Khi nghiên cứu ảnh h−ởng của cấu trúc vải đến đặc tr−ng truyền nhiệt của quần áo trong điều kiện không khí đứng yên, phần lớn các công trình nghiên cứu đã cho thấy độ dày của vật liệu là yếu tố quyết định chủ yếu.
Trong tr−ờng hợp không khí không chuyển động một cách t−ơng đối, quan hệ giữa trở nhiệt của quần áo dạng kín (che phủ cả đầu, bàn chân, bàn tay) và độ dày của quần áo đ−ợc thể hiện trong một ph−ơng trình thực nghiệm [86]:
Rqa= 0,126 + 0,044.b - 0,000678.b2 (1.3) Trong đó: Rqa - trở nhiệt trung bình của quần áo (m2.K.W-1)
Từ ph−ơng trình thực nghiệm trên cho thấy khi tăng chiều dày quần áo tới khoảng 30 mm thì trở nhiệt của quần áo tăng nh−ng mức độ tăng giảm dần.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu này ch−a xét đến ảnh h−ởng của vị trí và chiều dày lớp không khí so với chiều dày của quần áo đến sự truyền nhiệt nên việc áp dụng kết quả nghiên cứu trên còn có hạn chế nhất định.
Khi nghiên cứu sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua những kết cấu lớp vải có số lớp, độ dày, dạng bề mặt và mật độ khác nhau [90], các tác giả đã có những phân tích lý thuyết về sự truyền nhiệt, truyền ẩm riêng rẽ và đồng thời qua vải, hiện t−ợng ng−ng tụ n−ớc trên vải. Các tác giả cũng đã tiến hành những thực nghiệm trên mô hình đĩa nóng thoát mồ hôi để xác định phân bố nhiệt độ và độ ẩm trên các lớp vải. Theo nghiên cứu này thì chiều dày thực và sự không đồng nhất về cấu trúc theo chiều dày của vải, trở nhiệt tiếp xúc giữa các lớp vải khi đặt chồng lên nhau có ảnh h−ởng đáng kể và cần đ−ợc xem xét khi nghiên cứu đặc tr−ng truyền nhiệt của kết cấu lớp vải.
Khi nghiên cứu trở nhiệt bức xạ trong điều kiện đối l−u tự nhiên của những kết cấu nhiều lớp từ vải bông chống cháy, William và cộng sự [40] đã bố trí một và hai khoảng trống không khí giữa các lớp vật liệu để nghiên cứu ảnh h−ởng của vị trí và chiều dày các lớp không khí này đến trở nhiệt của kết cấu. Kết quả nghiên cứu cho thấy là việc bố trí các lớp không khí giữa các lớp vải với chiều dày nhất định sẽ làm tăng đáng kể khả năng cách nhiệt của kết cấu.
Kết quả này rất phù hợp với một số kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực nhiệt xây dựng. Theo nhiều nghiên cứu về sự truyền nhiệt qua vật liệu xốp sử dụng trong xây dựng, trong các lớp không khí có chiều dày nhỏ hơn 5 mm, do kết quả của sự hãm lại lẫn nhau giữa dòng không khí thay thế và dòng không khí ban đầu nên hệ số truyền nhiệt đối l−u gần nh− bằng không [86].
Trong nhiệt xây dựng, ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc là hiệu quả giữ nhiệt của kết cấu có nhiều lớp không khí có chiều dày nhỏ còn tốt hơn một lớp không khí có chiều dày lớn. Để tăng khả năng cách nhiệt của kết cấu, các lớp không khí này cần phải khép kín để không có sự trao đổi với không khí bên ngoài. Các lớp không khí thẳng đứng cần đ−ợc chia nhỏ theo ph−ơng nằm ngang để giảm sự truyền nhiệt bằng
đối l−u và nên bố trí các lớp không khí ở gần phía ngoài hơn để nhằm giảm sự truyền nhiệt bởi bức xạ [86].
Nh− vậy, ngoài yếu tố độ dày của vải, trở nhiệt của quần áo còn bị ảnh h−ởng bởi vị trí và chiều dày các lớp không khí bên trong quần áo. Tuy nhiên, những kết quả mà các tác giả đ−a ra ở trên mới chỉ đ−ợc thực hiện đối với những kết cấu dạng phẳng nên việc áp dụng cho quần áo khi mặc trên cơ thể ng−ời và nhất là trong điều kiện không khí chuyển động thì còn có hạn chế nhất định.
Khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sự truyền nhiệt qua vải trong điều kiện đối l u tự nhiên, − Yayoi Satsumato [67] đã xem xét đến ảnh h−ởng của một số thông số cấu trúc của quần áo nh− chiều dày lớp không khí giữa vải và da, độ hở của quần áo và dạng kín hay hở của phần phía d−ới của kết cấu. Trong mô hình lý thuyết và thực nghiệm này, tác giả đã mô phỏng cơ thể ng−ời có dạng một đĩa nóng thẳng đứng với mật độ dòng nhiệt ổn định ở 100 W.m-2. Độ hở của quần áo đ−ợc mô phỏng ở dạng một phần bề mặt của đĩa nóng không đ−ợc phủ vải. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số truyền nhiệt của kết cấu dạng hở lớn hơn so với hệ số truyền nhiệt của kết cấu dạng kín và hệ số truyền nhiệt lớn nhất là ở vị trí chỗ hở. Chiều dày lớp không khí càng lớn thì ảnh h−ởng của độ hở đến hệ số truyền nhiệt càng rõ rệt.
Công trình nghiên cứu này mới chỉ đ a ra một mô hình truyền nhiệt khô từ một − bề mặt da mô phỏng có dạng phẳng. Dạng kết cấu lớp đ−ợc xem xét gồm có một lớp vải và một lớp không khí giữa vải và da. Các thông số của vật liệu vải đ−ợc xem xét đến trong mô hình lý thuyết này bao gồm chiều dày, độ thẩm thấu không khí Darcy, hệ số dẫn nhiệt và hệ số truyền nhiệt bề mặt. Chiều dày lớp không khí tối đa giữa vải và da đ−ợc chọn tối đa chỉ là 20 mm.
ảnh h−ởng của cấu trúc quần áo đến sự truyền nhiệt và truyền ẩm cũng đã đ−ợc Xavier Berger và Hayet Sari [38] đề cập trong một mô hình lý thuyết mô tả sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua quần áo. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã xét đến các cơ chế truyền nhiệt bởi dẫn nhiệt, bức xạ và đối l−u tự nhiên. Mô hình đã đ−ợc xây dựng đối với ba dạng mô phỏng quần áo là quần áo mỏng, quần áo
dày có một lớp không khí bên trong và quần áo dày có thêm một lớp quần áo mặc lót sát ng−ời. Quần áo đ−ợc mô phỏng d−ới dạng các tấm phẳng rộng vô hạn.
Công trình nghiên cứu này đã xem xét đến sự đồng thời của dòng nhiệt và dòng ẩm qua quần áo. Một số dạng kết cấu lớp khác nhau của quần áo đã đ−ợc đề cập đến. Độ che phủ của quần áo trên bề mặt da đ−ợc lấy một giá trị đồng nhất đối với tất cả các kết cấu là 0,88, quần áo với độ che phủ này đ−ợc xem là t−ơng ứng với quần áo dạng kín. Kích th−ớc của lớp không khí không đ−ợc đánh giá riêng rẽ mà cùng với chiều dày các lớp vật liệu đ−ợc đánh giá bằng kích th−ớc bên ngoài của quần áo.
Trong điều kiện đối l−u c ỡng bức do chuyển động của không khí xung − quanh hay của cơ thể ng−ời mặc, đặc tính và tốc độ chuyển động của dòng không khí đối l−u giữa khoảng không gian bên trong quần áo và môi tr−ờng bên ngoài phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc quần áo và độ thẩm thấu của các lớp vật liệu. Đối với quần áo có cấu trúc dạng kín, sự di chuyển của không khí trong khoảng không gian bên trong quần áo ít hơn nên l−ợng giảm trở nhiệt sẽ ít hơn quần áo dạng hở. Tốc độ chuyển động của không khí trong vùng vi khí hậu càng lớn khi vải có độ thẩm thấu không khí càng cao.
Sự trao đổi tích cực của các lớp không khí bên trong quần áo với không khí của môi tr−ờng bên ngoài đ−ợc thực hiện chủ yếu qua các chỗ hở của quần áo (gồm cả khe hở giữa các xơ sợi) theo cơ chế đối l−u không khí. Sự trao đổi không khí theo cơ chế này phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của vải và quần áo, độ thẩm thấu không khí của vải, tốc độ chuyển động của không khí và chuyển động của cơ thể ng−ời.
Sự đối l u trong lớp không khí vùng vi khí hậ− u làm tăng sự mất nhiệt đối l−u đồng thời cũng làm cho quá trình bay hơi mồ hôi trên bề mặt da và thoát hơi n−ớc qua quần áo đ−ợc thuận lợi hơn. Nh− vậy là cấu trúc và độ thẩm thấu không khí của vải và quần áo có ảnh h−ởng đáng kể đến cả khả năng truyền nhiệt, truyền ẩm của quần áo.
