2013年9月13日 星期五

睡袋適溫(一):概論、測量歷史、發展與現況


前言:
長久以來關於睡袋的適溫標示一直是個很具爭議的問題,原因在於影響它的變數實在太多─從睡袋廠商對產品的適溫認定、睡袋本身的設計、使用的環境、使用者本身的體質、實地使用的狀況.......等等,有太多因素可能會讓使用者說:「這睡袋並不能達到它適溫標示的保暖能力」!



我們回頭檢想想,這睡袋的適溫標示究竟是如何產生的呢?適溫代表了什麼意義?更進一步來看,不同的適溫測試方法和適溫標示產生的差異有多少?在睡袋上小小的一張的適溫標示,在數字的後面可是有想不到的學問存在。在人、睡袋和環境的交互作用和影響中,經由本文你可以更了解適溫測量和標示的依據,也能明白更多的戶外科學,當你在選擇睡袋時,適溫的標示對你來說將會有更多不同的意義。

在此說明,這篇文章主要是依據MAMMUT在2006年發佈的「Sleep Well」文件第一章關於睡袋適溫的標示的部份所翻譯,另外加上其他資料補充而成,所以文章中提及的部份大都為歐洲的發展,而大家如有需參考圖表或翻譯不佳的部份則請直接參考
原文

因為文章內容太長所以會分成三部份來推出,第一部份是測試概論和發展歷史、第二部份是保暖值的單位、適溫模型以及材質與假人測試方法的介紹、第三部份主要是EN13537的測試方法介紹、比較以及質疑,最後個人則補充推出了第四篇文章,以膨漲高度做為評量適溫的方法以及一些大家耳熟能詳的增加睡袋適溫的方法。

簡而言之,睡眠系統中包括了三個因素─人、裝備和環境,而適溫也就是由這三者間進行測試和評估,從一開始的分別以人或材質的測試到近年來的綜合模擬實驗等等,其中可是一段漫長的歷史,我們就慢慢看下去吧。

、睡眠背後的科學:

1.人體的熱平衡:
人們對於周遭環境感覺到舒適的程度,是由人體的生理機能來決定,而且因人而異並有所不同。當人體經由新陳代謝產生熱能讓我們覺得溫暖時是因為我們身體所產生的熱量大於或等於流失的熱能(給週圍環境)。
 
2.
熱流失的途徑:
  
人體的熱能會經由傳導Coduction、對流Covection、輻射Radiation、蒸發Evaporation等方式流失,在睡眠系統中最主要的熱流失方式則是傳導和對流。

3.睡眠系統中的熱平衡公式:
人體的熱平衡方程式:S=M±R±C-E S:體內蓄熱
C:人體依對流所接受或散失之熱
M:人體生熱
E:人體由蒸發所散失之熱
R:人體由周圍輻射所接受或散失之熱
當S 接近0 值時,人體感覺舒適,此時熱平衡方程式為:M±R ± C-E=0
當S 為負值時,人體感覺寒冷,此時熱平衡方程式為:M±R±CE<0
當S 為正值時,人體感覺暖和,此時熱平衡方程式為:M±R±C-  E>0

而一個舒適的睡眠系統可以由一個簡化的公式來說明其中的熱平衡:
人體產生的熱能=經由傳導、對流、輻射、蒸發所失去的熱能
在原文中有一個圖大家可以參考。

4.睡眠系統中的熱流失途徑:
 ①傳導Coduction:傳導簡單來說就是固體和固體間的熱流動,也就是當物體在接觸時熱能會由溫度高的流向溫度低的,而在睡眠系統中傳導的主要作用方式是人體和冰冷的地面接觸,這部份可以藉由使用睡墊來減少。
②對流Covection:對流是指液體或氣體通過循環流動使溫度趨於均勻的過程,這是因為不同的溫度導致引起系統的密度差造成對流,對流傳導因為牽扯到動力過程,所以比直接傳導迅速。在睡眠系統中,對流主要藉由睡袋結構中所留住的暖空氣(被人體加熱的)來減少其影響,這是因為空氣是熱的不良導體(導熱性低)的原故。
③輻射Radiation:只佔很小的部份
④蒸發Evaporation:流汗是蒸發的主要作用方式但在氣溫低時影響性很小。
⑤呼吸:Respiration:氣溫低時呼吸所造成的熱流失會比較明顯。

