為了在更冷或更熱的條件下生存和工作，必須通過衣服以及人工加熱或冷卻來提供皮膚表面溫暖的氣候。 了解通過衣服進行熱交換的機制對於設計最有效的極端溫度下工作的服裝套裝是必要的。
服裝傳熱機制
服裝保溫的性質
通過衣服的熱傳遞，或者相反的衣服的絕緣，在很大程度上取決於困在衣服里和衣服上的空氣。 服裝由任何一種能抓住空氣層的材料組成，作為第一個近似值。 該陳述是近似的，因為某些材料屬性仍然相關。 這些與織物的機械結構（例如抗風性和纖維支撐厚織物的能力）以及纖維的固有特性（例如，熱輻射的吸收和反射、水蒸氣的吸收、汗液的芯吸）有關). 對於不太極端的環境條件，各種纖維類型的優點往往被高估了。
空氣層和空氣運動
提供隔熱的是空氣，尤其是靜止空氣，這表明厚空氣層有利於隔熱。 這是事實，但空氣層的厚度在物理上是有限的。 空氣層是通過氣體分子粘附到任何表面，通過第二層分子與第一層分子的內聚，等等形成的。 然而，後續層之間的結合力越來越小，結果即使是微小的外部空氣運動也會移動外部分子。 在安靜的空氣中，空氣層的厚度可能高達 12 毫米，但在劇烈的空氣運動中，如在暴風雨中，厚度會減少到不到 1 毫米。 一般來說，厚度和空氣運動之間存在平方根關係（見 “公式和定義”). 確切的功能取決於表面的大小和形狀。
靜止和流動空氣的熱傳導
無論材料的形狀如何，靜止的空氣都充當絕緣層，其導電率是恆定的。 空氣層的擾動導致有效厚度的損失； 這不僅包括由風引起的干擾，還包括由衣服穿著者的運動引起的干擾——身體的位移（風的一個組成部分）和身體部位的運動。 自然對流增加了這種效果。 有關顯示空氣速度對空氣層絕緣能力影響的圖表，請參見圖 1。
圖 1. 氣流速度對空氣層絕緣能力的影響。
輻射傳熱
輻射是傳熱的另一個重要機制。 每個表面都輻射熱量，並吸收從其他表面輻射的熱量。 輻射熱流量與兩個熱交換錶面之間的溫差大致成正比。 表面之間的衣服層會通過攔截能量流來干擾輻射熱傳遞； 衣服將達到大約兩個表面溫度的平均值的溫度，將它們之間的溫差一分為二，因此輻射流減少了兩倍。 隨著攔截層數的增加，傳熱速率降低。
因此，多層可有效減少輻射熱傳遞。 在棉絮和纖維羊毛中，輻射被分佈的纖維而不是織物層攔截。 纖維材料的密度（或者更確切地說，每單位織物體積的纖維材料的總表面積）是此類纖維羊毛內的輻射傳輸的關鍵參數。 對於給定的重量，細纖維比粗纖維提供更多的表面積。
織物絕緣
由於封閉空氣和輻射傳輸的電導率，織物電導率對於各種厚度和粘合度的織物實際上是一個常數。 因此隔熱與厚度成正比。
空氣和織物的耐蒸汽性
空氣層還會阻礙蒸發的汗液從潮濕的皮膚擴散到環境中。 該阻力大致與整套服裝的厚度成正比。 對於織物，耐蒸汽性取決於封閉的空氣和結構的密度。 在真正的織物中，高密度和大厚度永遠不會在一起。 由於這一限制，可以估算不含薄膜或塗層的織物的空氣當量（見圖 8）。 塗層織物或層壓到薄膜上的織物可能具有不可預知的耐蒸汽性，這應通過測量來確定。
圖 2. 無塗層織物的厚度與耐蒸汽性 (deq) 之間的關係。
從織物和空氣層到服裝
多層面料
從傳熱機制得出的一些重要結論是，高隔熱性的衣服一定很厚，多層薄層的服裝可能會獲得高隔熱性，寬鬆版型比緊身版型提供更多的隔熱性，並且隔熱性有下限, 由附著在皮膚上的空氣層設定。
在寒冷天氣的服裝中，僅使用薄織物通常很難獲得厚度。 一種解決方案是通過將兩個薄殼織物安裝到棉絮上來製作厚織物。 擊球的目的是創造空氣層並儘可能保持內部空氣靜止。 厚面料也有一個缺點：層數越多，衣服越硬，運動受限。
服裝品種
