礦工服濕潤程度對其熱阻的影響

楊恩慧， 劉何清， 唐 炫， 柳光磊， 夏衛東

(湖南科技大學資源環境與安全工程學院， 湘潭 411201)

1 引言

空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度和空氣流速4 個環境因素以及人體新陳代謝、衣物的熱阻是影響人體熱舒適的重要因素[1]。 礦井工人處于由井下空氣、工作服裝及人體構成的氣候環境中，礦工服是人體與環境進行熱濕傳遞的重要媒介，大量的汗液導致礦工服被潤濕，汗液會破壞棉纖維。 由于礦工作業的特殊性，礦工服被浸濕后并不能及時更換，停止工作后吸收了汗液的工作服會使人體感到涼意，進入低溫的新鮮風流巷道內會感到格外寒冷。 其原因是服裝潮濕導致熱導率增加，服裝的熱阻發生了改變[2]。 潮濕服裝會嚴重影響服裝穿著舒適性能，且皮膚長時間處于濕冷狀態，容易引發健康問題。 因此，研究礦工服熱阻隨濕潤程度變化的規律對改善人體熱舒適性，保障人員健康具有重要意義。

目前國內外對服裝面料熱阻進行了大量的研究。 郜琳[3]利用智能平板式織物保溫儀測算出17 種織物汗濕熱阻，研究了人體出汗后，汗濕服裝面料的保暖性能，濕潤后織物熱阻變小，織物潤濕性對保暖性有很大的影響；王云儀等[4]采用暖體假人研究了著裝方式的3 個關聯因子對服裝隔熱性能的影響，發現面積覆蓋率與服裝熱阻呈現顯著正相關，通風指數與服裝熱阻呈現顯著負相關，表面積變化率對服裝熱阻影響不大；Morrissey等[5]使用暖體假人在不同行走速度(0，1 km/ h，2.5 km/h)下測試了具有相同的不透氣外層，但隔熱層不同的兩件服裝總熱阻，結果顯示高滲透率隔熱層的服裝通過輻射進行的熱傳遞更多，且可能在衣服層之間形成自然對流，高隔熱材料的使用可以用來制造更舒適的服裝；童興[6]采用暖體假人對4 個不同礦區工作服的熱阻進行了測試，結果表明丁集礦與安居礦的工作服熱阻較為接近，比其他兩個礦井工作服總熱阻要小，煤礦工作服穿用1 年后熱阻變化很小，煤礦工作服不同部位局部熱阻差異較大。 由此可知，在符合相關規定條件下，可考慮在熱阻較大區域進行衣物透氣設計，以改善礦工熱舒適性。

目前的研究多關注服裝面料、服裝本身因素、環境因素對服裝熱阻的影響，人體出汗導致服裝不同的濕潤程度對礦工服熱阻的影響研究尚少見報道。 本文在人工環境艙內，通過簡易暖體假人平臺，研究干燥、純水潤濕和汗液潤濕3 種狀態下礦工服面料及礦工服熱阻變化規律，為礦井工人熱舒適評價提供參考。

2 方法

2.1 熱阻計算

根據傳熱學原理可知，人體散熱分為顯熱散熱與潛熱散熱(蒸發散熱)，通過暖體假人消耗功率可以得到人體總散熱量。 經服裝通過對流換熱及輻射換熱散發的熱量為人體顯熱散熱，服裝汗液蒸發帶走的熱量為人體的蒸發散熱。

服裝熱阻計算公式見式(1)、式(2):

式中，Wa為單位時間內水分蒸發所吸收的熱量，即服裝蒸發潛熱量，W/m2；M為單位時間蒸發水量，g/s；As為人體皮膚表面積，m2；hp為水在皮膚溫度下的蒸發潛熱，kJ/g，皮膚溫度為30～35 ℃時，水的蒸發潛熱為2.428 kJ/g。It為服裝熱阻，m2·℃/W；tsk為皮膚表面平均溫度，℃；ta為環境溫度，℃；Qi為假人與外界進行濕熱交換的總熱量，W/m2；H為單位表面積人體顯熱散熱量，W/m2。

服裝濕阻計算公式見式(3)[7]:

式中，Iet為服裝濕阻，Pa·m2/W，Psk為皮膚溫度對應的飽和水蒸氣分壓，Pa；Pa為環境溫度對應的水蒸氣分壓。

單位面積內服裝的綜合熱阻計算公式為式(4)[8]:

