交警夏季制服的热学性能研究

李 莎 蒋铭媛 赵 岩 杨瑞梁 钱晓明

（天津工业大学，天津，300387）

警服是警察专属使用的制式服装。目前我国使用的 99 式警服是警察执勤时穿的常服［1⁃2］。交通警察由于其工作性质的特殊性，某些时段内不可避免需要暴露于户外高温环境下，而且不能随意改变着装及周围微环境，因此更容易受到高温环境的热伤害。高温天气里户外工作者的中暑现象不仅影响工作效率，更危及生命安全，因此如何避免高温带来的中暑等热伤害是户外职业热防护的重要研究方向［3⁃4］。交警夏季户外执勤过程中穿着的制服是人体与空气之间热湿传递的媒介，所起的作用包括隔热和阻碍湿扩散，直接影响人体散热散湿，影响着交警的舒适程度［5］。有文献研究交警制服面料的防晒功能和款式设计，但对交警制服热学性能方面的研究还比较少［6］。

GA 254—2009《警服 衬衣》和GA 258—2009《警服单裤》都没有涉及警服的热学性能。中华人民共和国公安部印发的《人民警察着装范围和供应标准的规定》中仅指出，交警夏季配发定点企业生产的涤棉短袖衬衣和单裤等。以天津为例，通过对夏季户外18 名执勤交警不同值班时段的持续问卷调查，共获得416 份有效问卷；其中，2019 年6 月主观热感觉投票集中在“热”和“非常热及以上”的为 68.6%，7 月为 82.3%［7］。我们在此基础上以天津交警新配发的夏季执勤制服为研究对象，测试和分析警服及面料的热湿性能，为设计或改进交警制服结构、面料等提供依据。

1 交警制服的热学性能试验

1.1 试验设备

目前，出汗暖体假人是主要的客观测量工具。本试验采用Walter 出汗暖体假人测量交警夏季工作制服的热阻和湿阻，外观如图1 所示，内部结构如图2 所示［8］。Walter 出汗暖体假人能较为真实地模拟人的体温调节系统，其中心温度可控制在37 ℃±0.1 ℃，皮肤温度可通过调节模拟血液循环系统控制在31 ℃～35 ℃内，可同时精确地检测到假人身上的热能损失和蒸发水量以及15 点皮肤温度、7 点皮肤湿度、人体中心和环境的温湿度，实现服装热湿舒适性的两个最重要参数——热阻和湿阻的同时测量。试验在人工气候室中进行，空气温度控制范围为-20 ℃～50 ℃，精度±1 ℃；空气相对湿度控范围为45%～90%，相对湿度稳定度±5%；风速可控范围为0～12 m/s，精度±0.1 m/s。空气温度、相对湿度、风速技术参数满足1.5 m×1.5 m×2.3 m 范围内假人活动区域。

图1 Walter 出汗暖体假人外观

图2 Walter 出汗暖体假人内部结构

1.2 试验过程和热阻与湿阻的计算方法

试验操作流程按照ASTM F 1291―2005《Standard Test Method for Measuring the Ther⁃mal Insulation of Clothing Using a Heated Mani⁃kin》和 ISO 9920―2007《Ergonomics of the Ther⁃mal Environment―Estimation of Thermal Insula⁃tion and Water Vapour Resistance of a Clothing Ensemble》对服装测试方法的要求，分别测量裸态假人和穿着交警执勤服时的热阻、湿阻。试验测定时人工气候室环境工况：温度20 ℃±1 ℃，相对湿度60%±5%，风速0～0.3 m/s。做试验前将崭新的交警制服悬挂至恒温恒湿室调湿平衡24 h。试验过程中，为了减少进入气候室换装的时间以避免影响气候室环境参数的稳定与精确，在裸态基础上采取长裤、长裤+短袖衬衫、长裤+反光背心、长裤+短袖衬衫+反光背心的试验次序，试验编号依次为 A1、A2、A3 和 A4，具体如图3 所示。

图3 气候室中交警制服的测试图

待暖体假人核心温度达到37 ℃且保持稳定时，主界面中“Stable”亮起，此时数据监控系统开始自动记录数据，每隔30 s 采集并保存一次皮肤温度、空气温度、空气相对湿度、加热功率、蒸发水量，连续记录1 h 后计算出热阻和湿阻。透湿指数是一个无因次量，表明服装的透湿性能，是服装舒适性的另一重要指标；透湿指数越大，即服装的透湿性能越好，在高湿环境中越容易维持人体的热平衡。由于热湿传递的耦合作用，在对服装的透湿性能进行定量评价时，通常采用透湿指数Im和透湿指数与热阻比值Im/Rcl进行综合评定，Im/Rcl称为蒸发散热效能［9］。数据监控软件由图形化编程语言LabVIEW 编写得到，主界面如图4 所示。

