矿工服湿润程度对其热阻的影响

杨恩慧， 刘何清， 唐 炫， 柳光磊， 夏卫东

(湖南科技大学资源环境与安全工程学院， 湘潭 411201)

1 引言

空气温度、相对湿度、平均辐射温度和空气流速4 个环境因素以及人体新陈代谢、衣物的热阻是影响人体热舒适的重要因素[1]。 矿井工人处于由井下空气、工作服装及人体构成的气候环境中，矿工服是人体与环境进行热湿传递的重要媒介，大量的汗液导致矿工服被润湿，汗液会破坏棉纤维。 由于矿工作业的特殊性，矿工服被浸湿后并不能及时更换，停止工作后吸收了汗液的工作服会使人体感到凉意，进入低温的新鲜风流巷道内会感到格外寒冷。 其原因是服装潮湿导致热导率增加，服装的热阻发生了改变[2]。 潮湿服装会严重影响服装穿着舒适性能，且皮肤长时间处于湿冷状态，容易引发健康问题。 因此，研究矿工服热阻随湿润程度变化的规律对改善人体热舒适性，保障人员健康具有重要意义。

目前国内外对服装面料热阻进行了大量的研究。 郜琳[3]利用智能平板式织物保温仪测算出17 种织物汗湿热阻，研究了人体出汗后，汗湿服装面料的保暖性能，湿润后织物热阻变小，织物润湿性对保暖性有很大的影响；王云仪等[4]采用暖体假人研究了着装方式的3 个关联因子对服装隔热性能的影响，发现面积覆盖率与服装热阻呈现显著正相关，通风指数与服装热阻呈现显著负相关，表面积变化率对服装热阻影响不大；Morrissey等[5]使用暖体假人在不同行走速度(0，1 km/ h，2.5 km/h)下测试了具有相同的不透气外层，但隔热层不同的两件服装总热阻，结果显示高渗透率隔热层的服装通过辐射进行的热传递更多，且可能在衣服层之间形成自然对流，高隔热材料的使用可以用来制造更舒适的服装；童兴[6]采用暖体假人对4 个不同矿区工作服的热阻进行了测试，结果表明丁集矿与安居矿的工作服热阻较为接近，比其他两个矿井工作服总热阻要小，煤矿工作服穿用1 年后热阻变化很小，煤矿工作服不同部位局部热阻差异较大。 由此可知，在符合相关规定条件下，可考虑在热阻较大区域进行衣物透气设计，以改善矿工热舒适性。

目前的研究多关注服装面料、服装本身因素、环境因素对服装热阻的影响，人体出汗导致服装不同的湿润程度对矿工服热阻的影响研究尚少见报道。 本文在人工环境舱内，通过简易暖体假人平台，研究干燥、纯水润湿和汗液润湿3 种状态下矿工服面料及矿工服热阻变化规律，为矿井工人热舒适评价提供参考。

2 方法

2.1 热阻计算

根据传热学原理可知，人体散热分为显热散热与潜热散热(蒸发散热)，通过暖体假人消耗功率可以得到人体总散热量。 经服装通过对流换热及辐射换热散发的热量为人体显热散热，服装汗液蒸发带走的热量为人体的蒸发散热。

服装热阻计算公式见式(1)、式(2):

式中，Wa为单位时间内水分蒸发所吸收的热量，即服装蒸发潜热量，W/m2；M为单位时间蒸发水量，g/s；As为人体皮肤表面积，m2；hp为水在皮肤温度下的蒸发潜热，kJ/g，皮肤温度为30～35 ℃时，水的蒸发潜热为2.428 kJ/g。It为服装热阻，m2·℃/W；tsk为皮肤表面平均温度，℃；ta为环境温度，℃；Qi为假人与外界进行湿热交换的总热量，W/m2；H为单位表面积人体显热散热量，W/m2。

服装湿阻计算公式见式(3)[7]:

式中，Iet为服装湿阻，Pa·m2/W，Psk为皮肤温度对应的饱和水蒸气分压，Pa；Pa为环境温度对应的水蒸气分压。

单位面积内服装的综合热阻计算公式为式(4)[8]:

