加熱區(qū)域設計對電加熱服熱舒適性的影響

崔志英 王綠英 楊詩慧

（東華大學，上海，200051）

隨著時代的發(fā)展及人們對保暖服裝需求的改變，防寒服在滿足保暖性的同時更加注重輕便、舒適等性能。目前國內(nèi)外的防寒保暖服主要有兩類：一類是傳統(tǒng)的消極阻熱式保暖服，即通過增加靜止空氣層來阻止人體熱量散失，達到保暖目的；另一類是積極產(chǎn)熱式保暖服，即對人體主動加熱，達到保暖效果，如電加熱服［1］。電加熱服是以電能為能源，將電能通過電加熱元件轉化為熱能的保暖服。由于電加熱服具有加工方便、發(fā)熱效率高、溫度可調(diào)等特點而受到人們的青睞［2］。

目前，電加熱服的研究主要集中在加熱裝置的研制、加熱織物的性能評價、服裝的組合設計及影響因素等方面。唐世君等研制了由電池、加熱載體和背心組成的電加熱服，該服裝的發(fā)熱功率可調(diào)節(jié)且有溫度保護功能［3］。崔志英等人對石墨烯與碳纖維發(fā)熱織物的電熱性能及服用性能進行了比較研究，并對電加熱元件與棉麻毛面料的匹配進行了研究［4-5］。許靜嫻等人利用鍍銀紗線開發(fā)了電加熱針織物，就不同鍍銀紗線含量、不同組織結構對其熱舒適性能的影響進行了探討［6］。WANG F等人通過暖體假人測試方法，探究了風速和服裝組合對電加熱服加熱效率的影響［7］。田苗等人探討了加熱服不同的加熱功率對人體熱舒適性的影響及碳纖維發(fā)熱元件離開人體皮膚的距離與多層服裝系統(tǒng)總熱阻的關系［8-9］。從前人的研究可以看出，近幾年對電加熱服裝的研究日趨成熟，但對服裝加熱區(qū)域設計的研究較少，為了提高加熱效率、節(jié)約能源，有必要探討加熱區(qū)域的設計對服裝熱舒適性的影響。

本研究以碳纖維電加熱服為例，通過Newton暖體假人試驗，探討不同區(qū)域加熱裝置的設計對服裝總熱阻、加熱效率、服裝表面溫度等的影響，為優(yōu)化電加熱服加熱區(qū)域的設計、提高電能轉化為熱能的效率、節(jié)約能源提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用服裝規(guī)格見表1，上裝為內(nèi)衣+襯衫+馬甲，下裝為內(nèi)衣+長褲（由于是購買的成衣，暫未測試經(jīng)緯紗線密度）。馬甲內(nèi)設計有電加熱裝置，為碳纖維發(fā)熱材料，如圖1所示，織物規(guī)格為6cm×11cm×0.2cm（長×寬×厚），每片質量15 g，碳纖維加熱裝置兩端作為電極，連接5 V直流穩(wěn)壓電源，所有加熱裝置并聯(lián)于電源。試驗時將電加熱裝置置于馬甲的內(nèi)側，圖2為電加熱馬甲示意圖。

圖1 碳纖維加熱裝置示意圖

圖2 電加熱馬甲示意圖

表1 試驗服裝參數(shù)

1.2 暖體假人

采用Newton暖體假人進行著裝試驗。該假人包含34個獨立控溫區(qū)段，假人區(qū)段分布如圖3所示。Newton暖體假人身高170cm，胸圍和腰圍分別是92cm、74cm，暖體假人體表面積1.758 m2。暖體假人具有恒皮溫、恒功率以及舒適3種測試模式。本試驗采用恒皮溫模式（假人表面溫度設定為34.0℃），試驗環(huán)境利用全天候人工氣候模擬艙，環(huán)境溫度設定為（10±0.2）℃，相對濕度（50±5）%，風速（0.4±0.1）m/s。在恒溫模式下對不同加熱裝置組合服裝的熱舒適性進行測試，試驗時使用Therm DAC軟件實時記錄假人各區(qū)段的皮膚表面溫度和熱流量，每組服裝測試3次，取其平均值。

圖3 Newton暖體假人

服裝總熱阻和加熱效率根據(jù)公式計算［10］。服裝總熱阻It=（Ts－Ta）A/0.155H。其中，It為服裝總熱阻（clo）；Ts為皮膚表面溫度（℃）；Ta為環(huán)境溫度（℃）；A為暖體假人體表面積（m2）；H為總熱流量（W）。加熱效率ε=（P1－P0）/P0×100%。其中：P0為無加熱裝置時消耗的功率（W）；P1為有加熱裝置時消耗的功率（W）。

1.3 組合設計方案

試驗時將5片碳纖維加熱裝置放于馬甲內(nèi)側的人體溫度敏感部位，其中兩片位于前胸部，其余3片位于后背及后腰，共4種組合方式。C0為無加熱裝置，C1為“前①②+后③④⑤”，C2為“前①②+后⑥⑦⑧”，C3為“前①②+后③⑤⑦”，C4為“前①②+后④⑥⑧”。

2 試驗結果與分析

2.1 服裝總熱阻

無加熱裝置C0服裝總熱阻1.313 clo，C1組合設計的服裝總熱阻為1.357 clo，C2組合設計的服裝總熱阻為1.496 clo，C3組合設計的服裝總熱阻為1.374 clo，C4組合設計的服裝總熱阻為1.520 clo。

