低溫環境下電加熱服加熱區域分布對局部熱舒適的影響

林磊, 錢晙楠, 王宏付, 柯瑩*, 蘇軍強

(1．江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122;2.浙江理工大學 紡織科學與工程學院,浙江 杭州 310018;3．江南大學 設計學院,江蘇 無錫 214122)

室內環境溫度的均勻穩定能使人保持熱舒適,但是在辦公場所使用空調進行大范圍的溫度調節會造成能量浪費[1-2]。個體舒適系統(personal comfort systems,簡稱PCS)通過作用于人體局部,改善人體熱感覺與熱舒適[3-4]。個體舒適系統包括桌面風扇、電加熱座椅、輻射板、電加熱服裝等[5]。相對于傳統空調改變室內溫度使人體達到熱舒適,個體舒適系統便捷性更好、舒適性較高且能耗少[6-7]。

有學者通過電加熱椅研究局部加熱對人體熱舒適的影響,結果發現局部加熱能顯著提高人體熱感覺和熱舒適,在涼爽環境中加熱效果更為顯著[8-10]。WANG H Y等[11]使用電熱扇、電加熱夾克、電熱護膝和電熱護腕進行局部加熱實驗,結果表明對手腕加熱不能明顯改善熱感覺,軀干加熱和組合加熱能明顯改善整體熱感。LI Z Q等[12]研究了電加熱椅、加熱墊、加熱輻射板和電加熱服裝在15 ℃和18 ℃兩種環境溫度下對女性熱舒適的影響,結果發現電加熱服的熱可接受性最高,對熱感覺和熱舒適的改善作用最好,消耗功率最低。張昭華等[13]在低溫環境下使用電加熱片對人體單部位以及雙部位組合加熱,總結出腳部和背部加熱對熱感覺影響較大,組合加熱比單部位加熱效果好。DENG Y等[14]通過加熱鞋墊、加熱扶手和加熱欄桿進行真人實驗,得出局部加熱有效消除了腿部和手部的不適感,同時提升低溫環境下受試者的整體舒適性。

現有的個體舒適系統研究主要利用局部熱通風、局部熱輻射、電加熱椅等方式[15],對于電加熱服裝加熱區域分布的研究較少,且研究側重于單部位或者雙部位組合加熱對人體熱舒適的影響,較少涉及多部位共同加熱對電加熱服性能的影響,對電加熱服加熱區域的研究有待深入[10]。

文中研究了環境溫度為0 ℃和5 ℃,空氣相濕度為50%時電加熱服加熱區域分布對人體局部熱舒適的影響,并對軀干、腿部和手臂進行組合加熱,分析針對不同加熱區域受試者局部熱感覺和熱舒適的變化,探究非均勻低溫環境下局部熱感覺和熱舒適之間的相關性,以期提高電加熱服的加熱效率和保暖性,實驗結果可為人體熱舒適的研究提供一定依據。

1 實驗方案

1.1 實驗環境

人工氣候室,日本Espec公司制造。氣候室于實驗前1 h打開,保持室內溫度穩定,空氣溫度分別設置為5 ℃和0 ℃,相對濕度為50%,風速控制在0.1 m/s以內。

1.2 實驗材料

碳納米管電加熱片,蘇州捷迪納米科技有限公司提供。加熱片尺寸:1片為18 cm×16 cm,6片為12 cm×8.5 cm,加熱溫度范圍為37～53 ℃。實驗所用服裝及其面料成分見表1。加熱片置于搖粒絨夾克內層,以保證加熱效果。為體現電加熱服的加熱效果,服裝總熱阻設定約為0.240 3 m2·K/W,稍低于標準ISO 11079—2007[16]要求在5 ℃環境條件下靜坐時需要的服裝熱阻。

表1 服裝面料成分

具體加熱區域分布如圖1所示。軀干為人體主要代謝部位,并且背部和胸部冷感受器較多,對冷感受較為敏感,因此方案H1將加熱片集中分布在軀干部位,背部使用一片18 cm ×16 cm的加熱片,其余部位使用12 cm × 8.5cm的加熱片。低溫環境下,人體四肢冷感較強,皮膚溫度下降明顯[4],因此方案H2是將方案H1中腰部和背部的加熱片分布到大腿和小腿位置,方案H3是在方案H2的基礎上將小腿加熱片分布到手臂位置。除背部加熱面積為288 cm2,其他部位的加熱面積均為102 cm2,3個加熱區域的加熱總面積為900 cm2。

圖1 加熱區域分布Fig.1 Heating area distribution

1.3 受試者

受試者為7名男性在校大學生,年齡(22.6±1.2)歲,身高(175.1±1.6) cm,體質量(62.6±3.4)kg,身體質量指數(BMI)為(20.4±1.0)kg/m2。提前告知受試者實驗信息,受試者被要求實驗前不能喝刺激性飲料,不進行劇烈運動。

1.4 實驗流程

受試者實驗前30 min到達,在休息室靜坐休息,使身體達到穩定狀態,換好實驗服裝后進入人工氣候室,開始靜坐實驗。加熱片溫度設置為53 ℃,實驗總時長為60 min,每隔10 min受試者填寫主觀感受問卷,反饋頭部、軀干、手臂、手部、腿部和足部的熱感覺和熱舒適。評價參考 ISO 10551—2019[17],采用7級評價標尺。熱感覺和熱舒適評價標尺見表2。

