新世纪国内外测试服装保温性的暖体假人比较

陶 俊,王府梅,聂凤明,罗胜利

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201210)

新世纪国内外测试服装保温性的暖体假人比较

陶 俊1,2,王府梅1,2,聂凤明1,2,罗胜利1,2

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201210)

为模拟人体与环境之间热湿交换，近80年研发出100款“假人”，它是形体和发热、散湿功能类似人体的仪器设备，能够科学地测试评价服装整体的热学性能，可避免真人实验中个体差异的影响，实验精度高，可重复性好，被公认为是服装工效学研究必不可少的手段。主要分析比较最新的几款代表性“假人”的优缺点及之间的差异，研发地有美国、日本、瑞典、韩国和中国，发现可以归为2类，重点比较了一类出汗假人和另一类上装保温仪在测量服装热阻、湿阻之间的差别，以及各自所具有的优势，为测量服装保温性提供新的参考，为中国以后服装工效学研究提出建议。

暖体假人 服装保温性 测试系统 差异性

随着生活水平提高，人们对纺织服装的舒适性和功能性的要求也越来越高，而“假人”作为一种先进的仪器设备，在测量人体、服装与环境之间的热湿交换行为方面有着较高的准确性和重现性，已经被广泛的运用于服装热阻、湿阻的测量以及评价服装的热湿舒适性[1]。

服装层中因温度梯度而产生的热流阻力，称为热阻(m2·℃/W)，其物理意义是服装层两面的温差与垂直通过服装单位面积的热流量之比，反映了服装的隔热保暖能力。服装湿阻(m2·Pa/W)即服装的透湿阻力，指服装层两面的水蒸气压力差与垂直通过服装单位面积的蒸发热流量之比[2]。服装的热阻与湿阻是反应服装的热湿舒适性的重要指标。

1 暖体假人的发展历史

从上个世纪四十年代发展至今，总共有三代暖体假人“假人”，第一代为单段暖体假人系统，诞生于20世纪40年代，其不能反映人体温度分布，且不能活动，只能用于服装热阻的一般测试[3，4]。第二代为多段暖体假人诞生于20世纪60年代，参见图1，可以单独控制每段体表温度和加热系统，且假人本体可以模拟人体的不同姿势，做一些简单运动[5，6]。第二代暖体假人不仅可以满足服装热阻的静态试验，也可以满足动态试验要求。第三代“假人”也叫出汗暖体假人，从20世纪80年代发展至今，可以模拟人体出汗的情况，并可做较复杂的动作，能更真实地、更全面地反映人体、服装和环境的热湿交换过程，对服装的热湿传递性能做出综合评价[7-9]。而我国从1978年起才开始对假人技术进行研究，至今已经成功研制出多种类型的暖体假人，为我国的航空航天事业和纺织事业做出了重要贡献[10]。

图1 多段暖体假人身体结构

目前，“假人”或服装热湿舒适性测试仪器在国内外有多个品种，研发国有美国、丹麦、芬兰、德国、瑞典、日本和中国。不同国家的“假人”之间存在一定差异，研究不同国家“假人”的共同点和差异性，有助于我们认清与国外在技术上的差距，并且为我国的暖体假人发展提供参考。

2 国外暖体“假人”发展现状

2.1 ADAM暖体假人[11]

ADAM 是由美国国家可再生资源实验室和美国西北测试科技公司(MTNW) 于2003年共同研制的新型出汗假人，是当今世界上最先进的测试人体舒适度模型之一。其规格尺寸按照西方男性平均尺寸，由3D电脑建模设计，身高175cm，体重约60kg。

假人体表分为120个独立的区域，每个区域可以独立加热，假人的这些独立的控制热能区域中，所有电子元件有防潮保护措施，但是人体模型不得在水中使用。假人能够快速加热和保持恒温，从加热到稳定的时间在一个小时左右，整个过程采用探针自动窥探身体表面的温度并且用计算机自动控制，直到测试结束。

除此之外，ADAM还拥有126个独立的发汗区，如图2所示，由电脑控制水流分配系统，每个区域自行控制供应的流速和流量。该系统的水流供应使用了一个恒定的外部压力泵接入假人体内。水泵通过一个可快速连接的连接器，连接着模型的内部管道。假人里的每个区域控制器通过控制板上的水流控制阀，调节水流流量。定量的水流被分配到假人的多孔渗水金属皮肤表层，再均匀地扩散到区域的内层，然后通过皮肤表层进行蒸发。

