暖體假人在服裝熱濕舒適性測試中的應用

雷中祥，錢曉明，邢京京

(天津工業大學 紡織學院，天津 300387)

暖體假人在服裝熱濕舒適性測試中的應用

雷中祥，錢曉明*，邢京京

(天津工業大學 紡織學院，天津 300387)

綜述了暖體假人的發展過程，暖體假人在服裝熱濕舒適性中的測試標準、指標和方法，以及該測試方法的局限性，并提出了建議。

暖體假人；熱濕舒適性；測試應用

暖體假人是模擬人體與環境熱濕交換的儀器設備，在服裝熱濕舒適性評價和職業防護服開發中能科學地評價服裝整體熱學性能，避免真人實驗中人體差異的影響；實驗精度高，可重復性好，被公認為服裝工效學研究必不可少的手段。

1 暖體假人發展歷程

干式暖體假人誕生于20世紀40年代，只能測量服裝的透濕性能。最早出現的出汗暖體假人是美國Goldman和西德Mecheels于20世紀60年代末期研制的[1-2]。80年代以來，世界上出現了多種形式的出汗暖體假人。日本女子文化大學和大阪工業技術試驗所分別研制了不同類型的出汗暖體假人[3-4]；瑞典、芬蘭、瑞士等國也研制了比較先進的多管路區域控制出汗暖體假人[5-6]。東華大學服裝學院在2000年研制了在干假人基礎上外掛出汗皮膚系統構成的出汗暖體假人[7]；中國人民解放軍總后勤軍需裝備研究所在2004年研制了與瑞士和瑞典相似的出汗暖體假人[8]，并應用于軍服的評測；2002年香港理工大學研制出世界上第一個織物出汗暖體假人Walter[9](圖1)，并成功在服裝業界得到應用。

2 暖體假人的測試指標

暖體假人用以模擬人體、服裝和環境之間的熱濕交換過程，假人的性能狀態可以通過表面溫度、產熱量、熱阻、濕阻等指標來描述。在進行實驗之前，采用準確合理的測試方案及參數對掌握測試規律及準確地評價服裝熱濕舒適性能具有重要的意義。

2.1 熱阻

根據人體熱平衡理論和服裝熱濕傳遞原理，當出汗暖體假人、服裝和環境處于熱平衡時，假人的產熱量等于通過服裝的散熱量[10],即

Q=Qt+Qe

(1)

式中，Q為假人的產熱流量(W)；Qt為人體通過服裝表面的非蒸發散熱流量(W)；Qe為人體通過服裝表面的蒸發散熱流量(W)。

服裝層中因溫度梯度而產生的熱流阻力稱為熱阻，計算公式為

(2)

式中，Rct為服裝總熱阻(℃·m2/W);Tskin為假人皮膚溫度(℃)；Tamb為假人周圍環境溫度(℃)；A為假人體表面積(m2)；Qt為假人的非蒸發散熱流量(W)。

服裝總熱阻Rct有兩部分組成，一部分是指服裝的有效熱阻值Rcf，另一部分是指著裝人體表面空氣層熱阻Rcto，為裸露的假人在相同環境條件下測得的熱阻，即Rct=Rcf+Rcto。

考慮著裝后人體體表面積增大對服裝熱傳遞特性的影響，定義服裝基本熱阻為

Rcf=Rc-(Rcto/fcl)

(3)

式中，服裝面積系數fcl是服裝表面積與人體凈體表面積的比值。

服裝總熱阻是指從皮膚表面到環境的熱阻，包括體表面積增大的影響和著裝人體表面空氣層的阻抗；服裝有效熱阻是從皮膚到服裝表面的熱阻，包含體表面積增大的影響；服裝基本熱阻是從皮膚到服裝表面的熱阻，排除了著裝后人體體表面積增大帶來的影響。所以，對于服裝隔熱性能來說，必須明確熱阻類型和測試指標，才能準確地進行表征及相互比較。

