范 敏，赵胜男，罗汝楠，张 辉

(北京服装学院，北京 100029)

从服装保暖谈电加热服的发展

范 敏，赵胜男，罗汝楠，张 辉*

(北京服装学院，北京 100029)

从发热元件、供热区域、电源系统、性能评价及现今存在的不足等方面对电加热服的发展进行介绍，分析了电加热服的必要性及其智能化发展的趋势。

服装保暖性；电加热服；性能评价；智能化发展

众所周知，服装保暖的目的主要是防止人体热量散失，保证人体能在寒冷的环境条件下正常生活或工作，使人体免于寒冷伤害。现在，人们对服装保暖的理解逐渐发生了改变，除基本的要求外又提出了更高要求，不仅要满足遮风避雨、遮羞等基本的生理需求，而且还要满足对美、舒适及回归自然等多种心理的需求，从而赋予了保暖新的含义，即从过去的单一保暖向轻柔、健康、舒适、美观等方向发展。

1 保暖服的发展及电加热服的提出

服装作为人类的第二肌肤，其首要功能就是御寒保暖。随着科技的发展，服装的御寒保暖方式也在不断地变化发展，因此出现了各种类型的保暖服。

目前，国内外出现的防寒保暖服，根据热源的控制，基本上分为两类。一类是消极产热式保暖服，即被动产热式，通过增加静止空气的含量来达到阻热保暖的目的，这也是比较传统的形式，包括各种蓄热保暖服、远红外保暖服及当前风行的各式保暖内衣等，都属于这种形式。另一类是积极产热式保暖服，即主动产热式，通过外加能源，将其转变为热能，实现辅助人体加热的目的。这种形式保暖服的研制非常有意义，因为人体自身的产热量总归是有限的，当外界温度下降到一定程度后，单靠人体的肌肉血管收缩来调节已达不到要求，特别是由于受场地和时间限制不能及时进食补充能量，导致自身产热量减少的情况下，自身带热源的积极产热服的出现就显得尤为重要了[1-2]。同时，人们对服装保暖要求也在改变，总是希望穿着舒适而美观的衣服，即使是在严寒的冬季也不会变臃肿，且始终轻便美丽，所以研制积极产热服就显得非常有必要。

积极产热式服装根据所带热源种类可分为3种：电热服、化学热服和太阳能热服[3]。电热服是国内外研制最多且最常见的一种，它是以电为能源，将电能转化为热能的保暖服。

2 电加热服的发展

电加热服是将电源、控温装置、安全保护装置、发热元件等通过导线连接组成电路，利用电源控制服装内部的电热元件产生热量的一类服装的总称。

目前，电加热服是国内外研究最多且技术比较成熟的一种加热服，市场上品牌也比较多，如Grebing、Tour、Masret、BMW、H-D等，产品有电热夹克、背心、裤子、鞋、袜、手套等，可以为士兵、工人、户外运动员等需求者提供帮助，确保在人体热舒适的状态下更好地工作或锻炼，避免冻伤事件的发生[4-5]。

早在20世纪40年代，Marickt就开发了一款几乎覆盖全部身体的电加热服装，这件服装的大部分都含有电加热垫，电加热垫被包含在面料和里料之间以防止加热元件被损坏。进入21世纪后，许多专家学者不断研究，取得了一定的成果。2009年，Ozan Kayacan等[6]设计出一件带有温度控制系统的电加热服装，具体为通过一定方式将导电纱线织入针织物中，制成加热板并接连电路，由镍金属氢化物和锂离子电池作为电源提供能量，组成一个加热保暖系统。电路系统由一个用户界面来控制。整个系统被分为测试系统、加热系统、能量源和用户界面四个子系统。最终制成的加热织物连同电路系统被安装在服装中。2010年，操民[7]设计了一种智能电子加热服装，该服装由聚酯加热膜和电子盒构成，通过在衣物的布料内层设置聚酯加热膜，并使加热膜与电池通过线路连接来加热聚酯加热膜，以实现对人体供暖的要求。同年，叶影[8]也设计出了一款电加热服装，她所开发的电加热服装主体内设有发热层，发热层面料上带有发热元件，使想要加热部位的加热元件的密度高于其他区域加热元件的密度，当通电加热时，发热层就能通过发电产生的热量补充维持体温所需的热量，而加热元件密度较高的区域能够产生集中的热量，有效补充人体容易受寒的关节或某些器官部位所需要的热量。