图4 Walter 出汗暖体假人的数据监控软件主界面图

2 试验结果处理与分析

经过连续两天的测量，得到假人在裸态及4种着装状态下的测量结果，见表1。

根据表1 数据，可计算得到交警执勤制服裤装、衬衫、反光背心及套装的热阻、湿阻，并计算其对应的透湿指数，见表2。其中，热阻Rcl为测试值，可换算成常用的热阻Icl。

表2 制服热学性能计算结果

其中，美国采暖、制冷与空调工程师学会的ASHRAE 55—2013 《Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》推荐的长裤、衬衫和套装的热阻分别为0.15 clo、0.19 clo 和0.57 clo［10］；ISO 7730—2005《Ergonomics of the Thermal Environment Analytical Determinationand Interpretation of Thermal Comfort Using Cal⁃culation of the PMV and PPD Indices and Local Thermal Comfort Criteria》推荐的长裤、衬衫和套装的热阻值分别为0.20 clo、0.15 clo 和0.5 clo［11］。对比表2 可以看出 ，交警执勤制服的试验测量热阻均比两个标准中的推荐值大。

湿阻作为服装热湿性能的另一参数，在高温环境下人体与环境的热交换中显得尤其重要，但目前标准中并无这一参数的推荐值。ASHRAE 55—2013《Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》中涉及到服装套装的透湿指数Im；本试验测量得到交警制服套装的透湿指数Im为0.242，较上述标准中推荐透湿指数0.36 小32.8%。

测试数据表明，交警制服的热学性能参数不能满足国际通用标准要求，这是目前交警夏季制服穿着舒适感差、容易受到热伤害的原因之一。制服热学性能参数不能满足标准的原因与服装版型、款式、面料的差异性等因素有重要关系，在实际应用时，不仅要用查表法参考标准要求，还需要采取直接测量的方法获得更为精确的服装热学性能参数。由于目前试验的制服热学性能不能满足国际标准要求，为此我们继续探究其面料的热学性能。

3 交警制服面料的热学性能试验

测试交警制服面料热学性能参数，将其中裤装面料（毛/涤纶50/50 斜纹）、短袖面料（涤纶纱卡）、背心网纹面料（全涤纶网纹）、背心反光条面料（反光材料）依次编号为 1、2、3、4，实物照片如图5 所示。

图5 交警制服面料式样照

首先测量各面料的基本参数，利用YG141 LA 型数字式织物厚度仪测量厚度；利用电子天秤测量质量，计算织物单位面积质量。将各面料试样放置于恒温恒湿实验室（空气温度20 ℃±2 ℃，相对湿度60%±2%）调湿平衡24 h，利用YG（B）216⁃Ⅱ型织物透湿量仪测试透湿率［12］；利用 YG461 型织物中压透气量仪测试透气率；利用平板式织物保温仪测量保温率、热阻。测试结果见表3。

表3 交警制服各面料基本参数和热学性能参数

如表3 所示，长裤、衬衫的面料均以涤纶为主，其热阻均比成衣热阻大，这可能是由于服装成品存在一定的开口度，有微弱气流在其中循环导致测量出的热阻受到一定的影响。长裤面料和短袖衬衫面料的透湿率基本相同，与假人试验测量得到长裤、短袖湿阻相差不大的结果相一致。反光背心是全涤纶网纹布和反光条拼接而成。网纹布的热阻较小，且由于网纹结构的特殊性，其透湿率约是裤子面料和短袖面料的2 倍左右；反光条材料的厚度和单位面积质量远超过其他面料，且不透湿、不透气。

4 结论

采用Walter 出汗暖体假人测量了以天津市交警夏季执勤制服及其面料的热学性能参数，试验结果表明：实测的交警制服热阻值均比相关标准中对应服装款式推荐的热阻值大，不能满足国际通用标准要求，这是其穿着舒适感差、容易受到热伤害的原因之一。实测交警制服套装的透湿指数为0.242，比相关标准中对应服装款式推荐透湿指数小，这是穿着不透气的重要原因。长裤、衬衫面料均以涤纶为主，热阻均比成衣热阻大，而透湿率基本相同。反光背心是全涤纶网纹布和反光条拼接而成，网纹布的热阻较小，其透湿率约是长裤和短袖衬衫面料的2 倍左右；反光条材料的厚度和单位面积质量远超过其他面料，且不透湿、不透气。未来我国的交警制服和面料设计应采用热阻低、透湿指数高的面料，在服装结构上也要从执勤交警的热舒适角度出发进行优化设计，防止发生热伤害。