開放式局部熱阻測試系統的實現

鄧 輝, 師云龍, 胡源盛 , 錢曉明, 范金土,

(1. 天津工業大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 教育部先進紡織復合材料重點實驗室， 天津 300387； 3. 康奈爾大學 人類生態學院， 紐約 14853)

熱阻是影響服裝熱舒適性的重要參數，其測量方法和測試系統對于研究和改善服裝的熱舒適性具有重要意義[1]。眾所周知，人體各部位的體表溫度各不相同，人體各部位的局部熱阻也各不相同。局部熱阻能更真實地表達服裝對所覆蓋部分身體的隔熱性能[2-3]，特別是對于由相同面料組成的服裝而言，局部熱阻還能區分由服裝結構形成的細微差別。

目前局部熱舒適性研究是國際上此類研究的熱點問題，包括如日本[4-6]、葡萄牙[7-9]、瑞典[10-12]以及德國[13-14]等國家在內的許多學者均借助假人在研究人體局部熱舒適性上取得了較大的進展，但上述的研究均在多段暖體假人(multi-segment manikin)上完成。多段暖體假人在局部熱舒適性的研究上具有一定的優勢，但多段暖體假人是由溫度和測量系統單獨控制的多節段組成，這種暖體假人可以給出在一定的環境條件下各段的相對熱損失，但同時其某一節段到另一節段還存在內部熱傳遞，服裝層內之間有熱流，這些都會影響局部熱阻的準確性，這顯然與真實的人體是有區別的。單段暖體假人(whole-segment manikin)全身為一個整體，各部位由于相互連通，其參數如表面溫度和濕度等可以相互影響，更貼近真人的情況。目前對于單段暖體假人的局部熱舒適性的相關研究較少,主要原因在于適合于單段暖體假人的局部熱阻測試系統并不多見。

本文結合康奈爾大學的出汗暖體假人Walter[15-16]。設計開發開放式遠程局部熱阻測試系統并完成局部熱阻的測試，并通過多個實例進行測試以驗證了結果的準確性。

1 局部熱阻測試原理

1.1 暖體假人熱阻測試原理

熱阻的計算主要有3種方法，包括總體法、并行法和串行法，其中可應用于局部熱阻計算的為并行法和串行法2種計算方法。

并行法算法如式(1)所示。

(1)

串行法算法如式(2)所示。

(2)

(3)

式中：IT為熱阻，m2·℃/W；fi=Ai/A，其中A為假人體表面積，m2，Ai為假人身體各區域表面積，m2；i為假人身體各個區域編號(i=1,2, …,n)；t0為空氣溫度，℃；Qs,i為每個區域的局部熱流密度，W/m2；tsk,i為每個區域的皮膚表面溫度，℃。

這2種方法目前在世界上均有被采用，其中北美和中國大多采用并行法作為衡量熱阻結果的方法，而歐洲大多采用串行法作為衡量熱阻結果的方法。一般來說，采用串行法需要先計算服裝各節段的熱阻，再按暖體假人各節段的體表面積加權得到服裝的總熱阻，測得的熱阻值數值往往比采用并行法測得的熱阻值數值要高20%左右。結合我國實際情況，本文以并行法作為衡量最終結果準確性的方法。

目前，出汗暖體假人Walter的熱阻通過下述公式[17]計算得出：

(4)

Hd=Hs+Hp-He-Ha

(5)

He=Qλ

(6)

Ts=12%T1+9.12%T2+9.5%T3+

6.01%T4+6.37%T5+4.93%T6+

4.93%T7+3.3%T8+3.3%T9+

6.97%T10+6.97%T11+6.97%T12+

6.97%T13+6.33%T14+6.33%T15

(7)

式中：Ta為環境溫度，℃；Ts為假人皮膚表面平均溫度，℃；Hd為假人干熱損失，W；Hs為加熱器能量消耗，W；Hp為水泵能量消耗，W；He為濕熱損失，W；Ha為管路熱損失，W；Q為假人每小時汗汽蒸發量，g/h；λ為水的汽化熱，(W·h)/g，其每小時值為0.67 W/g；T1～T15為假人身上不同位置的表面溫度，℃。

