服裝熱阻、濕阻的測量方法及影響因素

張文歡　錢曉明　牛麗

摘要： 介紹了人體熱量散失的兩種方式，由此引入服裝熱阻和濕阻的含義及其表征意義。在此基礎上，總結概括了測量紡織品材料、服裝面料熱阻和濕阻的測量設備及方法，進一步介紹了客觀測量服裝總熱阻、濕阻的設備——出汗暖體假人，對其“兩步測量法”與“Walter一步測量法”的測量原理、測量系統(tǒng)、計算方法進行了詳細說明。文章還總結分析了服裝本身、人體生理活動、環(huán)境條件三個方面對服裝熱阻和濕阻的單因素影響及綜合影響。最后說明了服裝熱濕舒適性研究的具體意義，并展望其未來研究的發(fā)展趨勢。

關鍵詞： 熱濕舒適性；熱阻；濕阻；暖體假人；測量方法；影響因素

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2017）05004308

引用頁碼： 051108

Abstract： This paper introduces two methods of human heat loss， and explains the meaning and significance of thermal insulation and moisture resistance of clothing. On this basis， this paper summarizes the measurement equipment and method of thermal insulation and moisture resistance of fabrics and clothing. Besides， this paper further presents the equipment to objectively measure total thermal insulation and moisture resistance of clothingsweating thermal manikin. As well， measurement principle， system and calculation methods of “twostep measurement” and “Walter onestep measurement” are elaborated respectively. Moreover， this paper sums up single factor influence and comprehensive influence of clothing， physiological activity and environmental conditions on thermal insulation and moisture resistance of clothing. Finally， this paper explains the specific significance of heat and moisture comfort research and predicts the future research development trend.

Key words： heat and moisture comfort； thermal resistance； moisture resistance； thermal manikin； measurement methods； influential factor

服裝熱濕舒適性[1]指著裝人體在不同環(huán)境條件及人體活動水平下，與環(huán)境之間進行熱量和水氣交換，直至達到平衡狀態(tài)，并使人體感覺舒適的服裝性能。服裝熱濕舒適性能在各行各業(yè)具有廣泛的應用，夏季[2]要求服裝清爽透氣，冬季[3]要求服裝保暖性優(yōu)良。極熱環(huán)境中[46]，服裝要隔熱降溫，如消防服、礦服、液冷服等；極冷環(huán)境中，服裝要抗寒保暖[78]，如防寒服、航空航天服等。熱阻和濕阻作為測量服裝熱濕舒適性的兩大重要指標，服裝、環(huán)境、運動等因素都會對其測量結果造成影響。這對評價服裝熱濕舒適性能、功能服裝設計、熱生理學模型建立、出汗暖體假人的改進等方面具有重要意義[9]。目前，黃建華等[10]總結比較了服裝熱濕舒適性的相關標準；蔣培清等[11]、尹思源等[12]、陸麗婭等[13]也就服裝熱濕舒適性的評價指標、評價系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法等方面進行概括。在此基礎上，王發(fā)明等[14]、黃建華[15]針對服裝熱阻和濕阻的測試方法進行了深入探究。本文將綜述最新服裝面料及服裝熱阻和濕阻的測量方法，分析服裝本身、人體及環(huán)境對服裝熱阻和濕阻的影響，為進一步探究各因素對服裝熱阻、濕阻的綜合影響提供參考。

1服裝熱阻與濕阻

人體熱量散失[16]主要有顯熱和潛熱之分。顯熱指人體與環(huán)境之間存在溫度差時，人體向外界釋放的熱量，主要形式有傳導、輻射和熱對流；潛熱指以汗液蒸發(fā)的形式帶走的熱量。

服裝熱阻（℃·m2/W）表示在服裝的層與層之間由于溫度差而形成的熱流阻力。熱阻值可以用服裝層與層之間的溫度差與垂直通過該服裝單位面積熱流量的比值來表示，并且值越大，表明保溫效果越好，導熱性越差。目前，國際通用指標為克羅值（clo），定義為：氣溫21℃、濕度50%±0.2%、風速小于0.1m/s的室內(nèi)，安靜坐著或從事輕度腦力勞動的成年男子感覺舒適（代謝產(chǎn)熱量約為58.15W/m2），并能將皮膚平均溫度維持在33℃左右時所穿服裝的隔熱保溫能力為1clo（1clo=0.155℃·m2/W）。

