服装局部加热对人体临近部位的影响

丁 波，杨 帆，张 辉

(北京服装学院 服装艺术与工程学院，北京 100029)

人体皮肤热传导的研究起源于生物医学工程领域，其中生物传热学的理论、测试技术与标准已被广泛应用于低温外科手术、烧伤烫伤治疗等临床医学领域[1]。近年来随着交叉学科的发展，皮肤传热实验与数学模型结合逐渐应用于纺织服装领域，成为功能性纺织品、局部热疗可穿戴产品、热防护服设计与研发的重要基础理论[2]。国内外均有相关研究：Zhai等[3]研究多层结构的皮肤内部传热，建立了在辐射热条件下的烧伤皮肤模型，辅助热防护织物的设计；Oguntala等[4]从皮肤组织特性、初始温度、血液灌注率和热传递参数对皮肤组织层热响应的影响进行了参数研究，用于优化可穿戴热疗产品；Su等[5]将皮肤传热与烧伤方程和服装工效学理论相结合建立了一种模型，用以评价消防防护服的热湿传递；Li等[6]建立了电加热服装与皮肤组织相结合的三维热分析模型，其能够准确预测系统温度，也可分析环境温度、服装热阻和输入功率对皮肤表面最高温度的影响。

电加热服装是一类研发较为成熟的功能性服装，其可利用电源控制内部的导电发热元件，使电能转化为热能[7]。市面上大多数电加热服装的设计方式都是将电加热元件集成在躯干或四肢关节部位的服装夹层，小面积局部产热后再通过传导、对流和辐射升高整体衣内温度。考虑到服装的热舒适性与安全性，相邻热源的距离对服装加热效果的影响[8]、加热元件在人体不同部位的功率消耗[9]与热期望值的最高组合[10]等对加热元件的细化研究逐渐成为该类服装的研究热点。

目前，多以暖体假人与真人穿着评价的方式对电加热服装加热元件的设置和服装整体舒适性进行研究，针对加热过程中皮肤的传热特性与机制的基础研究较少。基于此，本文设计了局部加热条件下的皮肤表面温度测试实验，以温度变化为指标，量化临近热源部位的热传导效率，并从人体、服装与热源属性分析影响传热的因素，以期为今后电加热服装的优化设计提出科学的理论依据和借鉴经验。

1 实验部分

1.1 实验准备

1.1.1 样品的制作与测试

电加热元件的制作。以升温速率缓慢但在低压条件发热稳定的硅橡胶电热丝作为导电发热单元；以导热性能好，传热均匀的机织碳纤维面料作为元件基底，其厚度为0.3cm，面密度为220g/m2。

参考市面上电加热元件的尺寸与电阻属性，计算电热丝长度，将其以闭合回路模式缝合在碳纤维织物表面，保证间隔均匀；将导线接口焊接在电热丝回路中点，实现电流通路一致。制作的电加热元件规格为20 cm×10 cm×0.3 cm(长度×宽度×厚度)，电阻为13 Ω，电加热元件见图1(a)。

面料准备与测试。加热元件内外层叠加面料属性：成分为100%棉,纬平针组织，纱线线密度为20 tex，面密度为 180 g/m2。基于标准GB/T 11048—2008 《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》，使用M259B型织物热阻湿阻测试仪(SDL Atlas公司)，测得实验设计的面料层热阻为：1层热阻为0.18 clo，2层重叠热阻为0.33 clo，4层重叠热阻为0.6 clo。

1.1.2 实验条件

实验环境：室温(20±2) ℃，相对湿度为(20±2)%，风速小于0.1 m/s。

实验仪器：S-120DL2-24直流开关电源(明安信科技开关电源公司)；Gram-LT8C热敏传感器(Gram Corporation, 日本) 。

电源电压：行业规定持续接触安全电压需小于24 V，故选择市面上常见的可移动充电电源电压(5 V/7 V)进行实验。

受试者选择：年龄(23±1) 岁，身高(170±5) cm，身体质量指数(BMI)正常(18.5～24) kg/m2的青年9人。

面料组合说明：基于实际生活中的穿着舒适与安全原则，加热元件不直接接触皮肤，实验所设计加热元件内外层面料组合见表1，模型示意见图1(b)。

图1 电加热元件与面料组合模型示意图

表1 内外层面料组合说明

1.2 实验设计

1.2.1 测量部位与测量点

测量部位：选择电加热服装常见加热位置：背部、腹部、膝盖、手肘与手腕。

测量点：测试点位置如图2所示。以背部 (图2(a))为例：点1测量电热丝处的皮肤温度变化；点2测量加热元件下非电热丝处皮肤温度变化；点3、4、5测距加热元件0、2.5、5 cm处皮肤温度变化(前期实验表明距加热元件5 cm后皮肤温度变化受热源影响极小，故以5 cm作为最远测试距离)；点6、7、8与3、4、5对称。其中手腕部位不具有对称性，故采取5点测量。

