強制通風下服裝熱濕傳遞模型研究進展

錢 靜，趙蒙蒙，黨天華

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

服裝作為最便攜、最貼近人體的物品，近年來其改善人體舒適性的功能為很多學者所關注和研究。服裝微環境中的溫度、濕度和空氣流動對于服裝舒適性有重要影響。通過在服裝的外部或者內部施加強制通風來加快服裝表面與內部的空氣流動是一種改善服裝熱濕舒適性的重要方式。

服裝微環境即服裝與人體之間的空氣層。對于服裝微環境熱濕舒適性的研究，建立一個準確的模型來對服裝微環境進行模擬是成本較低、較為有效的方法。上個世紀40年代以來，研究者們開發了大量用于評估人類接觸熱量的工具、模型和指數。從設計簡單的用來模擬人類與環境的熱交換的物理儀器，到復雜的可以模擬身體外部和內部的熱濕傳遞的人體熱調節模型，這些模型能夠詳細地模擬不同的工作負荷、服裝和氣候下人體的熱響應[1]。

對于強制通風情況下服裝微環境內熱濕舒適性模型的研究，在改善人體在高溫環境甚至是極端環境中的熱舒適性都有重要意義。本文討論了人體—服裝—環境之間的熱濕傳遞機制，回顧了國內外相關研究成果。介紹了人體熱調節模型的特點及應用場景。綜述了織物和服裝在強制通風條件下的熱濕傳遞模型及模型的求解方法。結合人體熱調節模型的研究現狀，展望了服裝的熱濕傳遞模型的研究方向。

1 服裝微環境內熱濕傳遞機制分析

人體、服裝與外部環境之間，只要存在溫度和濕度差，就會發生熱和濕的傳遞。服裝與人體之間的空間雖然對比外部環境來說很狹小，由于該微環境是直接與人體接觸的，因此其溫度、濕度的變化以及空氣的流動對于人體的熱舒適會產生較大影響。微環境中氣隙的分布很復雜并且受到服裝面料、尺寸以及人體姿勢和動作等諸多因素的影響。人體—服裝—環境系統熱濕傳遞示意圖見圖1。

圖1 人體—服裝—環境系統熱濕傳遞示意圖

如圖1所示，服裝微環境中的熱傳遞包括當服裝與人體直接接觸時，如肩部，服裝面料與人體皮膚之間發生熱傳導，還會發生橫向的毛細現象以及水分在服裝表面的吸附和冷凝。織物與皮膚之間存在一些非均勻的氣隙分布，通常是指服裝產生褶皺的地方或者人體曲線變化較明顯的部位，此時在服裝微環境中會發生的傳熱現象包括傳導、輻射、蒸發和對流。其中，對流是由于空氣在物體上流動而產生的。當比身體溫度低的空氣吹過身體表面時，熱量就可以從皮膚表面散失。對流的熱量散失率取決于諸如空氣溫度、風速和衣服類型等因素[2]。對于垂直方向的空氣層氣隙，如果空氣層的厚度大于8 mm，通過空氣層的熱傳遞開始由導熱變為自然對流傳熱[3]；在對水平方向空氣層[4]的研究中發現當空氣層厚度超過16 mm時，會出現自然對流。

人體分泌的汗液是先從皮膚蒸發到服裝微環境中，然后通過服裝散發外界環境中去。服裝作為皮膚與外界環境之間的媒介物，對汗液的蒸發具有一定的阻礙作用。皮膚表面溫度一般要高于外界環境溫度，這就使得從皮膚蒸發出的汗水在服裝表面凝結，并在整個服裝面料中重新分配，然后再重新散發到外界環境中去[5-6]。

2 人體熱調節模型

人體熱調節模型是由描述體內熱傳遞和調節反應的方程組成。其發展已經有60多年，期間研究者們開發了大量的數值模型。各個模型對于身體節點的劃分不同，不同的身體節點劃分方法所對應的描述人體調節反應的方程的形式也有所不同[7]。本文根據Li[8]提出的對人體熱調節模型的分類方法，將模型分為兩節點模型、多節點模型和多元模型。

2.1 兩節點模型

兩節點模型采用集總參數的方法來模擬人體。其中，兩節點模型是應用較為廣泛的評價人體熱響應和預測瞬態條件下個人和環境的傳熱模型。在這個模型中，身體由2個同心圓柱體表示。外部的圓柱代表身體的外層(皮膚及其相關組織)，內部的圓柱代表身體的內部，由骨骼、肌肉和內臟組成。這些內部和外部的圓柱體分別被稱為身體的核心和皮膚[9]。

