出汗熱護式熱板儀系統的設計分析與試驗研究

陳益松，徐 軍，袁春艷

(1.東華大學服裝和藝術設計學院，上海 200051;2.東華大學現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

出汗熱護式熱板儀(后文簡稱出汗熱板儀)具有模擬人體出汗的能力，從而實現了面料透濕能力的測量。濕阻是評價面料透濕能力的主要指標，但有別于Fick定律所定義的濕阻，出汗熱板儀所測量的濕阻實際是蒸發阻力(evaporative resistance or water vapor resistance)，由 Woodcock［1］在 1962 年提出透濕指數概念時的熱濕方程所表達，該理論引導了出汗熱板儀及出汗暖體假人的研制。在形成ISO標準前，已有多款出汗熱板儀在運行［2－3］，德國Hohenstein研究院針對出汗熱板儀的工作模式進一步規范提出DIN 54101—1(1991)《使用熱調節的人體皮膚模型測量穩態熱阻和濕阻》簡稱“皮膚模型”(skin model)，后被采納為ISO 11092—1993《紡織品生理效應穩態熱阻與濕阻的測量(出汗防護熱板試驗)》，并被國際社會廣泛接受，陸續成為歐洲標準BS EN 31092—1994《紡織品 生理特性 穩態熱阻與濕阻的測量(出汗防護熱板試驗)》和 ASTM F 1868—02《使用出汗熱板儀測量服裝面料熱阻和濕阻的標準方法》中的一部分。GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩態條件下熱阻和濕阻的測定》中的A型儀器即ISO 11092—1993為原本，但儀器的具體形式有所拓展。

干熱護式熱板儀(后文簡稱干式熱板儀)是在出汗熱護式熱板儀的基礎上［4］附加了出汗系統、吹風系統及環境箱后可構成符合ISO 11092—1993標準的出汗熱板儀。美國MTNW公司生產的SGHP出汗熱板儀和ADL Atlas公司生產的M259B出汗熱板儀為主要代表，本文以這2種出汗熱板儀為研究對象，對出汗熱板儀的系統構成進行分析，并使用SGHP出汗熱板儀在相關標準下進行試驗，以期對后續研究和使用提供參考。

1 出汗熱板儀系統設計比較

最初的出汗熱板儀是在干式熱板儀表面覆蓋一層高吸濕棉織物充當模擬出汗皮膚，與最早的出汗暖體假人在干式假人身上穿上一層緊身高吸濕棉織物內衣做出汗皮膚相似［5］。現代出汗熱板儀是由專門設計的保水測量熱板并覆蓋一層隔水透濕的微孔膜構成出汗模擬皮膚。在一定環境條件下，通過測量熱板的干熱和濕熱功率就可以計算出被測面料的熱阻和濕阻。

1.1 SGHP出汗熱板儀

SGHP出汗熱板儀(后文簡稱SGHP)的基礎結構來自ASTM型干式熱板儀［4，6］，它可以實現ASTM F 1868—02(含ISO11092—1993項目)所規定的熱阻、濕阻及透濕指數的測量。根據測量熱板和側熱護板的尺寸又分為SGHP-8.2、SGHP-8.25和SGHP-10.5。圖1示出SGHP出汗熱板儀系統的示意圖。

為了更好地實現出汗模擬，SGHP的測量熱板8和側熱護板11上表面加工成具有淺薄紋路的顆粒狀形態以提供含水空間，供水管14通過多個均布的水孔向表面供水，纖維素微孔膜6覆蓋在熱板表面，膜下液態水通過膜的微孔向外析出并蒸發形成汗水，但阻止液態水大量通過。

圖1 SGHP出汗熱板儀系統構成圖Fig.1 Diagram of SGHP sweating hotplate system

為了保證1 m/s環境空氣均勻流過測量熱板，SGHP設置了距離測量熱板100 mm的導流板4，為了減少熱板儀的橫向尺寸，將進風道設計成L型，環境風進入測量區域前需旋轉90°。與熱板儀直接相連通信的環境空氣溫度傳感器2和相對濕度傳感器3安裝在L型進風道上。