图2 各部位测量点示意图

1.2.2 实验步骤

实验步骤分为5步：

①选择一种面料组合，在受试者所选人体部位固定皮肤温度测量点、加热元件与面料(见图3)；

图3 实验过程示意图

②设置电源(5 V、1.95 W和7 V、4.06 W)；

③静坐10min，身体状态稳定后开启加热功能；

④传感器间隔10 s记录1次温度；

⑤局部升温至39℃及以上时停止实验，记录升温时间。

首先测试低功率组，设置电源为5 V、1.95 W，依次选择1#～6#面料组合，每个部位重复测试10次；再测试高功率组，设置电源为7 V、4.06 W，其余条件不变，重复上述实验步骤。

2 结果与分析

2.1 热源临近部位传热效率分析

2.1.1 临近部位平均温差数据分析

初步分析各点温度变化数据可知：同一部位8个测量点的初始温度无明显差异，加热后元件覆盖部位的测量点最快升温至39～41℃，停止实验时临近部位测量点温度均小于覆盖部位测量点温度，对称点温度变化一致，温差随着距离增大而增大。低功率组升温时间为(1.0±0.12) h，高功率组升温时间为(0.58±0.08) h。

功率设置相同时，6种面料组合所得温度数据变化趋势基本一致，故以2#(内1层面料，外2层面料)为例讨论。最近点(0 cm)与最远点(5 cm)的皮肤平均升高温度对比见图4，由图可知：低功率组手肘部位2点温差达到1.9℃，高功率组手肘温差达到2.1℃，其余部位的温差均在1.6℃及以上，说明热源临近部位存在明显温度差异。且温差随功率增大而增大，高功率组整体升温数值高于低功率组。

图4 2#各部位2点(0、5 cm)温度升高差异

2.1.2 临近部位平均升温速率分析

仍以2#为例，将临近部位的升温数值与时间换算为平均升温速率，见图5与图6，由图可知：随着温度测量点与加热元件之间距离的增加，各部位平均升温速率下降明显；电源功率提高时，整体的升温速率和热传递效率随之提升，高功率组0、2.5、5 cm各部位整体平均升温速率分别提高：2.01、0.86和0.51℃/h，提高程度也随距离增加而减小。

图5 2#各部位平均升温速率(1.95 W)

图6 2#各部位平均升温速率(4.06 W)

图5与图6可明显看出：当加热元件功率与距离相同时，手臂(手腕和手肘)的升温速率最快，腹部与背部相差不大，膝盖的升温速率明显低于其他部位。根据生物传热基础研究可知：皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪层组成，人体不同部位的物理参数均有差异，传热效率也随之不同。由于实验中受试者各部位皮肤的具体生理指标不便测量，故选择TAITherm(三维热仿真分析工具)中的人体热调节系统数学模型[11]，获取中下臂、腹部、背部、小腿的皮肤(表皮与真皮层)厚度与脂肪层厚度(见表2)。

表2 实验部位皮肤与脂肪层厚度

从表2数据结合生理学基础知识，下臂皮肤与脂肪层较薄，当元件置于手腕/手肘部位时，热源贴近静脉血管导致皮肤组织与血液温差显著，血流加速带走的热量更多，临近部位皮肤温度升高更快，达到温度平衡的时间更短[12]。腹部与背部除有皮下脂肪外还存在内脏脂肪，脂肪的导热系数小易保温，且二者皮肤较厚，进一步阻碍热量传递，故升温较为缓慢；小腿的皮肤厚度与下臂一致，虽然其脂肪层明显小于腹部与背部，但由于热源在髌骨附近，膝关节软组织较少，导致其储存热量的效率低，热量沿皮肤传递的比例小于向环境散失的比例，故皮肤升温速率最慢。

