賴 軍， 許靜嫻， 陳立麗， 李 俊,3(. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 0000； . 東華大學 服裝與藝術(shù)設計學院， 上海 0005；3. 現(xiàn)代服裝設計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 0005)

服裝動態(tài)熱阻測定及預測模型的研究進展

賴 軍1， 許靜嫻2， 陳立麗1， 李 俊2,3
(1. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100010； 2. 東華大學 服裝與藝術(shù)設計學院， 上海 200051；3. 現(xiàn)代服裝設計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

為探究風和人體運動對服裝動態(tài)熱阻的影響，基于對人體和環(huán)境間熱對流的分析，結(jié)合實際研究數(shù)據(jù)，闡明風和人體運動對服裝動態(tài)熱阻存在顯著影響?？偨Y(jié)了風和人體運動作用下動態(tài)熱阻的測試方法。動態(tài)熱阻變化規(guī)律的定性分析表明，動態(tài)熱阻值在風和人體運動作用下呈現(xiàn)下降趨勢，且二者對動態(tài)熱阻的影響程度隨著風速和步行速度的增加逐漸下降。分類對正常工作服、冬季防寒服和輕質(zhì)服裝動態(tài)熱阻具體數(shù)值的預測模型進行了概括和總結(jié)。研究認為，服裝動態(tài)熱阻預測模型未來的研究重點是動態(tài)熱阻修正公式的優(yōu)化和局部動態(tài)熱阻變化規(guī)律2個方向。

服裝； 動態(tài)熱阻； 人體運動； 風泵效應； 熱對流

服裝作為人體和環(huán)境間的媒介，對二者間的熱量交換起著阻擋作用。熱阻是用來衡量服裝阻擋熱量傳遞能力的物理量。熱阻值常被用來構(gòu)建人體和環(huán)境間的傳熱模型，評估人體所受冷、熱應力，判斷人體熱舒適狀態(tài)[1-2]。為了方便不同服裝熱阻值的測試及對比，通常參照的ISO 9920:2009《熱環(huán)境工效學——服裝熱濕阻值評估》、ISO 7730:2005《熱環(huán)境工效學——使用PMV、PPD、局部熱舒適指標計算熱舒適》、ISO 7933:2004《熱環(huán)境工效學——基于預測熱應激計算的熱應力的評定》都是使用暖體假人在無風的標準環(huán)境下進行測試，即靜態(tài)熱阻。當人們穿著服裝從事勞動作業(yè)時，多會面臨有風、人體運動等情況，這些條件的存在會促進人體和環(huán)境間的熱對流，進而影響服裝熱阻值[4-5]。這種風和人體運動作用下的熱阻稱為動態(tài)熱阻，相比靜態(tài)熱阻，動態(tài)熱阻可表征服裝在實際使用情況下的隔熱能力。為此，學者們開始探究風和人體運動對熱阻的影響機制，ISO 9920：2009、ISO 7730：2005也陸續(xù)在更新的版本中給出了動態(tài)熱阻的修正公式。由此可見，考慮人體運動和環(huán)境因素對熱阻影響的重要性，特別是對類似防寒服及消防服等特種服裝而言，動態(tài)熱阻的測量對更切實際地評估著裝人體冷、熱負荷狀態(tài)，以采取應對措施尤為重要。

關于動態(tài)熱阻的研究，自1940年以來已取得相當?shù)某删?。近年來，隨著暖體假人測試技術(shù)的成熟，學者們又深入研究了動態(tài)熱阻的變化規(guī)律和預測。本文基于風和人體運動對熱阻影響的理論分析，從動態(tài)熱阻的測試方法、變化規(guī)律和預測3個方面對前人的研究進行回顧和整理，并基于現(xiàn)狀展望了該領域未來的研究重點。

1 服裝動態(tài)熱阻及其影響因素

當人們穿著服裝在有風環(huán)境下運動時，服裝熱阻值相比人體在無風環(huán)境下靜立時會發(fā)生明顯變化，變化的根本原因在于風和人體運動引起了人體和環(huán)境間的強迫對流，促進了熱量傳遞。且風和人體運動引起的熱對流的強度受服裝自身因素的影響，導致熱阻的變化在不同服裝上呈現(xiàn)出了不同的規(guī)律。

