非稳定散湿情况下的面料湿阻。

2.2 基于暖体假人服装热阻与湿阻的测量与计算

多数测量纺织品材料、服装面料热阻和湿阻的方法只能测量块状面料的热阻、湿阻,这既不能代表服装的局部热阻与湿阻,也不是服装的总热阻或总湿阻。究其原因,一方面是人体在着装状态时,由于服装款式、结构、穿着方式的影响,使得块状面料与实际着装状态的热湿阻值不同,并且人体不同部位的测量值不尽相同。另一方面,服装的总热湿阻是人体着装状态时不同部位热阻、湿阻的加权平均值,并非面料的热阻、湿阻值。服装的热阻与湿阻可以在受试人体上进行直接测量,这种方法给出的数据真实可靠,但要求精密仪器设备、耗时长并且因人而异。在此基础上,出汗暖体假人应运而生。暖体假人不仅可以模拟人体与环境之间的质传递和热传递,而且测量结果客观准确、可重复。

2.2.1 两步法测量

2.2.1.1 两步法测量原理

两步法测量[22-23]通常为主动式出汗。其测量方法为,先测量干态假人着装时服装的干散热量Hd,然后将假人喷湿,测量湿态假人着装时的总散热量H(包括蒸发散热部分)。最后用后者减去前者,即可得出蒸发散热量He

2.2.1.2 两步法的两个假设

一条为湿态下假人皮肤的相对湿度为100%,另一条为服装透过干态假人的干散热量与透过湿态假人的干散热量或热阻相等。但服装在吸湿状态下的实际热阻与透过的干热与干态时不相等。

2.2.1.3 两步法的计算方法

He=H-Hd=λ·Q

(1)

(2)

(3)

式中:H为假人的总散热量,W;Hd为假人的干散热量,W;He为假人的蒸发散热量,W;λ为水的汽化热,35 ℃时λ是0.672 W·h/g;Q为假人的蒸发出汗量,g/h;Re为服装及其附面层空气的全湿湿阻,Pa·m2/W;It为服装及其表面空气层的全热热阻, ℃·m2/W;A为人体的体表面积,m2Ts为假人皮肤的温度, ℃;Ta为环境温度, ℃;Pss是皮肤内侧在皮肤温度为Ts时的饱和水蒸气压,Pa;Psa为环境温度为Ta环境的饱和水蒸气压,Pa;RHs为人体皮肤表面的相对湿度,%;RHa为环境的相对湿度,%。

2.2.2 “Walter”一步测量法

2.2.2.1 测量系统

“Walter”出汗暖体假人[22-27]为被动式出汗,皮肤使用微孔膜织物Gore Tex,具有防水透湿的功能,其结构如图3所示。测试系统包括水循环系统,出汗暖体假人行走运动系统,适应坐姿、卧姿的测量系统,蒸发用水、在线供水系统和数据测量与采集系统。水由水泵从中心输送至四肢,并且通过调节假人体内泵的输送率来调整平均皮肤温度。其“一步法测量原理”中假人的出汗量等于供水量,并且随外界温度的变化而产生变化,可由数据监控系统实时监控获得。

2.2.2.2 测量方法

图3 “Walter”出汗暖体假人的结构
Fig.3 Structure of sweating thermal manikin “Walter”

测量过程中,先把皮肤当作服装的一层结构计入其中,求得总湿阻值。然后减去皮肤的湿阻,得到服装及表面空气层的湿阻。与两步法不同的是,在测量的过程中先求得暖体假人的蒸发出汗量及湿态散热量,由此可得湿阻与干态散热量,随后根据干态散热量求得热阻。

2.2.2.3 计算方法

暖体假人湿阻的测量公式为:

(4)

式中:Res为皮肤的湿阻。

当在假人表面吹强风时,可将其表面空气层去除,以此达到裸态假人的湿阻:

(5)

He=λ·Q

(6)

Hd=Hs+Hp-Ha-He

(7)

服装及其表面空气层总的热阻为:

(8)

式中:Hs为暖体假人系统加热棒供给的热量,W;Hp为水泵产生的热量,W;Ha为将水供应至所需温度需要的热量,W;RHs是皮肤内侧的水汽相对湿度,%(此时皮肤内侧为水,相对湿度为100%);Qn是假人裸体状态下的出汗量。

3 服装对热阻与湿阻的影响因素

服装,作为日常生活必要组成成分,人们已经不再局限于遮羞,而是更加关注于其美观性与舒适性[28]。服装作为人体与环境的中间层,在传热传湿的过程中,主要起到隔热、透湿、透气的作用。各研究学者在利用暖体假人测量热阻和湿阻的过程中发现,服装本身(服装结构、款式、厚度、面料结构)、人体生理活动(着装姿势、活动量、皮肤表面温度)、外界环境条件(空气温湿度、热辐射、风速)等都对其产生重要的影响。