服裝濕阻（Pa·m2/W）表示由于服裝內(nèi)外存在水蒸氣壓差而導致的透濕阻力。濕阻值可以用服裝內(nèi)外的水蒸氣壓差與垂直通過單位面積內(nèi)蒸發(fā)熱流量的比值來表示。當人體感到潮熱時，將會由皮膚分泌汗液從而帶走人體熱量。其中，附著汗量（附著在皮膚表面的汗量）和流淌汗量（流下來的汗量）均為非有效汗量。蒸發(fā)汗量可帶走人體熱量，稱為有效汗量。

2熱阻與濕阻的測量

研究人員探究服裝的熱阻與濕阻最先是從服裝面料著手的。國內(nèi)外學者提出多種面料熱阻和濕阻的測試方法，但基本原理一致且相通。對服裝總熱濕阻的測量主要采用真人測試和出汗暖體假人兩種方式。由于真人測試存在誤差并且可重復性低，所以國內(nèi)外最新研究中“出汗暖體假人”成為主要的客觀測量工具。

2.1服裝面料的熱阻與濕阻測量

2.1.1紡織品熱、濕阻測試儀

紡織品熱、濕阻儀[17]不僅可用于檢測服裝面料，還可以檢測建筑等領域材料的熱濕傳遞性能。相關標準有ISO11092—2014《紡織品 生理效應 穩(wěn)態(tài)條件下耐熱和耐水蒸汽性能的測量》、ASTMF1868—2009《用焊接熱板測定服裝材料耐熱和耐蒸發(fā)的標準試驗方法》、ASTMD1518—2014《對安打系統(tǒng)使用熱板熱電阻的標準測試方法》和GB/T11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》等。

2.1.2蒸發(fā)熱板法儀器和靜態(tài)平板法儀器

國家標準GB/T11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》[18]中規(guī)定了兩種測量紡織材料熱阻、濕阻的儀器，包括蒸發(fā)熱板法儀器（圖1）和靜態(tài)平板法儀器。這兩種儀器都可以測量面料的熱阻和濕阻，但目前在國內(nèi)測定熱阻和濕阻或僅測定其中之一時大多采用蒸發(fā)熱板法儀器。最新研發(fā)的YG606G通風式熱阻濕阻測試儀就是依據(jù)此標準制成。

2.1.3平板保溫儀

平板式保溫儀[19]用于測試各種織物平板式恒定溫差散熱法的保溫性能。這種儀器能夠測定在室溫至（50±0.5）℃設定溫度范圍內(nèi)的保溫率、傳熱系數(shù)、克羅值等相關參數(shù)。對應的標準有ASTMD1518—2014《對安打系統(tǒng)使用熱板熱電阻的標準測試方法》、GB/T11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》及JISL1096—2010《織物和針織物的試驗方法》。

2.1.4發(fā)汗軀干

發(fā)汗軀干[16]即皮膚模擬儀。設備采用電加熱式金屬圓筒制成，形狀與人體軀干相近，但無法模擬人體的行為動作。該儀器可進行高精確度模擬，并測量保暖、透濕的相關參數(shù)，裝置如圖2所示。

2.1.5透濕杯法

透濕杯法[20]，是從濕阻的定義出發(fā)來測量服裝面料的濕阻。測量中，首先測得環(huán)境的相對濕度，然后求出所測得的值與水表面的濕度差，用差值除以實際的透濕率得到總濕阻（總濕阻=杯中空氣層、織物表面空氣層濕阻+織物本身的濕阻）。最后，總濕阻減去空白實驗中杯中空氣層與織物表面空氣層的濕阻，就是織物的濕阻值。在測量的過程中，需要考慮面積因素的影響。