表2 主觀感受評分標尺

1.5 數據分析

用SPSS軟件進行數據處理,Shapiro-Wilk檢驗對數據進行正態性檢驗,配對樣本t檢驗比較主觀感受是否存在顯著差異。*,#,^分別表示H1與H2、H1與H3、H2與H3的結果有顯著性差異(p<0.05)。

2 結果與討論

2.1 局部動態熱感覺與熱舒適

腿部和足部動態熱感覺變化如圖2所示。由圖2(a)可知,H1腿部熱感覺逐漸降低,5 ℃和0 ℃時評分均在0以下,在0 ℃時接近稍涼,H1集中加熱軀干,熱量不足以傳遞到腿部,因此H1腿部熱感較低。H2腿部熱感最高,評分基本在1和2(稍暖～暖)之間,10 min后和H1產生顯著性差異(p<0.05)。H3腿部熱感在5 ℃時評分維持在0.5左右,0 ℃時評分維持在0左右。從圖2(b)可知,3種加熱區域的足部熱感覺較接近;H2足部熱感覺在5℃和0℃時均最高,0 ℃條件下,在10 min和60 min時與H1有顯著差異(p<0.05),在30 min時與H3有顯著差異(p<0.05)。原因可能是H2對大腿和小腿進行加熱,熱量有部分傳遞到足部,使足部熱感增加。

頭部動態熱舒適曲線如圖3所示。由圖3可以看出,5 ℃時H3頭部最舒適,在10 min和60 min時與H1頭部熱舒適有顯著差異(p<0.05),當溫度下降到0 ℃時,H3頭部熱舒適低于H2,可能在5 ℃時,H3對手臂進行加熱時能傳遞部分熱量到頭部;溫度降低至0 ℃時,手臂加熱產生的熱量不足以影響頭部熱舒適。

圖2 局部動態熱感覺Fig.2 Local dynamic thermal sensation

圖3 頭部動態熱舒適Fig.3 Dynamic thermal comfort for the head

手部和腿部動態熱舒適如圖4所示。由圖4(a)可知,5 ℃時3種方案的手部熱舒適評分基本在1以上(有點舒適),0 ℃時H1和H2手部熱舒適下降趨勢比H3明顯,說明H3對手臂加熱,在一定程度上能提升手部熱舒適。根據圖4(b)可知,H1腿部熱舒適在5 ℃和0 ℃條件下評分均下降到0以下,說明穿著H1時受試者腿部有點不舒適。5 ℃條件下,H2腿部熱舒適最高,評分維持在1.5左右,腿部熱舒適良好,在10 min后顯著高于H1;在20,30和60 min時H3腿部熱舒適顯著高于H1(p<0.05)。溫度降低到0 ℃時,H2腿部熱舒適較5 ℃評分降低約1個尺度,說明環境溫度的變化對局部熱舒適有較大影響。

圖4 局部動態熱舒適Fig.4 Local dynamic thermal comfort

2.2 局部穩態熱感覺與熱舒適

從局部動態熱感覺和熱舒適結果可以看到,實驗進行50 min后受試者主觀感受比較穩定,因此取最后兩次主觀感受投票值的平均值作為穩態數據進行分析。局部穩態熱感覺如圖5所示。由圖5(a)可知,在5 ℃時,H2腿部熱感顯著高于H1和H3(p<0.05),H2頭部熱感也和H1產生顯著性差異(p<0.05)。H2所有局部穩態熱感覺評分基本在0以上,因此H2對局部熱感覺改善作用較好。由圖5(b)可知,H2腿部和足部熱感覺均顯著高于H1和H3(p<0.05),說明H2對腿部和足部熱感覺改善效果明顯。

受試者局部穩態熱舒適如圖6所示。從圖6(a)可以看出,H3對提高頭部的熱舒適有較好作用,5 ℃時顯著高于H1和H2(p<0.05);H3腿部熱舒適和H1也有顯著差異(p<0.05),H2相比H1和H3腿部熱舒適(p<0.05)顯著提高,且使受試者保持了良好的足部熱舒適。從圖6(b)可以看出,0 ℃ 時H2頭部、手臂、腿部和足部熱舒適均顯著高于H1(p<0.05),相比H1,H3對手臂和手部熱舒適提升明顯。無論在5 ℃ 還是0 ℃,H1軀干熱舒適均是最低,說明集中加熱軀干不能有效提高軀干熱舒適,并可能導致軀干溫度過高,從而造成人體不適。該結果與前人的研究具有一致性,與軀干調溫相比,針對四肢進行熱調節能更大程度地改變局部皮膚溫度,從而提高熱舒適感[18-19]。

圖5 局部穩態熱感覺Fig.5 Local steady-state thermal sensation

圖6 局部穩態熱舒適Fig.6 Local steady-state thermal sensation

3 結語

通過真人著裝實驗,分析電加熱服不同加熱區域分布對人體局部主觀感受的影響,實驗結果表明,電加熱服的不同加熱區域對人體局部熱舒適感受產生不同的影響。加熱區域集中分布在軀干位置對軀干熱感覺和熱舒適提升作用不大,還會造成其他部位局部熱感覺和熱舒適的降低。加熱區域分布在軀干、大腿和小腿時對各局部熱舒適改善效果最好。建議在加熱面積有限的情況下,將加熱片分散到盡可能多的部位,且與手臂加熱相比,優先考慮腿部加熱。研究結果可提高電加熱服加熱效率、優化電加熱服的設計,同時可為人體熱舒適的研究提供一定的理論基礎。