衣下间隙对织物系统热湿阻的影响

张昭华， 翟世瑾， 尹思源

(1. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051；2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

衣下间隙对织物系统热湿阻的影响

张昭华1,2， 翟世瑾1， 尹思源1

(1. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051；2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

为研究人体皮肤与织物之间存在的衣下间隙对织物系统传热透湿性能的影响，利用出汗热平板仪测试织物系统的热阻和湿阻，并通过在热板与织物之间放置不同厚度的分隔板来模拟衣下间隙厚度，实现了定量测试皮肤—衣下间隙—织物之间的热湿传递。实验结果证明：织物系统的热阻和湿阻先随衣下间隙厚度的增大而增加，但在衣下间隙达到12 mm时出现下降，随后又进一步增加；虽然织物厚度影响着织物系统的热阻与湿阻，但衣下间隙对织物系统热湿阻的影响更为显著。综合服装的合体美观与舒适保暖性能，建议防寒类服装设计采用胸围放松量6～8 cm之间为宜。本研究有助于理解服装宽松量设计与服装隔热透湿性能之间的相互关系，对服装产品的舒适设计有指导意义。

织物系统； 热阻； 湿阻； 衣下间隙； 出汗平板仪

衣下间隙是位于人体皮肤与服装之间的空气层，集中体现着服装设计的2个方面：服装款式设计及热功能设计。不同款式的服装造就不同的立体形态，在人体与服装之间形成具有不同衣下间隙的服装合体风格[1-2]；同时，衣下间隙在人体皮肤与服装之间所形成的静止空气层具有较好的隔热性能，在外环境有风的条件下，还有利于服装的通风散热效能。Chen等[3]研究了服装合体性对服装热阻的影响发现，服装的热阻和湿阻都随着衣下间隙的增大而增加，并在衣下间隙1 cm时达到最大值；Havenith[4]的研究表明站在或坐在有风的环境中，紧身服装的热阻值比宽松服装要低 6%～31%。近年来，衣下间隙分布与服装热防护性能之间的关系越来越受到研究者的关注。Young Kim等[5]采用三维人体扫描仪分别对裸体以及穿着防护服后的火人进行扫描，结果发现人体表面的烧伤严重程度随空气层厚度的降低而增加。Tannie Mah等[6-7]通过三维人体扫描仪测量了女性燃烧假人与防护服之间的空气层大小和分布，结果表明服装的款式和合体性影响防护性能，女性的某些部位更易受到烧伤伤害。这些研究表明衣下间隙影响着服装的传热透湿性能及热防护性能，是服装热功能设计不可缺少的重要因素。

在由人体皮肤—衣下间隙—织物所构成的织物系统热湿传递中，评价其整体隔热透湿性能最重要的指标之一是织物系统的热湿阻，分析其影响因素并建立预测模型且受到研究者的关注。一些研究者通过大量实验分析具有不同厚度、透气率、线密度、面密度的纺织材料，结果发现织物厚度是影响织物热湿阻的最重要因素，随着织物厚度的增大，织物热阻和湿阻也线性增加[8-9]。随后，研究者们通过实验及理论模拟等方法，进一步探讨衣下间隙对服装系统热湿传递性能的影响。Farnworth等[10]通过实验证明，在典型的情况下，当两加热表面的温度梯度为 5 ℃，间隙厚度小于13 mm时，两表面间的传热应按导热处理，超过此范围将会出现自然对流。Dan等[11-12]建立了模拟皮肤—衣下间隙—织物—环境间热湿传递的数学模型，并应用该数学模型系统分析了环境条件、面料性能、空气层等因素对织物系统热阻和湿阻的影响。以往的研究成果已证明衣下间隙对服装系统热湿传递性能的重要作用，然而在实验室内模拟不同衣下间隙厚度，并定量测试其对织物系统热湿阻的影响还鲜见报道。本文研究通过构造人体皮肤与织物之间不同的衣下间隙厚度，利用出汗热平板仪实现定量测试织物系统的热阻和湿阻，从而分析衣下间隙对织物系统热湿传递的影响规律。