2.1.6出汗暖體軀干模擬裝置

出汗暖體軀干實驗裝置[21]包括軀干實體部分和測量與控制部分，能夠較好地模擬動態(tài)傳熱傳濕。在平衡穩(wěn)定條件下，裝置能夠測量體表、環(huán)境和軀干體內(nèi)的溫濕度數(shù)值及變化率，并且通過一定平衡方程式得到在穩(wěn)定平衡狀態(tài)和熱濕通量恒定、非穩(wěn)定散濕情況下的面料濕阻。

2.2基于暖體假人服裝熱阻與濕阻的測量與計算

多數(shù)測量紡織品材料、服裝面料熱阻和濕阻的方法只能測量塊狀面料的熱阻、濕阻，這既不能代表服裝的局部熱阻與濕阻，也不是服裝的總熱阻或總濕阻。究其原因，一方面是人體在著裝狀態(tài)時，由于服裝款式、結構、穿著方式的影響，使得塊狀面料與實際著裝狀態(tài)的熱濕阻值不同，并且人體不同部位的測量值不盡相同。另一方面，服裝的總熱濕阻是人體著裝狀態(tài)時不同部位熱阻、濕阻的加權平均值，并非面料的熱阻、濕阻值。服裝的熱阻與濕阻可以在受試人體上進行直接測量，這種方法給出的數(shù)據(jù)真實可靠，但要求精密儀器設備、耗時長并且因人而異。在此基礎上，出汗暖體假人應運而生。暖體假人不僅可以模擬人體與環(huán)境之間的質傳遞和熱傳遞，而且測量結果客觀準確、可重復。

2.2.1兩步法測量

2.2.1.1兩步法測量原理

兩步法測量[2223]通常為主動式出汗。其測量方法為，先測量干態(tài)假人著裝時服裝的干散熱量Hd，然后將假人噴濕，測量濕態(tài)假人著裝時的總散熱量H（包括蒸發(fā)散熱部分）。最后用后者減去前者，即可得出蒸發(fā)散熱量He。

2.2.1.2兩步法的兩個假設

一條為濕態(tài)下假人皮膚的相對濕度為100%，另一條為服裝透過干態(tài)假人的干散熱量與透過濕態(tài)假人的干散熱量或熱阻相等。但服裝在吸濕狀態(tài)下的實際熱阻與透過的干熱與干態(tài)時不相等。

2.2.1.3兩步法的計算方法

He=H-Hd=λ·Q（1）

It=A·（Ts-Ta）Hd（2）

Re=A·（Pss·RHs-Psa·RHa）H-Hd（3）

式中：H為假人的總散熱量，W；Hd為假人的干散熱量，W；He為假人的蒸發(fā)散熱量，W；λ為水的汽化熱，35℃時λ是0.672W·h/g；Q為假人的蒸發(fā)出汗量，g/h；Re為服裝及其附面層空氣的全濕濕阻，Pa·m2/W；It為服裝及其表面空氣層的全熱熱阻，℃·m2/W；A為人體的體表面積，m2；Ts為假人皮膚的溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；Pss是皮膚內(nèi)側在皮膚溫度為Ts時的飽和水蒸氣壓，Pa；Psa為環(huán)境溫度為Ta環(huán)境的飽和水蒸氣壓，Pa；RHs為人體皮膚表面的相對濕度，%；RHa為環(huán)境的相對濕度，%。

2.2.2“Walter”一步測量法

2.2.2.1測量系統(tǒng)

“Walter”出汗暖體假人[2227]為被動式出汗，皮膚使用微孔膜織物Gore Tex，具有防水透濕的功能，其結構如圖3所示。測試系統(tǒng)包括水循環(huán)系統(tǒng)，出汗暖體假人行走運動系統(tǒng)，適應坐姿、臥姿的測量系統(tǒng)，蒸發(fā)用水、在線供水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)。水由水泵從中心輸送至四肢，并且通過調(diào)節(jié)假人體內(nèi)泵的輸送率來調(diào)整平均皮膚溫度。其“一步法測量原理”中假人的出汗量等于供水量，并且隨外界溫度的變化而產(chǎn)生變化，可由數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控獲得。