服裝合奏的絕緣性在很大程度上取決於服裝的設計。 影響絕緣的設計參數是層數、孔徑、貼合度、絕緣在身體和裸露皮膚上的分佈。 一些材料特性，如透氣性、反射率和塗層也很重要。 此外，風和活動會改變絕緣。 是否有可能為了預測穿著者的舒適度和耐受性而對服裝進行充分的描述？ 基於不同的技術，已經進行了各種嘗試。 大多數對整體整體隔熱的估計都是針對室內整體的靜態條件（無運動，無風）進行的，因為可用數據是從熱人體模型中獲得的（McCullough、Jones 和 Huck 1985）。 對人類受試者的測量很費力，而且結果差異很大。 自 1980 世紀 1982 年代中期以來，已經開發並使用了可靠的移動人體模型（Olesen 等人，1985 年；Nielsen、Olesen 和 Fanger，XNUMX 年）。 此外，改進的測量技術允許更準確的人體實驗。 仍然沒有完全克服的一個問題是在評估中適當地包括汗液蒸發。 出汗的人體模型很少見，而且沒有一個具有真實的身體出汗率分佈。 人類流汗很現實，但並不一致。
服裝絕緣的定義
服裝保溫（Icl 以米為單位2K/W) 對於穩態條件，沒有輻射源或服裝中的冷凝，定義為 “公式和定義。” 經常 I 以單位 clo 表示（不是標準的國際單位）。 一克羅等於 0.155 m2千瓦。 使用單位 clo 隱含地表示它與整個身體有關，因此包括暴露的身體部位的熱傳遞。
I 被運動和風修改，如前所述，校正後的結果稱為 合成絕緣. 這是一個經常使用但未被普遍接受的術語。
衣服在身體上的分佈
來自身體的總熱傳遞包括通過暴露的皮膚（通常是頭部和手）傳遞的熱量和通過衣服傳遞的熱量。 本質絕緣 （見 “公式和定義”) 是在總皮膚面積上計算的，而不僅僅是覆蓋的部分。 裸露的皮膚比覆蓋的皮膚傳遞更多的熱量，因此對內在絕緣有深遠的影響。 增加風速會增強這種效果。 圖 3 顯示了由於身體形狀的曲率（外層比內層效果差）、暴露的身體部位（熱傳遞的額外途徑）和風速增加（隔熱性降低，特別是暴露的皮膚），固有絕緣性如何連續下降（Lotens 1989). 對於厚合奏，絕緣性的降低是顯著的。
圖 3. 固有絕緣，因為它受身體曲率、裸露皮膚和風速的影響。
典型的整體厚度和覆蓋範圍
顯然，絕緣厚度和皮膚覆蓋率都是熱損失的重要決定因素。 在現實生活中，這兩者是相關的，因為冬季服裝不僅比夏季服裝更厚，而且覆蓋的身體比例也更大。 圖 4 展示了這些影響如何共同導致衣服厚度（表示為每單位衣服面積的絕緣材料體積）和絕緣之間幾乎呈線性關係（Lotens 1989）。 下限由相鄰空氣的隔熱設置，上限由衣服的可用性設置。 均勻分佈可能在寒冷中提供最好的絕緣，但在四肢上承受太大的重量和體積是不切實際的。 因此，重點通常放在軀幹上，局部皮膚對寒冷的敏感性適應了這種做法。 四肢在控制人體熱平衡方面起著重要作用，而四肢的高絕緣性限制了這一調節的有效性。
圖 4. 衣服厚度和身體分佈導致的總絕緣。
衣物通風
服裝整體中的滯留空氣層會受到運動和風的影響，但程度與相鄰的空氣層不同。 風在衣服中產生通風，因為空氣會穿透織物並通過孔隙，而運動會增加內部循環。 Havenith、Heus 和 Lotens (1990) 發現，在衣服內部，運動是比相鄰空氣層更強的因素。 然而，該結論取決於織物的透氣性。 對於高透氣性織物，風的通風是相當重要的。 Lotens (1993) 表明通風可以表示為有效風速和空氣滲透率的函數。
服裝絕緣和蒸汽阻力的估計
衣服絕緣的物理估計
服裝整體的厚度提供了絕緣的初步估計。 整體的典型電導率為 0.08 W/mK。 平均厚度為 20 毫米時，這會導致 Icl 0.25 米2K/W，或 1.6 克羅。 然而，寬鬆的部分，如褲子或袖子，具有更高的電導率，大約為 0.15，而緊密包裹的衣服層的電導率為 0.04，Burton 和 Edholm（4 年）報導的著名的每英寸 1955 克羅).
