丁 波，楊 帆，張 輝

(北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029)

人體皮膚熱傳導(dǎo)的研究起源于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，其中生物傳熱學(xué)的理論、測試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛應(yīng)用于低溫外科手術(shù)、燒傷燙傷治療等臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。近年來隨著交叉學(xué)科的發(fā)展，皮膚傳熱實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型結(jié)合逐漸應(yīng)用于紡織服裝領(lǐng)域，成為功能性紡織品、局部熱療可穿戴產(chǎn)品、熱防護(hù)服設(shè)計(jì)與研發(fā)的重要基礎(chǔ)理論[2]。國內(nèi)外均有相關(guān)研究：Zhai等[3]研究多層結(jié)構(gòu)的皮膚內(nèi)部傳熱，建立了在輻射熱條件下的燒傷皮膚模型，輔助熱防護(hù)織物的設(shè)計(jì)；Oguntala等[4]從皮膚組織特性、初始溫度、血液灌注率和熱傳遞參數(shù)對皮膚組織層熱響應(yīng)的影響進(jìn)行了參數(shù)研究，用于優(yōu)化可穿戴熱療產(chǎn)品；Su等[5]將皮膚傳熱與燒傷方程和服裝工效學(xué)理論相結(jié)合建立了一種模型，用以評價(jià)消防防護(hù)服的熱濕傳遞；Li等[6]建立了電加熱服裝與皮膚組織相結(jié)合的三維熱分析模型，其能夠準(zhǔn)確預(yù)測系統(tǒng)溫度，也可分析環(huán)境溫度、服裝熱阻和輸入功率對皮膚表面最高溫度的影響。

電加熱服裝是一類研發(fā)較為成熟的功能性服裝，其可利用電源控制內(nèi)部的導(dǎo)電發(fā)熱元件，使電能轉(zhuǎn)化為熱能[7]。市面上大多數(shù)電加熱服裝的設(shè)計(jì)方式都是將電加熱元件集成在軀干或四肢關(guān)節(jié)部位的服裝夾層，小面積局部產(chǎn)熱后再通過傳導(dǎo)、對流和輻射升高整體衣內(nèi)溫度?？紤]到服裝的熱舒適性與安全性，相鄰熱源的距離對服裝加熱效果的影響[8]、加熱元件在人體不同部位的功率消耗[9]與熱期望值的最高組合[10]等對加熱元件的細(xì)化研究逐漸成為該類服裝的研究熱點(diǎn)。

目前，多以暖體假人與真人穿著評價(jià)的方式對電加熱服裝加熱元件的設(shè)置和服裝整體舒適性進(jìn)行研究，針對加熱過程中皮膚的傳熱特性與機(jī)制的基礎(chǔ)研究較少?；诖?，本文設(shè)計(jì)了局部加熱條件下的皮膚表面溫度測試實(shí)驗(yàn)，以溫度變化為指標(biāo)，量化臨近熱源部位的熱傳導(dǎo)效率，并從人體、服裝與熱源屬性分析影響傳熱的因素，以期為今后電加熱服裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出科學(xué)的理論依據(jù)和借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 樣品的制作與測試

電加熱元件的制作。以升溫速率緩慢但在低壓條件發(fā)熱穩(wěn)定的硅橡膠電熱絲作為導(dǎo)電發(fā)熱單元；以導(dǎo)熱性能好，傳熱均勻的機(jī)織碳纖維面料作為元件基底，其厚度為0.3cm，面密度為220g/m2。

參考市面上電加熱元件的尺寸與電阻屬性，計(jì)算電熱絲長度，將其以閉合回路模式縫合在碳纖維織物表面，保證間隔均勻；將導(dǎo)線接口焊接在電熱絲回路中點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電流通路一致。制作的電加熱元件規(guī)格為20 cm×10 cm×0.3 cm(長度×寬度×厚度)，電阻為13 Ω，電加熱元件見圖1(a)。