2.2.2.2測量方法

測量過程中，先把皮膚當作服裝的一層結構計入其中，求得總濕阻值。然后減去皮膚的濕阻，得到服裝及表面空氣層的濕阻。與兩步法不同的是，在測量的過程中先求得暖體假人的蒸發(fā)出汗量及濕態(tài)散熱量，由此可得濕阻與干態(tài)散熱量，隨后根據(jù)干態(tài)散熱量求得熱阻。

2.2.2.3計算方法

暖體假人濕阻的測量公式為：

Re=A·（pss·RHs-psa·RHa）He-Res（4）

式中：Res為皮膚的濕阻。

當在假人表面吹強風時，可將其表面空氣層去除，以此達到裸態(tài)假人的濕阻：

Res=As·（pss-psa·RHa）E·Qn（5）

He=λ·Q（6）

Hd=Hs+Hp-Ha-He（7）

服裝及其表面空氣層總的熱阻為：

It=As·（Ts-Ta）Hd=As·（Ts-Ta）H-λ·Q（8）

式中：Hs為暖體假人系統(tǒng)加熱棒供給的熱量，W；Hp為水泵產(chǎn)生的熱量，W；Ha為將水供應至所需溫度需要的熱量，W；RHs是皮膚內(nèi)側的水汽相對濕度，%（此時皮膚內(nèi)側為水，相對濕度為100%）；Qn是假人裸體狀態(tài)下的出汗量。

3服裝對熱阻與濕阻的影響因素

服裝，作為日常生活必要組成成分，人們已經(jīng)不再局限于遮羞，而是更加關注于其美觀性與舒適性[28]。服裝作為人體與環(huán)境的中間層，在傳熱傳濕的過程中，主要起到隔熱、透濕、透氣的作用。各研究學者在利用暖體假人測量熱阻和濕阻的過程中發(fā)現(xiàn)，服裝本身（服裝結構、款式、厚度、面料結構）、人體生理活動（著裝姿勢、活動量、皮膚表面溫度）、外界環(huán)境條件（空氣溫濕度、熱輻射、風速）等都對其產(chǎn)生重要的影響。

3.1服裝因素

3.1.1面料、結構

楊敏等[29]充分考慮面料對熱濕阻的影響，在保證6件服裝款式相同的情況下，進行輕度、適度、高強度運動測試。在適度運動時，功能性服裝的吸濕、快干性能表現(xiàn)優(yōu)良，在其他兩種狀態(tài)表現(xiàn)不明顯，甚至低于普通服裝；在此基礎上，比較了選用的四種吸濕排汗面料的性能，Cool Max品牌100%滌綸最優(yōu)。充分說明，面料本身對服裝熱濕舒適性產(chǎn)生一定影響，但是具有局限性，所以在設計功能性服裝的過程中要充分考慮服裝的適用條件。2016年，Zhiying Cui等[30]的研究結果顯示，透氣性能也是非常重要的影響因素，高透氣性織物在風中或者行走狀態(tài)下將會產(chǎn)生更低的濕阻，在極熱環(huán)境中表現(xiàn)尤其明顯。

王麗文[31]在考慮面料對熱濕舒適性產(chǎn)生的影響外，將服裝的寬松度加入其中，測量了不同組合條件下服裝的靜態(tài)、動態(tài)熱阻和濕阻。靜態(tài)下，因滌綸的吸濕性能較差，用其作為假人皮膚時，面料成分對熱阻的影響不明顯，但對濕阻產(chǎn)生的影響極大：棉>滌棉>滌綸≈吸濕滌綸。針對吸濕快干功能服裝或者款式寬松的服裝，動態(tài)熱阻比靜態(tài)降低26%，動態(tài)濕阻減少值比熱阻還大。在此基礎上，王發(fā)明等[32]探究發(fā)現(xiàn)服裝的合體性對濕態(tài)服裝熱阻影響不大，但是極大程度上影響濕態(tài)濕阻，寬松服裝因為存在較厚的空氣層，所以其濕阻值往往高于緊身服裝。2011年Ho C等[33]在T恤上增加額外寬松度及通風孔探究此類影響，結果表明，在有風或者步行狀態(tài)下，T恤的寬松度增加了服裝向外延伸的空間，極大程度上減少了服裝的熱阻和濕阻。