SGHP供水系統設計巧妙，負壓儲水箱22內的空氣與外界完全隔離，調節靜壓管23的水位，使水位顯示管21顯示的水位與熱板儀上表面水平相同或略高，水箱自動以該水位向熱板儀供水，由于供水箱密封，箱內水位的下降會在箱內產生負壓(相對于大氣壓)，可使輸出水位基本保持不變。圖2示出SGHP供水系統原理圖。

SGHP使用的環境箱是協作廠家的產品，具有獨立的溫濕度控制系統(溫度傳感器16和濕度傳感器17)，但并不與SGHP直接聯動。當SGHP自帶的溫濕度傳感器2、3發現有較大的數據偏離時，需要手動調節環境箱的溫濕度設置數據。

1.2 M259B出汗熱板儀

M259B出汗熱板儀(后文簡稱M259B)的基礎結構是ISO型干式熱板儀，不同于ASTM型的平行結構，其熱護板為側熱護板與底熱護板連體的U型結構［4］，但它的吹風系統和環境箱是一體的。圖3示出M259B的系統構成示意圖。

圖2 SGHP自動供水系統Fig.2 SGHP water automatic supplier

圖3 M259B出汗熱板儀系統構成圖Fig.3 Diagram of M259B sweating hotplate system

與SGHP不同，M259B的測量熱板6是由含微孔結構的粉末合金制成，約3 mm厚，供水管11通入該微孔熱板上表面后水分散到合金的微孔內部，同樣，纖維素微孔膜4微孔覆蓋在熱板表面形成出汗模擬皮膚。

M259B采用機電式控制供水系統，使用浮式水位傳感器感知水位，當比測量熱板下降1 mm時，供水泵向熱板儀補水。這種供水方式為間歇式，具有一定的波動性［7］，較SGHP采用靜壓原理自動補水系統的穩定性略差。

M259B測量區域上方是空間較大的環境箱，環境箱兩側在靠近測量平面處分別有一個高為55 mm的長條型出風口和吸風口。由于測量熱板上方無附加導流板，經過熱板的氣流流場必然與具有導流板的SGHP有所不同，同時，M259B的環境箱內表面的紅外發射率和吸收率也與SGHP的有機玻璃導流板的環境不同，這些因素是否會引起測量差異目前尚無文獻報道。

新版本M259B的熱阻和濕阻測量范圍分別由原來的0.002～2.0 m2·℃/W和2～1000 m2·Pa/W拓展到0.001～2.0 m2·℃/W 和1 ～1000 m2·Pa/W，減少了薄型面料出現負值的可能。

2 測量標準

ISO 11092—1993規定，1 m/s風速條件下的熱阻和濕阻測量方法是出汗熱板儀的設計基礎，很多國家或區域的標準基本與之相同或稍作修改，相比之下ASTM F1868—02做了較大的擴充，增加了不等溫濕阻、透濕指數等的測量。在實際測量過程中，也可以根據需要自定義測試條件或在相關標準中進行修改。表1示出使用SGHP常用的測量項目及相關的測試條件。其中，A-Rct、B-Ret在 ISO 11092—1993、GB/T 11048—2008和ASTM F 1868—02中完全一致，而 C-Rct與 C-Ret作為 ASTM F 1868—02標準中的另一子項也經常用到。本文使用C-Rct和CRet與 A-Rct、B-Ret進行對比試驗。

2.1 熱阻的測量

在A-Rct與C-Rct的干態熱阻測量中，它們的環境溫度設定和空氣流速的規定不同，但都是在熱板儀不充水，也不覆蓋纖維素膜的干態下進行，僅依靠測量熱板與環境氣流的熱交換測量，熱阻測量的公式為