暖體假人測量服裝熱阻有3種模式：恒皮溫、恒熱流和熱舒適調節。同時，服裝熱阻計算也有3種模型：并行模式、串行模式和全局模式。表1列出了3種模式的詳細信息[11]。

表1 暖體假人測量服裝熱阻計算模型

在計算服裝熱阻時，除了計算服裝總熱阻之外，計算服裝的局部熱阻也很重要，因為局部熱阻能真實地表達服裝對所覆蓋部分身體的隔熱性能。對于相同面料的服裝，局部熱阻還能區分服裝結構導致的細微差別，這更利于改進服裝結構設計。

2.2 濕阻

影響服裝舒適性的一個重要因素是服裝的透濕阻力即服裝的濕阻，計算公式為

(4)

式中，Ret為服裝總濕阻(Pa·m2/W)；Psat為假人皮膚表面的水蒸氣壓(Pa)；Pamb為假人周圍環境的水蒸氣壓(Pa)；A為假人體表面積(m2)；Qe為假人的蒸發散熱流量(W)。

服裝的總濕阻是指皮膚表面到環境的濕阻。它與干態熱傳遞相類似，也要考慮著裝后人體體表面積增大的影響和服裝表面空氣層的濕阻。

3 暖體假人的測試標準

假人的熱濕舒適性方面的測試標準和舒適性評價主要包括服裝熱阻、濕阻測試和舒適性評價。目前有關暖體假人的測試技術已相當成熟，表4為暖體假人國際測試標準。

表2 暖體假人國際測試標準

4 暖體假人測試的局限性

在暖體假人測試服裝熱濕舒適性試驗中，假人是內在因素，左右著最終測試結果的準確性。暖體假人良好的精度和模擬性能，以及穩定的著裝條件與測試環境條件，是獲取服裝熱濕性能指標真實測試結果的基本保證。但是假人畢竟是模擬人體發熱出汗機制，技術上存在一定的局限性，這是值得我們研究的。

4.1 假人測試的重復性

自出汗暖體假人發明以來，研制性能完善的出汗暖體假人系統對研究者而言一直是一個挑戰。雖然已經出現多種形式的暖體假人，但由于設計出發點不同，再加之假人在形態上存在相當大的差異，造成同種服裝利用不同的假人測試出的結果存在較大的變化。

目前假人在世界上數量較少，各國的假人都各有特點，其體型、材質、分段結構、控溫方法、出汗方法以及實驗方法的不同，造成同種服裝利用不同暖體假人的測試結果存在很大差異性，限制了假人的推廣作用。

IngvarHolme′r[14]指出，對于濕阻實驗，變異系數更大，單層服裝測試結果的變異系數達到50%，而多層服裝測試結果的變異系數要超過100%；對于熱阻試驗，同一實驗室對某個特定服裝測試結果的重復性，即變異系數是2%～4%，而不同實驗室之間測試結果的變異系數是5%～10%，因此，目前大多暖體假人用于定性分析與比較。

4.2 假人模擬出汗問題

自上個世紀80年代以來，研究人員對假人出汗系統進行了多方面研究，除了研究新型結構的出汗模擬皮膚外，主要思路集中在如何通過管路將水通入假人皮膚，這樣可以使模擬皮膚持久保持水分。現有的出汗暖體假人分為主動式出汗和被動式出汗2種基本模式。主動式出汗系統采用精確定量供水系統，通常由泵和閥聯合控制，供水量可事先精確設定，如100、200g/h等，并在整個實驗過程中保持恒定的供汗量，是以控制假人皮膚表面潤濕度為目的。被動出汗系統僅僅是補充假人的汗水散失量，而不是定量供給。這種供水方式可見于暖體假人Walter，水補量會自動隨著被測量服裝的不同透視能力而變化。

然而，無論暖體假人采用哪種出汗模式，假人模擬人體出汗的情況可分為2種，一種是完全模擬人體的各種真實出汗狀態，包括劇烈運動下大汗淋漓的情況，這屬于仿生學模擬，但大多數真人出汗的情況并不能滿足假人作為儀器對服裝透濕指標測量的要求。例如，大汗時沿四肢滴下的汗水量并不能用于計算服裝的透濕能力，同時液態汗水侵入服裝將嚴重影響服裝的隔熱透濕能力，因此假人模擬出汗的最理想的狀態是均勻地釋放氣態汗。所以既要保持假人皮膚表面的濕態又不希望汗水侵入到服裝中去，這對假人皮膚的設計和材質的選擇要求很高。

