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服装中的传热学和建筑环境学一、服装中的传热学传热学是一门应用性极强的基础学科，是研究由温差引起的热量传递规律的科学。热量传递是自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。在能源动力、化学工业、建筑工程、纺织服装等行业中存在着大量的热量传递问题，而且常常起着关键作用。传热学已经成为现代科学技术中充满活力的主要基础学科之一。人体始终处于新陈代谢过程中，只要人的生命在运转就需要不断的能量输入和代谢产物的排出。皮肤是代谢产物排到外界环境的一个重要路径，人体通过皮肤排出的代谢废物有油脂、汗（显汗、潜汗）、废气，以及不可见的热量散发等。织物制成服装覆盖在人体皮肤的表面，对于代谢产物的排出就形成了一道天然屏障，较之裸露的皮肤而言，在一定程度上阻碍了代谢产物及热量从皮肤表面排到外界环境中，其中影响最显著的就是汗，废气及热量的传递与排出。由此可见，传热学对于研究分析热量与水汽在织物或服装的传递具有十分重要的基础理论意义。热量传递有三种基本形式：导热、对流和热辐射。下面分别对它们在服装舒适性理论研究中的应用思路及设想进行阐述。1导热导热是指同一物体内部，或两个相互接触的物体之间无相对位移时，由于存在温度差Δt，而依靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动产生的热量传递过程。导热是日常生活中经常可以看到和感觉到的现象。人体内部组织与皮肤之间的热能传递（不括血流传热，血液流动传热属于对流散热），皮肤与衣服及座椅之间的热交换，人体表面与其周围边界层空气之间的热交换等都是导热。1．1导热系数导热系数是指单位温度梯度作用下，物体内所产生的热流密度。习惯上把导热系数小的材料称为保温材料。多孔性结构的材料由于内含导热系数相对较小的气体，所以常有较好的保温效果。服装是由纤维、纱线以及织物组成的多重意义上的多孔材料，如果设计合理的导热系数，将会对人体着装舒适性有重要意义。另外，多孔材料的λ受湿度影响较大，水的导热系数明显大于空气的导热系数，如果人体运动出汗时，面料由于吸水变湿，人体散发的热量不易导出将会导致人体感觉热而不适。1．2稳态导热稳态导热指物体的温度不随时间变化而变化的导热过程。服装覆盖在人体皮肤的表面，不可避免地与皮肤之间形成一定的空气层，既便是紧紧地贴伏在皮肤上，由于服装是多孔介质，表面凹凸不平，名义上互相接触的皮肤与织物表面实际接触仅发生在一些离散的面积元上。在未接触的界面之间的间隙充满了空气，热量以导热及辐射的方式穿过这些空气及织物层。在某一定环境条件下，人体皮肤维持在33℃的恒温，热量的传递是不变的，亦即在人体皮肤到服装之间的微气候的温度梯度是恒定的，从织物接触皮肤的一侧到织物接触外界一侧的温度梯度也是恒定的，整个导热过程处于稳态。由于空气和织物热性能之间存在着较大的差异，利用导热原理分析透过服装的热量传递就必须分为对微气候和织物两个部分的分析。1．3非稳态导热非稳态导热指物体的温度随时间变化而变化的导热过程。根据物体温度随着时间的推移而变化的特性分为两类：物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值及物体的温度随时间而作周期性的变化。当人从一个温度环境到另一个温度环境后，在一定的时间范围内，从皮肤到外界环境的导热为非稳态导热。人体透过服装热量的传递在外界环境无对流、无辐射的前提下基本上可认为是一维传递。这个传递过程最终达到平衡即稳态导热。在寒冷的冬天人们从气温极低的室外进入温暖的室内，或者在炎热的夏季从高温的室外进入凉爽的空调房间，都会引起环境温度的骤变。因此，分析环境温度骤变的情况下，在人体———环境———服装系统中，温度梯度在微气候及织物中的变化具有实际意义。2对流换热对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时的热量传递过程，并称之为对流换热。对流换热过程的热量传递由两种作用（对流、导热）复合而成。2．