賴(lài) 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(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 0005；3. 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 0005)

服裝動(dòng)態(tài)熱阻測(cè)定及預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展

賴(lài) 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(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051；3. 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

為探究風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)服裝動(dòng)態(tài)熱阻的影響，基于對(duì)人體和環(huán)境間熱對(duì)流的分析，結(jié)合實(shí)際研究數(shù)據(jù)，闡明風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)服裝動(dòng)態(tài)熱阻存在顯著影響?？偨Y(jié)了風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)作用下動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)試方法。動(dòng)態(tài)熱阻變化規(guī)律的定性分析表明，動(dòng)態(tài)熱阻值在風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)作用下呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且二者對(duì)動(dòng)態(tài)熱阻的影響程度隨著風(fēng)速和步行速度的增加逐漸下降。分類(lèi)對(duì)正常工作服、冬季防寒服和輕質(zhì)服裝動(dòng)態(tài)熱阻具體數(shù)值的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了概括和總結(jié)。研究認(rèn)為，服裝動(dòng)態(tài)熱阻預(yù)測(cè)模型未來(lái)的研究重點(diǎn)是動(dòng)態(tài)熱阻修正公式的優(yōu)化和局部動(dòng)態(tài)熱阻變化規(guī)律2個(gè)方向。

服裝； 動(dòng)態(tài)熱阻； 人體運(yùn)動(dòng)； 風(fēng)泵效應(yīng)； 熱對(duì)流

服裝作為人體和環(huán)境間的媒介，對(duì)二者間的熱量交換起著阻擋作用。熱阻是用來(lái)衡量服裝阻擋熱量傳遞能力的物理量。熱阻值常被用來(lái)構(gòu)建人體和環(huán)境間的傳熱模型，評(píng)估人體所受冷、熱應(yīng)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(cè)試及對(duì)比，通常參照的ISO 9920:2009《熱環(huán)境工效學(xué)——服裝熱濕阻值評(píng)估》、ISO 7730:2005《熱環(huán)境工效學(xué)——使用PMV、PPD、局部熱舒適指標(biāo)計(jì)算熱舒適》、ISO 7933:2004《熱環(huán)境工效學(xué)——基于預(yù)測(cè)熱應(yīng)激計(jì)算的熱應(yīng)力的評(píng)定》都是使用暖體假人在無(wú)風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，即靜態(tài)熱阻。當(dāng)人們穿著服裝從事勞動(dòng)作業(yè)時(shí)，多會(huì)面臨有風(fēng)、人體運(yùn)動(dòng)等情況，這些條件的存在會(huì)促進(jìn)人體和環(huán)境間的熱對(duì)流，進(jìn)而影響服裝熱阻值[4-5]。這種風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)作用下的熱阻稱(chēng)為動(dòng)態(tài)熱阻，相比靜態(tài)熱阻，動(dòng)態(tài)熱阻可表征服裝在實(shí)際使用情況下的隔熱能力。為此，學(xué)者們開(kāi)始探究風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)熱阻的影響機(jī)制，ISO 9920：2009、ISO 7730：2005也陸續(xù)在更新的版本中給出了動(dòng)態(tài)熱阻的修正公式。由此可見(jiàn)，考慮人體運(yùn)動(dòng)和環(huán)境因素對(duì)熱阻影響的重要性，特別是對(duì)類(lèi)似防寒服及消防服等特種服裝而言，動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)量對(duì)更切實(shí)際地評(píng)估著裝人體冷、熱負(fù)荷狀態(tài)，以采取應(yīng)對(duì)措施尤為重要。

關(guān)于動(dòng)態(tài)熱阻的研究，自1940年以來(lái)已取得相當(dāng)?shù)某删?。近年?lái)，隨著暖體假人測(cè)試技術(shù)的成熟，學(xué)者們又深入研究了動(dòng)態(tài)熱阻的變化規(guī)律和預(yù)測(cè)。本文基于風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)熱阻影響的理論分析，從動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)試方法、變化規(guī)律和預(yù)測(cè)3個(gè)方面對(duì)前人的研究進(jìn)行回顧和整理，并基于現(xiàn)狀展望了該領(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)。

