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冬季衣被的保暖原理

文／尹承達(財團法人紡織產業綜合研究所特別助理)

潛水衣為什麼可以保暖？
從濕式防寒衣(wet suit)、潛水裝(diving suit)的保暖原理來探討「織物的保暖結構設計」。如果您浮潛或深潛過，都會穿上濕式防寒衣，下水之後，海水會滲入防寒衣與皮膚之間，產生一層水膜，而且是不會對流散熱的熱隔離層(thermal insulation)，這就是防寒衣保暖的關鍵之一！當然，防寒衣用的複合材料還是很重要的，不過本篇暫不討論材料部份。
由此觀察，保暖的關鍵在於「創造一層不會對流散熱的熱絕緣層」。那麼運用相同的觀念，織物結構設計如何形成「不會對流散熱的熱絕緣層」？答案是，由纖維、紗線結構、織物組織、整理加工等方面，來創造可以捕捉空氣的air pocket，
使空氣層變成「凝滯空氣層」(dead air layer)= 不會對流散熱的熱絕緣層(服裝必須是slim fit)。
分列說明如下：
1.纖維
選擇中空或捲曲性好(長得像米粉頭)又傳熱性差的纖維。
例如：羊毛、中空纖維、氣凝膠纖維。
2.紗線結構
原則上是越蓬鬆越好。
例如：長纖紗中的高條數高捲縮加工絲，DTY比ATY來得好，高條數比低條數來得好。
短纖紗則是：
MVS>sirospun>ring spun>compact，當然撚度不可太高(以紗線強力為優先的最低撚度)。
複合紗種，可以考量高沸水收縮率的長絲+高條數的假撚加工絲；而”PU Spandex+組織浮長”也可以形成很不錯的air pocket。
3.織物組織
凡能形成浮長(魚鱗布、單面提花布)、起圈(毛巾布、各式絨布)、凹凸(PK、dobby、mini-jacquard)、三明治結構)spacer、雙層布、鋪棉布）等等，都是不錯的選項。
4.整理加工
例如：刷毛(brush)、磨毛(moss)、植絨(flocking)、泡沫塗佈(foam coating)、氣凝膠塗佈(aerogel coating）等加工手段，都可以形成air pocket。
織物的保溫性，即是由上述規格的組合 -- 從物理性的結構累積出有大小、有層次的air pocket結構，並在3D上形成dead air layer ，堆疊出保溫率(熱阻抗)喔！

如何選擇被子的保溫率─保溫率Clo
對消費者來說，應該選擇多少保溫率的被子呢？而對被子的商品開發單位來說，多少保溫率的被子適用於何種溫度的臥室呢？接下來帶大家探討產品保溫率與環境溫度的關係為保溫率Clo，「概念上」的室內溫度與被子的關係式：
被子保溫率Clo =
溫差(膚溫33℃室內溫度)÷0.155÷ 46.6
範例1：臥室只有10℃，該選擇保溫率多少的被子？
ANS：被子保溫率Clo =(33?10)÷0.155÷46.6≒ 3.18
所以可選保溫率Clo約為3.18上下的產品喔！
範例2：市售保溫率Clo為2的被子產品，適用的臥室溫度是多少度呢？
ANS：(1) 先計算溫差
被子保溫率Clo 2 = 溫差 ÷ 0.155 ÷ 46.6
溫差 = 2 x 0.155 x 46.6 ≒ 14.5℃
(2) 再由溫差去倒推室內溫度
溫差 14.5℃ = 膚溫33℃ ? 室內溫度
室內溫度 = 33℃ ? 14.5℃ = 18.5
所以，保溫率Clo 2的被子產品，適用於臥室溫度約為18.5℃上下的環境。
保溫率的試驗，在量測「一定的梯度溫差」下，材料的熱流速率；進而，由睡眠時的產熱速率與被子的散熱熱流速率的熱平衡(thermal equilibrium)，即可由觀念上推演出上列的關係式。
關係式背後的重要觀念與數據，分列如下：
1. 33℃為感到舒適的體表溫度(另外，ISO的標準是35℃)
2. 保溫率Clo = 0.155 m2 x C/W = 0.155熱組抗(Rct)；歐規常用的保溫率Tog = 0.1 m2 x C/W = 0.1熱組抗(Rct)；美規保溫率 1 Clo = 1.55 Tog歐規保溫率。
3. 人處於休息狀態的產熱速率是：每平方米的體表面積58.2w(瓦)，也就是1 MET(新陳代謝量，Metabolic Equivalent，簡稱MET) = 58.2w/m2（實際值因人而異)。
4. 人睡覺的時候，產熱速率為0.8 MET = 0.8*58.2w/m2 = 46.6w/m2
5. 服裝保溫率Clo = 溫差(膚溫33℃室內溫度)÷ 0.155 ÷ 58.2，設定條件為人體的處於休息狀態(1 MET)，且環境相對溼度50%、風速0.1m/sec(靜風)
6. 被子公式的演算基礎為：人體睡眠時的產熱約為0.8 MET。
當然，上面的關係式是簡化法，為的是讓大多數人可以理解；真正的熱平衡的演算非常複雜，而且會出現很多「有看沒有懂的數學毛毛蟲」。