1 实验部分

1.1 材 料

实验选用了5种具有不同厚度及透气率的织物，详细信息如表1所示。其中织物1#与5#厚度不同，但透气率相近；而织物2#、3#与4#厚度相同，但透气率不同。每种织物均被切割成3块50 cm×50 cm大小的试样，并预先放置于人工气候舱内((25±0.5) ℃,(65±4)%,(1±0.1) m/s)24 h进行调温调湿处理。

表1 织物规格参数表Tab.1 Fabric specification parameters

1.2 实验装置

1.2.1 衣下间隙分隔板

为模拟人体皮肤与织物之间的衣下间隙，采用隔热性能良好的亚克力板，如图1所示的模拟衣下间隙分隔板，其厚度每隔3 mm递增，从而模拟3、6、9、12和15 mm的衣下间隙。隔板的大小与面料一致，为50 cm×50 cm，中间掏空，四周留边5 cm，构成了用于模拟衣下间隙的分隔板。

实验测试过程中，为防止面料因自重产生下垂影响实际的衣下间隙大小，分隔板边缘规律排列小孔，并用强力尼龙编制网格承托面料，保障系统稳定的衣下间隙厚度且不影响实验操作及数据测量。测试时，将待测面料用透明胶粘附于分隔板之上，防止热量从分隔板的四周散失，每种面料在每种衣下间隙厚度下均重复测量3次。

1.2.2 出汗热板仪

实验采用出汗热平板仪(美国西北测试技术公司，SGHP 306-200/400)测试织物系统的热阻和湿阻。该平板仪由人工气候箱、测试板、防护板组成，测试板可模拟人体皮肤温度和出汗，防护板用于防止热量从底部及侧面损失。

实验构造了测试板—衣下间隙隔板—织物系统来模拟人体皮肤—衣下空气—织物间的热湿传递过程，整个系统如图2所示。人工气候箱可模拟不同的外界环境温湿度及风速条件。

1.3 测试方法

在测试织物热阻时，根据ASTM F186—2002《用出汗热平板仪测试服装材料热阻和湿阻的标准测试方法》，热板的温度控制在(35±0.5) ℃，环境舱内的温度控制在(25±0.5) ℃，湿度(65±4)%，风速(1±0.1) m/s，则织物的总热阻可通过下式得出：

Rct=(Ts-Ta)A/Hc

式中：Rct为织物与边界空气层总热阻，℃·m2/W；Ts为热板表面温度,℃；Ta为环境温度，℃；A为平板仪实际测试面积,m2；Hc为消耗的功，W。

湿阻测试采用等温湿阻测试方法，消除了干性散热的影响。该方法要求热板和环境舱温度控制在(35±0.5) ℃，湿度(40±4)%，风速(1±0.1)m/s，则织物的总湿阻可通过下式得出：

式中：Ret为织物与边界空气层总湿阻,kPa·m2/W;Ps为热板表面的水蒸气压,kPa；Pa为环境的水蒸气压,kPa；A为平板仪测试面积,m2；HE为湿传递所消耗的功,W。

织物的有效热阻与有效湿阻为排除了边界空气层影响后的值：

Rcf=Rct-Rco

Ref=Ret-Reo

式中：Rcf为织物的有效热阻,℃·m2/W；Rco为边界空气层的热阻,℃·m2/W；Ref为织物的有效湿阻,kPa·m2/W；Reo为边界空气层的湿阻,kPa·m2/W。

1.4 数据分析

实验数据的统计分析与制图使用Origin 9.0 完成，一元线性回归拟合用于分析衣下间隙厚度与织物的有效热阻和湿阻间的相互关系，在显著性水平p< 0.05下，表明有显著的线性相关性。

