加熱裝置在防寒服中的位置及其熱效用

吳黛唯，李紅彥，戴艷陽，蘇 云,3，王云儀,3

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051； 2. 國網吉林省電力有限公司 電力科學研究院，吉林 長春 130021； 3. 東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

人體防寒保暖的常見策略是防止身體冷卻并在一個人可以接受的溫度范圍內維持熱平衡狀態(tài)[1]，而服裝作為人體抵御外界冷環(huán)境的最后一道屏障，其防寒性能的優(yōu)劣對維持人體的動態(tài)熱平衡起著非常重要的作用，應能降低人體向環(huán)境的散熱速率，并將這個速率控制在可以與人體代謝過程的產熱速率相平衡的水平[2-3]。然而，當人體處于低溫或極低溫環(huán)境時，如果服裝的隔熱性能不足以維持人體的動態(tài)熱平衡，那么因熱平衡失調(即散熱大于產熱)而導致的冷損傷和相關疾病的高發(fā)風險就會大大增加。在這樣的情況下，引入外部熱源并應用于服裝本身，使其成為主動產熱式服裝系統(tǒng)，進而輔助人體提高御寒能力可以解決服裝隔熱不足的問題[4-5]。它相較于傳統(tǒng)的防寒服而言，能夠提供動態(tài)可調節(jié)的保暖功能[6-7]，在服裝已具備的隔熱性能的基礎上，通過增加其產熱和調溫功能，擴大人體可以適應的溫度范圍和活動水平，提升服裝的多環(huán)境適用性。

目前，對于個體加熱服裝的研究主要集中在加熱裝置的技術原理、與服裝的組合設計方法以及組合后的整體性能評估上。其中，有研究[8-9]給出了鍍銀電熱織物可獲得35 ℃加熱溫度的電壓數(shù)值為6 V，以保證人體熱舒適性，并得出該類織物的表面平衡溫度與消耗功率之間的線性關系，但這類實驗僅限于織物層面，未能模擬著裝狀態(tài)下的服裝系統(tǒng)。有學者[10]通過實驗證實了加熱裝置的使用能提高冬季多層服裝系統(tǒng)的有效隔熱值，且加熱裝置越貼近皮膚，服裝的有效隔熱值也越高，這種趨勢在較低的環(huán)境溫度下更為顯著，但該結論僅從滿足加熱效率最大化而得到，沒有考慮因加熱效率過高而對人體熱舒適性產生消極影響的可能。也有學者[11]研究了不同檔位的加熱功率對人體不同部位熱舒適性的影響，但該實驗中的加熱部位僅限于背部區(qū)域，且對低、中、高檔的加熱功率及溫度范圍缺少定量分析。還有研究[12]探討了加熱效率與環(huán)境溫度之間的關系，并給出了特定冷環(huán)境下以滿足人體熱舒適性而推薦設置的加熱功率。該研究雖然結合人體熱舒適性進行了定量分析，但其加熱層也僅覆蓋人的軀干部位，未從全身各部位考慮，缺乏整體性，且使用加熱功率來表征加熱裝置屬性的方法尚不直觀明了。

通過以上相關文獻的梳理發(fā)現(xiàn)，目前對于加熱裝置與服裝系統(tǒng)的組合原則仍不明確，其具體設計方法也缺乏整體性及定量分析。為彌補以往研究存在的不足，本文以防寒服為例，規(guī)定環(huán)境溫度為 -11.8 ℃，假人為靜止站立狀態(tài)，通過3個分實驗設計，獲得加熱裝置在所給防寒服系統(tǒng)中適宜放置的身體部位、服裝層位以及每個位置適合設定的加熱溫度范圍。另外，將該防寒服與同類型但隔熱值不同的服裝做了補充對比實驗，以期獲得人體在穿著不同防寒水平的服裝時保暖不足部位是否發(fā)生改變，以及相同位置的加熱效果有無差異。

1 設計路徑

1.1 設計思路

本文研究的實驗設計路徑分為3個部分。具體如下：

第1部分：確定人體保暖不足部位。該部分實驗選擇2個服裝樣本完成，均設置為不加熱狀態(tài)。通過比較未加熱狀態(tài)下假人各區(qū)段的表面溫度變化，以表面溫度相對較低的5個區(qū)段作為保暖不足部位的最終選擇。另外可比較假人穿著2個樣本時，保暖不足部位是否發(fā)生改變。

第2部分：確定加熱裝置放置的服裝層位。該部分實驗將加熱裝置放于相同服裝、相同身體部位的2種層位作為樣本，均設置為同一加熱溫度。將假人表面溫度升高更明顯，即加熱效果更好的樣本服裝層位作為最終選擇。

