，，,，,

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州　215123；2.苏州大学现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州　215123)

户外工作人员在严寒环境中作业时，尤其是极地高峰或太空深海等极端环境，极易引起手部冻伤、冻僵。当手指皮肤温度低于15.6 ℃时[1]，手部灵敏度将大幅度降低，阻碍工人作业精度和效率，严重增加事故发生率；低于4.4 ℃时[2]，手指精细作业能力几乎全部丧失。因此，佩戴防寒手套对于保证工人健康和安全尤为重要。传统多层增厚手套虽能抵御严寒，但是不利于手工操作。相比之下，电加热手套不仅具有优越的防寒保暖性能，有效减少手部向周围环境中的热量损失，同时较为轻薄，对手指灵活性影响较小，可满足人们手部对于工效性、防寒保暖性的要求。即使是在-32 ℃的寒冷环境中，电加热产品可有效保持手部皮肤温度[3]。

目前市场上电热手套的加热方式分为持续加热和控温加热。持续加热手套结构简单，控温电路设计不完善，普遍出现加热不均匀的现象，易引起手部局部温度过高产生不适，且一般无过热保护装置，存在极大安全隐患[1]。对于市场上已有的可调温和控温的加热手套，加热档位固定且可选范围小，既不能实现智能加热，也无法调节加热区间，满足个人对温度舒适度的要求。另一方面，一些电热手套的加热材料选用的金属材料易折断[4-5]，且难以贴合手部曲线；电热膜或涂层材料不透气，容易引起手部出汗、闷热，以致水分凝结降低手套保暖效果[6]；此外，导电布的高电阻以及加热片的偏移，都会影响加热效率或加热面积。

针对以上问题，本研究研制一款较为轻便、可持续保暖的温控电热防护手套，可根据人体以及外界温度变化自行启动和停止加热功能，调节手部热量平衡，提高手套的使用时间[7]。通过真人实验，基于手部实时皮肤温度变化以及真人主观手部热感觉评价，评价其防寒效果和舒适性能。

1　温控电热手套研发

1.1　手套设计

1.温控装置；2.调温按钮；3.手套； 4.触头；5.导线；6.接口；7.加热片图1　智能电加热手套构成

为使手套更贴合人体手部，增强保暖效果，整体采用立体设计，便于手指弯曲，增加动作灵活性。如图1所示，温控电热防护手套包括手套本体、加热元件和智能调温装置。手套本体共四层，包括手套外层、防水透气层、隔热层和内里。外层面料采用防风织物，防水透气层采用PTFE膜层压材料，材料表面分布均匀的凸点。手套隔热层采用抓绒面料，内里采用锦纶里料。

1.2　加热元件

加热元件由五指型加热片和连接头组成，由于手背温度低于内部，因此加热片位于手套背部隔热层和手套内里之间[8]，如图1(b)所示。考虑到小拇指易寒冷情况，增加小拇指加热面积。加热元件采用“三明治”结构的复合材料，硅胶外皮碳纤维束导电材料被夹在PET薄膜之间。发热片温度范围为35～45 ℃，以保证加热中手部的安全性和热舒适性。

1.3　智能温控装置

将长、宽为2 cm的微型智能温控装置安置在手套背部；感温触头固定在内部虎口位置，以检测的手套内部微环境的温度，调节加热片的工作方式；调温按钮设定温度(26～35 ℃)，手套内温度低于下阈值加热片开始加热工作，超过上阈值加热片停止工作，从而保持微环境温度的相对稳定，防止升温过快过高，手部过热出汗，从而解决加热效率和手部舒适性问题，同时可满足不同人群的舒适温度要求。

智能电加热手套电源可以由几种方式提供：a)连接电动车电源，可直接用于骑行电瓶车时穿戴；b)连接小型便携式可充电锂电池，将导线通过袖子穿出，电池可放在服装或背包等，用于登山，长时间外出等。

2　真人实验

6名志愿者(男3名，女3名)自愿参加穿戴试验，其特征如表1所示。要求受试者在实验之前24 h内不可饮酒，不可做剧烈运动；2 h内不可进食，不可吸烟、喝茶或咖啡。

表1　受试者信息

试验在人工气候室进行，试验中受试者保持着装一致，均穿着同一套服装，即纯棉内衣和内裤、羽绒上衣、羽绒裤、防寒靴。受试者需穿戴手套在无风(0.17 m/s)和有风(0.5 m/s)两种工况下分别进行两次试验(手套加热和不加热)，两次试验至少间隔一天，以排除受试者对冷环境适应性的影响。

