風速、濕度及汗濕量對服裝熱阻影響的試驗

柳光磊,劉何清,唐炫,吳世先,吳國珊

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201;2.興義民族師范學院 物理與工程技術學院,貴州 興義市 562400)

服裝的熱阻是衡量服裝熱舒適性的重要標準,它由基本熱阻和服裝外表面邊界空氣層的熱阻組成并受多種因素影響,每種因素對熱阻的影響都是一個復雜的過程.

目前國內外主要從構建模型、試驗、數值模擬3個方面開展服裝熱阻的研究.Fanger[1]在1970年建立著裝人體在穩態條件下能量平衡的熱舒適性方程;周俊彥[2]建立環境風速和溫度的熱舒適組合模型;Wan[3]引入服裝的熱濕傳遞到二節點模型來預測人體生理反應;于瑤[4]分析風速與步速對服裝表面空氣層熱阻的影響并得出服裝的熱阻與風速及步速的關系公式;李敏[5]研究了服裝熱阻的計算方法;張文歡[6]研究了服裝局部熱阻與總熱阻的動靜態關系及其模型;Joshi[7]考慮身體運動因素建立了服裝熱傳遞模型;周俊彥[8]開展了熱舒適條件下環境風速和溫度最佳組合的試驗研究;Ueda[9]研究了織物透氣性對服裝通風的影響;賴軍[10]研究了風和人體運動對服裝動態熱阻的影響;Oh[11]研究了風速和風向對人體散熱的影響;Ismail[12]研究了環境條件對潛熱和顯熱損失的影響以及步行和風速對熱阻的影響;胡紫婷[13]研究了衣下空氣層對透氣型防護服熱阻和濕阻的影響;楊恩慧[14]研究了礦工服濕潤程度對其熱阻的影響;Liu[15]研究了服裝熱阻與操作溫度對皮膚溫度的影響;Wang[16]研究了服裝空氣層與濕阻的關系;Tu[17]研究了有風環境下透水織物的有效熱阻;Mao[18]對服裝系統進行了熱濕傳遞數值模擬;Zhang[19]對手部對流傳熱系數及風速影響的數值模擬;Shen[20]對多孔紡織品進行了傳熱和流動的數值模擬.

目前的研究多關注服裝本身因素、環境因素對服裝熱阻的影響,但關于風速、濕度及汗濕量對服裝熱阻影響的研究不多,仍然需要進一步研究.本文借助自制暖體假人平臺,選取礦工服面料和絨衣,分別在不同的風速、濕度及汗濕量的狀態下進行服裝熱阻的測定試驗,為礦井工人熱舒適評價提供參考.

1 研究方法

1.1 服裝熱阻

為了研究環境濕度、風速及汗濕量對服裝熱阻的影響,必須清楚服裝熱阻的測定方法和計算方法,并且明確服裝在人與環境的熱交換中的計算模型和服裝熱阻的影響因素.

1.1.1 服裝熱阻的測定方法和計算方法

本試驗裝置是基于“銅人模型”自制暖體假人.測定的方法:通過測量電能的消耗計算出服裝的熱阻值.在測定過程中,暖體假人表面溫度維持在33 ℃.

測定服裝熱阻,要明確3種不同概念的服裝熱阻的計算方法[21-22]:

1)總熱阻It(從人體皮膚表面到環境的熱阻)

(1)

式中:It為服裝總熱阻, m2·℃·W-1;tsk為皮膚表面平均溫度,℃;ta為環境空氣溫度,℃;H為人體皮膚表面到環境的熱流密度, W·m-2.

2)有效熱阻Icle(從人體皮膚表面到服裝外表面的熱阻)

Icle=It-Ia.

(2)

式中:Icle為服裝的有效熱阻, m2·℃·W-1;Ia為裸體銅人表面空氣層的熱阻, m2·℃·W-1.

為了得到Ia的值,可以對裸體暖體假人在相同的環境條件下做測定,并利用式(1)計算.

3)基本熱阻Icl(從人體皮膚表面到服裝外表面的熱阻,并考慮到服裝面積因素的影響)

Icl=It-Ia/fcl.

(3)

式中:Icl為基本熱阻,m2·℃·W-1;fcl為服裝面積系數,是著裝的人體表面積與裸體表面積之比.

1.1.2 服裝在人與環境的熱交換中的計算模型

1970年, Fanger提出了描述著裝人體在穩態條件下能量平衡的熱舒適性方程[23-24]，如式(4)所示.

M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]-0.42(M-W-58.15)-0.017 3M(5 867-Pa)-

(4)

式中:M為活動量(能量代謝率),W·m-2;W為人體對外所做的機械功,W·m-2;Pa為人體周圍空氣中的水蒸氣分壓,kPa;tcl為著裝人體外表平均溫度,℃;Icl為成套服裝基本熱阻,m2·K·W-1;hc為人體外表與環境的對流換熱系數,W·m-2·K-1;Tcl為著裝人體外表平均溫度,K;Tr為環境的平均輻射溫度,K.

