, 韩雪峰 清华大学 工程物理系, 公共安全研究院, 北京 100084
收稿日期：2016-12-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51076073）；国家“九七三”重点基础研究项目（2012CB719705）
作者简介：付明 (1988-), 男, 博士研究生
通信作者：翁文国, 研究员, E-mail:wgweng@tsinghua.edu.cn
摘要：热阻和湿阻是服装热性能的2个主要参数。暖体假人实验是测量热阻和湿阻最常用和最准确的方法之一。目前对热阻和湿阻的实验研究还只是在常温和低温下进行的。该文利用暖体假人“NEWTON”进行实验研究，先后分别测量了2套防护服在室温和高温下的热阻和湿阻。结果表明：高温下并联法计算得到的防护服总热阻比串联法计算得到的小；高温下防护服的总热阻比室温下的大幅减少，两者之间的比值范围约30%~38%；高温下轻型防护服的湿阻比常温下的湿阻小；对重型防护服而言，高温下用质量法得到的湿阻比常温下的低，而用热量法得到的湿阻比常温下高。
关键词：热阻湿阻暖体假人防护服高温热辐射
Experimental investigation of the thermal insulation and evaporative resistance of protective clothing on a thermal manikin in a hot environment
FU Ming, WENG Wenguo
, HAN XuefengInstitute of Public Safety Research, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: The thermal insulation and evaporative resistance of clothing are the two main parameters related to clothing thermal comfort and protective ability. These two parameters, that all usually only measured for normal or cold atmospheric conditions, are measured here using a thermal manikin, one a commonly used and accurate method. This paper presents measurements of the thermal insulation and evaporative resistance of two-layer and three-layer protective clothing using the thermal manikin "NEWTON" in normal and hot environments. The tests show that, the parallel resistance method gives lower overall thermal resistances than the serial resistance method in hot environments. The tests also show that the thermal insulation resistances at high temperatures are 30%~38% lower than at normal conditions. The results also show that evaporative resistance of the two-layer clothing in the hot environment is less than for the warm condition and that the evaporative resistance of the three-layer clothing based on the mass loss method at high temperatures is less than in the normal environment, while the evaporative resistance based on the heat loss method in the hot environment is larger than that in the normal environment.
Key words: thermal insulationevaporative resistancethermal manikinprotective clothinghot environmentthermal radiation