上述公式可根據Walter的整體輸入能量與輸出能量之差計算出Walter的整體熱阻，但不能計算出Walter的局部熱阻，因此，只要本文所述局部熱阻測試系統通過式(1)計算出Walter整體熱阻并與通過式(4)計算得出的整體熱阻相比較，如誤差較小，即可認定局部熱阻測試系統準確。

1.2 熱流密度的測試

由并行法的公式可看出，為得到假人的局部熱阻值需要首先獲得每部分軀干的局部熱流密度值和表面溫度值。表面溫度值可采用溫度傳感器來測量，而局部熱流密度值需要采用熱流傳感器對熱流密度進行測量。

在本文系統中選用適合于服裝用的高精度熱流傳感器，并根據ISO 8301 AMD 1—2010《絕熱恒定熱阻及相關性能的測定-熱流量計法》標準對其進行標定。經標定，熱流傳感器的測量范圍為-689.75～689.75 W/m2, 測量精度為2.6 W/m2，測量范圍和精度完全滿足測試要求。

2 局部熱阻測試系統的建立

2.1 出汗暖體假人系統

出汗暖體假人是一種具有人體外形且能真實模擬并測量人體與外界進行熱濕交換的儀器設備系統，它能在設定的環境條件下，模擬人體、服裝和環境間的熱交換過程，科學地測試服裝整體或局部的熱學性能參數，避免了人體實驗中個人生理、心理因素和個體差異的影響，實驗結果準確，可重復性好。

本文采用的出汗暖體假人為康奈爾大學的Walter假人，如圖1所示，出汗水路系統如圖2所示。2005年美國將Walter假人收錄到用于出汗假人測試的ASTM F2370—2010 《利用出汗假人測量服裝濕阻的標準測試方法》中。

圖1 Walter暖體假人外觀圖Fig.1 Look of manikin Walter

圖2 Walter暖體假人的水路系統Fig.2 Water system of manikin Walter

出汗暖體假人為男性身體：身高172 cm、頸圍45 cm、胸圍95 cm、腰圍89 cm、臀圍100 cm、表面積1.79 m2，假人皮膚表面為防水透氣聚四氟乙烯(PTFE)3層面料。出汗暖體假人出汗量為0～600 g/h。出汗暖體假人中心溫度穩定可控為(37±0.1)℃。

2.2 局部熱阻測試系統

局部熱阻測試系統選用了LabVIEW(NI公司的圖形編程軟件)作為整套系統的開發工具，局部熱阻測試系統的數據采集與控制、數據分析及存儲、虛擬儀器操作及顯示面板等均采用其來開發完成。本文系統主要由底層信號采集與外圍硬件接口模塊、參數設置模塊、假人表面溫度及熱流值實時顯示模塊、水泵PID控制調節模塊、運行過程監控模塊等功能模塊組成，各模塊之間相互協調、相輔相成，共同實現局部熱阻測試系統的功能。

2.2.1信號采集與外圍硬件接口模塊

位于出汗暖體假人Walter表面每個區域的熱流傳感器及其他傳感器信息均由多塊16通道16位數據采集卡(型號為cFP-AI-112)采集傳送至網絡化浮點分析處理系統(型號為cFP-2220)進行分析處理。

該網絡化浮點分析處理系統擁有400 MHz的中央處理器，其自帶256MBSDRAM，存儲空間可達512 MB。另外其本身的CF卡或USB插口便于實現外部數據的存儲，網絡插口便于實現局部熱阻測試系統的網絡化數據提取與控制。所采集到的數據均由LabVIEW 編寫的本系統進行實時讀取、分析和存儲顯示，系統內涉及到的數字信號控制信息輸出由數字輸出模塊(型號為cFP-DO-403)完成，模擬信號控制信息輸出由模擬輸出模塊(型號為cFP-AO-210)完成。

為完成系統應用程序的所有功能，還需要將底層硬件和上層應用程序通過驅動和外圍接口程序連接起來，其中的擴展模塊預留了相應的接口，可將本文系統在今后擴展為局部濕阻測試打下軟硬件基礎，也體現了本文系統的開放性。

