陶 俊， 王府梅，2， 劉美娜， 羅勝利

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 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；3. 煙臺(tái)南山學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 265713； 4. 廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院， 廣東 廣州 511447)

上裝保溫性能測(cè)試新方法

陶 俊1， 王府梅1，2， 劉美娜3， 羅勝利4

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 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；3. 煙臺(tái)南山學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 265713； 4. 廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院， 廣東 廣州 511447)

為確定服裝保溫性的科學(xué)測(cè)試方法，采用LD-1型服裝保溫儀分別在控制服裝熱阻和環(huán)境溫度的情況下考查了服裝系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間；在環(huán)境條件不變的情況下，考查了穿著方式對(duì)服裝熱阻的影響；在服裝系統(tǒng)不變的情況下，研究了環(huán)境溫濕度對(duì)服裝熱阻的影響。結(jié)果表明：非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間會(huì)隨著服裝熱阻的增大而延長，隨著環(huán)境溫度的降低而延長；在測(cè)量外套類服裝時(shí)，必須內(nèi)著一件標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣以減少“風(fēng)洞效應(yīng)”；并且由于服裝熱阻的測(cè)量值會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而增大，從而影響服裝熱阻測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此所有的測(cè)量必須在接近服裝的使用環(huán)境下進(jìn)行。

服裝保溫性能測(cè)試儀； 非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間； 環(huán)境溫濕度； 服裝熱阻

服裝熱阻是評(píng)價(jià)其保溫或隔熱性能的重要指標(biāo)，大小主要取決于服裝本身(包括服裝材料及材料組合方式、服裝結(jié)構(gòu)如開領(lǐng)高低等)，同時(shí)受外界環(huán)境和穿著方式等多種因素影響[1-3]。服裝熱阻一直采用暖體假人或出汗假人測(cè)試，其能夠模擬人體與環(huán)境之間的熱交換，測(cè)試服裝熱阻和環(huán)境的舒適度[4]。但是，不同尺碼的服裝不能在同一臺(tái)暖體假人上進(jìn)行測(cè)試，這為市場(chǎng)銷售的尺碼大范圍變化的服裝熱阻測(cè)試評(píng)價(jià)帶來不便。針對(duì)這一問題，東華大學(xué)和山東萊州電子儀器有限公司于2014年聯(lián)合研制出LD-1型服裝保溫性能測(cè)試儀，綜合了服裝三維空間結(jié)構(gòu)和材料熱阻測(cè)試條件，大幅簡化了儀器結(jié)構(gòu)，降低了儀器成本，提高了測(cè)試精確度[5]。

本文主要研究基于LD-1型服裝保溫儀的服裝熱阻的科學(xué)測(cè)試方法，包括非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間的確定和測(cè)試步驟、測(cè)試時(shí)服裝試樣的穿著方式、測(cè)試環(huán)境溫濕度設(shè)定等，為改進(jìn)服裝保溫性的國內(nèi)外測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測(cè)試原理

本文中重新定義了服裝的熱阻為：人體穿上合適尺碼的服裝試樣，由非穩(wěn)態(tài)傳熱轉(zhuǎn)變到穩(wěn)態(tài)傳熱以后，人體表面溫度和服裝外側(cè)空氣層溫度的差值同人體表面單位面積散失的氣態(tài)熱流功率之比。該定義避免了服裝表面積的測(cè)量困難及熱阻與服裝款式的關(guān)聯(lián)性，使得熱阻與人體散熱量直接相關(guān)[6]。采用LD-1型服裝保溫儀測(cè)試時(shí)，服裝熱阻R的計(jì)算公式[5]為

(1)

式中：R為服裝熱阻，m2·℃/W；H為穩(wěn)態(tài)傳熱過程中代表人體表面的假體表面前后測(cè)試板散失的總計(jì)功率，W；S為假體表面前后測(cè)試板的總面積，m2；T1為假體試驗(yàn)板的平均溫度，℃；T2為距離假體15～30 cm處空氣層4點(diǎn)平均溫度的平均值，℃；R0為儀器的空體熱阻值，m2·℃/W，即儀器銅殼和內(nèi)部材料以及外部附著空氣層的合計(jì)熱阻。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

