低温环境下电加热服加热区域分布对局部热舒适的影响

林磊, 钱晙楠, 王宏付, 柯莹*, 苏军强

(1．江南大学 纺织科学与工程学院,江苏 无锡 214122;2.浙江理工大学 纺织科学与工程学院,浙江 杭州 310018;3．江南大学 设计学院,江苏 无锡 214122)

室内环境温度的均匀稳定能使人保持热舒适,但是在办公场所使用空调进行大范围的温度调节会造成能量浪费[1-2]。个体舒适系统(personal comfort systems,简称PCS)通过作用于人体局部,改善人体热感觉与热舒适[3-4]。个体舒适系统包括桌面风扇、电加热座椅、辐射板、电加热服装等[5]。相对于传统空调改变室内温度使人体达到热舒适,个体舒适系统便捷性更好、舒适性较高且能耗少[6-7]。

有学者通过电加热椅研究局部加热对人体热舒适的影响,结果发现局部加热能显著提高人体热感觉和热舒适,在凉爽环境中加热效果更为显著[8-10]。WANG H Y等[11]使用电热扇、电加热夹克、电热护膝和电热护腕进行局部加热实验,结果表明对手腕加热不能明显改善热感觉,躯干加热和组合加热能明显改善整体热感。LI Z Q等[12]研究了电加热椅、加热垫、加热辐射板和电加热服装在15 ℃和18 ℃两种环境温度下对女性热舒适的影响,结果发现电加热服的热可接受性最高,对热感觉和热舒适的改善作用最好,消耗功率最低。张昭华等[13]在低温环境下使用电加热片对人体单部位以及双部位组合加热,总结出脚部和背部加热对热感觉影响较大,组合加热比单部位加热效果好。DENG Y等[14]通过加热鞋垫、加热扶手和加热栏杆进行真人实验,得出局部加热有效消除了腿部和手部的不适感,同时提升低温环境下受试者的整体舒适性。

现有的个体舒适系统研究主要利用局部热通风、局部热辐射、电加热椅等方式[15],对于电加热服装加热区域分布的研究较少,且研究侧重于单部位或者双部位组合加热对人体热舒适的影响,较少涉及多部位共同加热对电加热服性能的影响,对电加热服加热区域的研究有待深入[10]。

文中研究了环境温度为0 ℃和5 ℃,空气相湿度为50%时电加热服加热区域分布对人体局部热舒适的影响,并对躯干、腿部和手臂进行组合加热,分析针对不同加热区域受试者局部热感觉和热舒适的变化,探究非均匀低温环境下局部热感觉和热舒适之间的相关性,以期提高电加热服的加热效率和保暖性,实验结果可为人体热舒适的研究提供一定依据。

1 实验方案

1.1 实验环境

人工气候室,日本Espec公司制造。气候室于实验前1 h打开,保持室内温度稳定,空气温度分别设置为5 ℃和0 ℃,相对湿度为50%,风速控制在0.1 m/s以内。

1.2 实验材料

碳纳米管电加热片,苏州捷迪纳米科技有限公司提供。加热片尺寸:1片为18 cm×16 cm,6片为12 cm×8.5 cm,加热温度范围为37～53 ℃。实验所用服装及其面料成分见表1。加热片置于摇粒绒夹克内层,以保证加热效果。为体现电加热服的加热效果,服装总热阻设定约为0.240 3 m2·K/W,稍低于标准ISO 11079—2007[16]要求在5 ℃环境条件下静坐时需要的服装热阻。

表1 服装面料成分

具体加热区域分布如图1所示。躯干为人体主要代谢部位,并且背部和胸部冷感受器较多,对冷感受较为敏感,因此方案H1将加热片集中分布在躯干部位,背部使用一片18 cm ×16 cm的加热片,其余部位使用12 cm × 8.5cm的加热片。低温环境下,人体四肢冷感较强,皮肤温度下降明显[4],因此方案H2是将方案H1中腰部和背部的加热片分布到大腿和小腿位置,方案H3是在方案H2的基础上将小腿加热片分布到手臂位置。除背部加热面积为288 cm2,其他部位的加热面积均为102 cm2,3个加热区域的加热总面积为900 cm2。

图1 加热区域分布Fig.1 Heating area distribution

1.3 受试者

受试者为7名男性在校大学生,年龄(22.6±1.2)岁,身高(175.1±1.6) cm,体质量(62.6±3.4)kg,身体质量指数(BMI)为(20.4±1.0)kg/m2。提前告知受试者实验信息,受试者被要求实验前不能喝刺激性饮料,不进行剧烈运动。

1.4 实验流程

受试者实验前30 min到达,在休息室静坐休息,使身体达到稳定状态,换好实验服装后进入人工气候室,开始静坐实验。加热片温度设置为53 ℃,实验总时长为60 min,每隔10 min受试者填写主观感受问卷,反馈头部、躯干、手臂、手部、腿部和足部的热感觉和热舒适。评价参考 ISO 10551—2019[17],采用7级评价标尺。热感觉和热舒适评价标尺见表2。