图2 ADAM的分区结构

2.2 暖体假人SAM

SAM是瑞士在2001年研制出来的出汗假人，如图3所示，全身分为30个部位，能够很好的模拟人体的行走、攀爬和出汗，行走速度可达8km/s，出汗速率可以在20ml/h～4000ml/h之间变换，能够测量动态和静态时不同运动强度下服装的热阻和湿阻。

为了能够模拟人体真实的运动，在肩、肘、髋和膝关节处安装了连接机构，可以保证肢体在垂直平面内自由移动，并且每一个肢体都和两轴直线驱动机构相连。

SAM的每一个部位都可以恒定的表面温度或者恒定的功率加热，因此整个身体表面可以根据标准ISO TC 38 WG17进行恒温加热，或者以不同的热功率来模拟人体的各种活动。

图3 SAM的30个身体部位

为了能够模拟不同运动状态下的人体出汗，SAM的身体表面分布有125个出汗孔，SAM主要是用蒸馏水代替汗水，控制阀门安装在SAM 的脸上，用于调节出汗量。假人的表面覆盖有特殊的织物，以确保内部的水在较低的出汗率下蒸发时模拟人体的隐汗，在较高的出汗率下蒸发或者以液体的形式流出时模拟人体的显汗。总的出汗率由SAM体外的供给箱水的减少决定[12]。

2.3 暖体假人NEWTON

“NEWTON”是韩国首尔国立大学人类生态学院和英国拉夫堡大学人体环境工程学研究中心于2003年前后合作开发的暖体假人，假人的身高为175 cm，身体表面积为1.8m2，质量为30 kg，其外壳是由可以热传导的铝与环氧碳复合制成的，系统的构造严格遵守ASTM F 1291和 ISO/DIS 15831标准[13]。

NEWTON的身体由34个独立的区域组成，并且脚踝、膝盖、肩膀、臀部和手肘这十个地方由活动节点连接，可以模拟人体的多种姿势。

假人的身体是由碳复合层里面填充金属铝组成，每个区域的最上层嵌入有加热和温度测量系统，因此，假人采取电加热的方式加热。在稳态条件下，假人的供热量等于给定区域的热损耗，这种结构使每个区域内的热量平均分布并且对外部环境的变化能有更快的响应。假人的皮肤温度设定为34摄氏度左右，比较接近人体的皮肤温度。

假人通过其皮肤表面及皮肤的温度测量显热通量，为了将显热和潜热区分开，假人选择了低发射率的涂层，主要是将薄铝锡纸覆盖在假人表面，如图4(左)。在涂层时用海藻酸钠与水混合使用，这样保证了铝箔和假人身体能够紧密结合，如图4(右上)。测试时，假人被放在一个气候室内，用来提供理想的辐射和环境温度，由于辐射和环境温度相同，假人的热损失可以分为对流散热和辐射散热[14]。

图4 NEWTON的身体表层

2.4 暖体假人JUN

“JUN”是日本2004年研究出来的新型暖体假人，假人的皮肤是由FPR塑料和肉色的磨砂材料做成的，因此皮肤的辐射散热很低，能够很好的模拟人体的运动和出汗，比较精确的测量服装的热阻和湿阻。

假人身体的外部三维结构是根据日本成年男性的平均数据制作的，分成了17个部分。假人的肩部、髋部和膝盖都采用铰链式连接，这保证了他能够行走和坐下。整体来看，假人由两部分组成(核心部分和外壳部分)，核心层主要由头、胸、腹、臀组成，外面的壳覆盖在对应的17个身体部位的外面[15]。

假人采用电阻丝进行加热，采用镍丝测量假人皮肤表面的平均温度。假人的17个身体部分中，每一个部分都可以单独控制来调整假人的热量输出和皮肤温度。当环境温度从18℃～28℃之间变化时，假人的核心部分温度能够保持稳定，并且外壳也可以通过持续加热控制稳定。但是随着外部环境温度的下降，假人四肢的温度也会降低，这能够更加精确的模拟出假人的躯干和四肢在穿衣和暴露在空气中时的温度变化，也可以更加准确的测量假人不同部位衣服的形状和结构的效果。

在假人的皮肤表面每100cm2都会有一个出汗孔，每个孔都通过水管和外部的水泵连接，并且用36℃的蒸馏水代替人体的出汗，其出汗速率在0.02g/min～0.15g/min范围内。假人的表面由针织材料紧紧的覆盖，以此来保证出汗孔中的蒸馏水可以扩散到整个皮肤表面，产生的水蒸气主要通过皮肤下面的精密天平测量。并且外部的显示器可以随时显示假人的表面温度、热消耗量、外部温度和相对湿度、热功率以及服装的热阻(clo)[16]。

2.5 暖体假人KEM[17]

