暖体假人系统

一种模拟设备

自20世纪40年代的第一台假人问世以来，暖体假人的研究已有60多年历史了。暖体出汗假人是一种模拟设备，模拟人体各项数据指标，用于服装等舒适性研究，它不能代替人体试验。

简介

在设计暖体假人时，不可能把所有因素考虑在内，因此出现了很多不同类型的假人。

分类

按使用材料分：铝人、铜人、加热铜人、电加热铜人、单段铜人，多段铜人、电加热多段铜人、暖体假人、出汗假人、出汗多端假人等等

按控制方式分：恒温法、恒热法和变温法等

按用途分：暖体假人、出汗假人、变温假人和体温调节假人等

原理

暖体出汗假人是模拟人体体温调节机制的仿真系统，它可以认为是由于暖体假人和出汗假人组合的复合系统。干态假人是湿态假人的基础，而湿态假人是干态假人功能的扩展和延伸。暖体出汗假人，即具有人体的某些生理特性，又具有测试设备的物理特性。

人体生理学认为，人体与外界环境是通过非蒸发散热和蒸发散热来进行热量交换的。暖体出汗假人就是依靠自身的温度调节系统来实现人体散热功能的仿真系统，通过热调节机制建立人体、服装、环境三者之间的稳态热平衡，并依据服装热舒适性模型评价服装的热学性能。

基于测试服装热学性能的目的，暖体出汗假人没有考虑呼吸热损失和皮肤的无感蒸发损失，这是暖体出汗假人与人体的差别所在。根据人体热平衡理论和服装热湿传递原理，当暖体出汗假人、服装与环境处于稳态热平衡时，暖体出汗假人的产热量等于通过服装的散热量，即

式中： —— km

——人体通过服装表面的非蒸发散热量，km

——人体通过服装表面的汗液蒸发散热量，km

—— km

—— 辐射散热量，km。

当假人不出汗时，，此时暖体出汗假人的产热量等于通过服装的非蒸发散热量（干热），测试服装的热阻可由下式计算：

式中： ——服装热阻，clo

——总热阻，clo

——假人表面空气热阻，clo

——暖体出汗假人体表平均温度，℃

——环境温度，℃

——假人区段体表面积，m2

——假人区段干态散热量，km

n——测试服装覆盖的区段数.

当暖体出汗假人出汗时，其产热量包括非蒸发散热量和蒸发散热量，此时测试服装的透湿指数可由下式计算：

Im=20.66

式中： ——暖体出汗假人各区段湿态散热量，km

——暖体出汗假人各区段干态散热量，km

——假人表面皮肤饱和水气压，km

——环境水汽压，pa

Ai——假人区段体表面积，m2

S——常数

——总热阻，clo

Im——透湿指数，量纲为1.

图1是暖体出汗假人系统设计原理框图，从中可以清楚知道热平衡是设计所需要的最终目标。

暖体出汗假人，在功能上可以划分为干态假人和湿态假人。暖体出汗假人系统由多个系统构成，个系统是相关联的。暖体出汗系统、模拟出汗系统、温度控制系统以及人工气候箱组成。

假人本体依据人体工程学原理设计，它包括外形壳体、关节连接、区段构造等。它符合中国成年男子人体解剖生理特点，分为16个独立解剖区段，壳体由铜制材料制成，内部有测温、发热系统，并采用阻燃、隔热、稳定热流等多项创新技术。本体各区段用关节连接，各关节均可活动，从而保证了暖体出汗假人的多种姿态，并能够独自稳定站立。

温度控制系统由加热装置、控制装置和数据监控处理装置组成。它是以计算机为中心的智能闭环温度调节系统。该系统具备测温、控温、计算分析及示警等功能，具有恒定皮肤表面温度、恒定加热功率两种控制模式，并能根据所测参数自动计算被侧对象的热阻鱼透湿指数。

模拟出汗系统则由供水系统、水恒温系统、出汗管路和出汗皮肤组成。系统采用分段供水技术，对个区段进行控量供水来模拟人体出汗；实现了出汗量、出汗速率的微量可调，采用出汗皮肤的保湿量与不同出汗部位出汗量对应的原则，实现出汗的稳定性与连续性。

严格的讲，人工气候不属于暖体出汗假人系统，但由于它为暖体出汗假人的应用提供了所必需的测试环境，保证所得测试结果有效，因此可把它作为暖体出汗假人的外部支持设备。

其实，各系统之间没有严格界限，有些装置、部件可以属于不同的系统，如出汗皮肤、体内发热源等。它们之间是互相联系、互相影响的。

测试服装透湿指数，应遵循全身表面湿空气和这个基本原则。暖体出汗假人就是通过维持表面湿蕴来形成一个饱和湿空气层，但如果假人表面过少或过多的湿润，都将会影响最终的试验结果，造成误差。原因是：假人表面不够湿润，就不能达到表面湿空气饱和；而过于湿润，则会导致多余的水分滴落或流淌，引起被测服装部分湿润。根据服装的热湿传递原理，服装的蒸发阻力随着服装的逐渐变湿而降低，相应的，服装透湿指数也会随着服装湿润面积的变化而变化。这就要求在全部试验过程中，假人应保持一定的“表面湿态”：出汗皮肤的表面水蒸气含量处于饱和状态；同时出汗皮肤的含水量并没有饱和。“表面湿态”与出汗量的多少有关，选择适宜的出汗量来保证假人在实验过程中始终处于“表面湿态”，是实现假人模拟实验出汗的关键点。在实际操作中准确的判断假人是否处于“表面湿态”，对于获得科学合理的实验数据有重要的意义。一般来说，界定假人处于“表面湿态”的方法可分为直接测定法和间接测定法（具体方法见张渭源编《服装舒适性与功能》）

暖体出汗假人模拟出汗时，经历了一个从干态平衡到出汗、湿态平衡、干燥，最后回到干态平衡的动态变化过程；相应的，假人的产热量表现出平稳、递增、平稳、下降和平稳五个阶段。

一个系统的性能只要取决于他的研究开发、设计和制造水平，对其性能进行科学的定性分析与定量分析，是验证其设计理念、测试结果正确性及可靠程度的重要手段。对于一个测试设备，一般从他的稳定性能、动态响应特性以及精度等方面来进行分析，并根据分析结果对系统的性能作出综合评价。暖体出汗假人系统是一复杂的非标准测量系统，他采用微机控制的闭环温度自动调节系统来模拟人体、环境、服装之间的热湿交换过程，并根据三者处于稳态热平衡时的状态参数来计算服装的热湿评价指标，从而达到测试的目的。由此可知，应用假人系统进行测试的前提是他必须处于稳态热平衡，也就是说，对假人性能的评价实质上可以归结为对一个热力系统状态特性的评价。

研究表明，应用暖体出汗假人测试服装透湿指数是切实可行的。它是服装热舒适研究的重要设备，它的研究开发与推广应用有着重要的现实意义。对它的研究需要政府在经费、政策方面给与大力支持，并需要各有关研究机构通力合作。相信在不久的将来，假人测试技术会有更大的发展！

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