基于石墨烯发热载体的电加热马甲热湿舒适性评价_廖剑霞.pdf

第 卷 第 期 年 月北京服装学院学报（自然科学版）（）：基于石墨烯发热载体的电加热马甲热湿舒适性评价廖剑霞，张力勋，郭瑞良（北京服装学院服装艺术与工程学院，北京）摘 要：为满足人们在低温环境下的保暖需求，研制了一款用石墨烯作为发热材料、可 个档调节加热温度的电加热马甲，对石墨烯发热载体的发热性能进行了研究。通过人体穿着实验和红外热像仪实验，采集 内人体腹部、背部和腰部的衣内温湿度和主观感觉以及 时的红外热像图，从不同档位、人体部位和活动状态方面去探析电加热马甲的热湿舒适性能。结果表明：加热马甲对低温条件下人体的辅助保暖效果明显；随着加热档位的增大，衣内温度逐渐升高，衣内湿度的下降速率有所减缓，但加热温度过高，易造成部位受热不均，从而影响舒适性。研究结果将为电加热服装的研发和优化提供参考。关键词：电加热服装；热湿舒适性；石墨烯发热载体中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：北京市自然科学基金面上项目（）作者简介：廖剑霞（），女，硕士；：。通信作者：郭瑞良（），男，教授，主要研究方向为服装设计与技术、数字服装与智能设计；：。长期处于低温环境中工作的群体，如民警等冬季户外工作人员，单靠其自身的体温调节能力不足以应对环境温度的变化，易出现人体皮肤温度下降、生理机能减弱，甚至冻伤等症状。这种状态下若服装能提供热量，对人们御寒保暖、减轻服装质量、提高动作灵活性有极大的帮助。电加热服由外加电源、发热元件、控温装置等构成，作为能主动提供热量的一种服装，能将电能在服装内转化为热能，对人体主动制热。电加热服因具有发热速度快、散热均匀性好、质量轻便的特性被广泛应用于防寒保暖服装。发热元件是电加热服装的重要元件之一。现有的发热材料有金属发热材料、电热膜和碳纤维发热材料这 类。金属发热材料质地硬且不易弯曲，不适合用于服装产品上；而电热膜材料手感硬且不透气，常用于发热地板等家具用品上。服装上使用较多的发热材料主要是碳纤维和石墨烯材料，而石墨烯材料因其升温速度、热稳定性、发热均匀性及加热效率都好于碳纤维材料，成为当前研究的热点。目前市场上用于电加热服装的加热装置大多设置了不同档位的温度，有关档位温度设定是否合理，以及局部过热是否对人体造成出汗不适等问题还有待实验进一步的验证。市场上对电加热服装热湿舒适性能的评价也存在不足。本研究选用可 档调节的石墨烯发热载体，通过红外热像仪测试所选发热载体的发热性能和各档位的温度情况，并基于此设计了一款电加热马甲。通过人体穿着实验和红外热实验获取衣内温湿度变化、服装外表面温度变化以及主观感觉数据，以此来评价所研制的电加热服装在低温环境的热湿舒适性能、档位加热温度设定的合理性，从而为低温环境下使用的防寒服装的设计和优化提供科学依据。实 验.发热载体的选择电发热载体是决定电加热服舒适性能、适用范围的重要因素之一，其所用的电源电压设置需在人体安全电压范围内，且发热材料应质地柔软轻薄。研究所用的石墨烯发热载体由常州康热电子科技有限公司所提供，加热片尺寸为 第 期 廖剑霞等：基于石墨烯发热载体的电加热马甲热湿舒适性评价.（长 宽 高）。整个发热载体的最大功率为 ，发热装置可 个档位调控，每个档位的输出功率分别为、和。通过此发热载体，验证市面上发热载体档位的温度设定合理性及适用范围。.电加热马甲的设计加热马甲面料采用涤纶摇粒绒布，里料为防静电涤纶汗布。马甲采用夹层式设计，在马甲的腹部、背部和腰部放置发热元件，即发热元件位于马甲的面料和里料间。加热片在马甲的放置位置如图 所示。图 加热片的放置示意图 .测试方法.客观评价选定 名健康男大学生参加实验，平均年龄为 岁，平均身高为 ，平均体质量为.。实验选定在人工气候室，气候室温度设为 ，相对湿度为。实验前，为模拟冬季户外人员常见的穿着配套方式，要求受试者在常温室内依次穿上保暖内衣裤和电加热马甲，在皮肤与保暖内衣间的腹部、背部和腰部 个部位放置便携式温湿度记录仪（分辨率为.，型）。记录仪每 采集 次数据，记录受试者的衣内温湿度。受试者静坐 达到正常体温并保持稳定后穿上轻薄羽绒服、外裤，头戴针织帽，手戴手套，脚穿鞋袜进入气候室进行站立实验，测试时间。实验结束后受试者迅速到常温室拍红外热像图，然后休息，再次进入气候室进行步行实验。受试者在跑步机上以.的速度步行 ，步行速度模拟民警等户外作业人员的正常步行速度，结束后拍红外热像图。