KEM是一个新型的暖体假人，是京都电子制造公司(Kyoto Electoronics Manufacturing)于2004年研究开发的。假人的身体由17个部分组成，在膝盖肩膀手肘等部位都嵌入了可移动关节，几乎可以完成所有的人体姿势。

除此之外，假人身体的每个部分都有出汗孔，出汗速率可以控制在0g/m2～1500 g/m2的较大范围内，可以通过控制系统设定出汗速率为0g/m2～1500 g/m2中的任何一个数值。一般其他的出汗假人都需要额外穿着加湿针织内衣或者透气织物，以使汗液可以在皮肤表面很好的扩散，但是KEM不需要，因为它的表面是由一种厚重的材料做成，具有良好的透气性透湿性，通过控制身体每个部位的活塞滴定管还可以控制不同部位的出汗率测试服装热阻时，服装热阻由皮肤和环境的温度差异以及假人的显热消耗量计算，而在同时传热和传质的情况下，显热通量可以通过总的热通量减去潜热通量计算。

3 国内暖体假人研发情况

3.1 “walter”出汗假人

3.1.1 简介

香港理工大学研制的暖体假人“Walter”是世界上第一台用水和特种织物制作的暖体假人[18]，如图5。由于假人的皮肤采用了含有微孔结构PTEF膜的GORETEX织物制成，因此可以通过更换不同透气性的皮肤来调节假人的出汗速率，从而模拟人体不同部位的出汗分布。同时假人还可以很好的模拟人体的温度分布和步行运动，能够很好的测量服装的热阻和湿阻等参数。

图5 暖体假人walter

3.1.2 测试系统

“Walter”出汗暖体假人的测试系统包括水循环系统，出汗暖体假人行走系统，蒸发用水在线供水系统和数据测量与采集系统[19]。

水循环系统可以将来自外部水箱的水在假人内部的中心部位加热，然后通过水管分配到人体的全身。行走系统可以模拟人体的步行，主要通过在假人的肩部、肘部、臀部、膝盖等部位安装四连杆曲柄控制机构，从而带动手臂和腿的移动，其行走速度可达到4km/h[20]。蒸发用水在线供给系统由计算机监控的电子天平、外部的水箱、水阀和虹吸管路构成，原理则是利用虹吸作用在线供给。数据测量与采集系统由32个温湿度传感器组成，可以很好的监测假人核心温度、皮肤温度及其变化、环境温湿度及其变化、水的蒸发量及其变化，并且可以自动计算出服装的热阻与湿阻。

3.2 LD-1型服装保温仪

LD-1型服装保温仪是东华大学和山东莱州电子仪器有限公司于2014年联合研制服装热阻测试仪，参见图6(c)。仪器的形体类似一个去掉四肢的模特，我们称其为“假体”或上装保温仪，假体前身和后身为二台独立的曲面保温仪，通过调节前后身间的距离实现在一台测试仪器上测量不同尺码的服装，其三围如表1所示[21]。

(a) (b) (c)

三围大小/cm胸围92～102腰围76～86臀围91～101

3.2.2 测试系统

仪器总共分为8块，仪器前后身的中部被设计为试验板，上部、下部以及断臂面被设计为热护板。测试过程中试验板、热护板和底板都恒温在33±0.2℃范围。考虑服装保温性的不均匀性，每一测试板和热护板都被分为2～4区域，每个区域独立测试并独立进行温控如图6(a)、(b)。在假体外围设置2～4个空气层温度传感器，距离假体表面15cm～30cm，用于测试假体周围的空气温度。

仪器的加热系统主要分为实验板和保护板。考虑到羽绒服等纺织品的结构和保温性能不均匀，每个实验板内表面被划分为2～4个区域，各区域分别安装1组温控元件(假体表面温度传感器和加热元件等)使该区域的假体表面温度不超出A±0.1℃范围，其中A可以在30℃～38℃范围内自己设置。而各块保护板内表面被分为1～3个区域，每一区域分别安装一套温控元件，用于控制该区域假体外表面温度不超出A±0.1℃范围，这里的A与实验板中设置的相同。

4 国内外暖体假人的优缺点、适用范围分析

上述服装保温性的测试仪器可分为2类，一类是模拟人的体形和温度、出汗、运动的“假人”；另一类是模拟人的躯干体形和温度、可准确测试不同款式、尺码上装的代表性部位热阻的“假体”。

