适用于寒冷环境的可穿戴个性化热舒适系统研究

李思师，曹彬

1 研究背景

2022年2-3 月，我国举办了第24届冬季奥林匹克运动会和第13届冬季残疾人奥林匹克运动会，多项冰雪赛事分别在北京赛区、延庆赛区和张家口赛区开展。赛时期间，承担大部分雪上项目比赛的张家口赛区最低气温达到-19 ℃。

已有研究表明，冷应力对人员存在较大的影响，冷暴露会降低人们的工作效率[1]、导致手部功能显著退化[2-3]等，更有甚者会出现体温过低[4-5]、局部冻伤等问题，危害人们的健康与安全。冬奥会雪上项目的观赛区通常处于寒冷多风的露天场地，且观众在观赛期间长时间保持坐姿或站立状态。在环境寒冷且人体代谢产热量较低的情况下，人们仅依靠自身的体温调节机制和穿着常规服装，难以实现御寒保暖的目标。长时间的产热量与散热量失衡，将导致人体体温下降，出现难以忍受的冷感，造成观众观赛体验不佳。

2019年沸雪北京国际雪联单板及自由式滑雪大跳台世界杯期间（图1），笔者团队曾对首钢滑雪大跳台的观赛人群进行了热舒适现场调研。结果表明[6]，由于普遍缺乏在室外寒冷环境中的观赛经验，观众的整体衣着量偏少；观赛过程中，超过80%的观众全身感到明显的冷不适。为进一步了解人员在低温环境下的热反应以及热需求特征，笔者团队在气候舱中开展了相关实验。研究发现[7]，在-15 ℃的低温环境中，受试者的热感觉、热舒适和热可接受度等主观投票结果均快速下降，1h的冷暴露后，受试者的热可接受率从100%下降至50%；测试受试者的生理指标，发现受试者的皮肤温度、耳鼓膜温度以及手指血流量也随时间持续下降，且1h的冷暴露后，身体各部位的皮肤温度仍未稳定。由此可见，研究寒冷环境下观赛人员的热舒适保障措施十分重要。

图1 首钢滑雪大跳台

目前，室内舒适热环境的常见营造方式是使用暖通空调设备将人所处空间的物理环境参数（如空气温度、平均辐射温度等）调控至接近热中性的范围。而雪上项目观赛区是开敞的室外环境，无法照搬针对封闭空间的室内热环境营造手段。此外，观众个体之间存在热舒适需求差异，即便就单一个体而言，身体各部位由于生理结构及承担的生理功能存在差异， 对应的理想温度区间也不同[8]。因此，为满足寒冷环境下观众的热舒适需求，应研究基于个体尺度的热舒适系统，充分体现便捷性、灵活性，为人体有效补热、锁热，提升观众的观赛体验。

2 可穿戴个性化热舒适系统开发

2.1 系统形式选择

目前，用于取暖的典型个体舒适系统有加热座椅、加热垫、暖脚器等，它们主要为提升室内人员的个性化热舒适而设计，大多需要强电电源。这些系统如果应用于室外寒冷环境，低温将导致系统热损失较大，实际使用效果大打折扣。

可穿戴形式的系统则以个体为单位，通过对个体微环境的改善以满足热舒适需求，使得系统提供的绝大部分热量直接作用在人体，减少能量的浪费。相对于穿着更多、更厚服装的被动保温方式来说，使用可穿戴的个性化热舒适系统，可以使人员衣着更为轻便，且系统的温度调节功能可实现在更宽的冷环境温度范围内保障人员的热舒适。通过比较，笔者团队决定以可穿戴的个性化热舒适系统为目标，开发一件具有加热、锁热功能的“衣服”，备选形式包括加热马甲和加热外套。

朴（Park）等[9]曾就电加热对多层冬季服装系统有效热阻的影响进行研究，发现加热单元越靠近人体表面，其有效热阻越高，这种提高幅度在较低温度的环境下更加显著。加热服的效果还会受到环境风速的影响，影响程度与加热层在服装系统中的相对位置有关。相较于加热外套，加热马甲穿着后靠人体表面更近，在低温、有风环境下，加热马甲产生的有效热阻增益更明显，达到相同加热效果所需的功率更小，从而在有限电容量的条件下，实现更长的使用时间。此外，加热马甲还具备轻便性，方便与其他衣服进行搭配。基于以上综合考虑，将可穿戴个性化热舒适系统形式确定为加热马甲。

2.2 服装结构与材料性能

加热马甲的材料，既要满足整体重量轻便，又要具备较好的保温性能，实现大部分热量向马甲内侧传递。马甲的内外层材料分别使用棉柔内衬和摇粒绒面料，保温层材料则是从厚度、重量、保温性能、透气性、可水洗性等方面综合筛选，确定使用叠加态材料作为保温层。对于加热层材料，从发热稳定性、发热功率密度、升温速率、发热均匀度以及输入功率要求等方面对电热织物进行了测试对比，最终选定石墨烯混纺发热片作为加热层材料。该材料的特点包括：（1）厚度薄，（2）升温速率快，（3）电热转化率高，（4）与移动电源的适配性好，（5）具备良好的耐弯折性、耐水洗性。

