暖體假人

暖體假人是用於服裝熱學性能實驗的通用儀器設備。被廣泛地套用於服裝、職業健康、環境、消防、石油、交通安全、航空航天、建築等領域。

暖體假人是模擬人體與環境之間熱濕交換的儀器設備，是從20世紀40年代逐漸發展起來的一種新的生物物理試驗方法，它的身材大小和普通成年人相似，由頭、胸部、背部、腹部、臀部、上姿、手、下姿和腳等解剖段組成，暖體假人本體由銅、鋁或玻璃鋼製作而成，可採用內部加熱、內表面加熱和外表面加熱，當採用內部或內表面加熱方式時,為了保持外表溫度均勻,必須用高熱導率的材料,如銅或鋁等。

基本介紹

• 中文名：暖體假人
• 外文名：biothermal manikin

發展歷史

暖體假人的發展可分為三個階段，1941美國耶魯大學約翰皮爾斯實驗室的學者蓋奇等人在美國科學雜誌發表一篇文章，提出了克羅值的定義，即，在氣溫21°C，相對濕度小於50%和風速0.1m/s的室內，一個健康的成年人靜坐時保持舒適狀態時所穿服裝的熱阻為1克羅值，該單位將人的生理參數、心理感覺和環境條件相結合，能被非專業人員理解和接受。美國軍需氣候研究所以此為理論基礎研製了第一代暖體假人。由於該暖體假人為單段假人系統，不能反應人體體表溫度分布，第一代暖體假人只能用於服裝熱阻的一般測試，並得到靜態服裝熱阻值。

20世紀60年代人們研製了多段暖體假人，即第二代暖體假人，每段的體表溫度和加熱系統單獨控制，且假人本體可以模擬人體不同姿勢，做一些簡單動作，從而進行服裝熱阻的靜態和動態測試。
第三代暖體假人能模擬人體出汗，並可做較複雜的動作，能更真實地，更全面地反應人體、服裝和環境的熱濕交換過程，對服裝的熱濕傳遞性能作出綜合評價。70年代,使用出汗銅人對軍服的透濕性能進行了研究，出汗暖體假人還用於民用服裝熱學性能的研究。

迄今為止，全球已研發了100多個暖體假人。按其用途可分為:乾態暖體假人、出汗暖體假人、呼吸暖體假人、浸水暖體假人、數值暖體假人、小型暖體假人、暖體假肢和假頭。

分類

乾態暖體假人

乾態暖體假人可工作在三種方式下：恆溫法、變溫法和恆熱法。恆溫法是將暖體假人個解剖段的體表溫度控制在設定的範圍內，使暖體假人進入一個動態熱平衡狀態，以便得到穩定的實驗結果，該方式用於測量服裝的熱阻值；變溫法是基於人體在冷環境中的熱調節模型，模擬真人在不同環境下體表溫度的變化，穩態時的體表溫度不是設定值，而是和真人一樣自然平衡的結果，同樣可以得到與恆溫法測量的非常相似的服裝熱阻，變溫法具有近似真人的生理評價意義；恆熱法是根據服裝的熱阻和環境參數，用設定的熱流值來觀察全身各部位散熱的差異，這時體表溫度逐漸下降，直到穩定。

根據運動方式乾態暖體假人可分為靜態暖體假人和動態暖體假人。靜態暖體假人有站姿和坐姿兩種，站姿暖體假人主要用於服裝保暖性能評價,坐姿暖體假人主要用於機動車中熱環境和機動車駕駛員熱舒適性評價,也用於航天服的功能評價。動態暖體假人能模擬人體步行，活動部位主要是肩關節、肘關節、膝關節和踝關節,動態暖體假人用於研究人體運動、風速等對服裝熱阻的影響。當步速為1.13m/s時，服裝熱阻降低大約22%-32%。

