加熱型織物系統(tǒng)的熱傳遞性能

張雪原 呂凱敏 戴宏欽 謝丹 夏媛媛

摘要：為優(yōu)化電加熱服的設(shè)計(jì)，建立皮膚、衣下空氣層與加熱型織物的組合體，探索其對加熱型織物系統(tǒng)傳熱性能的具體影響。選用6種不同的織物，并通過在測試板與織物之間放置不同厚度的分隔板來模擬衣下空氣層，分析加熱裝置關(guān)閉與打開時(shí)加熱型織物系統(tǒng)的熱阻和加熱裝置提供給測試板的加熱功率的變化，評價(jià)織物系統(tǒng)的熱量傳遞。結(jié)果表明：不論加熱裝置是否開啟，加熱型織物系統(tǒng)的熱阻都隨空氣層厚度的增大而增加；加熱裝置打開時(shí)織物性能對織物系統(tǒng)熱阻的影響增強(qiáng)；加熱裝置放置位置越靠近皮膚，加熱效率越高。

關(guān)鍵詞：電加熱服裝；熱阻；空氣層厚度；熱流量

中圖分類號：TS941

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）02-0146-06

低溫對人們的工作狀態(tài)和身體健康都有顯著影響，易造成凍傷、四肢靈活度下降等問題，因此需穿著防寒服維持人體熱舒適，其中輕便、恒溫可控的電加熱服被廣泛關(guān)注［1-2］。但目前市面上的電加熱服缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，可能導(dǎo)致皮膚燙傷或保暖不足、造成電池能源的浪費(fèi)，使得電加熱服難以提供長時(shí)間的有效供暖［3］。

目前對于無內(nèi)部加熱源的織物傳熱性能已有一定的研究。Dan等［4-5］建立了單層織物系統(tǒng)熱傳遞的數(shù)學(xué)模型，利用模型分析得出織物厚度與衣下空氣層厚度均對織物系統(tǒng)熱傳遞性能有顯著影響，衣下空氣層自然對流的發(fā)生會導(dǎo)致織物系統(tǒng)熱阻的減小。張昭華等［6］利用出汗熱平板儀測試得出，隨著衣下空氣層厚度的增大，織物系統(tǒng)熱阻增加；與衣下空氣層相比，織物的厚度對織物系統(tǒng)熱阻影響較小。張潔等［7］基于牛頓插值公式擬合紗線方程建立了織物模型，模擬分析三原組織織物結(jié)構(gòu)對熱傳遞性能的影響。由此，在無內(nèi)部加熱源情況下，影響織物系統(tǒng)熱傳遞性能的主要因素有織物性能和衣下空氣層厚度。而對于有內(nèi)部加熱源的織物傳熱性能研究較少。Park等［8］通過暖體假人實(shí)驗(yàn)得出，在人體皮膚旁提供電加熱對于減少人體熱損失是最有效的，但該研究缺少空氣層厚度對服裝傳熱性能影響的定量分析。范敏等［9］通過分析模型得出電加熱服越靠近人體皮膚，起到的保暖效果越好。陳楊等［10］利用有限元模型分析得出隨著織物熱阻或空氣層厚度增加，沿織物平面和厚度方向的熱量傳遞都有增大。通過文獻(xiàn)梳理發(fā)現(xiàn)，目前對于有內(nèi)部加熱源的織物傳熱性能缺乏系統(tǒng)性研究與定量分析。

其他學(xué)者已系統(tǒng)地研究織物性能與衣下空氣層厚度對織物系統(tǒng)傳熱性能的影響規(guī)律，而本文重點(diǎn)探究在引入內(nèi)部加熱源情況下，不同織物性能以及空氣層厚度對織物系統(tǒng)熱傳遞性能的影響，通過建立加熱型織物系統(tǒng)，利用出汗熱平板儀模擬人體-電加熱服-環(huán)境之間的穩(wěn)態(tài)傳熱，定量分析加熱裝置關(guān)閉與打開時(shí)加熱型織物系統(tǒng)熱阻和加熱裝置提供給測試板的加熱功率的變化特征，探究織物性能和空氣層厚度對加熱型織物系統(tǒng)熱傳遞的影響規(guī)律。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)織物