综上所述，最终确定加热马甲的结构和材料（图2），由外至内依次为摇粒绒外面料、叠加态保温层、柔性石墨烯加热层、棉柔内衬。

图2 加热马甲结构示意

2.3 加热系统

为传递更多热量到人体所需部位以减少加热系统的热损失，应首先确定合理的加热部位。在服装加热面积有限的情况下，加热部位应该尽可能多地覆盖人体冷感觉点。基于参考文献[10]，可以发现冷感觉点在胸、腹、背、手臂等部位的分布相对密集（表1）。

表1 人体各部位的冷感觉点分布统计（单位：个/cm2），引自参考文献[10]

相关实验研究[11]也表明，因后背处服装与皮肤较紧贴，背部加热对于局部皮肤温度和热感觉的提升效果显著，但较不利于热量向衣内空气层传递，易出现热不均匀。故增加后腰作为加热部位，增强热量在衣内的传递，使加热效果更加均匀有效，且避免出现局部热不适。综合人体各部位热舒适需求与马甲的实际形态，选定胸部、腹部、背部、腰部作为加热部位，制定具体实施方案（图3）。在马甲上部署6块加热片，分别对应上述4个部位，且每个加热部位均设置了独立反馈控温系统。

图3 加热部位分布及系统连接示意图

2.4 加热模式

考虑到用户需求的多样性，加热马甲具备档位调节加热、个性化持续加热以及间歇交替加热3种加热模式。

档位调节加热模式下，用户可以通过手动按键切换加热档位，加热档位的设定有低档、中档和高档，对应加热温度分别为32 ℃、37 ℃、42 ℃。

个性化持续加热模式下，基于独立反馈控温系统，用户可个性化调节每个加热部位的启停状态和加热温度，加热系统将根据用户的设定对加热部位进行持续性加热。

笔者团队通过前期测试发现，基于加热马甲合理的结构设计，在停止加热后，加热部位的衣内温度下降缓慢，数分钟内再次启动加热可迅速提升至设定温度，人员并未感受到加热部位明显的温度变化。为此，笔者团队开发了间歇交替加热模式。在个性化持续加热模式的基础上，将加热部位进行合理组合，其中胸部和腰部为加热分组1，腹部和背部为加热分组2。两加热分组均使用间歇加热，交替启动，启停状态相反。通过上述控制逻辑，可以在保证单个加热部位温度稳定性和加热马甲整体加热效果均匀性的前提下，减少同时运行的加热部位数，大幅度降低加热马甲的运行功率，延长了使用时间。

2.5 人机交互接口

为便于用户操作，提升使用体验，笔者团队设计了手机小程序，作为人机交互接口（图4）。用户通过蓝牙将手机与可穿戴个性化热舒适系统连接后，可以使用小程序实现以下功能：（1）个性化调节加热部位的启停状态和加热温度；（2）切换加热马甲的加热模式；（3）记录当前时刻马甲的加热参数设定并创建用户个性化加热档案，以便于后续在类似场景中使用时可直接调用已储存的加热参数作为设定值。

图4 小程序用户使用界面

3 可穿戴个性化热舒适系统性能验证

3.1 研究方法

为验证可穿戴个性化热舒适系统的使用效果，招募了12名健康男性受试者进行实验，受试者年龄为20.3±2.1，BMI为21.3±2.3 kg/m2。实验中，受试者均按照要求统一着装。在室内环境中，受试者穿着秋衣、毛衣/卫衣、秋裤、外裤、过踝袜子和运动鞋，总服装热阻约为1.1 clo（1 clo=0.155m2·K/W）。在室外环境中，受试者用加热马甲替代中间层的毛衣/卫衣并增加羽绒服外套，总服装热阻约为1.4 clo。实验期间，室内外环境参数如下表所示（表2）。

表2 实验环境参数（平均值±标准差）

每名受试者均会参加3次实验（图5），每次实验中受试者首先需要在室内静坐30min以恢复稳态，随后更换着装并转移至室外静站或走动。3次实验在室外环境中的加热马甲的运行模式存在差别。第1次实验，加热马甲处于关闭状态，作为对照组，记作“无加热工况”；第2次实验，加热马甲处于档位调节加热模式，受试者通过手动按键对加热档位进行调节，记作“档位调节加热工况”；第3次实验，加热马甲处于间歇交替加热模式，受试者可使用手机小程序对各部位的启停状态和加热温度进行设置，记作“间歇交替加热工况”。