面料準(zhǔn)備與測試。加熱元件內(nèi)外層疊加面料屬性：成分為100%棉,緯平針組織，紗線線密度為20 tex，面密度為 180 g/m2?；跇?biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2008 《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，使用M259B型織物熱阻濕阻測試儀(SDL Atlas公司)，測得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的面料層熱阻為：1層熱阻為0.18 clo，2層重疊熱阻為0.33 clo，4層重疊熱阻為0.6 clo。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室溫(20±2) ℃，相對濕度為(20±2)%，風(fēng)速小于0.1 m/s。

實(shí)驗(yàn)儀器：S-120DL2-24直流開關(guān)電源(明安信科技開關(guān)電源公司)；Gram-LT8C熱敏傳感器(Gram Corporation, 日本) 。

電源電壓：行業(yè)規(guī)定持續(xù)接觸安全電壓需小于24 V，故選擇市面上常見的可移動充電電源電壓(5 V/7 V)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

受試者選擇：年齡(23±1) 歲，身高(170±5) cm，身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)正常(18.5～24) kg/m2的青年9人。

面料組合說明：基于實(shí)際生活中的穿著舒適與安全原則，加熱元件不直接接觸皮膚，實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)加熱元件內(nèi)外層面料組合見表1，模型示意見圖1(b)。

圖1 電加熱元件與面料組合模型示意圖

表1 內(nèi)外層面料組合說明

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 測量部位與測量點(diǎn)

測量部位：選擇電加熱服裝常見加熱位置：背部、腹部、膝蓋、手肘與手腕。

測量點(diǎn)：測試點(diǎn)位置如圖2所示。以背部 (圖2(a))為例：點(diǎn)1測量電熱絲處的皮膚溫度變化；點(diǎn)2測量加熱元件下非電熱絲處皮膚溫度變化；點(diǎn)3、4、5測距加熱元件0、2.5、5 cm處皮膚溫度變化(前期實(shí)驗(yàn)表明距加熱元件5 cm后皮膚溫度變化受熱源影響極小，故以5 cm作為最遠(yuǎn)測試距離)；點(diǎn)6、7、8與3、4、5對稱。其中手腕部位不具有對稱性，故采取5點(diǎn)測量。

圖2 各部位測量點(diǎn)示意圖

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟分為5步：

①選擇一種面料組合，在受試者所選人體部位固定皮膚溫度測量點(diǎn)、加熱元件與面料(見圖3)；

圖3 實(shí)驗(yàn)過程示意圖

②設(shè)置電源(5 V、1.95 W和7 V、4.06 W)；

③靜坐10min，身體狀態(tài)穩(wěn)定后開啟加熱功能；

④傳感器間隔10 s記錄1次溫度；

⑤局部升溫至39℃及以上時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，記錄升溫時(shí)間。

首先測試低功率組，設(shè)置電源為5 V、1.95 W，依次選擇1#～6#面料組合，每個部位重復(fù)測試10次；再測試高功率組，設(shè)置電源為7 V、4.06 W，其余條件不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱源臨近部位傳熱效率分析

2.1.1 臨近部位平均溫差數(shù)據(jù)分析

初步分析各點(diǎn)溫度變化數(shù)據(jù)可知：同一部位8個測量點(diǎn)的初始溫度無明顯差異，加熱后元件覆蓋部位的測量點(diǎn)最快升溫至39～41℃，停止實(shí)驗(yàn)時(shí)臨近部位測量點(diǎn)溫度均小于覆蓋部位測量點(diǎn)溫度，對稱點(diǎn)溫度變化一致，溫差隨著距離增大而增大。低功率組升溫時(shí)間為(1.0±0.12) h，高功率組升溫時(shí)間為(0.58±0.08) h。

功率設(shè)置相同時(shí)，6種面料組合所得溫度數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，故以2#(內(nèi)1層面料，外2層面料)為例討論。最近點(diǎn)(0 cm)與最遠(yuǎn)點(diǎn)(5 cm)的皮膚平均升高溫度對比見圖4，由圖可知：低功率組手肘部位2點(diǎn)溫差達(dá)到1.9℃，高功率組手肘溫差達(dá)到2.1℃，其余部位的溫差均在1.6℃及以上，說明熱源臨近部位存在明顯溫度差異。且溫差隨功率增大而增大，高功率組整體升溫?cái)?shù)值高于低功率組。

