Умняков П.Н.

105
ТЕПЛОВЫЕ И ДИФФУНДИРУЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ
В ОДЕЖДЕ ИНВАЛИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНОМ УРОВНЕ
ЭНЕРГОЗАТРАТ
П. Н. Умняков
В статье описана методология обеспечения теплового комфорта одежды для
инвалидов.
ВВЕДЕНИЕ
XXI век должен стать веком заботы об инвалидах, веском создания
для них комфортных условий как в одежде, которую они носят, так и в
жилых помещениях их проживания. Необходимо для инвалидов создать
условия, когда уровень их энергозатрат при отдыхе или выполнении
какой-то физической нагрузки соответствовал благоприятным тепловым
комфортным условиям. В этом случае тепловой баланс между человеком в
одежде, а также между человеком в одежде и поверхностями жилых
помещений должны отвечать требованиям комфортности, так что в летнее
время их организм не будет перегреваться, а в зимнее время не будет
переохлаждаться.
В статье рассмотрены способы обеспечения тепловой комфортности
одежды для инвалидов.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ
ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
Организм человека является своеобразной термостатической
системой с внутренними источниками тепла. Поступление тепла в
организм происходит благодаря химической терморегуляции, а его потеря
– за счет физической терморегуляции. Тепло, выделяемое при химических
реакциях, протекающих главным образом во внутренних органах,
поддерживает постоянную температуру тела. Эти процессы, происходящие
в организме человека, в условиях помещения можно описать уравнением
общего теплового баланса
Qч = Q ч.л. + Qч.к. + Q ч.н. + Q ч.л.
(1)
где Qч – общая теплоотдача человека, Вт/м2; Q ч.л – теплоотдача человека
излучением пот отношению к внутренним поверхностям помещения,
Вт/м2; Qч.к.- теплоотдача человека в окружающую среду конвекцией, т/м2;
Q ч.л. – теплоотдача человека испарением водяных паров соответственно с
поверхности тела и легких, Вт/м2.
Комфортные ощущения человека обеспечиваются его тепловым
режимом.
Если
106
Qч > Q ч.л. + Qч.к. + Q ч. н. + Q ч.л. ,
то в теле человека образуется излишнее тепло и организм перегревается.
Если
Qч < Q ч.л. + Qч.к. + Q ч.н.+ Q ч.л. ,
то человеческий организм в воздушную среду отдает тепла больше, чем
вырабатывает. В этом случае происходит переохлаждение организма.
Уровень энергозатрат в организме инвалида повышается главным
образом при физической деятельности [1]. Рассмотрим различные уровни
энергозатрат у инвалидов. Так в положении сидя он составляет 100 Вт,
стоя – 125 Вт, при ходьбе по ровной местности со скоростью 3 км/ч – 200
Вт и при ходьбе по наклонной местности с уклоном пять градусов со
скоростью 3 км/ч – 300Вт – и при просмотре диапозитивов – 140 Вт.
При выполнении домашней работы уровень энергозатрат инвалидов
следующий: при уборке квартиры от 205 до 320 Вт; при приготовлении
обеда от 160 до 200 Вт; при мытье посуды 170 Вт и при посещении
магазинов 165 Вт.
Как видно в процессе жизнедеятельности инвалида в зависимости от
выполняемых физических действий его энергозатрат могут изменяться от
100 до 320 Вт. Эти условия должны быть учтены при разработке его
одежды как домашней, так и уличной, особенно для зимнего периода года.
ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПАКЕТЕ ОДЕЖДЫ
ИНВАЛИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНОМ УРОВНЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ
К современной одежде инвалида предъявляется ряд специальных
требований. Она должна по своим теплозащитным свойствам
соответствовать возможной деятельности инвалида. Ее покрой должен
обеспечить свободу движения и отвечать требованиям современной моды,
что придает уверенности инвалиду в его нелегкой жизни. При этом
немаловажным фактором является гигиенический комфорт, который
достигается обеспечением в пододежном слое одежды оптимальных
влажностных условий. В процессе его деятельности энергозатраты могут
повышаться или понижаться. Повышение энергозатрат и стрессовое
состояние инвалида сопровождается интенсивным выделением с
поверхности кожи влаги в виде пара или капельно-жидком состоянии в
воздушную пододежную прослойку между поверхностью кожи и бельем
человека.
Для термовлажностных процессов, когда происходит повышенное
выделение влаги в пакете одежды, удобно пользоваться величинами
парциального давления водяного пара или, как обычно называют,
упругостью водяного пара е в Па. Эта величина не может увеличиваться
бесконечно при данной температуре и барометрическом давлении. Она
имеет определенное предельное значение, которое называется
максимальной упругостью водяного пара Е (Па), что соответствует
107
максимальному насыщению воздуха водяными парами. С повышением
температуры максимальная упругость водяного пара увеличивается, а с
понижением уменьшается.
