石墨烯电加热服装的服用性能研究

石墨烯纤维在力学、电学、热学方面的优异性能,使其在导电纤维、电加热服装等方面有着广阔的发展前景。研究了石墨烯电加热服装的电热性能和热舒适性能,对石墨烯发热织物的热稳定性能、功率密度、升温速度、发热均匀度等电热性能进行了测试,并利用暖体假人测试了服装的保暖性能。通过与碳纤维发热织物比较得出:石墨烯发热织物具有良好的热稳定性,且功率密度高、升温速度快、发热均匀性好。环境温度为5℃和-5℃时,石墨烯电加热服装的加热效率显著大于碳纤维加热服装,发热保暖效果优异;在低温-5℃环境下,石墨烯电加热组合服装仍能满足人体热舒适性的需求。     

电热织物系统热传递模拟及其参数设计

为保证电加热服装的舒适性与安全性,并为其优化设计提供参考,通过Comsol软件建立了包含皮肤层的电热织物系统传热模型,考虑了热传导、热对流、热辐射3种传热方式,进行了多物理场耦合模拟。将模拟的瞬态结果与实验数据进行对比发现,二者随时间变化的温度曲线相近,且实时温度和最终温度相对误差均低于4%,说明模拟值与实验值之间具有良好的吻合性。通过该数值模型进行了稳态的参数化研究,拟合了皮肤温度与环境温度、风速、发热片加热温度、服装内外层热阻之间的线性关系,建立了皮肤温度预测模型,并应用模型设计电加热服装的相关参数。本文研究结果可为特定使用环境下电加热片的设计与选择提供理论参考。     

电加热服结构及其性能评价方法

电加热服是目前应用较多且技术比较成熟的一种智能加热服装。本文阐述了电加热服的主要结构:发热系统、温度监测系统、电源、用户界面;从面料电热性能测试、服装热防护性能测试、服装舒适性能测试3个方面综述了电加热服的性能评价方法;最后针对电加热服在结构和性能评价方面的不足,展望了电加热服的发展趋势。     

低温环境下电加热服装对人体热舒适性的研究

在冬季偏冷的环境中，由于人体局部部位的热特性不同，从而影响着人体穿着电加热服装（Electric heating garments/EHG）的整体及局部热感觉投票（Thermal sensation vote/TSV)、热舒适投票(Thermal comfort vote/TCV)。文章在人工气候室通过记录受试者在不同环境温度及不同加热档位工况下人体整体及局部TSV、TCV以及皮肤温度，分析不同环境温度及EHG加热方式对整体及局部热感觉及热舒适性的影响。     

加热区域设计对电加热服热舒适性的影响

研究加热区域的设计对电加热服热舒适性的影响。以碳纤维电加热服为例,利用Newton暖体假人试验,测试了4种不同加热区域的服装总热阻、加热效率、服装表面温度分布。结果表明:加热前后服装的总热阻有显著提高,最大加热效率为14.08%;加热后马甲内侧温度升高3.9℃～16.2℃,比马甲外表面的温度升高快。认为:加热装置均匀分布且尽量远离服装开口部位,可以实现加热效率最高、热量散失最少、保暖性最佳和节约能源的目的。     

电加热高空清洁作业服研制与性能评价

高空清洁人员在高空环境下常面临严重的低温气候威胁,为提高高空清洁作业服的保暖性能,设计开发了一款电加热高空清洁作业服。在模拟的高空作业环境(温度为(5 ± 0.5) ℃,相对湿度为(60 ± 5)%)下,通过人体穿着电加热高空清洁作业服的实验对皮肤温度和运动舒适性进行测试和评价。结果表明:穿着电加热高空清洁作业服可更好地维持人体平均皮肤温度,且时间越长,保暖效果越显著;将电加热片放置在后背可有效提高躯干皮肤温度,同时不会影响人体背部局部的主观热舒适性;结构上采用局部插片和暗褶设计可有效提高高空清洁作业服的活动自由度。     

加热型织物系统的热传递性能

为优化电加热服的设计，建立皮肤、衣下空气层与加热型织物的组合体，探索其对加热型织物系统传热性能的具体影响。选用6种不同的织物，并通过在测试板与织物之间放置不同厚度的分隔板来模拟衣下空气层，分析加热装置关闭与打开时加热型织物系统的热阻和加热装置提供给测试板的加热功率的变化，评价织物系统的热量传递。结果表明：不论加热装置是否开启，加热型织物系统的热阻都随空气层厚度的增大而增加；加热装置打开时织物性能对织物系统热阻的影响增强；加热装置放置位置越靠近皮肤，加热效率越高。     

风速与步速对服装表面空气层热阻的影响

从服装舒适性角度出发,以服装热舒适性的研究为入口,着重分析风速与步速对服装表面空气层热阻的影响,给出服装的热阻与风速及步速的关系公式。在设定的环境条件下,通过人体假人进行测试,验证公式的预测性和实用性,并找出裸态人体表面空气层热阻和着装后服装表面空气层热阻之间的差异。服装的热阻,以服装的表面为分界线,分为基本热阻与着装人体服装外表面边界空气层的热阻。实验结果表明：风速、行走速度会使服装外表面空气层的热阻减小。     

