從服裝保暖談電加熱服的發展

范 敏，趙勝男，羅汝楠，張 輝

(北京服裝學院，北京 100029)

從服裝保暖談電加熱服的發展

范 敏，趙勝男，羅汝楠，張 輝*

(北京服裝學院，北京 100029)

從發熱元件、供熱區域、電源系統、性能評價及現今存在的不足等方面對電加熱服的發展進行介紹，分析了電加熱服的必要性及其智能化發展的趨勢。

服裝保暖性；電加熱服；性能評價；智能化發展

眾所周知，服裝保暖的目的主要是防止人體熱量散失，保證人體能在寒冷的環境條件下正常生活或工作，使人體免于寒冷傷害。現在，人們對服裝保暖的理解逐漸發生了改變，除基本的要求外又提出了更高要求，不僅要滿足遮風避雨、遮羞等基本的生理需求，而且還要滿足對美、舒適及回歸自然等多種心理的需求，從而賦予了保暖新的含義，即從過去的單一保暖向輕柔、健康、舒適、美觀等方向發展。

1 保暖服的發展及電加熱服的提出

服裝作為人類的第二肌膚，其首要功能就是御寒保暖。隨著科技的發展，服裝的御寒保暖方式也在不斷地變化發展，因此出現了各種類型的保暖服。

目前，國內外出現的防寒保暖服，根據熱源的控制，基本上分為兩類。一類是消極產熱式保暖服，即被動產熱式，通過增加靜止空氣的含量來達到阻熱保暖的目的，這也是比較傳統的形式，包括各種蓄熱保暖服、遠紅外保暖服及當前風行的各式保暖內衣等，都屬于這種形式。另一類是積極產熱式保暖服，即主動產熱式，通過外加能源，將其轉變為熱能，實現輔助人體加熱的目的。這種形式保暖服的研制非常有意義，因為人體自身的產熱量總歸是有限的，當外界溫度下降到一定程度后，單靠人體的肌肉血管收縮來調節已達不到要求，特別是由于受場地和時間限制不能及時進食補充能量，導致自身產熱量減少的情況下，自身帶熱源的積極產熱服的出現就顯得尤為重要了[1-2]。同時，人們對服裝保暖要求也在改變，總是希望穿著舒適而美觀的衣服，即使是在嚴寒的冬季也不會變臃腫，且始終輕便美麗，所以研制積極產熱服就顯得非常有必要。

積極產熱式服裝根據所帶熱源種類可分為3種：電熱服、化學熱服和太陽能熱服[3]。電熱服是國內外研制最多且最常見的一種，它是以電為能源，將電能轉化為熱能的保暖服。

2 電加熱服的發展

電加熱服是將電源、控溫裝置、安全保護裝置、發熱元件等通過導線連接組成電路，利用電源控制服裝內部的電熱元件產生熱量的一類服裝的總稱。

目前，電加熱服是國內外研究最多且技術比較成熟的一種加熱服，市場上品牌也比較多，如Grebing、Tour、Masret、BMW、H-D等，產品有電熱夾克、背心、褲子、鞋、襪、手套等，可以為士兵、工人、戶外運動員等需求者提供幫助，確保在人體熱舒適的狀態下更好地工作或鍛煉，避免凍傷事件的發生[4-5]。

