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人体姿势对电加热服加热效果及着装人体热舒适的影响研究

人体姿势对电加热服加热效果及着装人体热舒适的影响研究

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作者：王富香东华大学

学位级别：硕士

在极端寒冷的环境下,传统的防寒保暖服已难以维持人体的热平衡,电加热服作为主动供热的典型服装,凭借其发热效果好、轻便、结构简单等优势成为作业人员抵御严寒的重要装备。在现有的电加热服研究中,不少学者针对电加热服的加热区域设计... 详细信息

在极端寒冷的环境下,传统的防寒保暖服已难以维持人体的热平衡,电加热服作为主动供热的典型服装,凭借其发热效果好、轻便、结构简单等优势成为作业人员抵御严寒的重要装备。在现有的电加热服研究中,不少学者针对电加热服的加热区域设计及着装人体的热舒适性展开研究,然而其研究对象普遍为标准的站姿状态,未考虑人体姿势变化对加热服着装系统的热传递性能的影响,但姿势变化会显著影响“人体-服装-环境”之间的热交换过程。因此,本文针对姿势变化引起的加热服着装系统的传热差异,选取三种差异较大的典型人体姿势:站姿、坐姿和蹲坐,探究在不同姿势下电加热服的加热效果及着装人体热反应,并提出针对不同人体姿势的加热设计方案。本文主要的研究内容及相关结论如下:(1)通过对人体姿势的解析,明确了姿势变化对服装热传递的关键影响要素:衣下空气层和服装压力。采用三维人体扫描实验、服装压力实验分别获取三种人体姿势下不同着装部位的空气层厚度和服装压力值,并结合聚类分析进行区间划分,为后续的热传递分析提供量化依据。实验结果表明,在三种人体姿势下,平均空气层厚度和体积均为站姿时最大、坐姿时其次、蹲坐时最小。从站姿到坐姿再到蹲坐状态,人体上胸部、小腿中下部的衣下空气层由于人体前倾而逐渐增大;中背部、下背部以及腹部的衣下空气层厚度由于脊柱曲度的变化而逐渐减小;下胸部和上背部均在坐姿状态下的衣下间隙最大;大腿和膝盖部位的空气层则仅存在于站姿状态。人体站姿时,仅上胸部存在约0.5 k Pa的服装压力;坐姿状态下,由于腿部屈膝使得膝盖和小腿上部形成较大服装压力,膝盖部位达2.5 k Pa;人体蹲坐时,后背因服装拉伸产生较小的服装压力;腹部、大腿、膝盖和小腿上部的服装压力均相对于站姿和坐姿状态明显增大,其中膝盖部位达6 k Pa;下肢各局部的服装压呈现以膝盖为中心向上下分别递减的变化。通过聚类分析将三种人体姿势下12个局部的衣下空气层厚度和20个局部的服装压力分别进行区间划分。其中空气层厚度分别划分为0 cm、0.3 cm、0.6 cm、1.2 cm、1.5 cm、1.9 cm及2.4 cm,共7类。服装压力分别划分为0 k Pa、0.5 k Pa、1 k Pa、1.5 k Pa、2.5 k Pa、6 k Pa,共6类。(2)采用电加热服的多层织物结构,探究了不同空气层厚度和服装压力水平下,加热元件在各织物组合中的加热效果,并提出了针对人体不同局部的加热档位初步设计方案。研究发现,当空气层厚度为0.3 cm,加热效果最好;空气层增大到0.6 cm时加热效果减弱,此时空气层在多层织物中起到一定隔热作用;当空气层厚度从1.2 cm增大至1.5 cm和2.1 cm,加热效果显著下降,此时空气层处已形成自然对流。当服装压力为0.5 k Pa时,加热元件通过织物层向热平板导热,加热效果最好;当服装压力从1 k Pa增大至1.5 k Pa时,加热效果减弱,主要由于多层织物的面料厚度相应减小,向外散热增多;当压力进一步增大至6 k Pa时,加热效果无显著差异。实验还发现,加热元件的加热范围主要集中于其覆盖面积内,距覆盖区域4cm处的织物表面温度已显著下降。加热片未覆盖区域的织物表面温度与设定的外接热源温度有关,织物的横向传热具有一定作用。根据市场上加热片的常规分布,将着装人体划分为胸部、腹部、上背、下背、大腿、膝盖、小腿、上臂、下臂,共9个加热区域。结合不同空气层厚度和服装压力对应织物组合的加热效果,确定初步的加热设计方案。其中,胸部、上背、下臂在三种姿势下设置为第二档或第三档,上臂设置为第一档或第二档,腹部和下背坐姿到蹲坐时降低加热档位,大腿、膝盖和小腿站姿到坐姿时升高加热档位。(3)通过冷环境下的真人着装实验,根据皮肤温度和主观评价,探究不同人体姿势下电加热服着装人体不同局部的热反应,进一步优化确定不同人体姿势下加热档位的局部设计方案。结果表明在三种姿势下,人体整体的皮肤温度和热感觉均在蹲坐时最高,坐姿时其次,站姿时最低。整体的热舒适在蹲坐第四档加热时呈现下降趋势,整体的热可耐受度在坐姿与蹲坐的第四档加热时出现稍难耐受的现象。人体热感觉除反应自身热生理的变化外,还受到外部热源的影响。人体各局部热舒适的接受范围均较宽,主要在第四档加热时出现局部过热,如坐姿与蹲坐状态的腹部以及蹲坐状态的下背、大腿和膝盖部位。最终的加热设计方案主要结合人体本身的产热差异、不同局部的热反应以及整体服装散热面积的变化进行优化调整,最终结果如下:站姿与坐姿状态下,腹部、大腿和膝盖设置为第三档加热,胸部、上背、下背、上臂、下臂和小腿设置为第四档加热。蹲坐状态下,腹部和大腿设置为第二档加热,胸部、上背、下背和膝盖设置为第三档加热,上臂、下臂和小腿设置为第四档加热。综上所述,本文针对人体姿势变化,探究了加热元件在不同部位的加热效果及着装人

关键词：人体姿势电加热服加热效果热舒适性加热设计方案

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