Để nghiên cứu mối quan hệ giữa độ thẩm thấu không khí, cấu trúc vải và trở nhiệt của vải, P.W. Gibson [49] đã tiến hành những thực nghiệm bằng mô hình đĩa nóng thoát mồ hôi trong 3 tr−ờng hợp (đối l−u tự nhiên, khi dòng không khí chuyển
động với tốc độ 2 m/s song song với bề mặt mẫu và khi dòng không khí chuyển động với tốc độ 2,5 m/s theo ph−ơng vuông góc với mẫu (khi khoảng trống giữa
mẫu vải và bề mặt đĩa là 0,01 m). Việc đo trở nhiệt của vải đ−ợc thực hiện cả khi đĩa nóng không thoát mồ hôi và có thoát mồ hôi.
Kết quả nghiên cứu cho thấy chênh lệch trở nhiệt và trở hơi n−ớc của vải khi dòng không khí vuông góc với vải so với tr−ờng hợp đối l−u tự nhiên và so với tr−ờng hợp dòng không khí song song với mẫu có quan hệ nhất định với tích số của chiều dày và độ thẩm thấu không khí Frazier của vải. Khi tích số này tăng lên thì chênh lệch trở nhiệt và trở hơi n−ớc của vải giảm.
Trong một nghiên cứu tiếp theo của Hayet Sari và Xavier Berger [64], các thông số của vùng vi khí hậu, tác động của sự làm mới lớp không khí vùng vi khí hậu đến sự mất nhiệt qua quần áo và độ ẩm của nó trong điều kiện không khí và cơ thể ng−ời chuyển động với tốc độ khác nhau đã đ−ợc kiểm tra bằng ma-nơ-canh nhiệt. Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ chuyển động của không khí bên trong quần áo nhỏ hơn tốc độ chuyển động của không khí ở môi tr−ờng bên ngoài. Các tác giả cho rằng ảnh h−ởng của chuyển động cơ thể ng−ời mặc có thể đ−ợc xem giống nh− khi có gió.
Nh− vậy, có thể thấy là sự truyền nhiệt qua vải trong điều kiện không khí chuyển động đã rất đ−ợc quan tâm và nghiên cứu. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu thực nghiệm nói trên đều mô phỏng quần áo d−ới dạng một hệ thống bao gồm các lớp vật liệu dệt bao phủ trên bề mặt da phẳng.
Trong quần áo, sự phân bố áp suất không khí trên bề mặt quần áo bị ảnh h−ởng rất nhiều bởi hình dạng cơ thể ng−ời và sự phân bố này tác động rất lớn đến sự đối l−u của không khí bên trong quần áo [39]. Chính vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu sự truyền nhiệt qua quần áo trong điều kiện không khí chuyển động với mô hình không gian. Cho đến nay, những mô hình không gian mô phỏng cơ thể ng−ời đ−ợc sử dụng trong tất cả những nghiên cứu về truyền nhiệt và truyền ẩm là mô hình hình trụ và mô hình giống ng−ời thật.
Theo I.M. Stuart, E.F. Denby [67], dòng không khí đi qua một hình trụ cơ thể ng−ời mặc quần áo sẽ gây ra sự chênh lệch áp suất xung quanh bề mặt quần áo.
Nếu quần áo thẩm thấu không khí, không khí xung quanh sẽ lọt vào bên trong quần áo và không khí giữa vải và da sẽ bị nén. Sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của dòng không khí đ−ợc tạo nên bởi độ chênh áp suất do gió và phụ thuộc vào độ thẩm thấu không khí của vải.
Vận dụng lý thuyết về truyền nhiệt trong môi tr−ờng xốp vào hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng, J. Fan [41] đã xây dựng một mô hình số mô tả sự truyền nhiệt qua quần áo trong điều kiện có gió. Trong nghiên cứu này, cơ thể ng−ời đ−ợc xem nh− một hình trụ tròn có một bộ phận điều chỉnh nhiệt ở bên trong và bên ngoài là một lớp dẫn nhiệt. Quần áo đ−ợc xem nh− có dạng một hình trụ rỗng và bao gồm một lớp mền bông cách nhiệt ở bên trong và một lớp vải có độ thẩm thấu không khí kém ở bên ngoài. Kết quả nghiên cứu cho thấy phân bố áp suất không khí điển hình trong hệ thống quần áo và sự phân bố nhiệt độ bề mặt hình trụ, ảnh h−ởng của tốc độ gió, độ dày và độ thẩm thấu không khí của các lớp vật liệu, đ−ờng kính cơ thể ng−ời đến hệ số truyền nhiệt của quần áo tại các vị trí góc khác nhau.