3.1 服装因素

3.1.1 面料、结构

杨敏等[29]充分考虑面料对热湿阻的影响,在保证6件服装款式相同的情况下,进行轻度、适度、高强度运动测试。在适度运动时,功能性服装的吸湿、快干性能表现优良,在其他两种状态表现不明显,甚至低于普通服装;在此基础上,比较了选用的四种吸湿排汗面料的性能,Cool Max品牌100%涤纶最优。充分说明,面料本身对服装热湿舒适性产生一定影响,但是具有局限性,所以在设计功能性服装的过程中要充分考虑服装的适用条件。2016年,Zhiying Cui等[30]的研究结果显示,透气性能也是非常重要的影响因素,高透气性织物在风中或者行走状态下将会产生更低的湿阻,在极热环境中表现尤其明显。

王丽文[31]在考虑面料对热湿舒适性产生的影响外,将服装的宽松度加入其中,测量了不同组合条件下服装的静态、动态热阻和湿阻。静态下,因涤纶的吸湿性能较差,用其作为假人皮肤时,面料成分对热阻的影响不明显,但对湿阻产生的影响极大:棉>涤棉>涤纶≈吸湿涤纶。针对吸湿快干功能服装或者款式宽松的服装,动态热阻比静态降低26%,动态湿阻减少值比热阻还大。在此基础上,王发明等[32]探究发现服装的合体性对湿态服装热阻影响不大,但是极大程度上影响湿态湿阻,宽松服装因为存在较厚的空气层,所以其湿阻值往往高于紧身服装。2011年Ho C等[33]在T恤上增加额外宽松度及通风孔探究此类影响,结果表明,在有风或者步行状态下,T恤的宽松度增加了服装向外延伸的空间,极大程度上减少了服装的热阻和湿阻。

综上所述,面料成分、服装结构对功能性服装设计产生较大的影响,在设计的过程中要充分考虑适用条件,最大化利用其影响。

3.1.2 空气间隙

2016年,Zhiying Cui等[30]比较了服装中空气间隙对阿拉伯长衫和中国式旗袍的影响。利用三维人体扫描仪测量了各个水平维度下空气间隙的体积,发现随着空气间隙体积的增加,服装的热阻和湿阻适度增加。但是在达到一定峰值后,空气间隙体积的增加将会降低服装的热阻和湿阻。

3.1.3 服装层数

闫琳等[34]探究了单层与多层服装热阻间关系,服装组合的热阻值随件数的增加而提高,单件服装热阻的累加总值大于组合服装的综合热阻值。这一方面是因为服装组合叠加过程中,各单件服装会被压缩,层与层之间静止空气层也会被压缩,相应的厚度会下降,热阻会减小;另一方面,衣服数量的不断累加,加大了服装的总体表面积,在一定程度上也增加了服装的散热面积。另外,着装时人体各部位本身就存在不同的热阻。王发明等[35]利用暖体假人“Walter”测量了各层服装及不同组合的热阻和湿阻,结果显示,有效热(湿)阻或基本热(湿)阻可预测服装的总热(湿)阻,而且单件服装的简单累加值与系统的综合热阻值线性相关,单件服装与服装组合系统的湿阻之间呈现指数关系。在此基础上,李俊等[36]探讨了多层服装组合系统热阻的分配规律与特点,并在多层服装组合系统的热阻与各单件服装热阻之间建立定量关系。

3.1.4 水分含量

湿态热阻是指服装局部或者全部浸湿的情况下服装的热阻值。当水分浸入服装材料的孔隙时,服装固有热阻值将会变小,因此,总热阻值将会减少。Faming Wang等[37]针对水分(四种水平的含湿量100、200、500、700 g)和服装合体性对服装表面湿态热阻值的影响进行了研究。结果表明,服装总热阻的减少和水分含量之间可建立三维线性回归模型。

3.1.5 服装微气候

服装微气候指人体着装时,服装内侧与皮肤表面之间存在的气候,包括该空间内温度、空气相对湿度、气流速度。2010年,Huiju Park[38]利用暖体假人测试了防弹背心的相关性能,探索了核心温度和环境微气候温度、湿度、相关生理指标之间的关系。在环境温度20 ℃,相对湿度50%条件下,测量了背部、胸部的温度和假人的核心温度。结果显示,微气候内的温度与人体核心温度呈线性相关,故可以互相表征其变化趋势。

3.2 人体因素

3.2.1 不同部位

王发明等[39]研究了20种中国少数民族男性传统服装在人体不同部位的局部热阻及服装总热阻的差异。结果显示,服装局部结构、人体部位、穿着方式和服装的总质量对服装局部热阻产生影响,并且各部位的热阻值存在差异:躯干后部位>前部,腹部>胸部,下背>上背,盆骨处为峰值。2015年,Yehu Lu等[40]探究风速和肢体运动对局部热阻的综合影响后发现,在人体不同部位呈现出不一样的结果,且因不同服装而有所影响。总体上来说,在有风状态下,胸部、腹部、骨盆的热阻减少量要大于小腿和背部。