綜上所述，面料成分、服裝結構對功能性服裝設計產(chǎn)生較大的影響，在設計的過程中要充分考慮適用條件，最大化利用其影響。

3.1.2空氣間隙

2016年，Zhiying Cui等[30]比較了服裝中空氣間隙對阿拉伯長衫和中國式旗袍的影響。利用三維人體掃描儀測量了各個水平維度下空氣間隙的體積，發(fā)現(xiàn)隨著空氣間隙體積的增加，服裝的熱阻和濕阻適度增加。但是在達到一定峰值后，空氣間隙體積的增加將會降低服裝的熱阻和濕阻。

3.1.3服裝層數(shù)

閆琳等[34]探究了單層與多層服裝熱阻間關系，服裝組合的熱阻值隨件數(shù)的增加而提高，單件服裝熱阻的累加總值大于組合服裝的綜合熱阻值。這一方面是因為服裝組合疊加過程中，各單件服裝會被壓縮，層與層之間靜止空氣層也會被壓縮，相應的厚度會下降，熱阻會減小；另一方面，衣服數(shù)量的不斷累加，加大了服裝的總體表面積，在一定程度上也增加了服裝的散熱面積。另外，著裝時人體各部位本身就存在不同的熱阻。王發(fā)明等[35]利用暖體假人“Walter”測量了各層服裝及不同組合的熱阻和濕阻，結果顯示，有效熱（濕）阻或基本熱（濕）阻可預測服裝的總熱（濕）阻，而且單件服裝的簡單累加值與系統(tǒng)的綜合熱阻值線性相關，單件服裝與服裝組合系統(tǒng)的濕阻之間呈現(xiàn)指數(shù)關系。在此基礎上，李俊等[36]探討了多層服裝組合系統(tǒng)熱阻的分配規(guī)律與特點，并在多層服裝組合系統(tǒng)的熱阻與各單件服裝熱阻之間建立定量關系。

3.1.4水分含量

濕態(tài)熱阻是指服裝局部或者全部浸濕的情況下服裝的熱阻值。當水分浸入服裝材料的孔隙時，服裝固有熱阻值將會變小，因此，總熱阻值將會減少。Faming Wang等[37]針對水分（四種水平的含濕量100、200、500、700g）和服裝合體性對服裝表面濕態(tài)熱阻值的影響進行了研究。結果表明，服裝總熱阻的減少和水分含量之間可建立三維線性回歸模型。

3.1.5服裝微氣候

服裝微氣候指人體著裝時，服裝內(nèi)側與皮膚表面之間存在的氣候，包括該空間內(nèi)溫度、空氣相對濕度、氣流速度。2010年，Huiju Park[38]利用暖體假人測試了防彈背心的相關性能，探索了核心溫度和環(huán)境微氣候溫度、濕度、相關生理指標之間的關系。在環(huán)境溫度20℃，相對濕度50%條件下，測量了背部、胸部的溫度和假人的核心溫度。結果顯示，微氣候內(nèi)的溫度與人體核心溫度呈線性相關，故可以互相表征其變化趨勢。

3.2人體因素

3.2.1不同部位

王發(fā)明等[39]研究了20種中國少數(shù)民族男性傳統(tǒng)服裝在人體不同部位的局部熱阻及服裝總熱阻的差異。結果顯示，服裝局部結構、人體部位、穿著方式和服裝的總質量對服裝局部熱阻產(chǎn)生影響，并且各部位的熱阻值存在差異：軀干后部位>前部，腹部>胸部，下背>上背，盆骨處為峰值。2015年，Yehu Lu等[40]探究風速和肢體運動對局部熱阻的綜合影響后發(fā)現(xiàn)，在人體不同部位呈現(xiàn)出不一樣的結果，且因不同服裝而有所影響?？傮w上來說，在有風狀態(tài)下，胸部、腹部、骨盆的熱阻減少量要大于小腿和背部。