图5 实验流程示意

实验中对受试者的热感觉、热舒适及热可接受度进行了记录，其中热感觉投票（TSV）采用了9点对称标尺，热舒适投票（TCV）采用了7点对称标尺，热可接受度投票（TAV）采用了4分类投票（图6）。在室外实验阶段，还使用了高清红外相机对外衣和马甲内侧表面温度进行了记录。

图6 主观热评价问题及对应标尺

3.2 研究结果

3.2.1 红外测温

根据红外相机测温结果（图7、表3）。受试者身着加热马甲且外衣拉链紧合时，外衣胸腹部表面温度均低于手臂与大腿前侧的表面温度，而如果同时敞开外衣和加热马甲，可见加热部位的内表面温度显著高于外衣表面温度，内外温差约为20℃，被加热部位的温度得到均匀显著的提高。这样的结果表明，加热马甲所覆盖的区域向外的热损失相对其余部位更少，且内侧加热区域的温度得到显著提高，体现出良好的加热、锁热效果。

图7 服装内外侧表面温度分布情况

表3 表面温度测量结果（平均值±标准差）

3.2.2 主观热评价

在室内经历了30min的静坐之后，受试者的TSV和TCV均基本达到稳定（图8）。当受试者从室内转换到室外之后，因经历约22 ℃的温降，TSV与TCV均出现了不同幅度的下降。其中受试者在无加热工况下的TSV与TCV下降幅度最大，档位调节加热工况次之，间歇交替加热工况最小。此外，在无加热工况和档位调节加热工况下，TSV和TCV在室外阶段持续下降。但在间歇交替加热工况下，TSV在来到室外3min后便稳定到了热中性状态，而TCV也全程大于0，受试者认为舒适。由此可见，加热马甲能够有效缓解环境温度大幅度降低引起的TSV和TCV的快速恶化，且间歇交替加热模式的效果最佳。

图8 受试者主观热评价随时间变化曲线

受试者在室内阶段结束时 （30min） 和室外阶段结束时 （60min） 的TS V和TCV的对比结果（图9）显示，通过重复测量单因素方差分析（RM ANOVA），对比无加热工况下30min和60min时的TSV和TCV，发现TSV60min显著低于TSV30min，TCV60min也显著低于TCV30min，即受试者的TSV和TCV在经历30min的冷暴露后出现了显著下降，且落入冷不适区域（TSV＜-1，TCV＜0），说明仅依靠被动保温难以保障人员身处低温环境的热舒适；对比加热马甲不同运行模式的TSV60min和TCV60min，发现间歇交替加热工况的TSV60min均显著高于另外两个工况。此外，间歇交替加热工况的TCV60min也显著高于不加热工况，间歇交替加热工况和档位调节加热工况的TCV60min之间并未发现显著性差异，但间歇交替加热工况的TCV60min仍高于档位调节加热工况的TCV60min。

图9 不同运行模式受试者室内外主观热评价分布情况

当TAV＞0时，受试者认为热可接受。热可接受率（TAR）为全部受试者中认为热可接受的百分比（图10），受试者在室内经历了30min的静坐之后，TAR稳定在80%以上。当受试者从室内转移至室外之后，大幅度的温降使得无加热工况与档位调节加热工况下的TAR均出现大幅度的下降，间歇交替加热工况下受试者的TAR却出现了小幅度的上升。随后在室外环境中，3种工况的TAR均呈现出下降趋势，其中无加热工况的下降最快，档位调节加热工况次之，间歇交替加热工况下降最为缓慢，且该时间段内间歇交替加热工况的TAR始终高于另外两个工况。

图10 受试者TAR随时间变化曲线

4 结论

为保障冰雪运动寒冷环境下观赛人员的热舒适需求，实现良好的观赛体验，本研究设计并开发了一种可穿戴的个性化热舒适系统。结合系统设计和实验结果，得到以下结论：

（1）可穿戴个性化热舒适系统具备便携、个性化、节能等特点，以个体为单位的作用方式，使其可以有效应对场景变化和个体差异，适用于寒冷多风的观赛环境，可有效满足观众的热需求，提升观赛体验。

（2）可穿戴个性化热舒适系统具备良好的加热和锁热效果。在低温环境中，该系统处于开启状态时，其加热部位比未穿戴该系统的部位对外环境的散热更少。该系统可有效提升衣内温度且维持加热部位内侧与外衣温差约20℃。

（3）可穿戴个性化热舒适系统可有效提升用户在低温环境中的热舒适，且间歇交替加热模式的改善效果优于普通的档位调节加热模式。低温环境中，该系统在间歇交替加热模式下运行时，受试者的TSV可达到热中性且TCV＞0。

相比于建筑室内舒适热环境营造方式，可穿戴个性化热舒适系统以个体或局部为作用单位，可以令人体在偏离热中性的环境中达到热舒适状态，因此能够广泛适用于多种场景，特别是为室外极端环境、严酷工作环境等条件下的人员提供热舒适保障。