第3部分：確定每個身體部位適宜提供的加熱溫度。該部分實驗將5個加熱裝置放于同一件服裝的5個位置，即前2部分實驗結果得出的保暖不足部位和服裝層位。通過設置不同加熱溫度，分析假人各加熱部位的表面溫度變化，以此確定每個部位適宜提供的加熱溫度。

前2部分的指導原則為節(jié)約能源、提高加熱效率；第3部分的指導原則為滿足人體的熱舒適性。兩方面原則共同指導本實驗設計思路。

另外，對加熱裝置所搭配服裝的隔熱值與加熱效果之間的關聯(lián)性做了補充實驗。以第1部分實驗中的2個服裝(隔熱值不同)為樣本，通過開啟相同位置的加熱裝置，并設置相同加熱溫度，比較二者加熱部位的表面溫度變化，分析服裝隔熱值與加熱效果之間的關系。

1.2 測試方法

本文實驗采用假人著裝測試方法。實驗中使用的Newton暖體假人是可以替代真人進行服裝性能測評的復雜系統(tǒng)，擁有34個獨立控溫區(qū)段，具有恒皮溫、恒功率以及舒適3種模式。本實驗采用恒功率模式，各區(qū)段加熱功率均設定為58.2 W/m2，對應人體代謝率1 kcal/(kg·h)，以此模擬著裝者靜止站立狀態(tài)下的代謝產熱量。實驗環(huán)境利用全天候人工氣候模擬艙實現(xiàn)，設定條件為低溫有風環(huán)境：環(huán)境溫度為(-11.8±0.2) ℃；相對濕度為(55±5)%；平均風速為(2.6±0.1) m/s，該環(huán)境條件設定值由東北地區(qū)冬季氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，它代表一種較為的寒冷外部環(huán)境。

本研究選取的服裝樣本A和補充實驗中的服裝樣本B均為普通防寒服。基礎服裝統(tǒng)一設定為內層棉毛衫、中層毛衣，褲裝統(tǒng)一設定為內層棉毛褲、中層褲膽、外層外褲，并將棉安全帽、加絨手套、厚棉襪、加絨勞保鞋作為假人頭、手、腳的防寒配飾。各樣本的總隔熱值及具體構成如表1所示。

圖1 加熱裝置簡要示意Fig.1 A brief schematic diagram of heating device

3—右前上臂；4—右后上臂；5—左前上臂；6—左后上臂；7—右前前臂；8—右后前臂；9—左前前臂；10—左后前臂；13—前胸；14—肩部；15—腹部；16—后中；17—腰部；18—下背；19—右上前大腿；21—右上后大腿；22—左上前大腿；24—左上后大腿；25—右下前大腿；26—右下后大腿；27—左下前大腿；28—左下后大腿；29—右前小腿；30—右后小腿；31—左前小腿；32—左后小腿。圖2 未加熱情況下假人不同區(qū)段的表面溫度變化Fig.2 Surface temperature changes of different zones of manikin without heating

由表1可知，由于服裝材料及構成的不同，樣本A的隔熱值要略高于樣本B。本實驗就樣本A進行系列實驗，樣本B作為輔助對比服裝進行差異性分析。

加熱設備選用市場上已有的服裝加熱裝置，其提示采用碳納米管發(fā)熱技術，如圖1所示。溫控范圍為30～53 ℃，在ASTM F1291—2004《使用暖體假人測量衣物熱阻的標準測試方法》中規(guī)定的標準環(huán)境(溫度為22 ℃，相對濕度為50 %，風速為0.4 m/s)下，縫制于隔熱值為1.78 clo的外層服裝后中部位內表面(內搭服裝的隔熱值為0.82 clo)，穿著于假人系統(tǒng)(恒皮溫模式)，測得的校準溫度范圍為31～49 ℃，如表2所示。

表2 加熱裝置的溫度設定值及對應的校準溫度Tab.2 Temperature set values and corresponding calibration temperatures of heating device ℃

2 結果與討論

2.1 人體保暖不足部位

為獲得人體著裝后保暖不足的身體部位，以確定加熱裝置的使用必要性，在本實驗中，假人穿著樣本A進行了53 min的測試。另外，為進一步對比人體在穿著不同防寒水平的服裝時保暖不足部位是否有變化，在補充實驗中，假人穿著樣本B也進行了53 min的測試。在均未打開服裝加熱功能的低溫條件下，假人在53 min測試結束后的局部表面溫度見圖2。