3.2.2 不同姿势

Olesen等[41]通过比较在站立和久坐姿势下四套服装的热阻,发现久坐比站立时热阻值要低8%~18%。以此为基础,Havenith等[42]对比久坐和站立两种状态下的热阻差值,其差值随着服装层数的增加而增加。Yu等[43]研究了关于姿势(站立、久坐、躺)在等温条件和非等温条件下对服装热阻、湿阻的影响,结果表明,站立和久坐时非等温环境下的表面湿阻远低于等温条件,并且裸态时平躺姿势的湿阻远高于站立和久坐。

3.3 外界因素

3.3.1 风速与步速

钱晓明等[27]利用暖体假人“Walter”测试了风速和行走速度对服装总热阻和湿阻的影响。测得的总热阻和总湿阻均随着风速的增加、步速的加快而降低,且风速对其影响相当于步速影响的1.8倍。Morrissey等[44]利用暖体假人SAM探究类似问题,得出一致的结论。2016年,崔志英等[30]探究阿拉伯长衫与中式旗袍之间的区别,发现风速和行走运动的提高极大程度上降低了服装的热阻和湿阻,阿拉伯长衫在风中且行走状态下的热阻和湿阻值要比旗袍大,这是由于阿拉伯长衫的设计结构造成的。

3.3.2 等温环境与非等温环境

Qian等[45]测试暖体假人在等温环境和非等温环境中,保持站立不动的状态时的湿阻值。20 ℃时,22套服装均显示在非等温环境中测量的湿阻比在等温环境中测量值小17%~32%。Yu等[43]研究相关问题结果显示,在12.5 ℃下站立姿势时,非等温环境比等温环境下的测量值低30%~70%;久坐姿势下,非等温比等温降低了60%~150%。

4 发展趋势

不同地区、季节及工作的场合对服装的保暖、透湿具有不同层次的要求,所以热阻、湿阻的测量可以为面料的选择提供依据。另一方面,也可以为特种防护服、功能防护性服装的性能评价提供参考值,同时加大对产业用纺织品中材料的热湿传递性能的考核。总之,舒适的服装不仅方便人体活动,还能给人在心理上带来轻松、自然、愉悦的感受,并且能防止人体过多散失热量,起到保暖效果的同时也帮助人体带走多余的热量,还能有效防止或减弱不利气候给人体带来的影响。国内外研究人员致力于服装热湿传递性能及其测试方法、评价指标方面的研究已有几十年,并仍将继续。在未来,有关服装舒适性的评价研究将会着重于以下几个方面:

1)基于暖体假人服装热湿舒适性的探讨不再局限于服装的热阻与湿阻,更加重视出汗率、蒸发阻抗及生理学指标的测量,从而综合表征服装的热湿舒适性。进一步关注真实模拟暖体假人的研究,以及对人体尤其是特殊环境下人体的热湿舒适性的研究。在原有假人的基础上,通过对局部热阻、湿阻的测量改善“Walter”出汗暖体假人,突破无法测量局部热湿阻的局限。

2)服装舒适性的评价除客观测量方式外,注重结合主观评价,达到主客观一体性评价。

3)未来将根据不同影响因素对服装热阻、湿阻值测量的影响大小的相关研究进行进一步探索,定量化建立关系。并且在单因素影响中加入更多因素,研究多因素对服装热湿舒适性的综合影响。

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The measurement and influential factors of thermal resistance and moisture resistance of clothing

ZHANG Wenhuan, QIAN Xiaoming, NIU Li

(School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Abstract:This paper introduces two methods of human heat loss, and explains the meaning and significance of thermal insulation and moisture resistance of clothing. On this basis, this paper summarizes the measurement equipment and method of thermal insulation and moisture resistance of fabrics and clothing. Besides, this paper further presents the equipment to objectively measure total thermal insulation and moisture resistance of clothing-sweating thermal manikin. As well, measurement principle, system and calculation methods of “two-step measurement” and “Walter one-step measurement” are elaborated respectively. Moreover, this paper sums up single factor influence and comprehensive influence of clothing, physiological activity and environmental conditions on thermal insulation and moisture resistance of clothing. Finally, this paper explains the specific significance of heat and moisture comfort research and predicts the future research development trend.

Key words:heat and moisture comfort; thermal resistance; moisture resistance; thermal manikin; measurement methods; influential factor

DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2017.05.008

收稿日期:2016-08-22;

修回日期:2017-04-17

作者简介:张文欢(1993),女,硕士研究生,研究方向为服装热湿舒适性。

通信作者:钱晓明,教授,qxm@tjpu.edu.cn。

中图分类号:TS941.17

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2017)05-0043-08 引用页码: 051108