早在20世紀40年代，Marickt就開發了一款幾乎覆蓋全部身體的電加熱服裝，這件服裝的大部分都含有電加熱墊，電加熱墊被包含在面料和里料之間以防止加熱元件被損壞。進入21世紀后，許多專家學者不斷研究，取得了一定的成果。2009年，Ozan Kayacan等[6]設計出一件帶有溫度控制系統的電加熱服裝，具體為通過一定方式將導電紗線織入針織物中，制成加熱板并接連電路，由鎳金屬氫化物和鋰離子電池作為電源提供能量，組成一個加熱保暖系統。電路系統由一個用戶界面來控制。整個系統被分為測試系統、加熱系統、能量源和用戶界面四個子系統。最終制成的加熱織物連同電路系統被安裝在服裝中。2010年，操民[7]設計了一種智能電子加熱服裝，該服裝由聚酯加熱膜和電子盒構成，通過在衣物的布料內層設置聚酯加熱膜，并使加熱膜與電池通過線路連接來加熱聚酯加熱膜，以實現對人體供暖的要求。同年，葉影[8]也設計出了一款電加熱服裝，她所開發的電加熱服裝主體內設有發熱層，發熱層面料上帶有發熱元件，使想要加熱部位的加熱元件的密度高于其他區域加熱元件的密度，當通電加熱時，發熱層就能通過發電產生的熱量補充維持體溫所需的熱量，而加熱元件密度較高的區域能夠產生集中的熱量，有效補充人體容易受寒的關節或某些器官部位所需要的熱量。

目前，美國的電加熱服已經向智能化發展，不僅僅是一件加熱服裝，還增加了許多其他功能，如美國Malden Mills公司開發的智能加熱服，不但具有加熱保暖功能，還具有數據傳輸和通訊功能。The North Face公司研發的智能服裝，除具有智能控溫能力外，還具有檢測人體心律和體溫的功能，使穿用者一直處于舒適狀態。Wang等[9]用暖體假人評估了電加熱馬甲的性能，發現不同冷環境下采用不同的加熱功率可使人體微環境內的溫度保持在相對舒適的范圍內。此外，Wang等[10]發現加熱馬甲的加熱效率隨著風速的增加而下降。國內學者在加熱服裝方面的研究則較少，多集中在服裝研制開發等方面。如唐世君等[4]采用電加熱原理研制出一種可遙控操作電熱服，通過智能遙控電池控制電熱元件并調節發熱功率。賴丹丹等[11]利用暖體假人研究了冷環境下化學加熱和電加熱服裝的舒適性參數，并研究了兩種不同風速對各個參數的影響，但并沒有研究人體、環境與服裝三者之間的熱平衡關系。

2.1 電加熱服發熱元件

發熱元件是電加熱服最重要的結構之一，其品質和性能是發熱服裝走向產業化的關鍵。發熱元件通常布置在前胸、腹部、后背、腰、關節(肩關節、膝關節)等部位。常用的發熱材料主要有3類：金屬發熱材料、電熱膜和碳纖維發熱材料。金屬發熱材料質地較硬、不易彎曲，與人體貼合度差，所以應用較少。電熱膜雖然容易加工，且成本較低，但透氣性差且易氧化，一般常應用于發熱地板等領域。目前，應用比較普遍的是碳纖維發熱材料，一般碳纖維發熱元件包括4層結構：防護層、隔熱層、加熱層和基層。碳纖維發熱元件靈活、質輕、耐用、可洗且具有較好的電能轉換效率，可以很方便地嵌入服裝中使用[12]。

碳纖維發熱元件具有良好的電阻值穩定性、發熱溫度均勻性、安全性與舒適性等。

2.1.1 電阻值穩定性

無論選用何種材料作發熱體，發熱元件的電阻值穩定性要好，即發熱元件在電熱服整個使用過程中都能保持同一阻值，提供恒定的發熱功率。在實際生產過程中，由于選用原材料和生產工藝等諸多因素常使阻值發生變化，發熱元件不僅與普通發熱體一樣，要經受冷-熱-冷-熱循環熱疲勞性能的考驗，而且還要承受服裝使用中的拉、折、壓等負荷作用下變形的考驗，并經受服裝使用中溫濕度變化(如汗水、雨水)的浸蝕考驗。因此在發熱元件(特別是柔性發熱元件)設計中，要充分考慮影響阻值的各種因素，確保其發熱性能的穩定。