由圖2可知，根據(jù)溫度的差異變化，可將假人各區(qū)段劃分為3個區(qū)域：上肢、軀干、下肢。整體來看，2個樣本有共同之處：軀干區(qū)域的平均表面溫度高于上肢和下肢區(qū)域；上肢區(qū)域，表面溫度較低的區(qū)段是前臂，不高于16 ℃；下肢區(qū)域，表面溫度較低的區(qū)段是小腿，最低溫度達到10.47 ℃。因此，人的小腿與前臂更需要加強保暖。綜合2個樣本在軀干區(qū)域的表面溫度，相對較低的區(qū)段是前胸、肩部、腹部，最低溫度達到16.31 ℃。綜上，在一定時間內，假人表面溫度下降較多的5個區(qū)段分別為前胸、肩部、腹部、前臂和小腿。因此加熱裝置有必要放于以上這5個保暖不足的部位來減少人體冷感。

對比2個樣本的實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：假人在穿著樣本A時上半身各區(qū)段的表面溫度均大于樣本B。這是因為樣本A的總隔熱值高于樣本B，因此保暖效果更優(yōu)。

2.2 服裝層位

為探究加熱裝置在服裝中的層位對整體保暖效果的影響，本文實驗對比了2種放置層位(樣本A內膽里料的內側A1和外側A2，放置部位均為后中靠肩部區(qū)域，設定溫度均為53 ℃)下的假人表面溫度變化，如圖3所示。

圖3 加熱裝置放于樣本A不同層位的表面溫度 變化(內膽里料內側A1；內膽里料外側A2)Fig.3 Surface temperature changes of different zones with different location of heating device in layers of sample A (A1:inside lining of clothing liner; A2:outside lining of clothing liner)

由圖3可知：樣本A2在4個區(qū)段的表面溫度均大于樣本A1，這意味著加熱裝置越貼近人體皮膚，加熱效果越好。具體來看：2個樣本在后中區(qū)段的表面溫度最高，樣本A2的最終表面溫度為36.21 ℃，明顯高于樣本A1(34.52 ℃)；它們在肩部區(qū)段的表面溫度差異也較大，達到 2.20 ℃，而腰部與下背區(qū)段的表面溫度差異較小，這是由于加熱裝置位于肩部與后中區(qū)段。因此，根據(jù)加熱裝置與服裝系統(tǒng)的組合原則——節(jié)約能源，提高加熱效率，它在服裝中的層位應該更貼近人體皮膚，如樣本A內膽里料外側。

2.3 加熱溫度

由于人體不同身體部位具有生理差異性，因此它們對加熱溫度的需求不一致。加熱過度會導致人體產生熱應激；加熱不足又達不到保暖的目的。因此，根據(jù)加熱裝置與服裝系統(tǒng)的組合原則——滿足人體的熱舒適性，還需針對人體不同部位的保暖需求，對加熱裝置設定合理的加熱溫度，以提供給人體最優(yōu)的熱舒適性。根據(jù)2.1、2.2節(jié)實驗的測試結果，可以確定在本研究規(guī)定的環(huán)境條件、服裝條件以及人體活動水平下，加熱裝置與防寒服系統(tǒng)組合的位置分別為前胸、肩部、腹部、前臂和小腿等5個部位的內膽里料外側。

考慮到人體左右的對稱性，在左右前臂和左右小腿中只選取了一邊作為加熱部位。本實驗分別在假人的5個部位(右前臂、前胸、肩部、腹部、右小腿)放置加熱裝置，在環(huán)境溫度(-11.8±0.2) ℃、相對濕度(55±5)%、平均風速(2.6±0.1) m/s的條件下測試了假人穿著樣本A在110 min內各區(qū)段表面溫度的變化情況。實驗過程中各溫度設定值如表3所示。

表3 不同時間段加熱裝置的溫度設定值Tab.3 Temperature set values of heating device at different time periods

圖4示出左右上肢區(qū)段表面溫度的變化情況。由于加熱裝置放于右前臂，因此右上肢的表面溫度明顯高于左上肢的表面溫度，尤其在右前前臂，與左前前臂的最大溫度差異達到7.15 ℃，其次為右后前臂，最大溫度差異達到5.36 ℃，說明加熱裝置的使用極大地提高了服裝的防寒保暖效果，且用于該實驗是可行的。另外，在實驗過程中設定了不同的加熱溫度，可以發(fā)現(xiàn)在93 min之前，調節(jié)加熱溫度對于右上肢表面溫度的變化并無明顯影響，這是因為右上肢的溫度均未達到加熱溫度。而在93 min之后，右上肢的溫度出現(xiàn)了明顯的下降，這是因為停止加熱之后，由于人體與外界冷環(huán)境之間溫度差的存在，導致人體熱量向外界散失，右前前臂的溫度下降最為明顯，在20 min的停止加熱過程中，右前前臂的溫度下降了1.59 ℃，意味著加熱裝置需要持續(xù)加熱，停止加熱后，加熱部位的溫度會很快下降。由于上肢區(qū)段所有表面溫度均未超過29 ℃，說明在該實驗環(huán)境下，設定溫度為53 ℃并不能有效地提高防寒保暖作用，需要進一步提高加熱溫度，以達到人體熱舒適的目的。

