服装作为人体与环境之间的热湿屏障，显著影响人体的热平衡。尽管多年来已开发出多种用于计算热湿传递的服装模型，但这些模型通常假设在初始阶段，汗液在皮肤表面蒸发，且仅有汗汽从皮肤传递至服装。然而在实际情况下，液态汗液可直接从皮肤芯吸至服装。忽略这一液态传递途径限制了现有服装模型在评估暖偏条件下人体热舒适时的适用性。为解决这一差距，研究人员扩展了服装润湿度（clothing wettedness）的概念，以区分皮肤与服装之间两种不同的汗液传递途径：液态和气态。研究人员开发了一种数学模型，以显式捕捉汗浸服装的热湿传递过程。随后，将该模型与未区分液态和气态汗液传递途径的先前服装热阻模型进行了对比，并针对不同环境条件下服装含湿量变化率的实验数据进行了验证。结果表明，两种模型均能提供合理准确的预测，但相较于热阻模型，所提出的显式热湿传递模型在所有测试条件下将计算精度至少提高了 40%，其中在 windy conditions（有风条件）下观察到的改进最为显著。
人体释放的热量受到通过服装的热湿传递的强烈影响。在暖偏环境中，出汗是通过增强皮肤表面的蒸发散热来维持人体热平衡的主要体温调节机制。随着出汗的进行，服装不可避免地会被汗液浸透。一旦服装变湿，液态汗液会置换原本滞留在其中的空气，从而改变服装的热绝缘性和水蒸气阻力。这些变化影响显热和蒸发热交换，进而影响热感觉和热舒适。因此，对出汗条件着装人体的热湿传递进行建模对于热舒适研究至关重要。
通常情况下，人体与服装之间会形成一个空气间隙，其中的热交换通过热传导、对流和辐射进行。空气间隙内的静止空气提供了良好的热绝缘性，并显著影响整体热传递。当空气间隙厚度较小时，热传递主要由传导和辐射主导；随着空气间隙变厚，对流传热变得日益重要。早期的研究在简化的水平空气间隙配置中考察了这种转变。然而，实际服装系统中的空气间隙通常更为垂直且贴合身体轮廓。后续研究表明，此类配置中的热传递受身体几何形状、褶皱、接触面积和环境气流的强烈影响。特别是，非均匀的空气间隙几何形状与简化的均匀表示相比，可显著改变热传递。空气间隙内的环境通常被称为服装微环境（clothing microenvironment），该微环境内的热传递已得到广泛研究。例如，有研究数值量化了不同风速下服装微环境中的热传递，也有研究考虑了服装吸收的太阳辐射及其与通过空气间隙的热传导的耦合。然而，上述研究忽略了高出汗率下服装内的水分凝结，并对服装微环境内汗液蒸发引起的蒸汽传递关注有限。
除了干热传递外，许多研究调查了服装系统中的耦合热湿传递。早期提出的多孔服装中水分吸附和凝结的热湿传递动力学模型，首次考虑了多孔棉纤维含湿量对辐射热传递的影响。在此基础上，进一步发展了考虑热辐射的服装有限体积热湿耦合模型。另有研究为出汗皮肤 - 服装系统开发了耦合热湿传递模型，纳入了织物内的凝结和液态水输送。还有研究聚焦于服装微环境中的非均匀空间，详细考虑了皮肤 - 服装 - 环境系统中的潜热传递，并开发了考虑空间异质性的综合服装模型。并行地，实验调查了辐射热下服装 - 人体系统内的液态和气态水分传递，揭示了织物特性和辐射热对水分传递过程的影响。这些模型增强了对服装系统中吸附、凝结、湿传导和辐射效应的理解，并提高了评估空气间隙内热质传递的准确性。
辐射热交换是着装人体热传递的另一个重要因素，特别是在太阳辐射暴露下。最近的研究表明，短波和长波辐射理想情况下应分开处理，因为它们对人体经历的热负荷贡献不同。各向异性辐射源模型的计算热体工模拟表明，短波和长波源的不同实现方式可导致人体表面辐照分布的显著差异。研究进一步表明，短波和长波辐射热通量在房间内及身体各部位均表现出强烈的空间和方向变化。最近开发的方法量化了室外建筑环境中人体各部位的短波和长波辐照分布。这些研究共同强调了辐射不对称性和光谱分离在表征着装人体周围热环境中的重要性。