1 服裝動(dòng)態(tài)熱阻及其影響因素

當(dāng)人們穿著服裝在有風(fēng)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)時(shí)，服裝熱阻值相比人體在無(wú)風(fēng)環(huán)境下靜立時(shí)會(huì)發(fā)生明顯變化，變化的根本原因在于風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)引起了人體和環(huán)境間的強(qiáng)迫對(duì)流，促進(jìn)了熱量傳遞。且風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流的強(qiáng)度受服裝自身因素的影響，導(dǎo)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(duì)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(lái)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(fēng)速、人體動(dòng)作等的影響[6-7]。風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)熱阻的影響，主要是通過(guò)影響熱對(duì)流形成的[4]，具體的影響途徑可概括為：1)通過(guò)織物內(nèi)紗線間空隙形成的強(qiáng)迫對(duì)流；2)通過(guò)服裝領(lǐng)口、袖口等開(kāi)口形成的強(qiáng)迫對(duì)流；3)通過(guò)風(fēng)泵效應(yīng)[3]形成的強(qiáng)迫對(duì)流。風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)通過(guò)這3種途徑影響著人體和環(huán)境間的熱交換，進(jìn)而影響著服裝熱阻。

Nielsen等[8]進(jìn)行人體試驗(yàn)，計(jì)算了不同人體狀態(tài)、風(fēng)速下的服裝熱阻。騎車(chē)導(dǎo)致熱阻下降30%，步行導(dǎo)致熱阻下降33%，有風(fēng)狀態(tài)下步行導(dǎo)致熱阻下降35%。由此可見(jiàn)，人體運(yùn)動(dòng)確實(shí)促進(jìn)了衣下空氣流動(dòng)，導(dǎo)致熱阻下降。文獻(xiàn)[9-11]指出，空氣的運(yùn)動(dòng)剝離了服裝表面的空氣層，同時(shí)滲透進(jìn)服裝，降低了服裝熱阻。由此，可將風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)作用下服裝熱阻的變化概括為如圖1所示的動(dòng)態(tài)過(guò)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(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)引起了熱對(duì)流，對(duì)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(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)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(duì)流影響因素

由圖1可推斷，風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流會(huì)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(hào)型的變化而變化。Havenith等[12]選用胖、瘦2種體型的受試者進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱阻實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)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?yàn)橐孪驴臻g體積越大，風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)更易改變其形狀，引起強(qiáng)迫對(duì)流，且更大的開(kāi)口引起了更大的風(fēng)泵效應(yīng)，因此，當(dāng)風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)條件相同時(shí)，若衣下空間體積不同，風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流就會(huì)不同，動(dòng)態(tài)熱阻的變化規(guī)律就會(huì)有差異。

不同功能需求的服裝會(huì)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(dòng)態(tài)熱阻，分析了熱阻的變化率和步速的關(guān)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(jiàn)，人體運(yùn)動(dòng)對(duì)輕質(zhì)服裝熱阻的影響更大。這是因?yàn)榉b外層面料透氣性不同，由風(fēng)引起的面料內(nèi)部空氣的流動(dòng)程度和空氣滲透進(jìn)服裝內(nèi)部的程度不同，所以，織物透氣性會(huì)影響熱對(duì)流，進(jìn)而影響熱阻值。在探究動(dòng)態(tài)熱阻變化規(guī)律時(shí)，有必要對(duì)不同服裝分別展開(kāi)研究。

綜上，風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流會(huì)對(duì)服裝熱阻產(chǎn)生顯著影響，且影響的程度隨服裝號(hào)型、面料的變化而變化，因此，探究動(dòng)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(kāi)展相關(guān)研究時(shí)獲取大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的必要性，這也是為什么相關(guān)研究至今仍有待深入的原因。

2 服裝動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)評(píng)

動(dòng)態(tài)熱阻的研究始于20世紀(jì)40年代[14]，起初只是定性地指出風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)服裝熱傳遞的影響，及熱阻的變化趨勢(shì)，后來(lái)隨著可行走暖體假人的開(kāi)發(fā)，學(xué)者們展開(kāi)定量分析，量化動(dòng)態(tài)熱阻的變化規(guī)律，推導(dǎo)出了動(dòng)、靜態(tài)熱阻值關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，并逐漸標(biāo)準(zhǔn)化，使得評(píng)估服裝在真實(shí)使用環(huán)境下的隔熱能力越來(lái)越容易。

