張夢妮，駱鑫榮，陳少偉，屠樂希，沈 華，4

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海201620；2.浙江中紡標(biāo)檢驗(yàn)有限公司，浙江紹興312000；3.艾萊依時(shí)尚股份有限公司，上海200333；4.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fèi)者的青睞。羽絨服的熱舒適性是企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)羽絨服和消費(fèi)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(jià)羽絨服熱舒適性主要度量指標(biāo)，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(shí)受外界環(huán)境和穿著方式等多種因素影響[5]。在運(yùn)動過程中風(fēng)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(shè)計(jì)羽絨服保暖性，滿足消費(fèi)者熱舒適性需求。

熱阻作為評價(jià)服裝熱舒適性的主要指標(biāo)，其測試在國內(nèi)外已有較多研究。ISO標(biāo)準(zhǔn)[6－7]和ASTM F1291－2016標(biāo)準(zhǔn)[8]對服裝熱阻的測試進(jìn)行了詳細(xì)的說明，此類標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shè)置為21℃，這與羽絨服的實(shí)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(fēng)速與服裝熱阻和濕阻的關(guān)系，結(jié)果表明隨著歩速和風(fēng)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(nèi)膽材料的隔熱值，并建立了內(nèi)膽材料的工程厚度與隔熱值之間的關(guān)系。張文歡等[11]利用熱流計(jì)法測試計(jì)算得到站立和行走狀態(tài)的服裝總熱阻。美國標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)對測試溫濕度、風(fēng)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(shí)，－3℃～3℃時(shí)熱阻隨溫度升高而減小，3℃～15℃時(shí)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(fēng)速對消防服熱舒適性的影響，結(jié)果表明風(fēng)速與服裝熱阻呈負(fù)相關(guān)，與濕阻呈正相關(guān)。已有研究探究了填充量、人體姿勢、溫度、人體運(yùn)動狀態(tài)等對熱阻的影響，但是，模擬冬季羽絨服真實(shí)的穿著環(huán)境，探究環(huán)境溫度、風(fēng)速多個(gè)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(xí)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(fēng)速條件下的熱阻；分析風(fēng)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(shè)計(jì)、研發(fā)和選購提供指導(dǎo)。

1 羽絨服熱舒適性試驗(yàn)

1.1 試樣

本試驗(yàn)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(xí)慣，在測試羽絨服熱阻時(shí)搭配標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣(100%棉)進(jìn)行測試。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要包括:LD－1型暖體假人、溫濕度計(jì)、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(dú)立的曲面保溫儀，由上下兩個(gè)熱護(hù)環(huán)和中間主體試驗(yàn)板構(gòu)成。測試過程中，試驗(yàn)板、保護(hù)板及底板均通過電熱控制在33±0.2℃范圍內(nèi)并保持恒溫。在距離假體表面25cm處設(shè)置4個(gè)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(fēng)速的氣候倉內(nèi)進(jìn)行。氣候倉相對濕度穩(wěn)定在40%，溫度設(shè)置為10℃，測試風(fēng)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(fēng)速對羽絨服保暖性的影響規(guī)律。測試時(shí)設(shè)置暖體假人皮膚溫度33℃，溫度波動±0.2℃，設(shè)置穩(wěn)定時(shí)間(非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間)30min，測試時(shí)間10min，暖體假人預(yù)熱完成進(jìn)入穩(wěn)定階段，為暖體假人穿著標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣和羽絨服，夾持并懸掛兩側(cè)衣袖后開始進(jìn)行保暖性測試。測試時(shí)暖體假人實(shí)時(shí)記錄功率，并在電腦端輸出功率－時(shí)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(jì)記錄氣候倉內(nèi)的實(shí)際溫度和濕度。測試結(jié)束導(dǎo)出數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度和功率計(jì)算熱阻，最終取3次測試結(jié)果的均值。

整體服裝(含表面空氣層)熱阻的計(jì)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(shí)穿有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣，羽絨服固有熱阻如式(2)所示:

式中:R0為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)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(jì)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(shí)現(xiàn)保暖。羽絨服外表面和環(huán)境溫度存在溫差時(shí)，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(yàn)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(fēng)速(m/s)；Wcon為對流換熱量(W/m2)。

著裝后的輻射換熱量:

hr的計(jì)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(jié)果與討論

2.1 風(fēng)速對服裝整體熱阻的影響

圖1為服裝整體熱阻隨風(fēng)速變化曲線，由圖1可知服裝整體熱阻(Rt)和風(fēng)速有顯著的負(fù)相關(guān)性。當(dāng)測試環(huán)境為10℃，0.5m/s時(shí)，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(fēng)速的變化曲線

當(dāng)風(fēng)速上升到13.0m/s時(shí)，4種試樣的Rt分別下降35.9%、30.8%、25.1%、32.9%。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速增加時(shí)，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(dǎo)致Rt減小。試樣4的熱阻最大，試樣1的熱阻最小，不同風(fēng)速下，試樣4比試樣1的熱阻至少大54.2%。

