風速影響下羽絨服保暖性能定量研究

張夢妮，駱鑫榮，陳少偉，屠樂希，沈 華，4

(1.東華大學紡織學院，上海201620；2.浙江中紡標檢驗有限公司，浙江紹興312000；3.艾萊依時尚股份有限公司，上海200333；4.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620)

0 引言

羽絨服具有輕、軟、蓬松、舒適等特性，贏得了無數(shù)消費者的青睞。羽絨服的熱舒適性是企業(yè)設計生產(chǎn)羽絨服和消費者選購羽絨服的重要因素之一。作為人體與環(huán)境的媒介，羽絨服影響著人體與環(huán)境的熱傳遞。熱阻是評價羽絨服熱舒適性主要度量指標，包括服裝表面空氣層熱阻和服裝固有熱阻，大小主要取決于服裝本身，如填充量[1－2]、含絨率[3]及面料[4]，同時受外界環(huán)境和穿著方式等多種因素影響[5]。在運動過程中風的存在會對人體穿著羽絨服的熱舒適性產(chǎn)生一定的影響。因此，開展羽絨服熱舒適性研究有助于企業(yè)設計羽絨服保暖性，滿足消費者熱舒適性需求。

熱阻作為評價服裝熱舒適性的主要指標，其測試在國內外已有較多研究。ISO標準[6－7]和ASTM F1291－2016標準[8]對服裝熱阻的測試進行了詳細的說明，此類標準要求實驗時的溫差均大于12℃。為了保證各研究具有可對比性，環(huán)境溫度一般設置為21℃，這與羽絨服的實際穿著環(huán)境有較大的區(qū)別。XIAOMING QIAN等[9]測試了溫度20±0.3℃、濕度50±5%環(huán)境下，風速與服裝熱阻和濕阻的關系，結果表明隨著歩速和風速的增加，服裝熱阻和濕阻均下降。崔鵬[10]通過暖體假人測試及多層服裝系統(tǒng)隔熱值分配公式，求得了內膽材料的隔熱值，并建立了內膽材料的工程厚度與隔熱值之間的關系。張文歡等[11]利用熱流計法測試計算得到站立和行走狀態(tài)的服裝總熱阻。美國標準ASTM F2732－16[12]利用暖體假人在低溫下測試服裝熱阻，給出了2MET和4MET活動水平下，不同熱阻的防寒服外套適用溫度，然而該標準對測試溫濕度、風速有特定要求。何雨[13]研究了填充量、溫度對羽絨服保暖性的影響，發(fā)現(xiàn)存在臨界填充量，填充量相同時，－3℃～3℃時熱阻隨溫度升高而減小，3℃～15℃時熱阻隨溫度升高略微增大。田水承等[14]通過出汗熱板儀測試了環(huán)境溫濕度及風速對消防服熱舒適性的影響，結果表明風速與服裝熱阻呈負相關，與濕阻呈正相關。已有研究探究了填充量、人體姿勢、溫度、人體運動狀態(tài)等對熱阻的影響，但是，模擬冬季羽絨服真實的穿著環(huán)境，探究環(huán)境溫度、風速多個變量對羽絨服熱阻的影響較少。

本文采用暖體假人在人工氣候倉模擬冬季羽絨服的穿著環(huán)境和人們的穿衣習慣，分別測量了4件不同單位填充量的羽絨服在不同環(huán)境溫濕度、風速條件下的熱阻；分析風速對熱阻的影響以及對表面對流換熱和輻射換熱的影響，為羽絨服的設計、研發(fā)和選購提供指導。

1 羽絨服熱舒適性試驗

1.1 試樣

本試驗定制了4件不同單位填充量的羽絨服試樣，并根據(jù)所選羽絨的蓬松度、絨子含量和填充量來確定衍縫間距。羽絨服具體參數(shù)如表1所示:

表1 羽絨服具體參數(shù)

為了使測試條件更加接近人們的穿衣習慣，在測試羽絨服熱阻時搭配標準內衣(100%棉)進行測試。

1.2 試驗儀器

試驗儀器主要包括:LD－1型暖體假人、溫濕度計、FLIR熱成像儀。LD－1型暖體假人為軀干發(fā)熱人臺，前后身為兩臺獨立的曲面保溫儀，由上下兩個熱護環(huán)和中間主體試驗板構成。測試過程中，試驗板、保護板及底板均通過電熱控制在33±0.2℃范圍內并保持恒溫。在距離假體表面25cm處設置4個空氣層溫度傳感器，分別分布在假體前上、前下、后上、后下，用于測試假體周圍空氣溫度。測試在可控制環(huán)境溫濕度和風速的氣候倉內進行。氣候倉相對濕度穩(wěn)定在40%，溫度設置為10℃，測試風速分別控制為0.5m/s、1.5m/s、2.5m/s、4.0m/s、7.0m/s、10.0m/s、13.0m/s，以研究不同風速對羽絨服保暖性的影響規(guī)律。測試時設置暖體假人皮膚溫度33℃，溫度波動±0.2℃，設置穩(wěn)定時間(非穩(wěn)態(tài)傳熱時間)30min，測試時間10min，暖體假人預熱完成進入穩(wěn)定階段，為暖體假人穿著標準內衣和羽絨服，夾持并懸掛兩側衣袖后開始進行保暖性測試。測試時暖體假人實時記錄功率，并在電腦端輸出功率－時間曲線。采用FLIR熱成像儀采集羽絨服表面溫度數(shù)據(jù)。利用溫濕度計記錄氣候倉內的實際溫度和濕度。測試結束導出數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度和功率計算熱阻，最終取3次測試結果的均值。

