“雪上項目比賽場地多在山區(qū)，環(huán)境溫度可能會達到零下10攝氏度以下……”觀眾在極寒條件下如何溫暖觀賽？工作人員、觀眾如何避免凍傷、得到“溫暖保障”？

為解決這一問題，清華大學建筑學院副教授曹彬團隊參與了國家“十三五”重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項“人工剖面賽道類場館新型建造、維護與運營技術”項目，研發(fā)出了極寒環(huán)境下的“溫暖裝備”——智能加熱服和加熱坐墊，可以在短時間內迅速發(fā)熱、鎖熱，確保觀眾擁有舒適溫暖的觀賽體驗。

記者了解到，聚焦人的需求、感受，收集相關數據來輔助設計，在整個大建筑領域內是比較新的理念。曹彬稱，根據賽事及場館需求，希望該項研究成果未來酌情在部分區(qū)域實現應用。

極限低溫環(huán)境為研究帶來新挑戰(zhàn)

曹彬所在的專業(yè)是建筑學院的建筑環(huán)境學科，關注如何解決建筑環(huán)境營造、提升人在環(huán)境中的舒適感等問題。

“之前都是研究建筑內、室內場景的環(huán)境如何營造，而雪上運動場館是露天、開放式的，此前針對室內空間的傳統方法和技術就不適用；且露天賽場環(huán)境比較極端，對于極端環(huán)境下人的生理數據，前期可借鑒的研究成果很少。”曹彬稱，對研究團隊來說，由于應用場景和對象都是新的，可以說進入了一個新的研究領域，這也是此項研究最大的難點。

研究團隊在現場研究測試。受訪者供圖

曹彬告訴記者，此項研究首先面對的問題是，要清楚在零下十幾攝氏度的低溫環(huán)境下待上一兩個小時，人究竟會有多冷。

對于科學研究來說，僅有人的直觀感受是不夠的，而是需要具體、客觀的參數。因此，曹彬團隊在冬天到賽場記錄環(huán)境參數，然后在低溫環(huán)境艙中模擬環(huán)境，并進行受試者實驗，通過溫度傳感器，監(jiān)測人身體上多個部位暴露在低溫環(huán)境下不同時長后的皮膚溫度，以此來評估“人會有多冷”。

除真人受試者實驗，曹彬團隊還利用“暖體假人”設備來收集數據。據悉，這個“假人”是機器人，但看起來完全是真人形態(tài)，它身體每個部位都可以模擬真人產熱和散熱的情況，同時可以通過后臺程序軟件，監(jiān)測不同暴露時長、不同厚度衣物下，假人表面溫度變化。

研究團隊使用暖體假人開展低溫環(huán)境現場實驗。受訪者供圖

研發(fā)實驗系統收集人體數據

知道人有多冷后，接下來就要給人補充熱量。

曹彬解釋稱，由于在開放環(huán)境下，熱量會不停散發(fā)，無法采用在封閉空間內進行取暖和保暖的常規(guī)方法。因此，這項研究從理論到解決方案，都沿著一個思路——從人的個體尺度上去考慮問題，要把所有熱量都給到人。

那么，極端低溫環(huán)境下人需要多少熱量，以及應該給人的哪些部位補充熱量才最為有效和舒適？曹彬告訴記者，這需要研究人的身體各個部位在寒冷環(huán)境下加熱的敏感性來得出答案。

為解決這一問題，曹彬團隊開發(fā)出了一個“人體全身多點位加熱實驗系統”，由一套“加熱服”和后臺程序構成。“加熱服”看起來是一套薄薄的貼身衣服，各個部位設置有加熱片，同時可以在平板電腦上進行操控和交互。

受試者穿上“加熱服”之后，程序界面可以看到并選擇不同部位、設置不同的加熱溫度。“比如，想給腹部加熱到35℃，或是給腿部加熱到37度，都可以在程序界面進行設置，繼而加熱服會按照程序的設定進行加熱。”曹彬表示。

通過進行一定數量的真人受試者實驗，曹彬團隊總結出規(guī)律，找到了在長時間低溫環(huán)境下，人們普遍會傾向于給身體哪些部位進行加熱，以及加熱到多少攝氏度會達到較為舒適的狀態(tài)。

智能馬甲、坐墊給人高效補充熱量

前期研究完畢，最后一步是依據理論數據把加熱設備做成實物。沿著“個體尺度”思路，曹彬團隊最終決定，采用可穿戴方式來實現這一措施落地。

經過反復推敲，團隊最終研發(fā)出了兩種裝備形態(tài)——一種是便攜式的加熱坐墊，另一種是可穿戴在身上的智能加熱馬甲。

團隊研發(fā)的智能加熱保暖裝備。受訪者供圖

這兩種裝備的原理相近，都采用了柔性石墨烯發(fā)熱材料，通過其電熱效應，通電后可以起效發(fā)熱；且材料本身是軟的，人坐在上面產生形變也沒有關系。

“如果不考慮保溫，熱量很快就散掉了。”在開放環(huán)境下，除了加熱，保溫也非常重要。在保溫性能上，曹彬團隊采用了輕薄的保溫材料疊加態(tài)，置于坐墊底層和馬甲外層，來阻斷熱量向下、向外散發(fā)，保證熱量集中、高效地傳遞給人。“坐墊上表面溫度能夠達到40攝氏度以上，同時由于具備隔熱性能，如果去摸它的下表面，會發(fā)現是很涼的。”曹彬稱。

關于可穿戴加熱裝備，之所以做成馬甲形態(tài)而不是外衣，曹彬解釋稱，馬甲比較靈活且貼身，便于大家搭配自己的外套，也更有利于熱量的有效利用。同時，給這件馬甲也配了手機端小程序，使用者可以自行進行交互操作，通過簡明的示意圖選擇加熱部位、調整溫度。

除力爭服務冬奧外，這些研究成果還能如何應用？對此，曹彬告訴記者，隨著冰雪運動在國內普及發(fā)展，會有越來越多賽事和參與者，對于加熱保暖方案的需求也會隨之增加；此外，戶外極端低溫環(huán)境下、惡劣自然條件下工作的場景也非常多，也希望這些研究成果能繼續(xù)推廣。