另外，在運動狀態下，人體各部位出汗量是不同的，在服裝的覆蓋面積下以腋下和胸口出汗最多，其他部位也各有差別，故而將整個人體各部位出汗量視為均等并不能真實反映人體的出汗情況，所以，如何更好地設置假人的出汗量以便真實地模擬真人運動狀態，是亟待解決的問題。

5 結語

當前暖體假人研究大多局限于由單層服裝構成的人體-服裝-環境系統，建議未來還應考慮多層服裝系統，畢竟人體多數情況下穿著多層服裝，而且暖體假人也存在一些問題，即便能出汗行走，也僅僅是人類復雜熱調節系統的某種近似，與人類真實的調節系統具有一定的差別，其測試結果必須與真人實驗相比較，進行全面的綜合評價。相信在不久的將來暖體假人技術會更加成熟，更加廣泛地運用到紡織服裝、職業健康、環境、消防、交通安全、航空航天等各領域。

[1]GoldmanRF.Thermalmanikins:theiroriginsandrole[A].FanJintu.ThermalmanikinsandModelling[C].HongKong:TheHongKongPolytechnicUniversity,2006.

[2]MecheelsJ.Themeasurementofthefunctionaleffectofclothingonthehumanbody[J].MelliandTexiberichteInternational,1971,52(7):843-849; 52(8):967-974;52(10):1 215-1 221.

[3]TerukoT,MiwaT.Thermalcontrolsystemforasweatingmanikin[J].JournalofHomeEconomicsofJapan,1993,44(8):671-677.

[4]DozenY,ArataniY,SaitohT,etal.Modelofsweatingthermalmanikin[J].JournaloftheTextileMachinery,1992,37(4):101-112.

[5]MeinanderH.Evaluationoffunctionalclothingsystemswithasweatingthermalmanikin[A].VTTsymposium133:TextilesandComposites92[C].Finland, 1992: 289-295.

[6]RichardsMGM,MattleNG.Developmentofasweatingagilethermalmanikin[A]. 4thInternationalMeetingonThermalManikins[C].Switzerland:EMPA,2001.

[7] 姜志華，湛玉紅，曾長松，等. 出汗假人系統研究[J].中國個體防護裝備，2004，(5)： 8-11.

[8]ZhangWY,ZhuLJ.Studyonthermalsweatingmanikin[A]. 4thInternationalMeetingonThermalManikins[C].Switzerland:EMPA,2001.

[9]FanJ,ChenYS.Measurementofclothingthermalinsulationandmoisturevapourpermeabilityusinganovelperspiringfabricthermalmanikin[J].MeasurementScienceandTechnology,2002,13(7):1 115-1 123.

[10]張渭源.服裝舒適性與功能[M]. 北京：中國紡織出版社，2011.

[11]柯 瑩.服裝局部通風的測評表征及其與熱濕舒適性關系研究[D].上海：東華大學，2014.

[12]ISO7730—2005，Ergonomicsofthethermalenvironment—AnalyticaldeterminationandinterpretationofthermalcomfortusingcalculationofthePMVandPPDindicesandlocalthermalcomfortcriteria[S].

[13]肖 紅.服裝衛生舒適與應用[M].上海：東華大學出版社，2009.

[14]IngvaHolme′r.Thermalmanikinhistoryandapplications[J].EuropeanJournalofAppliedPhysiology, 2004, 92:614-618.

Application of Thermal Manikin in Clothing Heat-moisture Comfort

LEI Zhong-xiang，QIAN Xiao-ming*，XING Jing-jing

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

The development of thermal manikins was reviewed. The testing standards, indicators, methods and the limitations of the test methods of thermal manikin in clothing heat-moisture comfort were detailed. Some suggestions were proposed.

thermal manikin; heat-moisture comfort; testing application

2016-09-27

雷中祥(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：服裝功能與舒適性。

*通信作者：錢曉明(1964-)，博士研究生，教授，E-mail:qxm@tjpu.edu.cn。

TS941.1

A

1673-0356(2016)12-0050-03