图2　手部皮肤温度测量

试验前，要求志愿者在室内环境(28 ℃)中贴好皮肤温湿度传感器，见图2，静坐15～30 min达到正常体温并保持稳定之后戴上手套，进入预先设定好温湿度(2.5 ℃，60%)、风速(0.17 m/s或0.5 m/s)的人工气候室，静坐在桌前，双手半握，放在桌上，风自左向右吹向人体。试验时长60 min，每隔10 min询问受试者手部主观热感觉。主观热感觉分为9个等级(-4非常冷、-3冷、-2凉、-1有点凉、0适中、1有点暖、2暖、3热、4非常热)。

3　结果与分析

3.1　各部位皮肤温度变化

3.1.1大拇指温度

不同条件下大拇指皮肤温度变化曲线如图3所示，在无风环境中，大拇指皮肤温度在不加热的条件下60 min内持续快速下降了17.1 ℃，最终温度是14.4 ℃；加热状态下，大拇指皮肤温度下降速度变缓，其间温度略有上升，60 min内共下降了9.8 ℃，最终温度为22.3 ℃。

当风速为0.5 m/s，不加热状态下的大拇指皮肤温度先快速下降，之后缓慢下降，60 min内温度共下降17.6 ℃，最终温度为12.4 ℃；加热状态下，大拇指皮肤温度先是快速下降后速度变缓，平稳之后温度缓慢上升，最后略有下降，试验过程中温度共下降12.4 ℃，最终温度为18.4 ℃。统计分析表明，无风条件下的大拇指皮肤温度在加热和不加热两种情况下第45 min之后存在显著性差异；有风条件下的大拇指皮肤温度自试验开始后的第10 min后存在显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图3　无风和有风环境下大拇指皮肤温度变化曲线

3.1.2食指温度

图4描述了无风、有风环境中食指皮肤温度的变化趋势，即在无风环境中，不加热条件下，60 min内食指皮肤温度持续快速下降了18.6 ℃，最终温度为13.1 ℃；加热状态下，食指皮肤温度在前15 min略有下降，之后逐渐趋于平稳，60 min内温度共下降5.8 ℃，最终温度为25.4 ℃。

风速为0.5 m/s时，在不加热条件下，食指皮肤温度先急剧下降，之后下降速度变缓，60 min内温度共下降19.5 ℃，最终温度为11.7 ℃；加热状态下，食指温度在短暂快速下降后趋于平稳，第30 ～ 50 min内温度缓慢上升后略下降，试验过程中共下降8.6 ℃，最终温度为22.0 ℃。统计分析表明在无风环境食指在加热与不加热两种情况下的皮肤温度自第25 min后存显著性差异，在有风环境中自第15 min后存在显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图4　无风和有风环境下食指皮肤温度变化曲线

3.1.3中指温度

中指皮肤温度随时间变化曲线如图5所示。无风环境中，中指在不加热的条件下，温度持续快速下降，60 min内中指温度共下降17.9 ℃，最终温度为14.5 ℃；加热条件下，温度略微下降后保持稳定，之后略下降，60 min内中指皮肤温度共下降8.0 ℃，最终温度为24.8 ℃。

风速为0.5 m/s试验中，中指在不加热的条件下，温度先是急速下降，之后速度变缓，60 min内共下降19.6 ℃，最终温度为11.3 ℃；加热状态下，中指温度在快速下降后趋于稳定，第60 min时中指皮肤温度共下降10.1 ℃，最终温度为21.0 ℃。统计分析表明，在无风环境中，加热和不加热条件下的中指皮肤温度变化在第25 min后存在显著性差异；在有风环境中，加热和不加热两种条件下中指皮肤温度变化在第15 min之后出现显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图5　无风和有风环境下中指皮肤温度变化曲线

3.1.4无名指温度

图6描述了无风、有风环境中无名指皮肤温度的变化趋势。如图6所示，在无风环境中，无名指皮肤温度在不加热条件下快速下降，60 min内温度共下降16.7 ℃，最终温度为14.4 ℃；加热条件下，无名指皮肤温度略有下降后稍有停滞，之后缓慢下降，60 min内温度共下降8.1 ℃，最终温度为23.7 ℃。

风速为0.5 m/s，手套不加热条件下，60 min内无名皮肤指温度先是迅速下降，之后下降速度变缓，共计下降了19.7 ℃，最终温度是11.1 ℃；加热状态下，无名指皮肤温度平缓下降至趋于稳定，试验过程中共下降9.5 ℃，最终温度为21.6 ℃。统计分析表明，在无风环境中，无名指在加热和不加热两种情况下的温度变化在35 ～ 60 min内出现显著性差异；在有风环境中，无名指温度变化自第20 min开始出现显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图6　无风和有风环境下无名指皮肤温度变化曲线

