电加热高空清洁作业服研制与性能评价

柯 莹， 张海棠， 朱晓涵， 王宏付， 王 敏

(1. 江南大学 设计学院， 江苏 无锡 214122； 2. 江南大学 纺织科学与工程学院，江苏 无锡 214122； 3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051； 4. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051)

随着越来越多高空建筑物的出现，高空清洁服需求逐渐增大。高空清洁作业人员在进行清洁作业时，在距离地面数十米的高空中往往面临严重的低温环境威胁。低温不仅降低作业人员的肢体活动性，还有可能冻伤皮肤、减弱生理机能，从而引发相关疾病[1-2]。传统的保暖方式为增加服装面料厚度和服装层数，以此增大“人体-服装-环境”整个系统的热阻，同时可以减少人体散热[3-4]。对于高空清洁作业人员来说，传统的防寒服装保暖方式在很大程度上会限制人体活动的灵活度和自由度，降低工作效率，甚至危及作业者生命安全[5]。在服装中置入外部加热装置即主动式保暖服装的出现，不仅为人体提供额外的热量，有效降低服装的厚度和层数，同时可以提高活动自由度[6-7]。

主动保暖式服装的热源主要包括电加热、化学加热、相变材料加热、流体加热和太阳能加热。电加热服因其发热速度快、散热均匀性好、效率高等优异性能成为学者们研究的热点。Wang等[8]研究了风速和电热背心位置对加热效率及穿着舒适性的影响发现，电热背心的加热效率随着风速的增加而降低，电热背心在中间层时，加热效率和舒适性最高。Shin等[9]评估了石墨烯加热服在背部和腹部加热对人体的防护效果，结果显示在寒冷多风的环境下，对背部加热比对胸部加热效果更好。张妍[6]对比了碳纤维发热织物和石墨烯发热织物的电热性能发现，石墨烯发热织物升温速度更快，发热均匀度更好。近年来，有关电发热材料的研究已相对成熟，对电加热服集成化和舒适性的研究更加深入[10]。

随着电池耐用性、可水洗等技术问题的突破，电加热服在运动、医疗、军事等领域得到更广泛的应用[11-13]。将电加热片与高空清洁服结合有望解决传统高空清洁服防护性、安全性与舒适性之间的矛盾。本文研制了一款电加热高空清洁服，并模拟高空低温作业环境，通过人体穿着实验评价了电加热高空清洁服的热舒适性和运动舒适性。

1 服装样本与方案设计

1.1 服装样本

1.1.1 服装款式

电加热高空清洁服的款式如图1所示。该服装为上、下分体式结构，采用斜纹面料(涤纶/棉(65/35))和纯棉里料。上衣采用立领设计，使领部更加贴合颈部，防止洗涤剂溅到皮肤。腋下拼合横向宽为8 cm的弹性针织面料，提高手臂活动自由度。袖口采用松紧束口，增强活动伸缩性，且易于储存静止空气，提高服装保暖性。腰部增设1层耐磨面料，并增加4个腰袢，用于固定安全绳位置，防止安全绳滑移，提高安全性。背部设计6 cm宽的暗褶，增加背部活动量。同时，在后背部肩胛骨位置处将可洗涤石墨烯加热片缝制在面料和里料之间。石墨烯加热片实物图如图2所示。加热片尺寸为80 mm×140 mm，厚度为1 mm，额定电压为5 V，电流为1.8 A，加热片表面最高温度为(45 ± 5) ℃。

图1 电加热高空清洁服款式图Fig.1 Style of aloft cleaning suit based on electrical heating. (a) Front; (b) Back

图2 石墨烯加热片实物图Fig.2 Picture of graphene heater

电加热高空清洁裤的裤腰选择松紧设计，便于穿脱和调节。裤子斜插袋加设袋盖，防止袋内物品掉落。膝盖处增加6 cm对褶量，两褶间距为7 cm，以增加膝盖弯曲活动时的自由度，减小弯曲时膝盖处因压力和摩擦力造成的阻碍。脚口处采用松紧设计，便于穿脱和调节，同时易于储存静止空气，提高裤子保暖性。

对比服装选择市面上普通的高空清洁服，如图3所示。普通高空清洁服为常见的工装夹克款式：上衣采用翻领设计，袖口采用暗扣设计；裤子为直筒裤，非松紧裤腰、裤脚；在腋下、裤子膝盖处均无特殊结构设计。

图3 普通高空清洁服Fig.3 Ordinary aloft cleaning suit. (a) Front; (b) Side; (c) Back

1.1.2 服装规格

电加热高空清洁服按照GB/T 1335.1—2008《服装号型 男子》中的175/92A号型设计。衣长、胸围、袖长、上领围、裤长、臀围、腰围分别为72、120、65、50、107、118、80 cm。身高175 cm左右体型为A的男子：胸围在92 cm左右，基本放松量至少为8 cm，考虑穿着内衣的松量为10 cm，以及人体身材胖瘦影响，将胸围定为120 cm；臀围为94 cm，臀部基本松量为5 cm，考虑内衣的松量为10 cm，以及坐姿状态臀围增加量为4 cm，将臀围定为118 cm。考虑高空清洁作业人员上肢的活动强度，袖口移动量较大，将袖长设计为65 cm。

