1、服装-环境系统热湿舒适性的理论研究第 24 卷第 4 期总第 67 期 2003 年河北科技大学J()URNALOFHEBElUNlVERSlTYOFSCIENCEADTECHNOLOGYol24NO.4Sum672003文章编号:10081542(2003)04 006 卜 O6人一服装一环境系统热湿舒适性的理论研究孙玉钗(河北科技大学纺织服装学院,河北石家庄 050031)摘要:在大量阅读的基础上,试图从 3 个方面概要阐述对热舒适性的理论研究 ,热舒适性相关因素,热湿传递方式以及描述热湿传递的基础理论公式.关键词:热舒适;热传递;湿传递;液态水传递;质量守恒 ;热量平衡;毛细理论中图分类
2、号:TS191 文献标识码:A现代社会,消费者不仅要求服装视觉效果好,而且要求穿着后感觉良好.全过程性对消费者来讲是最基本和带有普遍性的需求.服装和纺织产品是日常生活中获取生理和心理舒适的最基本的材料.从根本上讲就是确保环绕人们身体的物理条件满足人类生存的需要.因此,服装舒适性的研究对人类的生存及生活质量的提高具有根本性的意义.服装舒适性是一个模糊和广泛的概念,涉及到人体,服装及环境 3 个方面,是一个非常复杂的系统,囊括了生理,心理及物理学等多种因素.从狭义范围来讲,舒适性的首要标准是人体,服装和环境之间的热力学综合平衡,这个平衡主要包括满意的热平衡和湿平衡.它是各种环境因素,人体活动状态及
3、服装热湿特性等的综合与协调的结果 u.1 热湿舒适性相关因素2热湿舒适性主要涉及到 3 个方面的因素:人体的热调节机能 ,服装的热湿传递性能以及环境.1.1 人体在人体一服装一环境系统中,人体必须保持恒定的体温.人体可以通过出汗,血管收缩及血管扩张来调节温度变化,保持人体与环境的热湿平衡.但如果不穿衣服只靠自身的生理调节,人类无法在其繁衍生息的大部分环境中生存.对于人体来讲,由于新陈代谢而产生热量.当人处于休息状态的时候,这部分热量是维持人体的基本功能所需要的热量,如呼吸,心脏的工作以向身体细胞提供氧气及营养.然而,当人体处于运动状态时,活动的肌肉所需的氧气及营养增加,人体的新陈代谢活动加强.
4、当肌肉消耗这收稿日期:20030521;修回日期;20030920;责任编辑:张军基金项目:河北省自然科学基金资助项目(502367)作者简介:孙玉钗(1964 一),女,河北晋州市人,副教授,主要从事纺织品舒适性,服装CAD,智能纺织品,新纤维新材料应用方面的研究.河北科技大学些营养转化为机械行动时.肌肉所持有的部分能量以埘外做功的形式向身体外部释放,但大部分却以热的形式释放在肌肉内部.人体需摆脱这部分热量,否则人体会热到致命的程瞍.人体的温度必须稳定,因此就要求热量的损失与热量的产生相平衡1.2 服装系统由于人体对热湿的生理调节范围是很有限的,当外界气候条件的变化超出生理阔节范围时,着装就
5、成了必须的行为调节手段.可以将服装作为一个准生理系统,是人体的延伸,并与人体相互作用.与锻炼所起的作用一样,服装将人体感觉舒适的范围向温度低的方向推移.值得注意的是,服装并不仅仅是被动性地对人体皮肤进行覆盖,而是与人体皮肤的热调节系统相互作用并改变皮肤的热调节状态.在人体一服装环境系统中,服装与人体及环境的关系是复杂的.就服装本身而言.与服装系统热传递性能相关的因素主要有:1)织物结构 织物密度,纱线捻度,织物结构,质量等.总的来讲,织物中所含的静止空气越多,其保温性能越好.2)纤维特性 结晶度,纤维吸湿性能及后整理等.纤维或织物的后整理直接影响到织物的吸湿性能,在湿传递的同时引起热量的大量散
6、失.3)服装系统 服装的层数,服装的开 FA.层间厚度等.由于静止空气的隔热性能好,同时穿着的服装层数越多,开口越少,服装的保暖性能越好.服装的作用就是皮肤和外部环境间热湿传递的屏障.这一屏障可以保护人体免受过热及过冷带来的伤害,但与此同时也阻碍了人在运动过程中产生的多余热量向外界的散失.例如,如果人穿着厚重的冬衣完成艰苦的工作,由于服装本身高的热湿传递阻抗,热量就会迅速在身体上积聚;在热的环境中,服装的自动调节功能之一就是服装逐渐被汗液浸湿 ,使得服装对热湿传递的阻抗不断降低.服装对热湿传递的屏障是由服装材料本身及服装材料所包裹的静止空气共同引起的.1.3 环境环境因素对于热舒适性非常重要.
