微环境厚度对服装系统传热性能的影响#
张昭华1,2，王云仪1,3，李俊1,3**
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50876019)；教育部高等学校博士点学科点专项科研基金资助项目
(200802550009)
作者简介：张昭华，（1977-），女，讲师，主要研究方向：服装舒适性与功能
通信联系人：李俊，（1970-），男，教授，主要研究方向：服装人体工效学与功能防护服装. E-mail:
lijun@dhu.edu.cn
（1. 东华大学服装学院功能服装研究中心，上海 200051；
5 2. 常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164；
3. 现代服装设计与技术教育部重点实验室（东华大学），上海 200051）
摘要：位于人体皮肤与服装内表面之间的衣下空气层是着装人体向外环境传热的重要途径。
通过在人工气候室中重构热平板仪，测量了不同衣下空气层厚度时的面料表面温度，研究空
气层厚度与面料表面温度之间的相互关系。建立了模拟显热量从皮肤表面经过衣下空气层、
10 面料层向外环境传递的数学模型，分析衣下空气层厚度及环境条件对着装人体热传递的影
响。实验及模拟结果表明衣表温度随着衣下空气层厚度的增加而下降，但当空气层厚度达到
16mm 时，自然对流的出现加大了皮肤向面料内表面的传热量，导致衣表温度升高。环境温
度及风速与衣下空气层组合起来，共同影响人体通过服装系统向环境的散热量。
关键词：衣下空气层；平板仪；热流量；表面温度；服装；人体
15 中图分类号：TS 941.16
The Effect of Microcliate Thickness on Clothing System heat
transfer
ZHANG Zhaohua1,2, WANG Yunyi1,3, LI Jun1,3
20 (1. Protective Clothing Research Center，Fashion Institute of Donghua University,
ShangHai 200051;
2. Changzhou Textile & Garment Institute, JiangSu ChangZhou 213164;
3. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education, ShangHai 200051)
Abstract: The air gap between human skin and clothing inner surface is one of the most important
25 paths to transfer heat from human body to environment. By reconstructing the hot plate in a
climate chamber, the fabric apparent temperature with different microclimate thickness is tested
and the relationship between air gap thickness and fabric apparent temperature is studied. A
mathematical model is established to simulate the sensible heat originated from human skin is
delivered to environment through the air gap layer and the fabric. The effect of air gap thickness
30 on heat transfer from clothed human body is analyzed. Both experimental and simulated results
show that the clothing apparent temperature decreases with the air gap thickness, but the
temperature begins to rise when the air gap thickness reaches 16mm because the onset of natural
convection increases the heat loss from skin to fabric. The combination of environmental
conditions and air gap thickness affects the heat transfer through clothing system.
35 Keywords:microclimate; hot plate; heat flux; apparent temperature; clothing; human body
0 引言
衣下空气层是指位于人体皮肤与服装内表面之间的微小空气层。随着服装热湿舒适性研
究的深入，人们发现由于神经末梢处于人体皮肤内，而衣下空气层与人体皮肤直接接触，故
40 成为影响人体热湿舒适性的最直接因素。在“衣下微气层”的研究中，很多学者研究了衣下
空气层的气候特征，即空气层的温度、湿度、气流等的重要影响，如设计微气候测试仪，通
过模拟外界环境的变化，检测模拟皮肤与服装材料间的微气候及热湿传递情况。谌玉红等[1]
运用单片机原理研制了衣内微气候测量系统，用于测量微小气候区的平均参数。柯宝珠[2]
 通过改造出汗圆筒仪来测试织物微气候的动态热湿传递性能，能够模拟人体的躯干形态，进
45 行二维的传热传湿测试，更符合人体的实际穿着情况。在衣下空间的温度分布与热传递方面，
Kim 等[3]应用三维人体扫描仪分析了人体与防火服之间的空气间隙距离，从而研究了衣下空
气厚度与烧伤程度之间的关系，结果发现烧伤的严重程度随着空气层厚度的降低而增加。
Song[4]也应用三维人体扫描仪测量了不同号型防火服的衣下空气层分布，建立了烧伤模型与
空气层之间的关系，并使用数值模型预测达到最优防火性能时皮肤－服装间的空气层厚度。
50 Yunyi Wang 等[5]研究了衣下空气层与热生理舒适性的关系，使用三维扫描测量仪和红外热
像仪定量研究衣下空气层厚度及服装表面温度，从而分析了空气层厚度与热舒适性之间的关