2.2 風(fēng)速對羽絨服固有熱阻的影響

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

圖2 羽絨服固有熱阻隨風(fēng)速的變化曲線

由圖3可知，相同風(fēng)速條件下，在單位填充量為50g/m2～140g/m2范圍內(nèi)，Rd隨著羽絨服單位填充量的增大而增大。風(fēng)速0.5m/s時(shí)，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(nèi)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(nèi)、絨朵間維持了更多的靜止空氣，而靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于纖維的導(dǎo)熱系數(shù)[13]，使得羽絨服內(nèi)部的對流傳熱顯著降低，從而Rd增大。當(dāng)風(fēng)速增大到13.0m/s時(shí)在單位填充量為50g/m2～110g/m2范圍內(nèi)，單位填充量每增大30g/m2，羽絨服熱阻增幅變化不大；而當(dāng)填充料從110g/m2增大到140g/m2時(shí)，羽絨服熱阻僅升高10.9%。說明在13.0m/s的風(fēng)速下，填充量為140g/m2時(shí)，羽絨服由于風(fēng)壓作用被壓縮的程度較大，導(dǎo)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(fēng)速對空氣層熱阻的影響

根據(jù)公式(3)計(jì)算得出不同風(fēng)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(fēng)速增大而減小。當(dāng)測試環(huán)境為0.5m/s時(shí)，Ra最大，在0.039m2·K/W～0.047m2·K/W范圍內(nèi)，這是因?yàn)樵谖L(fēng)環(huán)境下(風(fēng)扇關(guān)閉)，靜止空氣的導(dǎo)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(dāng)風(fēng)速增大到7.0m/s時(shí)，Ra明顯下降，最大降幅為75%；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加到13.0m/s時(shí)，Ra下降較慢，最大降幅為83%；此外，在較大風(fēng)速時(shí)Ra接近零值。這是因?yàn)殡S著外界風(fēng)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(dāng)風(fēng)速增大到7m/s時(shí)，此時(shí)服裝表面附著的空氣層已經(jīng)很稀薄，繼續(xù)增加風(fēng)速會導(dǎo)致Ra趨近于零值，下降幅度減緩。

2.4 風(fēng)速對服裝熱流密度的影響

服裝熱流密度與風(fēng)速的變化關(guān)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(shí)的熱流密度均隨風(fēng)速的增加而增加，當(dāng)風(fēng)速從0.5m/s增大到13.0m/s時(shí)，熱流密度最大增大51.0%。這是因?yàn)殡S著風(fēng)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(fēng)速和總散熱量的關(guān)系

服裝單位填充量與風(fēng)速的變化關(guān)系如圖6所示，熱流密度隨單位填充量的增加而降低，當(dāng)單位填充量增加30g/m2，熱流密度至少下降6.5%。這是因?yàn)殡S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(dǎo)致熱流密度減小。

圖6 單位填充量和總散熱量的關(guān)系

2.5 風(fēng)速對對流換熱的影響

圖7 為服裝表面對流換熱量與風(fēng)速的關(guān)系，由圖7可知，隨著風(fēng)速增加，對流換熱量增加，環(huán)境風(fēng)速從0.5m/s增長到1.5m/s時(shí)，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(fēng)速增加，環(huán)境空氣從自然對流轉(zhuǎn)換為強(qiáng)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(fēng)速與對流換熱量的關(guān)系

圖8 為對流換熱系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系，由圖8可知，隨著風(fēng)速增加，hc增加，當(dāng)風(fēng)速增大到1.5m/s時(shí)，對流換熱系數(shù)較0.5m/s時(shí)增大100.5%。隨著風(fēng)速繼續(xù)增加，hc增長幅度逐漸降低。同時(shí)，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(shí)受對hc、Td等多個(gè)因素的綜合影響，所以隨著風(fēng)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(fēng)速和對流換熱系數(shù)的關(guān)系

2.6 風(fēng)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(fēng)速的關(guān)系曲線圖。由圖9可知隨著風(fēng)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(fēng)速為7.0m/s時(shí)，輻射換熱量下降75%左右，13.0m/s時(shí)下降85%左右。這是因?yàn)轱L(fēng)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(dǎo)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(shí)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(nèi)，風(fēng)速繼續(xù)增加到13.0m/s時(shí)，溫差在0.50℃～0.08℃范圍內(nèi)，與7.0m/s相比變化不大。

圖9 風(fēng)速與輻射換熱量的關(guān)系

圖10 風(fēng)速和輻射換熱系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)人體靜止站立時(shí)，著裝后服裝整體熱阻、羽絨服固有熱阻、空氣層熱阻均隨風(fēng)速增加而減小。環(huán)境風(fēng)速為1.5m/s時(shí)服裝整體熱阻受風(fēng)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(nèi)下降較快，7.0m/s～13.0m/s范圍內(nèi)下降幅度較慢，并在較大風(fēng)速時(shí)Ra接近零值。

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

(3)對流散熱量隨風(fēng)速增加而增大，環(huán)境風(fēng)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(fēng)速增加而減小，環(huán)境風(fēng)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。