7、为了描述环境,至少要考虑 3 个方面的因素.1)温度空气的温度越高,由传导,对流,辐射所引起的人体的热量损失越小.2)相对湿度或空气的水汽含量空气中的水汽含量决定着汽态水(汗液)是由皮肤向环境传递或是反方向传递.总的来讲.皮肤上的水汽含量比环境中要高,这就使得由于皮肤上的水汽蒸发而向外界传递热量成为可能.对于热量传递而言,蒸发散热是人体散失多余热量的最主要途径.应该注意的是,空气中的水汽含量,而不是空气的相对湿度,是蒸发散热的决定因素.当空气温度低于皮肤温度时,即使空气的相对湿度是 100,皮肤上的汗液也可以蒸发到空气中去.3)空气运动包括风速,方向及气流形式.1.4 人体一服装一环境之间的相
8、互作用:表面静止空气层 除人体,服装,环境各自对热舒适性的影响外,三者之间的相互作用表面静止空气层对热舒适性来讲是非常重要的.表面静止空气层的解释如下:即使是在极端的情况下,不穿衣服,人的身体也不是与外部环境直接接触,而是通过一个个人小气候过渡,即人体皮肤表面的粘滞空气层.这一空气层是由于运动空气和任何表面间磨擦滞后的结果.通常在人体穿衣的情况下,服装外面有一静止空气层,此外,每一新的织物层里面也有一静止空气层.与服装本身的作用相似.静止空气层也构成了对热湿传递的屏障.第 4 期孙玉钗人一服装一环境系统热湿舒适性的理论研究 632 热湿传递过程及其理论研究关于热舒适性的研究可以归为 2 大类:
9、热传递及湿传递 .热传递与干热传递相关而湿传递与水汽传递,液态水传递以及其水汽及液态水传递过程中引起的热传递相关.在大多数情况下,热湿是一个共同传递的过程.2.1 热传递 L3?在人体一服装一环境系统中,有 4 种热传递方式:传导 ,对流,辐射及汗液蒸发.传导主要发生在固体材料及界于其间的空气中.对流发生在皮肤表面及服装外层表面.当人体表面与环境存在温差时,将会发生辐射换热.皮肤表面的水汽可以蒸发,并同时带走大量的热量.1)热传导在人体一服装一环境系统中,热传导是热量由温度高的一边向温度低的一边进行:/J传递的一种主要方式.对于热传导,所用的基本公式为傅立叶定律.其表达式为 q一一丁 UI.,
10、其U 上中:q 为热流密度(W?m);dt/da:为方向的温度梯度(K?m);为物质的导热系数(W?m?K);公式中的负号表示导热方向与温度梯度方向相反,即热量朝着温度降低的方向传递.傅立叶定律主要用来描述发生在固体纤维中以及服装系统所包裹的空气的热传导性能,是干热研究中的一项重要内容,影响到纺织材料及服装的隔热性能.2)对流热量传递的另一种方式是对流传热.当温度较低的空气在皮肤表面运动时,会将热量带到周围的空气中去.在服装系统的外面,由于其暴露在外部空气中,热量也会通过对流的方式而散失.对流传热可用牛顿冷却定律表述:Ch(Ta),其中:C 为单位面积内对流热损失(W?m);Ta 为着装人体的
11、表面温度(.C,K);为空气温度(.C,K);h 为对流传热系数,又称膜系统(W?m?K).式中的膜系统值与许多因素有关,如固体壁面的几何形状与粗糙情况 ,流体的物理性质,流型,流速能及温度差等.这些因素与膜系数之间的关系十分复杂.无论是自然对流或在强制对流情况下,当人体皮肤或着装的人体暴露在空气中时,由于空气的流动而引起的热量散失是通过牛顿冷却定律来描述的.3)辐射身体或服装暴露在外部环境中,在整个暴露面积上都会产生辐射作用,表面内的能量以分子运动的形式存在,并在表面上以辐射能放射出去,或由环境来的辐射能被表面吸收并变成分子运动.对于辐射换热,可用如下公式描述:ReL 厂 dL 厂(),其中