出汗暖體假人

人體除了通過傳導、對流、輻射方式向周圍環境散熱外，還通過人體皮膚表面汗液的蒸發散失熱量。如果水蒸汽能及時通過服裝系統擴散到周圍環境，人才感到舒暢，如果服裝阻礙水蒸汽的通過，使人體皮膚與服裝之間的微氣候中的濕度增大，水蒸汽將積累到一定程度而冷凝成水，使人感到不舒服。當人體進行劇烈活動或處於炎熱的環境中，汗液的蒸發成為人體散失熱量的重要途徑，此時更加要求衣服具有足夠的水蒸汽傳遞能力。由此可見，有必要準確地測試服裝的蒸發阻力，以便對服裝的熱濕傳遞性能作出綜合評價。

由於乾態暖體假人只能在非蒸發散熱範圍內模擬人體的生理反應，人們又開發了出汗暖體假人。早期的出汗暖體假人是在假人表面覆蓋一層純棉織物或其它透濕性好的內衣來模擬人體皮膚,先將蒸餾水噴射到模擬皮膚上，然後穿上衣服，使假人平均體表溫度上升到一定水平，控制系統每5分鐘對假人體表溫度、環境參數和加熱功率記錄一次，並計算服裝的蒸發阻力，在模擬皮膚開始乾燥之前完成測試。由於這一過程是一種準穩態過程，通常時間很短，主要靠操作者主觀判斷其中相對穩定的蒸發阻力值作為測試結果，所以這種方法不能很準確地、可重複地測量服裝的蒸發阻力。

呼吸暖體假人

可呼吸的暖體假人主要用於室內工作環境的研究與室內空氣品質的評估。呼吸暖體假人的身材大小和普通人一樣，由25個加熱區段構成，各區段單獨加熱，獨立控制，假人可改變姿勢和自由活動，以模仿人體在各種辦公室的真實情況，暖體假人採用緊身著裝方式，因為衣服可減少各區段相互之間的熱輻射以及在校正時室內空氣溫度對傳熱係數的影響，再者衣服可降低衣服和假人表面間的空氣層厚度，以儘量減少測量的不確定性。

呼吸暖體假人可工作在三種方式：1)舒適模式,模擬普通人在熱環境下保持舒適狀態的乾態散熱和體表溫度；2)恆溫模式,假人的體表溫度為34°C；3)恆熱模式,用於室內溫度高於34°C時的熱環境的評價。舒適模式能代表人體的實際溫度分布，被廣泛使用。

浸水暖體假人

可浸水暖體假人是在暖體假人的基礎上,加上防水密封裝置,使假人具有防水功能。主要用於測試潛水服、水上救生衣在冷環境下的防護功能。測試時,將著裝的假人浸入水中,保持水溫恆定,記錄假人皮膚表面溫度、環境溫度和各區段的加熱功率,計算潛水服的總熱阻值,這時總熱阻值包括內衣、潛水服、水和空氣的熱阻。實驗證明由浸水暖體假人得到的潛水服總熱阻與用真人測得的總熱阻值吻合，湍流會大大降低潛水服的總熱阻，水波的高度也能降低潛水服的總熱阻。通過浸水暖體假人測得的熱阻值還可用於預測服裝在某一環境下的耐受時間。

數值暖體假人

暖體假人由於製造工藝複雜,且價格昂貴,假人的實驗條件如人工氣候室的成本高，世界上只有為數不多的實驗室擁有。在計算機上利用“虛擬”的假人進行工效學研究則可以節省大量成本。最近,由於計算機運算速度的迅速發展,計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)技術在各行業都得到了越來越多的套用,運用計算機技術來對人體進行仿真也成為可能。與傳統暖體假人相對,這種計算機仿真的假人稱為數值暖體假人,假人周圍傳熱傳質的模擬是通過求解一系列偏微分方程實現。如果輸入特定的環境參數和服裝的熱學性能，數值暖體假人能對人體的傳導、對流、輻射和蒸發等所有的散熱進行計算，並預測人體局部溫度和換熱係數,以及各部位的汗液分布等，從而對某一環境的熱舒適和空氣品質進行評價。