3.2.2不同姿勢

Olesen等[41]通過比較在站立和久坐姿勢下四套服裝的熱阻，發(fā)現(xiàn)久坐比站立時熱阻值要低8%～18%。以此為基礎，Havenith等[42]對比久坐和站立兩種狀態(tài)下的熱阻差值，其差值隨著服裝層數(shù)的增加而增加。Yu等[43]研究了關于姿勢（站立、久坐、躺）在等溫條件和非等溫條件下對服裝熱阻、濕阻的影響，結果表明，站立和久坐時非等溫環(huán)境下的表面濕阻遠低于等溫條件，并且裸態(tài)時平躺姿勢的濕阻遠高于站立和久坐。

3.3外界因素

3.3.1風速與步速

錢曉明等[27]利用暖體假人“Walter”測試了風速和行走速度對服裝總熱阻和濕阻的影響。測得的總熱阻和總濕阻均隨著風速的增加、步速的加快而降低，且風速對其影響相當于步速影響的1.8倍。Morrissey等[44]利用暖體假人SAM探究類似問題，得出一致的結論。2016年，崔志英等[30]探究阿拉伯長衫與中式旗袍之間的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)風速和行走運動的提高極大程度上降低了服裝的熱阻和濕阻，阿拉伯長衫在風中且行走狀態(tài)下的熱阻和濕阻值要比旗袍大，這是由于阿拉伯長衫的設計結構造成的。

3.3.2等溫環(huán)境與非等溫環(huán)境

Qian等[45]測試暖體假人在等溫環(huán)境和非等溫環(huán)境中，保持站立不動的狀態(tài)時的濕阻值。20℃時，22套服裝均顯示在非等溫環(huán)境中測量的濕阻比在等溫環(huán)境中測量值小17%～32%。Yu等[43]研究相關問題結果顯示，在12.5℃下站立姿勢時，非等溫環(huán)境比等溫環(huán)境下的測量值低30%～70%；久坐姿勢下，非等溫比等溫降低了60%～150%。

4發(fā)展趨勢

不同地區(qū)、季節(jié)及工作的場合對服裝的保暖、透濕具有不同層次的要求，所以熱阻、濕阻的測量可以為面料的選擇提供依據(jù)。另一方面，也可以為特種防護服、功能防護性服裝的性能評價提供參考值，同時加大對產(chǎn)業(yè)用紡織品中材料的熱濕傳遞性能的考核?？傊?，舒適的服裝不僅方便人體活動，還能給人在心理上帶來輕松、自然、愉悅的感受，并且能防止人體過多散失熱量，起到保暖效果的同時也幫助人體帶走多余的熱量，還能有效防止或減弱不利氣候給人體帶來的影響。國內(nèi)外研究人員致力于服裝熱濕傳遞性能及其測試方法、評價指標方面的研究已有幾十年，并仍將繼續(xù)。在未來，有關服裝舒適性的評價研究將會著重于以下幾個方面：

1）基于暖體假人服裝熱濕舒適性的探討不再局限于服裝的熱阻與濕阻，更加重視出汗率、蒸發(fā)阻抗及生理學指標的測量，從而綜合表征服裝的熱濕舒適性。進一步關注真實模擬暖體假人的研究，以及對人體尤其是特殊環(huán)境下人體的熱濕舒適性的研究。在原有假人的基礎上，通過對局部熱阻、濕阻的測量改善“Walter”出汗暖體假人，突破無法測量局部熱濕阻的局限。

2）服裝舒適性的評價除客觀測量方式外，注重結合主觀評價，達到主客觀一體性評價。

3）未來將根據(jù)不同影響因素對服裝熱阻、濕阻值測量的影響大小的相關研究進行進一步探索，定量化建立關系。并且在單因素影響中加入更多因素，研究多因素對服裝熱濕舒適性的綜合影響。

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