12、:R 为单位面积内的辐射热(W?m);f 为服装面积系数 ;,为有效辐射面积系数;Ta 为着装人体的表面温度(.C,K);丁,为平均辐射温度(,K);为斯蒂芬一波兹曼常数(5.67l0W?m?K);e 为发射率.当身体(或服装) 表面温度与环境表面温度不同时,就会以辐射的方式产生热量交换.在人体一服装一环境系统中,当身体(或服装)表面温度高于环境温度,热量由人体向环境散失.在相反的情况下则吸收环境的热量.4)蒸发散热除以上所述的 3 种干热交换方式外,热量可以通过蒸发的方式向外界散发.由于人体具有出汗的功能,出现在皮肤表面的水汽会蒸发.由液态水转达化为汽态水需要一定量的潜热,因此大量的热将会随
13、水汽的蒸发而散失.对于由蒸发引起的热量损失,可用下列公式表示:Euth(P 一 P.),其中:E 为单位面积皮肤内汗液蒸发引起的热量损失(W?m);h 为蒸发散热系数(W?m?(10Pa);P 为皮肤温度下的饱和水汽压(10 一 Pa);P 为环境水汽压力(10 Pa);u.为皮肤的湿润程度 .河北科技大学 2003 正对于干热的理论研究,可分别用传导,对流,辐射的相关公式来描述.蒸发散热实际属于湿传递的研究范畴.对于由蒸发引起的热量损失,可用上述公式来描述.2.2 水汽及液态水传递在人体一服装一环境系统中存在 2 种形式的水.水汽及液态水.它们在这一系统中通过不同的方式传递.1)水汽的传递_
14、1一在织物中,可以假设水汽通过纤维间及纤维内的空隙传递并且水汽可被纤维本身所吸收及释放.为了描述水汽的扩散,所用的基本公式为费克扩散定律.费克总结J了由浓度引起扩散的实验规律,得出扩散能量正比于浓度梯度,用公式表示为 J 一一 DA,其U 二=中:J 为组分 A 在单位时间内通过单位面积的物质通量 (kg?m?s);D 为组分 A 通过组分 B 的扩散系数(m.?s);dc/d=为浓度梯度(kg?m).纺织内部纤维之问和纱线之间贯通空间中的水蒸汽浓度差引起的水汽扩散是纺织品湿传递的第 1 种途径.用费克扩散定律来描述.水汽在吸湿性材料及非吸湿性材料中以不同的方式传递.当纤维所占的体积比小于 4
15、O时,吸湿性材料及非吸湿性材料的湿阻非常接近,因为此时低阻抗的纤维间空隙足以满足水汽传递的需要.当纤维的体积比超过 4O9/5 时,吸湿性材料水汽传递的主要通路为空气间隙.对吸湿性材料来讲,大量的水汽通过纤维本身传递一.总的水汽扩散速率取决于水汽的扩散,纤维对水汽的吸收以及它们之间的相互作用.2)液态水的传递 l_1“服装系统中的液态水可通过芯吸或润湿传递.毛细理论可以用来描述液态水的传递.孔隙介质中的毛细作用与液体的特性,液体介质的表面作用以及介质中孔隙的几何结构有关.在毛细管中,液体由于液体一固体接触面上正的力 5P 而升高: PP 一 3gh,PF/rrr 一27【一 27cosO/r,