以基層織物、空氣層、粘附有加熱裝置的織物建立加熱型織物系統(tǒng)，系統(tǒng)截面圖如圖1所示。選取6種低溫環(huán)境下防寒服常用織物，其織物具有不同的厚度與透氣率，以探究織物不同性能對加熱型織物系統(tǒng)隔熱性能的影響，織物基本性能如表1所示。首先將織物裁剪成50 cm×50 cm的樣品，每塊樣品各取3塊試樣，把裁剪好的樣片熨平。將六種材料在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下平衡24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用加熱裝置為市面上所購的碳納米管加熱薄膜，大小為30 cm×18 cm，加熱面積為530 cm2。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，將加熱薄膜利用醫(yī)用膠帶固定在織物反面中央。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1ISGHP熱阻濕阻檢測儀

測試采用美國西北測試科技公司的ISGHP熱阻濕阻檢測儀（出汗平板儀）。該儀器由熱護(hù)環(huán)、熱護(hù)底板、熱量測定裝置、溫度控制器、定量供水裝置和測試板構(gòu)成。在環(huán)境箱內(nèi)部可以模擬不同的外界環(huán)境溫濕度及環(huán)境風(fēng)速［11］。

1.2.2衣下間隔板

為模擬不同厚度的衣下空氣層，自制衣下分隔板，如圖2所示。為了防止織物由于自重而下垂，在分隔板上利用尼龍紗線制成網(wǎng)格狀，保證衣下空氣層厚度的準(zhǔn)確，分隔板的高度分別為0、3、6、9、12 mm和15 mm。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

本文實(shí)驗(yàn)利用出汗熱平板儀模擬人體皮膚環(huán)境，按照GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定（蒸發(fā)熱板法）》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試［12］。氣候艙內(nèi)的溫度控制在（20±0.5）℃，相對濕度（65±4）%，風(fēng)速為（1±0.1）m/s，測試板的溫度控制在（35±0.2）℃。緊貼測試板之上放置針織棉布作為基布模擬人體貼身穿著服裝，平鋪后在上方放置分隔板，再將粘附有加熱薄膜的織物平鋪在分隔板上。對6種加熱型織物系統(tǒng)分別進(jìn)行加熱裝置關(guān)閉與打開（加熱裝置設(shè)定溫度為48℃）兩種模式下的測試，每種織物在兩種加熱模式下均進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次實(shí)驗(yàn)的平均值。

1.4評價(jià)指標(biāo)

1.4.1熱阻

熱阻計(jì)算如式（1）所示：

Rct=（Tm-Ta）A/0.155H-Rct0（1）

式中：Rct是織物有效熱阻，clo；Tm是測試板溫度，℃；Ta是環(huán)境溫度，℃；H是提供給測試板的加熱功率，W；A是測試板的面積，m2；Rct0是為熱阻Rct的測定確定的儀器常數(shù)，clo。

1.4.2加熱裝置提供給測試板的加熱功率

加熱型織物系統(tǒng)加熱裝置提供給測試板的加熱功率計(jì)算如式（2）所示：

Q=Q0-Q1（2）

式中：Q是加熱型織物系統(tǒng)加熱裝置提供給測試板的加熱功率，W；Q0是加熱型織物系統(tǒng)加熱裝置關(guān)閉時(shí)儀器提供給測試板的加熱功率，W；Q1是加熱型織物系統(tǒng)加熱裝置打開時(shí)儀器提供給測試板的加熱功率，W。

2結(jié)果與分析

2.1未加熱時(shí)系統(tǒng)熱傳遞分析

當(dāng)衣下空氣層厚度從0 mm增加到15 mm時(shí)，加熱裝置關(guān)閉時(shí)各織物系統(tǒng)熱阻變化如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著空氣層厚度的增大，6種加熱型織物系統(tǒng)的熱阻顯著增加，這是由于衣下空氣層保留的靜止空氣具有較好的隔熱效果?？椢锵到y(tǒng)熱阻增長速度隨著空氣層厚度的增加而下降，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致。而在本文研究中，從0 mm增加到15 mm的空氣層厚度對織物系統(tǒng)熱阻的影響并未出現(xiàn)拐點(diǎn)。以6#織物系統(tǒng)為例，當(dāng)空氣層厚度從0 mm增加到3 mm，熱阻增長幅度為131%，但從12 mm增加到15 mm時(shí)，增長幅度僅為4.7%，說明15 mm已接近該織物系統(tǒng)熱阻出現(xiàn)極大值時(shí)對應(yīng)的最佳空氣層厚度。采用回歸分析法建立織物系統(tǒng)熱阻與衣下空氣層厚度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示，織物系統(tǒng)熱阻與衣下空氣層厚度之間有顯著的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2=0.86，回歸方程如式（3）所示：