2 分析与讨论

2.1 热阻分析

当衣下间隙厚度从0增加到15 mm时，实验测试的各织物系统有效热阻如图3所示。

1)当衣下间隙厚度不大于9 mm时，织物系统的有效热阻随着衣下间隙增加而增大。在不存在衣下间隙时，较厚的织物其热阻值也较大。当衣下间隙厚度逐渐增加到9 mm时，5种织物系统的有效热阻都随着衣下间隙的增大而显著增加，这说明在人体皮肤与服装之间增加间隙量可有效提高服装的热阻，体现了静止空气层所发挥的优良隔热性能。一元线性回归分析的结果如图4所示，织物系统热阻与衣下间隙厚度之间有显著的线性相关性(调整R2=0.9, 皮尔逊相关系数r=0.94,p<0.01)，回归方程可表示为

y=0.022 4+0.017 2x

式中：y为织物系统的有效热阻，℃·m2/W；x为衣下间隙厚度，mm。

2)当衣下间隙厚度增加到12mm时，织物系统的有效热阻开始减小。随衣下间隙的进一步增大，实验测试发现当衣下间隙达到12mm时，织物系统的有效热阻开始下降。为检验衣下间隙之内是否出现了自然对流，有必要从理论上分析空气传热系数。实验模拟的衣下间隙可认为是水平封闭腔体，根据传热学原理，判断衣下间隙内是否出现自然对流取决于瑞利数Ra，当瑞利数小于临界值1 700时，浮力克服不了黏性阻力，腔体内不存在自然对流[13]；否则会出现自然对流，瑞利数Ra可表示为

Ra=gβ(Ts-Tin)L3/αγ

式中：β为流体的容积膨胀系数，1/℃；L为衣下间隙厚度，m；Ts和Tin分别为热板与织物内表面的温度，℃；g为重力加速度，m/s2；α和γ分别为热扩散率和运动黏度，m2/s。

在本文实验条件下，当模拟皮肤温度35 ℃，环境温度25 ℃，衣下间隙12mm时，计算所得的瑞利数Ra为1 724，表明衣下间隙内出现了自然对流。自然对流的出现增加了通过织物系统的散热量，导致织物系统热阻的下降。可见，在存在衣下间隙的条件下，织物系统热阻由逐渐增大到开始下降的临界点为衣下间隙12 mm处，此时，热量通过衣下间隙的传递方式也从导热转变为自然对流。

3)在存在衣下间隙的情况下，织物厚度对织物系统有效热阻的影响变得不显著。织物热阻与织物厚度之间存在显著的线性相关性，较厚的织物一般热阻值也较大，如表2所示。然而在皮肤与服装之间存在衣下间隙时，衣下间隙厚度对织物系统热阻的影响更加显著。如表2所示，织物5#的厚度为2.488 mm，织物1#的厚度为0.431 mm，因此织物5#的厚度比织物1#大82.7%，在不存在衣下间隙时，织物5#的热阻比1#增大了63.6%，说明织物厚度对热阻有显著影响。但当加入9 mm的衣下间隙时，织物系统5#比1#的热阻只增大了18%，表明空气层的加入弱化了织物厚度本身对热阻的影响。

表2 织物热阻的变化Tab.2 Change of fabric thermal insulation

当加入衣下间隙时，织物系统的热阻显著增加，以2#织物为例，当加入3 mm的衣下间隙时，织物系统的热阻增加了49.5%；加入6 mm的衣下间隙时，织物系统热阻增加了84.4%。从以上分析可看出，在存在衣下间隙的情况下，间隙厚度对织物系统热阻的影响大于织物厚度的影响，因此，在人体实际着装的条件下，服装宽松量的设计(衣下间隙)对服装系统的热阻有重要作用。

