Afin de survivre et de travailler dans des conditions plus froides ou plus chaudes, un climat chaud à la surface de la peau doit être fourni au moyen de vêtements ainsi que d'un chauffage ou d'un refroidissement artificiel. Une compréhension des mécanismes d'échange de chaleur à travers les vêtements est nécessaire pour concevoir les ensembles vestimentaires les plus efficaces pour le travail à des températures extrêmes.

Mécanismes de transfert de chaleur des vêtements

La nature de l'isolation des vêtements

Le transfert de chaleur à travers les vêtements, ou à l'inverse l'isolation des vêtements, dépend en grande partie de l'air emprisonné dans et sur les vêtements. Les vêtements sont constitués, en première approximation, de tout type de matériau offrant une adhérence aux couches d'air. Cette affirmation est approximative car certaines propriétés des matériaux sont toujours pertinentes. Celles-ci concernent la construction mécanique des tissus (par exemple, la résistance au vent et la capacité des fibres à supporter des tissus épais), et les propriétés intrinsèques des fibres (par exemple, l'absorption et la réflexion du rayonnement thermique, l'absorption de la vapeur d'eau, l'évacuation de la transpiration ). Pour des conditions environnementales pas trop extrêmes, les mérites des différents types de fibres sont souvent surestimés.

Couches d'air et mouvement de l'air

L'idée que c'est l'air, et en particulier l'air immobile, qui fournit l'isolation, suggère que des couches d'air épaisses sont bénéfiques pour l'isolation. C'est vrai, mais l'épaisseur des couches d'air est physiquement limitée. Les couches d'air se forment par adhésion de molécules de gaz à n'importe quelle surface, par cohésion d'une seconde couche de molécules à la première, etc. Cependant, les forces de liaison entre les couches suivantes sont de moins en moins importantes, avec pour conséquence que les molécules externes sont déplacées par des mouvements d'air externes même minuscules. Dans un air calme, les couches d'air peuvent avoir une épaisseur allant jusqu'à 12 mm, mais avec un mouvement d'air vigoureux, comme dans une tempête, l'épaisseur diminue à moins de 1 mm. En général, il existe une relation racine carrée entre l'épaisseur et le mouvement de l'air (voir "Formules et définitions"). La fonction exacte dépend de la taille et de la forme de la surface.

Conduction thermique de l'air immobile et en mouvement

L'air immobile agit comme une couche isolante avec une conductivité constante, quelle que soit la forme du matériau. La perturbation des couches d'air entraîne une perte d'épaisseur effective; cela comprend les perturbations non seulement dues au vent, mais également dues aux mouvements du porteur du vêtement - déplacement du corps (un composant du vent) et mouvements des parties du corps. La convection naturelle ajoute à cet effet. Pour un graphique montrant l'effet de la vitesse de l'air sur la capacité isolante d'une couche d'air, voir la figure 1.

Figure 1. Effet de la vitesse de l'air sur la capacité isolante d'une couche d'air.

Transfert de chaleur par rayonnement

Le rayonnement est un autre mécanisme important de transfert de chaleur. Chaque surface émet de la chaleur et absorbe la chaleur émise par d'autres surfaces. Le flux de chaleur rayonnante est approximativement proportionnel à la différence de température entre les deux surfaces d'échange. Une couche de vêtements entre les surfaces interférera avec le transfert de chaleur radiative en interceptant le flux d'énergie ; le vêtement atteindra une température qui est à peu près la moyenne des températures des deux surfaces, coupant la différence de température entre elles en deux, et donc le flux radiant est diminué d'un facteur deux. Lorsque le nombre de couches d'interception augmente, le taux de transfert de chaleur diminue.

Les couches multiples sont ainsi efficaces pour réduire le transfert de chaleur rayonnante. Dans les molletons et les molletons de fibres, le rayonnement est intercepté par des fibres distribuées plutôt que par une couche de tissu. La densité du matériau fibreux (ou plutôt la surface totale du matériau fibreux par volume de tissu) est un paramètre critique pour le transfert de rayonnement à l'intérieur de tels voiles de fibres. Les fibres fines offrent plus de surface pour un poids donné que les fibres grossières.

Isolation en tissu

En raison des conductivités de l'air enfermé et du transfert de rayonnement, la conductivité du tissu est effectivement une constante pour les tissus de différentes épaisseurs et reliures. L'isolation thermique est donc proportionnelle à l'épaisseur.