目前，美国的电加热服已经向智能化发展，不仅仅是一件加热服装，还增加了许多其他功能，如美国Malden Mills公司开发的智能加热服，不但具有加热保暖功能，还具有数据传输和通讯功能。The North Face公司研发的智能服装，除具有智能控温能力外，还具有检测人体心律和体温的功能，使穿用者一直处于舒适状态。Wang等[9]用暖体假人评估了电加热马甲的性能，发现不同冷环境下采用不同的加热功率可使人体微环境内的温度保持在相对舒适的范围内。此外，Wang等[10]发现加热马甲的加热效率随着风速的增加而下降。国内学者在加热服装方面的研究则较少，多集中在服装研制开发等方面。如唐世君等[4]采用电加热原理研制出一种可遥控操作电热服，通过智能遥控电池控制电热元件并调节发热功率。赖丹丹等[11]利用暖体假人研究了冷环境下化学加热和电加热服装的舒适性参数，并研究了两种不同风速对各个参数的影响，但并没有研究人体、环境与服装三者之间的热平衡关系。

2.1 电加热服发热元件

发热元件是电加热服最重要的结构之一，其品质和性能是发热服装走向产业化的关键。发热元件通常布置在前胸、腹部、后背、腰、关节(肩关节、膝关节)等部位。常用的发热材料主要有3类：金属发热材料、电热膜和碳纤维发热材料。金属发热材料质地较硬、不易弯曲，与人体贴合度差，所以应用较少。电热膜虽然容易加工，且成本较低，但透气性差且易氧化，一般常应用于发热地板等领域。目前，应用比较普遍的是碳纤维发热材料，一般碳纤维发热元件包括4层结构：防护层、隔热层、加热层和基层。碳纤维发热元件灵活、质轻、耐用、可洗且具有较好的电能转换效率，可以很方便地嵌入服装中使用[12]。

碳纤维发热元件具有良好的电阻值稳定性、发热温度均匀性、安全性与舒适性等。

2.1.1 电阻值稳定性

无论选用何种材料作发热体，发热元件的电阻值稳定性要好，即发热元件在电热服整个使用过程中都能保持同一阻值，提供恒定的发热功率。在实际生产过程中，由于选用原材料和生产工艺等诸多因素常使阻值发生变化，发热元件不仅与普通发热体一样，要经受冷-热-冷-热循环热疲劳性能的考验，而且还要承受服装使用中的拉、折、压等负荷作用下变形的考验，并经受服装使用中温湿度变化(如汗水、雨水)的浸蚀考验。因此在发热元件(特别是柔性发热元件)设计中，要充分考虑影响阻值的各种因素，确保其发热性能的稳定。

2.1.2 发热温度均匀性

发热元件发热温度的均匀性指的是发热面积内各点发热温度是否一致。如出现严重差异，就可能出现发热元件局部烧穿，甚至形成事故，非常危险。面发热体比线发热体更易出现此现象，涂层的均匀性、织物和纸厚薄的均匀性、纱支粗细的均匀性、碳化程度的均匀性都对发热温度的均匀性有所影响，而引出电极与发热体之间的连接处往往是事故的高发地带。

2.1.3 安全性与舒适性

尽管发热服电源一般都在12 V以下，电器安全性较高，但局部高温烧损情况仍可能出现。因此在发热服装设计中必须充分考虑其对发热元件材料的阻燃要求。此外，若发热元件的硬度较高，则服装的穿着舒适性会受到影响，故提高发热元件和电热服的舒适性对于发热服装的产业化也非常重要[13]。

2.2 电加热服供热区域

发热元件的布置位置即是供热区域，目前市面上存在的电加热服供热区域是局部的,合理性有待进一步讨论。图1和图2为市场上常见电加热服供热区域情况及发热载体的示意图。

2.3 电加热服发热电源

电加热服是用直流或脉冲电流通过发热体产生热量的。为了达到预先设想的效果，对服装人体加热部位、加热面积、加热功率(温度)等都要预先进行设计。确定加热面积、加热温度后即可设计加热服装的电源功率，并为其配备相应的电池。加热服装用的电池性能应满足：(1)放电性能应满足电热服要求的低电压、大电流的要求，当前多选用3～12 V电压，电流多在1～5 A之间；(2)应有足够的容量保证电热服能连续发热2 h以上；(3)体积小，重量轻，便于携带；(4)寿命长，能反复充电百次以上；(5)价格低，能为用户接受[13]。