受试者按上述步骤依次完成不加热、低档、中档、高档 种条件下的实验，记录仪全程自动采集衣内温湿度。利用 .对采集到的衣内温湿度数据进行统计分析，显著性水平 设定为.。.主观评价主观评价包括热感觉、湿感觉和舒适感三个方面。受试者在进行实验的 内每隔 对上身的主观感觉进行评价，从而获得着装者在不同档位下的主观感受。将热感觉分为 个等级（代表非常冷、代表冷、代表凉、代表有点凉、代表中等、代表有点暖、代表暖、代表热、代表非常热），湿感觉分为 个等级（代表非常干、代表干、代表有点干、代表中等、代表有点湿、代表湿、代表非常湿），舒适感分为 个等级（代表非常不舒服、代表不舒服、代表稍微不舒服、代表舒服）。结果与讨论.发热载体的发热效果分析为验证石墨烯发热载体的发热性能，得到各档位的温度情况，在环境温度 下，接通 、的移动电源，利用 红外热像仪拍摄发热载体通电状态下的温度变化，得到加热片表面中心的位置温度和表面温度。加热片表面中心位置温度上升曲线如图 所示。实验表明，通电初期加热片的温度迅速上升，且随着档位的增大升温速度加快；后，升温速度趋缓直至稳定，低、中、高档的稳定温度分别在 、。通过红外热像仪观察加热片通电时的温度分布情况（如图 所示），可看出在不同档位下通电一段时间，发热载体温度稳定后的温度分布都是均匀的。图 加热片表面中心位置温度上升曲线 .衣内温度变化分析图 所示为未加热情况下衣内温度的变化北京服装学院学报（自然科学版）年图 不同档位下石墨烯加热片的红外热像图 曲线。此时，腰部的衣内温度在前期下降速度最快，随后逐渐减慢；腹部和背部的衣内温度在前期下降速度基本一致，随后腹部的衣内温度下降速度减缓。各部位衣内温度在站立和步行 后都下降了.。两种活动状态下各部位衣内温度的下降量从多 到 少 依 次 为 腰 部、背 部、腹部。图 所示为不同档位温度下各部位衣内温度的变化情况。在站立和步行两种状态下，各部位的衣内温度均随着档位的增加而逐渐升高。站立时，从不加热到高档加热，腹部、背部、腰部的衣内温度变化分别为.、.、图 未加热情况下衣内温度的变化曲线 .；步行时，从不加热到高档加热，腹部、背部、腰 部 的 衣 内 温 度 变 化 分 别 为.、.、.。站立状态下各部位的衣内最终温度均高于步行状态，有可能是因为步行时产生的空气对流增强了衣内与外界环境的对流散热，增加了热量的流失，这与服装空气层的绝热性能随着机体活动而减少的研究结果一致。加热时，两种活动状态下腹部的衣内温度比其他两个部位的衣内温度高，这与不加热情况下的衣内温度情况一致，说明腹部部位的保暖程度较好。统计分析结果显示，站立和步行状态下，不同档位加热时，衣内温度具有显著性差异；除站立时高档加热情况下背部和腰部的衣内温度无显著差异，其余不同档位加热时各部位的衣内温度均有显著性差异。不同档位下衣内温度变化量如图 所示。衣内温度变化量指各部位的衣内最终温度与初始温度之差。在站立和步行两种状态下，各部位的衣内温度变化量随着档位的增加而增大。站立时，各部位衣内温度变化量在低、中、高档加热时分别为.、.、.；步行时，各部位衣内温度变化量在低、中、高档加热时分别为.、.、.。可以看出高档位加热时，各部位间的衣内变化量差异增大，尤其在步行时更明显，说明温度升高，局部部位受热存在差异，故出现各部位衣内温度分布不均匀的现象。步行时各部位间的变化量差异更大的原因可能是步行时空气对流引起了衣内环境变化。.衣内湿度变化分析图 为站立和步行两种状态下各部位的衣内湿度变化情况。可以看出：各部位的衣内湿度均随时间的延长而减小，但采用中高档位加热时，各部位衣内湿度下降速率较缓慢，中、高档位加热时衣内湿度下降量（指各部位的初始湿度与最终湿度的差值）在站立和步行时分别为.和.；不加热时衣内湿度下降量在站立和步 行 时 分 别 为.和.。中高档加热时衣内湿度下降量比不加热第 期 廖剑霞等：基于石墨烯发热载体的电加热马甲热湿舒适性评价图 不同档位温度下各部位衣内温度的变化曲线 （）；（）图 不同档位温度下的衣内温度变化量 时小，说明较高档位加热时，衣内水蒸气含量比不加热时多。步行时，各部位衣内湿度下降率大多比站立时快，说明步行时空气流动加快，加上风的制冷作用，汗汽化加快。统计分析结果表明，站立和步行状态下，各部位衣内湿度在不同档位间存在显著性差异；除站立低档加热条件下腹部和背部的衣内湿度无显著性差异，其余不同档位加热时，各部位衣内湿度的具有显著性差异。