1温度边界层温度边界层即在固体表面附近流体温度发生剧烈变化的薄层。穿着服装的表面也有边界层。在外界环境无风或风速较小的状态下，边界层稍厚。在风速达到一定程度后，边界层随着风速的提高逐渐变薄。尽管边界层很薄，但织物外表面的温度必须经过边界层温度梯度的变化才能达到真正的外界环境温度。边界层的提出对于对流换热问题的分析求解也起到很大的作用。因此，要综合分析热量在人体———环境———服装整个系统中的传递，就必须考虑边界层在热量传递中的作用。2．2自然对流换热不依靠外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。自然对流换热包括有限空间和无限空间这两种形式。处于自然对流状态的空气因流速较低，所以，传热量较小。人体与服装之间以及服装夹层中微气候的对流换热问题均可视为有限空间自然对流换热来分析。夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度为特征长度的格拉晓夫数Gr（是浮升力与粘性力的一种度量）。当Gr极低时，换热依靠纯导热。随着Gr的提高，会依次出现向层流特征过渡的流动（环流）、层流特征的流动、湍流特征的流动。此外，除了自然对流以外，夹层的热量传递有时还有辐射换热，此时通过夹层的换热量应是两者之和。2．3强制对流换热由于有外力的作用，强制对流的流速一般都比较高，传热速度高，传热量大。对于人体运动或在有风的条件下产生的强制对流现象，可采用流体横掠圆管的分析方法进行分析。所谓横掠圆管，就是流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流体横掠圆管，除了具有边界层特征外，还要发生绕流脱体，而产生回流、漩涡、涡束。脱体起点位置，取决于雷诺数Re的大小。我们可把着装的人体抽象为五个圆管（躯干和四肢）。对于人体运动或在有风条件下的舒适性研究，就可看作横掠圆管的外部强制对流换热。2．4相变换热蒸汽遇冷凝结、汗液受热蒸发也属于对流换热的范围。与单相流体的对流换热相比，它们有一个新特点，即都是伴随有相变的对流换热。服装微气候中的水蒸汽在向外界环境扩散的过程中，若外部环境温度低于水蒸汽的饱和温度，便会在服装的内表面以及服装中纱线和纤维上产生凝结，由于服装面料为多孔介质，凝结液体不可能在壁面铺展成膜，形成珠状凝结。凝结放出相变热，同时形成的珠状凝结在一定程度上阻碍了热量的传递。皮肤表面积聚液态汗时，汗液一部分以液态的形式通过接触传输传递到外界环境中，另一部分则蒸发以气态的形式透过纤维和纱线的孔隙传递到大气中。汗液由液态转变为气态，蒸发吸收相变热。因此，水分蒸发可以起到散发体热、降低体温的作用。3辐射换热当原子内部电子受激和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这种以电磁波的形式传递能量的过程，称为辐射。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。当热辐射的能量投射到物体表面上时，发生吸收、反射和穿透现象。热辐射对服装材料的投射作用结果有三种：热辐射的一部分从材料表面被反射掉；一部分被吸收到材料内部中去；剩余部分透过。我们可以根据不同的环境，通过改变材料的性质来加强或减弱某种作用。例如从防暑角度来说，应尽量加大热反射，减少吸收及透过。热的反射与服装材料的表面状态有密切关系，表面光滑则反射较大；吸热程度与服装材料的颜色有很大关系，通常染色布比白色布吸热量多。在夏天，人们喜欢穿白色或浅色衣服的原理也在此。另外，空腔与内包壁面间的辐射换热，可用来模拟说明人体着装时，外层服装通过微气候与人体皮肤间的辐射换热情况。二、服装中的建筑环境学人体对热湿环境的反应理论是建筑环境学中的一个知识模块，目前，对于服装舒适性的研究主要集中在热湿舒适性方面，下面就来看看服装热湿舒适性评价方法研究。1织物舒适性客观评价方法的研究现状1.1织物热阻值和透气率对服装舒适性的影响织物的热阻值和透气率对服装的穿着舒适性是有一定影响的，好的热绝缘体具有高的热阻值，能够起到较好的保温作用。而透气率高的面料透气性好，能够加速外界与服装内气候的气体交换。