一般情况下，人体要保持身体温度稳定在37 ℃左右[1]，因此人体与环境间的热交换控制对生存和舒适性来说至关重要。在人体着装状态下，服装参与建立人体—服装和服装—环境2个热交换环境，以满足人体与环境间的动态热平衡，尤其是在极端的高温和低温环境下，服装对人体起着重要的防护作用。高温防护服作为工作服装的一种类型，其隔热和传湿性能与普通的服装有很大的不同[2]，这类服装的热防护性往往会引起不舒适性，也同时能引起人体热应力，在极端环境下给作业人员带来危险，引起作业人员心理应力和生理疲惫[3]。
服装的热阻和湿阻是服装2个有关高温和低温热危害评价标准和模型中的主要物性参数[4]。暖体假人是测量服装热阻和湿阻最理想的工具之一[5]，20世纪40年代美国海军开始研制用于热阻测量的第一个暖体假人，其研究与应用已经有70多年[6]。假人能在设定的环境下模拟人体、服装和环境间的热交换过程，科学地评价服装整体的热学性能，避免人体实验中个体差异的影响，可重复性好。基于暖体假人的实验，主要涉及在常温和低温下，服装不同热阻和湿阻计算方法之间的差异性[7]、不同假人控制模式之间的差异性[8]以及对比分析真人实验和假人实验测量热阻和湿阻的差异性[9]。但是目前还没有对高温下防护服热阻和湿阻进行相关的实验研究。防护服从外到内一般包括外部防护层、除湿层和隔热层。高温下环境中热量从防护服的外部防护层穿透服装向内部传递，直至到达皮肤层，对人体加热。而常温下热量从皮肤层散发，通过防护服的隔热层向外传递。高温与常温下热量传递的过程不同，热量透过防护服3层的顺序不同，将对防护服热阻和湿阻的测量产生影响，进而影响有关高温和低温热危害评价的准确性。
本文利用暖体假人进行常温和高温环境的实验研究，先后分别测量了防护服在室温和高温下的热阻和湿阻，对比分析它们的差异性。
1 实验方法1.1 实验材料与仪器本文采用由美国MTNW公司生产的“NEWTON”暖体假人，进行热阻和湿阻实验。“NEWTON”有20个分区，每个分区有独立的加热控制系统和温度传感器，可以实现区域皮肤恒温控制模式和恒定加热功率控制模式，温度测量误差为±0.1 ℃。发汗皮肤系统是由各个区域独立控制供应一定体积和流速的水分，每个区域的控制器通过板上的水流控制阀调节水流量；水流供应使用一个外部恒定的压力泵，该压力泵由一根易拆卸的管道连接到假人内部的水流分配管；在假人表面矩阵式排列毛孔的基础上，假人皮肤外表面的织物皮肤层将水分分配到皮肤表面。计算机界面控制系统使用相配套的ThermDAC软件，每个分区都可以设置温度控制值、加热量以及发汗流速等控制参数，实现实验过程中数据的实时检测、控制、记录和传输。
实验所在的环境是一个封闭的舱室，长宽高尺寸为3 m×3 m×2.6 m。假人用挂钩悬挂固定置于舱室的中心位置。房间里面配有陶瓷材料的辐射板32块，置于舱室内的一侧竖直墙面上，每块辐射板的辐射功率是1 kW，单位面积的辐射功率是40 kW/m2。每次实验启用其中的若干块以满足不同辐射功率的选择。在辐射板正前方放置铝材料的薄板，使得辐射板对房间加热时房间的温度升高得更加均匀，同时减缓辐射热直接辐射到假人前方。
本文采用的实验材料是2套高温防护服：一种是轻型镀铝隔热服，简称轻型防护服，由镀铝芳香尼龙制成, 分体式设计，包括上衣和下装，上衣领口为环型设计，下装配有背带；另一种是重型镀铝隔热服, 简称重型防护服，由镀铝芳香尼龙制成，全身式防护，包括外覆防火材料和铝质保护层、中间除湿层和里面隔热层。
1.2 实验步骤与计算方法首先进行常温热阻实验，参考ISO 9920[10]和ASTM F 1291[11]等标准关于使用暖体假人测量服装热阻的要求，在舱室环境中温度和湿度分别保持在25 ℃和60%左右条件下，分别测量常温下裸体 (只穿有纺织物皮肤层)、轻型和重型防护服的热阻。假人采用恒温35 ℃控制模式，实验持续时间大约是2.5 h，保证假人温度达到稳定时间超过1 h，假人控制软件记录各区加热量以及温度；采用7个Vaisala温湿度探头HMP 60对环境温度和湿度进行测量，精度分别是±0.1 ℃和±0.1%，每个探头测量高度对应于假人分区 (头部、手部以及脚部除外) 的胸部、胃部、臀部、大腿、小腿、肩部、背部等7个区域的中心位置，为了减少测量点，上臂区域的温湿度取胸部和胃部区域的平均值，前臂采用的是胃部和臀部区域的平均值。重复实验3次取平均值，计算方法参照文[8]，采用串联法和并联法计算总热阻以及固有热阻 (intrinsic insulation)，其中固有热阻是皮肤到服装外表面的热阻。
高温下测量服装热阻时，使用6块辐射板同时工作 (即辐射功率是6 kW)，舱室环境升高温度到45 ℃，然后停止工作保持环境温度稳定，同时使用加湿机对环境加湿，在辐射板停止工作后湿度保持在50%左右。假人采用不发热模式，控制软件记录各区的皮肤表面温度；温湿度探头HMP 60对环境温度和湿度进行测量，探头的空间布置与常温下相同；采用PT 100温度传感器测量服装外表面的温度，温度传感器配置的夹子将传感器贴附在服装外表面上，贴附位置的高度与温湿度探头对应区域的高度相同。分别测量高温下裸体、轻型和重型防护服的热阻，重复实验3次取平均值。参考文[8]和[12]推导出高温下服装热阻的计算公式。