1.2 实验方案

1.2.1 实验对象

选择6名健康男性，年龄为(23.5 ± 0.6) 岁，身高为(175.5 ± 1.5) cm，体重为(65 ± 1) kg，身体质量指数(BMI)为(21.1 ± 0.1) kg/m2。实验前告知受试者实验方案及目的，受试者在实验前24 h内不能饮酒、喝咖啡等刺激性饮料；实验前3 h内不能过劳或运动；实验前1 h内不能吃饭或抽烟；每次实验穿相同的鞋袜。

1.2.2 实验环境

实验在人工气候环境仓(300 cm × 400 cm × 300 cm)进行，环境温度为(5 ± 0.5) ℃，相对湿度为(60 ± 5)%，风速小于0.2 m/s。

将计算结果(U1,M1,V1)发送给用户，用来验证传感器的身份。用户在手机端的计算如公式（6）—（7）：

1.2.3 实验指标

1.2.3.1皮肤温度 皮肤温度既可反映人体冷热应激程度，又可判断人体通过服装与环境之间进行的热交换过程。在生理卫生学研究领域大都使用平均皮肤温度，即不同部位测得的皮肤温度(T)乘以该部位占体表面积百分比后再相加的结果[14]。本文中平均皮肤温度和躯干皮肤温度计算公式[15-16]如下:

T皮肤=0.06(T前额+T小臂)+0.12(T前胸+

T腹部+T肩胛) +0.08T上臂+0.05T手背+

0.19T大腿+0.13T小腿+0.07T脚背

(1)

T躯干=0.25×(T前胸+T腹部+T肩胛+T后腰)

(2)

1.2.3.2主观指标 主观评价是指通过人体生理学实验或现场穿着实验，对服装舒适性进行测定和评价，这种方法可直接反映着装人体对服装的真实感受[17]。本文采用热感比例标尺和活动自由度比例标尺，如表1所示。

表1 主观感受评价标尺Tab.1 Evaluation vote of perceptual responses

1.2.4 实验步骤

受试者在正常室温环境(温度为25 ℃，相对湿度为50%)下静坐30 min，让心率平稳，身体处于舒适状态后开始实验。

受试者穿着实验服装(电加热高空清洁服或普通高空清洁服)，内衣穿着纯棉秋衣，在身体的11个部位(额头、前胸、腹部、肩胛、后腰、上臂、小臂、手背、大腿、小腿、脚背)的皮肤表面粘贴DS1922 L iButton温度传感器，每分钟记录1次数据。

受试者进入人工气候环境仓开始实验。受试者先在环境仓内静坐8 min，然后依次做8个动作(见图4)：深蹲整理绳索2 min，爬房檐1 min，侧身拿取工具1 min，正上方清洁2 min，右侧斜向清洁2 min， 左侧反向清洁2 min，水平方向清洁2 min，下方清洁2 min。间隔休息2 min，重复以上8个动作2遍。 实验现场图如图5所示。

图4 实验动作流程图Fig.4 Flow chart of experience action

图5 实验现场图Fig.5 Picture of experience site. (a) Cleaning inclined top; (b) Cleaning up side

实验期间每个动作进行时询问受试者的主观热舒适度、活动自由度，并测量腋下、背部和膝盖部位的尺寸变化。

1.2.5 数据分析方法

利用SPSS 22.0软件对数据进行分析。采用Shapiro-Wild test检验数据正态分布。用ANOVA方差检验比较不同测试条件下皮肤温度、主观评价数据的差异。所有数据分析的显著性水平设定为P<0.05，标记为“*”。

2 结果与讨论

2.1 皮肤温度

2.1.1 平均皮肤温度

受试者穿着普通高空清洁服和电加热高空清洁服时的平均皮肤温度随时间的变化曲线如图6所示。其中0～8、22～24、38～40 min为静坐状态，8～22、24～38、40～54 min为清洁状态。受试者穿着2款服装时的平均皮肤温度均随着时间的增加而下降，但穿着电加热高空清洁服时的平均皮肤温度仍在热舒适范围内，且最后趋于平缓，说明穿着电加热服装时人体与外界环境之间达到了热平衡状态。而穿着普通清洁服时的皮肤温度一直在降低，说明此时人体散热大于产热。穿着电加热高空清洁服时，平均皮肤温度的下降速度更平缓，在24～54 min内显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。穿着电加热高空清洁服时，人体的平均皮肤温度在54 min内下降了1.2 ℃； 而穿着普通高空清洁服时，人体平均皮肤温度在54 min内下降了1.8 ℃，说明电加热高空清洁服比普通高空清洁服能更好地维持人体温度。

