適用于寒冷環境的可穿戴個性化熱舒適系統研究

李思師，曹彬

1 研究背景

2022年2-3 月，我國舉辦了第24屆冬季奧林匹克運動會和第13屆冬季殘疾人奧林匹克運動會，多項冰雪賽事分別在北京賽區、延慶賽區和張家口賽區開展。賽時期間，承擔大部分雪上項目比賽的張家口賽區最低氣溫達到-19 ℃。

已有研究表明，冷應力對人員存在較大的影響，冷暴露會降低人們的工作效率[1]、導致手部功能顯著退化[2-3]等，更有甚者會出現體溫過低[4-5]、局部凍傷等問題，危害人們的健康與安全。冬奧會雪上項目的觀賽區通常處于寒冷多風的露天場地，且觀眾在觀賽期間長時間保持坐姿或站立狀態。在環境寒冷且人體代謝產熱量較低的情況下，人們僅依靠自身的體溫調節機制和穿著常規服裝，難以實現御寒保暖的目標。長時間的產熱量與散熱量失衡，將導致人體體溫下降，出現難以忍受的冷感，造成觀眾觀賽體驗不佳。

2019年沸雪北京國際雪聯單板及自由式滑雪大跳臺世界杯期間（圖1），筆者團隊曾對首鋼滑雪大跳臺的觀賽人群進行了熱舒適現場調研。結果表明[6]，由于普遍缺乏在室外寒冷環境中的觀賽經驗，觀眾的整體衣著量偏少；觀賽過程中，超過80%的觀眾全身感到明顯的冷不適。為進一步了解人員在低溫環境下的熱反應以及熱需求特征，筆者團隊在氣候艙中開展了相關實驗。研究發現[7]，在-15 ℃的低溫環境中，受試者的熱感覺、熱舒適和熱可接受度等主觀投票結果均快速下降，1h的冷暴露后，受試者的熱可接受率從100%下降至50%；測試受試者的生理指標，發現受試者的皮膚溫度、耳鼓膜溫度以及手指血流量也隨時間持續下降，且1h的冷暴露后，身體各部位的皮膚溫度仍未穩定。由此可見，研究寒冷環境下觀賽人員的熱舒適保障措施十分重要。

圖1 首鋼滑雪大跳臺

目前，室內舒適熱環境的常見營造方式是使用暖通空調設備將人所處空間的物理環境參數（如空氣溫度、平均輻射溫度等）調控至接近熱中性的范圍。而雪上項目觀賽區是開敞的室外環境，無法照搬針對封閉空間的室內熱環境營造手段。此外，觀眾個體之間存在熱舒適需求差異，即便就單一個體而言，身體各部位由于生理結構及承擔的生理功能存在差異， 對應的理想溫度區間也不同[8]。因此，為滿足寒冷環境下觀眾的熱舒適需求，應研究基于個體尺度的熱舒適系統，充分體現便捷性、靈活性，為人體有效補熱、鎖熱，提升觀眾的觀賽體驗。

2 可穿戴個性化熱舒適系統開發

2.1 系統形式選擇

目前，用于取暖的典型個體舒適系統有加熱座椅、加熱墊、暖腳器等，它們主要為提升室內人員的個性化熱舒適而設計，大多需要強電電源。這些系統如果應用于室外寒冷環境，低溫將導致系統熱損失較大，實際使用效果大打折扣。

可穿戴形式的系統則以個體為單位，通過對個體微環境的改善以滿足熱舒適需求，使得系統提供的絕大部分熱量直接作用在人體，減少能量的浪費。相對于穿著更多、更厚服裝的被動保溫方式來說，使用可穿戴的個性化熱舒適系統，可以使人員衣著更為輕便，且系統的溫度調節功能可實現在更寬的冷環境溫度范圍內保障人員的熱舒適。通過比較，筆者團隊決定以可穿戴的個性化熱舒適系統為目標，開發一件具有加熱、鎖熱功能的“衣服”，備選形式包括加熱馬甲和加熱外套。