前者可以很好的模拟人体的温度分布以及出汗情况，可以根据人体的不同运动量调节人体的出汗情况，并可做出较复杂的动作，因而可以测量动态条件下服装的热阻和湿阻，能更真实地、更全面地反映人体、服装和环境的热湿交换过程，对服装的热湿传递性能做出综合评价。对于极地工作服、登山服等特种职业装的测试评价有不可或缺的作用。但是其体形是固定的，只能测量固定尺码的服装，并且仪器结构复杂，制造成本高，使用操作复杂，在服装保温性的市场监管领域普及和推广困难。

在计算服装的热阻和湿阻时，由于假人身体由多段组成，并且每一段的温度有所差异，所以一般会采取并行法或串行法的计算方式。并行算法先计算各个区域的加权平均干热散失量、平均蒸发散湿量，如公式(1)、(2)[2]：

(1)

(2)

串行算法先计算假人各个区域的热阻、湿阻，再区域加权如公式(3)、(4)：

(3)

(4)

式中 ：Rct,p、Ret,p分别为并行法计算的总热阻(m2·℃/W)、总湿阻(m2·Pa/W)；Rct,s、Ret,s分别为串行法计算的总热阻(m2·℃/W)、总湿阻(m2·Pa/W)；A为假人体表面积(m2)；Ts、Ta分别为环境温度、假人表面温度(℃)；Ps、Pa分别为环境水蒸气压、假人表面水蒸气压；Hdi、Hei分别为假人身体各个区域表面积的干热散失量和蒸发散热量；Ai为假人身体各个区域表面积(m2)；i为假人身体各个区域编号(i=1，2， …，n)。

后者在仪器的结构上得到了较大的简化，凡是服装结构容易变化的部位(如开领低、开衩大等)都设计为热护板，避免对服装热阻测试产生影响；同时由于仪器主体分为前胸和后背两部分，通过扩胸可以改变仪器的三围，从而可以测量一定尺寸范围的服装，适用范围更广。但是，该仪器只能测试上装的静态热阻，并且由于不能模拟人体出汗，仪器不能测试服装的湿阻，只能通过单一的热阻测试来评价服装的热舒适性。

在传统的热阻计算方法中，由于服装的面积难以测量或计算，并且同一尺码的服装表面积因款式而变化，所以在使用LD-1服装上装保温仪进行热阻测试时，定义热阻为：人体穿上服装由瞬态传热转变到稳态传热条件下(即纺织品处于稳定的温度梯度条件下)，人体表面和服装外表面的温差与体表单位面积散失的气态热流功率之比(m2·k/w)，该气态热流可能由传导、对流、辐射中的一种或多种形式传递[22]。它直接表示服装对人体单位面积散失的气态热流量的阻碍能力，服装热阻越高，人体单位面积散失的热流量越小。

5 结语

通过比较全球各国测试服装热湿舒适性的“假人”可知，目前国外多数国家“假人”研究重心是模拟人类体温、出汗和运动，越来越接近人的生理行为，其共同点和差异性在于：

(1) 现在的出汗假人都是分段假人，全身至少分为17段，多者分为126段，每一段都可以独立加热和测量温度。而且假人的身体分段越来越细，主要因为人体的温度分布不是均匀的，这样能够更好的模拟人体的体温分布，然后每一段的热阻、湿阻加权计算，使其结果更加接近真实情况。

(2)出汗假人的膝盖、手肘、臀部和肩部基本都安装有能够活动的关节，从而保证了假人能够模拟人体的大部分姿势。如果使假人的手臂或者腿与外部的动力装置连接，那么假人就能够模拟人体的行走，从而可以测量出动态的热阻和湿阻。在这一点上，各个国家的暖体假人基本相同。

(3)各个国家的出汗假人都能够模拟人体的出汗，一般都是以蒸馏水代替人体的出汗，通过水管使外部的蒸馏水流入假人的内部。有的假人是通过假人内部中心的一个总的水泵，将蒸馏水压到假人的全身，从出汗孔渗出皮肤，例如“walter”出汗假人；有的假人则是每一个出汗孔都连接一个水管，可以单独控制每一个出汗孔的出汗量，例如暖体假人“JUN”。

(4)各个国家假人的皮肤各有差别，例如“Walter”采用的是特种织物，NEWTON采用的是铝与环氧碳复合材料，“JUN”采用的是FPR塑料和肉色的磨砂材料。采用这些材料多半考虑“出汗”的需要，对于测试服装时所需的体表温度恒定不能同时顾及，由于材料存在热滞后性，特别是含湿材料的热滞后性会比较大，所以，出汗假人体表温度的实时控制精度有限，这会影响其热阻的测量精度。

(5)LD-1型服装上装保温仪在仪器结构的简化和测试服装尺寸的范围上有一定的优越性，其热阻的计算也避免了服装面积的影响，更加简单灵活。但是其不能测量服装的湿阻和动态热阻，也不能测量成套的服装热阻。因此，下一代的仪器应该在完善现有的功能的基础上，尝试着去模拟人体出汗，使之更加接近人体的生理行为。

[1] 雷中祥,钱晓明.出汗暖体假人的研究现状与发展趋势[J].丝绸,2015,9(52)：32-36.