從試驗結果可以看出，有加熱裝置的服裝總熱阻均顯著高于無加熱裝置的服裝總熱阻。未加熱與加熱后服裝的熱阻值具有顯著差異（P＜0.05），即開啟電加熱裝置后的服裝總熱阻增大，保暖效果增加。其中，C4組合設計的服裝總熱阻最大，服裝保暖效果最佳，其加熱區(qū)域組合方式為“前①②+后④⑥⑧”。

2.2 加熱效率

暖體假人的輸出功率、有效功率及加熱效率的試驗結果見表2。無加熱裝置狀態(tài)下其輸出功率為161.55 W，有加熱裝置狀態(tài)下輸出功率呈現(xiàn)減小趨勢，在138.80 W～156.57 W。從表2可以看到，C4組合設計服裝有效加熱功率和加熱效率最大，分別為22.75 W和14.08%；C1組合設計服裝有效加熱功率和加熱效率最小，分別為4.98 W和3.08%。暖體假人的輸出功率越小，有效加熱功率、加熱效率越大，服裝的保暖性越好。加熱裝置區(qū)域的不同導致加熱效率有所不同，這是由于人體表面呈現(xiàn)凹凸的立體造形，服裝各部位衣下空氣層厚度、離開服裝開口位置的距離等不同，導致熱量散失速度不同，加熱效率也呈現(xiàn)大小不等。

表2 測試的暖體假人的輸出功率、有效功率和加熱效率

2.3 局部熱流量

加熱裝置能為各區(qū)段提供熱量，因而在加熱過程中為假人維持34℃的皮膚溫度需提供的熱量變小。加熱前后不同組合設計的胸腹部、上背部、下背部的熱流量差值如圖4所示。未加熱時胸腹部、上背部、下背部消耗的熱流量分別為152.72 W、66.61 W和54.94 W；加熱后暖體假人各局部熱流量的消耗均減少，分別為121.78 W～141.82 W、47.33 W～57.82 W、34.94 W～53.91 W。組合設計C1至C4中，胸腹部的熱流量差值為10.90 W～30.94 W，下背部為1.03 W～20.00 W，上背部為8.79 W～19.28 W。加熱前后各區(qū)段的熱流量差值越大，說明加熱裝置提供的有效熱量越多，保暖效果越好。從圖4可知，上背部的熱流量差最大為C1組合，說明加熱裝置位于上背部③④⑤部位時上背部的加熱效率最好。胸腹部和下背部的熱流量差值最大為C4組合，在組合服裝中雖然前衣身加熱裝置的位置相同，但胸腹部消耗的熱流量仍有差異，這是由于身體不同部位之間存在熱交換作用，熱量通過傳導作用在人體、服裝與環(huán)境之間進行傳遞。加熱前后C4組合的上背部、下背部的熱流量差都較大，說明加熱裝置均勻分布時加熱效率高，熱量散失少，服裝的保暖性好。

圖4 加熱前后局部熱流量的差值

2.4 加熱馬甲內(nèi)外溫度分布

利用數(shù)據(jù)記錄儀記錄各加熱部位馬甲內(nèi)外溫度的分布，加熱后馬甲內(nèi)外側的溫度變化趨勢一致，均為升高，說明加熱片有助于改善人體的熱舒適性。加熱馬甲表面的溫度變化均小于馬甲內(nèi)側的溫度變化，馬甲內(nèi)側溫度升高值為3.9℃～16.2℃，馬甲表面溫度升高值為2.3℃～11.5℃，如圖5所示。這是因為加熱時馬甲外表面直接與外界環(huán)境接觸，試驗環(huán)境溫度僅為10℃，遠低于馬甲表面溫度，導致熱量容易從溫度高的馬甲表面向環(huán)境傳遞；同時馬甲與環(huán)境的溫差大于馬甲內(nèi)外之間的溫差，由于溫差越大，熱傳遞越快，因此加熱后馬甲外表面的溫度雖有所升高，但上升值小于馬甲內(nèi)表面。從試驗結果可以看出：加熱馬甲內(nèi)外溫度變化最大的位置為后背中心④部位，這是由于兩側肩胛骨的隆起從而形成部位④的衣下空氣層厚度較大，且其遠離下擺開口部位，衣下空氣不易流動，形成靜止空氣層，起到了很好的保暖作用。因此，為了提高加熱效率，更好地滿足人體熱舒適性的需求，加熱裝置的設置應盡量遠離服裝開口部位。

圖5 加熱馬甲內(nèi)外溫度差的分布

3 結論

本研究對不同加熱區(qū)域的電加熱服熱舒適性能進行了測試分析，結果表明：電加熱服裝加熱后總熱阻顯著增大，其中加熱裝置組合設計為前胸①②、背部④⑥⑧時總熱阻最大，服裝保暖效果最佳，加熱效率最大。加熱馬甲外表面的溫度變化小于馬甲內(nèi)側的溫度變化，馬甲內(nèi)側溫度升高值為3.9℃～16.2℃，馬甲外表面溫度升高值為2.3℃～11.5℃。通過研究可以得到結論：加熱裝置的設計應以均勻分布為前提，且盡量遠離服裝開口部位，以達到加熱效率最高、熱量散失最少、保暖性最好、節(jié)約能源的目的，從而更好地滿足人體熱舒適性的需求。