電加熱高空清潔作業(yè)服研制與性能評價

柯 瑩， 張海棠， 朱曉涵， 王宏付， 王 敏

(1. 江南大學(xué) 設(shè)計學(xué)院， 江蘇 無錫 214122； 2. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051； 4. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051)

隨著越來越多高空建筑物的出現(xiàn)，高空清潔服需求逐漸增大。高空清潔作業(yè)人員在進行清潔作業(yè)時，在距離地面數(shù)十米的高空中往往面臨嚴(yán)重的低溫環(huán)境威脅。低溫不僅降低作業(yè)人員的肢體活動性，還有可能凍傷皮膚、減弱生理機能，從而引發(fā)相關(guān)疾病[1-2]。傳統(tǒng)的保暖方式為增加服裝面料厚度和服裝層數(shù)，以此增大“人體-服裝-環(huán)境”整個系統(tǒng)的熱阻，同時可以減少人體散熱[3-4]。對于高空清潔作業(yè)人員來說，傳統(tǒng)的防寒服裝保暖方式在很大程度上會限制人體活動的靈活度和自由度，降低工作效率，甚至危及作業(yè)者生命安全[5]。在服裝中置入外部加熱裝置即主動式保暖服裝的出現(xiàn)，不僅為人體提供額外的熱量，有效降低服裝的厚度和層數(shù)，同時可以提高活動自由度[6-7]。

主動保暖式服裝的熱源主要包括電加熱、化學(xué)加熱、相變材料加熱、流體加熱和太陽能加熱。電加熱服因其發(fā)熱速度快、散熱均勻性好、效率高等優(yōu)異性能成為學(xué)者們研究的熱點。Wang等[8]研究了風(fēng)速和電熱背心位置對加熱效率及穿著舒適性的影響發(fā)現(xiàn)，電熱背心的加熱效率隨著風(fēng)速的增加而降低，電熱背心在中間層時，加熱效率和舒適性最高。Shin等[9]評估了石墨烯加熱服在背部和腹部加熱對人體的防護效果，結(jié)果顯示在寒冷多風(fēng)的環(huán)境下，對背部加熱比對胸部加熱效果更好。張妍[6]對比了碳纖維發(fā)熱織物和石墨烯發(fā)熱織物的電熱性能發(fā)現(xiàn)，石墨烯發(fā)熱織物升溫速度更快，發(fā)熱均勻度更好。近年來，有關(guān)電發(fā)熱材料的研究已相對成熟，對電加熱服集成化和舒適性的研究更加深入[10]。

隨著電池耐用性、可水洗等技術(shù)問題的突破，電加熱服在運動、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用[11-13]。將電加熱片與高空清潔服結(jié)合有望解決傳統(tǒng)高空清潔服防護性、安全性與舒適性之間的矛盾。本文研制了一款電加熱高空清潔服，并模擬高空低溫作業(yè)環(huán)境，通過人體穿著實驗評價了電加熱高空清潔服的熱舒適性和運動舒適性。

1 服裝樣本與方案設(shè)計

1.1 服裝樣本

1.1.1 服裝款式

電加熱高空清潔服的款式如圖1所示。該服裝為上、下分體式結(jié)構(gòu)，采用斜紋面料(滌綸/棉(65/35))和純棉里料。上衣采用立領(lǐng)設(shè)計，使領(lǐng)部更加貼合頸部，防止洗滌劑濺到皮膚。腋下拼合橫向?qū)挒? cm的彈性針織面料，提高手臂活動自由度。袖口采用松緊束口，增強活動伸縮性，且易于儲存靜止空氣，提高服裝保暖性。腰部增設(shè)1層耐磨面料，并增加4個腰袢，用于固定安全繩位置，防止安全繩滑移，提高安全性。背部設(shè)計6 cm寬的暗褶，增加背部活動量。同時，在后背部肩胛骨位置處將可洗滌石墨烯加熱片縫制在面料和里料之間。石墨烯加熱片實物圖如圖2所示。加熱片尺寸為80 mm×140 mm，厚度為1 mm，額定電壓為5 V，電流為1.8 A，加熱片表面最高溫度為(45 ± 5) ℃。

圖1 電加熱高空清潔服款式圖Fig.1 Style of aloft cleaning suit based on electrical heating. (a) Front; (b) Back