圖4 2#各部位2點(diǎn)(0、5 cm)溫度升高差異

2.1.2 臨近部位平均升溫速率分析

仍以2#為例，將臨近部位的升溫?cái)?shù)值與時(shí)間換算為平均升溫速率，見圖5與圖6，由圖可知：隨著溫度測量點(diǎn)與加熱元件之間距離的增加，各部位平均升溫速率下降明顯；電源功率提高時(shí)，整體的升溫速率和熱傳遞效率隨之提升，高功率組0、2.5、5 cm各部位整體平均升溫速率分別提高：2.01、0.86和0.51℃/h，提高程度也隨距離增加而減小。

圖5 2#各部位平均升溫速率(1.95 W)

圖6 2#各部位平均升溫速率(4.06 W)

圖5與圖6可明顯看出：當(dāng)加熱元件功率與距離相同時(shí)，手臂(手腕和手肘)的升溫速率最快，腹部與背部相差不大，膝蓋的升溫速率明顯低于其他部位。根據(jù)生物傳熱基礎(chǔ)研究可知：皮膚由表皮、真皮和皮下脂肪層組成，人體不同部位的物理參數(shù)均有差異，傳熱效率也隨之不同。由于實(shí)驗(yàn)中受試者各部位皮膚的具體生理指標(biāo)不便測量，故選擇TAITherm(三維熱仿真分析工具)中的人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[11]，獲取中下臂、腹部、背部、小腿的皮膚(表皮與真皮層)厚度與脂肪層厚度(見表2)。

表2 實(shí)驗(yàn)部位皮膚與脂肪層厚度

從表2數(shù)據(jù)結(jié)合生理學(xué)基礎(chǔ)知識，下臂皮膚與脂肪層較薄，當(dāng)元件置于手腕/手肘部位時(shí)，熱源貼近靜脈血管導(dǎo)致皮膚組織與血液溫差顯著，血流加速帶走的熱量更多，臨近部位皮膚溫度升高更快，達(dá)到溫度平衡的時(shí)間更短[12]。腹部與背部除有皮下脂肪外還存在內(nèi)臟脂肪，脂肪的導(dǎo)熱系數(shù)小易保溫，且二者皮膚較厚，進(jìn)一步阻礙熱量傳遞，故升溫較為緩慢；小腿的皮膚厚度與下臂一致，雖然其脂肪層明顯小于腹部與背部，但由于熱源在髕骨附近，膝關(guān)節(jié)軟組織較少，導(dǎo)致其儲存熱量的效率低，熱量沿皮膚傳遞的比例小于向環(huán)境散失的比例，故皮膚升溫速率最慢。

2.2 臨近部位傳熱效率的影響因素

2.2.1 內(nèi)外層熱阻對傳熱效率的影響

由2.1.1節(jié)可知，當(dāng)功率設(shè)置與面料組合條件相同時(shí)，各部位臨近皮膚溫度變化趨勢一致。故可選最遠(yuǎn)測量點(diǎn)(5 cm)的溫度變化數(shù)據(jù)(見圖7、8)，對比分析6種面料組合對熱源臨近部位傳熱效率的影響。

圖7 1#～3#各部位平均升溫速率(5 cm)

由圖7可知：低功率條件下3#(內(nèi)1層面料，外4層面料)整體升溫速率最快，各部位平均升溫速率為0.74℃/h；由圖8可知，高功率條件下6#(內(nèi)2層面料，外4層面料)整體升溫速率最快，各部位平均升溫速率為1.72℃/h。原因是電源功率與內(nèi)層面料熱阻相同時(shí)，增大加熱元件外的面料熱阻，熱量向面料周圍傳導(dǎo)的比例增大，以對流方式向外部環(huán)境擴(kuò)散的比例減少，導(dǎo)致升溫速率增大；而增大加熱元件與皮膚之間面料熱阻，可以積蓄更多熱量在面料層與皮膚表面循環(huán)，同時(shí)在熱源的臨近部位傳遞。故合理增大加熱元件的內(nèi)外層熱阻，均可提高局部的傳熱效率。

圖8 4#～6#各部位平均升溫速率(5 cm)