2.1 動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)試方法

類(lèi)似于靜態(tài)熱阻，動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)試也有2種方法，真人著裝試驗(yàn)和可行走暖體假人試驗(yàn)。暖體假人的運(yùn)用解放了受試者，節(jié)約了人力，且試驗(yàn)流程簡(jiǎn)單易操作。

2.1.1 真人著裝試驗(yàn)

人體試驗(yàn)測(cè)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(duì)外做功，W/m2；R為人體輻射散熱，W/m2；C為人體對(duì)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(shí)的蒸發(fā)散熱，W/m2；Cres為人體呼吸時(shí)的對(duì)流散熱，W/m2。

當(dāng)人體達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，可由式(1)換算出熱阻計(jì)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(guò)呼吸進(jìn)行的熱量交換(Eres+Cres)很少，可參考ISO 7933:2004中給出的公式進(jìn)行計(jì)算。M、W、E、S可通過(guò)人體生理測(cè)試得到[8,12]。真人著裝試驗(yàn)測(cè)得的熱阻值準(zhǔn)確，但該操作過(guò)程繁雜，且對(duì)熱平衡的判斷存在主觀差異性，所以可重復(fù)性差。

2.1.2 暖體假人試驗(yàn)

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

Olesen等[17]和Nielsen等[8]曾針對(duì)相同的服裝，分別用暖體假人和真人進(jìn)行熱阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示真人試驗(yàn)所得動(dòng)態(tài)熱阻值低于假人試驗(yàn)，原因可能是假人步行動(dòng)作死板，造成微環(huán)境空氣流動(dòng)較小，因步行帶動(dòng)的對(duì)流散熱較少。Breckenridge等[9]和Nielsen等[8]的研究也得出類(lèi)似結(jié)論。由此可見(jiàn)，不同熱阻測(cè)試方法會(huì)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(shí)要明確使用的方法，在引用前人數(shù)據(jù)推導(dǎo)相關(guān)結(jié)論時(shí)也應(yīng)確保數(shù)據(jù)來(lái)源于相同的測(cè)試方法。

2.2 動(dòng)態(tài)熱阻的變化規(guī)律

通過(guò)真人著裝試驗(yàn)和暖體假人試驗(yàn)，學(xué)者們逐漸掌握了服裝動(dòng)態(tài)熱阻的復(fù)雜變化機(jī)制。

1990年以前，研究主要集中在風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)單獨(dú)作用對(duì)熱阻的影響。有風(fēng)或者人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，服裝總熱阻都顯著下降，且風(fēng)速越大，總熱阻越小，并且隨著風(fēng)速的增加，總熱阻下降率變小，這就意味著風(fēng)對(duì)熱阻的影響程度隨風(fēng)速的增加逐漸減小。人體運(yùn)動(dòng)作用下，熱阻也有類(lèi)似的變化規(guī)律[18]。這可理解為，在由無(wú)風(fēng)變?yōu)橛酗L(fēng)或者人體由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)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(fēng)速或人體運(yùn)動(dòng)幅度繼續(xù)增加對(duì)熱阻產(chǎn)生的影響就沒(méi)那么顯著了。

服裝在實(shí)際使用過(guò)程中往往遭受風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)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(fù)雜。Lu等[19]指出，風(fēng)會(huì)削弱人體運(yùn)動(dòng)對(duì)熱阻的影響，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)對(duì)熱阻幾乎不產(chǎn)生影響。同樣，人體運(yùn)動(dòng)也會(huì)削弱風(fēng)對(duì)熱阻的影響，但影響不顯著，這個(gè)觀點(diǎn)得到Hannu等[20]的證實(shí)。風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)交互作用下服裝熱阻變化規(guī)律的研究對(duì)于人們根據(jù)服裝的實(shí)際使用狀況明確研究重點(diǎn)至關(guān)重要。若是在冬季大風(fēng)天，則可忽視運(yùn)動(dòng)對(duì)熱阻的影響，而主要研究風(fēng)的作用。