本文實(shí)驗(yàn)選擇上海1～3月份自然氣候下的室內(nèi)環(huán)境，環(huán)境溫度為5～20 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為40%～70%(研究溫濕度對(duì)服裝熱阻測(cè)量的影響時(shí)，為了獲得更為顯著的規(guī)律，會(huì)適當(dāng)擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的溫濕度范圍)。為保證每一次測(cè)試的環(huán)境溫濕度相對(duì)穩(wěn)定，60 m2的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不允許其他設(shè)備運(yùn)行，并且緊閉門窗，避免陽光直射，每日環(huán)境溫度高峰的中午和低谷的深夜停止測(cè)試，保證每一次測(cè)試中環(huán)境溫度的變化不超過±0.5 ℃；減少實(shí)驗(yàn)室開門和人員行走引起的隨機(jī)氣流擾動(dòng)對(duì)熱阻產(chǎn)生的影響[7]，并且儀器外圍安裝一個(gè)1.5 m×1.8 m的防風(fēng)罩(類似蚊帳)，防風(fēng)罩內(nèi)風(fēng)速在0.2 m/s以下，風(fēng)速對(duì)熱阻測(cè)試值的影響可忽略不計(jì)。

1.3 試 樣

本文選用的5類服裝試樣均來自勁霸男裝(上海)有限公司，如表1所示。其材料和結(jié)構(gòu)差異都很大，有利于體現(xiàn)各種因素對(duì)測(cè)試方法的影響。每類服裝選取2種不同的型號(hào)或尺碼，每類中不同尺碼試樣的材料和制造方法完全相同，因此可認(rèn)為其設(shè)計(jì)熱阻相同?？紤]服裝在使用和洗滌過程中可能會(huì)損失一些熱阻，因此全部選用未經(jīng)使用的新服裝做實(shí)驗(yàn)。

表1 試樣信息

2 測(cè)試方法討論

根據(jù)ASTM：F2372-11《防寒服等級(jí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》和BS874—11986《保暖性測(cè)試方法》服裝測(cè)試重復(fù)次數(shù)均為3次，因此本文實(shí)驗(yàn)的每種試樣在同等條件下都至少測(cè)試3次。為保證熱阻的準(zhǔn)確性，同一組實(shí)驗(yàn)的著裝方式保持相同[8]。每次測(cè)試前試樣在該環(huán)境下攤開平衡24 h以上。

由測(cè)試原理不難看出，作為測(cè)試方法必須解決下述問題：1)非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間，即假體穿上試樣后經(jīng)過多久才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱；2)如何設(shè)定測(cè)試環(huán)境溫度T2；3)是否需要模擬真實(shí)著裝情況測(cè)試，即對(duì)于外套類試樣，儀器裸體是否需要穿上標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣后再穿試樣測(cè)試；4)數(shù)件衣服組合穿著測(cè)試后，如何計(jì)算單件服裝的熱阻。本文主要針對(duì)這4個(gè)問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和研究討論。

2.1 非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間的確定

測(cè)試前需要預(yù)先給儀器輸入?yún)?shù)“非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t”，儀器使用該時(shí)間以后測(cè)試的物理量來計(jì)算試樣熱阻。判定試樣何時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳熱階段主要依據(jù)濾波后的測(cè)試板熱功率曲線，將熱功率達(dá)到第1個(gè)極小值以后，其連續(xù)60 s內(nèi)波動(dòng)小于0.5 W的時(shí)間點(diǎn)看作穩(wěn)態(tài)傳熱的起點(diǎn)。