表中的估計
其他方法使用服裝項目的表值。 這些項目之前已經在人體模型上測量過。 一個正在研究的整體必須被分成它的組成部分，並且必須在表中查找這些組成部分。 錯誤選擇列表中最相似的服裝項目可能會導致錯誤。 為了獲得整體的固有絕緣，必須將單個絕緣值放入求和方程中（McCullough、Jones 和 Huck 1985）。
服裝表面積係數
為了計算總絕緣， fcl 必須估計（參見“公式和定義”). 一個實際的實驗估計是測量衣服表面積，對重疊部分進行校正，然後除以總皮膚面積（DuBois 和 DuBois 1916）。 來自各種研究的其他估計表明 fcl 隨固有絕緣線性增加。
耐蒸汽性的估計
對於一件衣服來說，耐蒸汽性是空氣層和衣服層的阻力之和。 通常身體的層數不同，最好的估計是面積加權平均值，包括暴露的皮膚。
相對蒸氣阻力
蒸發阻力的使用頻率低於 I，因為很少測量 Ccl Pcl) 可用。 Woodcock (1962) 通過定義水蒸氣滲透指數避免了這個問題 im 作為比率 I R, 與單個空氣層的相同比率有關（後一個比率幾乎是常數，稱為濕度常數 S，0.0165 K/Pa，2.34 Km3/克或 2.2 K/托）； im= I/(R·S). 典型值 im 對於非塗層服裝，根據人體模型確定，為 0.3 至 0.4（McCullough、Jones 和 Tamura 1989）。 值 im 對於織物複合材料及其附近的空氣，可以在濕熱板設備上相對簡單地測量，但該值實際上取決於設備上的氣流和安裝它的機櫃的反射率。 比值外推 R I 有時會嘗試對穿衣服的人進行從織物到服裝套裝的測量（DIN 7943-2 1992）。 這是一個技術上複雜的問題。 一個原因是 R 僅與對流部分成正比 I，因此必須對輻射傳熱進行仔細修正。 另一個原因是織物複合材料和服裝套裝之間的滯留空氣可能不同。 事實上，蒸汽擴散和傳熱可以分開處理更好。
鉸接模型的估計
比上述方法更複雜的模型可用於計算絕緣和水蒸氣阻力。 這些模型根據許多身體部位的物理定律計算局部絕緣，並將它們整合到整個人體形狀的固有絕緣中。 為此，人體形狀近似為圓柱體（圖 ）。 McCullough、Jones 和 Tamura (1989) 的模型需要整體中所有層的服裝數據，按身體部分指定。 Lotens 和 Havenith (1991) 的 CLOMAN 模型需要較少的輸入值。 這些模型具有相似的準確性，優於任何其他提到的方法，但實驗確定除外。 不幸的是，這些模型不可避免地比廣泛接受的標準所期望的更複雜。
圖 5. 圓柱體中人體形狀的表達。
活動和風的影響
Lotens 和 Havenith (1991) 還根據文獻數據對因活動和風引起的絕緣和蒸汽阻力進行了修改。 坐著時的隔熱性比站著時低，對於高隔熱性的衣服，這種影響更大。 然而，運動比姿勢更能降低絕緣性，這取決於運動的力度。 步行時雙臂和雙腿都會移動，並且比騎自行車時只有腿部移動時減少的幅度更大。 同樣在這種情況下，厚衣服套裝的減少幅度更大。 風對輕便衣物的絕緣影響最大，對厚重衣物影響較小。 這種影響可能與外殼織物的透氣性有關，對於寒冷天氣的裝備來說，透氣性通常較低。
圖 8 顯示了風和運動對雨衣防蒸汽性能的一些典型影響。 關於運動或風效應的大小，文獻中沒有明確的一致意見。 一些標準（例如 ISO 7730 (1994)）要求在應用於活躍人員或暴露於顯著空氣運動的人員時將合成絕緣作為輸入，這一事實強調了該主題的重要性。 這個要求經常被忽視。
