基于模拟实际应用场景下服装保暖性能无损测试研究

保暖性是服装服用性能中基本性能指标之一。现有国家标准对于保暖性的测试按照原理分为平板法、蒸发热板法和暖体假人法[1-3]，其中平板法和蒸发热板法适用于织物和半成品，不能全面反映服装成品的保暖性，而且这两种测试方法中的环境条件（温度20℃、湿度65%）与实际应用场景不一致，其无法体现在不同环境条件下的保暖性能；另外，蒸发热板法测试时一般厚度不能超过30mm，不适用较厚的保暖成衣；暖体假人法适用于保暖服装成衣，又可模拟消费者实际穿着环境，是目前服装成衣保暖性测试最科学和客观的方法，然而现有的暖体假人法没有对男女款假人分类[4]，无法全面体现不同型号人体在实际服用过程中的保暖性能。此外，通过热阻、湿阻等测试指标表征保暖性，一方面消费者对这些复杂的指标理解较为困难；另一方面因其影响因素较多而且量程有限，均会对其测试结果的准确度产生影响。因此，如何能够以简单直观的方式，准确地评估服装成衣在各种不同环境条件下的保暖性能是目前科研工作者研究的热点[5]。

本文以羽绒服产品的保暖性测试为例，选取不同工艺条件下的羽绒成衣作为研究对象，通过构建不同温度下的环境条件，对羽绒成衣在两种不同号型的男、女款暖体假人上进行热量数据采集保暖性测试，同时对在不同环境温度下羽绒成衣保暖性能进行人体主观测试试验，将人体对保暖的主观评价和暖体假人的热量客观量化数据进行对应，系统评估不同工艺条件下羽绒成衣的保暖性能，为羽绒服的开发和研究提供依据和参考。

1 试验仪器与样品

1.1 试验仪器

1.1.1 暖体假人

自制，暖体假人是模拟人体与环境间热交换过程的仪器设备，其胸围、头部、手臂等主要尺寸的几何造型符合真人群体统计数据的平均值。本文研究对象为羽绒成衣，所用的男、女款暖体假人均取上半身，其基本参数见表1。

表1 男、女款暖体假人上半身基本参数

暖体假人上半身各分区表面皮肤温度独立控制，各分区温度被加热到一个恒定温度，其温度应与正常人体各部位的表面皮肤温度相近。

1.1.2 环境气候仓

自制，环境气候仓的有效空间为（3×3×3）m3；环境温度范围为-35℃～40℃，每个温度下波动为±2℃。

1.1.3 温度传感器

暖体假人的皮肤表面温度和内部温度测量用传感器是热电偶点式温度传感器，其厚度小于3mm；每一分区放置3个温度传感器，最终显示的温度数值是3个温度传感器数值的平均值；温度测量误差小于0.2℃。

气候仓内放置环境温度传感器3只，分别放置在距暖体假人周围1.5 m的非等高间隔位置处，温度传感器精度优于0.2℃。

1.2 试验样品

试验用羽绒成衣样品由某品牌公司提供，羽绒成衣样品为男款和女款羽绒服，基本参数：号型为175/96A和165/88A、颜色为黑色、面料/里料成分为100%涤纶、填充物均为白鸭绒、含绒量为80%，其他具体基本参数见表2。

表2 羽绒服试样基本参数

2 试验测试

2.1 羽绒成衣平均功率客观测试

2.1.1 基本原理

采用平均功率法测试和评价羽绒成衣保暖性能的基本原理是：在模拟人体—服装—环境之间热交换达到稳态后，单位时间内要维持人体正常皮肤表面温度需要发出或消耗的能量，即周期内需要输出的平均功率，其是一个周期内供热电源发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值。其基本方程为公式（1）：

式（1）中：Pa为平均功率，W；pi（t）为瞬时功率，W；U（t）为瞬时电压，V；I（t）为瞬时电流，A；T为周期。

2.1.2 测试步骤

（1）将环境气候仓开启达到测试温度，将暖体假人置于环境气候仓中至假人表面皮肤温度与测试环境温度一致后，将调湿后的样品穿着于暖体假人上，测试样品与暖体假人贴合且无褶皱。