2.1.1 測(cè)試板消耗的熱功率曲線特征

儀器控制假體的表面溫度穩(wěn)定在(33±0.2) ℃范圍，測(cè)試板的熱功率曲線形態(tài)如圖1所示。分析了在不同環(huán)境下對(duì)不同服裝試樣測(cè)試的數(shù)百次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：在實(shí)驗(yàn)初始階段，溫度較低的服裝內(nèi)表面快速吸收測(cè)試板提供的熱量，測(cè)試板消耗熱功率迅速增大，達(dá)到最大值Hmax后開始下降，當(dāng)服裝內(nèi)各點(diǎn)溫度都趨于穩(wěn)定時(shí)，測(cè)試板輸出功率達(dá)到極小值，試樣初步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳熱，但未完全進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳熱，將這段時(shí)間稱為劇烈非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t1；之后測(cè)試板輸出熱功率會(huì)略微上升并且逐漸趨于恒定值，試樣內(nèi)各點(diǎn)溫度都達(dá)到穩(wěn)定值，即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳熱，將這段時(shí)間稱為初步穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t2。t1與t2之和總稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t，即儀器服裝系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱所需要的時(shí)間。

圖1 測(cè)試板消耗的熱功率曲線(環(huán)境溫度為8 ℃)Fig.1 Thermal power curve of test panel at 8 ℃

2.1.2 非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間與服裝熱阻的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，儀器服裝系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)時(shí)間與服裝熱阻有關(guān)。在環(huán)境溫度為(20～22)℃范圍內(nèi)，服裝熱阻與劇烈非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t1和非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t的實(shí)驗(yàn)關(guān)系見圖2所示。

圖2 環(huán)境溫度20～22 ℃下不同熱阻服裝的傳熱時(shí)間特征Fig.2 Curves of heat-transferring time changing with different clothing thermal resistance between 20 ℃and 22 ℃

由圖2可知，隨著服裝熱阻的增大，儀器服裝系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間t1和t都在延長。因?yàn)橐话惴b的熱阻越大服裝會(huì)越厚重，上升到相同溫度需要吸收的熱量越多，測(cè)試板供熱時(shí)間也就越長。另外，不同熱阻服裝的熱功率曲線的最大值也不同，這屬于冷暖感問題，與熱阻測(cè)試方法無直接關(guān)系，本文不作過多分析。

2.1.3 非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系

圖3示出同一套服裝系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下測(cè)試的熱功率曲線。比較3種情況下劇烈非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t1和非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t可知，環(huán)境溫度越低，同一件服裝達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱的時(shí)間越長，因此，非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間除與服裝本身的熱阻有關(guān)之外，還與環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí)，“羽絨服+棉針織衫”組合服裝的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間超過了30 min。

圖3 不同環(huán)境溫度下“羽絨服+針織衫”的功率曲線Fig.3 Curves of down jacket with a sweater at different temperature

為進(jìn)一步研究非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系，在8～22 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行了更多的測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，隨著環(huán)境溫度降低，同一件服裝達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱所需要的時(shí)間延長。因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，服裝內(nèi)各點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)需要上升的溫度幅度較大，需要從測(cè)試板吸收的熱量較多，因此測(cè)試板需要延長時(shí)間供熱，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，則正好相反。

所以，測(cè)試方法中儀器服裝系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱所需的時(shí)間，應(yīng)根據(jù)試樣熱阻和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度2個(gè)方面因素確定。服裝熱阻越高，達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)的時(shí)間越長；環(huán)境溫度越低，達(dá)到穩(wěn)定傳熱狀態(tài)的時(shí)間也越長。

圖4 劇烈非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t1和非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t隨環(huán)境溫度的變化Fig.4 Relationship of drastic unsteady heat-transferring time t1 and total unsteady heat-transferring time t changing with ambient temperature. (a) Cotton knitted sweater; (b) Down jacket