[2] 刘颖,戴晓群.服装热阻和湿阻的测量与计算[J].检验与测试技术,2014(1)：32-36.

[3]BeldingHS.ProtectionAgainstDryCold[M].Philadelphia:SaundersCo., 1949. 351-367.

[4]WisslerEH.Steady-statetemperaturedistributioninman[J].JournalofAppliedPhysiology, 1961, 16(4): 734-740.

[5]GoldmanRF.Clothingdesignforcomfortandworkperformanceinextremethermalenvironments[J].TransactionsoftheNewYorkAcademyofScience, 1974, 36(6): 531- 544

[6]FonsecaGF.Sectionaldryheattransferpropertiesofclothinginwind[J].TextileResearchJournal, 1975, 45(1): 30-34

[7]TamuraT,TomizawaM.Thermalcontrolsystemforasweatingmanikin[J].JournalofHomeEconomicsofJapan, 1993, 44(8):671-677.

[8]FanJ,ChenYS.Measurementofclothingthermalinsulationandmoisturevaporresistanceusinganovelperspiringfabricthermalmanikin[J].MeasurementScienceandTechnology, 2002, 13(6):1115-1123.

[9] 李俊, 张渭源, 李学东. 暖体出汗假人的研制 [J]. 东华大学学报, 2003, 29(6): 62-65.

[10]倪冰选.假人技术在纺织领域的发展与运用[J].上海纺织科技,2012,9(40)：7-9.

[11]潘进,唐晓宇.美国ADAM暖体假人简介[J].检测与检验,2007(5):27-28.

[12]Dr.MarkG.M,Richards,NiklausG.Mattle.ASweatingAgileThermalManikin(SAM)DevelopedtoTestCompleteClothingSystemsUnderNormalandExtremeConditions[J].RTOHFMSymposium,2001.

[13]王发明,胡锋,周小红,范金土,王善元．“Walter”暖体假人测试服装的热湿传递特性[J]. 现代纺织技术, 2007( 6) :32-34.

[14]Determinationofconvectiveandradiativeheattransfercoefficientsusing34-zonesthermalmanikin:Uncertaintyandreproducibilityevaluation[J].ExperimentalThermalandFluidScience, 2016, 77: 257-264.

[15]TerukoTAMURA.DevelopmentofaTow-LayerMovableSweatingThermalManikin[J].IndustrialHealth, 2006,44:441-444.

[16]HeringAM,WederM,RiccherdsM,MattleN,CamezindM,DerlerS,HuberR.EvaluationofPhysiolosicalPropertiesofMotorcycleSafetyHelmetsUsingaNewSweatingThermalHeadManikin[J].Proceedingsofthe4thInternationalMeetingonThermalManikins, 2001,4.

[17]TakakoFukazawa,GungLee,TakeshiMatsuoka,KiyotsuguKano,YutakaTochihara.Heatandwatervapourtransferofprotectiveclothingsystemsinacoldenvironment,measuredwithanewlydevelopedsweatingthermalmanikin[J].EurJApplPhysiol,2004,92:645-648.

[18]FanJ,ChenY,ZhangWY.APerspiringFabricThermalManikin:ItsDevelopmentandUse[C].ProceedingsoftheFourthInternationalMeetingonThermalManikins,Lechenfeldstrasse,Switzerland:SwissFederalLaboratoriesforMaterialsTestingandResearch,2001:1-6.

[19]QIANXiaoming,FANJintu.Theapplicationandtechnologyofwalkingfabricsweatingthermalmanikin[C].The7thFunctionalTextilesandNanotechnologySymposium,2007.

[20]FANJT,QIANXM.NewfunctionsandapplicationsofWalter,thesweatingfabricmanikin[J].EuropeanJournalofAppliedPhysiology,2004,92( 6) : 641-644.

[21]潘霞,王府梅.新型上装保温仪的稳定性和精确度考查[J].成都纺织高等专科学校学报,2015(4):68-71.

[22]王府梅,陶俊,聂凤明.一种模拟体形的成衣保温仪的热阻计算方法:中国,201610254834.4[P].2016-04-25.

2016-10-12

陶俊(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：服装保暖标准测试方法研究。

王府梅(1958-)，女，博士，教授，博士生导师。

TS941

A

1008-5580(2017)01-0181-06