服裝保溫性能評價方法及其優化分析

吳冰晶，李 璇

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海200040）

0 引言

服裝作為人體與環境之間的媒介，對于調節兩者之間的熱傳遞，幫助人體保持舒適的熱平衡，起到至關重要的作用，尤其在環境溫度較低的冬季，人們需要借助于棉服、羽絨服等保溫服裝來維持人體的熱舒適。而隨著服裝產品市場的多樣化，如何科學、全面、系統地評價此類服裝的保溫性能，越來越受到市場和消費者的重視。

簡單來說，普通服裝的保溫效果一般是通過減少人體散熱量來實現的。傳導、對流、輻射與蒸發是人體在無濕汗狀態下散熱的主要途徑，約占總散熱量的97%[1]，而服裝對這4 種散熱途徑的影響主要體現在：服裝材料與空氣層的導熱能力主要影響傳導散熱，防風性能及服裝封閉程度主要影響對流散熱，輻射率及表面溫度主要影響輻射散熱，透濕指數及潤濕面積主要影響蒸發散熱[2]。由此可見，人體、環境、服裝三者之間存在著極為復雜的熱交換過程，現有的研究還難以對這一過程進行全面的模擬和表征。本文針對服裝保溫性能的評價，總結分析了相關表征指標和測試方法，且測試方法涵蓋織物和服裝整體兩個層面，對有待解決的關鍵問題進行了分析和探討。

1 表征指標

目前，常用于表征服裝保溫性能的主要指標有保溫率、熱阻、導熱系數、傳熱系數clo值（克羅值）、Tog值（托格值）等，詳見1。

表1 保溫性能表征指標

保溫率與熱阻是目前我國相關標準中用于表征紡織品保溫性能的常用指標[5]。相較而言，保溫率僅表示比率關系，雖簡單易懂，但在對測試結果進行比較時卻存在較大的局限性，而熱阻能夠反映織物自身所具有的性質，是一種更為直接、有效的表征方式。另外，有學者通過測試同一織物在不同層數下的保溫率發現，當織物厚度達到一定程度后保溫率測試結果基本保持不變，即靈敏度減弱[6]。導熱系數與傳熱系數的表征含義非常接近，僅從含義本身來看，與傳熱系數相比，導熱系數更是消除了厚度對結果可比性的影響。clo值（克羅值）由美國學者Gagge 和Burton 于1941 年提出[7]，作為一項綜合了人體、服裝、環境三者考慮的保溫性指標，其具有一定的先進性和實用性。但事實上，能夠準確測得合乎定義的clo 值是十分困難的。目前，采用的暖體假人法實質上已將這一物理—生理—心理指標降為了物理—生理指標。Tog值是英國常用于表征衣物、寢具保溫性能的一項重要指標[4]，其與克羅值、熱阻之間存在的關系為[3]：1 m2·K∕W=6.45 clo=10 Tog。

2 測試方法

服裝保溫性能的測試一般考慮從局部織物和服裝整體兩個層面入手。通過測試平面織物以表征服裝保溫性能，是目前相關檢測領域采取的主要方式。與測試服裝整體相比，此類方法相對簡單，易操作，成本較低。然而，服裝的保溫效果并不僅僅取決于面料，服裝的開口、衣下空氣層、穿著層次等設計因素的影響同樣不容忽視[2]。因此，測試服裝整體的保溫性能更加能夠達到貼近實際穿著的效果，但此類方法成本相對較高，操作較為復雜，目前主要用于試驗研究。

2.1 織物層面

2.1.1 恒溫法

恒溫法是指在確保熱量只能經過織物傳遞的前提下，通過測試保持恒溫所需時間或消耗功率等參數，從而計算保溫指標的一類方法。GB∕T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》中提及的平板式織物保溫儀法，便采用了恒溫法的基本原理［目前，該標準已更新為GB∕T 11048—2018《紡織品 生理舒適性穩定條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發熱板法）》］。