式中，Re为服装的综合热阻，m2·℃/W；ΔT为织物内外表面间的温差，℃。

根据ISO9920 标准测量服装热阻的规定可知:皮肤温度范围为32～34 ℃，室内温度需比皮肤温度低12 ℃，相对湿度为30%～70%，风速小于0.15 m/s，稳定时间≥20 min，因此，根据此标准设计工况。 设定假人皮肤温度tsk＝33 ℃，环境温度ta＝(21±0.3)℃，相对湿度为50%±4%，风速为<0.15 m/s。 假人与外界进行湿热交换的总热量Qi通过安捷伦34901A(美国)数据采集模块测量，分别通过公式(2)～(4)计算服装热阻It、湿阻Iet和综合热阻Re。

2.2 实验材料

实验选择12 件纯棉的矿工服及其纯棉面料，使用FEI Q45 扫描电镜测量出织物厚度。 编号1～3 为新矿工服面料(Ⅰ)，面料厚度0.5 mm；4～6号为山西晋城某煤矿的新矿工服(Ⅱ)，厚度0.8 mm；7～12 号为贵州某煤矿的旧矿工服(Ⅲ)，厚度1.0 mm。 根据实验需要将矿工服及纯棉布料裁剪为与暖体假人合适的尺寸。

实验分清水和汗液两种情况测量不同湿润矿工服的热阻。 人体汗液主要成分为含有0.9%氯化钠的液体、脂肪酸及尿素[9]。 使用模拟汗液进行汗湿服装实验，模拟的汗液采用含有0.9%氯化钠及少量油渍的水。 服装汗湿量是通过控制服装的含水量来得到(即服装被汗液润湿后的重量与干燥时的重量之差)。

完全湿润面料的实现方法如下:首先将矿工服所有部分全部浸入常温(盐)水中，再将矿工服置于纱网上自然风干至不滴水状态，可保证矿工服各部位湿润均匀，然后对服装进行称重。 不同面料完全湿润状态下吸水(汗)量经称重，Ⅰ号矿工服面料完全润湿时含水(汗)量为134 g，Ⅱ号矿工服完全润湿时含水(汗)量为375 g，Ⅲ号矿工服完全润湿时含水(汗)量为325 g。

2.3 实验设备及实验环境

2.3.1 环境舱及环境参数控制系统

为了模拟测量热阻所需热环境，实验在人工环境舱内进行。 人工环境舱本体尺寸4.2 m×3 m×2.6 m，舱体由不锈钢金属板制成，舱内设有4个传感器，用以监环境舱内的温湿度工况。 舱内环境温度控制范围为-15～50 ℃，波动程度≤±0.5 ℃；空气相对湿度控制范围为30%～95%，精度±2%。 环境舱内配有电控设施、监控系统以及数据传输系统。 舱内相关热环境参数可由电脑系统设定与调整，保证环境参数的稳定性。

为确保实验过程中实验工况准确性，利用HUMICAP ®手持式温湿度测量仪(配备HMP76和HMP77 探头)测量环境舱内温湿度，采用一等水银温度计校准环境舱内温度。

2.3.2 暖体假人

实验使用自制的简易暖体假人实验平台，包括暖体假人本体、控制系统和数据采集系统三部分，用于模拟真人皮肤温度。 如图1 所示，假人本体包括装满水的圆柱体铝桶，铝桶厚度为3 mm，高度和直径均为30 cm，电加热丝功率为2500 W，搅拌器转速经实际实验确定， 设置转速为150 r/min，使桶内水温均匀。 暖体假人控制系统包括PT100A 级温度传感器和AI-601 人工智能温控器，PT100A 级温度传感器测量范围为-200～850 ℃，精度为±(0.15+0.002×|t|)℃，t为实际温度；温控器的控制范围为-80～300 ℃，控制精度为±0.1 ℃。 温控器的作用为调控PT100A级温度传感器反馈的水温，使水温保持稳定。