（2）穿着样品的暖体假人加热至进入动态热平衡后，至少每5 min检测和记录一次环境温度和平均功率，这种状态保持30 min以上。

（3）对于调湿后的同一样品需重复穿脱测试3次，每次测试时间间隔至少15 min。

2.2 羽绒服成衣主观评价测试

2.2.1 基本原理

在一定稳态环境下，受试个体穿着成衣样品后，在规定的时间内获得生理和心理上的冷热感，通过热感觉量表（表3）进行等级评价，得到受试群体中热感觉评价等级为-1、0和1的个体占总受试群体的比例，即热感觉舒适概率，热感觉舒适概率值即为成衣保暖主观评价结果。其计算公式（2）为：

PTC为热感觉舒适概率，%；ni为表示某一给定等级的答复数，i=1,2,3,4,5,6,7。

在稳态环境下，将受试个体的热感觉特征分为一个对称的、具有双极的七级分度（见表3），中点为中性点，从中性点向两极方向随强度增加而各分为3个等级。

表3 热感觉量表

2.2.2 测试步骤

（1）受试个体通过5杯很冷、冷、舒服、热、很热的水进行主观体验，体验5种不同温度下感觉，统一评价标尺；然后统一穿着标准内衣和羽绒服在20℃环境下静坐10min。

（2）受试个体穿着成衣样品进入环境气候仓后静止站立，待受试个体表面皮肤温度和环境气候仓温度稳定5min后开始主观测试，每隔5min按照热感觉量表（表2）记录一次主观测试结果，正常情况这种状态必须保持30 min，其间若出现热感觉量表中的两极情况则立即停止测试。

（3）每个样品至少需要7个受试个体进行主观评价测试。

3 结果与讨论

3.1 暖体假人内部温度对羽绒服成衣平均功率测试结果的影响

暖体假人对服装平均功率的测定，是一个动态平衡的调节过程，即当暖体假人—服装—环境三者之间热交换达到稳态时，要维持人体正常皮肤表面温度需要输出的平均功率。由于暖体假人本体是一个立体的三维空间结构，因此热平衡状态不仅要求各部分皮肤表面温度达到稳定状态，而且也要求暖体假人本体内部温度达到稳定状态。本文针对暖体假人各部分皮肤表面温度和内部温度达到热平衡状态进行分析，同时考察暖体假人内部温度对羽绒成衣平均功率测试结果的影响。选取试验环境温度为-5℃、240g男款羽绒成衣，研究在-5℃下男款暖体假人穿上羽绒成衣后肩部皮肤表面温度（设定温度为36℃）和内部温度达到热平衡状态过程，以及暖体假人内部温度对羽绒成衣平均功率测试结果的影响，结果如图1和图2所示。

图1 暖体假人热平衡过程图

图2 暖体假人内部温度对羽绒成衣平均功率测试结果的影响

从图1和图2可以看出，暖体假人在达到一个热平衡状态时，其需要经过三个阶段，变温阶段——暖体假人各分区部位表面皮肤温度以较快和平衡的态势升至设定恒温点附近，并维持在恒温点±1℃的范围之内，暖体假人内部温度则随着各分区部位表面皮肤温度的升高和环境温度的降低而变化；调温阶段——暖体假人各分区部位表面皮肤温度正常维持在恒温点±0.5℃的范围内波动，而暖体假人内部温度的变化随着内部热量的蓄满逐渐趋于稳定，而此时平均功率值还会随着内部温度的变化而变化；平衡阶段——暖体假人各分区部位表面皮肤温度维持在恒温点±0.1℃的范围内波动，基本保持不变，暖体假人内部温度也达到了稳定值，暖体假人—服装—环境三者之间热交换真正达到了一个热平衡状态，此时平均功率的值也达到了稳定值。因此只有当内部温度达到稳定时才进入热平衡状态，此时测出的平均功率值才能真实反映出服装成衣保暖性能，这样也就消除了内部蓄热或欠热引起的结果误差。

3.2 不同环境温度下羽绒成衣平均功率客观测试分析

当环境温度低于人体正常表面皮肤温度时，人体的热量会流失，温差越大，人体热量流失得越快，感觉越冷。保暖是为了减缓人体热量的流失速度，使人体保持恒温，羽绒成衣起的就是这样的作用；人体感觉最舒适的基本条件就是维持人体的热平衡，即人体自身产热量与向环境散失的热量之间能量交换达到平衡，当羽绒成衣内的温度高于人体温度时，人体已无法正常散热就会出汗等造成不舒适感。因此，在一定环境温度下，羽绒成衣要达到最佳的保暖又舒适的效果，对其羽绒的充绒量是有一定要求。

