服装舒适性2

服装舒适性（二）天津工业大学钱晓明教授人体热调节系统人体是一个复杂恒温系统，新陈代谢和体温的相对稳定是维持人体正常生命活动的基本保证，人体产热和体温调节是研究服装热舒适的生理学基础。只有了解和认识了人体的热调节机制，才能科学地研究和评价服装的热舒适性。新陈代谢是一切生物体所共有的基本生理特性，也是人体生命活动的基础。新陈代谢是指生物体与外界环境之间进行物质交换，并且在体内进行物质转化的过程[1]。它包括两个方面：一方面是机体不断从外界环境中摄取营养物质，合成机体自身成分，并储存能量，称为同化作用；另一方面是机体分解自身成分，释放其中的能量，供机体生命活动需要，最后将代谢产物排出体外，称为异化作用。一个健康的成年人静坐时保持舒适状态时的新陈代谢率为58.15W/m2[2]。人体从事某项活动时的新陈代谢率可以通过测量人体的耗氧率得到，然后由氧热价换算成新陈代谢率[5]：式中:M——新陈代谢率，W/m2；EE——氧热价，Wh/L；RQ——呼吸商；VCO2——标准状态下的二氧化碳排出量，L/h；VO2——标准状态下的耗氧率，L/h；A——人体体表面积，m2。呼吸商取决于人的活动水平、进食以及所处的环境条件。在一般情况下，人进食混合食物时，呼吸商大约为0.85，因此，氧热价可取5.68Wh/L。A1VEEMO2××=5.880.77)RQ(0.23EE×+×=O2CO2VVRQ=体表面积目前国际上最常用的是DuBois公式[2]：式中:A——人体体表面积,m2；Hb——人体身高,m；Wb——人体体重，kg。该公式适用于欧美人的体表面积计算，中国人的体表面积可由下式计算[29,30]：（男性）（女性）式中:Hb——人体身高,cm。0.725b0.425bHW0.202A××=0.0698W0.0127H0.00607Abb−×+×=0.0461W0.0126H0.00586Abb−×+×=人体体温虽然一年四季有气候的变化，但人必须维持体温恒定才能生存。维持人体体温恒定主要依靠调节向环境散热的速度或散热量，最基本的途径有两条，第一是依靠人自身的体温调节能力，第二是增减衣服。前者称为人的热生理调节，后者属于人的行为调节，两者缺一不可[10]。人体各个部分的温度并不相同。人体内部的温度，称为体核温度或核心温度。人体与外界环境直接进行热交换的部位主要是体表，体表温度通常称为皮肤温度。在一般情况下核心温度总是高于皮肤温度，并维持相对稳定。皮肤温度可随着人体的活动水平，环境气候和着装情况的不同而发生变化[13]。这种变化是为了维持体内温度相对稳定，是一种很重要的体温调节功能。TheenergybalancebetweenhumanbodyandenvironmentThehumanbody,consideredasathermaldynamicsystem,producesmechanicalworkandlowtemperatureheat,usingfoodandoxygenasinput.F.M.Butera(1998)statesthatthehumanthermoregulationsystemrequires,inhealthyconditions,tomaintainaconstantinternaltemperaturearound37±0.5centidegree,otherwisethefunctionalityofimportantorganslikeliver,spleen,etc,maybeseverelydamaged.Bodytemperatureabove40°Cmaintainedformanyhoursleadtoabreakdownofthethermoregulatorysystem.Bodytemperaturebelow36°Cforadurationleadtoaweaknessofmuscular.二、体热平衡的调节体热平衡的调节是产热与散热之间的协调过程，从实质上讲，这是由温度感受器、中枢神经和体温调节效应器官来实施的。温度感受结果刺激神经或激素，使人体产生反应。人体调节体热平衡的手段有两个，分别是生理调节和行为调节。(一)生理调节是指通过自律神经或激素进行的体温调节:当外界温度较高时，皮肤内的大多数血管扩张，血流量增加，皮肤温度升高，因而由皮肤直接散发的热量增多。与此同时，汗液分泌增多，通过汗液的蒸发，又从体表带走一些热量。当外界温度较低时，寒冷时颤栗、汗毛竖起、皮肤内的大多数血管收缩，血流量减少，皮肤温度降低，由皮肤直接散发的热量减少。与此同时，汗液分泌减少，从而使人体散热减少。这样，可保持人的体温正常。自律性体温调节是一种高进化机能，但它的能力范围却很有限，常常需要行为调节的帮助。（二）行为调节是指自律性神经调节力不能及时调节时，人所采用的辅助手段。行为调节包括伸展或卷缩身体、洞穴、树荫、水池、建筑物、风扇、空调和服装等很多种形式。服装是行为调节中最重要的方式之一。人体向周围环境的放热属于物理性体温调节，通过传导、对流、辐射和蒸发这四种方式进行。其中，蒸发是通过皮肤和呼吸器官的水分蒸发进行的放热，故称湿性散热（潜热），传导、对流和辐射称干性散热（干热）。一个健康的成年人在气温21°C，相对湿度50%和风速0.1m/s的室内，静坐且保持舒适状态时，新陈代谢率为58.15W/m2[2]。此时人体散热中对流占38%（其中呼吸对流为1.7%），辐射占37%，蒸发占25%（其中皮肤占17%，呼吸占8%）[15]。