2.1.4 非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間的設(shè)定

由以上的實(shí)驗(yàn)分析可知，不同熱阻的服裝達(dá)到穩(wěn)定傳熱所用時(shí)間長短不同，同一件服裝在不同環(huán)境溫度下測(cè)試時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳熱所需的時(shí)間也不同。本文分析了在8～22 ℃的環(huán)境溫度下不同服裝124次實(shí)驗(yàn)的熱功率曲線和溫度曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于熱阻小于1 clo(1 clo=0.155 m2·℃/W)的服裝，無論哪一次實(shí)驗(yàn)，1 800 s后的熱功率曲線和溫度曲線都處在穩(wěn)定不變階段；而對(duì)于熱阻大于1 clo的服裝，如羽絨服和棉衣，當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱所需的時(shí)間就超過了1 800 s，溫度越低則達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱所需時(shí)間越長。

為更好地預(yù)設(shè)非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間，根據(jù)圖2和圖4顯示的線性關(guān)系，利用上述5套試樣在不同環(huán)境下測(cè)試的共計(jì)25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間t與服裝熱阻R、環(huán)境溫度T2間的二元回歸方程為

t=498R-45T2+1 771

(2)

采用上述方程估算出不同熱阻服裝的非穩(wěn)態(tài)時(shí)間，結(jié)果如表2所示，其中不同熱阻服裝應(yīng)該采用的測(cè)試環(huán)境溫度將在2.4節(jié)討論。

表2 不同服裝熱阻和環(huán)境溫度下的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間

所以，對(duì)于熱阻小于1 clo的春秋用服裝，建議服裝保溫儀的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間設(shè)定為30 min；而對(duì)于熱阻大于1 clo的服裝，30 min的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間對(duì)于LD-1型服裝保溫儀是不夠的，需要延長非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間。但是無論何種試樣，測(cè)試完成后，需要核實(shí)預(yù)先給儀器設(shè)置的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間是否足夠，若不夠需要重新設(shè)定。所以，對(duì)于未知熱阻的試樣，為避免重復(fù)測(cè)試，第1次實(shí)驗(yàn)寧可設(shè)定比較長的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間，根據(jù)第1次測(cè)試的熱功率曲線調(diào)整非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間，進(jìn)行第2、3次測(cè)試。儀器的測(cè)試時(shí)間即穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間規(guī)定為儀器服裝系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱后的10 min。

2.2 多層服裝中單件服裝的熱阻計(jì)算

2.2.1 模擬使用中的著裝條件

服裝試樣穿著的合體性、外套試樣內(nèi)是否有內(nèi)衣等測(cè)試條件都會(huì)影響服裝的保溫效果及熱阻測(cè)試值，制定測(cè)試方法的原則應(yīng)該是能夠測(cè)量服裝在使用中的保溫性。所以為剔除影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度的意外因素，若無特殊原因，應(yīng)該在接近使用中的著裝條件下測(cè)試。

關(guān)于服裝的合體性，按照GB/T 1335—2008《服裝號(hào)型男子》規(guī)定的人體與服裝三圍的關(guān)系設(shè)定。此外，為測(cè)得單層試樣的保溫效果，測(cè)試時(shí)兩側(cè)袖子被掛起，結(jié)果如圖5所示。

圖5 LD-1型服裝保溫性能測(cè)試儀Fig.5 LD-1 clothing insulation tester

關(guān)于穿著方式，一般在測(cè)試外套類服裝時(shí)都要內(nèi)穿標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣。因?yàn)楫?dāng)假體不穿內(nèi)衣時(shí)，外套與“假體”之間的空隙比較大，裸體與服裝內(nèi)表面間的空氣層與真實(shí)使用狀態(tài)不同。有風(fēng)時(shí)，氣流會(huì)在試樣內(nèi)表面與假體表面間流動(dòng)，引起“風(fēng)洞效應(yīng)”，服裝的測(cè)試熱阻會(huì)偏小[9]；無風(fēng)或低風(fēng)速時(shí)，服裝與假體表面空隙之間的空氣層保持“靜止”，服裝的測(cè)試熱阻會(huì)偏大。無論哪一種情況，都導(dǎo)致測(cè)量誤差。所以，實(shí)驗(yàn)應(yīng)在接近實(shí)際使用中的著裝條件下進(jìn)行測(cè)試，羽絨服、夾克、風(fēng)衣等外套類服裝應(yīng)該穿著“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣”進(jìn)行測(cè)試，此處的“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣”是指測(cè)試方法規(guī)定使用的已知熱阻的內(nèi)衣。

