考慮服裝覆蓋率的服裝熱阻計(jì)算及其對(duì)熱感覺的影響

梁樹維，楊 洋，紀(jì)銥行，劉國丹，王志欣，康云星

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266525)

服裝熱阻是熱舒適和熱適應(yīng)模型中的一個(gè)重要參數(shù)，其物理意義是單位面積內(nèi)外層衣服的溫度梯度與垂直方向上通過衣服的熱流之比，表示衣服的熱阻性能[1-2]。NISHI等[1]定義了clo——服裝的熱阻單位。在PMV模型中，服裝熱阻值是通過“暖體假人”方法獲得的。在實(shí)際應(yīng)用中，總的服裝熱阻值是由特定類型的單件衣物的熱阻值相加而獲得的[3]?！芭w假人”方法既簡(jiǎn)單又可重復(fù)，常被應(yīng)用在服裝熱阻測(cè)試中?！芭w假人”方法的測(cè)試條件為：工作溫度通常設(shè)定比平均皮膚溫度低12 ℃，相對(duì)濕度設(shè)定為50%，風(fēng)速設(shè)定小于0.15 m/s[4]。但是，當(dāng)人體處于實(shí)際著裝時(shí)，工作溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等環(huán)境條件與試驗(yàn)環(huán)境不同，服裝的實(shí)際保溫效果也可能不同。因此，在熱舒適性預(yù)測(cè)模型中不應(yīng)將服裝的熱阻值設(shè)定為固定值，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。目前，關(guān)于服裝動(dòng)態(tài)保溫的相關(guān)研究主要集中在風(fēng)速、身體姿勢(shì)和行走速度對(duì)服裝保溫的影響[5-8]。服裝有開口，可以與環(huán)境進(jìn)行空氣交換[9]。當(dāng)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，人體皮膚表面和衣物之間的熱對(duì)流顯著加強(qiáng)，這通常被稱為“泵效應(yīng)”，它導(dǎo)致動(dòng)態(tài)熱阻值低于靜態(tài)熱阻值[10-11]。ISO 7730[12]針對(duì)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，空氣流速介于1.5～3.5 m/s的情況，鑒于衣物外表面空氣層熱阻的性能變化，提供了靜態(tài)熱阻修正方法。一些學(xué)者給出了在戶外以不同步速行走和在不同風(fēng)速的環(huán)境中站立時(shí)，人體舒適性所需的服裝熱阻性能[13]。然而，在室內(nèi)微風(fēng)條件下，服裝的熱阻性變化規(guī)律與室外環(huán)境的不同。

除了環(huán)境因素外，服裝材料和服裝覆蓋率也會(huì)影響熱阻。在給定的服裝材料下，服裝覆蓋人體表面的比例對(duì)服裝熱阻值存在較大影響。魏潤(rùn)柏等[14]將“暖體假人”模型表面分為3 cm×3 cm的方塊，以計(jì)算衣服覆蓋的面積。研究表明，穿著同樣的衣服，通過擴(kuò)大覆蓋面積而增加的衣服熱阻要比僅僅增加衣服的厚度而增加的效果高。陳東生[15]使用石膏繃帶法測(cè)量成年女性的平均體表面積，并定義了著裝面積比。研究發(fā)現(xiàn)，隨著衣服覆蓋皮膚面積的增加，服裝熱阻值也隨之增加，呈現(xiàn)正比例。在覆蓋面積相同的情況下，服裝對(duì)不同身體部位和形狀的熱效應(yīng)是不同的，下肢的熱效應(yīng)大于上肢。王云儀等[16]利用三維掃描技術(shù)和Geomagic軟件處理三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到人體的服裝覆蓋情況。研究發(fā)現(xiàn)，僅僅改變衣服的覆蓋面積，衣服的熱阻就會(huì)發(fā)生顯著的變化，但如果伴隨著部分衣服厚度的變化，如卷起袖子，這種影響就會(huì)略有下降。BRICENO等[17]使用Blender軟件計(jì)算服裝的全身表面積(WBSA)和體表面積覆蓋率(BSAC)。GUO等[18]用數(shù)碼相機(jī)從兩個(gè)高度和三個(gè)方向計(jì)算服裝面積系數(shù)和，并將用這種方法得到的西藏服裝面積系數(shù)和服裝熱阻與ISO 11079標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)用攝影來獲得服裝的覆蓋面是最簡(jiǎn)單的方法。上述研究沒有考慮服裝熱阻變化對(duì)人體熱感覺產(chǎn)生的影響。