式中:Rcf為面料的熱阻，℃·m2/W;Rct為熱板儀所測面料與上表面空氣層的總熱阻，℃·m2/W;Rct0為空板條件下依據式(2)所測空氣層的熱阻，℃·m2/W;A為測量熱板的面積，m2;ts為測量熱板溫度，℃;ta為環境空氣溫度，℃;Hc為測量熱板加熱功率，W;△Hc為熱阻測量校正功率，在儀器校準時確定，W。

2.2 等溫濕阻的測量

目前尚無法對出汗熱板儀有效測量區域(測量熱板部分)的出汗量進行精確測量，難以對濕阻進行直接測量。B-Ret采用等溫法進行測量，即將環境氣流的溫度設定為與測量熱板一樣的35℃，這樣測量熱板與環境氣流之間沒有溫差，也就沒有干熱傳遞，測量熱板所消耗的功率僅由測量熱板表面的水蒸發引起，通過直接測量濕熱功率從而避開了實際出汗量的測定。該方法濕阻的計算式為

表1 SGHP常用的測量項目和測試條件Tab.1 Common test items and test conditions by SGHP

式中:Ref為面料的濕阻，Pa·m2/W;Ret為熱板儀所測面料與上表面空氣層的總濕阻，Pa·m2/W;Ret0為空板條件下依據式(4)所測流動空氣層的熱阻，Pa·m2/W;psf為測量熱板控制溫度ts下的飽和水蒸氣壓，Pa;φa環境空氣的相對濕度，%;測量熱板纖維素膜下的相對濕度為100%;He為測量熱板濕熱功率，W;△He為濕阻測量校正功率，在儀器校準時確定，W。

2.3 不等溫濕阻的測量

在C-Ret的不等溫法濕阻測量中，因為測量熱板與環境空氣之間存在10℃的溫差，測量熱板消耗的功率即有溫差引起的干熱傳遞，也有出汗蒸發引起的濕熱傳遞，由于測量區域的出汗量無法測量，解決方案就是采用二步測量法:先在不出汗的狀態測量干熱功率，按式(2)進行;再在出汗狀態下測量干濕熱總功率，將干濕熱總功率減去干熱功率即為濕熱功率，則該方法濕阻的計算公式為

式中:paf為環境空氣ta下的飽和濕蒸氣壓，Pa;Ht為出汗狀態測量熱板的總功率消耗，W。

在此標準下，面料本身的濕阻同樣以總濕阻減去空板的濕阻即按式(3)進行計算，但Ret0同樣需要按二步法在空板情況下按式(5)進行測量。但是，面料在干熱阻測量時并沒有吸入水分，而在濕阻測量過程中，面料是吸入水分的，會導致在出汗狀態下通過面料的干熱功率與純干態測量時不一致的問題［8－9］，因此在用式(5)計算時，會引入這個誤差。由于面料吸濕后熱阻會下降，通過的干熱功率會降低，因此按C-Ret測量，面料的濕阻值相對于真實值將偏低。

由于在C-Ret標準下是假定同一面料多層疊加后熱阻和濕阻與面料層數呈線性關系，校準方法與ISO 11092—1993不同，此時在公式無△Hc和△He功率修正項。

3 試驗與數據分析

本文試驗選擇棉、化纖、麻、毛4大類共20塊面料使用SGHP-10.5分別對熱阻(A-Rct、C-Rct)及濕阻(B-Ret、C-Ret)進行測量。表2示出試驗面料種類及其參數。

表3示出不同標準下面料熱阻和濕阻的試驗結果以及相關數據處理結果。

分別對表 3 中 A-Rct與 C-Rct、B-Ret與 C-Ret的數據進行配對樣本t檢驗，檢測它們的總體均值是否有顯著性差異。A-Rct、C-Rct、B-Ret和 C-Ret的數據經K-S檢驗都服從正態分布，符合檢驗條件，A-Rct與C-Rct、B-Ret與 C-Ret對應 t統計量概率 p值分別為0.732和0.001。

