林磊, 錢(qián)晙楠, 王宏付, 柯瑩*, 蘇軍強(qiáng)

(1．江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122;2.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;3．江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214122)

室內(nèi)環(huán)境溫度的均勻穩(wěn)定能使人保持熱舒適,但是在辦公場(chǎng)所使用空調(diào)進(jìn)行大范圍的溫度調(diào)節(jié)會(huì)造成能量浪費(fèi)[1-2]。個(gè)體舒適系統(tǒng)(personal comfort systems,簡(jiǎn)稱PCS)通過(guò)作用于人體局部,改善人體熱感覺(jué)與熱舒適[3-4]。個(gè)體舒適系統(tǒng)包括桌面風(fēng)扇、電加熱座椅、輻射板、電加熱服裝等[5]。相對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)改變室內(nèi)溫度使人體達(dá)到熱舒適,個(gè)體舒適系統(tǒng)便捷性更好、舒適性較高且能耗少[6-7]。

有學(xué)者通過(guò)電加熱椅研究局部加熱對(duì)人體熱舒適的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部加熱能顯著提高人體熱感覺(jué)和熱舒適,在涼爽環(huán)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(hù)膝和電熱護(hù)腕進(jìn)行局部加熱實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明對(duì)手腕加熱不能明顯改善熱感覺(jué),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(huán)境溫度下對(duì)女性熱舒適的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電加熱服的熱可接受性最高,對(duì)熱感覺(jué)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(huán)境下使用電加熱片對(duì)人體單部位以及雙部位組合加熱,總結(jié)出腳部和背部加熱對(duì)熱感覺(jué)影響較大,組合加熱比單部位加熱效果好。DENG Y等[14]通過(guò)加熱鞋墊、加熱扶手和加熱欄桿進(jìn)行真人實(shí)驗(yàn),得出局部加熱有效消除了腿部和手部的不適感,同時(shí)提升低溫環(huán)境下受試者的整體舒適性。

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

文中研究了環(huán)境溫度為0 ℃和5 ℃,空氣相濕度為50%時(shí)電加熱服加熱區(qū)域分布對(duì)人體局部熱舒適的影響,并對(duì)軀干、腿部和手臂進(jìn)行組合加熱,分析針對(duì)不同加熱區(qū)域受試者局部熱感覺(jué)和熱舒適的變化,探究非均勻低溫環(huán)境下局部熱感覺(jué)和熱舒適之間的相關(guān)性,以期提高電加熱服的加熱效率和保暖性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為人體熱舒適的研究提供一定依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

人工氣候室,日本Espec公司制造。氣候室于實(shí)驗(yàn)前1 h打開(kāi),保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定,空氣溫度分別設(shè)置為5 ℃和0 ℃,相對(duì)濕度為50%,風(fēng)速控制在0.1 m/s以內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所用服裝及其面料成分見(jiàn)表1。加熱片置于搖粒絨夾克內(nèi)層,以保證加熱效果。為體現(xiàn)電加熱服的加熱效果,服裝總熱阻設(shè)定約為0.240 3 m2·K/W,稍低于標(biāo)準(zhǔn)ISO 11079—2007[16]要求在5 ℃環(huán)境條件下靜坐時(shí)需要的服裝熱阻。

表1 服裝面料成分

具體加熱區(qū)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(duì)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(huán)境下,人體四肢冷感較強(qiáng),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(chǔ)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(gè)加熱區(qū)域的加熱總面積為900 cm2。

圖1 加熱區(qū)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(xué)生,年齡(22.6±1.2)歲,身高(175.1±1.6) cm,體質(zhì)量(62.6±3.4)kg,身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為(20.4±1.0)kg/m2。提前告知受試者實(shí)驗(yàn)信息,受試者被要求實(shí)驗(yàn)前不能喝刺激性飲料,不進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

受試者實(shí)驗(yàn)前30 min到達(dá),在休息室靜坐休息,使身體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),換好實(shí)驗(yàn)服裝后進(jìn)入人工氣候室,開(kāi)始靜坐實(shí)驗(yàn)。加熱片溫度設(shè)置為53 ℃,實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為60 min,每隔10 min受試者填寫(xiě)主觀感受問(wèn)卷,反饋頭部、軀干、手臂、手部、腿部和足部的熱感覺(jué)和熱舒適。評(píng)價(jià)參考 ISO 10551—2019[17],采用7級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)尺。熱感覺(jué)和熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)尺見(jiàn)表2。

表2 主觀感受評(píng)分標(biāo)尺

1.5 數(shù)據(jù)分析

用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Shapiro-Wilk檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),配對(duì)樣本t檢驗(yàn)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(jié)果有顯著性差異(p<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 局部動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)與熱舒適