此外，服裝熱阻值的計(jì)算方法并不統(tǒng)一。常用的“暖體假人”方法來計(jì)算熱阻值的方法分為整體法、串聯(lián)法和并聯(lián)法。一些學(xué)者比較分析了不同方法的計(jì)算值[5,19-22]。整體法是最常用的一種方法，也是與ISO 9920[22]中對(duì)服裝熱阻的定義最為一致的表達(dá)方式。在這種方法下，首先計(jì)算各部位的熱損失和皮膚溫度，再通過面積比例加權(quán)得到全身的熱損失和平均皮膚溫度，最后得到服裝的熱阻值。串聯(lián)法和并聯(lián)法通過各段的表皮溫度和熱流計(jì)算出局部熱阻值，然后分別按照串聯(lián)模型和并聯(lián)模型計(jì)算出熱阻值。OLIVEIRA等[19]對(duì)這三種方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)他們計(jì)算的熱阻值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，串聯(lián)法的數(shù)值最大，而整體法可以適用于所有的人體調(diào)節(jié)模型。HAVENITH[21]提供了串聯(lián)法和并聯(lián)法的適用條件。并聯(lián)法在皮膚溫度均勻的條件下適用，串聯(lián)法在局部熱流均勻的條件下適用，而整體法則在任何情況下都適用。

從以上研究可以看出，通過“暖體假人”試驗(yàn)得到的服裝熱阻值與人體的實(shí)際服裝熱阻值存在差異。在計(jì)算服裝熱阻時(shí)，對(duì)服裝覆蓋率的研究較少，其對(duì)人體熱感覺的影響研究也較少。除此之外，服裝熱阻的計(jì)算方法不同，造成計(jì)算值的差異，從而影響人體熱感覺的評(píng)價(jià)。為了解決這些問題，本文基于人體實(shí)際服裝覆蓋率會(huì)存在不同的情況，提出了一種考慮服裝覆蓋面積的服裝熱阻值的計(jì)算方法。由于人體表面溫度的差異不大，本文在并聯(lián)法的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮衣物覆蓋面積的修正并聯(lián)法來計(jì)算服裝對(duì)人體的熱阻，并與整體法的數(shù)值做了比較，通過方差分析法研究了環(huán)境溫度和活動(dòng)水平對(duì)服裝熱阻的相對(duì)影響，并比較了不同的服裝熱阻計(jì)算方法下的PMV(Predicted Mean Vote，PMV)和熱感覺投票TSV(Thermal Sensation Vote，TSV)的差異。

1 服裝熱阻的計(jì)算方法

1.1 服裝熱阻的傳統(tǒng)計(jì)算方法

衣服熱阻的計(jì)算，涉及到衣服的總熱阻(IT)、有效服裝熱阻(Icle適用套裝，Iclu適用單件服裝)和服裝基本熱阻(Icl適用衣服的基本隔熱性，Icli適用單件服裝)[22]。

衣服的總熱阻IT指的是皮膚和環(huán)境之間的熱阻，由以下公式計(jì)算：

(1)

有效服裝熱阻Icle(Iclu單件服裝)是指皮膚和服裝外表面之間的熱阻，其計(jì)算方法如下：

(2)

式中，邊界空氣層的熱阻Ia是指衣服表面和環(huán)境空氣之間的熱阻：

(3)

式中：hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

服裝基本熱阻Icl(Icli用于單件服裝)是指考慮到服裝的面積系數(shù)后的服裝內(nèi)在或基本熱阻，其計(jì)算公式如下：

(4)

式中，服裝面積因子fcl可以通過經(jīng)驗(yàn)公式估算得到，可以用式(5)[23]計(jì)算：

fcl=1+0.3×Icl

(5)

根據(jù)已有研究[19,21-22]，服裝熱阻的計(jì)算方法有三種，即整體法、并聯(lián)法和串聯(lián)法，三種方法的計(jì)算公式如下：

1) 整體法。

(6)

2) 并聯(lián)法。

(7)