1.1 熱對流作用

熱阻作為服裝在一定環(huán)境下穿著在人身上表現(xiàn)出來的阻擋熱量交換的能力，除了受服裝本身材料、結(jié)構(gòu)等的影響外，還受環(huán)境溫濕度、風速、人體動作等的影響[6-7]。風和人體運動對熱阻的影響，主要是通過影響熱對流形成的[4]，具體的影響途徑可概括為：1)通過織物內(nèi)紗線間空隙形成的強迫對流；2)通過服裝領口、袖口等開口形成的強迫對流；3)通過風泵效應[3]形成的強迫對流。風和人體運動通過這3種途徑影響著人體和環(huán)境間的熱交換，進而影響著服裝熱阻。

Nielsen等[8]進行人體試驗，計算了不同人體狀態(tài)、風速下的服裝熱阻。騎車導致熱阻下降30%，步行導致熱阻下降33%，有風狀態(tài)下步行導致熱阻下降35%。由此可見，人體運動確實促進了衣下空氣流動，導致熱阻下降。文獻[9-11]指出，空氣的運動剝離了服裝表面的空氣層，同時滲透進服裝，降低了服裝熱阻。由此，可將風和人體運動作用下服裝熱阻的變化概括為如圖1所示的動態(tài)過程。其中It表示服裝層總熱阻，clo；Icl表示服裝層固有熱阻，clo；Ia表示邊界空氣層熱阻，clo。風和人體運動引起了熱對流，對服裝產(chǎn)生的壓力造成了衣下空間和邊界空氣層形狀的變化，影響了熱阻值。

圖1 風和人體運動作用下服裝熱阻變化示意圖Fig.1 Diagram of thermal insulation under interaction of wind and body movements. (a) Thermal insulation under static condition; (b) Thermal insulation due to wind and body movement

1.2 熱對流影響因素

由圖1可推斷，風和人體運動引起的熱對流會受到衣下空間體積和織物透氣性的影響。

衣下空間體積因服裝款式、號型的變化而變化。Havenith等[12]選用胖、瘦2種體型的受試者進行動態(tài)熱阻實驗，結(jié)果顯示，風和人體運動對衣下空間體積較大服裝熱阻值的影響大于衣下體積較小的服裝。這是因為衣下空間體積越大，風和人體運動更易改變其形狀，引起強迫對流，且更大的開口引起了更大的風泵效應，因此，當風和人體運動條件相同時，若衣下空間體積不同，風和人體運動引起的熱對流就會不同，動態(tài)熱阻的變化規(guī)律就會有差異。

不同功能需求的服裝會選用不同透氣性的織物。Nilsson等[13]分別研究了輕質(zhì)服裝和冬季防寒服裝的動態(tài)熱阻，分析了熱阻的變化率和步速的關系。步速越大，服裝熱阻越低，且輕質(zhì)服裝熱阻下降率大于防寒服，由此可見，人體運動對輕質(zhì)服裝熱阻的影響更大。這是因為服裝外層面料透氣性不同，由風引起的面料內(nèi)部空氣的流動程度和空氣滲透進服裝內(nèi)部的程度不同，所以，織物透氣性會影響熱對流，進而影響熱阻值。在探究動態(tài)熱阻變化規(guī)律時，有必要對不同服裝分別展開研究。

綜上，風和人體運動引起的熱對流會對服裝熱阻產(chǎn)生顯著影響，且影響的程度隨服裝號型、面料的變化而變化，因此，探究動態(tài)熱阻變化以歸納出具有普適性規(guī)律的難度很大，也意味著在開展相關研究時獲取大量試驗數(shù)據(jù)的必要性，這也是為什么相關研究至今仍有待深入的原因。

2 服裝動態(tài)熱阻的測評

動態(tài)熱阻的研究始于20世紀40年代[14]，起初只是定性地指出風和人體運動對服裝熱傳遞的影響，及熱阻的變化趨勢，后來隨著可行走暖體假人的開發(fā)，學者們展開定量分析，量化動態(tài)熱阻的變化規(guī)律，推導出了動、靜態(tài)熱阻值關系的經(jīng)驗公式，并逐漸標準化，使得評估服裝在真實使用環(huán)境下的隔熱能力越來越容易。