圖4 加熱裝置不同設定溫度對上肢區(qū) 段表面溫度的影響Fig.4 Effect of different temperature set values of heating device on surface temperature of upper limb zone

圖5示出軀干區(qū)段表面溫度的變化情況。加熱裝置放于前胸、肩部和腹部可發(fā)現(xiàn)，這3個部位的表面溫度有明顯的先上升后下降的趨勢。其中肩部溫度上升速率最快，其次為腹部，但是肩部溫度下降速率也最快，這主要與加熱溫度的設置有關。在 53 min 時，調節(jié)設定溫度為48 ℃，肩部溫度開始下降，而腹部與前胸的溫度繼續(xù)上升，可推測設定溫度在48 ℃無法提供足夠的熱量，使肩部溫度保持在35.44 ℃。當設定溫度為43 ℃時，肩部的溫度下降速率增大，腹部與前胸的溫度上升速率逐漸減小，在73 min之后，腹部與前胸的溫度開始逐漸下降，此時設定溫度為38 ℃，說明38 ℃的設定溫度并不能滿足腹部與前胸部位的保暖需求。由于前胸的溫度低于30 ℃，因此前胸部位的設定溫度應該至少在 48 ℃ 以上，而肩部與腹部的溫度均超過了35 ℃，因此肩部與腹部的設定溫度應在48 ℃以下。其他部位的溫度雖然未直接放置加熱裝置，但不同部位之間存在熱交換作用，所以其他部位的溫度也有明顯的上升過程。

圖5 加熱裝置不同設定溫度對軀干 區(qū)段表面溫度的影響Fig.5 Effect of different temperature set values of heating device on surface temperature of torso zone

圖6示出不同加熱溫度下左右下肢區(qū)段表面溫度的變化情況。加熱裝置放于右前小腿部位。在 8個部位中，溫度上升最為明顯的是右前小腿，其次為右下前大腿、右下后大腿、右后小腿，因此右腿溫度上升速率均大于左腿的溫度上升速率。由于加熱裝置不同加熱溫度的設置，右腿4個部位的溫度上升速率出現(xiàn)了一定的波動，在93 min加熱停止之后，溫度出現(xiàn)明顯的下降。在整個測試過程中，下肢區(qū)段的溫度均低于27 ℃，額外的加熱裝置雖然減小了表面溫度的進一步降低，但下肢區(qū)段仍然面臨低溫危害，因此需要增加其設定溫度，至少大于 53 ℃，才能提供合適的保暖效果。

圖6 加熱裝置不同設定溫度對下肢區(qū) 段表面溫度的影響Fig.6 Effect of different temperature set values of heating device on surface temperature of lower limb zone

綜上所述，人體不同部位應該設定不同的加熱溫度，以充分發(fā)揮加熱裝置的保暖效果，既不加熱過度，也不加熱不足。根據(jù)不同部位的表面溫度變化以及表2中加熱裝置的溫度設定值與校準溫度之間的對應關系，推薦的設定溫度范圍及校準溫度范圍如表4所示。

表4 四級加熱溫度推薦Tab.4 Four-level heating temperature recommendation ℃

2.4 服裝隔熱值對加熱效果的影響

為探究在同一環(huán)境條件和人體活動水平下，加熱裝置搭配不同隔熱值的防寒服，對其加熱效果是否會產生不同影響另外進行了補充實驗。

圖7(a)與(b)分別示出樣本A和B在開啟加熱(ON)與關閉加熱(OFF)2種情況下的假人表面溫度變化。其中，加熱裝置均位于后中部位、內層服裝里料內側，設定溫度均為53 ℃。由圖7(a)可知，對樣本A來說，在30 min的實驗測試中，A-ON對應的各區(qū)段表面溫度均大于28 ℃，A-OFF對應的各區(qū)段表面溫度均小于28 ℃。A-ON對應最大表面溫度的區(qū)段是后中，達到34.5 ℃，比不加熱情況下的表面溫度提高了24.9%，說明加熱裝置能夠明顯提升服裝的保暖性能，而在肩部、腰部、下背等其他區(qū)段的表面溫度比不加熱情況下分別提高了8.54%、20.6%、20.1%。