腿部和足部動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)變化如圖2所示。由圖2(a)可知,H1腿部熱感覺(jué)逐漸降低,5 ℃和0 ℃時(shí)評(píng)分均在0以下,在0 ℃時(shí)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(píng)分基本在1和2(稍暖～暖)之間,10 min后和H1產(chǎn)生顯著性差異(p<0.05)。H3腿部熱感在5 ℃時(shí)評(píng)分維持在0.5左右,0 ℃時(shí)評(píng)分維持在0左右。從圖2(b)可知,3種加熱區(qū)域的足部熱感覺(jué)較接近;H2足部熱感覺(jué)在5℃和0℃時(shí)均最高,0 ℃條件下,在10 min和60 min時(shí)與H1有顯著差異(p<0.05),在30 min時(shí)與H3有顯著差異(p<0.05)。原因可能是H2對(duì)大腿和小腿進(jìn)行加熱,熱量有部分傳遞到足部,使足部熱感增加。

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

圖2 局部動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)Fig.2 Local dynamic thermal sensation

圖3 頭部動(dòng)態(tài)熱舒適Fig.3 Dynamic thermal comfort for the head

手部和腿部動(dòng)態(tài)熱舒適如圖4所示。由圖4(a)可知,5 ℃時(shí)3種方案的手部熱舒適評(píng)分基本在1以上(有點(diǎn)舒適),0 ℃時(shí)H1和H2手部熱舒適下降趨勢(shì)比H3明顯,說(shuō)明H3對(duì)手臂加熱,在一定程度上能提升手部熱舒適。根據(jù)圖4(b)可知,H1腿部熱舒適在5 ℃和0 ℃條件下評(píng)分均下降到0以下,說(shuō)明穿著H1時(shí)受試者腿部有點(diǎn)不舒適。5 ℃條件下,H2腿部熱舒適最高,評(píng)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(shí)H3腿部熱舒適顯著高于H1(p<0.05)。溫度降低到0 ℃時(shí),H2腿部熱舒適較5 ℃評(píng)分降低約1個(gè)尺度,說(shuō)明環(huán)境溫度的變化對(duì)局部熱舒適有較大影響。

圖4 局部動(dòng)態(tài)熱舒適Fig.4 Local dynamic thermal comfort

2.2 局部穩(wěn)態(tài)熱感覺(jué)與熱舒適

從局部動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)和熱舒適結(jié)果可以看到,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行50 min后受試者主觀感受比較穩(wěn)定,因此取最后兩次主觀感受投票值的平均值作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。局部穩(wěn)態(tài)熱感覺(jué)如圖5所示。由圖5(a)可知,在5 ℃時(shí),H2腿部熱感顯著高于H1和H3(p<0.05),H2頭部熱感也和H1產(chǎn)生顯著性差異(p<0.05)。H2所有局部穩(wěn)態(tài)熱感覺(jué)評(píng)分基本在0以上,因此H2對(duì)局部熱感覺(jué)改善作用較好。由圖5(b)可知,H2腿部和足部熱感覺(jué)均顯著高于H1和H3(p<0.05),說(shuō)明H2對(duì)腿部和足部熱感覺(jué)改善效果明顯。

受試者局部穩(wěn)態(tài)熱舒適如圖6所示。從圖6(a)可以看出,H3對(duì)提高頭部的熱舒適有較好作用,5 ℃時(shí)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(shí)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(duì)手臂和手部熱舒適提升明顯。無(wú)論在5 ℃ 還是0 ℃,H1軀干熱舒適均是最低,說(shuō)明集中加熱軀干不能有效提高軀干熱舒適,并可能導(dǎo)致軀干溫度過(guò)高,從而造成人體不適。該結(jié)果與前人的研究具有一致性,與軀干調(diào)溫相比,針對(duì)四肢進(jìn)行熱調(diào)節(jié)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(wěn)態(tài)熱感覺(jué)Fig.5 Local steady-state thermal sensation

圖6 局部穩(wěn)態(tài)熱舒適Fig.6 Local steady-state thermal sensation

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)真人著裝實(shí)驗(yàn),分析電加熱服不同加熱區(qū)域分布對(duì)人體局部主觀感受的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電加熱服的不同加熱區(qū)域?qū)θ梭w局部熱舒適感受產(chǎn)生不同的影響。加熱區(qū)域集中分布在軀干位置對(duì)軀干熱感覺(jué)和熱舒適提升作用不大,還會(huì)造成其他部位局部熱感覺(jué)和熱舒適的降低。加熱區(qū)域分布在軀干、大腿和小腿時(shí)對(duì)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(yōu)先考慮腿部加熱。研究結(jié)果可提高電加熱服加熱效率、優(yōu)化電加熱服的設(shè)計(jì),同時(shí)可為人體熱舒適的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。