式中，Re為服裝的綜合熱阻，m2·℃/W；ΔT為織物內外表面間的溫差，℃。

根據ISO9920 標準測量服裝熱阻的規定可知:皮膚溫度范圍為32～34 ℃，室內溫度需比皮膚溫度低12 ℃，相對濕度為30%～70%，風速小于0.15 m/s，穩定時間≥20 min，因此，根據此標準設計工況。 設定假人皮膚溫度tsk＝33 ℃，環境溫度ta＝(21±0.3)℃，相對濕度為50%±4%，風速為<0.15 m/s。 假人與外界進行濕熱交換的總熱量Qi通過安捷倫34901A(美國)數據采集模塊測量，分別通過公式(2)～(4)計算服裝熱阻It、濕阻Iet和綜合熱阻Re。

2.2 實驗材料

實驗選擇12 件純棉的礦工服及其純棉面料，使用FEI Q45 掃描電鏡測量出織物厚度。 編號1～3 為新礦工服面料(Ⅰ)，面料厚度0.5 mm；4～6號為山西晉城某煤礦的新礦工服(Ⅱ)，厚度0.8 mm；7～12 號為貴州某煤礦的舊礦工服(Ⅲ)，厚度1.0 mm。 根據實驗需要將礦工服及純棉布料裁剪為與暖體假人合適的尺寸。

實驗分清水和汗液兩種情況測量不同濕潤礦工服的熱阻。 人體汗液主要成分為含有0.9%氯化鈉的液體、脂肪酸及尿素[9]。 使用模擬汗液進行汗濕服裝實驗，模擬的汗液采用含有0.9%氯化鈉及少量油漬的水。 服裝汗濕量是通過控制服裝的含水量來得到(即服裝被汗液潤濕后的重量與干燥時的重量之差)。

完全濕潤面料的實現方法如下:首先將礦工服所有部分全部浸入常溫(鹽)水中，再將礦工服置于紗網上自然風干至不滴水狀態，可保證礦工服各部位濕潤均勻，然后對服裝進行稱重。 不同面料完全濕潤狀態下吸水(汗)量經稱重，Ⅰ號礦工服面料完全潤濕時含水(汗)量為134 g，Ⅱ號礦工服完全潤濕時含水(汗)量為375 g，Ⅲ號礦工服完全潤濕時含水(汗)量為325 g。

2.3 實驗設備及實驗環境

2.3.1 環境艙及環境參數控制系統

為了模擬測量熱阻所需熱環境，實驗在人工環境艙內進行。 人工環境艙本體尺寸4.2 m×3 m×2.6 m，艙體由不銹鋼金屬板制成，艙內設有4個傳感器，用以監環境艙內的溫濕度工況。 艙內環境溫度控制范圍為-15～50 ℃，波動程度≤±0.5 ℃；空氣相對濕度控制范圍為30%～95%，精度±2%。 環境艙內配有電控設施、監控系統以及數據傳輸系統。 艙內相關熱環境參數可由電腦系統設定與調整，保證環境參數的穩定性。

為確保實驗過程中實驗工況準確性，利用HUMICAP ?手持式溫濕度測量儀(配備HMP76和HMP77 探頭)測量環境艙內溫濕度，采用一等水銀溫度計校準環境艙內溫度。

2.3.2 暖體假人

實驗使用自制的簡易暖體假人實驗平臺，包括暖體假人本體、控制系統和數據采集系統三部分，用于模擬真人皮膚溫度。 如圖1 所示，假人本體包括裝滿水的圓柱體鋁桶，鋁桶厚度為3 mm，高度和直徑均為30 cm，電加熱絲功率為2500 W，攪拌器轉速經實際實驗確定， 設置轉速為150 r/min，使桶內水溫均勻。 暖體假人控制系統包括PT100A 級溫度傳感器和AI-601 人工智能溫控器，PT100A 級溫度傳感器測量范圍為-200～850 ℃，精度為±(0.15+0.002×|t|)℃，t為實際溫度；溫控器的控制范圍為-80～300 ℃，控制精度為±0.1 ℃。 溫控器的作用為調控PT100A級溫度傳感器反饋的水溫，使水溫保持穩定。