1.2吸湿性芯吸能力干燥速度及延伸性所谓吸湿性是指织物表面对液态水的吸收速率，人体出汗时汗液如果不能被织物及时吸收，人体会感到不适，因此吸湿性是评价织物热湿舒适性的重要指标之一。芯吸能力是指所吸入的液态水在织物表面的扩散速度，一般来说芯吸力高的织物干燥速度快，织物将汗液从皮肤表面排到外界的速度快。延伸性是衡量服装舒适性的又一重要因素。延伸性好的织物可以有效地减小服装与人体的阻力，使衣物更具随意性和柔顺性，增加穿着的舒适感。1.3保暖性服装材料的保暖性是指材料阻止空气通过的能力,也就是阻止材料两面空气热交换的能力。冬装(包括严寒地区穿的服装)要有较强的保暖性,以防止人体被冻伤。服装材料的保暖性取决于纤维、纱线的结构,面料的厚度、疏密等,也就是取决于它们所含静止(不能流动的)空气的多少。例如:棉纤维有中腔,其中含有较多的静止空气;而羊毛纤维外面有较多的鳞片层,在鳞片层和皮质层之间含有较多的静止空气;腈纶纤维卷曲,富含静止空气;以及近几年开发出来的多孔棉,都是通过增加含气性来提高保暖性的,因此它们都有较好的保暖性。1.4透气性透气性是指气体透过织物的能力。因为人体皮肤每时每刻在进行呼吸,和外界进行气体的交换,时刻都有皮屑脱落、汗脂排出。从卫生学角度来说,服装材料的透气性,有利于面料内外气体的交换,有利于人体皮肤的新陈代谢。1.5柔软、光滑度柔软、光滑度是指服装面料对人体皮肤的触觉舒适性。面料越柔软光滑,人体感觉越舒适。尤其是内衣、睡衣以及其他紧贴肌肤的服装,柔软感是非常重要的。织物的柔软度与纤维品种、纱线的捻度、织物的组织和后整理等都有关系。如棉、丝天然织物,纱线的捻度越小,织物的组织越疏松,织物也就越柔软。经过起毛(绒)整理和柔软整理的织物也都较柔软。纤维刚性强,纱线捻度过大等都会使服装材料表面粗糙不光滑,容易造成皮肤的刺痒感,服装舒适性就降低。1.6伸缩性织物受外力作用后被拉伸,去除外力后能够恢复到原状态的能力称为伸缩性。服用织物应该具有一定的伸缩性,以有利于人体的基本活动。为了提高伸缩性,运动装、内衣等多采用氨纶弹力织物。氨纶在织物中大多是以包芯纱的形式出现的。利用特殊方式制成的化纤高弹织物也具有较好的伸缩性,使服装具有最佳的人体舒适弹性。1.7化学性能因素化学纤维与天然纤维相比,对人体舒适性的影响较大。不同的纤维纺成纱线,织成织物后,还需经一定的后处理及服装加工后才能到消费者手里,其间要使用一定的化学物质,经过染色、印花、后整理等过程。这些化学物质中有些对人体健康有一定的影响。服装材料应尽量选择天然纤维材料,特别是“绿色”纺织产品(如天然彩棉,不需染色,从而避免与化学染料的接触;罗布麻是绿色卫生保健的天然纤维材料),尽量选择不含或较少含化学物质和较少经过化学整理的材料。有时人体排泄出的汗液与染料作用,也会对人体皮肤产生一定的影响,而使服装的舒适性降低。1.8面料热量水分子移动特性对面料穿着舒适性的影响服装的保暖性能随着风速、服装内湿度的变化而变化。也就是说面料的热量及水分子移动方式对服装穿着时的凉爽度、温暖度有很大影响。日本有关专家通过KES-F7装置对面料的热量、水分子移动方式特性进行研究，主要测试接触冷暖感、定长热导率及保温性能，以此来评价面料性能。1.9服装微气候评价法原田隆司等人指出了服装小气候的概念，他认为在环境-衣服-人体系统中，把视点放在实际生活中各种环境条件下衣服的状况上，与此对应进行体温、耗氧量、出汗量等生理学方面的研究，其重点是人体之调节功能。在原田的这一理论基础上，许多学者把服装微气候作为研究热湿舒适性的基础，通过微气候仪等工具测量织物与模拟皮肤之间气候区的温度、湿度变化来反映织物对人体舒适感的影响。2服装热湿舒适性主观评价方法研究现状2.1生理学评价法服装生理学评价法是指通过人体在特定的活动水平和环境下，以穿着不同类型的服装对人体生理参数变化来评价服装舒适性的一种客观方法，是服装功效学的主要手段之一。其评价指标主要有:体温、代谢热量、出汗量、心率、血压等等。目前对人体出汗量方面的研究已经取得了一些进展。但是有人认为生理学方法可重复性差。2.2心理学评价方法心理学评价法即主观感觉评价法，在服装热湿舒适性的评价中，实验室服装穿着实验