2.1.2 發熱溫度均勻性

發熱元件發熱溫度的均勻性指的是發熱面積內各點發熱溫度是否一致。如出現嚴重差異，就可能出現發熱元件局部燒穿，甚至形成事故，非常危險。面發熱體比線發熱體更易出現此現象，涂層的均勻性、織物和紙厚薄的均勻性、紗支粗細的均勻性、碳化程度的均勻性都對發熱溫度的均勻性有所影響，而引出電極與發熱體之間的連接處往往是事故的高發地帶。

2.1.3 安全性與舒適性

盡管發熱服電源一般都在12 V以下，電器安全性較高，但局部高溫燒損情況仍可能出現。因此在發熱服裝設計中必須充分考慮其對發熱元件材料的阻燃要求。此外，若發熱元件的硬度較高，則服裝的穿著舒適性會受到影響，故提高發熱元件和電熱服的舒適性對于發熱服裝的產業化也非常重要[13]。

2.2 電加熱服供熱區域

發熱元件的布置位置即是供熱區域，目前市面上存在的電加熱服供熱區域是局部的,合理性有待進一步討論。圖1和圖2為市場上常見電加熱服供熱區域情況及發熱載體的示意圖。

2.3 電加熱服發熱電源

電加熱服是用直流或脈沖電流通過發熱體產生熱量的。為了達到預先設想的效果，對服裝人體加熱部位、加熱面積、加熱功率(溫度)等都要預先進行設計。確定加熱面積、加熱溫度后即可設計加熱服裝的電源功率，并為其配備相應的電池。加熱服裝用的電池性能應滿足：(1)放電性能應滿足電熱服要求的低電壓、大電流的要求，當前多選用3～12 V電壓，電流多在1～5 A之間；(2)應有足夠的容量保證電熱服能連續發熱2 h以上；(3)體積小，重量輕，便于攜帶；(4)壽命長，能反復充電百次以上；(5)價格低，能為用戶接受[13]。

圖1 發熱區域分布

圖2 發熱載體

在眾多電池品種中鋰電池占有絕對優勢，目前國產鋰電池已基本能滿足加熱服裝的應用要求。現在市場上滿足要求的電源電壓有7.4、5 V等幾種規格的，電壓都比較小，使用到衣服中不會危及人體，可以安全使用。

電加熱服電源通常采用兩種方式：外接電源和電池組。第一種方式通過電源插頭持續不斷為服裝供電，這種方式簡單、容易實現，特別適用于室內有電源插座的場所使用。但第一種方式會限制人體運動，且經常發生電線纏繞現象。對于戶外場所或運動者需要大幅度運動的場合，第二種方式更適用。但對于電池供電服裝，電池耐用性是一個需要攻克的難點，一般的電加熱服在高溫檔位上只能維持2～4 h供電[12]。

現在市場上的電源可以實現分檔位控制，分為3檔，分別是紅色高溫檔，發熱3～4 h，發熱溫度65～70 ℃；藍色中溫檔，發熱5～6 h，發熱溫度55～60 ℃；綠色低溫檔，發熱8～9 h，發熱溫度40～45 ℃。

目前鋰電池在應用中也存在一些問題，如電池的壽命問題，電池容量與重量間的矛盾問題等。電池壽命問題是鋰電池國產化中的一個共同問題，在手機、電腦、數碼照相機的電池中都存在。國產電池反復充電次數比進口電池低，且放電性能衰減很快。對一般鋰電池來說，容量愈大，電池重量愈重。因此作為電熱服電源設計就要在容量與重量之間找到一個平衡點，使兩者都能兼顧。

2.4 電加熱服性能評價

電加熱服的性能評價通常包括兩種：熱防護性評價和熱舒適性評價。其中熱防護評價主要包括織物的電熱性能測試和服裝的熱防護性能測試。常用的測試手段有暖體假人測試和人體著裝實驗測試。