y=0.05x+0.38（3）

式中：y為織物系統(tǒng)熱阻，clo；x（x≤15）為衣下空氣層厚度，mm。

衣下空氣層厚度為0 mm時(shí)，6種織物系統(tǒng)熱阻值標(biāo)準(zhǔn)差是0.121，而在空氣層厚度為15 mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差減少到0.074，反映了隨著空氣層厚度增加，加熱型織物系統(tǒng)的織物性能對熱阻的影響減弱。此外，隨著空氣層厚度增大，不同透氣性能的織物系統(tǒng)熱阻增長幅度不同。以成分相同、厚度相近的3#和4#織物系統(tǒng)為例，在空氣層厚度從12 mm增加到15 mm時(shí)，透氣率較大的3#織物系統(tǒng)熱阻增長幅度為3.4%，而透氣率較小的4#織物系統(tǒng)熱阻增長幅度為8.8%，說明透氣性能差的織物系統(tǒng)最佳空氣層厚度更大。從以上分析可看出，衣下空氣層厚度對織物系統(tǒng)熱阻的影響大于織物性能的影響，在實(shí)際穿著無加熱源服裝時(shí)，適當(dāng)增大服裝寬松量對服裝整體保暖效果有重要作用。

2.2加熱時(shí)系統(tǒng)熱傳遞分析

當(dāng)衣下空氣層厚度從0 mm增加到15 mm時(shí)，加熱型織物系統(tǒng)加熱裝置關(guān)閉與打開時(shí)的熱阻變化如圖5所示。

當(dāng)加熱裝置打開后，6種加熱型織物系統(tǒng)熱阻值均比不加熱時(shí)大，且隨著空氣層厚度增大有不同程度的增加。這說明在設(shè)計(jì)電加熱服時(shí)，相對較寬松的服裝寬松量有利于服裝保溫。衣下空氣層厚度為0 mm時(shí)，6種織物系統(tǒng)熱阻標(biāo)準(zhǔn)差是0.476，而在空氣層厚度為15 mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差增加到0.678，說明隨著空氣層厚度的增加，織物性能對加熱型織物系統(tǒng)熱阻的影響增大。

當(dāng)空氣層厚度為0 mm，6種加熱型織物系統(tǒng)加熱后比加熱前熱阻的增長幅度基本保持一致，維持在（75±5）%。隨著空氣層的加入，加熱后熱阻的增加幅度逐漸下降。加熱型織物系統(tǒng)中織物隔熱性能越好，加熱后熱阻的增加幅度越大。以1#織物為例，當(dāng)空氣層厚度0 mm增長到15 mm時(shí)，其加熱后熱阻的增加率分別為76%和69%；6#織物的空氣層厚度從0 mm增長到15 mm時(shí)，其加熱后熱阻的增加率分別為78%和45%。這是由于隔熱性能較差的織物與人體之間的距離增大，有更多的能量散失到環(huán)境中，提供給人體的熱量變少，導(dǎo)致保暖效果的減弱。

2.3加熱時(shí)，加熱型織物系統(tǒng)有效加熱功率分析

當(dāng)空氣層厚度從0 mm增加到15 mm時(shí)，加熱型織物系統(tǒng)中加熱裝置提供給測試板的有效加熱功率如圖6所示。

當(dāng)空氣層厚度為0 mm時(shí)，6種加熱型織物系統(tǒng)提供給測試板的加熱功率隨著織物熱阻的減小而增大，但當(dāng)有空氣層加入時(shí)，加熱功率隨著織物熱阻的減小而減小，這是因?yàn)楫?dāng)空氣層厚度為0 mm時(shí)，加熱裝置緊貼測試板，因此維持熱平衡所需的能量隨著織物熱阻的減少而增大。隨著空氣層厚度的增加，加熱裝置和測試板的距離增大，隔熱性能較差的加熱型織物系統(tǒng)的熱量有更多地散失到環(huán)境中，傳遞給測試板的加熱功率減少，這也就導(dǎo)致加熱型織物系統(tǒng)提供給測試板的加熱功率隨著熱阻的減小而減小。因此加熱裝置應(yīng)放置在靠近身體的服裝層，且需根據(jù)服裝結(jié)構(gòu)選取合適的服裝面料。