圖2 石墨烯加熱片實物圖Fig.2 Picture of graphene heater

電加熱高空清潔褲的褲腰選擇松緊設(shè)計，便于穿脫和調(diào)節(jié)。褲子斜插袋加設(shè)袋蓋，防止袋內(nèi)物品掉落。膝蓋處增加6 cm對褶量，兩褶間距為7 cm，以增加膝蓋彎曲活動時的自由度，減小彎曲時膝蓋處因壓力和摩擦力造成的阻礙。腳口處采用松緊設(shè)計，便于穿脫和調(diào)節(jié)，同時易于儲存靜止空氣，提高褲子保暖性。

對比服裝選擇市面上普通的高空清潔服，如圖3所示。普通高空清潔服為常見的工裝夾克款式：上衣采用翻領(lǐng)設(shè)計，袖口采用暗扣設(shè)計；褲子為直筒褲，非松緊褲腰、褲腳；在腋下、褲子膝蓋處均無特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 普通高空清潔服Fig.3 Ordinary aloft cleaning suit. (a) Front; (b) Side; (c) Back

1.1.2 服裝規(guī)格

電加熱高空清潔服按照GB/T 1335.1—2008《服裝號型 男子》中的175/92A號型設(shè)計。衣長、胸圍、袖長、上領(lǐng)圍、褲長、臀圍、腰圍分別為72、120、65、50、107、118、80 cm。身高175 cm左右體型為A的男子：胸圍在92 cm左右，基本放松量至少為8 cm，考慮穿著內(nèi)衣的松量為10 cm，以及人體身材胖瘦影響，將胸圍定為120 cm；臀圍為94 cm，臀部基本松量為5 cm，考慮內(nèi)衣的松量為10 cm，以及坐姿狀態(tài)臀圍增加量為4 cm，將臀圍定為118 cm。考慮高空清潔作業(yè)人員上肢的活動強度，袖口移動量較大，將袖長設(shè)計為65 cm。

1.2 實驗方案

1.2.1 實驗對象

選擇6名健康男性，年齡為(23.5 ± 0.6) 歲，身高為(175.5 ± 1.5) cm，體重為(65 ± 1) kg，身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為(21.1 ± 0.1) kg/m2。實驗前告知受試者實驗方案及目的，受試者在實驗前24 h內(nèi)不能飲酒、喝咖啡等刺激性飲料；實驗前3 h內(nèi)不能過勞或運動；實驗前1 h內(nèi)不能吃飯或抽煙；每次實驗穿相同的鞋襪。

1.2.2 實驗環(huán)境

實驗在人工氣候環(huán)境倉(300 cm × 400 cm × 300 cm)進行，環(huán)境溫度為(5 ± 0.5) ℃，相對濕度為(60 ± 5)%，風(fēng)速小于0.2 m/s。

將計算結(jié)果(U1,M1,V1)發(fā)送給用戶，用來驗證傳感器的身份。用戶在手機端的計算如公式（6）—（7）：

1.2.3 實驗指標(biāo)

1.2.3.1皮膚溫度 皮膚溫度既可反映人體冷熱應(yīng)激程度，又可判斷人體通過服裝與環(huán)境之間進行的熱交換過程。在生理衛(wèi)生學(xué)研究領(lǐng)域大都使用平均皮膚溫度，即不同部位測得的皮膚溫度(T)乘以該部位占體表面積百分比后再相加的結(jié)果[14]。本文中平均皮膚溫度和軀干皮膚溫度計算公式[15-16]如下:

T皮膚=0.06(T前額+T小臂)+0.12(T前胸+

T腹部+T肩胛) +0.08T上臂+0.05T手背+

0.19T大腿+0.13T小腿+0.07T腳背

(1)

T軀干=0.25×(T前胸+T腹部+T肩胛+T后腰)

(2)

1.2.3.2主觀指標(biāo) 主觀評價是指通過人體生理學(xué)實驗或現(xiàn)場穿著實驗，對服裝舒適性進行測定和評價，這種方法可直接反映著裝人體對服裝的真實感受[17]。本文采用熱感比例標(biāo)尺和活動自由度比例標(biāo)尺，如表1所示。