樸（Park）等[9]曾就電加熱對多層冬季服裝系統有效熱阻的影響進行研究，發現加熱單元越靠近人體表面，其有效熱阻越高，這種提高幅度在較低溫度的環境下更加顯著。加熱服的效果還會受到環境風速的影響，影響程度與加熱層在服裝系統中的相對位置有關。相較于加熱外套，加熱馬甲穿著后靠人體表面更近，在低溫、有風環境下，加熱馬甲產生的有效熱阻增益更明顯，達到相同加熱效果所需的功率更小，從而在有限電容量的條件下，實現更長的使用時間。此外，加熱馬甲還具備輕便性，方便與其他衣服進行搭配。基于以上綜合考慮，將可穿戴個性化熱舒適系統形式確定為加熱馬甲。

2.2 服裝結構與材料性能

加熱馬甲的材料，既要滿足整體重量輕便，又要具備較好的保溫性能，實現大部分熱量向馬甲內側傳遞。馬甲的內外層材料分別使用棉柔內襯和搖粒絨面料，保溫層材料則是從厚度、重量、保溫性能、透氣性、可水洗性等方面綜合篩選，確定使用疊加態材料作為保溫層。對于加熱層材料，從發熱穩定性、發熱功率密度、升溫速率、發熱均勻度以及輸入功率要求等方面對電熱織物進行了測試對比，最終選定石墨烯混紡發熱片作為加熱層材料。該材料的特點包括：（1）厚度薄，（2）升溫速率快，（3）電熱轉化率高，（4）與移動電源的適配性好，（5）具備良好的耐彎折性、耐水洗性。

綜上所述，最終確定加熱馬甲的結構和材料（圖2），由外至內依次為搖粒絨外面料、疊加態保溫層、柔性石墨烯加熱層、棉柔內襯。

圖2 加熱馬甲結構示意

2.3 加熱系統

為傳遞更多熱量到人體所需部位以減少加熱系統的熱損失，應首先確定合理的加熱部位。在服裝加熱面積有限的情況下，加熱部位應該盡可能多地覆蓋人體冷感覺點。基于參考文獻[10]，可以發現冷感覺點在胸、腹、背、手臂等部位的分布相對密集（表1）。

表1 人體各部位的冷感覺點分布統計（單位：個/cm2），引自參考文獻[10]

相關實驗研究[11]也表明，因后背處服裝與皮膚較緊貼，背部加熱對于局部皮膚溫度和熱感覺的提升效果顯著，但較不利于熱量向衣內空氣層傳遞，易出現熱不均勻。故增加后腰作為加熱部位，增強熱量在衣內的傳遞，使加熱效果更加均勻有效，且避免出現局部熱不適。綜合人體各部位熱舒適需求與馬甲的實際形態，選定胸部、腹部、背部、腰部作為加熱部位，制定具體實施方案（圖3）。在馬甲上部署6塊加熱片，分別對應上述4個部位，且每個加熱部位均設置了獨立反饋控溫系統。

圖3 加熱部位分布及系統連接示意圖

2.4 加熱模式

考慮到用戶需求的多樣性，加熱馬甲具備檔位調節加熱、個性化持續加熱以及間歇交替加熱3種加熱模式。

檔位調節加熱模式下，用戶可以通過手動按鍵切換加熱檔位，加熱檔位的設定有低檔、中檔和高檔，對應加熱溫度分別為32 ℃、37 ℃、42 ℃。

個性化持續加熱模式下，基于獨立反饋控溫系統，用戶可個性化調節每個加熱部位的啟停狀態和加熱溫度，加熱系統將根據用戶的設定對加熱部位進行持續性加熱。

筆者團隊通過前期測試發現，基于加熱馬甲合理的結構設計，在停止加熱后，加熱部位的衣內溫度下降緩慢，數分鐘內再次啟動加熱可迅速提升至設定溫度，人員并未感受到加熱部位明顯的溫度變化。為此，筆者團隊開發了間歇交替加熱模式。在個性化持續加熱模式的基礎上，將加熱部位進行合理組合，其中胸部和腰部為加熱分組1，腹部和背部為加熱分組2。兩加熱分組均使用間歇加熱，交替啟動，啟停狀態相反。通過上述控制邏輯，可以在保證單個加熱部位溫度穩定性和加熱馬甲整體加熱效果均勻性的前提下，減少同時運行的加熱部位數，大幅度降低加熱馬甲的運行功率，延長了使用時間。