以0.05的顯著性水平判斷，A-Rct與C-Rct不存在顯著差異，實際上它們之間的均值偏差只有0.6%，空板值也只相差0.3%，由此推斷C-Rct校準后的風速與A-Rct的風速基本一致，同時5℃的溫差設定差異對熱阻的測量結果沒有影響，文獻［10］也曾給出1℃的溫差設定差異對熱阻測量無影響的結論。

表2 試驗面料及參數Tab.2 Test specimens and parameters

表3 試驗結果及相對偏差Tab.3 Test results and relative deviations

以0.05的顯著性水平檢驗，B-Ret與C-Ret的數據存在顯著差異。但B-Ret與C-Ret的空板差異僅為0.5%，B-Ret測量面料的濕阻值平均要比C-Ret測量的高17.7%，20塊面料中有18塊面料的B-Ret值要比C-Ret大，也證實了C-Ret不等溫濕阻的二步法測量中，由于面料吸濕后熱阻下降導致的干熱流量上升被忽略，因此導致不等溫濕阻測量的濕阻值偏低。該結論與出汗暖體假人測量的結論相同［9］。C-Ret并沒有因測量條件更接近實際穿著條件(存在溫差)而產生更準確的結果。但C-Ret卻在透濕指數的測量中更有應用價值。

在2次濕阻的測量過程中，面料的平均吸濕率分別為4.2%和4.5%，其中多塊吸濕率差的面料出現明顯的液態水積聚，部分面料下方微孔膜上也有手可以觸摸到的液態水，這是因為出汗皮膚的汗水不能得到正常的蒸發而產生液態水積聚(理論上膜與面料之間不應有液態水出現)，這些都可能影響面料本身濕阻的測量準確性。

4 與M259B的試驗數據比較

本文并沒有將SGHP-10.5與M259B直接進行比較，而是與已發表的M259B的試驗數據進行了間接比較。文獻［11］中使用M259B根據所測9塊面料的A-Rct和B-Ret平均值分別為0.0294℃·m2/W和2.73 Pa·m2/W，是本文SGHP-10.5所測量20塊面 料 熱 濕 阻 平 均 值0.0157℃·m2/W 和4.86 Pa·m2/W的 1.89和0.56倍，屬于一個數量級。而使用M259B的空板空氣層的熱阻和濕阻分別為0.249℃·m2/W 和88.82 Pa·m2/W，是 SGHP-10.5所測值0.0741℃·m2/W和6.00 Pa·m2/W的3.4和14.8倍，雖然SGHP-10.5與M259B的氣流層因風道設計差異有所不同，但不可能相差如此巨大，說明2種熱板儀本身存在明顯的系統間差異，這種差異可能是基礎干熱板儀的結構差異(即測量熱板與熱護板之間的結構形式)以及校準的差異造成，這有待進一步研究，但根據現有對1 m/s空氣層的熱阻和濕阻的測量數據可以判斷認為文獻［11］中M259B的誤差更大一些。

5 結語

本文對國際上2種典型的SGHP和M259B出汗熱板儀的系統特點以及出汗技術進行了分析。對相關標準下特別是等溫濕阻和不等溫濕阻的測量模式的產生緣由進行了闡述。使用SGHP-10.5出汗熱板對20塊面料的熱阻、等溫濕阻和不等溫濕阻進行了測量，在熱阻測量中，發現A-Rct與C-Rct的測量結果非常接近。在濕阻測量中，發現B-Ret的等溫濕阻要比C-Ret的不等溫濕阻普遍大，均值高17.7%，推斷原因是不等溫濕阻為二步法測量，在測量過程中假設面料在干態條件下的熱阻與吸濕后的熱阻相同造成，這也是二步法測量的主要問題，但不等溫法可以在同一溫差和濕度差條件下分別對面料的隔熱和透濕性能進行測量，與實際穿著情況比較接近，有較高的現實意義。本文還與文獻中M259B的測量數據進行了比較，發現空板數據差異很大，推測M259B測試儀相較SGHP-10.5可能存在更大的系統誤差。

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