2.1.2 冷卻法

冷卻法的一般原理是：將試樣置于加熱到一定溫度的熱體上，通過一定時間內熱體溫度下降的值或下降到一定溫度所消耗的時間來衡量試樣的保溫性能。與測試周期較長的保溫法相比，冷卻法的測試時間相對較短，但其由于無法定量測試熱阻、導熱系數等織物自身固有的熱傳遞指標，因此，一般僅適用于簡單定性比較織物保溫效果的情況。

2.1.3 雙板法

雙板法是通過測試時將試樣放置于2 塊溫度不同的金屬板之間，因試樣上下表面存在溫差而導致其內部產生傳熱，通過記錄平衡時的熱流量即可計算得到熱阻、導熱系數等指標值。對于受壓易變形的織物，如填絮料類織物，尤其要注意上層金屬板對試樣可能產生的壓力作用，避免因試樣形態和內部結構的變化而導致測試結果的偏差。

2.1.4 其他方法

除了上述幾種較為成熟的方法外，還有諸多為提高保溫性能測試準確性和效率而進行的研究性嘗試。董陳磊[8]將瞬態平面熱源法（TPS）應用于織物保溫性能的測試，研究采用TPS2500 型Hot Disk熱常數分析儀對芳綸1313∕1414水刺非織造布的導熱系數進行試驗，并探討了儀器的核心——探頭對織物測試的適用性，最終發現采用薄膜探頭的分析儀可適用于一定厚度織物的導熱系數的測試。肖俐等[9]嘗試通過熱線法測試碳纖維織物、芳綸織物、玄武巖織物的導熱系數（此方法通常被認為是測量流體熱導率最精確的方法之一，同時也被廣泛應用于粉末、薄紙等材料的測量），但該研究并未有效證明其測試結果的準確性。陳益松等[10]針對GB∕T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩定條件下熱阻和濕阻的測定》測試過程中空板上方空氣層熱阻并不能完全替代測試面料上方空氣層熱阻的問題，提出了一種回歸測量法，即：通過測量逐層疊加面料的總熱阻，進行線性回歸分析，直接得到單層面料的熱阻及其上方空氣層的熱阻，通過與傳統測量方法測試結果的對比分析發現，回歸法在一定程度上的確能提高熱阻測量的準確度。

2.2 服裝整體層面

2.2.1 暖體假人法

暖體假人法是目前用于測試服裝整體保溫性能的重要方法，其綜合考慮了服裝材料、服裝款式、層次搭配等多方面因素[11]，借助假人穿著服裝進行測試，避免了真人試驗中個體差異和心理因素的影響，試驗重復性好，并能實現極端環境條件下的產品測試。

暖體假人系統一般由至少包括“假人”本體系統、溫度控制系統在內的多個系統構成，測試需在特定的人工氣候倉內進行。其中，“假人”模型多為固定規格的男體，其對一些款式固定、尺碼分類少的特殊職業用服裝適應性較強，而對款式靈活多變、尺碼劃分較細的日常服裝，則較難模擬出接近實際的穿著效果。除此之外，暖體假人系統使用和維護的價格高昂，且占用空間較大。

針對暖體假人系統存在體型單一、結構復雜、成本較高的情況，2014年東華大學和山東萊州電子儀器有限公司聯合研制出LD-1型服裝保溫性能測試儀。與傳統的暖體假人相比，該儀器的不同點主要體現在：采用無四肢的假人上身軀干；可通過調節假人前后身距離改變胸圍、腰圍、臀圍尺寸；通過調整測試板的位置，避開開領高低、下擺開衩等服裝結構因素的影響[12]。