图1 发热区域分布

图2 发热载体

在众多电池品种中锂电池占有绝对优势，目前国产锂电池已基本能满足加热服装的应用要求。现在市场上满足要求的电源电压有7.4、5 V等几种规格的，电压都比较小，使用到衣服中不会危及人体，可以安全使用。

电加热服电源通常采用两种方式：外接电源和电池组。第一种方式通过电源插头持续不断为服装供电，这种方式简单、容易实现，特别适用于室内有电源插座的场所使用。但第一种方式会限制人体运动，且经常发生电线缠绕现象。对于户外场所或运动者需要大幅度运动的场合，第二种方式更适用。但对于电池供电服装，电池耐用性是一个需要攻克的难点，一般的电加热服在高温档位上只能维持2～4 h供电[12]。

现在市场上的电源可以实现分档位控制，分为3档，分别是红色高温档，发热3～4 h，发热温度65～70 ℃；蓝色中温档，发热5～6 h，发热温度55～60 ℃；绿色低温档，发热8～9 h，发热温度40～45 ℃。

目前锂电池在应用中也存在一些问题，如电池的寿命问题，电池容量与重量间的矛盾问题等。电池寿命问题是锂电池国产化中的一个共同问题，在手机、电脑、数码照相机的电池中都存在。国产电池反复充电次数比进口电池低，且放电性能衰减很快。对一般锂电池来说，容量愈大，电池重量愈重。因此作为电热服电源设计就要在容量与重量之间找到一个平衡点，使两者都能兼顾。

2.4 电加热服性能评价

电加热服的性能评价通常包括两种：热防护性评价和热舒适性评价。其中热防护评价主要包括织物的电热性能测试和服装的热防护性能测试。常用的测试手段有暖体假人测试和人体着装实验测试。

2.4.1 热防护性能评价

(1)织物电热性能测试

目前，电加热服织物的电热性能测试还没有统一的方法和标准。陈莉等[14]测试了可加热纬编针织物的电热性能，主要测试了纱线的最大负载电流、织物的热稳定性、织物的电热升温特性和表面温度均匀性等。张猛等[15]研究了以碳纤维为基质材料的发热织物的电热性能，通过观察发热织物的电阻、温度和发热时间等进行电热性能变化研究。

(2)服装热防护性能测试

电加热服热防护性评价主要采用暖体假人测试法和人体着装生理实验测试法。暖体假人测试法效率高、稳定且安全，通过记录暖体假人加热功率和电加热服电池能量消耗，计算电加热服的加热效率。Wang等[10]通过暖体假人测试，探究了风速和服装组合对电加热服加热效率的影响，并利用红外热像仪观测电加热服内外表面温度。同样也利用暖体假人探究了不同的环境温度(0 ℃和-10 ℃)条件下电加热服的加热效率。

除了暖体假人测试手段，电加热服性能评价还可使用人体着装生理实验的方法。通过生理实验可以有效监测着装者皮肤温度、体核温度、衣内微气候的温度和湿度、血液流速、身体含热量变化等生理指标及主观感受。

2.4.2 服装热舒适性评价

电加热服的热舒适性评价通常和热防护评价同时进行，测试手段也基本一致。Wang等[9]研究了寒冷条件下，电加热背心(躯干加热)对血管舒张反应和舒适感的影响。证实了穿着电加热服可以增加手指和脚趾温度、平均皮肤温度和手指血流速率，进而提高服用者的舒适性。Song等[16]采用人体着装生理实验法，研究了寒冷的室内环境下电加热服对提高人体舒适性的影响。结果表明：电加热服可以增加平均皮肤温度，穿着电加热服可以增强服用者的热舒适感。

3 电加热服存在的不足

尽管市场上电加热服装的品牌已经有很多了，但是现有的电加热服装仍存在诸多不足[4]。(1)款式单一,服装专业知识体现太少,对人体运动学、生理学等因素考虑不足；(2)控温电路设计不完善，尚不能随环境温度变化而自动调整加热量,需要手动控制；(3)因为现今市场上电源的生产局限，持续时间短，在特别寒冷的情况下加热功率不足；(4)调温档位的设计合理性有待进一步考证。