16、其中:为液体密度 (g?cm);g 为重力加速度(980.7cm?S);h 为液体上升高度(cm);), 为液体表面张力(10 一.N?cm) 为毛细管内半径(cm);为液体一固体接触角;F.为内部润湿力 (10N).当毛细压力(P)大于液体质量(3gh)时,正的力使得液体上升 .对于液态水的传递,理论研究多用毛细理论来进行描述.纺织品处于较高湿度的环境中,水汽在织物的高湿侧凝结成液态水,再在各种缝隙孑 L 洞中以毛细输送方式输送到低温侧,然后在低温侧蒸发.由于纺织品结构的复杂性,其孔隙结构几何模型的建立是相当复杂的.到目前为止,世界各地的学者已经建立的模型在一定程度上可以模拟纺织品的孑 L
17、隙结构,但与实际情况还有一定的差距,因此在这一研究领域还有大量的工作要做.2.3 热湿共同传递 Ll“在服装穿用的大多数情况下,人体温度高于环境温度,因此人体散发的热量通过服装系统向外界散发.同时由于人体出汗,无论处于潜汗(身体表面无汗液积聚)或显汗(身体表面有汗液积聚)状态 ,在热量传递的同时伴随有水的传递.反之,在水汽传递的同时,水汽的蒸发会带走大量的热.由于纤维吸湿或放湿也引起热量的传递.因此在大多数情况下属于热湿共同传递的过程.质量守恒和热量平衡公式可用来描述热湿共同传递的过程.1:厂,1,1r,质量守恒公式(水汽传递)D 一+(1-d/p),其中:C 为单位体积织物内空气中r,-f,
18、f,的水汽含量(g?cm);C 为单位体积织物内吸收状态的水汽含量(g?cm);c 为织物密度第 4 期孙玉钗人一服装一环境系统热湿舒适性的理论研究 65(g?cm);lD 为纤维密度(g?cm);D 为水汽在织物内的空气中的扩散系数 (cmz?s);为垂直于织物平面所测量的距离(cm);t 为时间(s).等式右面的第 l 项描述了吸收状态水的积聚,第 2 项描述了水汽在纤维间空隙中的积聚.热量平衡公式 Q82TC,c,T)aT一(c)等,其中:Q 为纤维与空气混合体的热导率(w?ITI?K);丁为纤维与空气的绝对温度 (K);C(C,r,)为纤维的比热 (kJ?ITI?K);(C)为纤维吸湿
19、或放湿热量(kJ?kg).通常情况下,这 2 个公式同时使用以描述织物的动态热湿传递过程.关于热湿共同传递的研究非常多.热舒适性研究的早期研究涉及干热研究及湿单独传递研究.后来的研究工作大多集中在热湿共同传递范畴.3 总结热湿透过服装系统传递的实际状态是非常复杂的,很难非常精确的描述.大多数的理论研究通常是使用一些最基本的理论(如上所述),在某些假设的基础上给出数学模型,然后结合具体情况做出进一步的假设给出边界条件以求解数学模型.为了校验数学模型的正确性,研究者总是同时需要进行相应的实验,得到数据,验证理论数据与实验数据的吻合程度,以确定其理论研究的是否正确.这种研究的方法的问题在于:1)假设条件是否合理.2)如果理论数据与实验数据吻合较好,那么是否就可以肯定所取得的结果是正确的.这个问题的关键又在于实验条件与实际使用条件之间的吻合程度.另外需要注意的就是,人体一服装一环境系统的实际条件是瞬息变化和非常复杂的,这就使得实验性及理论性的研究很难非常确切地模拟实际使用状态,总是与实际情况有一