高温下服装各部分热阻
| ${I_i} = \frac{{{T_{{\rm{air}},i}} - {T_{{\rm{skin}},i}}}}{{{C_i} + {R_i}}}.$ | (1) |
辐射换热量:
| $R = \varepsilon \delta \left[ {{{({T_{{\rm{air}},i}})}^4} - {{({T_{{\rm{outer}},i}})}^4}} \right].$ | (2) |
自然对流换热速率
| $C = {h_{\rm{c}}}({T_{{\rm{air}},i}} - {T_{{\rm{outer}},i}}).$ | (3) |
采用串联法和并联法计算总热阻以及固有热阻。计算方法与常温下对应的计算方法相同[8]。
进行湿阻实验时，参照标准ASTM F 2370[13]关于使用暖体假人测量服装湿阻的要求，舱室环境温度和湿度、假人的控制模式以及温湿度探头的空间布置与常温下热阻测量时相同，裸体和轻型防护服实验时，假人的发汗速率设定在50 mL/(h·m2)，重型防护服实验时设定在100 mL/(h·m2)，实验前后分别测量服装和供水桶的质量。分别测量常温下裸体、轻型和重型防护服的湿阻。重复实验3次取平均值，湿阻计算方法参考文[14]，采用热量法和质量法计算各部分的湿阻，然后用串联法和并联法分别计算服装的总湿阻。
高温下湿阻测量参照常温下湿阻测量实验的要求，保持相同的假人发汗速率，假人采用不发热模式。与测量高温下防护服热阻相同的环境条件、测量仪器和仪器的空间布置相同，测量记录环境中温湿度和服装外部面温度。分别测量高温下轻型和重型防护服的湿阻。实验3次取平均值，参考文[12]和[14]推导出高温下服装湿阻计算公式。
高温下服装各部分湿阻用热量法和质量法计算如下。
热量法
| ${R_{{\rm{et}},i}} = \frac{{({p_{{\rm{skin}},i}} - {p_{{\rm{air}},i}})}}{{{C_i} + {R_i} - \frac{{({T_{{\rm{air}},i}} - {T_{{\rm{skin}}i}})}}{{{I_{{\rm{tot}}}}}}}}.$ | (4) |
| ${R_{{\rm{et}},i}} = \frac{{({p_{{\rm{skin}},i}} - {p_{{\rm{air}},i}}){A_i}}}{{\lambda \frac{{{\rm{d}}m}}{{{\rm{d}}t}}}}.$ | (5) |
总湿阻的计算分别采用串联法和并联法。
串联法
| ${R_{{\rm{tot}}}} = \sum {{a_i}{R_{{\rm{et}},i}}} .$ | (6) |
| $\frac{1}{{{R_{{\rm{tot}}}}}} = \sum {{a_i}\frac{1}{{{R_{{\rm{et}},i}}}}} .$ | (7) |
2 结果与讨论2.1 热阻的结果与讨论按照热阻的计算公式，对裸体、轻型和重型防护服的总热阻和固有热阻进行对比分析，如图 1所示。
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| 图 1 热阻计算结果 |
| 图选项 |
可以看出：常温下并联法计算得到的热阻值比串联法小，这与文[8]对这2种计算方法对比分析的结论是一致的。同时高温下也有相似的结果，不管是总热阻还是固有热阻，高温下并联法计算得到的热阻值比串联法的小。此外在选择相同的热阻计算方法时，高温下穿着织物皮肤层的裸体总热阻大约是常温下的36%；高温下轻型防护服的总热阻大约是常温下的35%，高温下的固有热阻大约是常温下的30%；高温下重型防护服的总热阻大约是常温下的38%，高温下的固有热阻大约是常温下的36%。高温下防护服的总热阻和固有热阻比室温下大幅减少，两者之间的比值约30%~38%。
图 2和3分别是2套服装在高温下和常温下对应身体各部分的总热阻和固有热阻。轻型防护服高温下各部分总热阻的范围是0.018~0.132 K·m2/W，常温下是0.103~0.505 K·m2/W；重型防护服高温下各部分总热阻的范围是0.038~0.245 K·m2/W，常温下是0.251~0.546 K·m2/W。总热阻和固有热阻都比常温下的大幅降低，降低幅度最大的是胸部、胃部以及臀部。这一现象的主要原因可能是环境中辐射热流密度和服装材料导热系数随温度的变化以及服装内的空气与服装各层之间对流换热的变化。辐射板位置大致集中在假人着装的正前方，这一区域的热流密度高于其他区域，高温下位于这一区域中的胸部、胃部和臀部3个部位的热阻值将降低。此外影响服装热阻的因素还包括服装材料导热系数以及空气与服装各层之间对流换热[15]。高温下服装材料的导热系数随温度升高而升高；同样高温下空气层与服装各层之间的换热将加剧，其对流换热系数将随温度升高而升高。这样高温下将有更多的辐射热从服装外表面通过导热和对流换热等换热方式，穿过除湿层和隔热层达到假人皮肤层。