4) 织物透气率对织物系统有效热阻的影响不如织物厚度显著。织物3#， 4#， 2#的厚度相同，但透气率逐渐增大，此3种织物在不同衣下间隙时的织物系统有效热阻如图5所示。当衣下间隙厚度为0时，织物的有效热阻随着透气率的增加而增大，与3#织物相比， 2#织物的透气率增加了63.7%，而热阻仅增加了34.7%，可见其影响不如织物厚度显著。在Dan Ding等[12]的数值模拟中认为，当织物的孔隙率增加68.4%时，织物的热阻增加了23.5%，该研究结果同样证实了孔隙率与热阻之间的线性关系，与本研究结果一致。由于孔隙率与织物密度都与织物内存储的静止空气量有关，因此，孔隙率与密度越大的织物，空气含量越大，则热阻越高。

当衣下间隙逐渐增加到12 mm时，织物透气率几乎对热阻没有影响，特别是在15 mm的衣下间隙时，透气率最大的2#织物，热阻最小，这与衣下间隙内的空气流动有关，透气率大的面料更易与外界进行热交换，造成热阻的减小。

2.2 湿阻分析

实验采取了等温模式测试湿阻，从而排除了干性散热的影响，可分析衣下间隙对人体蒸发散热的影响。图6示出不同衣下间隙时织物系统的有效湿阻。

1)随着衣下间隙的增加，有效湿阻逐渐增大，但当衣下间隙达到12 mm时，湿阻下降。

织物系统湿阻与衣下间隙厚度之间的关系与热阻的变化规律一致，织物系统湿阻开始下降的临界厚度也是12 mm。由图6可看出，当衣下间隙厚度由0增大到9 mm时，5种织物系统的有效湿阻都随之增加。此时衣下间隙内的空气相对静止时，水蒸汽通过衣下间隙以分子扩散的潜热方式传递。当衣下间隙增加到12 mm时，自然对流的出现使得水蒸汽的传递方式从分子扩散演变为对流传质，通过衣下间隙的蒸发散热增加，湿阻减小。

进一步绘制散点图并作一元线性回归分析，如图7所示。可发现织物系统湿阻与衣下间隙厚度之间有显著的线性相关性(调整R2=0.82，皮尔逊相关系数r=0.91,p<0.01)，二者之间的回归方程可表示为

y=8.017 5+1.702 4x

式中：y为织物系统的有效湿阻，kPa·m2·W-1；x为空气层厚度，mm。

当空气层进一步增加到15mm时，热阻和湿阻的实验结果均再次增加，且超过了空气层9mm时的实验值。其可能的原因是，虽然空气自然流动增加了热板向织物的传热量，但由于实验装置较好的封闭性，更大的衣下间隙仍然构成较大的传热阻力，未来的实验可进一步加大衣下间隙厚度，从而观察热阻和湿阻的变化情况。由于目前相关文献还未涉及如此大的衣下间隙厚度，这一现象还未见相关文献报道，有待于进一步的实验校验。

2)织物厚度对织物系统有效湿阻的影响小于衣下间隙厚度的影响。

与热阻类似，在存在衣下间隙的情况下，织物厚度对织物系统湿阻的影响小于不存在衣下间隙的情况。由表3中数据可计算出，织物5#比1#的厚度大82.7%，在不存在衣下间隙时，织物5#的湿阻比织物1#相应大63%。然而当衣下间隙为9mm时，织物5#的湿阻比织物1#大17%，可见在加入了衣下间隙后，织物厚度对织物系统湿阻的影响作用减小。

相应的，对同一织物而言，存在衣下间隙可显著增加织物系统的湿阻。以2#织物为例，当加入3mm的衣下间隙时，织物系统湿阻增加了2.8倍；加入6mm的衣下间隙时，织物系统湿阻增加了4.3倍。可见，衣下间隙厚度的设计对服装系统的湿阻也有重要影响。

