Тепловые и диффундирующие процессы в одежде инвалидов при различном уровне энергозатрат

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Тепловые и диффундирующие процессы в одежде инвалидов при различном уровне энергозатрат

П.Н. Умняков

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

Q_ч = Q _ч.л. + Q_ч.к. + Q _ч.н. + Q _ч.л. (1)

где Q_ч - общая теплоотдача человека, Вт/м²;

Q_ч.л - теплоотдача человека излучением пот отношению к внутренним поверхностям помещения, Вт/м²;

Q_ч.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

Q_ч > Q _ч.л. + Q_ч.к. + Q _{ч. н.} + Q _ч.л. ,

то в теле человека образуется излишнее тепло и организм перегревается. Если

Q_ч < Q_ч.л. + Q_ч.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 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

ц _воз.пр. = (2)

где ц _воз.пр - относительная влажность воздуха воздушной среды, %;

Е _{воз. ср}. - максимальная упругость водяного пара, Па;

q_ч. - 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:

= t_в + (3)

Где - температура поверхности тела человека, гигиенистами принимается равной 33^оС;

t_в - температура воздушной среды, ^о С;

R_п. - сопротивление теплопередаче пакета одежд, м^{2 о}С / Вт;

R_воз.пр. - термическое сопротивление воздушной прослойки, м^{2 о}С / 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).

Таблица 1

Термические сопротивления воздушных прослоек в пакете одежды с поверхностями, имеющие различные коэффициенты излучения

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 образовываться конденсат в виде капельно-жидкой влаги и выбрать для нее такие материалы, которые обеспечат инвалиду условия влажностно-теплового комфорта.

комфортность теплозащитный одежда инвалид

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.

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 30-60%. 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%.

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.

Рекомендуемые параметры воздуха укладываются в диапазон 16-25^оС, при котором энергетические затраты человека минимальны.

Таблица 2

Гигиенические требования к тепловому режиму жилища в зависимости от возрастной группы

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 t_в, температура внутренних поверхностей ограждающих конcтрукций 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.

Таблица 3

Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений

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 теплоты, начиная со слоя эпидермис, осуществляющего передачу теплопроводностью, до концентрически расположенных слоев одежды.

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 м^{2 о}С/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 28,5^оС зоны теплового дискомфорта занимают 3,8 м². Если считать, как это принято у гигиенистов по температуре поверхности головы 31^оС или по средневзвешенной поверхности кожи под одеждой человека 33^оС, 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 м^{2 о}С/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 микрокапиллярами. 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.

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.

Размещено на allbest.ru