3.1.5小拇指温度

不同条件下小拇指皮肤温度随时间变化曲线见图7。由图7可见，在无风，不加热的条件下，60 min小拇指皮肤温度快速下降了17.3 ℃，最终温度为14.7 ℃；加热条件下，小拇指皮肤温度略微下降后趋于平稳，60 min内温度共下降7.8 ℃，最终温度为23.6 ℃。

风速为0.5 m/s，不加热的条件下，小拇指温度先是迅速下降，之后下降速度较为缓慢并逐渐趋于稳定，60 min内温度共下降19.1 ℃，第60 min时小拇指皮肤温度为10.8 ℃；加热状态下小拇指皮肤温度在迅速下降后变缓，20 min后略微上升后趋于平稳，60 min内温度共下降10.5 ℃，最终温度是20.3 ℃。统计分析表明，在无风环境中，25～60 min内加热和不加热两种情况下的小拇指皮肤温度变化存在显著性差异；有风环境中，15～60 min内加热和不加热两种状态下的小拇指皮肤温度变化存在显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图7　无风和有风环境下小拇指皮肤温度变化曲线

图8描述了有风、无风环境中手背皮肤温度的变化趋势，即在无风、不加热条件下，前5 min内手背皮肤温度快速下降，之后缓慢下降，60 min内手背皮肤温度共下降14.0 ℃，最终温度是17.7 ℃；加热状态下，手背皮肤温度略下降后逐渐平稳，60 min内手背温度共下降6.8 ℃，最终温度为25.5 ℃。

风速为0.5 m/s，不加热的条件下，手背皮肤温度先快速下降，第10 min后缓慢下降，试验过程中温度共下降了15.0 ℃，最终温度16.5 ℃；加热状态下，手背皮肤温度短暂下降之后缓慢上升，一段时间的平稳之后略下降，最终温度共下降8.1 ℃，第60 min时的温度为22.9 ℃。统计分析表明，无风环境中，自第25 min后加热与不加热条件下的皮肤温度存在显著性差异；有风环境中手背在加热和不加热条件下的皮肤温度变化在15～60 min内存在显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图8　无风和有风环境下手背皮肤温度变化曲线

3.1.7手部平均皮肤温度

图9描述了有风、无风环境中手部(五指和手背)的平均皮肤温度的变化趋势。在无风、不加热条件下，60 min内手部平均皮肤温度持续下降了17.0 ℃，最终温度是14.8 ℃；加热状态下，手部平均皮肤温度在短暂下降之后变缓至逐渐平稳，60 min内手部平均皮肤温度共下降7.7 ℃，最终温度为24.2 ℃。

风速为0.5 m/s，不加热的条件下，手部平均皮肤温度先快速下降，第35 min后缓慢下降，试验过程中温度共下降了18.4 ℃，最终温度12.3 ℃；加热状态下，手部平均皮肤温度在前10 min内快速下降之后保持平稳，最后略下降，最终共下降9.8 ℃，第60 min时的温度为21.0 ℃。统计分析表明，无风环境中，在10～60 min加热与不加热条件存在显著性差异；有风环境中手背在加热和不加热条件下的皮肤温度变化自第5 min之后存在显著性差异。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图9　无风和有风环境下手部平均皮肤温度变化曲线

综上所述，两种风速环境中，无论加热与否，五指和手背的皮肤温度和平均皮肤温度均随着时间增长而下降，但是加热组温度在最初下降后，最终保持相对稳定。风速为0.17 m/s时，加热条件下的手指和手背在第60 min时的平均皮肤温度相比于对照组(手套不加热)高了9.4 ℃；0.5 m/s时相比于对照组最终温度提升了8.6 ℃。15 ℃被认为是手动作业工效不受影响的临界温度[2,9], 对照组中，所有部位的局部皮肤温度均低于15 ℃，即手工操作能力受到明显影响，灵活性降低。相比之下，加热状态下的手部局部温度均高于15 ℃，也就是说，在寒冷的环境中，加热状态下手套保暖效果更好，有利于降低五指和手背部位热量的散失，能更好维持手部的皮肤温度，保证手部的作业工效。研究表明，嵌入式加热元件可以提高手套的防寒效果。这与之前的研究结果是一致的[10-11]。

