交警夏季制服的熱學性能研究

李 莎 蔣銘媛 趙 巖 楊瑞梁 錢曉明

（天津工業大學，天津，300387）

警服是警察專屬使用的制式服裝。目前我國使用的 99 式警服是警察執勤時穿的常服［1?2］。交通警察由于其工作性質的特殊性，某些時段內不可避免需要暴露于戶外高溫環境下，而且不能隨意改變著裝及周圍微環境，因此更容易受到高溫環境的熱傷害。高溫天氣里戶外工作者的中暑現象不僅影響工作效率，更危及生命安全，因此如何避免高溫帶來的中暑等熱傷害是戶外職業熱防護的重要研究方向［3?4］。交警夏季戶外執勤過程中穿著的制服是人體與空氣之間熱濕傳遞的媒介，所起的作用包括隔熱和阻礙濕擴散，直接影響人體散熱散濕，影響著交警的舒適程度［5］。有文獻研究交警制服面料的防曬功能和款式設計，但對交警制服熱學性能方面的研究還比較少［6］。

GA 254—2009《警服 襯衣》和GA 258—2009《警服單褲》都沒有涉及警服的熱學性能。中華人民共和國公安部印發的《人民警察著裝范圍和供應標準的規定》中僅指出，交警夏季配發定點企業生產的滌棉短袖襯衣和單褲等。以天津為例，通過對夏季戶外18 名執勤交警不同值班時段的持續問卷調查，共獲得416 份有效問卷；其中，2019 年6 月主觀熱感覺投票集中在“熱”和“非常熱及以上”的為 68.6%，7 月為 82.3%［7］。我們在此基礎上以天津交警新配發的夏季執勤制服為研究對象，測試和分析警服及面料的熱濕性能，為設計或改進交警制服結構、面料等提供依據。

1 交警制服的熱學性能試驗

1.1 試驗設備

目前，出汗暖體假人是主要的客觀測量工具。本試驗采用Walter 出汗暖體假人測量交警夏季工作制服的熱阻和濕阻，外觀如圖1 所示，內部結構如圖2 所示［8］。Walter 出汗暖體假人能較為真實地模擬人的體溫調節系統，其中心溫度可控制在37 ℃±0.1 ℃，皮膚溫度可通過調節模擬血液循環系統控制在31 ℃～35 ℃內，可同時精確地檢測到假人身上的熱能損失和蒸發水量以及15 點皮膚溫度、7 點皮膚濕度、人體中心和環境的溫濕度，實現服裝熱濕舒適性的兩個最重要參數——熱阻和濕阻的同時測量。試驗在人工氣候室中進行，空氣溫度控制范圍為-20 ℃～50 ℃，精度±1 ℃；空氣相對濕度控范圍為45%～90%，相對濕度穩定度±5%；風速可控范圍為0～12 m/s，精度±0.1 m/s。空氣溫度、相對濕度、風速技術參數滿足1.5 m×1.5 m×2.3 m 范圍內假人活動區域。

圖1 Walter 出汗暖體假人外觀

圖2 Walter 出汗暖體假人內部結構

1.2 試驗過程和熱阻與濕阻的計算方法

試驗操作流程按照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》對服裝測試方法的要求，分別測量裸態假人和穿著交警執勤服時的熱阻、濕阻。試驗測定時人工氣候室環境工況：溫度20 ℃±1 ℃，相對濕度60%±5%，風速0～0.3 m/s。做試驗前將嶄新的交警制服懸掛至恒溫恒濕室調濕平衡24 h。試驗過程中，為了減少進入氣候室換裝的時間以避免影響氣候室環境參數的穩定與精確，在裸態基礎上采取長褲、長褲+短袖襯衫、長褲+反光背心、長褲+短袖襯衫+反光背心的試驗次序，試驗編號依次為 A1、A2、A3 和 A4，具體如圖3 所示。

圖3 氣候室中交警制服的測試圖

待暖體假人核心溫度達到37 ℃且保持穩定時，主界面中“Stable”亮起，此時數據監控系統開始自動記錄數據，每隔30 s 采集并保存一次皮膚溫度、空氣溫度、空氣相對濕度、加熱功率、蒸發水量，連續記錄1 h 后計算出熱阻和濕阻。透濕指數是一個無因次量，表明服裝的透濕性能，是服裝舒適性的另一重要指標；透濕指數越大，即服裝的透濕性能越好，在高濕環境中越容易維持人體的熱平衡。由于熱濕傳遞的耦合作用，在對服裝的透濕性能進行定量評價時，通常采用透濕指數Im和透濕指數與熱阻比值Im/Rcl進行綜合評定，Im/Rcl稱為蒸發散熱效能［9］。數據監控軟件由圖形化編程語言LabVIEW 編寫得到，主界面如圖4 所示。