2.1 動態(tài)熱阻的測試方法

類似于靜態(tài)熱阻，動態(tài)熱阻的測試也有2種方法，真人著裝試驗和可行走暖體假人試驗。暖體假人的運用解放了受試者，節(jié)約了人力，且試驗流程簡單易操作。

2.1.1 真人著裝試驗

人體試驗測試服裝熱阻，主要依據(jù)為人體熱平衡方程：

S=M-W-R-C-E-Eres-Cres

(1)

式中：S為人體內(nèi)蓄熱，W/m2；M為人體代謝產(chǎn)熱，W/m2；W為人體對外做功，W/m2；R為人體輻射散熱，W/m2；C為人體對流散熱，W/m2；E為皮膚表面蒸發(fā)散熱，W/m2；Eres為人體呼吸時的蒸發(fā)散熱，W/m2；Cres為人體呼吸時的對流散熱，W/m2。

當人體達到熱平衡狀態(tài)后，可由式(1)換算出熱阻計算公式：

(2)

式中：tsk為人體皮膚表面平均溫度，℃；t0為環(huán)境溫度，℃。

通過呼吸進行的熱量交換(Eres+Cres)很少，可參考ISO 7933:2004中給出的公式進行計算。M、W、E、S可通過人體生理測試得到[8,12]。真人著裝試驗測得的熱阻值準確，但該操作過程繁雜，且對熱平衡的判斷存在主觀差異性，所以可重復性差。

2.1.2 暖體假人試驗

可行走暖體假人可根據(jù)試驗需求設置行走速度，由電腦監(jiān)控假人熱平衡狀態(tài)，自動輸出服裝的動態(tài)熱阻值。目前，常用暖體假人有Newton、Tore、ADAM、SAM[15-16]。該方法簡單易行；但假人在有風的非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下不易平衡，因此，試驗耗時較長。

Olesen等[17]和Nielsen等[8]曾針對相同的服裝，分別用暖體假人和真人進行熱阻測試，測試結(jié)果顯示真人試驗所得動態(tài)熱阻值低于假人試驗，原因可能是假人步行動作死板，造成微環(huán)境空氣流動較小，因步行帶動的對流散熱較少。Breckenridge等[9]和Nielsen等[8]的研究也得出類似結(jié)論。由此可見，不同熱阻測試方法會得出不同的熱阻值和熱阻值變化規(guī)律，后人在引用前人研究結(jié)論時要明確使用的方法，在引用前人數(shù)據(jù)推導相關結(jié)論時也應確保數(shù)據(jù)來源于相同的測試方法。

2.2 動態(tài)熱阻的變化規(guī)律

通過真人著裝試驗和暖體假人試驗，學者們逐漸掌握了服裝動態(tài)熱阻的復雜變化機制。

1990年以前，研究主要集中在風和人體運動單獨作用對熱阻的影響。有風或者人體運動時，服裝總熱阻都顯著下降，且風速越大，總熱阻越小，并且隨著風速的增加，總熱阻下降率變小，這就意味著風對熱阻的影響程度隨風速的增加逐漸減小。人體運動作用下，熱阻也有類似的變化規(guī)律[18]。這可理解為，在由無風變?yōu)橛酗L或者人體由靜止變?yōu)檫\動的一瞬間，人體邊界空氣層和衣下空間的穩(wěn)態(tài)被打破，熱阻發(fā)生顯著變化，而一旦這種狀態(tài)被打破，風速或人體運動幅度繼續(xù)增加對熱阻產(chǎn)生的影響就沒那么顯著了。

服裝在實際使用過程中往往遭受風和人體運動的交互作用，這種交互作用下服裝熱阻的變化規(guī)律更為復雜。Lu等[19]指出，風會削弱人體運動對熱阻的影響，當風速達到4 m/s時，人體運動對熱阻幾乎不產(chǎn)生影響。同樣，人體運動也會削弱風對熱阻的影響，但影響不顯著，這個觀點得到Hannu等[20]的證實。風和人體運動交互作用下服裝熱阻變化規(guī)律的研究對于人們根據(jù)服裝的實際使用狀況明確研究重點至關重要。若是在冬季大風天，則可忽視運動對熱阻的影響，而主要研究風的作用。