2.2.2 電源功率對傳熱效率的影響

保持其他條件一致，探究電源功率對傳熱效率的影響：選取2#(內(nèi)1層面料，外2層面料)中各部位距離加熱元件5 cm的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見圖9)，結(jié)果表明電源功率的大小對加熱效果影響顯著。

圖9 2#各部位平均升溫速率(5 cm)

以低功率與高功率為討論分類依據(jù)，圖7、8示出了1#～6#面料組合的升溫速率變化趨勢有明顯差異高功率條件下升溫速率隨著內(nèi)外層總熱阻增大而提高，而低功率條件下4#～6#較1#～3#升溫速率低，且4#中腹部、背部與膝部均無溫度升高(3個0點(diǎn))。

為進(jìn)一步研究其原因，選取距手腕部位5 cm處的溫度變化數(shù)據(jù)，仍基于高低功率，將1#-4#、2#-5#、3#-6# 3組升溫速率對比分析(見圖10)，由圖可知：當(dāng)加熱元件外層熱阻相同時(shí)，增大元件與皮膚之間的熱阻，高功率組對應(yīng)的升溫速率明顯提高。但低功率組隨著總熱阻增大，傳熱效率反而減小。有學(xué)者得出面料總熱阻不變，加熱元件與人體距離越遠(yuǎn)，供熱量隨之增大的結(jié)論[13]，低功率組結(jié)果與其一致。原因是加熱元件與皮膚之間的熱阻增大時(shí)，熱量在面料與皮膚之間垂直傳導(dǎo)的比例增大，向周圍傳導(dǎo)的比例相對?。欢吖β士墒箍偀崃炕鶖?shù)增大，同時(shí)增加向面料四周擴(kuò)散的熱量。

圖10 手腕部位平均升溫速率(5 cm)

可見增大功率可顯著提高臨近部位的傳熱效率，但基于服裝的舒適與安全性，外加電壓應(yīng)控制在相對安全電壓(12 V)以下，并盡量在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡溫度[7]，以避免出現(xiàn)觸電危險(xiǎn)，以及升溫過于緩慢造成穿著者主觀感覺與生理耐受極限不一致[14]產(chǎn)生的低溫燙傷現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

本文研究了服裝局部加熱時(shí)人體臨近熱源部位的皮膚升溫趨勢、傳熱規(guī)律及其影響因素，所得結(jié)論如下：

①服裝小面積局部加熱會導(dǎo)致臨近部位溫度升高，由于人體各部位生理結(jié)構(gòu)差異，當(dāng)其他條件相同時(shí)，5個測量部位加熱后的平均皮膚溫度由大到小為：手臂(手腕與手肘)>腹部≈背部>膝部；傳熱規(guī)律差異不大：距加熱元件5 cm外的皮膚溫度幾乎無變化，5 cm內(nèi)出現(xiàn)顯著溫差，溫度隨著與熱源距離的增大而減小。

②改變電源功率與加熱元件內(nèi)外層熱阻與可以提高傳熱效率。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)測量點(diǎn)溫度達(dá)到39℃左右時(shí)停止加熱，高功率(4.06 W)組整體比低功率(1.95 W)組升溫時(shí)間快0.52 h左右，但5 cm內(nèi)溫差亦隨功率提高而增大；增大加熱元件內(nèi)層與外層的面料熱阻，可以使熱量更多地沿面料層向皮膚表面?zhèn)鲗?dǎo)，減少向外部環(huán)境對流擴(kuò)散的比例，得以提高傳熱效率。

將加熱元件以可拆卸模式集成在服裝局部的方式具有生產(chǎn)便捷、成本低、服裝方便清潔的優(yōu)點(diǎn)，但身體長期處于局部溫差的狀態(tài)會影響人體的自主體溫調(diào)節(jié)，不利于身體健康。今后電加熱服裝應(yīng)基于人體各部位達(dá)到熱平衡舒適所需的具體溫度和功率進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量增大加熱面積，例如引入導(dǎo)電發(fā)熱紗線實(shí)現(xiàn)智能紡織品的織造或元件與服裝的一體化設(shè)計(jì)。