Résistance à la vapeur de l'air et des tissus

Les couches d'air créent également une résistance à la diffusion de la sueur évaporée de la peau humide vers l'environnement. Cette résistance est à peu près proportionnelle à l'épaisseur de l'ensemble vestimentaire. Pour les tissus, la résistance à la vapeur dépend de l'air enfermé et de la densité de la construction. Dans les vrais tissus, haute densité et grande épaisseur ne font jamais bon ménage. En raison de cette limitation, il est possible d'estimer l'équivalent en air des tissus qui ne contiennent pas de films ou de revêtements (voir figure 8). Les tissus enduits ou les tissus laminés sur des films peuvent avoir une résistance à la vapeur imprévisible, qui doit être déterminée par des mesures.

Figure 2. Relation entre l'épaisseur et la résistance à la vapeur (deq) pour les tissus sans revêtements.

Des couches de tissu et d'air aux vêtements

Plusieurs couches de tissu

Certaines conclusions importantes des mécanismes de transfert de chaleur sont que les vêtements hautement isolants sont nécessairement épais, qu'une isolation élevée peut être obtenue par des ensembles de vêtements à plusieurs couches minces, qu'une coupe ample offre plus d'isolation qu'une coupe serrée et que l'isolation a une limite inférieure , fixé par la couche d'air qui adhère à la peau.

Dans les vêtements pour temps froid, il est souvent difficile d'obtenir de l'épaisseur en utilisant uniquement des tissus fins. Une solution consiste à créer des tissus épais, en montant deux tissus à coque fine sur un molleton. Le but du bâton est de créer la couche d'air et de garder l'air à l'intérieur aussi immobile que possible. Les tissus épais présentent également un inconvénient : plus les couches sont reliées, plus le vêtement devient rigide, ce qui limite les mouvements.

Variété de vêtements

L'isolation d'un ensemble vestimentaire dépend en grande partie de la conception du vêtement. Les paramètres de conception qui affectent l'isolation sont le nombre de couches, les ouvertures, l'ajustement, la distribution de l'isolation sur le corps et la peau exposée. Certaines propriétés des matériaux telles que la perméabilité à l'air, la réflectivité et les revêtements sont également importantes. De plus, le vent et l'activité modifient l'isolation. Est-il possible de donner une description adéquate des vêtements dans le but de prédire le confort et la tolérance du porteur ? Diverses tentatives ont été faites, basées sur différentes techniques. La plupart des estimations de l'isolation d'un ensemble complet ont été faites pour des conditions statiques (pas de mouvement, pas de vent) sur des ensembles intérieurs, car les données disponibles ont été obtenues à partir de mannequins thermiques (McCullough, Jones et Huck 1985). Les mesures sur des sujets humains sont laborieuses et les résultats varient considérablement. Depuis le milieu des années 1980, des mannequins mobiles fiables ont été développés et utilisés (Olesen et al. 1982 ; Nielsen, Olesen et Fanger 1985). En outre, des techniques de mesure améliorées ont permis des expériences humaines plus précises. Un problème qui n'a pas encore été complètement résolu est l'inclusion appropriée de l'évaporation de la sueur dans l'évaluation. Les mannequins qui transpirent sont rares et aucun d'entre eux n'a une distribution réaliste du taux de transpiration sur le corps. Les humains transpirent de manière réaliste, mais de manière incohérente.

Définition de l'isolation des vêtements

Isolation des vêtements (I_cl en unités de m²K/W) pour des conditions de régime permanent, sans sources de rayonnement ni condensation dans les vêtements, est défini dans « Formules et définitions ». Souvent I est exprimé dans l'unité clo (pas une unité internationale standard). Un clo équivaut à 0.155 m²K/W. L'utilisation de l'unité clo signifie implicitement qu'elle se rapporte à l'ensemble du corps et inclut donc le transfert de chaleur par les parties exposées du corps.

I est modifié par le mouvement et le vent, comme expliqué précédemment, et après correction le résultat est appelé isolation résultante. C'est un terme fréquemment utilisé mais pas généralement accepté.

Répartition des vêtements sur le corps

Le transfert de chaleur total du corps comprend la chaleur qui est transférée par la peau exposée (généralement la tête et les mains) et la chaleur qui traverse les vêtements. Isolation intrinsèque (voir "Formules et définitions") est calculé sur la surface totale de la peau, pas seulement sur la partie couverte. La peau exposée transfère plus de chaleur que la peau couverte et a donc une profonde influence sur l'isolation intrinsèque. Cet effet est renforcé par l'augmentation de la vitesse du vent. La figure 3 montre comment l'isolation intrinsèque diminue successivement en raison de la courbure des formes du corps (couches externes moins efficaces que l'intérieur), des parties du corps exposées (voie supplémentaire de transfert de chaleur) et de l'augmentation de la vitesse du vent (moins d'isolation, en particulier pour la peau exposée) (Lotens 1989). Pour les ensembles épais, la réduction de l'isolation est dramatique.