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| 图 2 各部分总热阻 (单位：K·m2/W) |
| 图选项 |
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| 图 3 各部分固有热阻 (单位：K·m2/W) |
| 图选项 |
2.2 湿阻的结果与讨论按照湿阻的不同计算公式，对裸体、轻型和重型防护服的总湿阻进行对比分析，如图 4所示。
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| 图 4 湿阻计算结果 |
| 图选项 |
可以看出，常温下和高温下并联法计算得到的湿阻值比串联法计算得到的小；用质量法计算湿阻值时，串联法和并联法得到的湿阻值差别不大，尤其是常温下2套服装的湿阻几乎相等；而用热量法计算时2种计算方法得到的湿阻值差别较大。
对比热量法和质量法可以看出，串联法计算总湿阻时，热量法得到的湿阻比串联法的大，在高温下差别更大；并联法计算时，除了常温重型防护服热量法比质量法小，其他情况都是和串联法计算时一致。对比常温和高温下热阻情况可以看出，对轻型防护服而言，高温下湿阻比常温下的小，原因可能是环境中的温度高使得纺织物发汗层的发汗水分蒸发速率较慢, 汽化之后的水蒸气遇到温度高的防护服外层以后在内部隔热层冷凝，减缓了水蒸气向服装外部传输，使得服装的湿阻降低。对重型防护服而言，高温下用质量法得到的湿阻比常温下的低，而用热量法得到的湿阻比常温下的高。导致不同的结果的原因可能是一样的：高温下环境中温度较高，同时服装外表面到内表面一直到暖体假人织物发汗层表面，温度逐渐降低，出汗水分从发汗层表面蒸发以后，在除湿层和外部防护层的阻碍下冷凝放热，发汗速率的计算值比实际值偏大，而同时在计算散热量时，忽略了部分水蒸气的冷凝放热，使得散热量的计算值比实际值偏小，这样在2种计算方法中会出现不同的结果。
图 5和6分别是在高温下和常温下分别用热量法和质量法计算2套服装7个部分的湿阻示意图。可以看出，热量法得到的各部分湿阻之间的差别比质量法的大，原因在于常温下和高温下质量法计算发汗速率时，采用全过程中水损失量除以总时间，然后按照各部分面积大小作为权重得到各部分发汗速率。在假人稳定以后以及外部环境中湿度稳定以后，质量法采用的身体各区发汗速率比热量法中的各区发热量差别性和波动性小，那么得到的各区湿阻之间的差别相对而言不是很大。
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| 图 5 热量法计算各部分湿阻 (单位：kPa·m2/W) |
| 图选项 |
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| 图 6 质量法计算各部分湿阻 (单位：kPa·m2/W) |
| 图选项 |
此外，热量法计算时，在高温下重型防护服的上臂和小臂部位的湿阻比常温下的小；而轻型防护服中臀部、小腿、肩部以及背部等4个部分在高温下的湿阻比常温下的大，其他部位相反。这些都与服装的设计有关：对轻型防护服而言，是上衣和下衣分开搭配而成，开有领口和袖口以及角边，这些为胸部、胃部、大腿、前臂和上臂等5个部位提供了水蒸气穿透到服装外面的额外途径，高温下发汗产生水分升温吸热以及汽化产生的大量水蒸气将通过领口和袖口以及角边等这些位置传递到环境中，这些环节将吸收热量，因此以上5个部位高温下湿阻比常温下的低；对重型防护服而言，是整体式设计，只留有袖口和领口，那么前臂和上臂高温下湿阻比常温下的低。
而用质量法计算而言，高温下发汗量增加，发汗速率增大，因此2套防护服在高温下各部分的湿阻都比常温下的小。
3 结论本文采用暖体假人“NEWTON”在常温下和高温下先后对2套防护服进行热阻和湿阻测量实验，通过实验得到高温下服装热阻和湿阻与常温下的差异性，进而为高温热危害评价提供准确的服装物性参数。高温下并联法计算得到的防护服总热阻和固有热阻比串联法计算得到的小。高温下防护服的总热阻和固有热阻比室温下大幅减少，两者之间的比值范围约30%~38%。常温下的和高温下并联法计算得到的湿阻值比串联法计算得到的小；用质量法计算湿阻值时，串联法和并联法得到的湿阻值之间的差别不大，而用热量法计算时2种计算方法得到的湿阻值之间的差别较大。
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