图6 平均皮肤温度Fig.6 Average skin temperatures

2.1.2 躯干皮肤温度

受试者穿着普通高空清洁服和电加热高空清洁服时的躯干皮肤温度随时间的变化曲线如图7所示。在前8 min静坐阶段，受试者穿着2款服装时的躯干皮肤温度随时间增加而下降。开始运动后，躯干温度下降速度平缓。穿着电加热高空清洁服时，躯干皮肤温度基本维持在31.75 ℃左右，在4～54 min内显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。

图7 躯干皮肤温度Fig.7 Average torso temperatures

2.1.3 局部皮肤温度

受试者穿着普通高空清洁服和电加热高空清洁服时，胸部和肩胛骨部位的皮肤温度随时间的变化曲线如图8所示。受试者穿着2款服装时，胸部皮肤温度随着时间的增加而下降。而穿着电加热高空清洁服时，肩胛骨部位皮肤温度随时间的增加小幅上升，基本维持在33 ℃；穿着普通高空清洁服时，肩胛骨皮肤温度随时间的增加而下降。穿着电加热高空清洁服时，胸部皮肤温度在4～54 min内显著高于普通高空清洁服(P<0.05)；肩胛骨皮肤温度在2～54 min内显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。

图8 局部皮肤温度Fig.8 Local skin temperatures. (a) Chest skin temperatures; (b) Scapular skin temperatures

2.2 主观评价

不同运动状态下受试者穿着2款高空清洁服时，全身和局部的热感、活动自由度对比情况如表2所示。结果显示，受试者穿着电加热高空清洁服时，全身、背部和胸部的热感均显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。背部热感评分值基本介于“1”和“2”之间，而穿普通高空清洁服时，背部热感评分值基本在“-1”和“-2”之间。穿着电加热高空清洁服时腿部和手臂的热感高于普通清洁服，但二者之间无明显差异(P> 0.05)。

在各动作状态下，受试者穿着电加热高空清洁服时，全身、臀部和膝盖部位的活动自由度均显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。背部活动自由度在深蹲整理绳索、正上方清洁、右侧斜向清洁、左侧斜向清洁、水平方向清洁时显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。 手臂活动自由度在爬房檐、正上方清洁、右侧斜向清洁、左侧斜向清洁、水平方向清洁时显著高于普通高空清洁服(P<0.05)。

实验过程中各动作状态下，受试者穿着2款高空清洁服时，腋下、背部和膝盖处的褶裥打开量如表3所示。可知：水平方向清洁时腋下面料张开宽度最大，为7.7 cm；深蹲整理绳索时背部和膝盖部位的暗褶打开量最大，分别为4.5和5.8 cm。

表3 不同动作状态下褶裥打开量

2.3 结果分析

2.3.1 电加热高空清洁服的客观舒适性

受试者穿着电加热高空清洁服时，平均皮肤温度、躯干皮肤温度均高于普通高空清洁服，平均皮肤温度在24 min后更加显著，这说明电加热高空清洁服有效减少了人体热损失，可更好地维持人体温度，且随着时间的增加保暖性能更显著。开始运动后，穿着电加热高空清洁服时的躯干温度基本维持稳定在31.5 ～ 32 ℃之间，处于舒适范围。这与电加热片的位置有关，将电加热片置于后背显著提高了躯干整体的皮肤温度。Shin等[9]研究了背部加热与胸部加热的热舒适性对比，结果表明在有风、低温环境下，对上背部进行加热优于对胸部加热，因为在有风的环境下，背部皮肤温度比胸部皮肤温度更易下降。穿着电加热高空清洁服时，肩胛骨部位皮肤温度小幅上升，最高温度为33.3 ℃，说明加热片未对接触皮肤部位产生局部过热现象。

2.3.2 电加热高空清洁服的主观舒适性

在各动作状态下，受试者穿着电加热高空清洁服时，全身、背部和胸部的热感均显著高于普通高空清洁服，这与皮肤温度的对比结果相符。穿着电加热高空清洁服时背部热感基本处于稍暖状态，这与背部皮肤温度的对比结果相符。穿着电加热高空清洁服时腿部和手臂的热感也高于普通清洁服，说明在高空清洁服中应用电加热片可提高服装保暖性，提高人体在冷环境下的热感。

活动自由度主观评价结果表明，各动作状态下，受试者穿着电加热高空清洁服时，全身和局部的活动自由度均得到显著提高，且腋下、背部和膝盖处的褶裥打开量均小于设计量，验证了臀部加放量、腋下插片设计、背部和膝盖部位的暗褶设计的合理性。电加热高空清洁服在局部部位的改良设计提高了服装整体的穿着舒适性，同时降低人体的疲劳程度，提高工作效率。

3 结束语

本文设计了一款电加热高空清洁服，通过人体穿着实验评价该服装的热舒适性和工效性。结果表明，穿着电加热高空清洁服可更好地维持人体皮肤温度，且与普通高空清洁服相比，时间越长，其保暖效果越显著。将加热片放置在背部肩胛骨部位，可有效提高躯干皮肤温度，且不影响人体背部局部的主观热舒适性。同时，电加热高空清洁服在腋下进行插片设计，后背和膝盖进行暗褶设计，臀部加放量设计，使其具有更高的活动自由度。