人体、服装、环境对四种散热方式的影响因素方式环境因素服装或介质因素人体因素传导温度差材料或空气层的热阻人体表面温度对流气温和风速防风性能和服装的密闭程度暴露部分与服装覆盖部分的比率，表面温度辐射环境物体的表面温度、空气温度；物体表面的立体角、辐射率辐射率，表面温度暴露部分、服装覆盖部分的比率，表面温度蒸发空气中的水蒸气压力，温度和相对湿度水蒸气的扩散阻力，透湿指数，服装的润湿面积表面温度和润湿面积GeometryofclothedhumanbodyW.A.LotensandG.Havenith(1991)describedthatthehumanbodyiscomprisedof13cylindricalelementswithcharacteristiccurvatureandsurfaceareaforthevariousbodypartsasthefollowingfigure.GeometryofclothedhumanbodyZhiJianKangetal(2001)dividedthebodyinto15cylindricalelements.Inthemostcommoncase,theclothedbodyistreatedwithcylindricalelement,butsometimessomeportionsofthebodyareconsideredasaplatform.人体-服装-环境能量和物质当着装人在有风的环境中活动（如行走）时，由于身体和服装的相对运动和风的穿透作用，造成服装微气候内的温暖潮湿的空气通过服装开口处与外部环境空气进行交换，从而造成物质与能量的转移；另一方面人体表面的热量和汗水通过服装以热对流、热辐射、热传导、水汽的扩散与对流以等方式与外部环境进行热与湿的交换，过程中，组成服装的服装面料（多孔高分子材料）中将视外界不同的环境条件伴随着吸湿、放湿或是蒸发、凝聚等现象。当人体感受到冷或热时，人体的温度调节系统将通过舒缩血管调节流向皮肤的血流、或是在皮肤上发汗（降温）或是引起肌肉打颤（升温）起作用，改变人体的热湿状态，以便适应环境。服装微气候皮肤Tsk,Psk内核37oCTCR，M血流风穿透微气候与环境的空气交换做功出汗外部环境Ta,Pa做功（如行走）呼吸热湿交换热传导、对流、辐射吸放湿凝聚水汽扩散与对流ThefundamentalsofheatandmasstransferHeat(Q)isakindofinternalenergiesstoredinanysystem.There’retwokindsofheatinnature,sensible(dry)heatandlatentheat.Dryheattransferinaclothingsystemisinducedbyconduction;convectionandradiation,latentheattransferinaclothedsystemisinducedbytheevaporationand/orcondensationofsweat.Heatisatransientquantity,itdescribestheenergytransferprocessthroughasystemboundaryresultingfromtemperaturedifferent.Ifthereisnotemperaturegradient,thereisnoheattransfer.[FrankP.IncroperaandDavidP.Dewitt(1996)]ThelawofconservationofenergyThelawofconservationofenergy(thefirstlawofthermodynamics)Asystemorcontrolvolume,aregionofspaceboundedbyacontrolsurfacethroughwhichenergyandmattermaypass,mustbeidentifiedfirst.Energycanneitherbecreatednordestroyed,itcanonlybechangedinform.Ataninstant(t):therateatwhichthermalandmechanicalenergyentersacontrolvolume,plustherateatwhichthermalenergyisgeneratedwithinthecontrolvolume,minustherateatwhichthermalandmechanicalenergyleavesthecontrolvolumemustequaltherateincreaseofenergystoredwithinthecontrolvolume.Overatimeinterval:theamountofthermalandmechanicalenergythatentersacontrolvolume,plustheamountofthermalenergythatisgeneratedwithinthecontrolvolume,minustheamountofthermalandmechanicalenergythatleavesthecontrolvolumemustequaltheincreaseintheamountofenergystoredwithinthecontrolvolumestoutginEEEE∇=−+ststoutgindedtdEdedede≡=−+TheenergybalanceequationforhumanbodyInordertokeepthebodytemperatureconstant,therateofheatenergygenerationofthebodymustbeequaltotherateofheatenergylossfromit.Fanger(1970)describedtheenergybalancebetweenmanandenvironmentinperunitbodysurfaceareaasfollows:WhereS=therateof