3結(jié)論

本文基于出汗熱平板儀測試原理，通過在測試板與織物之間添加分隔板，模擬人體皮膚-加熱型織物系統(tǒng)-環(huán)境之間的熱傳遞過程，實(shí)現(xiàn)了定量測量與分析織物性能和衣下空氣層對加熱型織物系統(tǒng)的熱阻和加熱效率的影響。結(jié)論如下：

a）加熱裝置開閉狀態(tài)不同時(shí)，織物性能對于加熱型織物系統(tǒng)熱阻的影響不同。加熱裝置關(guān)閉時(shí)，衣下空氣層的加入減輕了織物性能對織物系統(tǒng)熱阻的影響；而加熱裝置打開時(shí)，衣下空氣層的加入增強(qiáng)了織物性能對織物系統(tǒng)熱阻的影響。

b）加熱裝置開閉狀態(tài)不同時(shí)，加熱型織物系統(tǒng)的熱阻都隨著空氣層厚度的增加而增大；但加熱裝置的加熱效率隨著空氣層的增大而減小，因此加熱裝置應(yīng)放置在靠近人體皮膚的位置。

本文的實(shí)驗(yàn)所模擬的衣下空氣層是一個(gè)封閉的水平空間，這可能會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。未來的研究建議針對實(shí)際服裝，采用出汗暖體假人，改變環(huán)境條件，進(jìn)一步探討人體實(shí)際著裝條件下，服裝面料性能和服裝寬松度對電加熱服加熱效果的影響，提高電加熱服的智能化設(shè)計(jì)。

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Heat transfer performance of heated fabric system

ZHANG Xueyuan1a， L Kaimin2， DAI Hongqin1a，1b， XIE Dan1a， XIA Yuanyuan1a

（1a.College of Textile and Clothing Engineering; 1b. National Engineering Laboratory for Modern Silk， Soochow University， Suzhou 215123， China;

2.Shenjian Group （Zhejiang） Quality Technology Service Co.， Ltd.， Shaoxing 312366， China）

Abstract： In low temperature environment， it is necessary to wear cold protective clothing to maintain thermal comfort of human body， so lightweight and thermostatically controlled electric heating clothing is widely concerned. The electric heating clothes on the market lack strict design ideas， which may lead to skin burns or lack of warmth， resulting in waste of battery energy， and making it difficult for the electric heating clothes to heat effectively for a long time. Through literature review， it is found that the research on heat transfer performance of the fabric system without internal heat source is relatively perfect， and the main influencing factors are fabric properties and undergarment air layer; for electric heating clothing with internal heat source， there is a lack of systematic research and quantitative analysis on the influence of fabric properties and air layer on the heat transfer performance of electric heating clothing.

In order to optimize the design of electric heating clothing， the influence of fabric properties and air layer on the heat transfer performance of the fabric system was studied. Six kinds of fabrics commonly used for cold protective clothing in low temperature environment were selected， and there were differences in terms of thickness， thermal resistance and air permeability. The combination of skin， air layer and heated fabric was established， and the air layer was simulated by placing spacer between the test panel and the fabric. The thicknesses of the six kinds of air layers were 0， 3， 6， 9， 12 and 15 mm， respectively. The thermal resistance of the heated fabric system and the change of the heating power provided by the heating device to the test plate were tested and analyzed when the heating device was turned off and on using the thermal plate and the climate chamber， and the heat transfer of the fabric system was evaluated. We systematically studied the specific effects of different fabric properties and air layer thicknesses on the heat transfer performance of the fabric system when introducing the internal heating source. It is found that the thermal resistance of the fabric system increases with the increase of air layer when the heating device is turned off or on; when the heating device is turned on， the influence of fabric properties on the thermal resistance of the fabric system increases with the addition of the air layer; the heating efficiency of the heating device decreases with the increase of air layer， so the heating device should be placed close to the skin.

The research results of the influence of fabric properties and air layer on the heat transfer performance of the fabric system can provide a reference for the fabric selection and clothing structure design of electric heating clothing. In the future research， it is suggested to adopt sweating thermal manikin for electric heating clothing and change the environmental conditions， further explore the influence of clothing fabric properties and clothing looseness on the thermal comfort of electric heating clothing under the actual wearing conditions of human body， and improve the intelligent design of electric heating clothing.

Keywords： electric heating clothing; thermal resistance; air layer thickness; heat flux

收稿日期：20220429

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20220914

作者簡介：張雪原（1997—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事防護(hù)服熱舒適性評價(jià)方面的研究。

通信作者：戴宏欽，E-mail： daihongqin@suda.edu.cn