圖1 暖體假人Fig.1 Thermal manikin

2.3.3 數據采集及數據測量

數據采集系統包括貼于鋁桶體表的T 型溫度傳感器與安捷倫34901A。 使用安捷倫34901A測量T 型溫度傳感器電流值，用于獲取假人的消耗功率。 設置安捷倫34901A 每隔1 min 進行一次電流數據讀取，連續記錄30 min，獲取實驗過程中不同時間的傳感器溫度值和電加熱絲的電流值。 實驗數據分析時，將得到的相對穩定的30 min實驗數據，依據功率變送器的功率與輸出電流成線性關系原理[10-11]，將所得的電流值換算為功率，電加熱絲加熱功率為2500 W，而控制系統顯示屏顯示的電流值最大為20 mA，所以按照20 ∶2500 ＝1 ∶125 的比例換算，因此記錄傳感器的電流值可得到假人的消耗功率。

干燥服裝與汗濕服裝的質量由WTC10002 萬特電子天平測量，水的質量則使用ES-100KT-5 型精密電子秤測量。

2.4 實驗程序

調節環境艙熱濕環境參數，等待實驗工況穩定，當環境艙內達到所需環境條件(溫度:21 ℃，濕度:50 %，風速<0.15 m/s)后，開始啟動暖體假人電源。 待假人皮膚溫度達到設定溫度并保持穩定30 min 后，將濕潤或干燥礦工服圍在假人外表面，保證其完全覆蓋，如圖2 所示。 然后打開安捷倫34901A，設定時間間隔1 min，開始自動記錄假人的總消耗功率，30 min 后停止，將服裝取下稱重，記錄服裝蒸發所消耗水分(使用電子天平對實驗前后的汗濕服裝進行稱重)以得到蒸發散熱量，完成一組數據采集。 重復上述過程，繼續記錄不同濕潤度的服裝重量，直到服裝完全干燥，結束實驗。 濕潤程度為100%情況下為完全潤濕狀態，隨著服裝水分的蒸發，濕潤程度不斷減小。

對于干燥工況熱阻測定，每完成一組數據測定，需要將服裝取下，靜置于環境艙內，將服裝抖動、冷卻再進行二次實驗，每組服裝測量3 次，取3 次測量值的平均值。

3 結果

3.1 干燥礦工服的熱阻實驗結果

為更直觀分析熱阻變化，對每組數據按服裝分類取平均值，圖3 為完全干燥的不同種類服裝的熱阻結果。 從圖中可看出:

圖3 干燥礦工服的熱阻Fig.3 Thermal resistance of dry miner’s clothing

1)Ⅰ號新礦工服面料熱阻最小，與Ⅱ號礦工服熱阻差為0.455 m2·℃/W，較Ⅲ號礦工服熱阻差為0.121 m2·℃/W，因為單純的面料在厚度及款式方面較正式的服裝有所差別，一般而言，服裝面料的厚度越大，其熱阻就越大，這是因為當其他條件不變時，厚度的增加，織物內部經緯紗線的交織長度也會隨之增加，而經緯紗線的交織長度與熱阻呈現正比關系[12]，因此服裝面料的厚度最小，其熱阻也最小。

2)Ⅲ號舊礦工服的熱阻比Ⅱ號新礦工服熱阻小(差值為0.334 m2·℃/W)，原因是舊礦工服經過長時間的穿著、洗滌、磕碰、摩擦以及粉塵汗液的污染，服裝填充物及內部的纖維組織部分被破壞，隔離空氣的能力變差，導致服裝內部空氣流動更為劇烈，加快了與外界的換熱。

3.2 純水潤濕礦工服的熱阻實驗結果

圖4 為純水潤濕服裝的實驗結果。 由于礦工服面料的大小及厚度較礦工服而言要小，因此被潤濕后礦工服面料到達完全干燥狀態的時間要短一些，面料從完全濕潤狀態到完全干燥用時2.5 h，礦工服用時3.5 h。 從圖中可看出，隨著濕潤程度的增大，曲線一直在下降，濕潤程度為100%時礦工服熱阻最低。 由圖4 可以得知:

圖4 純水潤濕礦工服的熱阻Fig. 4 Thermal resistance of miner’s thermal clothing wetted with pure water

1)在等環境溫度、相對濕度、風速的情況下，礦工服面料及礦工服被純水潤濕后，其熱阻均降低，是因為服裝氣孔被水分子填滿，水的熱傳導率高于空氣的熱傳導率[13]，因此服裝熱傳導率增加，熱阻降低；隨著含水量減少，此時水分子主要以結合水和中間水狀態存在于纖維表面，熱阻增大。

