第七章暖体出汗假人系统

(二)用途 日常服装、军服、特种功能服装(如航天服、 潜水服、防护服等)的隔热与透湿性能的评 价； 其他纺织品(如睡袋、帽子、手套等)的隔热 与透湿性能的评价； 各种服装与人体的热交换性能的研究。
二、设计原理

依靠自身的温度调节系统来实现人体散热 功能的仿真系统，通过热调节机制建立人 体——服装——环境三者之间的稳态热平 衡，并依据服装热舒适模型评价服装的热 学性能。

随机误差小，说明重复性好，反之就差。一般 采用统计学上的变异系数CV作为重复精度的具 体指标：
CV x 100 %


热量测定法

从热平衡理论和蒸发冷却原理出发，以温度测定法为 基础，根据假人产热量与出汗量之间的潜在关系来判 定“表面湿态” 。
二、出汗量与产热量的关系

在假人裸体出汗时，假人的产热量等于通 过表面散失的热量： tm cv r e
Фtm——暖体出汗假人的产热量，kw； Фcv——假人表面对流散热量，kw； Фr——假人表面辐射散热量，kw； Фe——假人表面蒸发散热量，kw。

是模拟人体—服装—环境系统之间热交换 的设备。
其实质为一个热力系统，包含了研究服装 热湿舒适性的生理与物理特性。 是服装舒适领域研究和开发的简便的试验 手段。


第一节 概述 一、特点与用途
（一)特点 1．模拟人体表面温度与代谢产热； 2．模拟热量从人体内到皮肤表面的热传导； 3．皮肤温度、热容量与热积蓄的分布状态符合人 体生理学特点； 4．体型与尺寸符合人体生理解剖特点； 5．体表形状符合人体几何形状，表面近似皮肤的 皱纹等结构，表面黑度接近人体的皮肤黑度； 6．关节可活动，能模拟人的各种姿势，节段连接 处可拆卸； 7．温度控制和数据处理采用计算机； 8．能模拟人体皮肤出汗。
第七章 暖体出汗假人系统
暖体假人研究现状

对服装热学性能的评价，可通过在特定外界 环境和工作负荷条件下的生理穿着试验来进行， 但鉴于道德、成本和重复性等方面的原因，目前 国际上已普遍采用暖体假人来测试。它能在设定 的环境条件下，方便地测试服装整体或局部的热 学性能参数，其优点是精确度高，重复性好，并 可在真人无法试验的极端环境条件下，进行服装 的热学性能测试试验。目前暖体假人已在服装保 暖性能评价、保暖机理研究和职业防护服装开发 中发挥了重要作用，被公认为是服装功效学研究 必不可少的先进设备。
3．服装的透湿指数 当暖体出汗假人出汗时，其产热量包括非蒸发散热量和蒸 发散热量，此时测试服装的透湿指数可由下式计算：
im

( ) R 20.66 A S (P P )
n 1 tmei i tmdi a n 1 s
t
Фtmei——暖体出汗假人各区段湿态散热量，kW； Фtmdi——暖体出汗假人各区段干态散热量，kw； Ps——假人表面皮肤饱和水汽压，Pa； Pa——环境的水汽压，Pa； Ai——假人区段体表面积，m2； S——常数； Rt——总热阻，clo； im——透湿指数，量纲为1。
采用分段供水技术，对各区段进行控量供 水来模拟人体出汗； 出汗量、出汗速率的微量可调。 出汗皮肤的保水量与不同出汗部位出汗量 对应，实现出汗的稳定性与连续性。


(四)人工气候箱

严格地讲，人工气候箱不属于暖体出汗假 人系统，但内于它为暖体出汗假人的应用 提供了所必需的测试环境条件，保证所得 试验结果有效。



(3)分段温度控制； (4)皮肤温度分布应符合人的解剖、生理学特点； (5)大关节可以活动，便于模拟人的各种姿势； (6)表面黑度与人的皮肤黑度相同； (7)表面不应光滑，应近似皮肤的皱、纹、凸、凹 等结构； (8)最好能够模拟皮肤出汗蒸发； (9)温度控制和数据处理应使用电子计算机； (10)节段连接处可以拆卸，便于穿、脱服装和维修。