2.2.2 單件服裝熱阻的2種計(jì)算方法

關(guān)于外套類試樣與“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣”組合測(cè)試后單件外套的熱阻，本文提供了2種計(jì)算公式。

Olesen在1985年提出，多層服裝疊加測(cè)試的總熱阻Rcl(從人體皮膚到服裝外表面的總熱阻，clo)與各單件服裝熱阻Rclei的關(guān)系式為Rcl=ΣRclei[10]，從而有未知外套的熱阻R的計(jì)算公式為

(3)

式中：R組合為外套與“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣”疊加測(cè)試的熱阻；R內(nèi)衣為“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣”熱阻，是已知量。

式(4)為李俊等[11]研究出的多層服裝熱阻的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系式，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)數(shù)件服裝疊加穿著時(shí)，每件服裝的總熱阻大約會(huì)損失20%。

(4)

為考察不同的穿著方式對(duì)服裝熱阻的影響，本文針對(duì)同一款羽絨服的2個(gè)不同尺碼設(shè)計(jì)了2種實(shí)驗(yàn)，第1種實(shí)驗(yàn)為儀器裸體直接穿羽絨服測(cè)試，第2種實(shí)驗(yàn)是羽絨服內(nèi)著棉針織衫測(cè)試，而后分別用上面2個(gè)公式計(jì)算單件服裝熱阻。每種著裝條件下測(cè)試4次，熱阻的平均值和變異系數(shù)如表3所示，測(cè)試環(huán)境溫度為14～17 ℃、相對(duì)濕度為40%～60%、風(fēng)速不超過0.2 m/s。

從表3可看出，不同穿著方式下相同試樣的熱阻測(cè)試值明顯有別，無論哪一種計(jì)算公式下儀器裸體穿羽絨服的熱阻測(cè)試值都更大，說明在0.2 m/s的低風(fēng)速下，裸體測(cè)試時(shí)羽絨服與假體之間的空氣起到保溫作用，增大了服裝熱阻。

因此對(duì)于外套類服裝，若用儀器假體直接穿著服裝測(cè)試，其熱阻測(cè)試值不能反映使用中的服裝熱阻。所以測(cè)試外套類服裝時(shí)應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣組合穿著。

表3 不同著裝方式下的熱阻值

2.3 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣的確定

由2.2小節(jié)的研究內(nèi)容可知，外套類服裝穿著內(nèi)衣測(cè)試時(shí)的熱阻更接近使用情況，但是內(nèi)衣的材質(zhì)和厚薄等因素是否對(duì)外套的熱阻測(cè)試值產(chǎn)生影響還不確定。針對(duì)此問題，本節(jié)設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)：讓S號(hào)羽絨服內(nèi)分別穿著羊毛衫(S號(hào)和M號(hào))、襯衫(S號(hào))、起絨內(nèi)衣(S號(hào))和棉針織衫(S號(hào))，測(cè)試組合服裝系統(tǒng)的傳熱指標(biāo)，分別用公式(3)和(4)計(jì)算羽絨服的熱阻，每一著裝條件下10次測(cè)試的平均熱阻和變異系數(shù)如表4所示，測(cè)試環(huán)境溫度為16～18 ℃、相對(duì)濕度為43%～58%、風(fēng)速低于0.2 m/s。