3 服裝動態(tài)熱阻值的預測

隨著動態(tài)熱阻數(shù)據(jù)庫的豐富，學者們開始了動、靜態(tài)熱阻關系的回歸分析，總結(jié)出了動態(tài)熱阻預測模型，實現(xiàn)了動、靜態(tài)熱阻之間的直接換算?；谇拔牡姆治觯瑒討B(tài)熱阻變化規(guī)律受服裝號型、款式和面料的影響，所以相關研究是分別針對正常工作服(0.6 clo1.4 clo)和輕質(zhì)服裝(0

3.1 正常工作服

Havenith等[12]選擇了3套正常工作服，測試了各自在步行(0.3, 0.9 m/s)和有風狀態(tài)下(0.7，4.1 m/s)的熱阻值，并得出了一系列分別針對風和人體運動的熱阻修正方程。Nilsson等[21]使用暖體假人測試了9套服裝在有風和步行狀態(tài)下的熱阻，并綜合考慮風和人體運動的影響，得到了以下修正公式：

IT,R=exp(-0.335var-0.214w)IT

(3)

式中：IT,R為動態(tài)熱阻，clo；IT為靜態(tài)熱阻，clo；var為相對人體的風速，為0.15～3 m/s；w為步行速度，為0～1.5 m/s。

后來，Holmer等[22]綜合分析Havenith等[12]和Nilsson等[21]所得10套服裝的數(shù)據(jù)，得到式(4)所示的修正公式，該分析結(jié)果已被ISO 7933:2004采納。

IT,R=exp(0.043-0.398var+0.066var2-0.378w+

0.094w2)IT

(4)

式中：var為0.15～3 m/s；w為0～1.5 m/s。

式(4)綜合考慮了風和人體運動2個因素，但是當無風(var=0.15 m/s)，且人體靜止(w=0)時，公式(4)計算所得修正系數(shù)并不為1?；谶@點，Havenith等[23]又重新整理Havenith等[12]和Nilsson等[21]的數(shù)據(jù)，將指數(shù)項中的常數(shù)項去除，并將風速減去0.15，重新分析得到式(5)所示的熱阻修正公式(R2=0.93)，該結(jié)果已被ISO 9920:2009采納。

IT,R=exp[-0.281(var-0.15)+0.044(var-

0.15)2-0.492w+0.176w2]IT

(5)

式中：var為0.15～3.5 m/s；w為0～1.2 m/s。

3.2 冬季防寒服

冬季防寒服的著裝環(huán)境易出現(xiàn)大風，且服裝外層面料通常透氣性各異，研究表明，面料透氣性顯著影響大風下服裝熱阻的變化，因此，在分析冬季防寒服動態(tài)熱阻時需將面料的透氣性考慮進去。Lu等[19]的研究也表明，將透氣性參數(shù)考慮進修正公式可提高預測值的準確性。

Nilsson等[24-25]測試了4套透氣性各異的防寒服在有風環(huán)境下的熱阻值，得到式(6)所示的熱阻修正方程(R2=0.95)，外層面料透氣性越好，熱阻下降率越大。

IT,R=0.54exp[(-0.15var-0.22w)p0.075-

0.06ln(p)+0.5]IT

(6)

式中：var為0.4～18 m/s；w為0～1.2 m/s；p為面料透氣性，1～1 000 L/(m2·s)。

Havenith等[23]重新分析Nilsson等[24-25]實驗所得數(shù)據(jù)，以風速0.4 m/s作為參照風速，基于殘差分析，為風速增加了二次項，得到了式(7)，將相關系數(shù)R2提高至0.968，該結(jié)果也已被ISO 9920:2009采納。

IT,R=exp[(-0.512(var-0.4)+0.079 4×10-3(var-

0.4)2-0.063 9w)p0.143 4]IT

(7)

式中：var為0.4～18 m/s；w為0～1.2 m/s；p為1～1 000 L/(m2·s)。

式(7)適用范圍為風速在0.4～18 m/s的情況，風速涉及范圍較廣。為進一步提高動態(tài)熱阻預測值的準確性，Nilsson等[13,24]針對0.4～1 m/s較小范圍的風速展開研究，得到式(8)作為較低風速下動態(tài)熱阻的修正方程，該結(jié)果同樣也已被ISO 9920:2009采納。