發展趨勢

暖體假人能在設定的環境條件下,模擬人體、服裝和環境間的熱交換過程，客觀地、系統地評價熱環境以及預測人體對熱環境的生理反應，並可在真人無法試驗的極端環境條件下進行試驗，而且還能夠有效地解決實驗人次選定等問題,從而縮短實驗周期,降低實驗成本，其測試精確度高、重複性好，被公認為是人類工效學研究必不可少的先進設備。

但是，暖體假人，既便是能出汗、行走和呼吸，僅僅是人類複雜熱調節系統的某種近似，其測試結果必須和真人試驗進行比較，進行全面地、綜合地評價和預測。今後暖體假人的研究主要在以下方面開展：

1、 人們通常用整體法計算服裝的總熱阻，即先將假人各解剖段的體表溫度按面積加權平均，各段加熱功率求和後再計算服裝的總熱阻，這種方法基於均勻體表溫度的假設，實際上，人體各部位的體表溫度是不一樣的，裸露部位其體表溫度和環境溫度相差無幾，服裝總熱阻僅能反應衣服對整個身體的隔熱性能，不能表述身體各部分的熱損失。用乾態暖體假人測試服裝的熱阻時，除了計算總熱阻外，還應計算服裝的局部熱阻，局部熱阻能真實地表達服裝對所覆蓋部分身體的隔熱性能。對於由相同面料組成的服裝而言，局部熱阻還能區分由服裝結構形成的細微差別。更進一步說，在評價機動車駕駛員的局部熱舒適感覺時，局部熱阻比整體熱阻更有意義，因為這時候身體各部位的體表溫度差別較大。

2、由於出汗暖體假人只能模擬人體全身均勻出汗，在實際生活中，人體各部位出汗量是不均勻的，未來的出汗暖體假人應能真實地反應人體的出汗情況。

3、當用暖體假人測試服裝的熱阻或濕阻時，由於控制電纜通常從頭部或頸部引出，操作著不得不將頭飾沿中間剪開，待穿上後再縫上，這或多或少影響測試結果。未來的暖體假人和外部控制系統的數據傳輸可以通過無線方式來實現，這也便於將暖體假人用於室外的現場測試。

4、數值暖體假人雖然可以節省大量成本，但是需要大量的實驗來證實。況且如果模仿人體運動，服裝會產生變形，服裝和人體之間有微氣候出現，這些有待於做進一步研究。

5、用於評價新生兒的熱環境的小型暖體假人僅能模擬嬰兒的乾態散熱，在現實生活中，嬰兒還通
過出汗方式來調節體溫，特別是在炎熱環境中。因此，小型暖體假人還應具有發汗的功能。

6、人們經常要用手去操縱溫度較低的工具或材料，手指和各關節要不斷地活動，所以，暖體假手
應能設計為活動的設備，以便更準確地評價手套及各部分在動態下的隔熱性能。

測試原理

將假人置於人工氣候倉中, 以一定的功率加熱假人本體, 並通過控制機構使其表面溫度穩定在33攝氏度左右, 根據其表面溫度與環境溫度的差及為保持假人表面溫度恆定所需的供熱量計算服裝的熱阻, 據此評估服裝的保暖性能。

我國暖體假人

我國第一個“姿態可調式暖體假人”，最大特點就是皮膚表面溫度和真人一樣，不但知冷知熱，對颳風下雨也很敏感。

假人全身劃分成16個獨立區段，即頭頸部、胸部、背部、腹臀部、左右上臂、左右前臂、左右手、左右大腿、左右小腿和左右足，然後在體內安裝與計算機聯接的特殊“管道”，猶如為它全身布滿“血管”和“神經末梢”。

假人並非“木頭樁子”，它身體各關節活動自如，頭部、手可拆卸，還能模擬人體各種坐姿、立姿，而且假人還有“汗腺”，大熱天也會出汗。