Figure 3. Isolation intrinsèque, car elle est influencée par la courbure du corps, la peau nue et la vitesse du vent.

Épaisseur et couverture typiques de l'ensemble

Apparemment, l'épaisseur de l'isolant et la couverture de la peau sont des déterminants importants de la perte de chaleur. Dans la vraie vie, les deux sont corrélés dans le sens où les vêtements d'hiver sont non seulement plus épais, mais couvrent également une plus grande proportion du corps que les vêtements d'été. La figure 4 montre comment ces effets se traduisent ensemble par une relation presque linéaire entre l'épaisseur du vêtement (exprimée en volume de matériau isolant par unité de surface de vêtement) et l'isolation (Lotens 1989). La limite inférieure est fixée par l'isolation de l'air adjacent et la limite supérieure par l'utilisabilité du vêtement. Une distribution uniforme peut fournir la meilleure isolation par temps froid, mais il n'est pas pratique d'avoir beaucoup de poids et de volume sur les membres. L'accent est donc souvent mis sur le tronc, et la sensibilité de la peau locale au froid est adaptée à cette pratique. Les membres jouent un rôle important dans le contrôle de l'équilibre thermique humain, et une isolation élevée des membres limite l'efficacité de cette régulation.

Figure 4. Isolation totale résultant de l'épaisseur et de la répartition des vêtements sur le corps.

Aération des vêtements

Les couches d'air emprisonnées dans l'ensemble vestimentaire sont soumises au mouvement et au vent, mais à un degré différent de celui de la couche d'air adjacente. Le vent crée une ventilation dans les vêtements, à la fois lorsque l'air pénètre dans le tissu et en passant à travers les ouvertures, tandis que le mouvement augmente la circulation interne. Havenith, Heus et Lotens (1990) ont constaté qu'à l'intérieur des vêtements, le mouvement est un facteur plus important que dans la couche d'air adjacente. Cette conclusion dépend cependant de la perméabilité à l'air du tissu. Pour les tissus très perméables à l'air, la ventilation par le vent est importante. Lotens (1993) a montré que la ventilation peut être exprimée en fonction de la vitesse effective du vent et de la perméabilité à l'air.

Estimations de l'isolation des vêtements et de la résistance à la vapeur

Estimations physiques de l'isolation des vêtements

L'épaisseur d'un ensemble vestimentaire donne une première estimation de l'isolation. La conductivité typique d'un ensemble est de 0.08 W/mK. A une épaisseur moyenne de 20 mm, cela se traduit par une I_cl de 0.25m²K/W, soit 1.6 clo. Cependant, les pièces amples, comme les pantalons ou les manches, ont une conductivité beaucoup plus élevée, plus de l'ordre de 0.15, alors que les couches de vêtements serrées ont une conductivité de 0.04, le fameux 4 clo par pouce rapporté par Burton et Edholm (1955 ).

Estimations à partir de tableaux

D'autres méthodes utilisent des valeurs de table pour les articles vestimentaires. Ces éléments ont été préalablement mesurés sur un mannequin. Un ensemble sous enquête doit être séparé en ses composants, et ceux-ci doivent être recherchés dans le tableau. Faire un choix incorrect du vêtement tabulé le plus similaire peut entraîner des erreurs. Afin d'obtenir l'isolation intrinsèque de l'ensemble, les valeurs d'isolation individuelles doivent être mises dans une équation de sommation (McCullough, Jones et Huck 1985).

Facteur de surface des vêtements

Pour calculer l'isolation totale, f_cl doit être estimé (voir "Formules et définitions"). Une estimation expérimentale pratique consiste à mesurer la surface des vêtements, à apporter des corrections pour les parties qui se chevauchent et à diviser par la surface totale de la peau (DuBois et DuBois 1916). D'autres estimations tirées de diverses études montrent que f_cl augmente linéairement avec l'isolation intrinsèque.

Estimation de la résistance à la vapeur

Pour un ensemble vestimentaire, la résistance à la vapeur est la somme de la résistance des couches d'air et des couches de vêtements. Habituellement, le nombre de couches varie sur le corps et la meilleure estimation est la moyenne pondérée en fonction de la surface, y compris la peau exposée.