IT,R=exp[(-0.088 1(var-0.4)+0.077 9(var-

0.4)2-0.031 7w)p0.264 8]IT

(8)

式中：var為0.4～1 m/s；w為0～1.2 m/s；p為1～1 000 L/(m2·s)。

3.3 輕質(zhì)服裝

關于固有熱阻低于0.6 clo的輕質(zhì)服裝的研究較少。Havenith等[23]將輕質(zhì)服裝看作裸體和正常工作服的中間狀態(tài)來處理，得到式(9)，該結(jié)果也已被ISO 9920:2009采納。

(9)

式中：IT,R,nude為裸體動態(tài)熱阻，clo；IT,R,dressed為正常工作服的動態(tài)熱阻，clo。

顯然，式(9)的推導并無數(shù)據(jù)依據(jù)，準確性有待考量。Lu等[19]針對6套輕質(zhì)服裝展開研究，設置了0.15, 1.55, 4 m/s 3組風速和0, 0.75, 1.2 m/s 3組步行速度，共9組試驗，分析風速和人體運動對服裝熱阻的交互影響。研究推導出了式(10)(R2=0.93)，并與式(9)的預測值進行對比。結(jié)果顯示，式(10)比式(9)的預測結(jié)果更接近實測值。

IT,R=exp[-0.224(var-0.15)+0.023 4(var-

0.15)2-0.064 1w+0.054 8w2]IT

(10)

式中：var為0.15～4 m/s；w為0～1.2 m/s。

式(3)～(10)全部為基于實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗公式，所以由這些公式計算出的動態(tài)熱阻預測值與實測值不可避免地存在偏差，式(4)、(5)、(8)、(9)雖已被標準化，但也都在標準中給出了偏差范圍。學者們不斷開展研究，在舊公式基礎上總結(jié)新公式就是為了提高預測模型的準確性。

4 研究不足與展望

目前，服裝動態(tài)熱阻的研究已取得很大的進展，從定性分析動態(tài)熱阻的原理及規(guī)律，過渡到了以數(shù)學模型的形式表現(xiàn)動、靜態(tài)熱阻的關系，但是，近年來隨著更廣泛、更深入研究的推進，前人研究結(jié)果的不足逐漸顯現(xiàn)出來，并呈現(xiàn)出2個研究趨勢。

4.1 動態(tài)熱阻修正公式的優(yōu)化

目前ISO 9920:2009中的動態(tài)熱阻公式都是基于2004年以前的研究數(shù)據(jù)推導而來，且Havenith等[12,23]，Nilsson等[21,24-25],Lu等[19]的研究方法各異，因此，基于式(5)、(8)、(9)預測出的動態(tài)熱阻值，其準確性只能在與前人研究條件類似的情況下有所保證。近年，Morrissey等[26]使用SAM假人測試服裝的動態(tài)熱阻，結(jié)果顯著低于基于ISO 9920:2009修正公式的預測值。Lu等[19]使用Newton假人進行研究，推導出了針對各類服裝動態(tài)熱阻的經(jīng)驗公式，并將其預測結(jié)果與ISO標準的預測結(jié)果進行對比。針對部分數(shù)據(jù)庫[8,12,27]，標準的預測值比Lu等[19]的預測值更接近實測值，而針對Morrissey等[26]和Lu等[19]的數(shù)據(jù)庫，標準的預測值與實測值偏差較大。由此可推斷，隨著暖體假人測試技術(shù)的不斷完善，式(5)、(8)、(9)在適用范圍上的局限性將逐漸顯現(xiàn)出來。動態(tài)熱阻修正公式也應隨著測試技術(shù)的改進而完善。

前人的研究已經(jīng)為人們進行動態(tài)熱阻測試提供了方法上的指導。今后，為了提高修正方程預測結(jié)果的準確性，可考慮進行標準循環(huán)測試，在確保使用相同暖體假人，參照同一測試標準的基礎上，擴充動態(tài)熱阻數(shù)據(jù)庫，基于元分析推導出更具普適性的經(jīng)驗公式。另外，鑒于風向?qū)σ孪驴臻g影響的差異性，可考慮在公式中增加風向這個變量，探究不同風向作用下熱阻變化的差異性。