2.5 人機交互接口

為便于用戶操作，提升使用體驗，筆者團隊設計了手機小程序，作為人機交互接口（圖4）。用戶通過藍牙將手機與可穿戴個性化熱舒適系統連接后，可以使用小程序實現以下功能：（1）個性化調節加熱部位的啟停狀態和加熱溫度；（2）切換加熱馬甲的加熱模式；（3）記錄當前時刻馬甲的加熱參數設定并創建用戶個性化加熱檔案，以便于后續在類似場景中使用時可直接調用已儲存的加熱參數作為設定值。

圖4 小程序用戶使用界面

3 可穿戴個性化熱舒適系統性能驗證

3.1 研究方法

為驗證可穿戴個性化熱舒適系統的使用效果，招募了12名健康男性受試者進行實驗，受試者年齡為20.3±2.1，BMI為21.3±2.3 kg/m2。實驗中，受試者均按照要求統一著裝。在室內環境中，受試者穿著秋衣、毛衣/衛衣、秋褲、外褲、過踝襪子和運動鞋，總服裝熱阻約為1.1 clo（1 clo=0.155m2·K/W）。在室外環境中，受試者用加熱馬甲替代中間層的毛衣/衛衣并增加羽絨服外套，總服裝熱阻約為1.4 clo。實驗期間，室內外環境參數如下表所示（表2）。

表2 實驗環境參數（平均值±標準差）

每名受試者均會參加3次實驗（圖5），每次實驗中受試者首先需要在室內靜坐30min以恢復穩態，隨后更換著裝并轉移至室外靜站或走動。3次實驗在室外環境中的加熱馬甲的運行模式存在差別。第1次實驗，加熱馬甲處于關閉狀態，作為對照組，記作“無加熱工況”；第2次實驗，加熱馬甲處于檔位調節加熱模式，受試者通過手動按鍵對加熱檔位進行調節，記作“檔位調節加熱工況”；第3次實驗，加熱馬甲處于間歇交替加熱模式，受試者可使用手機小程序對各部位的啟停狀態和加熱溫度進行設置，記作“間歇交替加熱工況”。

圖5 實驗流程示意

實驗中對受試者的熱感覺、熱舒適及熱可接受度進行了記錄，其中熱感覺投票（TSV）采用了9點對稱標尺，熱舒適投票（TCV）采用了7點對稱標尺，熱可接受度投票（TAV）采用了4分類投票（圖6）。在室外實驗階段，還使用了高清紅外相機對外衣和馬甲內側表面溫度進行了記錄。

圖6 主觀熱評價問題及對應標尺

3.2 研究結果

3.2.1 紅外測溫

根據紅外相機測溫結果（圖7、表3）。受試者身著加熱馬甲且外衣拉鏈緊合時，外衣胸腹部表面溫度均低于手臂與大腿前側的表面溫度，而如果同時敞開外衣和加熱馬甲，可見加熱部位的內表面溫度顯著高于外衣表面溫度，內外溫差約為20℃，被加熱部位的溫度得到均勻顯著的提高。這樣的結果表明，加熱馬甲所覆蓋的區域向外的熱損失相對其余部位更少，且內側加熱區域的溫度得到顯著提高，體現出良好的加熱、鎖熱效果。