Résistance relative à la vapeur

La résistance à l'évaporation est moins fréquemment utilisée que I, car peu de mesures de C_cl (ou P_cl) sont disponibles. Woodcock (1962) a évité ce problème en définissant l'indice de perméabilité à la vapeur d'eau i_m comme le rapport de I ainsi que R, rapportée au même rapport pour une seule couche d'air (ce dernier rapport est quasi constant et connu sous le nom de constante psychrométrique S, 0.0165 K/Pa, 2.34 Km³/g ou 2.2 K/torr); i_m= I/(RS). Valeurs typiques pour i_m pour les vêtements non enduits, déterminés sur des mannequins, sont de 0.3 à 0.4 (McCullough, Jones et Tamura 1989). Valeurs pour i_m pour les composites de tissu et leur air adjacent peuvent être mesurés relativement simplement sur un appareil à plaque chauffante humide, mais la valeur dépend en fait du débit d'air sur l'appareil et de la réflectivité de l'armoire dans laquelle il est monté. Extrapolation du rapport de R ainsi que I pour les humains habillés, des mesures sur les tissus aux ensembles vestimentaires (DIN 7943-2 1992) est parfois tentée. C'est une question techniquement compliquée. Une des raisons est que R n'est proportionnel qu'à la partie convective de I, de sorte que des corrections soigneuses doivent être faites pour le transfert de chaleur radiatif. Une autre raison est que l'air emprisonné entre les composites de tissus et les ensembles de vêtements peut être différent. En fait, la diffusion de vapeur et le transfert de chaleur peuvent être mieux traités séparément.

Estimations par modèles articulés

Des modèles plus sophistiqués sont disponibles pour calculer l'isolation et la résistance à la vapeur d'eau que les méthodes expliquées ci-dessus. Ces modèles calculent l'isolation locale sur la base de lois physiques pour un certain nombre de parties du corps et les intègrent à l'isolation intrinsèque pour l'ensemble de la forme humaine. A cet effet, la forme humaine est approximée par des cylindres (figure ). Le modèle de McCullough, Jones et Tamura (1989) nécessite des données vestimentaires pour toutes les couches de l'ensemble, spécifiées par segment corporel. Le modèle CLOMAN de Lotens et Havenith (1991) nécessite moins de valeurs d'entrée. Ces modèles ont une précision similaire, qui est meilleure que toutes les autres méthodes mentionnées, à l'exception de la détermination expérimentale. Malheureusement et inévitablement, les modèles sont plus complexes que ce qui serait souhaitable dans une norme largement acceptée.

Figure 5. Articulation de forme humaine en cylindres.

Effet de l'activité et du vent

Lotens et Havenith (1991) proposent également des modifications, basées sur les données de la littérature, de l'isolation et de la résistance à la vapeur dues à l'activité et au vent. L'isolation est plus faible en position assise qu'en position debout, et cet effet est plus important pour les vêtements très isolants. Cependant, le mouvement diminue l'isolation plus que la posture, selon la vigueur des mouvements. Pendant la marche, les bras et les jambes bougent, et la réduction est plus importante que pendant le cyclisme, lorsque seules les jambes bougent. Dans ce cas également, la réduction est plus importante pour les ensembles de vêtements épais. Le vent diminue le plus l'isolation pour les vêtements légers et moins pour les vêtements lourds. Cet effet peut être lié à la perméabilité à l'air du tissu de la coque, qui est généralement inférieure pour les vêtements pour temps froid.

La figure 8 montre certains effets typiques du vent et du mouvement sur la résistance à la vapeur des vêtements de pluie. Il n'y a pas d'accord définitif dans la littérature sur l'ampleur du mouvement ou des effets du vent. L'importance de ce sujet est soulignée par le fait que certaines normes, telles que l'ISO 7730 (1994), exigent l'isolation résultante comme entrée lorsqu'elle est appliquée aux personnes actives ou aux personnes exposées à un mouvement d'air important. Cette exigence est souvent négligée.

Figure 6. Diminution de la résistance à la vapeur avec le vent et la marche pour divers vêtements de pluie.

Gestion de l'humidité

Effets de l'absorption d'humidité

Lorsque les tissus peuvent absorber la vapeur d'eau, comme le font la plupart des fibres naturelles, les vêtements fonctionnent comme un tampon pour la vapeur. Cela modifie le transfert de chaleur lors des transitoires d'un environnement à un autre. Lorsqu'une personne portant des vêtements non absorbants passe d'un environnement sec à un environnement humide, l'évaporation de la sueur diminue brusquement. Dans les vêtements hygroscopiques, le tissu absorbe la vapeur et le changement d'évaporation n'est que progressif. En même temps, le processus d'absorption libère de la chaleur dans le tissu, augmentant sa température. Cela réduit le transfert de chaleur sèche de la peau. En première approximation, les deux effets s'annulent, laissant le transfert de chaleur total inchangé. La différence avec les vêtements non hygroscopiques est le changement plus progressif de l'évaporation de la peau, avec moins de risque d'accumulation de sueur.