系。
在由人体皮肤-面料-环境构成的服装系统中，人体向外界的干热传递通过衣下空气层、
面料层及边界空气层，涉及到导热、辐射、对流等传热机制。衣下空气层的厚度及环境温度、
55 风速均会对人体的热传递造成影响，进而影响服装的表面温度。通过分析衣下空气层厚度对
服装表面温度及热流量的影响，可客观评价服装系统的传热性能。
1 实验
1.1 实验材料
采用纯棉面料作为实验材料，将面料切割成大小为30cm×30cm 的正方形，并用胶条粘
60 附于分隔板上。分隔板的大小应与实验面料相同，厚度为模拟衣下空气层的厚度。经热平板
仪测试，实验面料的热阻为0.036(m2·K)/W。
1.2 实验装置
采用热平板仪-实验面料-人工气候室来模拟人体皮肤-面料-环境系统之间的热交换。热
平板仪采用温州大荣纺织标准仪器厂生产的YG(B)606D 平板式保温仪，其热板的温度可保
65 持在恒定的33℃左右。人工气候室可模拟各种不同的环境温湿度条件，环境温度及风速用
德国产Testo 425 风速仪监测。面料内、外表面温度采用RS 公司的薄膜铂电阻温度传感器
Pt100 进行连续采集，采样周期设定为30s。
1.3 实验流程
将热平板仪水平放置于人工气候室内，室内的温度控制在25℃，相对湿度50%，风速
70 0.1m/s。紧贴热板仪之上放置分隔板，其上粘附测试面料，分隔板的厚度从0 过渡到24mm，
以模拟人体皮肤与面料之间的不同衣下空气层厚度。面料的内、外表面分别用胶条粘附温度
传感器测量面料内、外表面的温度，每次试验均持续一个小时。
2 数值模型
建立了模拟人体皮肤-面料-环境系统热传递的数值模型。人体皮肤向外环境的显热传递
75 主要通过：1）衣下空气层的传导（对流）和辐射2）纺织面料层的热传递3）面料外表面边
界空气层的对流和辐射。
2.1 通过衣下空气层的热传递
2.1.1 衣下空气层的传导（对流）
位于皮肤与面料内表面之间的衣下空气层，其流动状态受两表面之间的温度差及空气层
 厚度的影响。Cain 80 和 Farnworth [6]于1985 年指出，在典型的情况下，当两表面的温度梯度
为5K，空气层厚度小于13mm，应按导热处理，超过此范围将会出现自然对流。传热学中，
当瑞利数(Rayleigh) Ra 小于其临界值1700 时，通过空气层的热量主要依靠导热，否则将出
现自然对流[7]。对流换热的强弱用努谢尔特数(Nusselt) Nu 表示：
Nu = 1 Ra ≤ 1700
85 Nu=0.059(Gr⋅Pr)0.4 1700 < Ra ≤ 7000
对流传热系数c h 为：
/ c a mc h =Nu⋅k L W/(m2·K)
则衣下空气层的导热（对流）热流量可表达为：
, ( ) mc con c s in q =hT−T W/m2
其中， s T 为热板温度K； in T 面料内表面温度K； mc L 衣下空气层厚度m； a 90 k 为空气
的导热系数W/(m·K)。
2.1.2 通过衣下空气层的辐射换热
两灰表面（热板和面料内表面）之间的辐射换热可表示为：
4 4
,
( )
1/ 1/ 1
s in
mc rad
s f
q T T
e e
σ −
=
+ −
W/m2
其中，σ 为斯蒂芬-波尔兹曼常数5.67×10-8 W/(m2·K4); s 95 e 是热板（皮肤）的发射率，
0.97 ; f e 是面料的发射率0.8。
因此，通过衣下空气层的总热流量为：
mc mc,con mc,rad q =q +q W/m2
2.2 通过面料层的热传递
100 通过面料层的显热可用下式表示：
,
in out
f t
f
q T T
R
−
= W/m2
其中， out T 为面料外表面温度K； f R 为面料的热阻(m2·K)/W，可用平板仪测量得到。
2.3 通过面料外表面边界空气层的热传递
面料外表面通过边界空气层向环境的显热传递包括辐射和对流传热。
105 2.3.1 面料外表面与环境的辐射换热
根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，面料外表面与环境间的辐射热可表示为[8] ：
4 4
, ( ) a rad f out a q =σeT −T W/m2
其中， a T 为环境气温K。
2.3.2 面料外表面与环境间的对流传热
110 流体流动的原因有两种，一种是流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流
动，称为自然对流；另一种是流体在外力如风的作用下产生的流动，称为受迫对流。
 对于热面朝上水平壁（面料外表面）的自然对流，其努谢尔特数Nu 表示如下[9] ：
2 3
1/3 ( )
c 0.1( p out a )
a a
Nu h l C g T T l
k k
ρ β
μ
−
= =
从方程左右两边消去定型尺寸l ，可得到对流传热系数c h ：
2 2
1/3 ( )
0.1[ p out a ]
c
C k g T T
h
ρ β
μ
−
= W/(m2115 ·K)
发生受迫对流时流体在壁面上的流态（ 层流或紊流） ， 由临界雷诺数
(Reynold) Re / a =u ⋅l v确定，其中， a u 为环境风速m/s。此时的努谢尔特数可表达为：
Nu = 0.664Re0.5 Pr1/3 Re < 5×105
Nu=(0.037Re4/5−870)Pr1/3 5×105≤Re<107
120 则受迫对流时的传热系数为：
/ c a h =Nu⋅k l
因此，面料外表面与环境间的对流换热可表示为：
, ( ) a con c out a q =hT −T W/m2
于是面料外表面与环境间的总换热量为：
a a,rad a,con q =q +q W/m2 125
在稳态条件下，通过衣下空气层、面料层、边界空气层的热流量应达到相互平衡，即：
mc f a q =q =q。在皮肤与环境温度已知的条件下，可求出不同空气层厚度下的面料内、外
表面的温度和热流量。
3 分析与讨论
130 3.1 衣下空气层厚度的影响
在环境温度25℃，皮肤温度33℃，风速0.1m/s 的条件下，衣下空气层厚度与棉织物内
表面温度（靠近皮肤一侧）的关系如图1 所示。从中可看出，实验结果与模型预测值有较好
的吻合度。随着衣下空气层厚度的增加，面料内表面温度逐渐下降，但下降的幅度在12mm
处开始趋缓，当空气层厚度达到16mm 时，面料内表面温度反而开始上升。此时Ra =1738，
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