图1 暖体假人Fig.1 Thermal manikin

2.3.3 数据采集及数据测量

数据采集系统包括贴于铝桶体表的T 型温度传感器与安捷伦34901A。 使用安捷伦34901A测量T 型温度传感器电流值，用于获取假人的消耗功率。 设置安捷伦34901A 每隔1 min 进行一次电流数据读取，连续记录30 min，获取实验过程中不同时间的传感器温度值和电加热丝的电流值。 实验数据分析时，将得到的相对稳定的30 min实验数据，依据功率变送器的功率与输出电流成线性关系原理[10-11]，将所得的电流值换算为功率，电加热丝加热功率为2500 W，而控制系统显示屏显示的电流值最大为20 mA，所以按照20 ∶2500 ＝1 ∶125 的比例换算，因此记录传感器的电流值可得到假人的消耗功率。

干燥服装与汗湿服装的质量由WTC10002 万特电子天平测量，水的质量则使用ES-100KT-5 型精密电子秤测量。

2.4 实验程序

调节环境舱热湿环境参数，等待实验工况稳定，当环境舱内达到所需环境条件(温度:21 ℃，湿度:50 %，风速<0.15 m/s)后，开始启动暖体假人电源。 待假人皮肤温度达到设定温度并保持稳定30 min 后，将湿润或干燥矿工服围在假人外表面，保证其完全覆盖，如图2 所示。 然后打开安捷伦34901A，设定时间间隔1 min，开始自动记录假人的总消耗功率，30 min 后停止，将服装取下称重，记录服装蒸发所消耗水分(使用电子天平对实验前后的汗湿服装进行称重)以得到蒸发散热量，完成一组数据采集。 重复上述过程，继续记录不同湿润度的服装重量，直到服装完全干燥，结束实验。 湿润程度为100%情况下为完全润湿状态，随着服装水分的蒸发，湿润程度不断减小。

对于干燥工况热阻测定，每完成一组数据测定，需要将服装取下，静置于环境舱内，将服装抖动、冷却再进行二次实验，每组服装测量3 次，取3 次测量值的平均值。

3 结果

3.1 干燥矿工服的热阻实验结果

为更直观分析热阻变化，对每组数据按服装分类取平均值，图3 为完全干燥的不同种类服装的热阻结果。 从图中可看出:

图3 干燥矿工服的热阻Fig.3 Thermal resistance of dry miner’s clothing

1)Ⅰ号新矿工服面料热阻最小，与Ⅱ号矿工服热阻差为0.455 m2·℃/W，较Ⅲ号矿工服热阻差为0.121 m2·℃/W，因为单纯的面料在厚度及款式方面较正式的服装有所差别，一般而言，服装面料的厚度越大，其热阻就越大，这是因为当其他条件不变时，厚度的增加，织物内部经纬纱线的交织长度也会随之增加，而经纬纱线的交织长度与热阻呈现正比关系[12]，因此服装面料的厚度最小，其热阻也最小。

2)Ⅲ号旧矿工服的热阻比Ⅱ号新矿工服热阻小(差值为0.334 m2·℃/W)，原因是旧矿工服经过长时间的穿着、洗涤、磕碰、摩擦以及粉尘汗液的污染，服装填充物及内部的纤维组织部分被破坏，隔离空气的能力变差，导致服装内部空气流动更为剧烈，加快了与外界的换热。

3.2 纯水润湿矿工服的热阻实验结果

图4 为纯水润湿服装的实验结果。 由于矿工服面料的大小及厚度较矿工服而言要小，因此被润湿后矿工服面料到达完全干燥状态的时间要短一些，面料从完全湿润状态到完全干燥用时2.5 h，矿工服用时3.5 h。 从图中可看出，随着湿润程度的增大，曲线一直在下降，湿润程度为100%时矿工服热阻最低。 由图4 可以得知:

图4 纯水润湿矿工服的热阻Fig. 4 Thermal resistance of miner’s thermal clothing wetted with pure water

1)在等环境温度、相对湿度、风速的情况下，矿工服面料及矿工服被纯水润湿后，其热阻均降低，是因为服装气孔被水分子填满，水的热传导率高于空气的热传导率[13]，因此服装热传导率增加，热阻降低；随着含水量减少，此时水分子主要以结合水和中间水状态存在于纤维表面，热阻增大。