圖4 Walter 出汗暖體假人的數據監控軟件主界面圖

2 試驗結果處理與分析

經過連續兩天的測量，得到假人在裸態及4種著裝狀態下的測量結果，見表1。

根據表1 數據，可計算得到交警執勤制服褲裝、襯衫、反光背心及套裝的熱阻、濕阻，并計算其對應的透濕指數，見表2。其中，熱阻Rcl為測試值，可換算成常用的熱阻Icl。

表2 制服熱學性能計算結果

其中，美國采暖、制冷與空調工程師學會的ASHRAE 55—2013 《Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》推薦的長褲、襯衫和套裝的熱阻分別為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》推薦的長褲、襯衫和套裝的熱阻值分別為0.20 clo、0.15 clo 和0.5 clo［11］。對比表2 可以看出 ，交警執勤制服的試驗測量熱阻均比兩個標準中的推薦值大。

濕阻作為服裝熱濕性能的另一參數，在高溫環境下人體與環境的熱交換中顯得尤其重要，但目前標準中并無這一參數的推薦值。ASHRAE 55—2013《Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy》中涉及到服裝套裝的透濕指數Im；本試驗測量得到交警制服套裝的透濕指數Im為0.242，較上述標準中推薦透濕指數0.36 小32.8%。

測試數據表明，交警制服的熱學性能參數不能滿足國際通用標準要求，這是目前交警夏季制服穿著舒適感差、容易受到熱傷害的原因之一。制服熱學性能參數不能滿足標準的原因與服裝版型、款式、面料的差異性等因素有重要關系，在實際應用時，不僅要用查表法參考標準要求，還需要采取直接測量的方法獲得更為精確的服裝熱學性能參數。由于目前試驗的制服熱學性能不能滿足國際標準要求，為此我們繼續探究其面料的熱學性能。

3 交警制服面料的熱學性能試驗

測試交警制服面料熱學性能參數，將其中褲裝面料（毛/滌綸50/50 斜紋）、短袖面料（滌綸紗卡）、背心網紋面料（全滌綸網紋）、背心反光條面料（反光材料）依次編號為 1、2、3、4，實物照片如圖5 所示。

圖5 交警制服面料式樣照

首先測量各面料的基本參數，利用YG141 LA 型數字式織物厚度儀測量厚度；利用電子天秤測量質量，計算織物單位面積質量。將各面料試樣放置于恒溫恒濕實驗室（空氣溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度60%±2%）調濕平衡24 h，利用YG（B）216?Ⅱ型織物透濕量儀測試透濕率［12］；利用 YG461 型織物中壓透氣量儀測試透氣率；利用平板式織物保溫儀測量保溫率、熱阻。測試結果見表3。

表3 交警制服各面料基本參數和熱學性能參數

如表3 所示，長褲、襯衫的面料均以滌綸為主，其熱阻均比成衣熱阻大，這可能是由于服裝成品存在一定的開口度，有微弱氣流在其中循環導致測量出的熱阻受到一定的影響。長褲面料和短袖襯衫面料的透濕率基本相同，與假人試驗測量得到長褲、短袖濕阻相差不大的結果相一致。反光背心是全滌綸網紋布和反光條拼接而成。網紋布的熱阻較小，且由于網紋結構的特殊性，其透濕率約是褲子面料和短袖面料的2 倍左右；反光條材料的厚度和單位面積質量遠超過其他面料，且不透濕、不透氣。

4 結論

采用Walter 出汗暖體假人測量了以天津市交警夏季執勤制服及其面料的熱學性能參數，試驗結果表明：實測的交警制服熱阻值均比相關標準中對應服裝款式推薦的熱阻值大，不能滿足國際通用標準要求，這是其穿著舒適感差、容易受到熱傷害的原因之一。實測交警制服套裝的透濕指數為0.242，比相關標準中對應服裝款式推薦透濕指數小，這是穿著不透氣的重要原因。長褲、襯衫面料均以滌綸為主，熱阻均比成衣熱阻大，而透濕率基本相同。反光背心是全滌綸網紋布和反光條拼接而成，網紋布的熱阻較小，其透濕率約是長褲和短袖襯衫面料的2 倍左右；反光條材料的厚度和單位面積質量遠超過其他面料，且不透濕、不透氣。未來我國的交警制服和面料設計應采用熱阻低、透濕指數高的面料，在服裝結構上也要從執勤交警的熱舒適角度出發進行優化設計，防止發生熱傷害。