然而，如果將個人降溫系統應用于人體，由于溫度梯度較大，Gagge的模型就不能很好地預測。并且，Gagge的模型中將服裝作為一個整體的絕緣體考慮，忽視了服裝覆蓋部分和裸露部分的傳熱差異，沒有體現服裝在熱濕傳遞過程中的重要作用。針對這兩點，相關學者給出了相應的改進方案[10-12]。

2.2 多節點模型

多節點模型采用偏微分方程來描述人體的傳熱問題。通常采用有限差分法、有限體積法或者有限元法對微分方程進行離散，得到各節點處的線性代數方程。

Stolwijk等[13]基于偏差函數建立了人體熱調節的動態數學模型，共將25個節點用于表示身體的熱特性，用5個圓柱體和1個球體分別代表軀干、手臂、手、腿、腳和頭部，每個部位被劃分成4層，包括核心層、肌肉組織層、脂肪層以及皮膚層，共24個節點。皮膚層是外部節點，通過輻射，對流和蒸發與環境進行熱交換。此外，還包含1個代表中央血室的節點。每個節點都有一定的代謝熱產生，與中央血室進行對流熱交換并與相鄰節點產生對流熱交換。后續也有學者對該人體熱調節模型進行改進，使其適合應用于更加廣泛的場景，如冷環境[14]、太空環境[15-16]等。

Fiala[17]將人體的被動系統和主動系統結合起來，形成了一個相對復雜的人體熱調節模型。人體的幾何形狀被簡化為15個球形和圓柱形的節段，可以根據研究需要將身體節段再劃分為不同的組織層，并賦予每個組織層相應的熱物理和熱生物特性，總體的人體數據可以代表一個體重為73.5 kg、體脂率占體重的14%且體表面積為1.86 m2的平均人體。人體熱調節模型在涼、冷、中性、暖和熱環境條件下進行開發和測試，并且對個體在不同外界環境中的熱調節反應(包括寒顫、出汗和血管舒縮)的測試數據進行回歸分析，因此具有廣泛的適用性[18]，該多節點熱調節模型也在后續的研究中得到驗證與應用[19-21]。

多節點模型的優點是可根據需要劃分節段和節點，具有較好的靈活性和精確度，可以應用于動態、非穩態環境。其不足之處在于在溫度梯度變化大的環境下精度不如多元模型。

2.3 多元模型

多元模型比起兩節點模型和多節點模型來說更為復雜。在多元模型中，人體被劃分為若干段或若干單元，但單元中沒有進一步劃分節點或層數。在每個單元中，溫度梯度可以通過形狀函數梯度和節點溫度的結合來考慮。因此，相比集總參數模型和多節點模型，多元模型通常能得到更準確的結果，特別是當人體處于瞬態且溫度梯度較大的情況下[8]。

Smith[22]建立了一個較為詳細的多元人體熱調節模型，該模型應用范圍較廣，可以在非對稱和非均勻條件下，計算人體局部的溫度，然而Smith的模型忽略了大動脈中血液流動對于人體傳熱的影響。Fu[23]根據該多元人體熱調節模型進行了進一步的修改，加入了服裝層。

3 強制對流下服裝熱濕傳遞模型

在強制對流存在的情況下，人體、服裝與環境之間的換熱以及服裝微環境內的溫度分布是一個較為復雜的問題，難以用實驗來量化。紡織品的微觀結構和紋理對人體的熱濕舒適性起著非常重要的作用。一些學者對織物和服裝熱濕傳遞的動態模型進行了討論，并對多孔介質中的熱、濕和空氣流動進行了相應的數值模擬。

3.1 織物的熱濕傳遞模型

強制對流會對面料內部以及邊界空氣層的厚度造成影響。丁殷佳等[24]研究了風速對單、雙層織物的影響。建立了雙層織物總熱阻關于風速的模型。并將不同面料、在不同風速下熱阻的預測值和測試值進行了對比，發現誤差小于3%，模型的準確性得以驗證。Rimantas等[25]提出了用于研究多層紡織面料與人體之間的熱量和空氣水汽質量交換的計算模型。創建了三維紡織材料構成的強制通風層的有限元，并可作為紡織面料整體結構模型中的結構元素。在理想氣體狀態方程的基礎上，導出了單元方程，并給出了織物層特性的測量結果和數值數據。

一些研究選擇使用圓筒來對織物的相關參數進行模擬并進行實驗。Ghaddar等[26]，提出了一個耦合混合對流以及通風的模型。并使用由織物覆蓋的可加熱加濕豎直圓筒模擬人體穿著服裝的狀態，研究圓筒在均勻的垂直風的作用下，圓筒表面的溫度分布以及其內表面的水分蒸發率。通過比較模型與實驗測量之間的顯熱和潛熱損失以及圓筒與織物之間的空氣溫度曲線發現了很好的一致性。Gibson[27]使用織物覆蓋的圓柱體為幾何圖形建立了二維模型，計算了在特定環境風速、溫度和相對濕度條件下織物內部的熱濕傳遞特性。