2.4.1 熱防護性能評價

(1)織物電熱性能測試

目前，電加熱服織物的電熱性能測試還沒有統一的方法和標準。陳莉等[14]測試了可加熱緯編針織物的電熱性能，主要測試了紗線的最大負載電流、織物的熱穩定性、織物的電熱升溫特性和表面溫度均勻性等。張猛等[15]研究了以碳纖維為基質材料的發熱織物的電熱性能，通過觀察發熱織物的電阻、溫度和發熱時間等進行電熱性能變化研究。

(2)服裝熱防護性能測試

電加熱服熱防護性評價主要采用暖體假人測試法和人體著裝生理實驗測試法。暖體假人測試法效率高、穩定且安全，通過記錄暖體假人加熱功率和電加熱服電池能量消耗，計算電加熱服的加熱效率。Wang等[10]通過暖體假人測試，探究了風速和服裝組合對電加熱服加熱效率的影響，并利用紅外熱像儀觀測電加熱服內外表面溫度。同樣也利用暖體假人探究了不同的環境溫度(0 ℃和-10 ℃)條件下電加熱服的加熱效率。

除了暖體假人測試手段，電加熱服性能評價還可使用人體著裝生理實驗的方法。通過生理實驗可以有效監測著裝者皮膚溫度、體核溫度、衣內微氣候的溫度和濕度、血液流速、身體含熱量變化等生理指標及主觀感受。

2.4.2 服裝熱舒適性評價

電加熱服的熱舒適性評價通常和熱防護評價同時進行，測試手段也基本一致。Wang等[9]研究了寒冷條件下，電加熱背心(軀干加熱)對血管舒張反應和舒適感的影響。證實了穿著電加熱服可以增加手指和腳趾溫度、平均皮膚溫度和手指血流速率，進而提高服用者的舒適性。Song等[16]采用人體著裝生理實驗法，研究了寒冷的室內環境下電加熱服對提高人體舒適性的影響。結果表明：電加熱服可以增加平均皮膚溫度，穿著電加熱服可以增強服用者的熱舒適感。

3 電加熱服存在的不足

盡管市場上電加熱服裝的品牌已經有很多了，但是現有的電加熱服裝仍存在諸多不足[4]。(1)款式單一,服裝專業知識體現太少,對人體運動學、生理學等因素考慮不足；(2)控溫電路設計不完善，尚不能隨環境溫度變化而自動調整加熱量,需要手動控制；(3)因為現今市場上電源的生產局限，持續時間短，在特別寒冷的情況下加熱功率不足；(4)調溫檔位的設計合理性有待進一步考證。

此外，在服裝工效學方面，電加熱服裝也還存在著一些需要考慮的問題：

(1)穿著加熱服裝的人體，處于一個有強化熱源的微環境中，人體為達到最適溫度，其自身產熱和強化熱源熱量需要與外界環境形成熱平衡，這就要求加熱服裝能根據外界環境溫度的變化適時調整加熱功率。而判斷人體最適溫度以及調整加熱功率均比較復雜，因為不同人群對熱舒適性的評價體系并不一致，許多因素如性別、年齡、身高、體重、健康狀況，以及活動強度等均會對熱舒適性的各項參數產生影響。解決這一問題需要通過不斷實驗，得到人體各項生理參數，從而總結出一套標準的評價體系。

(2)人體排汗同產熱一樣，是隨時進行的，在電加熱服裝的微環境中，由于熱源的存在，且加熱部位分布不均，人體的被動排汗量增加，汗液的蒸發需要吸收汽化熱，從而造成熱量損失。如果電加熱服裝為保證散熱損失小而選用氣密性好的材料，則不利于蒸發汗液的排出，使人體處于濕熱的環境，降低舒適性，甚至引發疾病。同時，隨著微環境濕度的增加，空氣熱阻降低使傳熱增強，反而加速了熱量散失；但如果選用通透性好的材料，則不僅會因損失熱量而降低可加熱服裝的保暖特性，還會因出汗過多而使皮膚表面干燥。這就需要我們尋找合適的材料，既保證可加熱服裝的保暖特性，又能為人體提供舒適的濕度環境，必要時甚至可以在加熱服裝中引入濕度調控裝置。