2)濕潤程度為100%時，Ⅱ號新礦工服熱阻均值為 0.271 m2·℃/W， 干燥后熱阻為0.62 m2·℃/W，增加了0.347 m2·℃/W，增長幅度較大。

3)Ⅲ號舊礦工服被純水潤濕后，其熱阻均值為0.17 m2·℃/W，然后隨著水分的蒸發，熱阻逐漸增大，增大至0.285 m2·℃/W。相比新礦工服熱阻，舊礦工服熱阻增加幅度較小，是因為新服裝內部纖維未被破壞，而舊服裝經過多次洗滌和被粉塵的污染，服裝內部纖維空隙被粉塵等物質填充，水分子的影響作用較小。

3.3 汗液潤濕礦工服的熱阻實驗結果

汗液潤濕后濕潤程度與礦工服熱阻之間的關系如圖5 所示。 與純水相比，汗水所包含的成分更多，汗液中包含氯化鈉、尿素、脂肪酸等，這些物質會破壞服裝面料部分纖維[14]。 由圖5可知:

圖5 汗濕礦工服的熱阻Fig.5 Thermal resistance of sweat wetted miner’s clothing

1)當濕潤狀態為完全濕潤狀態時，3 種服裝的熱阻均達到最低值，是因為汗水分子侵入面料纖維空隙中，增大熱傳導率，同時，汗水中的脂肪酸及尿素開始破壞面料纖維，使得纖維之間空隙增加，水分子占據的空間增加，導致其熱阻迅速降低；隨著汗濕量減少，礦工服纖維中的水分蒸發，空氣含量增加，熱阻開始呈現上升趨勢，待水分蒸發完畢，面料完全干燥后，熱阻值保持穩定。

2)Ⅱ號新礦工服的熱阻隨濕潤程度增大而逐漸減小， 熱阻從 0.59 m2·℃/W 降低至0.299 m2·℃/W。新礦工服經過汗液潤濕，到達干燥后的熱阻要小于純水潤濕干燥后的熱阻，是因為汗液中的物質破壞了新服裝纖維，使得服裝無法回到初始干燥狀態下的熱阻。

3)Ⅲ號舊礦工服被汗液潤濕時，其熱阻降為0.15 m2·℃/W，然后隨汗濕量減少，即濕潤程度的減少，服裝熱阻增大到0.28 m2·℃/W。

3.4 礦工服的濕阻變化

依據式(3)分別計算出在不同濕潤程度下12件樣本的濕阻，然后按服裝分類取平均值。 依據《建筑設計資料集(第二版)》，33 ℃時，Psk取值5030.2 Pa，21 ℃時，飽和水蒸氣分壓為2486.5 Pa，在相對濕度為50%時，Pa取值1243.25 Pa。 由圖6、圖7 可知:礦工服面料和礦工服的濕阻隨濕潤程度的減少，濕阻總體呈現上升趨勢。 在不同濕潤程度下，濕阻值波動較大，根據濕阻計算公式，這主要與假人與外界進行濕熱交換的熱量有關。 濕阻越小，服裝的透濕性能越好，Ⅱ號新礦工服透濕性能最好。

圖6 純水礦工服的濕阻Fig.6 Moisture resistance of pure water wetted miner’s clothing

圖7 汗液礦工服的濕阻Fig.7 Moisture resistance of sweat wetted miner’s clothing

3.5 綜合熱阻

依據式(4)計算出不同汗濕量(蒸發時間)下礦工服的綜合熱阻，見圖8。 由圖可知:

圖8 汗濕礦工服的綜合熱阻Fig.8 Comprehensive thermal resistance of sweat wetted miner’s clothing

1)完全潤濕的Ⅰ號礦工服面料在0～0.5 h 時間段汗液蒸發量為 50 g， 綜合熱阻為0.043 m2·℃/W，1.5～2 h 時間段礦工服面料汗液蒸發量為4 g，綜合熱阻為0.137 m2·℃/W，蒸發量越少，綜合熱阻越大。 當蒸發時間為2 h 和2.5 h時Ⅰ號接近于干燥狀態，在3 h 和3.5 h 時，服裝已經干燥，數值為Ⅰ號干燥時熱阻。