在加热条件下，手指各部位的皮肤温度均出现小幅增加的动态波动，这可能与智能调温装置有关。试验的前几分钟，由于手部温度仍处于设定温度范围内(26～35 ℃)，因此加热装置处于不工作状态，随着温度下降到低于下阈值，加热装置开始启动，手部皮肤温度出现轻微上升，因此不会出现手部局部温度过高状况或因环境变化时频繁调整温控器的不便。

不同部位的皮肤温度变化情况不同。相比于其它部位，加热状态下大拇指的最终温度最低，这可能是因为大拇指部位特殊，加热片与该部位皮肤贴合度不够，加热效果不理想，仍需改进研究；两种风速下，无论是否加热，第60 min时的手背皮肤温度均是最高，一方面这可能是因为手背比手指更接近人体，另一方面可能是因为电热片更接近、贴合手背皮肤表面，增加了之间的接触面积和热量传递。这进一步证明了较大的加热面积可以增加加热效果，这与Song等[11]、Wang等[12]的研究结果一致。然而，由于小手指空隙较大，试验最开始时手到周围环境的对流散热很大，所以0.5 m/s环境中，加热状态下前20 min小拇指的温度曲线明显下降。之后温度略有增加, 且第60 min时的最终温度高于20 ℃，这同样证明了加热片提高了手套的保暖性能。

此外，同一部位的皮肤温度在高风速环境中的下降速度更快，这与空气速度会降低防寒性能的研究结果一致[10,13]。空气流速对有效加热功率的影响较小，但可以降低手套热阻，增加了向周围环境的热量损失，大大降低了保暖效果。从图3到图9可以看到，尽管高风速条件下(0.5 m/s)的手部最终温度低于低风速环境(0.17 m/s)，但是在加热与对照组的统计差异出现的更早，这表明0.5 m/s风速下，温控电热手套对于手部局部加热的效果更明显。这可能与人体生理和心理变化有关，需进行进一步探究。

3.2　主观评价

不同条件下的手部热感觉评价结果分别如图10(a)、图10(b)所示。从图10中可以看出，两种风速环境中，手套加热和不加热时受试者的手部总体热感觉均呈下降趋势，即感觉手部越来越冷。

无风环境、不加热状态下，受试者手部热感觉自进入人工气候室的0.5(微暖)逐渐下降到-2(凉)；加热状态下，受试者的手部热感觉从进入气候室的第10 min开始下降，由0.5(微暖)缓慢降至-0.7(微凉)。风速为0.5 m/s，不加热条件下，受试者的手部热感觉由起初进入气候室的0.5(微暖)开始下降，最终达到-2.5(较凉)的状态；加热状态下，受试者的手部热感觉在气候室的前10 min几乎无变化，10 min后从0.5(微暖)缓慢下降，最终达到-1(有点凉)。统计分析表明，无风环境中，在加热和不加热下的热感觉等级在第20 min后存在显著性差异；有风环境中，手部主观热感觉在第10～60 min存在显著性差异。

综上分析可得，两种风速环境中，不论手套加热与否，手部热感觉均随时间增长呈下降趋势，但加热状态下手部热感觉下降的起点较晚，且下降速度更缓慢，最终热感觉等级较高，在一定程度上说明加热手套的保暖效果更好；相比于无风环境，有风环境中的加热手套最终热感觉较低，说明0.5 m/s的风速会降低加热手套的防寒性能，这与手套加热时手指和手背的皮肤温度变化规律相同，证明实验结果的可靠性。

显著性差异水平P<0.05时，标记为“*”；显著性差异水平P<0.01时，标记为“**”图10　无风和有风环境下手部整体热感觉评价

4　结　论

本研究采用智能温控装置研制了一款较为轻便、并且可持续保暖的温控电热防护手套。通过真人实验，基于手指和手背的皮肤温度变化以及真人主观热感觉，得到结论如下：

a)在寒冷环境中，无风(0.17 m/s)和有风(0.5 m/s)条件下的手指和手背皮肤温度均随时间增长会下降，但电热手套均能提供较好的保暖性能，在60 min内使皮肤温度维持相对稳定。无风环境中，手套不加热较加热时的手部最终平均皮肤温度相差9.3 ℃；有风情况下，手套不加热较加热时的手部最终平均皮肤温度相差8.6 ℃。

b)在寒冷环境中，手部热感觉呈现下降趋势。加热状态相对于不加热状态时的手指和手背热感觉等级有大幅度提升。不加热状态下的热感觉下降起点更早，最终评价等级也略低。

c)智能温控系统加热后的手套保暖性能更好，有利于降低手指和手背部位的热量散失，更好维持手指和手背皮肤温度，保证手部精细作业能力；风速影响电热手套保暖效果，0.5 m/s的风速会降低智能温控电热手套的防寒性能。