(3)在人體汗液中，除了水之外，還有許多鹽類成分，而殘留在電加熱服裝中的汗液會腐蝕導線，甚至可能造成電路破壞或短路。如何減少汗液殘留、排出鹽分，以及避免汗液對導線、電路造成腐蝕破壞，都是電加熱服裝未來需要解決的問題。

(4)現有的電加熱服裝均只能對人體敏感部位進行局部加熱，雖然具有針對性，能減少能耗，卻易造成人體皮膚溫度分布不均，導致血流分布異常，并帶來其他一些生理應激反應[3]。

針對這些問題,可以考慮將服裝專業與相關的工程技術有機地結合在一起，實現優勢互補，抓緊做好簡單安全、壽命長、價格低、環境友好的大容量超微型電池的技術開發。相信隨著上述問題的逐一克服和解決，電加熱服還會有更大的發展空間。

4 結語

隨著人們對服裝保暖要求的改變，保暖方式由開始的被動保暖向主動保暖發展，且發展迅速，而電加熱服作為主動加熱的服裝之一，更是受到人們的關注。縱觀電加熱服的發展，國內外學者對電加熱服的研究已經趨于成熟，通過對電加熱系統各個部分，即發熱元件、供熱區域、電源、控溫裝置等的研究，生產出相對滿意的電加熱系統，且通過科學合理的控溫線路和結合人體的款式造型，以及人體安全電壓和必要的電磁屏蔽保護，制作出寒冷狀態下，滿足人體需要的電加熱服。如今市場上存在的電加熱服有其優點也存在著一些缺點和不足，同時又面臨熱學問題和微系統技術瓶頸，需要對其進行不斷的研究與改進。電加熱服裝作為智能化服裝的一種，是未來服裝發展的趨勢所在，相信隨著納米技術的發展，以及新型材料、紡織加工、微加工、乃至生物領域的技術進步，電加熱服裝的發展前景將更加廣闊。

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2018年《合成技術及應用》征訂啟事

《合成技術及應用》是國家科委批準的，面向合成纖維、塑料等合成材料及其原料的生產、科研與應用領域的專業性期刊，主要報道國內外高分子材料(合成纖維、薄膜、塑料等)及其單體的合成技術及科研進展，新產品、新技術的開發和應用，化纖及相關產業市場動態與發展預測等。《合成技術及應用》創刊于1986年，深受有關從事生產、科研、教學、管理等人員及部門的歡迎，主要設“專家論壇”、“研究論文”、“專題論述”、“應用技術”、“分析測試”、“設備改造”、“國內外消息”、“最新專利”等欄目。

《合成技術及應用》已入編《中國核心期刊(遴選)數據庫》、《中國期刊全文數據庫》、《中國學術期刊(光盤版)》等。

《合成技術及應用》為大16開，季刊，64頁。國內標準連續出版物號為CN32-1414/TQ，國際標準號為ISSN1006-334X，郵發代號：28-182。每期定價6.00元，全年24.00元(含郵費)。讀者可在當地郵局訂閱。

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Discussion on the Development of Electric Heating Clothing from Clothing Warmth

FAN Min, ZHAO Sheng-nan, LUO Ru-nan, ZHANG Hui*

(Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China)

The development of electric heating clothing was introduced from the heating element, heating area, the power supply system, performance evaluation and deficiencies. The necessity of electric heating clothing and intelligent development trend were analyzed.

clothing warmth retention; electric heating clothing; performance evaluation; intelligent development

2017-04-26；

2017-05-08

17312服裝工效及功能創新設計北京市重點實驗室項目(KYTG02170202)

范 敏(1992-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向為服裝舒適性與人體工程。

*通信作者：張 輝(1966-)，男，教授，E-mail:gdcad@126.com。

TS941.7

A

1673-0356(2017)08-0018-05