Trong nghiên cứu này, mới chỉ đề cập đến sự truyền nhiệt khô qua vật liệu quần áo. Vải đ−ợc xem nh− có khả năng thẩm thấu không khí theo cả hai h−ớng (h−ớng chiều dày và h−ớng bề mặt vải). Tuy nhiên, tác giả đã không giới thiệu cụ thể ph−ơng pháp xác định độ thẩm thấu không khí của vải. Hệ số truyền nhiệt đối l−u trên bề mặt quần áo đ−ợc lấy gần đúng bằng hệ số truyền nhiệt đối l−u của bề mặt hình trụ cứng không thẩm thấu không khí và đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Dạng kết cấu lớp đ−ợc xem xét gồm 2 lớp vải của quần áo mặc ấm và không có khoảng trống không khí giữa vải và bề mặt da. Những kết cấu lớp có lớp không khí giữa vải và da, lớp không khí giữa các lớp vải ch−a đ−ợc đề cập đến.
ảnh h−ởng của lớp không khí giữa da và quần áo đến sự truyền nhiệt trong hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng đã đ ợc Yankelevich [38] nhấn mạnh vì − đó là lớp không khí trung gian giữa không khí ngoài và lớp không khí sát bề mặt da. Tác giả đã khẳng định là quần áo thẩm thấu bó sát nh− áo len sẽ chỉ cho phép sự chuyển động của không khí theo ph−ơng tiếp tuyến và sự đối l−u không khí trong lớp không khí sát da là khó xảy ra.
Fonseca và Breckenride [38] đã nghiên cứu cơ chế xâm nhập của gió trong hệ thống quần áo gồm nhiều lớp vải mỏng đ−ợc chia tách bởi khoảng trống không
khí. Các tác giả đã tiến hành đo hệ số truyền nhiệt của vật liệu trong điều kiện có gió bằng một hình trụ bằng nhựa PVC đ−ợc mặc quần áo theo một số cách. Dòng nhiệt đ−ợc đo ở 16 vị trí xung quanh hình trụ. Bên trong hình trụ, nhiệt độ đ−ợc duy trì ở mức không đổi, bên ngoài đ−ợc mặc quần áo tuỳ thuộc vào tốc độ gió của môi tr−ờng bên ngoài. Các tác giả đã nhận thấy hệ số truyền nhiệt lớn nhất nhìn chung ở điểm ứ đọng chính. Đối với phần lớn các tr−ờng hợp, hệ số truyền nhiệt tối thiểu xảy ra ở vị trí góc ở tâm là 900 so với h−ớng gió.
Havanith [38] đã tiến hành những thực nghiệm để nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt trở của quần áo và chuyển động của cơ thể, t− thế cơ thể, tốc độ gió và mức độ bó sát của quần áo. Trong những thực nghiệm này, tác giả đã xác định ảnh h−ởng riêng rẽ của t− thế ngồi, đứng và đi bộ ở hai tốc độ (0,3 và 0,9 m/s) và 3 tốc độ gió (v < 0,1; 0,7 và 4,1 m/s) đến giá trị nhiệt trở của 3 bộ quần áo có 2 mức độ bó sát khác nhau. Kết quả nghiên cứu đã khẳng định các yếu tố nh− t− thế, chuyển động của cơ thể, tốc độ gió và mức độ bó sát của quần áo có ảnh h−ởng đáng kể đến nhiệt trở của quần áo. Tác giả đã đ−a ra một số ph−ơng trình hồi quy thể hiện các mối quan hệ trên.
Nh− vậy, những nghiên cứu trên đã xem xét đến vai trò của sự tồn tại và kích th−ớc của lớp không khí bên trong quần áo đối với sự truyền nhiệt qua quần áo trong điều kiện đối l−u c−ỡng bức. Tuy nhiên phần lớn những nghiên cứu này, ch−a định l−ợng đ−ợc ảnh h−ởng của kích th−ớc lớp không khí hoặc có định l−ợng đ−ợc nh−ng kết quả chỉ đúng trong những tr−ờng hợp thực nghiệm cụ thể.
Khi nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số truyền nhiệt của một số kết cấu lớp trong quần áo mặc ấm bằng một mô hình hình trụ tỏa nhiệt, tác giả Trần Bích Hoàn và các cộng sự [6], [7] đã cho thấy ảnh h−ởng của tốc độ gió, nhiệt độ bề mặt hình trụ, số lần giặt mẫu vải và cấu trúc kết cấu lớp đến đặc tính truyền nhiệt khô của kết cấu. Một số thông số cấu trúc của kết cấu lớp đ−ợc đề cập đến trong nghiên cứu này là số lớp vải, độ d− thiết kế, b−ớc đ−ờng may liên kết các lớp vải và hình