2)Ⅱ號礦工服和Ⅲ號礦工服在不同蒸發時間下綜合熱阻差別不大，服裝新舊對其影響較小。在蒸發時間3～3.5 h 礦工服綜合熱阻較大，原因是服裝潛熱量(潛熱量為服裝蒸發所吸收的熱量)很小，即服裝已接近干燥。

4 討論

人體舒適取決于環境條件、人體的活動水平以及所穿服裝的熱濕舒適性能。 服裝的舒適性是一個模糊廣泛的心理概念，通過多年的研究，人們對服裝舒適性的要求已經形成較為客觀的群體認識，可以包括在舒適濕度下，人體排汗量和服裝傳導蒸發水汽量相平衡，皮膚上無凝結水，人不會感覺到濕悶等[15]。 井下工人處在高溫高濕的環境中且進行高強度的體力勞動，體溫會升高，為了調節體溫，皮膚表面就會出汗。 汗液以液態水的形態遍及皮膚表面，服裝通常被潤濕，有時甚至被浸濕[16]。 如果織物不能快速將汗液擴散或傳遞到外界環境中去，人體在穿著汗濕服裝時，服裝會從人體吸取大量的熱，給人體帶來濕冷感，還會在蒸發過程中帶走體表的熱量，且皮膚長時間處于濕冷狀態，容易引發健康問題，體溫也不能保持在舒適的范圍。 服裝熱阻是影響人體熱濕舒適性的重要因素，服裝被汗液浸濕，服裝熱阻變小。

本文研究表明，濕潤服裝的熱阻遠小于干燥服裝的熱阻，這與郜琳[3]研究結論一致。 服裝濕潤程度與其熱阻之間為負相關，服裝濕潤程度越大，其熱阻越小。 其原因是:隨著服裝內含水量的增加，服裝內部所含靜止空氣含量減少，服裝氣孔被水分子填滿，水的熱傳導率高于空氣的熱傳導率；服裝導熱量增加使得服裝熱傳導率增加，熱阻降低，服裝的保暖性能下降，服裝濕潤程度對其熱阻存在較大影響。 由于舊礦工服經過長時間的穿著、多次的洗滌以及被粉塵和汗液的污染，服裝內部纖維空隙被粉塵等物質填充，所以水分子的影響作用變小。 這也導致了在干燥和濕潤時舊礦工服與新礦工服的熱阻差值較大，服裝的新舊程度也會影響其熱阻。 被汗液潤濕過的新礦工服，再次到達干燥，熱阻值無法回到初始干燥狀態下的熱阻值，是因為汗液中的物質破壞了新服裝纖維。

服裝熱阻和服裝濕阻都是影響服裝熱濕舒適性的重要因素。 服裝的熱濕傳遞是一個非獨立的動態過程，熱和濕的傳遞過程是耦合的，服裝的熱阻受織物吸濕與放濕的影響[17]。 服裝的熱阻和濕阻彼此影響，從而影響人體的熱舒適。 本文中的濕阻和綜合熱阻主要通過計算得出，對其影響最大因素是服裝蒸發潛熱量和人體顯熱散熱量。服裝的濕阻越小，服裝的透濕性能越好。 新礦工服和舊礦工服的綜合熱阻相差不大，服裝新舊對其影響較小。

服裝在濕潤狀態下，傳熱過程由原來皮膚與服裝、空氣層的傳導變為皮膚與服裝、空氣層、水分的熱傳導，服裝熱阻、濕阻影響人體與周圍環境的換熱量，皮膚和服裝間的熱傳遞狀態發生改變，影響人體的熱感覺。 我國礦井多為高溫高濕環境，作業人員大量出汗使服裝濕潤，潮濕服裝會使人體感到涼意，服裝熱阻降低，并會影響服裝穿著的舒適性能。

5 結論

與I 號新礦工服面料及Ⅲ號舊礦工服相比，Ⅱ號新礦工服的濕阻較小，透濕性能最好。 新礦工服和舊礦工服的綜合熱阻差別不大。 服裝濕潤程度和不同種類服裝對服裝熱阻影響顯著。 在純水潤濕和汗液潤濕條件下，礦工服面料及礦工服隨濕潤程度的增大，其熱阻逐漸減小，濕潤程度為100%時熱阻最小，給人的冷感強烈，且服裝保暖性能下降，服裝舒適性變差。 未來可以探究能實現衣下通風的礦工服，有助于增加汗液在人體皮膚表面的蒸發，減少服裝汗濕程度，使人體感覺更舒適。