表4 不同內(nèi)衣組合測(cè)試的同一件羽絨服熱阻

分析表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在公式(3)計(jì)算下羽絨服的熱阻在1.503～1.583 clo之間，變異系數(shù)在2.8%～4.8%之間；而在公式(4)計(jì)算下羽絨服的熱阻在1.610～1.659之間，變異系數(shù)在2.8%～4.5%之間。說明穿著不同的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣測(cè)試后的羽絨服熱阻值差異不大，并且測(cè)試結(jié)果很穩(wěn)定。下面對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣下的羽絨服熱阻測(cè)試值的差異進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表5所示。

由表5數(shù)據(jù)可知，在99%置信區(qū)間下，所有內(nèi)衣對(duì)應(yīng)的羽絨服熱阻測(cè)試值不存在顯著性差異，即認(rèn)為無論用哪一種內(nèi)衣作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣測(cè)得外套的熱阻都沒差異。但是，在95%的置信區(qū)間下，假體穿起絨內(nèi)衣或棉針織衫與穿羊毛衫(S)測(cè)試的羽絨服熱阻間存在顯著性差異，而與穿相同羊毛衫(M)測(cè)試的羽絨服熱阻間又沒顯著性差異，這應(yīng)該是未能嚴(yán)格控制的環(huán)境溫濕度導(dǎo)致的結(jié)果，因此，可認(rèn)為內(nèi)衣材質(zhì)、厚薄等對(duì)組合測(cè)試中外套的熱阻無顯著性影響。

表5 不同內(nèi)衣下羽絨服熱阻測(cè)試值差異的顯著性檢驗(yàn)

注t*≤2.896 5時(shí)，在99%的置信度下無顯著性差異；t*≤2.306 0時(shí)，在95%的置信度下無顯著性差異。

因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)不能完全控制環(huán)境溫濕度條件，上述羽絨服與不同內(nèi)衣組合的測(cè)試結(jié)果比較中難免混雜有環(huán)境溫濕度的影響。但無論如何，從整體情況看，內(nèi)衣材質(zhì)和厚薄對(duì)外套熱阻測(cè)試值的影響不大。所以測(cè)試方法中規(guī)定某一種或數(shù)種內(nèi)衣為“標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣”，與外套類服裝組合測(cè)試傳熱指標(biāo)，再用公式計(jì)算外套熱阻是可行、可靠的方法。

2.4 測(cè)試環(huán)境溫濕度的選定

試樣熱阻是傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3散熱途徑的合計(jì)效果。根據(jù)基礎(chǔ)論著報(bào)道的材料物理性能參數(shù)，在人類通常經(jīng)歷的環(huán)境溫度范圍，纖維傳導(dǎo)性能并無明顯變化。但是，服裝試樣的對(duì)流散熱、輻射散熱對(duì)大氣環(huán)境溫濕度的依存度很高，隨著服裝內(nèi)外溫差變大，纖維集合體的滲流散熱(空氣通過纖維間、紗線間、服裝接縫間等孔隙流動(dòng))和輻射散熱會(huì)明顯增大。所以，保溫性測(cè)試時(shí)必須考查環(huán)境溫濕度、風(fēng)速對(duì)服裝熱阻的影響。

2.4.1 空體熱阻與環(huán)境溫濕度的關(guān)系

表6示出2016年2-5月時(shí)間段內(nèi)隨機(jī)抽查儀器空體熱阻的20次測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由變異系數(shù)可看出，環(huán)境溫度、相對(duì)濕度在較大范圍變化時(shí)空體熱阻的變化很小，即空體熱阻與環(huán)境溫濕度無關(guān)。因?yàn)榧袤w外殼材料是紫銅，內(nèi)部元件材料不吸濕，假體的熱性能不受環(huán)境溫濕度影響。

2.4.2 服裝熱阻與環(huán)境溫濕度的關(guān)系

在風(fēng)速低于0.2 m/s，相對(duì)濕度控制在40%～60%但溫度不同的環(huán)境下，對(duì)2種尺碼的羽絨服和棉針織衫共進(jìn)行了96次熱阻測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。每次實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度波動(dòng)﹤±0.5 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度波動(dòng)﹤±3%，測(cè)試前服裝試樣在所考查的環(huán)境中攤開平衡24 h以上。