圖7 服裝內外側表面溫度分布情況

表3 表面溫度測量結果（平均值±標準差）

3.2.2 主觀熱評價

在室內經歷了30min的靜坐之后，受試者的TSV和TCV均基本達到穩定（圖8）。當受試者從室內轉換到室外之后，因經歷約22 ℃的溫降，TSV與TCV均出現了不同幅度的下降。其中受試者在無加熱工況下的TSV與TCV下降幅度最大，檔位調節加熱工況次之，間歇交替加熱工況最小。此外，在無加熱工況和檔位調節加熱工況下，TSV和TCV在室外階段持續下降。但在間歇交替加熱工況下，TSV在來到室外3min后便穩定到了熱中性狀態，而TCV也全程大于0，受試者認為舒適。由此可見，加熱馬甲能夠有效緩解環境溫度大幅度降低引起的TSV和TCV的快速惡化，且間歇交替加熱模式的效果最佳。

圖8 受試者主觀熱評價隨時間變化曲線

受試者在室內階段結束時 （30min） 和室外階段結束時 （60min） 的TS V和TCV的對比結果（圖9）顯示，通過重復測量單因素方差分析（RM ANOVA），對比無加熱工況下30min和60min時的TSV和TCV，發現TSV60min顯著低于TSV30min，TCV60min也顯著低于TCV30min，即受試者的TSV和TCV在經歷30min的冷暴露后出現了顯著下降，且落入冷不適區域（TSV＜-1，TCV＜0），說明僅依靠被動保溫難以保障人員身處低溫環境的熱舒適；對比加熱馬甲不同運行模式的TSV60min和TCV60min，發現間歇交替加熱工況的TSV60min均顯著高于另外兩個工況。此外，間歇交替加熱工況的TCV60min也顯著高于不加熱工況，間歇交替加熱工況和檔位調節加熱工況的TCV60min之間并未發現顯著性差異，但間歇交替加熱工況的TCV60min仍高于檔位調節加熱工況的TCV60min。

圖9 不同運行模式受試者室內外主觀熱評價分布情況

當TAV＞0時，受試者認為熱可接受。熱可接受率（TAR）為全部受試者中認為熱可接受的百分比（圖10），受試者在室內經歷了30min的靜坐之后，TAR穩定在80%以上。當受試者從室內轉移至室外之后，大幅度的溫降使得無加熱工況與檔位調節加熱工況下的TAR均出現大幅度的下降，間歇交替加熱工況下受試者的TAR卻出現了小幅度的上升。隨后在室外環境中，3種工況的TAR均呈現出下降趨勢，其中無加熱工況的下降最快，檔位調節加熱工況次之，間歇交替加熱工況下降最為緩慢，且該時間段內間歇交替加熱工況的TAR始終高于另外兩個工況。

圖10 受試者TAR隨時間變化曲線

4 結論

為保障冰雪運動寒冷環境下觀賽人員的熱舒適需求，實現良好的觀賽體驗，本研究設計并開發了一種可穿戴的個性化熱舒適系統。結合系統設計和實驗結果，得到以下結論：

（1）可穿戴個性化熱舒適系統具備便攜、個性化、節能等特點，以個體為單位的作用方式，使其可以有效應對場景變化和個體差異，適用于寒冷多風的觀賽環境，可有效滿足觀眾的熱需求，提升觀賽體驗。

（2）可穿戴個性化熱舒適系統具備良好的加熱和鎖熱效果。在低溫環境中，該系統處于開啟狀態時，其加熱部位比未穿戴該系統的部位對外環境的散熱更少。該系統可有效提升衣內溫度且維持加熱部位內側與外衣溫差約20℃。

（3）可穿戴個性化熱舒適系統可有效提升用戶在低溫環境中的熱舒適，且間歇交替加熱模式的改善效果優于普通的檔位調節加熱模式。低溫環境中，該系統在間歇交替加熱模式下運行時，受試者的TSV可達到熱中性且TCV＞0。

相比于建筑室內舒適熱環境營造方式，可穿戴個性化熱舒適系統以個體或局部為作用單位，可以令人體在偏離熱中性的環境中達到熱舒適狀態，因此能夠廣泛適用于多種場景，特別是為室外極端環境、嚴酷工作環境等條件下的人員提供熱舒適保障。