二、动态响应过程分析

暖体出汗假人在获得新的稳态热平衡时， 经过一个动态响应过程。这一过程的特性 在一定程度上反映了系统本身的结构特性 和控制品质。

可用表面温度的变化规律来描述系统的响应过 程。

在测试应用中，为减少环境因素对系统热 平衡状态的影响，应保持环境条件的稳定。
三、测试精度
精度是一项重要技术指标。 采用多次重复测量原则及误差补偿原理等方法来减少随机 误差和系统误差对测试结果的影响。 精度分析的目的就是，找出误差对测试结果的影响程度， 以便得出科学、合理的数据。 (一)精度的含义 反映测试结果与真值接近程度的量，称为精度。它与误差 大小相对应，可用误差来衡量。

假人模拟实验一般采用暖体假人。它是由铜 制作，所以又叫铜人。暖体假人皮肤为黑色，形 状与大小和一般站立的成年人相当。 从20世纪 40年代开始许多国家相继建造了用于服装舒适性 与评价研究的暖体假人。它可以模拟真人服装的 穿着过程，能够反映整体服装的隔热性能，比较 准确的测量出服装的隔热值。也可以分段使用， 例如用铜手测定手套的隔热值，用铜脚测定靴子 的隔热值等。暖体假人可以经受任何实验环境， 可根据需要进行不间断的连续实验和多次重复实 验，无精神因素影响，实验结果稳定，误差较小。 它能够为服装设计、选材、工艺技术及服装生理 卫生学提供基本数据。


误差大，精度低；误差小，则精度高。 (1)准确度：由系统误差引起的测得值与真值的偏离程度。 (2)精密度：由随机误差引起的测得值与真值的偏离程度。 (3)精确度；由系统误差和随机误差共同引起的测得值与真 值的偏离程度。

精度分为下列三种：

(二)重复精度

重复精度是指多次测试结果间相一致的接 近程度，即随机误差的大小。
（二)设计原理框图
•热平衡是设计的最终目标。
三、系统组成
（一）本体系统

包括
外形壳体、关节连接、区段构造等。各区段用 关节连接，各关节均可活动，从而保证了暖体 出汗假人的多种姿态，并能独自稳定站立。 分为16个独立解剖区段，壳体由铜质材料制成。


内部有测温、发热系统，并采用阻燃、隔热、 稳定热流等技术。
（一）暖体出汗假人的服装热学性 能评价理论
1.暖体出汗假人的产热量

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当暖体出汗假人—服装—环境处于稳态热平衡 时，暖体出汗假人的产热量等于通过服装的散 热量。
tm d e cv r e
Фtm——暖体出汗假人的产热量，kw； Фd——人体通过服装表面的非蒸发散热量，kw； Фe——人体通过服装表面的汗液蒸发散热量，kw； Фcv——人体通过服装表面的对流散热量．klv； Фr——人体通过服装表面的辐射散热量，kw。


假人表面散失的干热流量(即对流散热量和辐射散 热量)，只与假人表面温度、形状及外界环境条件 有关，而与假人的表面湿润状态无关，而蒸发散 热量取决于表面的润湿状况，即
e 7.5 10 he Ae ( Pss Pa )

3
Фe——假人表面蒸发散热量，kw； he——蒸发换热系数．kw／(m2· Pa)； Pss——体表温度下的空气饱和水汽压力，Pa； Pa——周围空气的水汽压力，Pa； Ae——假人体表皮肤湿润面积，m2。

在试验过程中始终处于“表面湿态”，是实现假 人模拟出汗的关键点。
一、表面湿态的界定
(一)直接测定法

采用湿度传感器作为测试元件，将多个湿度传感 器安放在假人各区段表面。当相对湿度显示值接 近l00％时，就可认定假人已处于“表面湿态”。


近似判定假人表面的水蒸气是否饱和，不能反映表面 是否有水分滴落或流淌。 直观、简便 湿度值只能表示局部的湿度状态，不能代表区段的整 体湿度状态，测试结果有误差。 对湿度传感器的性能要求高。


出汗量与假人 产热量的关系

A点：出汗量为0时，没有汗液的蒸发，假人产热量为干热流量。 随着出汗量的增加，假人表面水汽含量逐渐增大，产热量也随之增加； Go：临界出汗量，假人表面水汽含量饱和，产热量达到最大值。人表 面水汽含量处于瞬时饱和状态。 Gmax：最大出汗量时，假人表面完全浸湿(水饱和) 。 Gmin为最小出汗量，它多出G0的水量应足以补充试验过程所蒸发的 水分。 适宜的出汗量应控制在Gmin~Gmax之间，保证假人处于“表面湿 态”。
第二节 暖体出汗假人的表面湿 态