北京服装学院学报（自然科学版）年图 不同档位温度下各部位衣内湿度变化曲线 .衣服表面温度变化分析加热条件下服装表面的红外热像图如图 所示。随着档位的提高，加热区域温度越来越高且温度升高区域扩大，与传感器测试下的温度变化结果一致。高档位加热步行时腰部加热效果较站立时不明显，这与站立时的腰部衣内温度高于步行时的结果一致，可能是因为腰部靠近下摆，步行活动导致衣内温度散热快。.主观感觉评价图 所示为不同档位温度下受试者的热感觉变化。受试者主观热感觉分值随着加热档位提高而增加，且在不同的加热条件下，站立时的主观热感觉分值均高于步行状态，说明步行带来的空气流动导致热量散失。站立时，受试者从不加热到 档位加热，上身整体主观热感觉的分值从 .增加到.；步行时，主观热感觉从 .增加到。种活动下的高档加热的热感觉分值都达到了，为热的状态，说明高档加热温度过高，人体感到不适。统计数据表明，站立和步行状态下，不加热与低档加热的热感觉无显著差异，但与中、高档位加热的热感觉有显著性差异。图 所示为站立和步行两种状态下不同加热档位下的湿感觉等级变化情况。未加热和低档位加热时的主观湿感觉最终接近或达到，中档位和高档位的主观湿感觉均为，为不干不湿的状态。统计数据分析，不同档位间的主观湿感觉分值无显著性差异，说明受试者在低温环境且运动强度较小的情况下对湿度敏感感觉不明显，不同档位下的湿感第 期 廖剑霞等：基于石墨烯发热载体的电加热马甲热湿舒适性评价图 不同档位温度下的服装外表面红外热像图 图 不同档位温度下的热感觉等级变化 图 不同档位温度下的湿感觉等级变化 觉程度差异不大。图 所示为不同档位下的舒适度等级变化情况。在高档位加热和不加热条件下，站立和步行时上身的主观舒适度分值随着时间的增加而增加；低档位加热条件下，上身的主观舒适度分值先增加后降低，说明随着时间的延长低档加热逐渐起到保暖效果，达到舒适感觉。统计结果表明，两种活动状态下，不同档位间的舒适感觉无显著性差异，但可知无论是站立和步行，低、中档位加热下的舒适感良好。电加热马甲的使用使人体在低温环境下的热感觉、湿感觉和舒适性得到提高。实验表明：在环境温度 、相对湿度 时，上身穿着轻薄羽绒服，内穿加热马甲和内衣的条件下，低、中档位加热就可以获得良好的舒适性，此时加热部位衣内温度范围在.；高档位加热会造成局部温度过高且各部位温度差异大，使人体感觉不适，所以高档位加热的时间不宜过长，可根据实际需要确定加热时长，也可针对目标区域的气候环境等对加热档位的温度设定进行适当的调整，使穿着者获得较好的舒适感。北京服装学院学报（自然科学版）年图 不同档位温度下的舒适度等级变化 结 论通过文献调研、市场调查及实验，设计了一款低温环境使用的电加热马甲；通过人体穿着实验，获取人体衣内温湿度和主观感觉数据，从加热档位、人体部位和活动状态三个角度去探析电加热马甲的舒适性能，得到如下结论：）加热档位的增加可增大各部位的衣内温度、服装表面温度及扩展温度升高区域，即加热温度越高，保暖效果越好。但高档位加热时，各部位衣内温度变化量差异增大，受热开始存在差异，步行时更为明显。）站立和步行两种状态下，中、高档位加热时，衣内湿度较不加热时下降缓慢且下降量小，即寒冷环境下，较高档位加热可在一定程度上维持人体的衣内湿度。步行时衣内湿度下降较大，空气对流和风制冷作用使人体汗汽化加快。）在低温环境下（温度 ，湿度），受试者穿着轻薄羽绒服，内搭加热马甲和内衣的情况下，低、中档加热时，站立和步行两种状态下的人体主观热、湿感觉和舒适度都较良好，此时加热部位的衣内温度在.。针对高档加热易使局部温度过高且受热不均的问题，建议根据实际需要控制加热时间，确保带来较好的舒适性。参考文献 李佳怡，卢业虎，叶鑫，等 智能发热户外防寒服装研制与性能评价 东华大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：王宏付，张海棠，柯莹 智能防寒服装研究进展 服装学报，（）：，（）：佟玫，张雅丽，唐世君 边防部队电加热服的研制与功能评价 服装学报，（）：，（）：，张雪青，余弘，张岳兰，等 电加热服装的研究进展 纺织检测与标准，（）：，（）：张妍 电加热服装的服用性能研究 上海：东华大学，：，：，（）：唐灿，刘荣平，徐志强 电加热服装服用性能研究进展 轻纺工业与技术，（）：，（）：，：，（）：第 期 廖剑霞等：基于石墨烯发热载体的电加热马甲热湿舒适性评价 ，（，）：，：；（上接第 页），（，；，）：，：；