環境與人體的中介即服裝的基本熱阻,它雖然沒有直接反映在熱平衡方程中,但它直接影響服裝的特性系數.本試驗通過調節風速改變對流換熱系數hc,通過調節相對濕度改變人體周圍空氣的水蒸氣分壓,通過調節服裝的汗濕量改變從人體帶走的蒸發熱量.

1.1.3 服裝綜合熱阻的定義

邊界層的概念對于表面與流過表面的流體之間的對流傳熱和傳質有重要意義.服裝表面的速度邊界層結構如圖1所示(U0表示主流速度,x表示流體在平板上沿流動方向流動的長度,y表示邊界層厚度,xcr表示邊界層的臨界長度,δ0表示層流底層厚度),與速度邊界層類似,熱和濃度邊界層沿流動方向是增大的.

圖1 服裝表面速度邊界層結構

服裝在人體熱平衡過程中起到保溫和阻礙濕擴散的作用.服裝的存在影響了皮膚表面的汗液蒸發.一方面服裝對皮膚表面的水蒸氣擴散有一個附加的阻力,另一方面服裝吸收部分汗液,使得只有剩余部分汗液蒸發冷卻皮膚.服裝借助毛細現象吸收和傳輸汗液,這部分汗液不是在皮膚表面蒸發,而是在服裝表面或服裝內部蒸發,這樣就形成了水蒸氣的濃度梯度,通過水蒸氣的濃度梯度得出“濕阻”公式.

(5)

式中:Iet為服裝濕阻,Pa·m2·W-1;psk為皮膚溫度對應的飽和水蒸氣分壓,Pa;q為熱流密度,即假人與外界進行熱濕交換的單位面積上的總功率,W·m-2.

本文給出“服裝綜合熱阻”定義,它是指服裝兩側的溫度差與熱流密度之間的比值.

(6)

式中:Rcomp為服裝的綜合熱阻, m2·℃·W-1;Δt為服裝兩側的溫差,℃;q為熱流密度(單位時間內通過物體單位橫截面積上的熱量),W·m-2.

1.2 試驗方案與系統

本試驗對不同環境相對濕度、風速條件下的工作服熱阻進行測量,得出熱阻隨濕度、風速變化的規律.

1.2.1 試驗方案

環境溫濕度及風速的變化會影響服裝外表面空氣層的對流及輻射散熱,從而影響服裝熱阻.通過暖體假人試驗研究環境溫度、濕度及風速對干濕礦工服熱阻的影響.

圖2 試驗所用服裝面料和絨衣

試驗服裝采用純棉布料和礦工絨衣,試驗所用服裝面料和絨衣如圖2所示.其中編號01,02為厚度不同的純棉服裝面料,03為絨衣.

試驗工況:環境溫度19,21,23 ℃,假人表面溫度33 ℃,風速小于0.1 m/s,每組試驗進行1 h,前30 min用來穩定假人皮膚表面溫度,待假人表面溫度穩定后,測量后30min內的假人消耗功率,利用式(1)計算總熱阻.

試驗分為3個階段,每個階段中暖體假人的表面溫度均保持33℃.第一階段研究服裝外表面熱阻,環境溫度為19,21,23 ℃,風速小于0.1 m/s,每種環境溫度下測量5次,取平均值;第二階段研究濕度對服裝熱阻的影響,環境溫度為33±0.4 ℃,風速小于0.15 m/s,環境相對濕度為50%,60%,70%,80%,90%及100%;第三階段研究不同環境風速對服裝熱阻的影響,環境溫度為30 ℃,濕度為90%,環境風速為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m/s.

1.2.2 試驗系統

本試驗在人工環境艙進行,試驗中測量的環境參數為溫度(ta),濕度(RH),風速(vwind),測量服裝質量:干服裝質量(mdry),濕服裝質量(mwet),測量不同工況下的服裝表面熱阻(Ia)和服裝總熱阻(It).

1)試驗平臺

試驗在湖南科技大學資源環境與安全工程學院人工環境艙內進行.艙內的溫度、濕度用監測監控程序動態調控,艙內密封性可滿足試驗要求.其中,艙的溫度調控范圍為-15～50 ℃,精度±0.5 ℃;濕度調控范圍為30%～95%,精度±2%.環境因素對服裝熱阻的影響試驗平臺如圖3所示.

1-TSI-5725手持式葉輪空氣流速儀;2-溫濕度手持式儀表(HMP76、77探頭);3-萬特電子天平;4-一等標標準水銀溫度計;5-暖體假人

2)環境影響因素和服裝質量測量儀器與參數

環境參數主要是測量人工環境艙內的ta,RH,vwind,測量服裝質量mdry,mwet.儀器和參數見表1.