服装热湿舒适性标准的比较

服装热阻测试方法的国际标准有ISO 15831、ASTM F1291、ASTM F1720、EN 342。虽然这些标准测试服装热阻的基本原理大致相同，但其使用的暖体假人大小、测试条件、计算热阻的方法和对测试结果的表述方式有所不同。ASTM F2370是唯一论述服装蒸发阻力测试方法的标准，该标准仅对出汗暖体假人大小、测试程序和测试条件做了规定，并未要求人们使用哪种方法模拟人体出汗，ISO 9920也给出了服装蒸发阻力的估计式。ISO 7730可用于预测人体着装后在中等热环境下的热感觉，但其不适用于高活动量、炎热环境、高湿环境，同时该标准不一定适用于中国人。ISO／TR 11079提供了评价冷环境以及确定所需服装热阻的方法。另外，文中就今后这些标准的修订提出了一些建议。     

加热装置在防寒服中的位置及其热效用

为明确加热装置与防寒服系统的最优组合方法,以满足人体热舒适性及提高加热效率为原则,选用市场上已有的服装加热装置,采用暖体假人着装测试,在环境温度为-11.8 ℃,假人静止站立条件下,探究加热装置与防寒服系统的最优组合。结果表明:加热装置适宜放置在前胸、肩部、腹部、前臂和小腿等5个部位,且均为防寒服内胆的里料外侧,并推荐加热温度范围在腹部37~40 ℃、肩部40~44 ℃、前胸44~49 ℃、前臂和小腿49 ℃以上时,能够更好地发挥其加热效用,满足人体的热舒适性;另外,隔热值越高的服装,其搭配加热装置后的加热效果越好,研究结果为加热服热功能的设计开发提供了数据参考。     

电加热鞋帮二维瞬态传热模型及其实验验证

为研究电加热元件的调温机制及其对足部热舒适的影响,基于有限体积法建立了电加热鞋帮二维传热模型,考虑了多孔介质织物传热以及加热区与非加热区的二维传热特性。通过冷暴露环境下电加热鞋帮织物的调温性能测试,验证了电加热鞋帮二维传热模型,并与一维模型进行了对比分析。结果表明：二维模型对于皮肤温度的预测偏差控制在2.59%～13.74%之间,随着鞋帮织物保暖性的改善,能够更准确地预测皮肤温度的变化;相比一维模型,二维模型能够更加科学地模拟电加热元件的调温规律,加热片温度在初始升温阶段的预测偏差减小了2.99%～25.09%。电加热鞋帮二维传热模型可更加准确地表征其调温机制,对丰富电加热元件二维传热理论、指导电加热元件的参数化设计具有重要意义。     

基于全织物传感网络的温敏服装设计

为实现对人体皮肤温度的实时监测,在深入研究现有监测技术的基础上,结合人体不同部位皮肤温度分布存在差异,以及人们对温敏服装的可重复性及舒适性的要求,通过建立人体区域传感网络的阵列式排列模型与数据采集存储系统的设计方法,最终制备基于全织物传感网络的温敏服装。测试全织物温度传感网络的拉伸回复性,证明其具有较高的稳定性。测试温敏服装的温敏性并评估其可重复性和舒适性,证明其具有较高的灵敏度及良好的实用性。综合比较数据采集模块的实用性,最终开发出便携式数据采集存储系统。结合数据采集系统采用温敏服装实时监测人体皮肤温度,证明可通过人体温度的变化曲线追踪人体的呼吸状态,同时满足舒适性要求。     

中国20个少数民族男性服装整体和局部热阻的研究北大核心CSCD

服装热阻是影响人体着装舒适性的主要物理指标之一。选取具有代表性的20种不同少数民族的男性传统服装,根据款式特点将其分成六组,采用暖体假人测试了服装的整体和局部静态热阻,分析各组内、组间服装局部热阻的差异和变化趋势,以及影响服装热阻的相关因素。研究结果表明:服装的局部热阻与人体部位体形、服装局部结构、人体穿着方式和服装的总重量有关。各少数民族服装的局部热阻分布不均匀,躯干后部位的服装热阻大于前部,腹部和下背处的服装热阻大于胸部和上背,盆骨处的服装热阻最大。     

针织运动服的通风设计与热湿舒适性评价

为研究通风孔和通风道设计对人体运动热生理及主观舒适感的影响,采用针织挑洞工艺与凸条工艺设计了2款运动服,在人工气候舱中进行着装人体实验,评价所研发运动服对人体皮肤温度、衣下湿度、汗液蒸发率等客观生理指标,以及主观热感觉、湿感觉、黏体感、舒适感的影响。结果表明:具有通风孔设计的服装能显著增加人体汗液蒸发,降低衣下湿度,同时受试者的主观热、湿、黏体及不舒适感也显著下降;在通风孔基础上进一步增加通风道设计的服装,由于衣下空气层厚度的增大,使得服装的热阻也增加,未能起到进一步改善人体热生理及舒适感的作用;在运动服的设计中,应当在控制服装热阻的前提下尽量提高通风性能。     

