“Walter”出汗暖体假人测试服装热湿传递特性的报告

“Walter”暖体假人测试服装热湿传递特性的报告
王发明 1，胡锋 2，周小红 2，范金土 3，王善元 1
1 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海（201620） 2 浙江理工大学先进纺织材料与制备教育部重点实验室，浙江杭州（310018）
3 香港理工大学纺织制衣系，香港红堪
4. 结论
文章报告了在香港理工大学和浙江理工大学，分别采用“Walter”出汗暖体假人，测试了 在设置相同的实验环境下，测试了 3 组不同着装方案的服装的热湿传递特性，研究分析了实 验结果的一致性。得到如下结论：
1）在相同的环境条件下，3 组不同着装方案分别在浙江理工大学与香港理工大学测试 的结果基本一致。
2）暖体假人 Walter 模拟人体通过服装及其空气附面层的干散热，占总散热量的比例介 于 35%~40%之间。
参考文献
[1].谌玉红，姜志华，倪济云等。 出汗假人及其应用[J]。天津工业大学学报，2004（5）：102-104。 [2].张军。服装舒适性与出汗假人[J]。中国个体防护装备，2001。 [3].张谓源主编。服装舒适性与功能[M]。北京：中国纺织出版社，2005。 [4]. J. Fan, Y. Chen, W. Y Zhang. A Perspiring Fabric Thermal Manikin: Its Development and Use [C]. Proceedings of the Fourth International Meeting on Thermal Manikins, 2001. [5]. Walter-Perspiring Fabric Manikin Measurement System Version 3.0 User Manual [M].2005. [6]. Y. S. Chen, J. Xu, Jintu Fan. Passive and Active Water Supply to Perspiring Manikin [C]. Thermal Manikin and Modeling, 2006: 227. [7]. Fan J, Qian X M. New Functions and Application of Walter, the sweating Fabric Manikin [J]. Eur J Appl Physiol, 2004,92(6).641－644. [8].及二丽，郑智毓，周小红，王善元。环境温湿度对服装热湿传递特征的影响[J]。青岛大学学报（工程技 术版），2006（4）：6-9。
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的暖体假 人“牛顿”。暖体假人“牛顿”的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 F1291 和 ISO/DIS 15831 标准，“牛顿”的脚踝、肘部、膝部和臀部都可以转动， 用于调节人体各种姿势。“牛顿”设计身高为 175cm，身体表面积为 1.8 ㎡，重 30Kg。
2
全棉休闲衬衣
尺寸：003M(S-XL)
全棉休闲衬衣长裤 尺寸：W36，L27
3
全棉针织 T 恤衬衣
尺寸：M(XS-XL)
全棉休闲衬衣长裤 尺寸：003M(S-XL)
浙江理工大学实验室（ZSTU）测试 着装方案 3 时的场景
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3.3 实验数据
计算机记录了皮肤表面温度、环境温度和相对湿度、消耗功率、蒸发出汗量和服装热阻、 湿阻，见表 2 所示。
出汗量 出汗量 蒸发散热量
g/h
g/m2.d W
239.8 3215.2 161.1
285.7 3830.6 192.0
315.6 4231.5 212.1
255.2 3421.7 171.5
289.9 3886.9 194.8
332.3 4455.4 223.3
干散热量 W
102.9 115.3 145.8 103.1 111.1 132.1
以认为在 5%的显著水平下，在浙江理工大学测试的热阻和湿阻数据与在香港理工大学测试 的热阻和湿阻数据是基本一致的。
服装热阻[6]计算如下：
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Rd =
A × (ts − ta ) Hd
H = Hd + He
(1)