3) 串聯(lián)法。

(8)

1.2 修正的并聯(lián)法

服裝對(duì)人體的覆蓋率定義為服裝覆蓋的表面積與人體總表面積的比值，反映了服裝的隔熱功能區(qū)、對(duì)流區(qū)和輻射區(qū)的大小[24]。本文通過攝影分別確定了人體不同部位的服裝覆蓋率[17-18]，分別是：胸部(18.95%)、背部(18.95%)、手臂(13.8%)、腿部(35.7%)。服裝覆蓋率計(jì)算公式如下：

(9)

SBSAC=∑SBSAC,i

(10)

式中：SBSAC,i為人體第i個(gè)部位的服裝覆蓋率；Acln,i為人體第i個(gè)部位的服裝覆蓋面積，m2；AD,i為人體第i個(gè)部位的裸體面積，m2；SBSAC為人體的衣物覆蓋率。

根據(jù)覆蓋區(qū)域的體表溫度和熱流，計(jì)算出服裝在覆蓋區(qū)域的隔熱熱阻。然后，以人體的服裝覆蓋率作為算術(shù)平均加權(quán)系數(shù)，計(jì)算出總的服裝熱阻。

本文提出的修正的并聯(lián)法計(jì)算服裝熱阻的公式如下：

(11)

(12)

2 實(shí)驗(yàn)信息

2.1 受試者及服裝信息

本實(shí)驗(yàn)招募了10名男性和10名女性受試者，每名受試者需要完成3次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)填寫1份問卷，共計(jì)收到60份問卷。受試者在實(shí)驗(yàn)前要求有充足的睡眠，正常飲食，沒有嚴(yán)重疾病或酗酒的記錄。受試者的信息見表1。

表1 受試者的信息

本實(shí)驗(yàn)考慮了8件單件服裝和3套服裝組合，見表2。這些服裝包括8件日常服裝。在本實(shí)驗(yàn)中，3套服裝組合分別被定義為第一組(G1)、第二組(G2)和第三組(G3)：G1——長(zhǎng)內(nèi)衣上衣+長(zhǎng)內(nèi)衣下衣+工作服；G2——長(zhǎng)內(nèi)衣上衣+長(zhǎng)內(nèi)衣下衣+工作服+馬甲；G3——長(zhǎng)內(nèi)衣上衣+長(zhǎng)內(nèi)衣下衣+工作服+毛衣。

表2 日常服裝

2.2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)在青島理工大學(xué)暖通實(shí)驗(yàn)樓的氣候室(長(zhǎng)5 m×寬3 m×高2.6 m)進(jìn)行。該氣候室(圖1)的空調(diào)為均勻送風(fēng)空調(diào)，可保證室內(nèi)溫濕度在較高精度設(shè)定范圍內(nèi)。

圖1 氣候室

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)及相關(guān)計(jì)算公式

需要測(cè)量的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)有室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、室內(nèi)風(fēng)速以及黑球溫度。式(13)被用來計(jì)算室內(nèi)的平均輻射溫度[3,25]：

(13)

式中：tg為黑球溫度，℃；εg為黑球的發(fā)射率，取0.95；D為黑球溫度計(jì)的直徑，D=75 mm。

平均皮膚溫度是通過五點(diǎn)法[26]測(cè)量的，測(cè)量部位為額頭、前胸、上臂、后背和大腿。局部皮膚溫度由iButton DS1923測(cè)定。平均皮膚溫度的計(jì)算公式如下：

(14)

實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)量?jī)x器見表3。

表3 測(cè)量?jī)x器

熱感覺投票采用ASHARE 55—2017[11]中的七級(jí)熱感覺標(biāo)尺。

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

氣候室的室內(nèi)溫度分別控制在18，20和22 ℃，相對(duì)濕度控制在45%左右，風(fēng)速實(shí)測(cè)為0.06 m/s。受試者處于三種不同活動(dòng)水平，即靜坐、站立和行走(利用跑步機(jī)控制步速為1 m/s)，以模擬本實(shí)驗(yàn)中辦公室的活動(dòng)水平。實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程

3 結(jié)果分析

3.1 平均皮膚溫度

平均皮膚溫度的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，其中，縱坐標(biāo)溫差為平均皮膚溫度的值減去相應(yīng)的環(huán)境溫度。