2.2.2 紅外熱像法

紅外熱像技術采用光電設備來測量紅外輻射，能夠將人眼無法看見的紅外輻射能量轉變為紅外熱像分布圖[13]，該圖可直觀表達出人體在穿著條件下的實際溫度分布情況。為驗證紅外熱像測試結果與主觀評價之間的一致性，鄭晶晶[14]選用8 款不同成分的機織圍巾，分別由受試者佩戴后拍攝紅外熱像圖，并由受試者對圍巾冷暖感進行主觀評價，研究發現兩種測試結果之間存在較好的一致性。然而，目前該類方法發展尚未成熟，尤其測試結果與保溫性能之間尚未建立合理、科學的表征指標。

3 存在問題及改進建議

通過上述分析可知，雖然目前服裝保溫性能的評價方法眾多，但仍缺乏一種貼合實際、準確度高、通用性強的評價方法。綜合來看，為了更好地推進評價方法的完善，研究人員應著重關注下述問題的解決：

（1）表征指標難以統一，研究成果之間的可比性較差，且未能發揮對終端消費者的指導意義。鑒于保溫性能的測試原理存在較大差異，因而衍生出了多種保溫性能的表征指標。此外，測試時常采用溫度、紅外輻射等進行間接表征，但這類因素并不具象且不穩定，導致指標本身就帶有一定程度的不確定性。雖然目前用于保溫性能的表征指標較多，但消費者對產品的保溫性能還是缺少直接、量化的認識，很難將測試指標與實際保溫效果快速地聯系起來。

（2）測試方法普遍存在局限性和片面性。從織物層面來看，不考慮服裝結構、穿搭層次等的影響，僅以織物測試結果來表征服裝整體的保溫效果并不合理。從服裝整體層面來看，以應用最廣的暖體假人為例，一方面需要解決假人與服裝之間松量配合的問題（包括如何調節、調節多少），另一方面目前測試采用的內搭服裝單一，并不符合人們實際的穿著習慣。紅外熱像法表現出良好的發展前景，但現有研究多數采用真人穿著試驗，發展合適的試樣承載裝置是該方法廣泛應用前需解決的重要問題。

（3）測試環境不統一，且未能很好地貼合實際。環境溫度、相對濕度和風速均對服裝保溫效果有所影響，其中溫度和風速的影響尤為顯著[15]。在當前保溫性能的相關標準中，測試環境存在較大的差異[16]，不同學者在進行相關試驗研究時也未采用統一的測試環境，因而所得的研究成果難以進行有效比較，如國家標準GB∕T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩態條件下熱阻和濕阻的測定》要求測試時在空氣溫度20 ℃、相對濕度65%、空氣流速1 m∕s的條件下進行，明顯與實際使用環境存在差異，很大程度上降低了測試結果的實際參考意義。

針對上述提到的問題與不足，結合未來服裝保暖性能測試的發展趨勢，建議：

（1）規范表征指標，一方面可對指標按原理進行分類，對同一類型中可相互轉化的指標進行精簡，同時應規范指標名稱；另一方面，建立不同類型指標之間的聯系，從而增加不同表征結果之間的可比較性。此外，從消費者的角度來看，建立起表征指標與實際使用環境之間的關系尤為重要。

（2）提高測試方法的精確度和可信度。需要把關注點放在如何使測試過程更貼近實際應用上，重點包括：實現儀器與服裝之間松量的可調節性，通過調研將人們的實際穿搭考慮到試驗中去等等，更重要的是，對這些參數進行定量規范化。

（3）冬季保暖服裝的測試應在低溫條件下進行，并應針對輕便羽絨服、棉服、防寒服等不同類型的御寒服裝設置不同的環境溫度。此外，戶外穿著的服裝應著重考慮風速，設置合理的風速參數。一套科學的標準測試環境條件，對提高測試結果的實際應用價值具有極為重要的意義。

在當今保暖服裝輕便化、多樣化的發展趨勢下，科學、有效地對保溫效果作出確切的評價，無論是對相關的學術研究，還是對市場消費者而言，都具有十分重要的意義。從實際性和實用性出發，對現階段的服裝保溫性能評價方法進行剖析，希望研究結果對相關評價體系的完善和規范提供參考借鑒。