表1 主觀感受評價標(biāo)尺Tab.1 Evaluation vote of perceptual responses

1.2.4 實驗步驟

受試者在正常室溫環(huán)境(溫度為25 ℃，相對濕度為50%)下靜坐30 min，讓心率平穩(wěn)，身體處于舒適狀態(tài)后開始實驗。

受試者穿著實驗服裝(電加熱高空清潔服或普通高空清潔服)，內(nèi)衣穿著純棉秋衣，在身體的11個部位(額頭、前胸、腹部、肩胛、后腰、上臂、小臂、手背、大腿、小腿、腳背)的皮膚表面粘貼DS1922 L iButton溫度傳感器，每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)。

受試者進入人工氣候環(huán)境倉開始實驗。受試者先在環(huán)境倉內(nèi)靜坐8 min，然后依次做8個動作(見圖4)：深蹲整理繩索2 min，爬房檐1 min，側(cè)身拿取工具1 min，正上方清潔2 min，右側(cè)斜向清潔2 min， 左側(cè)反向清潔2 min，水平方向清潔2 min，下方清潔2 min。間隔休息2 min，重復(fù)以上8個動作2遍。 實驗現(xiàn)場圖如圖5所示。

圖4 實驗動作流程圖Fig.4 Flow chart of experience action

圖5 實驗現(xiàn)場圖Fig.5 Picture of experience site. (a) Cleaning inclined top; (b) Cleaning up side

實驗期間每個動作進行時詢問受試者的主觀熱舒適度、活動自由度，并測量腋下、背部和膝蓋部位的尺寸變化。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析方法

利用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析。采用Shapiro-Wild test檢驗數(shù)據(jù)正態(tài)分布。用ANOVA方差檢驗比較不同測試條件下皮膚溫度、主觀評價數(shù)據(jù)的差異。所有數(shù)據(jù)分析的顯著性水平設(shè)定為P<0.05，標(biāo)記為“*”。

2 結(jié)果與討論

2.1 皮膚溫度

2.1.1 平均皮膚溫度

受試者穿著普通高空清潔服和電加熱高空清潔服時的平均皮膚溫度隨時間的變化曲線如圖6所示。其中0～8、22～24、38～40 min為靜坐狀態(tài)，8～22、24～38、40～54 min為清潔狀態(tài)。受試者穿著2款服裝時的平均皮膚溫度均隨著時間的增加而下降，但穿著電加熱高空清潔服時的平均皮膚溫度仍在熱舒適范圍內(nèi)，且最后趨于平緩，說明穿著電加熱服裝時人體與外界環(huán)境之間達到了熱平衡狀態(tài)。而穿著普通清潔服時的皮膚溫度一直在降低，說明此時人體散熱大于產(chǎn)熱。穿著電加熱高空清潔服時，平均皮膚溫度的下降速度更平緩，在24～54 min內(nèi)顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。穿著電加熱高空清潔服時，人體的平均皮膚溫度在54 min內(nèi)下降了1.2 ℃； 而穿著普通高空清潔服時，人體平均皮膚溫度在54 min內(nèi)下降了1.8 ℃，說明電加熱高空清潔服比普通高空清潔服能更好地維持人體溫度。

圖6 平均皮膚溫度Fig.6 Average skin temperatures

2.1.2 軀干皮膚溫度

受試者穿著普通高空清潔服和電加熱高空清潔服時的軀干皮膚溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。在前8 min靜坐階段，受試者穿著2款服裝時的軀干皮膚溫度隨時間增加而下降。開始運動后，軀干溫度下降速度平緩。穿著電加熱高空清潔服時，軀干皮膚溫度基本維持在31.75 ℃左右，在4～54 min內(nèi)顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。

圖7 軀干皮膚溫度Fig.7 Average torso temperatures

2.1.3 局部皮膚溫度

受試者穿著普通高空清潔服和電加熱高空清潔服時，胸部和肩胛骨部位的皮膚溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。受試者穿著2款服裝時，胸部皮膚溫度隨著時間的增加而下降。而穿著電加熱高空清潔服時，肩胛骨部位皮膚溫度隨時間的增加小幅上升，基本維持在33 ℃；穿著普通高空清潔服時，肩胛骨皮膚溫度隨時間的增加而下降。穿著電加熱高空清潔服時，胸部皮膚溫度在4～54 min內(nèi)顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)；肩胛骨皮膚溫度在2～54 min內(nèi)顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。

圖8 局部皮膚溫度Fig.8 Local skin temperatures. (a) Chest skin temperatures; (b) Scapular skin temperatures