圖 6. 各種雨衣隨風和行走的蒸汽阻力降低。
水分管理
吸濕效果
當織物可以像大多數天然纖維那樣吸收水蒸氣時，衣服就可以起到緩沖水蒸氣的作用。 這改變了從一種環境到另一種環境的瞬態過程中的熱傳遞。 當穿著不吸汗衣服的人從乾燥環境走到潮濕環境時，汗液的蒸發量會突然減少。 在吸濕性服裝中，織物會吸收水蒸氣，而蒸發量的變化只是漸進的。 同時，吸收過程會釋放織物中的熱量，從而提高其溫度。 這減少了皮膚的干熱傳遞。 在一階近似中，兩種效應相互抵消，使總熱傳遞保持不變。 與非吸濕性衣物的不同之處在於，從皮膚蒸發的變化更緩慢，汗液積聚的風險更小。
蒸汽吸收能力
織物的吸收能力取決於纖維類型和織物質量。 吸收質量大致與相對濕度成正比，但高於 90%。 吸收能力（稱為 恢復) 表示為在相對濕度為 100% 時，65 克乾纖維吸收的水蒸氣量。 面料可分為以下幾類：
- 低吸收—腈綸、滌綸（每 1 克含 2 至 100 克）
- 中間吸收—尼龍、棉、醋酸纖維（每 6 克含 9 至 100 克）
- 高吸收—絲綢、亞麻、大麻、人造絲、黃麻、羊毛（每 11 克含 15 至 100 克）。
吸水率
織物中的保水性，經常與蒸汽吸收相混淆，遵循不同的規則。 游離水鬆散地結合在織物上，並沿著毛細管向側面擴散。 這稱為芯吸。 液體從一層轉移到另一層只發生在濕織物和壓力下。 衣服可能會被皮膚吸收的未蒸發（多餘）汗水弄濕。 織物的液體含量可能很高，稍後蒸發會對熱平衡構成威脅。 這通常發生在辛苦工作後的休息期間，被稱為 冷後. 織物保持液體的能力更多地與織物結構有關，而不是與纖維吸收能力有關，並且實際上通常足以吸收所有多餘的汗水。
縮合
蒸發的汗水在特定層凝結可能會弄濕衣服。 如果濕度高於當地允許的溫度，則會發生冷凝。 在寒冷的天氣裡，外層織物的內部通常會出現這種情況，在極端寒冷的情況下，甚至在更深的層中也會出現這種情況。 在發生冷凝的地方，水分會積聚，但溫度會升高，就像在吸收過程中一樣。 然而，冷凝和吸收之間的區別在於吸收是一個暫時的過程，而冷凝可能會持續很長時間。 冷凝過程中的潛熱傳遞可能會非常顯著地導致熱損失，這可能是合意的，也可能不是合意的。 水分的積累主要是一個缺點，因為不適和後冷的風險。 對於大量冷凝，液體可能會被輸送回皮膚，再次蒸發。 這個循環作為熱管工作，可能會大大降低內衣的絕緣性。
動態模擬
自 1900 年代初期以來，已經制定了許多標準和指數來對服裝和氣候進行分類。 這些幾乎無一例外地處理了穩態——氣候和工作保持足夠長的時間以使人產生恆定體溫的條件。 由於職業健康和工作條件的改善，這種類型的工作已變得很少見。 重點已轉移到惡劣環境的短期暴露，通常與防護服的災難管理有關。
因此需要進行涉及服裝熱傳遞和穿著者熱應變的動態模擬（Gagge、Fobelets 和 Berglund 1986）。 可以通過運行特定場景的動態計算機模型來執行此類模擬。 迄今為止關於服裝的最複雜模型之一是 THDYN（Lotens 1993），它允許廣泛的服裝規格，並已更新以包括模擬人的個人特徵（圖 9）。 預計會有更多型號。 然而，需要進行擴展的實驗評估，運行此類模型是專家的工作，而不是聰明的外行。 基於傳熱傳質物理學的動態模型包括所有傳熱機制及其相互作用——蒸汽吸收、來自輻射源的熱量、冷凝、通風、水分積累等——適用於範圍廣泛的服裝套裝，包括民用、工作和防護服。
圖 7. 動態熱模型的一般描述。