测试服装透湿指数，要求全身表面湿空气饱和。

暖体出汗假人通过维持表面湿润来形成一个饱和湿空 气层。

表面湿润不够，不能达到表面湿空气饱和；

过于湿润，则会导致多余的水分洒落或流淌，引起被测 服装部分湿润。

要求试验过程中，假人应保持一定的“表面湿 态”：

出汗皮肤的表面水蒸气含量处于饱和状态； 同时出汗皮肤的含水量并未饱和。

2. 服装的热阻 当假人不出汗时，Фe＝0，服装的热阻 ：
Rcl Rt Ra

A (t t ) R 6.45
n 1 i n s a 1 tmdi
a
Rcl——服装热阻，clo； Rt——总热阻，clo； Ra——假人表面空气热阻，clo； ts——暖体出汗假人体表平均温度，℃； ta——环境温度．℃： Ai——假人区段体表面积，m2； Фtmdi——假人区段干态散热量，kw； n——测试服装覆盖的区段数。

(二)间接测定法 温度测定法

通过监测假人各区段表面温度的变化来维持整个假人 的“表面湿态”。
把表面湿润的假人近似为一个湿球温度汁，表面水分的 蒸发伴随着潜热交换。潜热交换的结果，使其润湿的表 面温度降低，直至稳定在一个比较恒定的范围，此时假 人湿润表面与外界保持动态平衡，即假人表面水蒸气饱 和。 只适合在假人没有加热的条件下使用，具有一定的局限 性。
三、出汗过程的理想动态描述

模拟出汗时，经历了一个从干态平衡到出 汗、湿态平衡、干燥，最后回到干态平衡 状态的动态变化过程； 相应地，假人的产热量表现出平稳、递增、 平稳、下降和平稳五个阶段。

第三节 暖体出汗假人的分析与评价 一、稳定性分析

当测试条件相对稳定时，一个系统能始终维持在 原先的平衡状态，或者说系统中每一个量值，随 着时间的推移而不发生变化，那么就可认为该系 统是稳定的。 在实际中，绝对的稳定是没有的，一般是根据系 统状态量的偏差是否始终处于某一给定的范围内 来评判。 假人的稳定性——表面温度、产热量波动较小， 空气层或服装热阻、透湿指数等指标具有良好的 一致性。


迄今为止，全世界共开发了50多种暖体假人， 其基本结构多是将假人本体分为若干段，选用某 种材料制成如真人般的人体模型(如图3—10)。暖 体假人按其制作材料可分为铜制暖体假人、铸铝 暖体假人、玻璃钢暖体假人，按其用途可分为干 热暖体假人、出汗暖体假人、可呼吸暖体假人和 可浸水暖体假人。 暖体假人的设计，必须建立在 大量的人体生理学和解剖学的基础数据上，首先 必须了解人体产热、散热、皮肤特性及皮肤温度 的变化规律，才能够用电子计算机实现暖体假人 的模拟控制。关于暖体假人的设计要求可以概括 为以下几点： (1)外表要符合人的几何形状； (2)体表面积接近国人平均个体(成年男人约 1．65m2)；

当外界环境条件和假人表面温度恒定时，Фe、 Фr 、he、Pss和Pa等参数将恒定不变。这样，只有 假人表面湿润面积Ae是一可变参数。

即假人的产热量将随着表面润湿面积的扩大而增加。

当出汗量增加到足以保证表面湿润时，假人的产热量将达到 最大值，以后即使增加出汗量，产热量也不会增加，面将保 持一个比较恒定的数值。
(二)温度控制系统

温度控制系统由加热装置、控制装置和数 据监控处理装置组成。
它是以计算机为中心的智能闭环温度调节 系统，具备测温、控温、计算、分析及示 警等功能。 具有恒定皮肤表面温度、恒定加热功率两 种控制模式。 自动计算被测对象的热阻与透湿指数。



(三)模拟出汗系统

模拟出汗系统则由供水装置、水恒温装置、 出汗管路和出汗皮肤组成。