Рассмотрим конструкцию спинки мужского костюма инвалида,
состоящего из нескольких слоев: между поверхностью тела человека и
бельевой тканью расположена пододежная прослойка, затем следует ткань
сорочки, подкладочная и костюмная ткань (рис. 1).
Для определения относительной влажности воздуха в воздушных
прослойках пакета одежды после соответствующих преобразований с
учетом количества испаряющейся влаги с поверхности кожи человека в
зависимости от его уровня энергозатрат, сопротивления теплопередаче и
паропроницаемости слоев пакета одежды, упругости водяного пара в слоях
одежды и воздушной среде найдем по уравнению
φ воз.пр. =
  воз.ср. Евоз.ср.


 qч.   100%
Евоз.пр. 
100

1
(2)
где φ воз.пр – относительная влажность воздуха воздушной среды, %; Е воз. ср.
– максимальная упругость водяного пара, Па; qч. – количество влаги,
выделяемое человеком, г/м2ч; R напр. – сопротивление паропроницаемости
пакета одежды, м2 ч Па/г.
Как уже отмечалось, что величина максимальной упругости
водяного пара Е и упругость водяного пара е воздушной среды зависят от
температуры. Поэтому определим распределение температуры по слоям
пакета одежды, когда между поверхностью, телом человека и нижним
бельем имеется воздушная прослойка по следующей формуле :
 n = tв +
 к  tв

Lв нут.
( Rв оз.пр.  Rп ) Lв нут.  2п
(3)
где  n – температура поверхности тела человека, гигиенистами
принимается равной 33 оС; tв – температура воздушной среды, о С; Rп. –
сопротивление теплопередаче пакета одежд, м2 оС / Вт; Rвоз.пр. –
п термическое сопротивление воздушной прослойки, м2 оС / Вт;
толщина тканей в пакете одежды, м.
Как видно из таблицы 1, на термическое сопротивление воздушной
прослойки большое значение оказывает величина коэффициента излучения
текстильных материалов. Так, например, для толщины воздушной
прослойки толщиной 6 мм термическое сопротивление теплопередаче
изменяется от 0,12 до 0,18 Вт/м2 К4.
Характер распределения температуры по слоям спинки мужского
костюма инвалида определяется уравнением (2).
108
Таблица 1.
Термические сопротивления воздушных прослоек в пакете одежды с поверхностями,
имеющие различные коэффициенты излучения.
0,05
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
0,12
0,125
0,13
0,06
0,09
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,23
С поверхностью
металлизированной ткани С=1,5
Вт/м2 К4
и поверхностью
металлизированной ткани С=1,5
Вт/м2 К4
0,055
0,08
0,09
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,155
С поверхностью ткани
С= 4,4 Вт/м2 К4
Поверхность
металлизированной ткани С=1,5
Вт/м2 К4
С поверхностью бельевой ткани
С=4,4 Вт/м2 К4 и с
поверхностью ткани С=4,4
Вт/м2 К4
2
3
4
5
6
7
8
9
10
С поверхностью кожи С=3,49
Вт/м2 К4
Поверхность бельевой ткани
С=3,8 Вт/м2 К4
Толщины воздушных прослоек,
мм.
Термическое сопротивление воздушных прослоек, м2 оС/Вт
0,07
0,1
0,13
0,15
0,18
0,21
0,23
0,25
0,27
Как известно, между процессом теплопроводности и процессом
диффузии водяного пара существует полная аналогия. Поэтому все
процессы теплопроводности вполне применимы к диффузии водяного
пара, происходящей в одежде. Для определения величины упругости
водяного пара в слоях пакета одежды по аналогии с предыдущим
уравнением (2) посмотрим линии Е и е. Если линии упругости водяного
пара пересекаются с линией упругости максимальной упругости водяного
пара, в одежде происходит образование конденсата. Инвалид в такой
одежде, когда мокрый слой белья будет «прилипать» к поверхности его
кожного покрова, будет испытывать ощущение экологического
дискомфорта. Если линии упругости водяного пара не пересекаются с
линией максимальной упругости водяного пара, то образование конденсата
в слоях одежды не наблюдается, и он создаст инвалиду условия
экологического комфорта.
Автором разработан инженерный метод расчета термовлажностных
процессов в пакете одежды в зависимости от уровня энергозатрат человека
[2]. Он позволяет при конструировании одежды расчетным путем на
стадии ее проектирования установить, будет ли в слоях одежды
109
образовываться конденсат в виде капельно-жидкой влаги и выбрать для
нее такие материалы, которые обеспечат инвалиду условия влажностнотеплового комфорта.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ В ЖИЛЫХ КВАРТИРАХ
И ПАНСИОНАТАХ ИНВАЛИДОВ
В современных условиях нормирование температурно-влажностного
режима в жилых помещениях и пансионатах для инвалидов должны
обеспечить комфортные тепловые условия.