表1 環境影響因素和服裝質量測量儀器與參數

試驗步驟如下:

1)試驗準備,打開人工環境艙電源及監控儀器,調控環境艙的熱濕環境參數,直至達到所需的試驗工況,當試驗工況穩定時,為減少試驗誤差,用一等標準水銀溫度計、溫濕度手持式儀表及TSI-5725式風速測量儀對艙內試驗工況進行核實.

2)試驗開始,將干燥的服裝、絨衣放置在設置好的環境艙(環境溫度為21 ℃、濕度為50%、風速<0.15 m/s)內12 h,保證其完全干燥.由于服裝貼于假人表面時間較長,每測完一組數據,需要將其取下置于環境艙內,將服裝冷卻后才能進行第二次試驗,每種工況服裝測量3次,取3次測量值的均值.

3)當假人皮膚溫度達到設定溫度并保持穩定30 min后,將完全干燥的服裝穿在暖體假人外表面,保證完全覆蓋,用安捷倫設備記錄30 min內暖體假人消耗功率,試驗過程中,保持暖體假人表面溫度及環境參數的穩定.

4)重復步驟(1),將環境艙內環境工況調至所需的試驗工況,測量服裝面料和絨衣在不同環境溫濕度及汗濕狀態下的熱阻.記錄不同汗濕狀態下服裝蒸發所消耗水分(使用電子天平對試驗前后的汗濕服裝進行稱重)以得到蒸發散熱量.

5)試驗結束,數據傳輸至筆記本電腦,關閉暖體假人試驗平臺.

2 試驗結果分析

2.1 干服裝總熱阻

試驗利用暖體假人測量服裝外表面的空氣層熱阻.環境溫度為21 ℃,暖體假人表面溫度33 ℃,風速小于0.15 m/s,試驗面料01,02及絨衣03的總熱阻測量值見表2.

表2 服裝面料01,02及絨衣03的總熱阻測量值

2.2 服裝外表面熱阻

試驗利用暖體假人測量服裝外表面的空氣層熱阻.環境溫度分別為19,21,23 ℃,暖體假人表面溫度為33 ℃,風速小于0.1 m/s,不同環境溫度下服裝外表面熱阻值見表3.

表3 不同環境溫度下服裝外表面熱阻值

從表3可以看出：在3個環境溫度條件下測得的假人裸體空氣層熱阻均值基本接近,個別值存在較大的偏差,分析其原因可能是試驗時環境艙門未能緊閉,造成少量空氣流入艙內,影響假人皮膚表面與周圍環境的對流換熱,從而導致假人裸體空氣層的熱阻發生改變.

2.3 不同濕度條件下服裝總熱阻

試驗利用暖體假人測定濕度對礦工服的影響,為研究相對濕度與新礦工服面料熱阻的關系,相對濕度分別定為50%,60%,70%,80%,90%,100%.環境溫度30 ℃時不同相對濕度下總熱阻如圖4所示.

圖4 環境溫度30 ℃時不同相對濕度下總熱阻

從圖4可以看出:相對濕度對服裝熱阻有一定的影響.當環境溫度不變時,隨著相對濕度的增加,服裝熱阻呈現減小的趨勢.原因如下:空氣中存在許多氣相水分,氣相水分會使得織物纖維的彈性變差,對熱阻影響不明顯;但當相對濕度變得較大時,會出現液相水分,它會進入織物纖維之間的空隙,并把纖維中的靜止空氣、死腔空氣擠出,從而降低服裝的總熱阻.

2.4 不同風速條件下服裝總熱阻

2.4.1 干服裝總熱阻與風速之間的關系

試驗測定環境風速對干燥礦工服面料和絨衣總熱阻的影響,環境溫度設定30 ℃,調整風流速度,分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m·s-1.環境溫度30 ℃時不同風流速度下的總熱阻如圖5所示.

圖5 環境溫度30℃時不同風流速度下總熱阻

從圖5可以看出:隨著風流速度的增加,干服裝總熱阻呈現下降趨勢.原因如下:

1)風流速度影響了服裝的表面空氣層熱阻,風流的擾動,使得服裝表面的靜止空氣被擾亂,壓縮了邊界空氣層厚度,影響了服裝的含氣量,從而使服裝的總熱阻下降.

2)風流速度會從服裝氣孔及空間滲透到服裝內部,擾動里面的靜止空氣與死腔空氣,加強服裝開口部位內外空氣層之間的對流換熱,同時,風流壓縮服裝,改變服裝內空氣層的厚度,使得熱阻下降.