3.2 服裝的熱濕傳遞模型

為了較為詳細地描述強制通風下服裝內部熱量分布和流體的流動情況這一過程，需要建立完善的模型，國內外的許多學者做了相關研究。

數值模擬是一種節省成本且時間效率較高的方法，可以用來了解物理機制和人體實時的生理反應。過去，針對不同環境下不同類型的服裝，創建了不同的數值模型來研究服裝的熱濕傳遞過程[28-29]。針對強制通風下，服裝內部和外部的溫度、濕度和換熱系數等，研究者建立了相關的數值模型。Pu[2]建立了能模擬人體與液體、空氣和相變冷卻服裝及其周圍環境的熱相互作用的數值模型，為穿著者的生理反應、所需的冷卻能力以及允許的工作時間提供合理的預測。該研究并未考慮服裝內部的流體流動情況以及溫度分布情況。Wan等[30]開發了一個數值模型來分析混合型個人降溫服中熱量和水分的傳遞。對Tanabe的多節點模型進行了改進，將服裝熱濕傳遞模型與多節點人體熱調節模型相結合，確定了動態環境條件下人體的熱生理反應。

隨著計算機領域的發展，計算能力得到了提升，但此時計算機的計算能力有限，研究者大都選擇使用簡化的人體形狀進行模擬。Ismail等[31]將人體簡化為一個帶有均勻的環形空氣層的垂直圓柱體，研究了均勻橫風對穿著衣服的人體的通風、熱量和濕氣的傳遞的影響。陳盛祥等[32]針對3種不同進氣口類型的氣體冷卻服，建立了CFD模型，分析了幾種冷卻服空氣層中的空氣流動和換熱情況。研究結果表明不同進風口類型對于冷卻服空氣層的對流散熱量、平均溫度、溫度分布狀況和平均氣流流速的影響較大。該研究忽略了蒸發散熱以及輻射傳熱對空氣層傳熱的影響。Sun等[33]研究了幾個小風扇產生的氣流以及氣流之間相互影響的效果，并采用流體力學模擬計算了氣流速度、氣隙厚度和風扇配置對可穿戴式對流冷卻系統換熱的影響[34]。模擬結果表明，增加進口空氣速度，對流和蒸發換熱系數隨之增加；入口空氣速度與對流或蒸發傳熱系數之間與已知的冪函數有較好的相關性。Sun等[33]所建立的模型是二維的，只考慮了風扇直吹部分的空氣層中氣流流動情況，該方法可以減少計算量，但是如果要獲得更加準確的模擬效果，則需要建立三維模型對該系統進行模擬。

近些年，由于計算機的進一步發展和商業軟件的成熟，使得模擬更加真實的人體—服裝—環境系統成為可能。一些結合人體熱調節模型并考慮人體和服裝真實形態的三維模型被開發出來。在任萍[35]的研究中，針對高溫天氣中穿著的帶有微風扇陣列的服裝和單兵數字頭盔建立了三維模型，對于穿戴時的傳熱過程進行了數值模擬，計算了不同的環境溫度、不同風扇風速和風流量情況下的頭部和背部傳熱過程，得到接近真實的三維模擬結果。吳釗[36]基于多節點人體熱調節模型，對穿著氣冷服的空氣層內發生的傳熱進行數值計算。將計算結果與其他文獻報道的數據進行比較，驗證了計算結果的準確性。以傳熱計算的結果為基礎，結合Zhang[18]的熱舒適度模型，計算了特定環境條件下使人體軀干局部保持熱舒適狀態時的風扇風速。對于氣冷服的設計優化具有一定的參考意義。許鵬飛[37]為了研究基于熱電制冷的管道式氣冷服中氣體的換熱與流動情況，建立了人體—服裝—環境的傳熱模型，根據不同的管路設計方案的數值分析結果，來改善氣冷服制冷的平衡性。且研究所采用的人體模型并不涉及人體內部體溫調節，只考慮了體表的溫度，并且將人體與服裝間的空氣層理想化為均勻分布,這些都與現實情況有一定的差異，因此模型的適用性有待考證。Choudhary等[38]以一個穿著后背部帶有2個風扇的通風服的虛擬人體模型為研究對象，建立了人體—服裝—環境間的三維數值模型。計算服裝內部強制通風情況下,人體、服裝與環境之間的傳熱。該研究假設服裝的開口部位僅為袖口，沒有將領口、服裝下擺以及織物紗線間存在的氣隙考慮在內，可能會導致計算結果存在一定的誤差，并且所模擬的情況只包含對流傳熱，而忽略了蒸發傳熱所帶來的熱損失。