本文通过对冬季全国各地平均气温分布数据进行分析，选取了4个具有特征性环境温度点（-25℃、-15℃、-5℃和5℃），研究在各个环境温度下，男款和女款羽绒成衣的保暖性能，具体测试方法和步骤见2.1，结果如图3所示。

图3 不同环境温度下男、女款羽绒成衣保暖性能客观测试分析

从图3可以看出，在环境温度为5℃、-5℃、-15℃和-25℃时，当暖体假人内部温度和表面各部位温度达到稳定时，平均功率均随着羽绒服充绒量的增加而减小，说明随着羽绒服充绒量的增加，单位时间内维持人体正常皮肤表面温度所需要消耗的能量越小。同时，在环境温度为5℃时，针对男、女款羽绒服，当充绒量达到120g时，其对应平均功率值分别为25.0 W和26.0W，再增加羽绒克重，其对应的平均功率相差不大，说明此时羽绒服可以明显减缓人体热量的流失速度，使人体保持恒温状态，保暖性能良好。同上推理分析，在环境温度为-5℃、-15℃和-25℃时，当暖体人体—服装—环境之间达到一个热交换平衡时，男、女款羽绒服在达到最佳保暖性能时，其对应的平均功率和充绒量如表4所示。

表4 不同环境温度下男、女款羽绒服最佳充绒量和平均功率关系

3.3 不同环境温度下羽绒服成衣保暖性能主观评价分析

羽绒服成衣保暖性能主观评价是指通过人体在特定的环境下，以穿着不同种类服装时生理参数的变化来评价服装成衣保暖性能的一种方法，其能够直接真实地反映穿着人员（消费者）实际体验。

为了试验数据的准确度和稳定性，本试验选用年龄为23～28周岁的男[身高(175±5)cm、体重(75±2)kg]和女[身高(160±5)cm、体重（50±2）kg]各7名作为受试个体，进行4个具有特征性环境温度点（-25℃、-15℃、-5℃和5℃）下羽绒服成衣的保暖性能主观测试评价，具体测试方法和步骤见2.2，测试评价结果见图4所示。

图4 不同环境温度下男、女款羽绒服成衣保暖性能主观评价分析

从图4可以看出，在环境温度为5℃时，针对男款羽绒服，当充绒量为60g、80g和100g时，受试对象的热感觉舒适概率PTC为0、0%和14%，即受试对象感觉是不舒适的；而当充绒量大于等于120g时，受试对象的热感觉舒适概率PTC均为100%，即受试对象感觉是舒适的，这与上述男款羽绒服成衣保暖性能客观测试分析结果吻合一致。

针对女款羽绒服，当充绒量为60g、80g和100g时，受试对象的热感觉舒适概率PTC均为0，即受试对象感觉是不舒适的；而当充绒量大于等于120g时，受试对象的热感觉舒适概率PTC均为100%，即受试对象感觉是舒适的，这也与上述女款羽绒服成衣保暖性能客观测试分析结果吻合一致。同理通过分析可知，在环境温度为-5℃、-15℃和-25℃时，男、女款羽绒服成衣保暖性能主观评价分析与上述客观测试分析结果均吻合一致。

4 结论

（1）在不同环境温度下，通过暖体假人对平均功率的测定来评估成衣保暖性能时，只有当暖体假人内部温度达到稳定时，此时测出的平均功率值才能真实反映出服装成衣保暖性能，这样就消除了内部蓄热或欠热引起的结果误差。

（2）在不同环境温度下，通过对男、女款羽绒服成衣保暖性能客观测试分析可知：羽绒服成衣的保暖性能和平均功率呈反比关系，平均功率随着羽绒服充绒量的增加而减小，当充绒量增加到一定程度时，在增加羽绒克重，其对应的平均功率相差不大，此时羽绒服成衣的保暖性能最佳。

（3）在不同环境温度下，通过对男、女款羽绒服成衣保暖性能主观评价分析可知：对不同充绒量的男、女款羽绒服，受试对象的热感觉舒适概率PTC值与不同充绒量的男、女款羽绒服成衣保暖性能客观测试分析结果吻合一致。

（4）结合羽绒服成衣保暖性能客观测试分析结果和主观评价分析结果，说明采用平均功率法来测试和评价羽绒服成衣的保暖性能可真实反映出人体在不同环境条件下的保暖性需求，满足消费者对服装舒适性的要求，具有理论上和实践上的科学性和合理性，其对企业在产品创新开发方面具有指导性作用，也对规范和提升纺织服装生产企业质量水平具有重要意义。