Тепловой комфорт – это такое физиологическое состояние, при
котором центральная нервная система получает наименьшее количество
внешних раздражений, свидетельствующих об изменениях окружающей
среды, а механизмом терморегуляции (сосудная система, система
потоотделения и т.д.) испытывают наименьшее напряжение. При этом
осуществление
всех
остальных
физиологических
функций
благоприятствует отдыху и восстановлению сил организма.
Вполне обоснованы такие гигиенические рекомендации по
дифференциальному нормированию и регулированию температуры
жилища в разные периоды суток. Очень существенно, что во время сна
ослабляется способность к терморегуляции, сглаживаются различия в
температуре глубоких и поверхностных тканей организма. Сон в условиях
даже небольшого перегрева протекает беспокойно, в то же время умеренно
низкая температура при хорошей теплоизоляции кожной поверхности
углубляет сон. Последнее обстоятельство особенно важно для здорового
сна людей преклонного возраста. Рекомендации гигиенистов по
микроклимату жилых помещений приведена в таблице 2.
Таблица 2.
Гигиенические требования к тепловому режиму жилища
в зависимости от возрастной группы.
Возрастн
ые
группы
Помещени
е
Температура
воздуха, оС
Влажность
воздуха, %
Скорость
воздуха, м/с
12-13 лет
Жилые
Спальни
20-22
16-17
45-50
35-50
0,1-0,15
0,08-0,1
Температура
внутренних
поверхностей
ограждающих
конструкций
18
15
20-30 лет
Жилые
Спальни
18-20
14-15
45-50
38-50
0,1-0,15
0,8-01
18
14
45-50 лет
Жилые
Спальни
20-22
16-17
45-50
38-50
0,1-0,15
0,08-0,1
18
15
110
Рекомендуемые параметры воздуха укладываются в диапазон 16-25
С, при котором энергетические затраты человека минимальны.
Общеизвестно, что сочетание высокой влажности не только с
теплым, но и с холодным воздухом неблагоприятно сказывается на
самочувствии человека. Чрезмерна сухость воздуха (менее 30%
относительной влажности) усиливает испарение влаги с поверхности
слизистых оболочек дыхательных путей, вызывает неприятные ощущения
и может привести к трещинам слизистой оболочки и кровотечению из
мелких сосудов. Высокая относительная влажность, особенно при высокой
температуре, может существенно ухудшить тепловое состояние человека,
снижая эффективность испарения пота и тем самым затрудняя
теплоотдачу. Для помещений в квартирах и пансионатах инвалидов
колебания относительной влажности не должны выходить за пределы 3060%. Оптимальные температуры и колебание относительной влажности в
таких пределах не оказывают заметного влияния на теплоотдачу и
теплоощущение человека. Оптимальной считается
относительная
влажность воздуха, равная 45%.
Движение воздуха облегчает отдачу тепла путем испарения,
способствуя охлаждению тела. В неподвижном воздухе сосудистые
реакции на термические раздражители становятся инертными. Такой
воздух неблагоприятно влияет на общий обмен и тепловое состояние
организма, вызывает ощущение подавленности, утомления, общего
плохого самочувствия. Установлено, что тепловое ощущение у человека
меняется уже при скоростях движения воздуха порядка 0,05-0,07 м/с.
Для создания в помещении теплового комфорта большое
гигиеническое значение имеют величины перепадов температуры воздуха,
как по горизонтали, так и по вертикали (градиент температуры).
Большинство специалистов считают, что температурные перепады не
должны превышать 2-3 оС. Тогда человек, находящийся в комнате и
одетый в обычную одежду, не ощущает неравномерности температуры.
В отечественные нормы заложены следующие параметры
микроклимата, которые определяют тепловой комфорт в помещениях. К
ним относятся температура внутреннего воздуха tв, температура
внутренних поверхностей ограждающих конcтрукций  в и скорость
движения воздуха V. Совокупность этих факторов и процессов их
изменения, определяет «тепловую обстановку» в помещении.
Оптимальные параметры по температуре, относительной влажности
и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне жилых и
общественных помещений приведены в таблице 3.
Как видно в рассматриваемых нормативных документах только
косвенным путем учитываются тепловые свойства человека. В связи с
этим на основе предложенной системы «человек – одежда – тепловая
среда» автором была разработана теплофизическая модель одежды
человека, представляющая полую стенку с внутренним источником
о
111
теплоты, начиная со слоя эпидермис, осуществляющего передачу
теплопроводностью, до концентрически расположенных слоев одежды.
Таблица 3.
Оптимальные нормы температуры, относительной влажности
и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений.