He = E ×Q
式中：Rd 服装热阻(℃.m2/W)； A 假人的体表面积(1.79m2)；ts 假人皮肤的温度(℃)；ta
(2)
E×Q
式中： Re 服装湿阻(Pa.m2/W)； ps 假人皮肤表面的水蒸气压(Pa)； pa 环境的水蒸气压 (Pa)； psf 温度 ts 下假人皮肤表面的饱和水蒸气压(Pa)； paf 温度 ta 下环境的饱和水蒸气压
(Pa)； RH s 假人皮肤表面的相对湿度(%)； RH a 环境的相对湿度(%)。
2. 暖体假人的研制状况
北卡罗来纳州立大学纺织护理与舒适中心与芬兰 VTT 技术研究中心通过技术交换开发 的暖体出汗铜人。该出汗铜人通过对身体的 18 个部分独立控制加热；能够通过 187 条汗腺 在中心产生可控的湿气来模拟出汗，最大出汗量为 200g/(㎡.h)，在生理上相当于人体每小时 出汗 350g；膝盖、臀、肘和肩关节均可以自由活动；可以连续地检测服装在变化的气候条 件和模拟运动水平下的热、湿损耗量。
在 5%的显著水平下，对 3 组服装组合的热阻和湿阻进行 t 检验，检验结果见表 3。
服装组合 1 2 3
热阻 湿阻 热阻 湿阻 热阻 湿阻
表 3 组服装组合的 t-检验结果
Tab3. T-test results of three clothing ensembles
统计量︱t︱
tα ,n
1.13
鉴于暖体假人模型能够在设定的环境条件下，可高精度、重复地模拟人体、服装和环境 三者间的热湿交换过程，科学地测试和评估服装整体或局部的热湿传递性能，并可在真人无 法试验的极端环境条件下进行服装的热湿传递性能试验。然而，暖体假人在世界上数量较少， 他们的设计与测试方法在各实验之间存在差异[2]，造成同种服装利用暖体假人在不同实验室 测试出的服装热阻、湿阻就有可能存在较大的变化。
3.1 测试用服装
表 1 为测试用服装，1 号着装方案为全棉针织 T 恤衬衣、全棉针织拉链外套和涤纶长裤； 2 号着装方案为全棉休闲衬衣和长裤；3 号着装方案为全棉针织 T 恤衬衣和全棉休闲长裤。
3.2 实验环境设置
实验环境分别设置(20±2)℃、相对湿度为(65±4)%、香港理工大学测试环境的风速为 0.22m/s，而浙江理工大学测试环境的风速为 0m/s。
东华大学研制的暖体假人及其气候室，先后用于南极服、低温防寒服的开发研制[3]。并 与航天医学工程研究所共同研制和开发了新型的姿势可调的暖体出汗假人。该假人已成为中 国第一个用于研究舱内航天服的暖体出汗假人，其姿势及形态均以中国航天员的体型标准定 制。
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环境温度(℃)； E 水的汽化热(W·h/g)； Q 假人的蒸发出汗量(g/h)； H 假人的总散热量(W)；
H d 假人的干散热量(W)； H e 假人的蒸发散热量(W)。
服装湿阻[6]按以下公式计算：
Re
=
A× ( ps − He
pa )
= A × ( psf × RH s − paf × RH a )
暖体假人的中心温度控制在 37℃。
着装 方案 1
着装组合描述
表 1 测试用服装 Tab1. Clothing ensembles used for measurement
全棉针织 T 恤衬衣
全棉针织拉链外套
涤纶长裤
尺 寸 ： 03M （ S-EL ） 尺 寸 ： 003M(S-XL) 尺寸：M(29-30)(S-XL)
19.2
71.1
268.4
239.8
35
18.9
60.3
312.6
285.7
34.7
18.4
74.9
364.0
315.6
35.9
21.4
70.5
278.6
255.2
35.72Biblioteka .369.6310.5
289.9
35.6
21.4
71.1
360.6
332.3
热阻 ℃.m2/W 0.28 0.254 0.210 0.252 0.234 0.192
修正后的实际干散热量、干散热比例、蒸发散热量见表 4。
实验 序号 浙江理工大学 浙江理工大学 浙江理工大学 香港理工大学 香港理工大学 香港理工大学
总散热量 W 1 268.4 2 312.6 3 364.0 1 278.6 2 310.5 3 360.6
表 4 实验数据分析 Tab4. Analysis of experimental data
香港理工大学研制的暖体出汗假人“Walter”是世界上第一台用水和特种织物制作的暖体 出汗假人[4]。特种防水透湿织物将整个水循环系统包含在其中，水循环系统模拟人体的血液 循环系统，把躯干部分中心区域加热的水按一定比例分配给头部和四肢，以模拟人体的整个 温度分布；整个假人的皮肤，由含有微孔结构的 PTFE 膜的 GORE-TEX 织物制成。