5.影響人體產生熱量的生理因素:
首先,大家要明白睡袋只有保留人體產生熱能的功用,也就是說只有人才能產生保持溫暖的能量。接下來我們得了解的是每個不同個體(個人)和不同狀況產生熱能的差異性。最後我們一定要注意的是,所有適溫測試的方法都是以一個〞標準"的人體設定做為實驗的基礎,只是在現實中是很難會有這樣的一個"標準的人"存在的。
一般來說一個睡眠中的人經由新陳代謝大約能產生75-100瓦的熱能,而以這個平均值來換算至每平方公尺截面積上的熱能則大約是介於47-55W/m2。
至於要談到人體的新陳代謝則是一個非常複雜的課題,其中牽涉了體脂肪、年齡和性別,以下就這幾項主要響影因素來詳細說明:
①胖瘦: 胖的人總是說他們的新陳代謝很慢,更正確的來說應該是他們吃的比他們燃繞的熱能多。至於瘦的人則有比較平衡的新陳代謝,他們所吃的和他們所燃燒熱能一樣多。體脂肪對在吸收量少於燃燒量時會有重要影響,因為登山健行時常會發生你吃的比你耗費的能量少,極地或探險時更得常面對不可能吸收到所耗費的能量需求,而胖的人可以藉由燃燒自身的體脂肪得到能量。另外,胖的人也因為體脂肪而多了一層天然的熱絕緣層,所以胖的人比較不怕冷這句話是真的。
②性別: 女性通常比男性怕冷,以EN13537法為例,女性的標準舒適溫標要比男性高5度C。
③年齡: 新陳代謝也和年齡有關,年紀大的人所能產生的熱能比較少因此比年紀輕的人怕冷。實際上來說,16-25歲的人新陳代謝率最高,而身體產生熱能越多越不會覺得冷,一個年輕的男性可能的舒適溫度會比年紀大的人低上5度C。至於小孩特別是年紀越小的,因為身體控制熱能的機制還未發育完成,他們的新陳代謝會隨著成長的減慢,也因為這個原因,小孩的適溫定義會特別的困難。
④生活型態: 以往的睡袋適溫調查著於士兵、嚮導與探險家之類的人們,而這些人往往是18-40歲的男性,有著豐富的戶外經驗且長期處於戶外。只不過現在的西方人往往是住在有暖氣的房子和辦公室、交通有車輛代步,這樣的生活方式也讓人體對抗寒冷的能力減弱。
⑤經驗: 戶外的睡眠經驗同樣也影響了適溫,對於裝備的經驗和熟悉程度能助睡眠系統有更好的表現,所以新手往往會比老手覺得冷。
⑥體能的強健度: 如果一個習於久坐的人要進行一次戶外的艱辛旅程,他們很快就會覺得疲倦,而精疲力竭造成的熱流失代表著你會開始覺得冷,當他們停止運動,不強健的人會比強的人覺得更冷。

6.關於適溫標示的基本定義: 
因為睡眠系統要有足夠的保暖能力留住人體的熱能才能感到溫暖,所以適溫標示就代表睡袋可以提供保暖能力的參考值,以下是一些適溫標示定義的說明,但是要注意,這定義會因各個測試方法有所不同:
Comfort Temperature(舒適溫度):這是指使用者使用這顆睡袋時可以有著整晚舒適睡眠的適溫範圍,通常位於舒適上下限適溫之間。
Upper Limit of Temperature(舒適上限溫度):這是指使用者使用這顆睡袋時可以在睡眠時不會大量流汗的最高溫度,通常設定的睡袋使用狀況是拉鍊打開、手臂伸出袋外以及帽兜不束緊。
Lower Limit of Temperature(舒適下限溫度):這是指使用者可以使用這顆睡袋睡眠八小時而不會冷醒的最低溫度。
Extreme Temperature(極限溫度):這是指使用者使用這顆睡袋而不會失溫的最低溫度。這個標示的狀況比較複雜,但通常是指在六小時的不舒適睡眠後仍能不讓使用者的核心溫度(Core Temperature)達到危險的程度。

7.商業與現實間的問題:

這些適溫標示的最主要問題就是它們都是以一位年輕而強健的男性做為基礎,而不是一位登山的新手。再者,這些適溫定義往往是指使用者穿著衣服,像是高山攀登所穿的內衣。

二、睡袋適溫測試的發展歷史:
前段關於睡袋的發展史就略過請自行參考原文,我就直接從睡袋適溫測試的發展歷史開始說起。在此我先做個引言,在開頭部份曾提到,適溫是受到使用者、睡袋和環境因素的交互響,而測試的發展過程也是從主觀的使用者感覺到客觀的材質的保暖力測試,最後則是綜合人、睡袋與受控制環境的測試。
 