3 服裝動(dòng)態(tài)熱阻值的預(yù)測(cè)

隨著動(dòng)態(tài)熱阻數(shù)據(jù)庫(kù)的豐富，學(xué)者們開(kāi)始了動(dòng)、靜態(tài)熱阻關(guān)系的回歸分析，總結(jié)出了動(dòng)態(tài)熱阻預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)、靜態(tài)熱阻之間的直接換算。基于前文的分析，動(dòng)態(tài)熱阻變化規(guī)律受服裝號(hào)型、款式和面料的影響，所以相關(guān)研究是分別針對(duì)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(cè)試了各自在步行(0.3, 0.9 m/s)和有風(fēng)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(duì)風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)的熱阻修正方程。Nilsson等[21]使用暖體假人測(cè)試了9套服裝在有風(fēng)和步行狀態(tài)下的熱阻，并綜合考慮風(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)熱阻，clo；IT為靜態(tài)熱阻，clo；var為相對(duì)人體的風(fēng)速，為0.15～3 m/s；w為步行速度，為0～1.5 m/s。

后來(lái)，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(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)2個(gè)因素，但是當(dāng)無(wú)風(fēng)(var=0.15 m/s)，且人體靜止(w=0)時(shí)，公式(4)計(jì)算所得修正系數(shù)并不為1?；谶@點(diǎn)，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(xiàng)中的常數(shù)項(xiàng)去除，并將風(fēng)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(fēng)，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(fēng)下服裝熱阻的變化，因此，在分析冬季防寒服動(dòng)態(tài)熱阻時(shí)需將面料的透氣性考慮進(jìn)去。Lu等[19]的研究也表明，將透氣性參數(shù)考慮進(jìn)修正公式可提高預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性。

Nilsson等[24-25]測(cè)試了4套透氣性各異的防寒服在有風(fēng)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(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，以風(fēng)速0.4 m/s作為參照風(fēng)速，基于殘差分析，為風(fēng)速增加了二次項(xiàng)，得到了式(7)，將相關(guān)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(fēng)速在0.4～18 m/s的情況，風(fēng)速涉及范圍較廣。為進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)熱阻預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性，Nilsson等[13,24]針對(duì)0.4～1 m/s較小范圍的風(fēng)速展開(kāi)研究，得到式(8)作為較低風(fēng)速下動(dòng)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(guān)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(lái)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(dòng)態(tài)熱阻，clo；IT,R,dressed為正常工作服的動(dòng)態(tài)熱阻，clo。

顯然，式(9)的推導(dǎo)并無(wú)數(shù)據(jù)依據(jù)，準(zhǔn)確性有待考量。Lu等[19]針對(duì)6套輕質(zhì)服裝展開(kāi)研究，設(shè)置了0.15, 1.55, 4 m/s 3組風(fēng)速和0, 0.75, 1.2 m/s 3組步行速度，共9組試驗(yàn)，分析風(fēng)速和人體運(yùn)動(dòng)對(duì)服裝熱阻的交互影響。研究推導(dǎo)出了式(10)(R2=0.93)，并與式(9)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，式(10)比式(9)的預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，所以由這些公式計(jì)算出的動(dòng)態(tài)熱阻預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值不可避免地存在偏差，式(4)、(5)、(8)、(9)雖已被標(biāo)準(zhǔn)化，但也都在標(biāo)準(zhǔn)中給出了偏差范圍。學(xué)者們不斷開(kāi)展研究，在舊公式基礎(chǔ)上總結(jié)新公式就是為了提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

4 研究不足與展望

目前，服裝動(dòng)態(tài)熱阻的研究已取得很大的進(jìn)展，從定性分析動(dòng)態(tài)熱阻的原理及規(guī)律，過(guò)渡到了以數(shù)學(xué)模型的形式表現(xiàn)動(dòng)、靜態(tài)熱阻的關(guān)系，但是，近年來(lái)隨著更廣泛、更深入研究的推進(jìn)，前人研究結(jié)果的不足逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，并呈現(xiàn)出2個(gè)研究趨勢(shì)。