4.2 局部動態(tài)熱阻的研究

人體不同部位形態(tài)各異，人體和服裝間不同部位的衣下空間構(gòu)造也各異，這就使得服裝不同部位的熱阻及其受風和人體運動的影響存在差異。目前，Body Mapping類運動服的研發(fā)和性能評價[28-29]及瞬態(tài)局部熱感覺和熱舒適性模型的研究[30-31]，都對局部動態(tài)熱阻的研究提出了要求。

KE Ying等[32]、WANG F等[33]、Satsumoto Y等[34]、Hannu等[20]通過研究人體局部通風率在風作用下的變化規(guī)律，總結(jié)出胸背部的通風率比手臂處大，因而胸背部熱阻受風的影響程度大于手臂處的定性結(jié)論。Chang、Gonzalez[35]、Lu等[36]展開定量研究，直接測試了服裝局部熱阻值，前者指出人體5處不同部位熱阻受人體運動的影響規(guī)律，后者基于并行算法探究了包含軀干和四肢的8處部位的動態(tài)熱阻，參照式(10)的形式，改變系數(shù)值，推導出局部動態(tài)熱阻的修正公式，相關系數(shù)都大于0.94，但該修正公式的準確性和適用性還有待于更多實測數(shù)據(jù)的驗證。局部動態(tài)熱阻的研究對于評價局部舒適性具有重要意義，也將有利于作業(yè)過程中身體不同部位遭受不同冷熱危害的工人作業(yè)服的開發(fā)。今后，局部動態(tài)熱阻的研究還應與服裝種類相結(jié)合，對于部位和環(huán)境因素的選擇展開更具針對性的探究，并將研究結(jié)果與局部熱感覺模型結(jié)合，用于指導特殊功能服裝的研發(fā)。

5 結(jié) 語

服裝動態(tài)熱阻的研究經(jīng)歷了由定性研究向定量研究的轉(zhuǎn)變。目前，風和人體運動作用下服裝熱阻的變化規(guī)律已經(jīng)清晰，動態(tài)熱阻值也可直接通過ISO 9920:2009等標準中的公式計算獲取，這有助于分析實際工作狀態(tài)下服裝提供給人體的隔熱能力。近年的研究顯示出對提高動態(tài)熱阻預測準確性和構(gòu)建局部熱阻變化模型的要求?，F(xiàn)階段已有的成果和未來的研究，都將對于構(gòu)建更接近真實情況的人體冷熱應激及熱舒適模型具有重大意義。

FZXB

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Development and trend of evaluation and prediction model of clothing dynamic insulation

LAI Jun1， XU Jingxian2， CHEN Lili1， LI Jun2,3
(1.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticSupportDepartment,Beijing100010,China； 2.Fashion·ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China； 3.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology,MinistryofEducation,Shanghai200051,China)

To explore the influence of wind and body movement on clothing insulation, firstly, thermal convection between human body and environment was pointed out and the fact that wind and body movement have significant influence on clothing insulation was clarified based on theory analysis and existing research data. Then, the test methods of dynamic thermal is sulation, including human test and thermal manikin test, were summarized. Qualitative analysis of resultant insulation indicates that the thermal is sulation of clothing tends to decline under wind and body movement. Also, the influence of wind and body movement on thermal is sulation is weakened gradually with the increase of wind and body movement. Lastly, prediction models of dynamic insulation values were summarized according to different types of clothing. Future research on prediction model for clothing dynamic insulation will make breakthrough in optimizing the correction models and local dynamic insulation.

clothing; dynamic insulation; body movement; pumping effect; thermal convection

2016-04-20

2016-12-12

國家自然科學基金面上項目(51576038)；上海市自然科學基金項目(17ZR1400500)

賴軍(1962—)，男，教授級高級工程師，碩士。主要研究方向為軍人特殊環(huán)境和崗位專用防護被裝。E-mail: jxslj302@sina.cn。

10.13475/j.fzxb.20160405407

TS 941.19

A