2)湿润程度为100%时，Ⅱ号新矿工服热阻均值为 0.271 m2·℃/W， 干燥后热阻为0.62 m2·℃/W，增加了0.347 m2·℃/W，增长幅度较大。

3)Ⅲ号旧矿工服被纯水润湿后，其热阻均值为0.17 m2·℃/W，然后随着水分的蒸发，热阻逐渐增大，增大至0.285 m2·℃/W。相比新矿工服热阻，旧矿工服热阻增加幅度较小，是因为新服装内部纤维未被破坏，而旧服装经过多次洗涤和被粉尘的污染，服装内部纤维空隙被粉尘等物质填充，水分子的影响作用较小。

3.3 汗液润湿矿工服的热阻实验结果

汗液润湿后湿润程度与矿工服热阻之间的关系如图5 所示。 与纯水相比，汗水所包含的成分更多，汗液中包含氯化钠、尿素、脂肪酸等，这些物质会破坏服装面料部分纤维[14]。 由图5可知:

图5 汗湿矿工服的热阻Fig.5 Thermal resistance of sweat wetted miner’s clothing

1)当湿润状态为完全湿润状态时，3 种服装的热阻均达到最低值，是因为汗水分子侵入面料纤维空隙中，增大热传导率，同时，汗水中的脂肪酸及尿素开始破坏面料纤维，使得纤维之间空隙增加，水分子占据的空间增加，导致其热阻迅速降低；随着汗湿量减少，矿工服纤维中的水分蒸发，空气含量增加，热阻开始呈现上升趋势，待水分蒸发完毕，面料完全干燥后，热阻值保持稳定。

2)Ⅱ号新矿工服的热阻随湿润程度增大而逐渐减小， 热阻从 0.59 m2·℃/W 降低至0.299 m2·℃/W。新矿工服经过汗液润湿，到达干燥后的热阻要小于纯水润湿干燥后的热阻，是因为汗液中的物质破坏了新服装纤维，使得服装无法回到初始干燥状态下的热阻。

3)Ⅲ号旧矿工服被汗液润湿时，其热阻降为0.15 m2·℃/W，然后随汗湿量减少，即湿润程度的减少，服装热阻增大到0.28 m2·℃/W。

3.4 矿工服的湿阻变化

依据式(3)分别计算出在不同湿润程度下12件样本的湿阻，然后按服装分类取平均值。 依据《建筑设计资料集(第二版)》，33 ℃时，Psk取值5030.2 Pa，21 ℃时，饱和水蒸气分压为2486.5 Pa，在相对湿度为50%时，Pa取值1243.25 Pa。 由图6、图7 可知:矿工服面料和矿工服的湿阻随湿润程度的减少，湿阻总体呈现上升趋势。 在不同湿润程度下，湿阻值波动较大，根据湿阻计算公式，这主要与假人与外界进行湿热交换的热量有关。 湿阻越小，服装的透湿性能越好，Ⅱ号新矿工服透湿性能最好。

图6 纯水矿工服的湿阻Fig.6 Moisture resistance of pure water wetted miner’s clothing

图7 汗液矿工服的湿阻Fig.7 Moisture resistance of sweat wetted miner’s clothing

3.5 综合热阻

依据式(4)计算出不同汗湿量(蒸发时间)下矿工服的综合热阻，见图8。 由图可知:

图8 汗湿矿工服的综合热阻Fig.8 Comprehensive thermal resistance of sweat wetted miner’s clothing

1)完全润湿的Ⅰ号矿工服面料在0～0.5 h 时间段汗液蒸发量为 50 g， 综合热阻为0.043 m2·℃/W，1.5～2 h 时间段矿工服面料汗液蒸发量为4 g，综合热阻为0.137 m2·℃/W，蒸发量越少，综合热阻越大。 当蒸发时间为2 h 和2.5 h时Ⅰ号接近于干燥状态，在3 h 和3.5 h 时，服装已经干燥，数值为Ⅰ号干燥时热阻。