尽管取得了这些进展，但在出汗条件下仍存在若干不确定性。现有服装模型仅考虑非接触的汽相汗液传递，这发生在静态空气间隙条件下，主要与出汗早期阶段相关。在此过程中，汗液首先从皮肤表面蒸发，通过服装微环境扩散，被服装吸收，并可能在织物表面形成凝结水。然而，这一过程在大汗条件下不再适用。随着水分在服装内部积聚，织物会粘附在皮肤表面，减少服装的整体空气间隙体积并实现直接的体表接触。在这种情况下，体表分泌的液态汗液被接触的服装直接吸收。与汽相汗液传递不同，这种对液态汗液的直接吸附显著缩短了微环境中水分传递的路径。因此，必须分别考虑空气间隙内不同形式的汗液传递，以便更准确地模拟人体与润湿服装之间发生的物理过程。
针对上述研究空白，本研究分别考虑了接触和非接触条件下的汽态和液态汗液传递。首先，通过实验测量了不同含湿量下服装的润湿面积，并建立了经验方程以量化服装润湿度参数。随后，开发了服装热湿传递模型，并与先前的服装热阻模型进行比较，以验证其在不同环境条件下的准确性和适用性。该模型利用从已建立的观测平台获得的实验数据进行了验证，该平台能维持稳定的温湿度环境，并允许模拟风和辐射暴露。对于出汗条件下的给定服装含湿量，该模型能更准确地预测在特定环境条件（气温、辐射、风速和湿度）下，皮肤与织物之间促进液态和气态汗液传递的服装部分及其各自的热湿传递速率。
在研究方法方面，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，利用位于人工气候室内的出汗热体工"Walter"作为核心实验平台，该设备能精确调节温度和湿度，并模拟风速和辐射暴露，以获取受控环境下的实验数据。其次，通过实验测量不同含湿量下服装的润湿面积，建立服装润湿度与含湿量之间的定量关系。最后，基于实验数据构建并验证显式热湿传递数学模型，将其与传统的热阻模型进行对比分析，以评估其在不同环境变量下的预测性能。
研究结果方面，关于服装润湿度与含湿量的关系，研究人员发现，在服装完全润湿之前，服装润湿度（$\omega_{clo}$）与含湿量（$M_{clo}$）之间存在线性相关性，这一结果与先前的报道一致。这意味着可以通过含湿量来有效表征服装的润湿面积比例，进而区分干区和湿区的热湿传递路径。在模型验证与对比方面，研究结果表明，虽然传统热阻模型和新建的显式热湿传递模型均能提供合理的预测，但显式模型在所有测试条件下将计算精度至少提高了 40%。特别是在有风条件下，由于显式模型能够更准确地捕捉液态汗液直接传递和对流换热的变化，其改进效果最为显著。这表明区分液态和气态两种传递途径对于提高暖偏及大风环境下热舒适评估的准确性至关重要。
讨论与结论部分总结指出，本研究详细评估了人体与服装之间空气间隙内的热湿传递动力学，量化了环境变量对服装含湿量变化率的影响。通过分析不同的汗液传递模式，研究人员引入了服装含湿分数参数，用于描述服装干湿部分的热湿传递路径。实验测量了从完全干燥到完全润湿过程中的服装润湿度趋势。研究证实，忽略液态汗液直接传递途径会限制模型在大量出汗条件下的适用性，而新开发的显式模型通过区分接触和非接触条件下的传递机制，显著提升了预测精度。这一发现对于改进高温高湿环境下的个人热管理策略、优化防护服设计以及提升建筑环境热舒适评估标准的准确性具有重要的理论意义和应用价值。该研究成果发表于《BUILDING AND ENVIRONMENT》期刊。
打赏