Capacité d'absorption de vapeur

La capacité d'absorption du tissu dépend du type de fibre et de la masse du tissu. La masse absorbée est à peu près proportionnelle à l'humidité relative, mais elle est supérieure à 90 %. La capacité d'absorption (appelée reconquérir) est exprimée comme la quantité de vapeur d'eau absorbée dans 100 g de fibres sèches à une humidité relative de 65 %. Les tissus peuvent être classés comme suit :

• faible absorption—acrylique, polyester (1 à 2 g pour 100 g)
• absorption intermédiaire—nylon, coton, acétate (6 à 9 g pour 100 g)
• haute absorption—soie, lin, chanvre, rayonne, jute, laine (11 à 15 g pour 100 g).

Absorption d'eau

La rétention d'eau dans les tissus, souvent confondue avec l'absorption de vapeur, obéit à des règles différentes. L'eau libre est faiblement liée au tissu et se répand bien latéralement le long des capillaires. C'est ce qu'on appelle la mèche. Le transfert de liquide d'une couche à l'autre n'a lieu que pour les tissus humides et sous pression. Les vêtements peuvent être mouillés par la sueur non évaporée (superflue) qui est absorbée par la peau. La teneur en liquide du tissu peut être élevée et son évaporation ultérieure constituer une menace pour le bilan thermique. Cela se produit généralement pendant le repos après un travail acharné et est connu sous le nom de après refroidissement. La capacité des tissus à retenir les liquides est davantage liée à la construction du tissu qu'à la capacité d'absorption des fibres et, à des fins pratiques, elle est généralement suffisante pour absorber toute la sueur superflue.

Condensation

Les vêtements peuvent être mouillés par la condensation de la sueur évaporée sur une couche particulière. La condensation se produit si l'humidité est supérieure à ce que la température locale permet. Par temps froid ce sera souvent le cas à l'intérieur du tissu extérieur, par grand froid même dans les couches plus profondes. Là où la condensation a lieu, l'humidité s'accumule, mais la température augmente, comme c'est le cas lors de l'absorption. La différence entre la condensation et l'absorption, cependant, est que l'absorption est un processus temporaire, alors que la condensation peut se poursuivre pendant de longues périodes. Le transfert de chaleur latente pendant la condensation peut contribuer de manière très significative à la perte de chaleur, ce qui peut être souhaitable ou non. L'accumulation d'humidité est surtout un inconvénient, en raison de l'inconfort et du risque de refroidissement ultérieur. En cas de condensation abondante, le liquide peut être transporté vers la peau pour s'évaporer à nouveau. Ce cycle fonctionne comme un caloduc et peut réduire fortement l'isolation du sous-vêtement.

Simulation dynamique

Depuis le début des années 1900, de nombreuses normes et indices ont été développés pour classer les vêtements et les climats. Presque sans exception, ceux-ci ont traité d'états stables - des conditions dans lesquelles le climat et le travail ont été maintenus suffisamment longtemps pour qu'une personne développe une température corporelle constante. Ce type de travail est devenu rare, en raison de l'amélioration de la santé au travail et des conditions de travail. L'accent a été mis sur l'exposition de courte durée à des circonstances difficiles, souvent liées à la gestion des calamités dans les vêtements de protection.

Il existe donc un besoin de simulations dynamiques impliquant le transfert de chaleur des vêtements et la contrainte thermique du porteur (Gagge, Fobelets et Berglund 1986). De telles simulations peuvent être réalisées au moyen de modèles informatiques dynamiques qui s'exécutent à travers un scénario spécifié. Parmi les modèles les plus sophistiqués à ce jour en matière de vêtements, THDYN (Lotens 1993) permet une large gamme de spécifications vestimentaires et a été mis à jour pour inclure les caractéristiques individuelles de la personne simulée (figure 9). Plus de modèles peuvent être attendus. Cependant, une évaluation expérimentale approfondie est nécessaire, et l'exécution de tels modèles est le travail d'experts plutôt que d'un profane intelligent. Les modèles dynamiques basés sur la physique des transferts de chaleur et de masse incluent tous les mécanismes de transfert de chaleur et leurs interactions - absorption de vapeur, chaleur provenant de sources rayonnantes, condensation, ventilation, accumulation d'humidité, etc. - pour une large gamme d'ensembles vestimentaires, y compris civils, vêtements de travail et de protection.

Figure 7. Description générale d'un modèle thermique dynamique.

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