加热区域设计对电加热服热舒适性的影响

崔志英 王绿英 杨诗慧

（东华大学，上海，200051）

随着时代的发展及人们对保暖服装需求的改变，防寒服在满足保暖性的同时更加注重轻便、舒适等性能。目前国内外的防寒保暖服主要有两类：一类是传统的消极阻热式保暖服，即通过增加静止空气层来阻止人体热量散失，达到保暖目的；另一类是积极产热式保暖服，即对人体主动加热，达到保暖效果，如电加热服［1］。电加热服是以电能为能源，将电能通过电加热元件转化为热能的保暖服。由于电加热服具有加工方便、发热效率高、温度可调等特点而受到人们的青睐［2］。

目前，电加热服的研究主要集中在加热装置的研制、加热织物的性能评价、服装的组合设计及影响因素等方面。唐世君等研制了由电池、加热载体和背心组成的电加热服，该服装的发热功率可调节且有温度保护功能［3］。崔志英等人对石墨烯与碳纤维发热织物的电热性能及服用性能进行了比较研究，并对电加热元件与棉麻毛面料的匹配进行了研究［4-5］。许静娴等人利用镀银纱线开发了电加热针织物，就不同镀银纱线含量、不同组织结构对其热舒适性能的影响进行了探讨［6］。WANG F等人通过暖体假人测试方法，探究了风速和服装组合对电加热服加热效率的影响［7］。田苗等人探讨了加热服不同的加热功率对人体热舒适性的影响及碳纤维发热元件离开人体皮肤的距离与多层服装系统总热阻的关系［8-9］。从前人的研究可以看出，近几年对电加热服装的研究日趋成熟，但对服装加热区域设计的研究较少，为了提高加热效率、节约能源，有必要探讨加热区域的设计对服装热舒适性的影响。

本研究以碳纤维电加热服为例，通过Newton暖体假人试验，探讨不同区域加热装置的设计对服装总热阻、加热效率、服装表面温度等的影响，为优化电加热服加热区域的设计、提高电能转化为热能的效率、节约能源提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用服装规格见表1，上装为内衣+衬衫+马甲，下装为内衣+长裤（由于是购买的成衣，暂未测试经纬纱线密度）。马甲内设计有电加热装置，为碳纤维发热材料，如图1所示，织物规格为6cm×11cm×0.2cm（长×宽×厚），每片质量15 g，碳纤维加热装置两端作为电极，连接5 V直流稳压电源，所有加热装置并联于电源。试验时将电加热装置置于马甲的内侧，图2为电加热马甲示意图。

图1 碳纤维加热装置示意图

图2 电加热马甲示意图

表1 试验服装参数

1.2 暖体假人

采用Newton暖体假人进行着装试验。该假人包含34个独立控温区段，假人区段分布如图3所示。Newton暖体假人身高170cm，胸围和腰围分别是92cm、74cm，暖体假人体表面积1.758 m2。暖体假人具有恒皮温、恒功率以及舒适3种测试模式。本试验采用恒皮温模式（假人表面温度设定为34.0℃），试验环境利用全天候人工气候模拟舱，环境温度设定为（10±0.2）℃，相对湿度（50±5）%，风速（0.4±0.1）m/s。在恒温模式下对不同加热装置组合服装的热舒适性进行测试，试验时使用Therm DAC软件实时记录假人各区段的皮肤表面温度和热流量，每组服装测试3次，取其平均值。

图3 Newton暖体假人

服装总热阻和加热效率根据公式计算［10］。服装总热阻It=（Ts－Ta）A/0.155H。其中，It为服装总热阻（clo）；Ts为皮肤表面温度（℃）；Ta为环境温度（℃）；A为暖体假人体表面积（m2）；H为总热流量（W）。加热效率ε=（P1－P0）/P0×100%。其中：P0为无加热装置时消耗的功率（W）；P1为有加热装置时消耗的功率（W）。

1.3 组合设计方案

试验时将5片碳纤维加热装置放于马甲内侧的人体温度敏感部位，其中两片位于前胸部，其余3片位于后背及后腰，共4种组合方式。C0为无加热装置，C1为“前①②+后③④⑤”，C2为“前①②+后⑥⑦⑧”，C3为“前①②+后③⑤⑦”，C4为“前①②+后④⑥⑧”。

2 试验结果与分析

2.1 服装总热阻

无加热装置C0服装总热阻1.313 clo，C1组合设计的服装总热阻为1.357 clo，C2组合设计的服装总热阻为1.496 clo，C3组合设计的服装总热阻为1.374 clo，C4组合设计的服装总热阻为1.520 clo。