整體服裝(含表面空氣層)熱阻的計算公式如式(1)所示:

式中:Ts為穩(wěn)定后“空體假人”上表面溫度(℃)；Ta為空氣層平均溫度(℃)；S為暖體假人測試板面積(m2)；H為穩(wěn)定測試階段平均功率(W)；Rt為整體服裝(含表面空氣層)熱阻(m2·K/W)。

服裝總熱阻包含服裝熱阻和服裝表面附著的空氣層熱阻，由于測試時穿有標準內衣，羽絨服固有熱阻如式(2)所示:

式中:R0為標準內衣的的固有熱阻(m2·K/W)；Td為羽絨服表面平均溫度(℃)；Rd為羽絨服固有熱阻(m2·K/W)。

空氣層熱阻計算公式如式(3)所示:

羽絨服是通過阻止外部環(huán)境與人體之間的熱交換來實現(xiàn)保暖。羽絨服外表面和環(huán)境溫度存在溫差時，會產(chǎn)生熱對流和熱輻射。服裝著裝后的對流換熱量公式:

服裝在合體的情況下，對流換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式:

式中hc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；fcl為服裝面積因子fcl＝1＋1.97Rcl；Rcl為服裝固有熱阻(m2·K/W)；v為風速(m/s)；Wcon為對流換熱量(W/m2)。

著裝后的輻射換熱量:

hr的計算公式:

式中hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ts為平均輻射溫度(℃)；ε為服裝發(fā)射率；σ為Stefan－Boltzmann常數(shù)，(5.67×10－8)w·m－1·k－4；Ar為體表面積(m2)；AD為有效輻射面積(m2)；ts為平均輻射溫度(℃)；Wrad為輻射換熱量(W/m2)。

2 結果與討論

2.1 風速對服裝整體熱阻的影響

圖1為服裝整體熱阻隨風速變化曲線，由圖1可知服裝整體熱阻(Rt)和風速有顯著的負相關性。當測試環(huán)境為10℃，0.5m/s時，Rt分別為0.220 m2·K/W、0.246m2·K/W、0.283m2·K/W、0.339m2·K/W；

圖1 服裝整體熱阻隨風速的變化曲線

當風速上升到13.0m/s時，4種試樣的Rt分別下降35.9%、30.8%、25.1%、32.9%。這是因為當風速增加時，服裝表面的對流換熱增大，使得人體散失的總熱量增大，從而導致Rt減小。試樣4的熱阻最大，試樣1的熱阻最小，不同風速下，試樣4比試樣1的熱阻至少大54.2%。

2.2 風速對羽絨服固有熱阻的影響

圖2 為羽絨服固有熱阻隨風速變化的曲線。由圖2可知，羽絨服固有熱阻(Rd)隨風速的增大而減小。當風速從0.5m/s增加到13.0m/s時，試樣1～4的Rd分別下降35.4%、25.7%、21.1%、33.1%。這是因為隨著風速增大，羽絨服表面的風壓大幅度增大，羽絨服在風壓受力下被壓縮，從而導致羽絨服蓬松度和內部靜止空氣含量降低。

圖2 羽絨服固有熱阻隨風速的變化曲線

由圖3可知，相同風速條件下，在單位填充量為50g/m2～140g/m2范圍內，Rd隨著羽絨服單位填充量的增大而增大。風速0.5m/s時，單位填充量每增大30 g/m2，羽絨服熱阻增幅在30%左右。這是由于隨著填充量增加，單位體積內羽絨纖維數(shù)量增多，絨朵間孔隙率減小，空氣流動的阻力增大，絨朵內、絨朵間維持了更多的靜止空氣，而靜止空氣的導熱系數(shù)遠遠小于纖維的導熱系數(shù)[13]，使得羽絨服內部的對流傳熱顯著降低，從而Rd增大。當風速增大到13.0m/s時在單位填充量為50g/m2～110g/m2范圍內，單位填充量每增大30g/m2，羽絨服熱阻增幅變化不大；而當填充料從110g/m2增大到140g/m2時，羽絨服熱阻僅升高10.9%。說明在13.0m/s的風速下，填充量為140g/m2時，羽絨服由于風壓作用被壓縮的程度較大，導致熱阻增幅下降。