中国20个少数民族男性服装整体和局部热阻的研究

服装热阻是影响人体着装舒适性的主要物理指标之一。选取具有代表性的20种不同少数民族的男性传统服装,根据款式特点将其分成六组,采用暖体假人测试了服装的整体和局部静态热阻,分析各组内、组间服装局部热阻的差异和变化趋势,以及影响服装热阻的相关因素。研究结果表明:服装的局部热阻与人体部位体形、服装局部结构、人体穿着方式和服装的总重量有关。各少数民族服装的局部热阻分布不均匀,躯干后部位的服装热阻大于前部,腹部和下背处的服装热阻大于胸部和上背,盆骨处的服装热阻最大。     

基于热舒适性的典型着装及面料热学性能研究

探讨典型着装及其面料的热学性能。以京津地区办公建筑夏季空调环境为例,研究了该环境下职员的热舒适性和典型着装形式及面料。结果表明:典型着装下的期望温度和相对湿度分别为26.8℃和66.7%,该期望值既满足热舒适性又利于建筑节能;采用出汗暖体假人测试出典型着装的平均热阻为0.37clo,较标准中服装舒适热阻(0.5clo)低0.13clo;典型着装面料的平均热阻仅为0.117clo,远低于对应服装的热阻。认为:服装的热湿性能与面料的热湿性能并不完全一一对应,面料开发和服装设计尤其职业着装需要考虑利于该地区办公建筑实现空调系统节能运行的临界服装热阻。     

衣下间隙对织物系统热湿阻的影响

为研究人体皮肤与织物之间存在的衣下间隙对织物系统传热透湿性能的影响,利用出汗热平板仪测试织物系统的热阻和湿阻,并通过在热板与织物之间放置不同厚度的分隔板来模拟衣下间隙厚度,实现了定量测试皮肤—衣下间隙—织物之间的热湿传递。实验结果证明:织物系统的热阻和湿阻先随衣下间隙厚度的增大而增加,但在衣下间隙达到12 mm时出现下降,随后又进一步增加;虽然织物厚度影响着织物系统的热阻与湿阻,但衣下间隙对织物系统热湿阻的影响更为显著。综合服装的合体美观与舒适保暖性能,建议防寒类服装设计采用胸围放松量6~8 cm之间为宜。本研究有助于理解服装宽松量设计与服装隔热透湿性能之间的相互关系,对服装产品的舒适设计有指导意义。     

服装局部热阻与总热阻的动静态关系及其模型

为研究人体在静止站立和行走时服装局部热阻之间的比例关系,以及真人测试和假人测试服装总热阻之间的关系,利用热流计法对人体设定的10个部位测定热流密度,计算得到服装局部的热阻,通过面积系数计算得到站立和和行走状态的服装总热阻,然后对不同测试条件下各部位服装的动静态热阻进行线性拟合,得到拟合斜率,并探讨 了不同状态对服装热阻的影响。结果显示：动态热阻明显低于静态热阻,10个部位动静态模拟斜率依次为：0.72,0.75,0.87,0.74,0.75,0.83,0.82,0.95,0.61,0.64;斜率小于或等于0.76的部位受运动的影响显著。最后得到真人测试的静态热阻和动态热阻,真人和假人测试得到的静态热阻以及动态热阻之间的数字模型。     

通风服装对人体热舒适的影响

为研究高温环境中降温服装对人体热舒适的影响,通过出汗暖体假人实验和真人着装实验分别研究了通风服的热湿性能以及对人体热舒适的影响。研究发现：当通风量为0.012 m3/s 时,通风系统的引进使服装的湿阻减小58%。男性受试者穿着通风服在25℃、相对湿度50%的环境条件下运动,其局部皮肤温度、平均皮肤温度均比风扇未打开时低;其中,胸部和腿部皮肤温度降低幅度最为明显;打开与关闭风扇两种实验条件下,受试者的局部皮肤温度以及平均皮肤温度有显著性差异。运动20 min 和休息20 min后,风扇打开时的平均皮肤温度比未打开时分别低2.4、0.9 ℃;研究表明该通风服装可用来作为改善人体热舒适的服装雏形。     

服装动态热阻测定及预测模型的研究进展

为探究风和人体运动对服装动态热阻的影响,基于对人体和环境间热对流的分析,结合实际研究数据,阐明风和人体运动对服装动态热阻存在显著影响。总结了风和人体运动作用下动态热阻的测试方法。动态热阻变化规律的定性分析表明,动态热阻值在风和人体运动作用下呈现下降趋势,且二者对动态热阻的影响程度随着风速和步行速度的增加逐渐下降。分类对正常工作服、冬季防寒服和轻质服装动态热阻具体数值的预测研究进行了概括和总结。研究认为,服装动态热阻预测模型未来的研究重点是动态热阻修正公式的优化和局部动态热阻变化规律2方向。