从试验结果可以看出，有加热装置的服装总热阻均显著高于无加热装置的服装总热阻。未加热与加热后服装的热阻值具有显著差异（P＜0.05），即开启电加热装置后的服装总热阻增大，保暖效果增加。其中，C4组合设计的服装总热阻最大，服装保暖效果最佳，其加热区域组合方式为“前①②+后④⑥⑧”。

2.2 加热效率

暖体假人的输出功率、有效功率及加热效率的试验结果见表2。无加热装置状态下其输出功率为161.55 W，有加热装置状态下输出功率呈现减小趋势，在138.80 W～156.57 W。从表2可以看到，C4组合设计服装有效加热功率和加热效率最大，分别为22.75 W和14.08%；C1组合设计服装有效加热功率和加热效率最小，分别为4.98 W和3.08%。暖体假人的输出功率越小，有效加热功率、加热效率越大，服装的保暖性越好。加热装置区域的不同导致加热效率有所不同，这是由于人体表面呈现凹凸的立体造形，服装各部位衣下空气层厚度、离开服装开口位置的距离等不同，导致热量散失速度不同，加热效率也呈现大小不等。

表2 测试的暖体假人的输出功率、有效功率和加热效率

2.3 局部热流量

加热装置能为各区段提供热量，因而在加热过程中为假人维持34℃的皮肤温度需提供的热量变小。加热前后不同组合设计的胸腹部、上背部、下背部的热流量差值如图4所示。未加热时胸腹部、上背部、下背部消耗的热流量分别为152.72 W、66.61 W和54.94 W；加热后暖体假人各局部热流量的消耗均减少，分别为121.78 W～141.82 W、47.33 W～57.82 W、34.94 W～53.91 W。组合设计C1至C4中，胸腹部的热流量差值为10.90 W～30.94 W，下背部为1.03 W～20.00 W，上背部为8.79 W～19.28 W。加热前后各区段的热流量差值越大，说明加热装置提供的有效热量越多，保暖效果越好。从图4可知，上背部的热流量差最大为C1组合，说明加热装置位于上背部③④⑤部位时上背部的加热效率最好。胸腹部和下背部的热流量差值最大为C4组合，在组合服装中虽然前衣身加热装置的位置相同，但胸腹部消耗的热流量仍有差异，这是由于身体不同部位之间存在热交换作用，热量通过传导作用在人体、服装与环境之间进行传递。加热前后C4组合的上背部、下背部的热流量差都较大，说明加热装置均匀分布时加热效率高，热量散失少，服装的保暖性好。

图4 加热前后局部热流量的差值

2.4 加热马甲内外温度分布

利用数据记录仪记录各加热部位马甲内外温度的分布，加热后马甲内外侧的温度变化趋势一致，均为升高，说明加热片有助于改善人体的热舒适性。加热马甲表面的温度变化均小于马甲内侧的温度变化，马甲内侧温度升高值为3.9℃～16.2℃，马甲表面温度升高值为2.3℃～11.5℃，如图5所示。这是因为加热时马甲外表面直接与外界环境接触，试验环境温度仅为10℃，远低于马甲表面温度，导致热量容易从温度高的马甲表面向环境传递；同时马甲与环境的温差大于马甲内外之间的温差，由于温差越大，热传递越快，因此加热后马甲外表面的温度虽有所升高，但上升值小于马甲内表面。从试验结果可以看出：加热马甲内外温度变化最大的位置为后背中心④部位，这是由于两侧肩胛骨的隆起从而形成部位④的衣下空气层厚度较大，且其远离下摆开口部位，衣下空气不易流动，形成静止空气层，起到了很好的保暖作用。因此，为了提高加热效率，更好地满足人体热舒适性的需求，加热装置的设置应尽量远离服装开口部位。

图5 加热马甲内外温度差的分布

3 结论

本研究对不同加热区域的电加热服热舒适性能进行了测试分析，结果表明：电加热服装加热后总热阻显著增大，其中加热装置组合设计为前胸①②、背部④⑥⑧时总热阻最大，服装保暖效果最佳，加热效率最大。加热马甲外表面的温度变化小于马甲内侧的温度变化，马甲内侧温度升高值为3.9℃～16.2℃，马甲外表面温度升高值为2.3℃～11.5℃。通过研究可以得到结论：加热装置的设计应以均匀分布为前提，且尽量远离服装开口部位，以达到加热效率最高、热量散失最少、保暖性最好、节约能源的目的，从而更好地满足人体热舒适性的需求。