圖3 羽絨服固有熱阻隨單位填充量的變化曲線

2.3 風速對空氣層熱阻的影響

根據(jù)公式(3)計算得出不同風速下，羽絨服表面的空氣層熱阻，如圖4所示。從圖4中可以看出，服裝表面空氣層熱阻(Ra)隨風速增大而減小。當測試環(huán)境為0.5m/s時，Ra最大，在0.039m2·K/W～0.047m2·K/W范圍內，這是因為在微風環(huán)境下(風扇關閉)，靜止空氣的導熱系數(shù)極小，服裝表面空氣層在人體周圍起著較好的隔熱作用。當風速增大到7.0m/s時，Ra明顯下降，最大降幅為75%；當風速繼續(xù)增加到13.0m/s時，Ra下降較慢，最大降幅為83%；此外，在較大風速時Ra接近零值。這是因為隨著外界風速增加，羽絨服表面對流換熱顯著增加，空氣層的隔熱性下降，Ra下降。當風速增大到7m/s時，此時服裝表面附著的空氣層已經(jīng)很稀薄，繼續(xù)增加風速會導致Ra趨近于零值，下降幅度減緩。

2.4 風速對服裝熱流密度的影響

服裝熱流密度與風速的變化關系如圖5所示，從圖5中可以看出人體穿著不同克重的羽絨服時的熱流密度均隨風速的增加而增加，當風速從0.5m/s增大到13.0m/s時，熱流密度最大增大51.0%。這是因為隨著風速的增大，服裝表面的對流換熱增大，使得人體散失的總熱量增大。

圖5 風速和總散熱量的關系

服裝單位填充量與風速的變化關系如圖6所示，熱流密度隨單位填充量的增加而降低，當單位填充量增加30g/m2，熱流密度至少下降6.5%。這是因為隨著單位填充量的增加，服裝保暖性增加，使得假人維持皮膚上表面溫度在33±0.2℃需要消耗的功率減小，導致熱流密度減小。

圖6 單位填充量和總散熱量的關系

2.5 風速對對流換熱的影響

圖7 為服裝表面對流換熱量與風速的關系，由圖7可知，隨著風速增加，對流換熱量增加，環(huán)境風速從0.5m/s增長到1.5m/s時，對流換熱量增長較快，對流換熱量至少增加52.1%。這是由于隨著風速增加，環(huán)境空氣從自然對流轉換為強迫對流，對流換熱系數(shù)(hc)顯著增加，使得對流換熱增加。

圖7 風速與對流換熱量的關系

圖8 為對流換熱系數(shù)與風速的關系，由圖8可知，隨著風速增加，hc增加，當風速增大到1.5m/s時，對流換熱系數(shù)較0.5m/s時增大100.5%。隨著風速繼續(xù)增加，hc增長幅度逐漸降低。同時，服裝表面對流換熱增加引起表面溫度降低，服裝表面溫度和空氣層溫度的差值逐漸減小。由于對流換熱量同時受對hc、Td等多個因素的綜合影響，所以隨著風速增加，對流散熱總體呈上升趨勢，在1.5m/s處上升幅度最大，之后增幅降低。

圖8 風速和對流換熱系數(shù)的關系

2.6 風速對輻射換熱的影響

圖9 為10℃環(huán)境溫度條件下，輻射換熱量和風速的關系曲線圖。由圖9可知隨著風速增加，輻射換熱量減小，0.5m/s～7.0m/s下降較快，7.0m/s～13.0m/s下降較慢。環(huán)境風速為7.0m/s時，輻射換熱量下降75%左右，13.0m/s時下降85%左右。這是因為風速增加，服裝表面溫度降低，使得服裝表面溫度和周圍環(huán)境的溫度差降低，導致輻射散熱量減小，如圖10所示。輻射換熱量下降趨勢減緩是由于7.0m/s時Td已接近環(huán)境溫度，服裝表面與環(huán)境溫差在0.84℃～1.46℃范圍內，風速繼續(xù)增加到13.0m/s時，溫差在0.50℃～0.08℃范圍內，與7.0m/s相比變化不大。

圖9 風速與輻射換熱量的關系

圖10 風速和輻射換熱系數(shù)的關系

3 結論

(1)通過實驗表明，當人體靜止站立時，著裝后服裝整體熱阻、羽絨服固有熱阻、空氣層熱阻均隨風速增加而減小。環(huán)境風速為1.5m/s時服裝整體熱阻受風速影響較大，增加到13.0m/s服裝整體熱阻下降25.2%～35.9%，下降趨勢減緩；羽絨服固有熱阻下降21.1%～35.4%；空氣層熱阻下降80.0%～82.3%，0.5m/s～7.0m/s范圍內下降較快，7.0m/s～13.0m/s范圍內下降幅度較慢，并在較大風速時Ra接近零值。

(2)風速與服裝總散熱量成正相關。當環(huán)境風速從0.5.m/s增大到13.0m/s時，熱流密度最大增大51.0%。

(3)對流散熱量隨風速增加而增大，環(huán)境風速為0.5m/s～1.5m/s，對流散熱量上升幅度較大，之后上升幅度減小。輻射散熱量隨風速增加而減小，環(huán)境風速為0.5m/s～7.0m/s，輻射散熱量下降較快，7.0m/s～13.0m/s輻射散熱量下降趨勢減緩。