由圖3可以看出，在相同的服裝組合和活動(dòng)水平下，平均皮膚溫度與環(huán)境溫度之間的差異隨著環(huán)境溫度的增加而減少。以G1組為例，在靜坐狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度為18，20，22 ℃時(shí)，溫差分別為13.70，12.20，11.12 ℃，這主要是由于人體皮膚表面溫度的變化比環(huán)境溫度小。另外，在環(huán)境溫度相同的情況下，平均皮膚溫度的關(guān)系是G3>G2>G1，衣服隔熱性越好，平均皮膚溫度越高。

3.2 環(huán)境溫度和活動(dòng)水平對(duì)服裝熱阻的影響

分別利用整體法(式(6))、修正的并聯(lián)法(式(9)—(12))計(jì)算服裝熱阻，對(duì)兩種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析，如圖4、圖5所示。

3.2.1 活動(dòng)水平對(duì)服裝熱阻值的影響

如圖4所示，在相同的環(huán)境溫度下，同一服裝組合的熱阻值隨著活動(dòng)水平的增加而減少，這符合同一組合體的動(dòng)態(tài)熱阻值小于靜態(tài)熱阻值的規(guī)律。同時(shí)，修正后的并聯(lián)法計(jì)算的熱阻值總是大于整體法計(jì)算的熱阻值。

圖4顯示，在相同的環(huán)境溫度和相同的服裝組合下，熱阻值隨著活動(dòng)水平的增加而降低，說明活動(dòng)水平與熱阻值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜合分析三種不同環(huán)境溫度下整體法計(jì)算的熱阻值的具體變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)活動(dòng)水平從靜坐變?yōu)檎玖r(shí)，G1的最大熱阻值減少了5.21%，G2的最大熱阻值減少了4.23%，G3的最大熱阻值減少了4.82%。當(dāng)活動(dòng)水平從靜坐變?yōu)樽邉?dòng)時(shí)，G1的最大熱阻值減少了9.79%，G2的最大熱阻值減少了8.03%，G3的熱阻值減少了6.88%。

采用修正的并聯(lián)法得到的服裝熱阻值：當(dāng)活動(dòng)水平從靜坐變?yōu)檎玖r(shí)，G1的最大熱阻值減少了3.58%，G2的最大熱阻值減少了2.70%，G3的熱阻值減少了7.83%。當(dāng)活動(dòng)水平從靜坐變?yōu)樽邉?dòng)時(shí)，G1的最大熱阻值減少6.24%，G2的最大熱阻值減少4.84%，G3的熱阻值減少10.22%。

這種現(xiàn)象可以歸因于衣服的“泵效應(yīng)”[10]。當(dāng)受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣交換將隨著身體的運(yùn)動(dòng)在衣服的開口處進(jìn)行。運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度越大，空氣交換越快，這反過來又導(dǎo)致熱對(duì)流系數(shù)增大，邊界層熱阻降低，從而降低了衣服的總熱阻和衣服的有效熱阻。

3.2.2 環(huán)境溫度對(duì)服裝熱阻值的影響

由圖5可知，服裝熱阻值隨著環(huán)境溫度的增加而增加。這是因?yàn)樵诓煌沫h(huán)境溫度下，人體皮膚的溫度是不同的，人體表面由于熱通量而損失的熱量也是不同的。首先分析整體法計(jì)算的熱阻值的變化。當(dāng)環(huán)境溫度從18 ℃上升到20 ℃時(shí)，G1的最大熱阻值上升了11.32%，G2的最大熱阻值上升了6.22%，G3的熱阻值上升了9.01%；當(dāng)環(huán)境溫度從18 ℃提高到22 ℃時(shí)，G1的最大熱阻值提高17.48%，G2的最大熱阻值提高13.48%，G3的最大熱阻值提高13.29%。

采用修正的并聯(lián)法計(jì)算熱阻值：當(dāng)環(huán)境溫度從18 ℃上升到20 ℃時(shí)，G1的最大熱阻值增加了2.19%，G2的熱阻值增加了2.70%，G3的最大熱阻值增加了7.83%；當(dāng)環(huán)境溫度從18 ℃上升到22 ℃時(shí)，G1的最大熱阻值增加了4.82%，G2的最大熱阻值增加了7.53%，G3的最大熱阻值增加了9.20%。