此外，在服装工效学方面，电加热服装也还存在着一些需要考虑的问题：

(1)穿着加热服装的人体，处于一个有强化热源的微环境中，人体为达到最适温度，其自身产热和强化热源热量需要与外界环境形成热平衡，这就要求加热服装能根据外界环境温度的变化适时调整加热功率。而判断人体最适温度以及调整加热功率均比较复杂，因为不同人群对热舒适性的评价体系并不一致，许多因素如性别、年龄、身高、体重、健康状况，以及活动强度等均会对热舒适性的各项参数产生影响。解决这一问题需要通过不断实验，得到人体各项生理参数，从而总结出一套标准的评价体系。

(2)人体排汗同产热一样，是随时进行的，在电加热服装的微环境中，由于热源的存在，且加热部位分布不均，人体的被动排汗量增加，汗液的蒸发需要吸收汽化热，从而造成热量损失。如果电加热服装为保证散热损失小而选用气密性好的材料，则不利于蒸发汗液的排出，使人体处于湿热的环境，降低舒适性，甚至引发疾病。同时，随着微环境湿度的增加，空气热阻降低使传热增强，反而加速了热量散失；但如果选用通透性好的材料，则不仅会因损失热量而降低可加热服装的保暖特性，还会因出汗过多而使皮肤表面干燥。这就需要我们寻找合适的材料，既保证可加热服装的保暖特性，又能为人体提供舒适的湿度环境，必要时甚至可以在加热服装中引入湿度调控装置。

(3)在人体汗液中，除了水之外，还有许多盐类成分，而残留在电加热服装中的汗液会腐蚀导线，甚至可能造成电路破坏或短路。如何减少汗液残留、排出盐分，以及避免汗液对导线、电路造成腐蚀破坏，都是电加热服装未来需要解决的问题。

(4)现有的电加热服装均只能对人体敏感部位进行局部加热，虽然具有针对性，能减少能耗，却易造成人体皮肤温度分布不均，导致血流分布异常，并带来其他一些生理应激反应[3]。

针对这些问题,可以考虑将服装专业与相关的工程技术有机地结合在一起，实现优势互补，抓紧做好简单安全、寿命长、价格低、环境友好的大容量超微型电池的技术开发。相信随着上述问题的逐一克服和解决，电加热服还会有更大的发展空间。

4 结语

随着人们对服装保暖要求的改变，保暖方式由开始的被动保暖向主动保暖发展，且发展迅速，而电加热服作为主动加热的服装之一，更是受到人们的关注。纵观电加热服的发展，国内外学者对电加热服的研究已经趋于成熟，通过对电加热系统各个部分，即发热元件、供热区域、电源、控温装置等的研究，生产出相对满意的电加热系统，且通过科学合理的控温线路和结合人体的款式造型，以及人体安全电压和必要的电磁屏蔽保护，制作出寒冷状态下，满足人体需要的电加热服。如今市场上存在的电加热服有其优点也存在着一些缺点和不足，同时又面临热学问题和微系统技术瓶颈，需要对其进行不断的研究与改进。电加热服装作为智能化服装的一种，是未来服装发展的趋势所在，相信随着纳米技术的发展，以及新型材料、纺织加工、微加工、乃至生物领域的技术进步，电加热服装的发展前景将更加广阔。

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2018年《合成技术及应用》征订启事

《合成技术及应用》是国家科委批准的，面向合成纤维、塑料等合成材料及其原料的生产、科研与应用领域的专业性期刊，主要报道国内外高分子材料(合成纤维、薄膜、塑料等)及其单体的合成技术及科研进展，新产品、新技术的开发和应用，化纤及相关产业市场动态与发展预测等。《合成技术及应用》创刊于1986年，深受有关从事生产、科研、教学、管理等人员及部门的欢迎，主要设“专家论坛”、“研究论文”、“专题论述”、“应用技术”、“分析测试”、“设备改造”、“国内外消息”、“最新专利”等栏目。

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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服装工效及功能创新设计北京市重点实验室项目(KYTG02170202)

范 敏(1992-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向为服装舒适性与人体工程。

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

TS941.7

A

1673-0356(2017)08-0018-05