验室测试的数据， uPolyu 在香港理工大学实验室测试的数据）；
2） 计算标准差 S x =
s 和统计量 t = x ZSTU − uPolyu ；
n
S x
3） 比较结果，得出结论。若 t ≥ tα ,n ，接受 H1：uZSTU ≠ uPolyu ，拒绝 H0：uZSTU = uPolyu ； 反之，则拒绝 H1 ，接受 H0 （取显著水平α = 0.05 ，自由度 n=3； t0.05,3 = 3.18 ）。
湿阻 Pa.m2 /W 37.2 31.9 24.8 34.40 29.00 23.40
由于热阻和湿阻是衡量服装热湿舒适性最主要的两个指标，且考虑到两个样本量（n1=3， n2 =3）较小，于是对表 4 中的数据进行假设检验（t 检验），检验的步骤如下：
1） 提出假设：H0： uZSTU = uPolyu ；H1： uZSTU ≠ uPolyu （ uZSTU 为在浙江理工大学实
3.18
1.54
3.18
1.05
3.18
2.74
3.18
0.50
3.18
1.78
3.18
结论
接受 H0 ，拒绝 H1 接受 H0 ，拒绝 H1 接受 H0 ，拒绝 H1 接受 H0 ，拒绝 H1 接受 H0 ，拒绝 H1 接受 H0 ，拒绝 H1
由表 3 可以得到， t ≤ tα ,n ，即接受 H0： uZSTU = uPolyu ，拒绝 H1： uZSTU ≠ uPolyu 。可
1. 引言
在人体、服装与环境三者之间复杂的热湿交换过程中，服装在人体与环境之间既起到导 热和去湿作用，又起到隔热、隔湿作用。导热去湿作用指的是人体向周围环境散热散湿或从 周围环境得到热量和水分，而隔热隔湿作用则指阻碍这种热、湿的传导。随着科学技术日益 进步和人民生活水平的提高，人们对服装的保暖、透湿、透气等性能提出了更高的要求，服 装的热湿传递性能已经成为影响服装穿着舒适性的关键因素之一，也是决定特种防护服、运 动服等特殊功能服装使用性能的主要因素[1]。因此国内外的研究者都致力于改进服装的热湿 传递性能，在服装传热传湿基本概念、测试方法和评价指标等方面做了大量的研究工作。
序号
1 浙江理工大学 2 浙江理工大学 3 浙江理工大学 1 香港理工大学 2 香港理工大学 3 香港理工大学
表 2 计算机记录的实验数据 Tab2. Experimental data recorded by the computer
皮肤温度 环境温度 环境湿度 总散热量 出汗量
℃
℃
%
W
g/h
35.3
干散热比例 %
38.34 36.87 40.05 36.99 35.78 36.62
由表 4 可以看出，假人的干散热量占总散热量的比例大致介于 35%~40%之间，这与及 二丽[8]等人在先前的研究结果（假人的干散热量占总散热量的比例为 40%~45%）是基本一 致的。
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E-mail：wfm@
摘 要：文章报道了在香港理工大学和浙江理工大学，分别采用“Walter”出汗暖体假人，在 设置相同的实验环境下，测试了三组着装，它们分别为全棉针织 T 恤衬衣、全棉针织拉链 外套和涤纶长裤；全棉休闲衬衣和长裤；全棉针织 T 恤衬衣和全棉休闲长裤，热湿传递特 性，分析了实验结果的一致性及存在的差异。试验结果表明：在相同的环境条件下，3 组不 同着装方案分别在浙江理工大学与香港理工大学测试的结果基本一致；暖体假人“Walter”模 拟人体通过服装及其空气附面层的干散热，占总散热量的比例介于 35%~40%之间。 关键词：暖体出汗假人；热湿传递；气候室；服装舒适性
用35℃时水的汽化热0.672W.h/g，由公式(1)计算假人的蒸发散热量，并得到干散热量， 结果列于表6。
由于在实验中假人不断散发的水气从体外水箱补充，水温近似环境温度，导致加热补充 水而增加散热量，实际干散热应除去修正项[7]：
H d = H − 0.672 * Q − 0.001161* Q * (Ta − Te ) (3) 式中： Te 为假人中心温度，37℃。
“Walter”暖体假人已在浙江理工大学等实验室运行。
3. “Walter”出汗暖体假人的测试报告
事实上，暖体假人个体之间、所在实验室环境都会造成实验结果出现差异，对制定标准， 并根据标准评价服装热湿舒适会带来一些困惑。文章报道了在浙江理工大学和香港理工大 学，采用“Walter”出汗暖体假人的测试报告。