2.4.2 汗濕服裝總熱阻與風速之間的關系

試驗測量了服裝的總熱阻.控制服裝面料、絨衣的汗濕程度(汗濕量不同),利用電子天平對不同汗濕程度的服裝面料進行稱重來保證每次試驗時服裝面料及內衣的含水量一致.環境溫度30 ℃、不同汗濕量條件下不同風流速度時的面料總熱阻見圖6;環境溫度30 ℃、不同汗濕量條件下不同風流速度時的絨衣總熱阻見圖7.

圖6 環境溫度30℃、不同汗濕量條件下不同風流速度時的面料總熱阻

圖7 環境溫度30℃、不同汗濕量條件下不同風流速度時的絨衣總熱阻

從圖6和圖7可以看出:

1)不論服裝處于完全汗濕狀態還是其他汗濕程度,其總熱阻均隨著環境風速的增加而呈現減小趨勢.

2)服裝的汗濕程度越小,其熱阻隨風速變化的速率就越小,這是由于汗濕程度越小,此時風流的擾動會使得人體的蒸發散熱量與對流散熱量同時增加,從而使得熱阻減小.

3 討論

3.1 服裝外表面熱阻

當環境溫度為舒適溫度21 ℃時,穿著衣服的人的正常皮膚表面溫度為33 ℃,衣服內外的溫差為12 ℃,傳熱量為43.5 W/m2,則傳熱熱阻為0.275 m2·℃/W (單位面積傳熱量=傳熱溫差/傳熱熱阻),衣服外表面有一層空氣層,這層空氣層的熱阻大約為0.12 m2·℃·W-1(0.774 clo),所以服裝所具有的熱阻值為0.275-0.12=0.155 m2·℃·W-1,由此,把1clo定義為0.155 m2·℃·W-1,熱阻的倒數為傳熱系數[17].

表面熱阻與風速的關系見表4,說明風速對對流換熱系數影響較大,是熱交換的重要因素.

表4 表面熱阻與風速的關系[19]

本試驗中,假人表面溫度33 ℃,風速小于0.1 m/s,在環境溫度為19.4,21.2,22.4 ℃測得的表面熱阻分別為0.121 8,0.125 2,0.129 9 m2·℃·W-1,與環境溫度為舒適溫度21℃下的服裝外表面空氣層的熱阻0.12 m2·℃·W-1還存在一定的試驗誤差,但誤差不大.

表面熱阻與風速的關系如圖8所示,其表達式為

Ia=0.062 95v-0.395 13.

(7)

圖8 風速與服裝表面熱阻的關系

3.2 環境風速對服裝表面熱阻的影響

環境風速主要影響服裝的表面熱阻,從而使服裝的總熱阻明顯下降.在低風速下,服裝保暖性能的降低主要是由于表面熱阻減小,而在高風速下,對流、滲透及壓縮的影響程度增加.有時人感到冷風“吹透”了服裝,實際上并不是冷空氣真的透過服裝織物進入內部,而是表面熱阻下降、服裝被壓縮、使局部散熱量增大而帶來的冷感.

試驗中風速為0.5～2.5 m·s-1,是在低風速下進行,不考慮風壓縮局部服裝改變服裝內空氣層的厚度,服裝的有效熱阻Icle不變,服裝總熱阻的降低主要是由于表面熱阻減小了.

試驗得出了在環境溫度21℃、暖體假人表面溫度33℃及風速小于0.15 m·s-1下面料01,02及絨衣03的總熱阻測量值分別為0.160,0.173,0.345 m2·℃·W-1,空氣層的熱阻大約為0.12 m2·℃·W-1,根據式(2)得出面料01,02及絨衣03的有效熱阻分別為0.040,0.053,0.225 m2·℃·W-1,由試驗數據根據式(2)得到表面熱阻與風速的值見表5,風速與服裝表面熱阻的關系如圖9所示.

表5 試驗得到的表面熱阻與風速的值

圖9 風速與服裝表面熱阻的關系

作者將試驗獲得與文獻[19]得出的數據,擬合出的公式如圖10所示.

圖10 風速與服裝表面熱阻的關系

表面熱阻與風速的關系表達式為

Ia=0.070 02v-0.474 35.

(8)

試驗結果顯示在環境風速為1.5 m·s-1時,干濕服裝的熱阻均出現拐點,此時風速為1.5 m·s-1,表面熱阻為0.058 m2·℃·W-1,風流開始破壞邊界層的難度增加,導致熱阻出現拐點.

4 結論

1)相對濕度、風速及服裝汗濕量均與服裝熱阻呈負相關.

2)表面熱阻與風速的關系表達式:Ia=0.070 02v-0.474 35.

3)風速為1.5 m·s-1,表面熱阻為0.058 m2·℃·W-1,風流開始破壞邊界層的難度增加,服裝熱阻出現拐點.