1.
適溫標示的起源
: 
自1930年代起歐洲的登山健行開始風行,也讓歐洲的戶外裝備製造業開始興盛。而隨著睡袋逐漸成為一項普及性的商品時,裝備製造商也開始在睡袋上使用消費者可以了解的標示提供他們在選購時做為參考。起初在睡袋上僅有如summer、3 season或winter這樣的適溫標示,接下來隨著裝備零售業的快速發展,適溫標示也開始變成一個粗略的數值,這個數值代表著睡袋可以使用的最低環境溫度。直到最近,一些品牌開始在適溫上標示二個數值,分別代表個舒適適溫和極限適溫。所謂舒適適溫是指用者可以一好眠的最低溫度,而極限適溫則代表著在求生狀況時可以使用的最低溫度。


2.適溫測試的發展歷程: 
 ①戶外測試方法: 最初的睡袋適溫標示測試模型是建立在那些常常進行戶外活動的人們身上,基本上這些人是戶外活動的行家或老手。這些人們會把睡袋帶去進行數週的戶外活動後把本身對於這睡袋使用的適溫意見告知製造商做為舒適與極限溫度標示的參考依據。


②織品測試方法: 在第一部份中曾提到─睡袋只有保留人體熱能的能力,因此以科學的方法來測試睡袋的保暖力,就可以把適溫標示從僅僅依據主觀的感覺轉而成為材質保暖能力的科學數據*。從1930年代以來,布料的熱阻抗測試就被普遍使用在服裝的保暖性表現上。而隨著睡袋工業的發展,許多品牌的睡袋開始進行這項測試以了解不同材質的保暖性,而這項測試不但便宜而且簡單,只需要一塊35平方公分的表布和保暖材質就可以進行測試。
*織品測試方法會在第二部份有詳細的介紹和說明。


③保暖單位值:有了織品保暖值的測量,接下來1941美國科學家創造了一個保暖值的標準測量單位─Clo,這是一個標準的商業絕緣能力單位,在SI公制系統下的測量,熱導率的基本單位是㎡K /W,詳細介紹如下。
Clo的定義:21℃室溫、相對溼度50﹪、氣流10cm/s的環境下,穿著者感覺舒適、並保持其體表溫度為33℃時,該穿著服裝的保暖值為 1Clo,若換算為代謝熱量1Clo約為50 Kcal/㎡/ hr或為58.15 W/㎡/ hr。
科學家發現Clo這個數值難以解釋而且不科學,因此在英國的Shirley研究機構開發出一種容易遵循的保溫單位值-Tog。Tog在1960年代被公佈,而且成為BS4745法的標準單位,所以BS4745法又被稱為Tog測試。
Clo和Tog的換算:
1 tog=0.1m2 K/W=0.645 Clo
1 Clo=0.155m2K/W=1.550 tog

文章說到這,有個重點要說明,最初的戶外測試是全憑個人感受所產生的結果並不科學,因為戶外測試方法雖然以戶外使用者(人)做為評估基礎,但測試者的身上卻沒有配備溫度計或實驗日誌以記錄下使用時的實際溫度,缺少了這些科學資料也就降低了測試結果的準確性。所以接下來溫溫測量的發展就是以精確的科學方法來測量睡袋保暖值,只不過用材質測試得出的數值卻是全然的忽略了使用者的因素。所以總結來說這二種測試各有其優缺點,而如何結合二者也成為未來測試發展的重要方向。

④可控制的環境:在經過人和材質的測試發展後,接下來就是對於最後一個變數─「環境」的控制了。對一個嚮導來說為科學家記錄下資料是件難事,而且對科學家來說還同時要有溫度、風速、濕度、服裝等資料做為比較參考,所以製造一個可以控製溫度、濕度的環境成為一個合乎邏輯的手段。第一步,研究人員找了一個低溫且能控製濕度的地方,讓研究人員用不同睡袋來過夜,之後研人員就可以把織品的保暖值與研究人員實際的舒適感知製成圖表。第二步是在實驗室中建立一個可控制的氣候環境,以研究不同溫、濕度和更精確的空氣流動。

⑤熱顯像:1980年代,隨著電腦的發展,創造了非常適合實驗使用的熱顯像攝影。不但讓人體在睡袋內的熱能狀況分佈可以顯示出來,更可以讓製造商對於睡袋的設計進行改進。

⑥電腦化的資料收集:這點沒什麼好補充的,如有興趣請參考原文。

⑦加熱器: 接下來適溫測試發展跨出了重要的一步,就是科學家製造出了一個可以模擬睡眠中人體熱輸出的加(發)熱機器。加熱器的出現也代表了適溫測試開始進入結合人體(發熱模擬)以及材質表現(熱阻)的共同測試階段,再加上可控制環境的實驗試,可以說人、材質和環境三項要素同時被加入了適溫測試中。
每個加熱器都有著加熱裝備和體表溫度偵測器可以模擬和測量新陳代謝的熱輸出。加熱器讓研究者可以控制表面熱能的輸出,而且這個機器也不像真人會厭煩或抱怨在身體裝置了溫度計,在一個驗實室中加熱器的可以測量或控制以下的項目有以下幾項:
⑴環境溫度
⑵環境濕度
⑶加熱器熱能輸出
⑷加熱器表面面積
⑸地面保暖值
⑹加熱器表面溫度
在最初的加熱器為了要能放入睡袋內所以設計成筒狀外型,而接下來的改進是把外型做成人體的形狀,而且在身體的各部位都加上加熱器與感應器可以更加符合實際使用的狀況,這也就是之後的假人測試。