Период года
Теплый
Холодный и
переходные
условия
Температура
воздуха, оС
20-22
23-25
Относительная
влажность воздуха, %
30-60
30-60
Скорость движения
воздуха, м/с и более
0,2
0,2
20-22
30-45
0,2
На основе этой модели предложен и научно обоснован метод расчета
температуры внешней поверхности одежды человека с учетом ее
теплозащитных свойств и кривизны. Полученные уравнения теплового
баланса, описывающих условия конвективно-лучистого теплообмена
человека в замкнутом объеме помещения с его внутренними
поверхностями, устанавливаются размеры зон теплового комфорта и
дискомфорта. Их граница определяется величиной оптимального
средневзвешенного конвективно-лучистого потока, теряемого человеком.
При этом теплоизаляционные свойства одежды учитываются средней
температурой внешней поверхности одежды человека и открытых
участков кожи.
Предлагаемый метод расчета зон теплового комфорта и дискомфорта
позволяет рационально разместить в жилых комнатах инвалидов
расстановку мебели, включая и места для отдыха.
Полученные
новые
аналитические
зависимости
между
теплозащитными свойствами одежды инвалидов и тепловым комфортом,
позволяют дать ряд практических рекомендаций по конструированию
одежды для инвалидов. В частности, за счет применения для внешней
поверхности материалов с низким коэффициентом излучения. Так
материалы светлых тонов с коэффициентом излучения 3,0-3,25 Вт/м2 К4 по
сравнению с традиционными материалами 4,75-5,0 Вт/м2 К4 позволяют
теплозащитные свойства одежды инвалидов увеличить с 0,19-0,22 м2 оС/Вт
до 0,34-0,37 Вт/м2 К4.
По этой методологии определена зона теплового комфорта и
дискомфорта в жилой комнате размером 3,2х4,5 и площадью 14,4 м2.
Установлено, что при учете в расчетах теплозащитных свойств одежды по
температуре ее поверхности и открытых участков кожи 28,5оС зоны
теплового дискомфорта занимают 3,8 м2. Если считать, как это принято у
112
гигиенистов по температуре поверхности головы 31оС или по
средневзвешенной поверхности кожи под одеждой человека 33оС, то
площади зоны теплового дискомфорта соответственно составляет 8,0 м2 и
14,4 м2.
Таким образом, одежда инвалида с теплозащитными свойствами от
0,19 до 0,22 м2 оС/Вт позволяет ему в помещении зимой находиться в
условиях теплового комфорта.
ПЕРСПЕКТИВЫ УЛУЧШЕНИЯ ОДЕЖДЫ ИНВАЛИДОВ.
Для одежды инвалидов нужны современные текстильные материалы,
которые обеспечивают инвалиду как тепловой, так и экологический
комфорт. На рынке появилось много новых текстильных материалов, к
ним можно отнести и ткани из модифицированных полиэфирных волокон.
Они изготавливаются из синтетических нитей, которые в несколько раз
тоньше человеческого волоса. Их волокно представляет клинообразное
сечение в виде восьмигранника с микрокапеллярами. Из этих тканей
изготавливают термобелье, и, как следует из проспектов зарубежных
фирм, оно должно иметь высокие теплозащитные свойства.
Однако надо отметить, что для новых отечественных и особенно
зарубежных
материалов
практически
нигде
не
проводятся
теплофизические характеристики. В рекламных проспектах нет
конкретных показателей по теплопроводности, сорбционным свойствам и
т.д. Произвести теплотехнические расчеты одежды с термобельем из-за
отсутствия коэффициентов теплопроводности не представляется
возможным.
В связи с этим на кафедре Экологии и безопасности
жизнедеятельности РосЗИТЛП на приборе ИТП-МГ4«100»-Зонд
предполагается провести комплексные исследования по определению
коэффициентов теплопроводности новых текстильных материалов
отечественного и зарубежного производства.
Результаты этих исследований позволят получить распределение
температурных полей по слоям одежды инвалидов и на их основе
установить степень тепловой и экологической комфортности различных
моделей одежды инвалидов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенный метод расчета температур в пакете одежды в
зависимости от лучистого и конвективного теплообмена человека дает
возможность определить тепловое состояние инвалида. Эта методика
позволяет определить зоны теплового комфорта и дискомфорта с учетом
теплозащитных свойств одежды в помещении и обеспечить благоприятные
условия жизнедеятельности инвалидам.
113
ЛИТЕРАТУРА
1. Умняков П.Н. Термовлажностные процессы в пакете одежды при
различном уровне энергозатрат человека. Сб.: Новое в науке и
производстве текстильной и легкой промышленности. Вып. З. М.:
РосЗИТЛП, 2007.
2. Умняков П.Н. Основы расчета и прогнозирования теплового
комфорта и экологической безопасности на предприятиях
текстильной и легкой промышленности,- М: Информ-Знания, 2003.