2.2 临近部位传热效率的影响因素

2.2.1 内外层热阻对传热效率的影响

由2.1.1节可知，当功率设置与面料组合条件相同时，各部位临近皮肤温度变化趋势一致。故可选最远测量点(5 cm)的温度变化数据(见图7、8)，对比分析6种面料组合对热源临近部位传热效率的影响。

图7 1#～3#各部位平均升温速率(5 cm)

由图7可知：低功率条件下3#(内1层面料，外4层面料)整体升温速率最快，各部位平均升温速率为0.74℃/h；由图8可知，高功率条件下6#(内2层面料，外4层面料)整体升温速率最快，各部位平均升温速率为1.72℃/h。原因是电源功率与内层面料热阻相同时，增大加热元件外的面料热阻，热量向面料周围传导的比例增大，以对流方式向外部环境扩散的比例减少，导致升温速率增大；而增大加热元件与皮肤之间面料热阻，可以积蓄更多热量在面料层与皮肤表面循环，同时在热源的临近部位传递。故合理增大加热元件的内外层热阻，均可提高局部的传热效率。

图8 4#～6#各部位平均升温速率(5 cm)

2.2.2 电源功率对传热效率的影响

保持其他条件一致，探究电源功率对传热效率的影响：选取2#(内1层面料，外2层面料)中各部位距离加热元件5 cm的数据进行分析(见图9)，结果表明电源功率的大小对加热效果影响显著。

图9 2#各部位平均升温速率(5 cm)

以低功率与高功率为讨论分类依据，图7、8示出了1#～6#面料组合的升温速率变化趋势有明显差异高功率条件下升温速率随着内外层总热阻增大而提高，而低功率条件下4#～6#较1#～3#升温速率低，且4#中腹部、背部与膝部均无温度升高(3个0点)。

为进一步研究其原因，选取距手腕部位5 cm处的温度变化数据，仍基于高低功率，将1#-4#、2#-5#、3#-6# 3组升温速率对比分析(见图10)，由图可知：当加热元件外层热阻相同时，增大元件与皮肤之间的热阻，高功率组对应的升温速率明显提高。但低功率组随着总热阻增大，传热效率反而减小。有学者得出面料总热阻不变，加热元件与人体距离越远，供热量随之增大的结论[13]，低功率组结果与其一致。原因是加热元件与皮肤之间的热阻增大时，热量在面料与皮肤之间垂直传导的比例增大，向周围传导的比例相对小；而升高功率可使总热量基数增大，同时增加向面料四周扩散的热量。

图10 手腕部位平均升温速率(5 cm)

可见增大功率可显著提高临近部位的传热效率，但基于服装的舒适与安全性，外加电压应控制在相对安全电压(12 V)以下，并尽量在短时间内达到平衡温度[7]，以避免出现触电危险，以及升温过于缓慢造成穿着者主观感觉与生理耐受极限不一致[14]产生的低温烫伤现象。

3 结 论

本文研究了服装局部加热时人体临近热源部位的皮肤升温趋势、传热规律及其影响因素，所得结论如下：

①服装小面积局部加热会导致临近部位温度升高，由于人体各部位生理结构差异，当其他条件相同时，5个测量部位加热后的平均皮肤温度由大到小为：手臂(手腕与手肘)>腹部≈背部>膝部；传热规律差异不大：距加热元件5 cm外的皮肤温度几乎无变化，5 cm内出现显著温差，温度随着与热源距离的增大而减小。

②改变电源功率与加热元件内外层热阻与可以提高传热效率。实验表明当测量点温度达到39℃左右时停止加热，高功率(4.06 W)组整体比低功率(1.95 W)组升温时间快0.52 h左右，但5 cm内温差亦随功率提高而增大；增大加热元件内层与外层的面料热阻，可以使热量更多地沿面料层向皮肤表面传导，减少向外部环境对流扩散的比例，得以提高传热效率。

将加热元件以可拆卸模式集成在服装局部的方式具有生产便捷、成本低、服装方便清洁的优点，但身体长期处于局部温差的状态会影响人体的自主体温调节，不利于身体健康。今后电加热服装应基于人体各部位达到热平衡舒适所需的具体温度和功率进行合理设计，尽量增大加热面积，例如引入导电发热纱线实现智能纺织品的织造或元件与服装的一体化设计。