表6 儀器空體熱阻與對(duì)應(yīng)環(huán)境條件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 羽絨服內(nèi)著棉針織衫熱阻與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship of clothing thermal resistance and ambient temperature

從圖6可看出，2種型號(hào)的羽絨服和棉針織衫疊加的總熱阻與環(huán)境溫度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，測(cè)得熱阻隨著環(huán)境溫度的升高而增大，S號(hào)羽絨服熱阻與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)r=0.88，XL號(hào)羽絨服與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)r=0.87。

因?yàn)闆]有人工氣候室，環(huán)境溫度和相對(duì)濕度會(huì)交叉影響熱阻測(cè)試。為避開溫度影響分析相對(duì)濕度的影響，圖7示出了分區(qū)間標(biāo)記不同環(huán)境溫度范圍的測(cè)試值，并且在95%的置信度下對(duì)每個(gè)溫度段的熱阻和相對(duì)濕度的線性相關(guān)性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)在所有溫度段，熱阻與相對(duì)濕度的關(guān)系都不顯著，無論在哪一個(gè)溫度范圍，羽絨服內(nèi)著針織衫的總熱阻隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化都沒有明顯的規(guī)律性，呈現(xiàn)出較大的隨機(jī)波動(dòng)。這說明在本實(shí)驗(yàn)的環(huán)境相對(duì)濕度45%～76%范圍，服裝熱阻隨環(huán)境濕度的變化規(guī)律性并不明顯。但是由于纖維吸濕量會(huì)引起保溫性能的變化，環(huán)境濕度對(duì)服裝熱阻測(cè)試值的影響不可避免。所以，應(yīng)該在接近使用環(huán)境下測(cè)試，才能給出有實(shí)用價(jià)值的服裝熱阻。

圖7 羽絨服內(nèi)著針織衫熱阻與環(huán)境相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.7 Relationship between clothing thermal resistance and relative humidity

2.4.3 理想測(cè)試環(huán)境溫度討論

前面實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)境溫度對(duì)服裝熱阻有顯著影響，應(yīng)該在接近使用環(huán)境下測(cè)試才能得出應(yīng)用中的真實(shí)保溫性。所以，如何確定測(cè)試環(huán)境溫濕度是測(cè)試方法研究必須解答的另一問題。下面對(duì)不同熱阻服裝應(yīng)該采用的環(huán)境溫度進(jìn)行分析。

由克羅值定義可知，在環(huán)境溫度為21 ℃、相對(duì)濕度50%、風(fēng)速小于0.2 m/s的環(huán)境下，體重為65 kg、身高為170 mm的標(biāo)準(zhǔn)在靜止?fàn)顟B(tài)或輕微活動(dòng)(閱讀或散步)條件下感覺舒適時(shí)的體表單位面積散熱功率為58.14 W/m2[12]，稱此散熱功率的人為標(biāo)準(zhǔn)人。接近使用環(huán)境是指，在該環(huán)境下測(cè)試時(shí)假體單位面積散熱功率應(yīng)該接近標(biāo)準(zhǔn)人的單位面積散熱功率58.14 W/m2。采用LD-1型服裝保溫儀測(cè)試時(shí)，理想測(cè)試環(huán)境應(yīng)該滿足H/S≈58.14 W/m2，其中測(cè)試板面積S為0.267 3 m2，算得H應(yīng)等于15.54 W。

此處只考慮環(huán)境相對(duì)濕度50%左右、風(fēng)速低于0.2 m/s的情況，由公式(1)可導(dǎo)出服裝保溫性的理想測(cè)試環(huán)境溫度T2的計(jì)算公式如下：

(5)