由此可以看出，整體法和修正的并聯(lián)法計(jì)算出的服裝熱阻值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)相同。

4 討論

在熱舒適的研究中，F(xiàn)ANGER教授的PMV指標(biāo)常被用作熱感覺的評(píng)價(jià)指標(biāo)[27]。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，用整體法計(jì)算的熱阻值與考慮到覆蓋面積的修正并聯(lián)方法計(jì)算的熱阻值不同。因此，由計(jì)算得出的PMV是不一致的。為了分析修正并聯(lián)法在計(jì)算服裝隔熱性能方面的適用性，將兩種不同的熱阻值計(jì)算方法得出的PMV與人體的實(shí)際熱感覺(TSV)進(jìn)行了比較，如圖6所示。

由圖6可知，修正并聯(lián)法計(jì)算的PMV總是大于整體法計(jì)算的PMV，隨著活動(dòng)水平的增加，PMV和TSV都呈上升趨勢(shì)，也就是說，受試者感覺更熱。另一方面，用修正的并聯(lián)法計(jì)算的PMV更接近人體的實(shí)際熱感。當(dāng)環(huán)境溫度為18 ℃時(shí)，修正的并聯(lián)法計(jì)算的PMV與TSV的絕對(duì)值相差0.01～0.16，整體法計(jì)算的PMV與修正的并聯(lián)法計(jì)算的PMV的絕對(duì)值相差0.06～0.26；當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，修正并聯(lián)法計(jì)算的PMV與TSV的絕對(duì)值相差0.05～0.12，修正并聯(lián)法計(jì)算的PMV與整體法計(jì)算的絕對(duì)值相差0.07～0.12；當(dāng)環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，修正的并聯(lián)法計(jì)算的PMV與TSV的絕對(duì)值相差0.01～0.19，修正的并聯(lián)法計(jì)算的PMV與整體法計(jì)算的PMV的絕對(duì)值相差0.08～0.14。

在本實(shí)驗(yàn)中，用修正并聯(lián)法計(jì)算的PMV和TSV的最大偏差為0.19，發(fā)生在環(huán)境溫度為22 ℃的第3組。此刻，人體熱感覺TSV為1.25，處于較溫暖的狀態(tài)。熱阻值相對(duì)較大，全身的熱阻分布也不均勻。在其他熱環(huán)境中，兩種方法的差異還需要進(jìn)一步討論。

5 結(jié)論

在氣候室中對(duì)實(shí)際多層服裝在不同活動(dòng)水平和環(huán)境溫度下對(duì)人體的隔熱性能變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)考慮了服裝的覆蓋面積，提出了修正并聯(lián)法來計(jì)算服裝熱阻。通過與整體法的計(jì)算結(jié)果比較，采用修正的并聯(lián)法計(jì)算熱阻值：當(dāng)活動(dòng)水平從靜坐變?yōu)檎玖r(shí)，G1的最大熱阻值減少了3.58%，G2的最大熱阻值減少了2.70%，G3的熱阻值減少了7.83%；當(dāng)活動(dòng)水平從靜坐變?yōu)樽邉?dòng)時(shí)，G1的最大熱阻值減少6.24%，G2的最大熱阻值減少4.84%，G3的熱阻值減少10.22%。當(dāng)環(huán)境溫度從18 ℃上升到20 ℃時(shí)，G1的最大熱阻值增加了2.19%，G2的熱阻值增加了2.70%，G3的最大熱阻值增加了7.83%；當(dāng)環(huán)境溫度從18 ℃上升到22 ℃時(shí)，G1的最大熱阻值增加了4.82%，G2的最大熱阻值增加了7.53%，G3的最大熱阻值增加了9.20%。并且，通過PMV模型驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，利用修正并聯(lián)法計(jì)算的熱阻值求得的PMV更接近人體的實(shí)際熱感覺TSV，說明該方法計(jì)算的熱阻值更準(zhǔn)確。

本文提出的計(jì)算服裝熱阻值的方法，在考慮到冬季穿衣條件的情況下驗(yàn)證了其適用性。對(duì)于跨季節(jié)和夏季穿衣條件下的適用性，將在后續(xù)的工作中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。