圖7(b)描述了樣本B在加熱和不加熱2種情況下的表面溫度變化。與樣本A類似，樣本B通過開啟加熱也能夠明顯提高各區(qū)段的表面溫度，加熱情況下肩部、后中、腰部以及下背4個區(qū)段的表面溫度比不加熱情況下分別提高了26.8%、35.5%、22.1%、25.0%。后中區(qū)段表面溫度的提高幅度最大，主要是由于加熱裝置的位置最接近后中。

圖7 加熱與未加熱2種情況下假人穿著樣本 A和B上身各區(qū)段的表面溫度變化Fig.7 Surface temperature changes of upper body zones of manikin wearing sample A (a) and B (b) with and without heating

為進一步對比2個樣本開啟加熱之后的效果，樣本A和B在0～30 min加熱情況下各區(qū)段的表面溫度變化速度，加熱30 min時各區(qū)段的表面溫度值以及較不加熱情況下表面溫度的提高幅度如表5 所示。結果表明：加熱情況下，隨著加熱時間變長，各區(qū)段表面溫度的變化速度在不同的樣本中呈現(xiàn)出不一樣的變化，對于樣本A來說，除肩部和腰部區(qū)段的表面溫度略有降低之外，后中和臨近的下背區(qū)段對于加熱效果的維持能力均表現(xiàn)良好，尤其是后中區(qū)段，溫升速度達到了2.86 ℃/h，而對樣本B來說，4個區(qū)段的表面溫度均出現(xiàn)了不同程度的降低，這主要是由于樣本A的服裝隔熱值高于樣本B，即本身的隔熱性能就優(yōu)于B，因此加熱裝置所產生的熱量能夠更多地保留在服裝層間，而更少地傳遞到外界冷環(huán)境中。從加熱30 min時2個樣本各區(qū)段的表面溫度值及較不加熱情況下的提高幅度大小也可以看出，樣本A的提高幅度均小于樣本B，但其表面溫度值均大于B，這說明服裝隔熱值越高，不加熱情況下各區(qū)段的表面溫度越高，加熱后溫度的提高幅度就越低，但總體加熱效果更好。因此，服裝隔熱值的高低對加熱效果會有一定的影響，一般來說，隔熱值高的服裝搭配加熱裝置后的加熱效果更好。然而，盡管服裝隔熱值的增加能夠提升加熱效果，但并不代表加熱效果越好，就越能滿足人體的熱舒適性?？梢?，為提高加熱效果而盲目增加服裝隔熱值是不可取的，在規(guī)定的環(huán)境條件和人體活動水平下，為滿足人體熱舒適性，不同隔熱能力的服裝都有著相對應的加熱溫度范圍和適宜達到的加熱效果，這為之后在該領域的探索留有一定的研究空間。

表5 樣本A和B的加熱效果對比Tab.5 Comparison of heating effects of sample A and B

3 結 論

加熱裝置作為一種附加熱源，如果能夠有效地與服裝系統(tǒng)組合，將極大地拓寬人體能夠適應和耐受的低溫環(huán)境范圍。然而，目前的相關研究在加熱裝置和服裝系統(tǒng)的組合原則與設計方法上缺乏統(tǒng)一性。本文從人體生理角度出發(fā)，提出了加熱裝置與服裝系統(tǒng)組合的原則：以滿足人體的熱舒適性為基本要求；盡可能節(jié)約能源，提高加熱效率。以防寒服為例，通過假人著裝實驗，在規(guī)定的環(huán)境條件和人體活動水平下，探究加熱裝置與服裝系統(tǒng)的最優(yōu)組合設計。針對以上實驗，得出如下結論：

1)通過假人系統(tǒng)確定了人體著裝后保暖不足的5個部位分別為：人體軀干的保暖不足部位是前胸、肩部、腹部，肢端保暖不足部位是前臂、小腿。并推薦置于防寒服內膽的里料外側，才能更加有效地發(fā)揮其保暖效果。

2)推薦各部位的加熱溫度校準范圍為腹部37～40 ℃； 肩部40～44 ℃；前胸44～49 ℃；前臂和小腿49 ℃以上。

3)隔熱值越高的服裝，其搭配加熱裝置后的加熱效果越好，但并不代表該服裝越能滿足人體的熱舒適性。因此，今后可以結合人體的熱生理數(shù)據(jù)和熱感覺主觀評價，對不同隔熱能力的服裝所對應的加熱溫度范圍及加熱效果做進一步探究。