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
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1、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
2、,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。
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、、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
9、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
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