式中：假體表面溫度T1=33 ℃；R為服裝試樣熱阻，m2·℃/W；空體熱阻R0=0.074 m2·℃/W。

依據(jù)式(5)，計(jì)算出不同季節(jié)、不同保溫性能服裝熱阻的理想測(cè)試環(huán)境溫度，結(jié)果如表7所示，對(duì)應(yīng)的環(huán)境相對(duì)濕度為50%左右、風(fēng)速小于0.2 m/s?？紤]實(shí)施的可行性，我們給出了建議使用的環(huán)境溫度。若風(fēng)速提高則測(cè)試環(huán)境溫度應(yīng)進(jìn)一步提高，風(fēng)速和環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)服裝保溫性能的影響有待今后在人工氣候下研究。

表7 不同保溫性能服裝的理想測(cè)試環(huán)境溫度

3 結(jié) 論

1)對(duì)于外套類服裝，儀器裸體直接穿著服裝測(cè)試的熱阻值不能反映服裝的真實(shí)熱阻，應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣組合穿著進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試后從組合服裝的總熱阻中減去標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣的熱阻可得外套類試樣的熱阻。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)衣的材質(zhì)、熱阻大小對(duì)外套類服裝熱阻的測(cè)試結(jié)果沒有影響。

2)環(huán)境溫濕度對(duì)儀器的空體熱阻沒有影響，但是，對(duì)服裝的熱阻測(cè)試值有明顯影響：隨著環(huán)境溫度的升高，服裝的熱阻測(cè)量值會(huì)增大；由于本實(shí)驗(yàn)的相對(duì)濕度變化范圍小，沒有看出服裝熱阻對(duì)相對(duì)濕度的依賴性，但因纖維吸濕量會(huì)引起傳熱性能的變化，環(huán)境濕度對(duì)服裝熱阻的測(cè)試值影響不可避免。所以，應(yīng)該在接近使用環(huán)境下測(cè)量服裝的保溫性。

3)服裝的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間與其熱阻和環(huán)境溫度高度相關(guān)，服裝熱阻越大，保溫測(cè)試初期的非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間越長；環(huán)境溫度越低，保溫測(cè)試所經(jīng)歷的非穩(wěn)態(tài)時(shí)間越長。對(duì)于可估測(cè)出大致熱阻的服裝試樣，先確定所需的測(cè)試環(huán)境溫度，再預(yù)測(cè)非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間，輸入儀器開始測(cè)試，但是，無論何種試樣，測(cè)試結(jié)束后都要檢驗(yàn)其非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間是否足夠。

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Novel test method of clothing thermal insulation performance

TAO Jun1, WANG Fumei1,2, LIU Meina3, LUO Shengli4

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 3.YantaiNanshanUniversity,Yantai,Shandong265713,China; 4.GuangzhouFiberProductInspectionandResearchInstitute,Guangzhou,Guangdong511447,China)

In order to determine a scientific test method of clothing thermal insulation performance, based on the LD-1 clothing insulation tester, the unsteady heat-transferring time of the clothing system was studied under the conditions of the control of the clothing thermal resistance and environment temperature. Under the constant environment conditions, the influence of dressing way on the clothing thermal resistance was studied; and under the constant clothing system, the influence of the environment temperature and humidity on the clothing thermal resistance was studied. The experimental results show that the unsteady heat-transferring time prolongs along with the increase of the clothing thermal resistance, and prolongs along with the decrease of the ambient temperature. When testing the coat type clothing, it is necessary to wear a standard underwear to reduce the wind tunnel effect. With the increase of ambient temperature, the measurement value of clothing thermal resistance will increase, which will affect the measurement accuracy of the clothing thermal resistance, thus all measurements must be carried out under conditions close to the clothing use environment close.

clothing insulation tester; unsteady heat transferring time; temperature and humidity; clothing thermal insulation

10.13475/j.fzxb.20160607008

2016-06-27

2017-01-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51673036)；國家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目(2016QK035)

陶俊(1991—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)榉b上裝的保暖性測(cè)試。王府梅，通信作者，E-mail：wfumei@dhu.edu.cn。

TS 107

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