⑧美國陸軍的機密: 簡單來說就是從二次大戰就展開服裝和睡袋的研究。

⑨Copperman假人的公開: 1980年堪薩斯州立大學的McColough博士提出了一個使用假人(這個假人正如其名,因為它是銅copper做成的)來測試戶外服裝和睡袋的方法,而TNF也成為了第一個使用這個方法來測試它們睡袋適溫的品牌。
早期的copper假人測試很快的在戶外業界造成爭議,而大部份的廠商仍是進行著傳統的戶外與織品測試,接下來的15年中戶外品牌也大都對假人測試採否定的態度,但研究人員仍是持續改進著假人的準確性。

⑩假人測試的新發展: 假人測試在歐洲戶外工業的突破來自於德國研究機構,他們創造出全身分為15個區域的假人─CHARLIE,這也是第一個被戶外業界接受的假人,而很快的法國的研究機構也發展出了更好的假人名叫MARTIN。而在90年代中期,由於假人測試的快速發展,法國便創造出第一個依假人測試所得出的熱阻和適溫關聯的標準G08-013。至於另外二個研究機構Hohenstein和IFTH聯合協調出的標準日後發展成為EN13537,而Charlie也成為EN標準的測試假人。

3.EMPA的新研究:
①會流汗的假人設計:瑞士的研究機構EMPA研發出了會流汗的假人軀體以測量睡袋內人的流汗和凝結(反潮)現像。1996年他們測量了化纖和羽絨睡袋上的影響,在低溫時,流汗讓睡袋內反潮,這讓羽絨睡袋的保暖能力大大降低,而對於化纖睡袋內反潮的影響則雖然較低但仍相當明顯。
EMPA也發展出非常複雜可模擬人體運動狀況的假人以研究和測量流汗和多點的皮膚溫度。在2001年所發展出的一系列的假人,包括SAM(Sweating Agile Manikin),這是一個可以摸擬各種運動狀況─走路、坐著、站著和睡眠狀況熱輸出的假人。SAM假人非常先進,甚至可以直接依熱影像來模擬產生人體處在不同運動狀況的表面溫度,而SAM所在的實驗室則可以模各式的天候狀況,而目前也被瑞士軍方和數個織品製造商所採用。

②睡眠系統:戶外的睡眠系統不只有睡袋而已,這其中還包括了睡墊、睡袋以及使用者所穿著的衣物和襪子,甚至是露宿袋和帳篷,這同樣也會影響著睡袋適溫的表現。也因此EMPA採用了一套研究計畫針對睡眠系統中的各個組件的保暖性,瑞士軍方是第一個採用這個研究計畫的,Mammut則是另一個。

4.世界上目前主要的測試標準: 
BS4745-1984
ISO5085
EN30192
ASTM F1720-96
G08-013
EN13537
這些標準會在後續內容做詳細的介紹。

小結:
一個睡眠系統中最重要的因素包括了人(使用者)、睡眠裝備和環境,而這三個因素也持續的交互響著。

適溫測試最初的研究是以人為基礎但主要是依據"感覺"而缺乏科學的測量,所以接下來的發展轉為測量材質的保暖性(熱阻),但只測量材質沒有加上人的因素卻只能得出一個理想化的結果。最後為了能夠得到更精確的測量結果,就得把這些因素同時加入測試中這也就是現代適溫測量的基本概念。在介紹完了測試方法的發展,接下來的文章,我們將說明目前主要的幾種各種測試方法以及保暖值測試結果是如何換算為適溫,也就是適溫模型的概念。

在第一部份的最後我還是做個提醒。如同文前所言,即使是用科學的方法也無法完全測量實際使用時的變數影響,尤其是像戶外活動時的環境和人體狀況。雖然這些年來的測量方法的發展就是要盡力達到其精確性,但由保暖力(熱阻)換算為適溫的模型仍有其侷限性,所以適溫值雖有其參考性但請不要當做絕對或唯一的適溫依據。

山行者豪哥 2010/09/28

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