3) 织物透气率与织物系统有效湿阻的关系。

国内外的相关研究发现[12-14]，织物湿阻与透气性之间呈负相关关系，透气性越大的织物，湿阻越小。但在本文的研究中，受限于样本容量的制约，未能发现织物透气率与湿阻间的线性关系。然而织物透气率在服装的热湿舒适性中仍起到重要作用：一方面它是设计防风保暖服装的重要指标；另一方面，为有助于人体汗液的蒸发，适当增加织物的透气率有利于减少湿阻，保持人体皮肤干燥。

表3 织物湿阻的变化Tab.3 Change of fabric evaporative insulation

3 结 论

本文的研究基于出汗热平板仪测试原理，通过在热板与织物之间增加衣下间隙分隔板，模拟了人体皮肤—衣下间隙—织物之间的热湿传递过程，实现了定量测量与分析衣下间隙对织物系统热湿阻的影响。

实验结果表明，织物系统的热阻与湿阻都随着衣下间隙的增加而逐渐增大，在皮肤与织物之间增加3 mm的空气层，可提高织物系统的热湿阻1倍以上，但是衣下间隙与织物系统热湿阻的关系并非完全线性增长的，当衣下间隙增大到12 mm时，由于自然对流的出现，织物系统的热湿阻反而下降。纺织科学的相关研究已经证明，织物热阻与织物厚度之间有显著的线性相关性，但本实验结论表明，在存在衣下间隙的情况下，织物厚度对热湿阻的影响不如衣下间隙的影响作用显著。这一研究成果对服装设计有现实的指导意义，在设计防寒保暖类的防护服装时，不仅要考虑织物本身的厚度性能，还要考虑服装的合体性，即宽松量设计。假设人体为一圆柱体，则衣下间隙量×2π为服装的宽松量。综合服装保暖性与合体美观性的双重要求，建议采用衣下间隙量10～12 mm，对应于服装的胸围松量在6～8 cm之间。

值得注意的是，本文的实验所模拟的衣下间隙是一个封闭的水平空间，而在实际着装条件下，人体直立或坐姿，衣下间隙也并非完全的封闭体，领口、袖口、下摆等处的服装自然开口会产生烟囱效应，在外界风速较大的时候，还有鼓风效应，这些因素可能会对实验结果产生一定的影响。未来的研究建议针对实际服装，采用出汗暖体假人，改变环境温湿度及风速，进一步深入探讨人体实际着装条件下，衣下间隙对服装系统热湿阻的影响。

FZXB

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Influence of air gaps on thermal and evaporative resistances of fabric system

ZHANG Zhaohua1,2, ZHAI Shijin1, YIN Siyuan1

(1. Fashion·Art Design Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 200051, China)

To investigate the effect of air gaps located between human skin and fabric on the heat and moisture transfer properties of fabric system, the sweating hot plate was used to test the thermal insulation and evaporative insulation of fabric. The research used a spacer with different thicknesses to simulate different air gaps, in such way, the heat and moisture transfer through human skin-air gap of the fabric was quantitively tested. The experimental results show that the thermal insulation and evaporative insulation of fabric system increase with the air gap firstly, and then disease when the air gap reaches 12 mm, after that they increase again. Although the fabric thickness influences the thermal insulation and evaporative insulation of the fabric system, the experiment proves that the influence is more significant for air gap under clothing. Taking into account of the fit and warm properties of clothing, the allowance of chest for cold protective clothing is suggested to be 6-8 cm. This paper is helpful to understand the relationship between clothing ease design and heat transfer property, which provides an instruction to clothing comfort design.

fabric system; thermal insulation; evaporative insulation; air gap; sweating hot plate

10.13475/j.fzxb.20150403307

2015-04-17

2016-02-04

高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20130075120008)；中央高校基本科研业务资助项目(16D110709)

张昭华(1977—)，女，副教授，博士。主要研究方向为服装舒适性与功能。E-mail: zhangzhaohua@dhu.edu.cn。

TS 941.16

A