2)Ⅱ号矿工服和Ⅲ号矿工服在不同蒸发时间下综合热阻差别不大，服装新旧对其影响较小。在蒸发时间3～3.5 h 矿工服综合热阻较大，原因是服装潜热量(潜热量为服装蒸发所吸收的热量)很小，即服装已接近干燥。

4 讨论

人体舒适取决于环境条件、人体的活动水平以及所穿服装的热湿舒适性能。 服装的舒适性是一个模糊广泛的心理概念，通过多年的研究，人们对服装舒适性的要求已经形成较为客观的群体认识，可以包括在舒适湿度下，人体排汗量和服装传导蒸发水汽量相平衡，皮肤上无凝结水，人不会感觉到湿闷等[15]。 井下工人处在高温高湿的环境中且进行高强度的体力劳动，体温会升高，为了调节体温，皮肤表面就会出汗。 汗液以液态水的形态遍及皮肤表面，服装通常被润湿，有时甚至被浸湿[16]。 如果织物不能快速将汗液扩散或传递到外界环境中去，人体在穿着汗湿服装时，服装会从人体吸取大量的热，给人体带来湿冷感，还会在蒸发过程中带走体表的热量，且皮肤长时间处于湿冷状态，容易引发健康问题，体温也不能保持在舒适的范围。 服装热阻是影响人体热湿舒适性的重要因素，服装被汗液浸湿，服装热阻变小。

本文研究表明，湿润服装的热阻远小于干燥服装的热阻，这与郜琳[3]研究结论一致。 服装湿润程度与其热阻之间为负相关，服装湿润程度越大，其热阻越小。 其原因是:随着服装内含水量的增加，服装内部所含静止空气含量减少，服装气孔被水分子填满，水的热传导率高于空气的热传导率；服装导热量增加使得服装热传导率增加，热阻降低，服装的保暖性能下降，服装湿润程度对其热阻存在较大影响。 由于旧矿工服经过长时间的穿着、多次的洗涤以及被粉尘和汗液的污染，服装内部纤维空隙被粉尘等物质填充，所以水分子的影响作用变小。 这也导致了在干燥和湿润时旧矿工服与新矿工服的热阻差值较大，服装的新旧程度也会影响其热阻。 被汗液润湿过的新矿工服，再次到达干燥，热阻值无法回到初始干燥状态下的热阻值，是因为汗液中的物质破坏了新服装纤维。

服装热阻和服装湿阻都是影响服装热湿舒适性的重要因素。 服装的热湿传递是一个非独立的动态过程，热和湿的传递过程是耦合的，服装的热阻受织物吸湿与放湿的影响[17]。 服装的热阻和湿阻彼此影响，从而影响人体的热舒适。 本文中的湿阻和综合热阻主要通过计算得出，对其影响最大因素是服装蒸发潜热量和人体显热散热量。服装的湿阻越小，服装的透湿性能越好。 新矿工服和旧矿工服的综合热阻相差不大，服装新旧对其影响较小。

服装在湿润状态下，传热过程由原来皮肤与服装、空气层的传导变为皮肤与服装、空气层、水分的热传导，服装热阻、湿阻影响人体与周围环境的换热量，皮肤和服装间的热传递状态发生改变，影响人体的热感觉。 我国矿井多为高温高湿环境，作业人员大量出汗使服装湿润，潮湿服装会使人体感到凉意，服装热阻降低，并会影响服装穿着的舒适性能。

5 结论

与I 号新矿工服面料及Ⅲ号旧矿工服相比，Ⅱ号新矿工服的湿阻较小，透湿性能最好。 新矿工服和旧矿工服的综合热阻差别不大。 服装湿润程度和不同种类服装对服装热阻影响显著。 在纯水润湿和汗液润湿条件下，矿工服面料及矿工服随湿润程度的增大，其热阻逐渐减小，湿润程度为100%时热阻最小，给人的冷感强烈，且服装保暖性能下降，服装舒适性变差。 未来可以探究能实现衣下通风的矿工服，有助于增加汗液在人体皮肤表面的蒸发，减少服装汗湿程度，使人体感觉更舒适。