4 模型求解

對于熱濕傳遞模型，求解方法主要有有限差分法、有限體積法和有限元法這3種。

4.1 有限差分法

在流體力學數值解法中，應用比較廣泛的是有限差分法，即在離散的網格點上把各偏導數項化為差商來求效值解：選擇合適的基本方程，確定相應的定解條件，然后將微分方程離散到差分網格上求解[39]。

Nordon等[40]基于雙掃描法，建立了描述吸濕性紡織材料中熱濕耦合擴散模型，并得出非線性微分方程的有限差分解。Smith等[41]描述了一個穿著衣服的人體體溫調節的數學模型。服裝內部和外部的熱流被表示為1個偏微分方程系統。利用有限差分技術來逼近空間偏導數，從而將問題簡化為求解非線性常微分方程組。在時間維度上采用一種高精度的近似方法來生成問題的解。

4.2 有限體積法

有限體積法又稱為控制體積法，是對積分型的守恒方程進行離散，從而把積分型方程近似為代數方程進行求解的方法[42]。

Mao等[43]提出了一種模擬熱智能服裝系統中多尺度熱濕傳遞的非線性模型，用于研究在人體、織物、纖維材料和相變材料的混合型耦合熱濕傳遞過程。采用有限體積法對模型的耦合偏微分方程進行離散，并結合具體的穿著場景，給出了熱智能服裝模擬的數值方案。Lin等[44]為了建立分析體表熱濕傳遞的人體模型，建立了服裝熱濕傳遞平衡方程。同時，基于質量守恒定律、能量守恒定律和毛細作用，得到了熱濕傳遞平衡方程，并采用有限體積法求解該平衡方程。Jia等[45]對熱輻射現象進行了數學建模，并將其與其他熱濕傳遞機制相結合，建立了三維服裝熱濕傳遞模型。基于有限體積法進行了數學計算，并進行了仿真實驗。

4.3 有限元法

有限元法的基礎是變分原理和加權余量法，其基本求解思路是把計算域劃分為有限的互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節點值與所選用的插值函數組成的線性表達式,借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。

唐元梁[46]采用加權余量法來構造皮膚、肌肉的有限元離散傳熱方程。Tian等[47]建立了1個由熱防護服、氣隙和人體皮膚組成的微系統，并用有限元方法對該系統的溫度分布和熱流進行了數值模擬。Li等[48]采用有限元法建立了1個求解控制方程的求解程序。為了更容易地表示復雜的幾何，研究采用笛卡爾坐標系和等參元。

在人體—服裝—環境熱濕傳遞模型的求解過程中，使用有限元法有2個優點:首先，為這類問題開發通用解決的方法過程更容易。其次，等參有限元技術非常適合于如人體等不規則形狀的物體。上述多元人體熱調節模型就是基于有限元方法建立的。

5 結束語

服裝對人體的熱舒適起著至關重要的作用，在服裝微環境內施加強制通風的技術能改善人體熱舒適。建立一個合理的熱濕傳遞模型，需要充分了解人體與服裝系統以及人體所處的各種環境條件之間的熱濕傳遞機制。由于人體的熱調節反應對于人體—服裝—環境系統內的熱量傳遞有較大的影響，因此需要建立真實地能夠模擬的人體熱響應的人體熱調節模型，加入服裝層，并采用相應的方法對模型進行求解。針對現有模型存在的問題，強制通風情況下服裝的熱濕傳遞模型的研究主要分為以下幾點：

①對于服裝的材料進行更加真實的模擬。許多現有模型將服裝模擬為只在袖口、領口等部位存在開口，而對服裝材料內部孔隙考慮不足，這些孔隙對于服裝的透氣性、熱阻值等有較大影響，因此所建立的模型需包含服裝材料的物理屬性。

②建立多層通風服裝的三維熱濕傳遞模型。目前，建立的預測三維模型多為對單層服裝空氣層的研究。多層服裝的熱濕傳遞模型，不只是服裝面料熱阻值的增加，還涉及到服裝內空氣層形狀和尺寸的改變，以及在施加強制對流時，對于內層服裝以及內部空氣層傳熱性能的影響。需要建立合理的多層服裝的通風模型對其內部熱濕傳遞機制進行研究，并為通風服的研究提供參考。

③拓展模型的使用范圍，將其應用于實際的功能服裝的開發中。現有模型的應用范圍有限、可靠性也有待驗證；對于功能服裝的設計缺乏系統化的方法。利用合理的模型可以對服裝的設計變化的影響進行詳細的參數化研究。采用系統的方法，在節省大量時間、資源、人力和成本的同時，有利于獲得服裝的優化設計。