2.2.2參數設置模塊

局部熱阻測試系統中需要設定的重要參數主要有假人核心溫度、熱流值采樣間隔，各區域面積與全身面積比值等。假人核心溫度通常是根據具體的國際通行測試標準來確定，如對站姿假人進行測試時需要將核心溫度設置為37 ℃，而對于躺姿假人來說測試時需要將核心溫度設置成35 ℃等，該核心溫度值必需與Walter假人系統的核心溫度值保持一致，一旦出現不匹配則發出錯誤信息進行報警。熱流值采樣間隔則是根據測試的精度要求可設置為5、10、20、30、60 min時采樣1次，精度依次遞增，一般而言20 min為默認值。各區域面積與全身面積比值為式(2)、(3)中的fi，根據不同的位置fi分別為12%(頭)、9.12%(胸)、9.5%(背)、6.01%(腹)、6.37%(腰)、4.93%(左右上臂2處)、3.3%(左右下臂2處)、6.97%(左右大腿前后2處)、6.33%(左右腳踝2處)。

2.2.3假人表面溫度及熱流值實時顯示模塊

為能實時對假人各部分皮膚溫度進行測試和顯示，以便保證局部熱流密度測試更加準確，采用NI VISION技術開發了假人皮膚溫度實時圖像顯示模塊。該模塊在系統中的顯示如圖3所示。該模塊不僅可實時監測假人各部分的表面溫度，還能實時監測假人水路系統的數據和實現預約定時采集。

圖3 假人表面溫度實時顯示模塊Fig.3 Skin temperature real-time display module of Manikin

2.2.4水泵PID控制調節模塊

為將假人體內的熱水盡快分散到假人體內的各個區域并盡可能保持皮膚表面溫度均勻以更能貼合真實人體表面皮膚溫度分布，本文系統在假人內部安裝6個水泵完成上述功能。這就要求在測試局部熱阻時，需要對每個水泵都進行單獨控制并盡量保持假人表面溫度穩定和平均，而PID參數設置是實現這種控制模式最有效的方式。經多次反復試驗，本文系統對每個水泵均進行了PID參數設置，該參數可以使皮膚表面溫度盡可能均勻并保證其測試內容符合ASTM F2370—2010 《利用出汗假人測量服裝濕阻的標準測試方法》標準。

2.2.5運行過程監控模塊

運行監控模塊主要完成對諸如環境溫度，環境濕度，各部分傳感器及整體系統供電供水是否異常等內容進行監控。由于ASTM F2370—2010標準對環境溫濕度有著非常嚴格的要求，因此本文系統必須對環境溫濕度進行監控并顯示，一旦出現溫濕度不符合標準的情況則必須停止測試，待符合測試標準才能重新開始測試。

3 實驗與結論分析

3.1 實驗準備

為了表征本文系統的測試結果，選取了5種狀態來進行本文實驗，包括裸態(后文代號為N)指的是假人不穿任何衣服時的狀態，這通常用作驗證假人系統正常工作與否的標準。其他4種狀態分別為將假人穿上M號全棉襯衣和休閑褲(后文代號為ST16)，M號全棉短袖衫和休閑褲，大孔代表短袖衫在左右2個上臂部具有較大的花紋孔(后文代號為SLT)，小孔代表其左右2個上臂部具有較小的花紋孔(后文代號為SST)，最后一種為M號全棉T恤和休閑褲(后文代號為TT)，休閑褲均采用同一款式同一面料同一大小。

實驗過程中，將人工氣候室設定為環境溫度為20 ℃，相對濕度為65%，風速為無風的標況。假人的核心溫度保持37 ℃不變。所使用的服裝均需在人工氣候室中調濕24 h。每套服裝對應的測試均需要測試4次取平均值并且每次均需要將假人進行穿脫服裝。熱阻的測量需要假人在人工氣候室中穩定12 h之后再進行測量。假人在測試過程中始終保持懸掛狀態并不接觸地面。

將假人表面劃分為15個區域(如圖3所示，其中左右臂測試時分別再細分為左右上臂和左右下臂)，每個區域均放置1個熱流傳感器和1個溫度傳感器緊貼假人皮膚表面，放置位置為每個區域中心部位任意點，所有的熱流傳感器和溫度傳感器均連接至多通道熱流測試系統上完成熱阻和局部熱阻測試，水分損失通過如圖2所示的小水箱下面的電子天平來進行測量。

3.2 實驗結果及分析

3.2.1全身熱流密度實驗驗證

首先進行全身熱流密度實驗，表1示出全身熱能量變化數據。可以看出，數據包括了加熱器能量消耗Hs、管路熱損失Ha，假人每小時汗汽蒸發量Q以及水泵能量消耗Hp，經公式(5)可計算得出全身熱能量變化，再除以假人全身表面積(1.79 m2)即可得出全身熱流密度。