4.1 動(dòng)態(tài)熱阻修正公式的優(yōu)化

目前ISO 9920:2009中的動(dòng)態(tài)熱阻公式都是基于2004年以前的研究數(shù)據(jù)推導(dǎo)而來(lái)，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(yù)測(cè)出的動(dòng)態(tài)熱阻值，其準(zhǔn)確性只能在與前人研究條件類(lèi)似的情況下有所保證。近年，Morrissey等[26]使用SAM假人測(cè)試服裝的動(dòng)態(tài)熱阻，結(jié)果顯著低于基于ISO 9920:2009修正公式的預(yù)測(cè)值。Lu等[19]使用Newton假人進(jìn)行研究，推導(dǎo)出了針對(duì)各類(lèi)服裝動(dòng)態(tài)熱阻的經(jīng)驗(yàn)公式，并將其預(yù)測(cè)結(jié)果與ISO標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)[8,12,27]，標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)值比Lu等[19]的預(yù)測(cè)值更接近實(shí)測(cè)值，而針對(duì)Morrissey等[26]和Lu等[19]的數(shù)據(jù)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏差較大。由此可推斷，隨著暖體假人測(cè)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(lái)。動(dòng)態(tài)熱阻修正公式也應(yīng)隨著測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)而完善。

前人的研究已經(jīng)為人們進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱阻測(cè)試提供了方法上的指導(dǎo)。今后，為了提高修正方程預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，可考慮進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)測(cè)試，在確保使用相同暖體假人，參照同一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充動(dòng)態(tài)熱阻數(shù)據(jù)庫(kù)，基于元分析推導(dǎo)出更具普適性的經(jīng)驗(yàn)公式。另外，鑒于風(fēng)向?qū)σ孪驴臻g影響的差異性，可考慮在公式中增加風(fēng)向這個(gè)變量，探究不同風(fēng)向作用下熱阻變化的差異性。

4.2 局部動(dòng)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(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)的影響存在差異。目前，Body Mapping類(lèi)運(yùn)動(dòng)服的研發(fā)和性能評(píng)價(jià)[28-29]及瞬態(tài)局部熱感覺(jué)和熱舒適性模型的研究[30-31]，都對(duì)局部動(dòng)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(guò)研究人體局部通風(fēng)率在風(fēng)作用下的變化規(guī)律，總結(jié)出胸背部的通風(fēng)率比手臂處大，因而胸背部熱阻受風(fēng)的影響程度大于手臂處的定性結(jié)論。Chang、Gonzalez[35]、Lu等[36]展開(kāi)定量研究，直接測(cè)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(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)熱阻，參照式(10)的形式，改變系數(shù)值，推導(dǎo)出局部動(dòng)態(tài)熱阻的修正公式，相關(guān)系數(shù)都大于0.94，但該修正公式的準(zhǔn)確性和適用性還有待于更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。局部動(dòng)態(tài)熱阻的研究對(duì)于評(píng)價(jià)局部舒適性具有重要意義，也將有利于作業(yè)過(guò)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(kāi)發(fā)。今后，局部動(dòng)態(tài)熱阻的研究還應(yīng)與服裝種類(lèi)相結(jié)合，對(duì)于部位和環(huán)境因素的選擇展開(kāi)更具針對(duì)性的探究，并將研究結(jié)果與局部熱感覺(jué)模型結(jié)合，用于指導(dǎo)特殊功能服裝的研發(fā)。

5 結(jié) 語(yǔ)

服裝動(dòng)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(fēng)和人體運(yùn)動(dòng)作用下服裝熱阻的變化規(guī)律已經(jīng)清晰，動(dòng)態(tài)熱阻值也可直接通過(guò)ISO 9920:2009等標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算獲取，這有助于分析實(shí)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(duì)提高動(dòng)態(tài)熱阻預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和構(gòu)建局部熱阻變化模型的要求。現(xiàn)階段已有的成果和未來(lái)的研究，都將對(duì)于構(gòu)建更接近真實(shí)情況的人體冷熱應(yīng)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576038)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(17ZR1400500)

賴(lài)軍(1962—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士。主要研究方向?yàn)檐娙颂厥猸h(huán)境和崗位專(zhuān)用防護(hù)被裝。E-mail: jxslj302@sina.cn。

10.13475/j.fzxb.20160405407

TS 941.19

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