表2 主观感受评分标尺

1.5 数据分析

用SPSS软件进行数据处理,Shapiro-Wilk检验对数据进行正态性检验,配对样本t检验比较主观感受是否存在显著差异。*,#,^分别表示H1与H2、H1与H3、H2与H3的结果有显著性差异(p<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 局部动态热感觉与热舒适

腿部和足部动态热感觉变化如图2所示。由图2(a)可知,H1腿部热感觉逐渐降低,5 ℃和0 ℃时评分均在0以下,在0 ℃时接近稍凉,H1集中加热躯干,热量不足以传递到腿部,因此H1腿部热感较低。H2腿部热感最高,评分基本在1和2(稍暖～暖)之间,10 min后和H1产生显著性差异(p<0.05)。H3腿部热感在5 ℃时评分维持在0.5左右,0 ℃时评分维持在0左右。从图2(b)可知,3种加热区域的足部热感觉较接近;H2足部热感觉在5℃和0℃时均最高,0 ℃条件下,在10 min和60 min时与H1有显著差异(p<0.05),在30 min时与H3有显著差异(p<0.05)。原因可能是H2对大腿和小腿进行加热,热量有部分传递到足部,使足部热感增加。

头部动态热舒适曲线如图3所示。由图3可以看出,5 ℃时H3头部最舒适,在10 min和60 min时与H1头部热舒适有显著差异(p<0.05),当温度下降到0 ℃时,H3头部热舒适低于H2,可能在5 ℃时,H3对手臂进行加热时能传递部分热量到头部;温度降低至0 ℃时,手臂加热产生的热量不足以影响头部热舒适。

图2 局部动态热感觉Fig.2 Local dynamic thermal sensation

图3 头部动态热舒适Fig.3 Dynamic thermal comfort for the head

手部和腿部动态热舒适如图4所示。由图4(a)可知,5 ℃时3种方案的手部热舒适评分基本在1以上(有点舒适),0 ℃时H1和H2手部热舒适下降趋势比H3明显,说明H3对手臂加热,在一定程度上能提升手部热舒适。根据图4(b)可知,H1腿部热舒适在5 ℃和0 ℃条件下评分均下降到0以下,说明穿着H1时受试者腿部有点不舒适。5 ℃条件下,H2腿部热舒适最高,评分维持在1.5左右,腿部热舒适良好,在10 min后显著高于H1;在20,30和60 min时H3腿部热舒适显著高于H1(p<0.05)。温度降低到0 ℃时,H2腿部热舒适较5 ℃评分降低约1个尺度,说明环境温度的变化对局部热舒适有较大影响。

图4 局部动态热舒适Fig.4 Local dynamic thermal comfort

2.2 局部稳态热感觉与热舒适

从局部动态热感觉和热舒适结果可以看到,实验进行50 min后受试者主观感受比较稳定,因此取最后两次主观感受投票值的平均值作为稳态数据进行分析。局部稳态热感觉如图5所示。由图5(a)可知,在5 ℃时,H2腿部热感显著高于H1和H3(p<0.05),H2头部热感也和H1产生显著性差异(p<0.05)。H2所有局部稳态热感觉评分基本在0以上,因此H2对局部热感觉改善作用较好。由图5(b)可知,H2腿部和足部热感觉均显著高于H1和H3(p<0.05),说明H2对腿部和足部热感觉改善效果明显。

受试者局部稳态热舒适如图6所示。从图6(a)可以看出,H3对提高头部的热舒适有较好作用,5 ℃时显著高于H1和H2(p<0.05);H3腿部热舒适和H1也有显著差异(p<0.05),H2相比H1和H3腿部热舒适(p<0.05)显著提高,且使受试者保持了良好的足部热舒适。从图6(b)可以看出,0 ℃ 时H2头部、手臂、腿部和足部热舒适均显著高于H1(p<0.05),相比H1,H3对手臂和手部热舒适提升明显。无论在5 ℃ 还是0 ℃,H1躯干热舒适均是最低,说明集中加热躯干不能有效提高躯干热舒适,并可能导致躯干温度过高,从而造成人体不适。该结果与前人的研究具有一致性,与躯干调温相比,针对四肢进行热调节能更大程度地改变局部皮肤温度,从而提高热舒适感[18-19]。

图5 局部稳态热感觉Fig.5 Local steady-state thermal sensation

图6 局部稳态热舒适Fig.6 Local steady-state thermal sensation

3 结语

通过真人着装实验,分析电加热服不同加热区域分布对人体局部主观感受的影响,实验结果表明,电加热服的不同加热区域对人体局部热舒适感受产生不同的影响。加热区域集中分布在躯干位置对躯干热感觉和热舒适提升作用不大,还会造成其他部位局部热感觉和热舒适的降低。加热区域分布在躯干、大腿和小腿时对各局部热舒适改善效果最好。建议在加热面积有限的情况下,将加热片分散到尽可能多的部位,且与手臂加热相比,优先考虑腿部加热。研究结果可提高电加热服加热效率、优化电加热服的设计,同时可为人体热舒适的研究提供一定的理论基础。