2.2 主觀評價

不同運動狀態(tài)下受試者穿著2款高空清潔服時，全身和局部的熱感、活動自由度對比情況如表2所示。結(jié)果顯示，受試者穿著電加熱高空清潔服時，全身、背部和胸部的熱感均顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。背部熱感評分值基本介于“1”和“2”之間，而穿普通高空清潔服時，背部熱感評分值基本在“-1”和“-2”之間。穿著電加熱高空清潔服時腿部和手臂的熱感高于普通清潔服，但二者之間無明顯差異(P> 0.05)。

在各動作狀態(tài)下，受試者穿著電加熱高空清潔服時，全身、臀部和膝蓋部位的活動自由度均顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。背部活動自由度在深蹲整理繩索、正上方清潔、右側(cè)斜向清潔、左側(cè)斜向清潔、水平方向清潔時顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。 手臂活動自由度在爬房檐、正上方清潔、右側(cè)斜向清潔、左側(cè)斜向清潔、水平方向清潔時顯著高于普通高空清潔服(P<0.05)。

實驗過程中各動作狀態(tài)下，受試者穿著2款高空清潔服時，腋下、背部和膝蓋處的褶裥打開量如表3所示。可知：水平方向清潔時腋下面料張開寬度最大，為7.7 cm；深蹲整理繩索時背部和膝蓋部位的暗褶打開量最大，分別為4.5和5.8 cm。

表3 不同動作狀態(tài)下褶裥打開量

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 電加熱高空清潔服的客觀舒適性

受試者穿著電加熱高空清潔服時，平均皮膚溫度、軀干皮膚溫度均高于普通高空清潔服，平均皮膚溫度在24 min后更加顯著，這說明電加熱高空清潔服有效減少了人體熱損失，可更好地維持人體溫度，且隨著時間的增加保暖性能更顯著。開始運動后，穿著電加熱高空清潔服時的軀干溫度基本維持穩(wěn)定在31.5 ～ 32 ℃之間，處于舒適范圍。這與電加熱片的位置有關(guān)，將電加熱片置于后背顯著提高了軀干整體的皮膚溫度。Shin等[9]研究了背部加熱與胸部加熱的熱舒適性對比，結(jié)果表明在有風(fēng)、低溫環(huán)境下，對上背部進行加熱優(yōu)于對胸部加熱，因為在有風(fēng)的環(huán)境下，背部皮膚溫度比胸部皮膚溫度更易下降。穿著電加熱高空清潔服時，肩胛骨部位皮膚溫度小幅上升，最高溫度為33.3 ℃，說明加熱片未對接觸皮膚部位產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象。

2.3.2 電加熱高空清潔服的主觀舒適性

在各動作狀態(tài)下，受試者穿著電加熱高空清潔服時，全身、背部和胸部的熱感均顯著高于普通高空清潔服，這與皮膚溫度的對比結(jié)果相符。穿著電加熱高空清潔服時背部熱感基本處于稍暖狀態(tài)，這與背部皮膚溫度的對比結(jié)果相符。穿著電加熱高空清潔服時腿部和手臂的熱感也高于普通清潔服，說明在高空清潔服中應(yīng)用電加熱片可提高服裝保暖性，提高人體在冷環(huán)境下的熱感。

活動自由度主觀評價結(jié)果表明，各動作狀態(tài)下，受試者穿著電加熱高空清潔服時，全身和局部的活動自由度均得到顯著提高，且腋下、背部和膝蓋處的褶裥打開量均小于設(shè)計量，驗證了臀部加放量、腋下插片設(shè)計、背部和膝蓋部位的暗褶設(shè)計的合理性。電加熱高空清潔服在局部部位的改良設(shè)計提高了服裝整體的穿著舒適性，同時降低人體的疲勞程度，提高工作效率。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款電加熱高空清潔服，通過人體穿著實驗評價該服裝的熱舒適性和工效性。結(jié)果表明，穿著電加熱高空清潔服可更好地維持人體皮膚溫度，且與普通高空清潔服相比，時間越長，其保暖效果越顯著。將加熱片放置在背部肩胛骨部位，可有效提高軀干皮膚溫度，且不影響人體背部局部的主觀熱舒適性。同時，電加熱高空清潔服在腋下進行插片設(shè)計，后背和膝蓋進行暗褶設(shè)計，臀部加放量設(shè)計，使其具有更高的活動自由度。