圖4示出采用局部熱阻測試系統對包括裸態、M號全棉襯衣和休閑褲、大孔M號全棉短袖衫和休閑褲、小孔M號全棉短袖衫和休閑褲、M號全棉T恤和休閑褲在內的每種狀態經過5次實驗得出的標準差。從圖上可看出，該測試系統的重復性非常好。

表1 全身熱能量變化數據表Tab.1 Data of whole body heat energy change

圖4 每種狀態5次試驗的平均值和標準差Fig.4 Mean value and standard deviation of this test method after 5 times on different samples

圖5 各種狀態下假人身體每部分局部熱流量值圖Fig.5 Local heat flux of every division zone of manikin in different statuses

表2示出實測和計算全身熱流密度。表中實測全身熱流密度的數值是通過將假人身體表面每個區域的熱流密度有效值經面積加權得出，與整體熱流密度相比二者的誤差最大不超過4.6 W/m2。證明從總體上看，采用局部熱阻測試系統可反映假人的全身熱流密度。

表2 實測全身熱流密度和計算全身熱流密度數據表Tab.2 Data sheet of the real heat loss and heat loss calculated W/m2

3.2.2局部熱流密度測試實驗

圖5示出在局部熱流實驗中假人各區域的熱流密度分布圖。可看出假人處于各種狀態下的熱流密度分布情況。

在圖5所示的5種狀態下，頭部熱流密度值基本保持不變(其值為130 W/m2左右，下同)，對于假人身體其他部分而言，如所穿著服裝不同，則數值會有較大差異；而所穿著服裝相同，則數值變化不大。舉例來說，如假人臂部部分(包括左臂和右臂)，當穿上ST16長袖和SLT短袖襯衫之后，其值發生了較大的變化(值從長袖狀態下左下臂的86 W/m2變為短袖狀態下的131 W/m2，長袖狀態下右下臂從45 W/m2變為短袖狀態下198 W/m2)，即當從長袖襯衫換為短袖襯衫時，假人在下臂部分感覺更涼快；對于SLT狀態的短袖襯衫和SST狀態的而言，當短袖處為大孔和小孔時，其值也發生了較大的變化(大孔的左上臂82 W/m2變為小孔的44 W/m2，大孔的右上臂100 W/m2變為小孔的65 W/m2)，即當從大孔短袖襯衫換為小孔短袖襯衫時，假人在上臂部分感覺更“悶熱”。在測試的5種狀態中，由于下身均穿著同一款褲子，下身的各部分區域熱流密度值變化不大。說明該測試系統可準確表示不同服裝條件下假人的局部熱流密度測試數值。

3.2.3服裝熱阻實驗

由式(1)～(3)可知，通過局部熱流密度可獲得假人的總熱阻值，由此也可驗證所測局部熱流密度的準確性。將各區域局部熱阻值按照面積權值根據轉化為整體熱阻值再和式(4)計算值進行比較(考慮到目前我國和美國均采用并行法表示熱阻，所以本文也采用并行法)。表3示出各種狀態下假人標準熱阻和計算熱阻數據。

表3 各種狀態下假人標準熱阻和計算熱阻數據表Tab.3 Thermal resistance of manikin (real and calculated) in different statuses

從表3可看出，這幾種情況和標準值比較后，其最大誤差均小于3.1%，證明其測試結果準確。

4 結 論

本文結合康奈爾大學的Walter暖體出汗假人，設計開發了開放式局部熱阻測試系統并選取了裸態和穿M號全棉襯衣和休閑褲、穿大孔M號全棉短袖衫和休閑褲、穿小孔M號全棉短袖衫和休閑褲、穿全棉T恤和休閑褲等4種著裝狀態共5種情況，完成了整體熱流密度測試、局部熱流密度測試和服裝熱阻測試等3項測試。實驗得出，開放式局部熱阻測試系統可以準確表示穿著不同服裝條件下假人的局部熱流密度數值，其整體熱流密度誤差不超過4.6 W/m2，熱阻誤差不超過3.1%。

通過上述實驗結果表明，該系統可以完成暖體出汗假人的局部熱阻的測試。在今后的科研工作中，還可對本文系統的開放式接口進行適當改造，以完成更多的測試工作。