Книга предназначена для широкого круга инженерно-технических работников швейной и текстильной промышленности и может быть полезна для студентов технических вузов легкой и текстильной промышленности.
Рецензент А. Я. Изместьева
Решениями XXII съезда КПСС перед народным хозяйством нашей страны поставлена задача обеспечить быстрый рост производства предметов народного потребления при непрерывном повышении их качества.
В ассортименте товаров народного потребления большой удельный вес занимает теплозащитная одежда.
В климатических условиях Советского Союза теплозащитная одежда является предметом первой необходимости, от качества которой часто зависит сохранение здоровья и работоспособности населения.
Однако научная разработка основ проектирования и массового производства теплой одежды, а также методов ее оценки „значительно отстает от требований потребителя. Теплозащитные свойства одежды остаются малоисследованной и малоизученной областью. В результате этого швейная промышленность вынуждена часто выбирать материал и изготовлять одежду сугубо эмпирически, без учета гигиенических требований, климатических условий, особенностей трудовых процессов и других факторов.
Изготовляемая в настоящее время зимняя одежда часто материалоемка (тяжела) и в ряде случаев недостаточно тепла.
Проектирование рациональной теплозащитной одежды для различных климатических и производственных условий является большой и весьма сложной научной проблемой, успешно ре шить которую можно только на базе комплексного использова ния данных физиологии, гигиены одежды, климатологии, теплофизики, текстильного материаловедения и конструирования одежды.
За последние годы в СССР и за рубежом накоплено значительное число работ по изучению различных .свойств одежды. В области физиологии проведены исследования процессов терморегуляции и теплообмена организма человека с внешней средой в различных климатических условиях при выполнении разнообразных трудовых операций, а также исследования энергетических затрат человека. ?
Много работ посвящено гигиенической оценке готовой одежды, требованиям, предъявляемым к ней, установлены зоны комфорта одежды для различных условий труда и климата. Изучено влияние ряда факторов на теплозащитные свойства одежды, разработаны методы оценки физико-механических свойств материалов одежды, оказывающих существенное влияние на ее гигиенические свойства.
Активно разрабатывается теория теплопередачи через теплоизоляционные материалы и готовые конструкции одежды, создан ряд приборов для оценки теплозащитных свойств материалов и комплектов одежды, проектируются рациональные износоустойчивые структуры тканей. Создан ряд конструкций специальных видов одежды для защиты человека в особо холодных климатических районах.
Однако серьезным недостатком работ, проводимых в области создания науки об одежде, является их значительная разобщенность, отсутствие координации и должной целеустремленности. По ряду важнейших физико-гигиенических требований к одежде до сих пор не установлены нормативные показатели, и поэтому значительная часть упомянутых выше работ не нашла практического применения и не оказала существенного влияния на процессы промышленного проектирования и производства одежды. Результаты проведенных исследований недостаточно обобщены, а изложены в отдельных статьях, сборниках, информациях, опубликованных различными издательствами.. Значительная часть материалов в виде отчетов по научно-исследовательским работам хранится в библиотеках институтов неопубликованная.
В специальной научно-технической и учебной литературе, посвященной материаловедению и технологии производства одежды, вопрос о ее теплозащитных свойствах фактически не освещен. В предлагаемой вниманию читателя книге «Теплозащитные свойства одежды» делается практически первая попытка в какой-то мере восполнить этот пробел.
В данной монографии представлен систематизированный и обобщенный материал об основах процесса теплообмена организма человека с внешней средой и о физиолого-гигиенических требованиях, предъявляемых к теплозащитной одежде для различных условий труда и климата. Эта часть материала, которая в практике работы конструкторов одежды обычно не привлекает к себе внимания, является научным обоснованием технологический требований к одежде различного назначения.
Особое внимание в книге уделено вопросам расчета теплопередачи через пакет одежды и изложению основ теории приближенного теплового расчета ее для различных условий труда и внешней среды. Следует отметить, что наши познания в области физиологии и теплофизики теплообмена организма че-
лавека через одежду с (внешней средой пока еще не дают достаточных данных для точных расчетов теплозащитных свойств одежды. Однако использование разработанных Г. М. Кондратьевым, М. И. Будыхо, К. Ф. Фокиным и др. приближенных методов теплового расчета одежды уже позволяют научно обосновать процесс проектирования теплозащитной одежды.
В книге рекомендуется конструктору при проектировании рациональной теплозащитной одежды учитывать следующие основные факторы:
1. Климатические особенности различных районов страны.
2. Физиологические особенности теплообмена организма человека с внешней средой.
3. Основные гигиенические требования к одежде и применяемым для ее изготовления материалам.
4. Теплофизические свойства материалов одежды.
5. Рациональные принципы построения теплозащитной одежды.
Автор убедительно просит специалистов швейной и текстильной промышленности указать замеченные недостатки и сообщить свои пожелания по дальнейшей работе в этой области.
Большую помощь в проведении данной работы и при составлении книги оказали К. Г. Гущина и Е. И. Смагина, а также А, М. Шпаер, А. Ф. Афанасьева и рецензент А. Я. Изме-стьева, давшие ряд ценных советов и предложений, за что автор приносит им искреннюю благодарность.
ГЛАВА 1
ТЕПЛООБМЕН ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
1. ЗНАЧЕНИЕ ОДЕЖДЫ В ТЕПЛООБМЕНЕ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
Основным назначением теплозащитной одежды является защита организма человека от неблагоприятных воздействий внешней среды (низкая температура, ветер, туман, дождь, снег и др.). Одежда создает человеку искусственно регулируемый микроклимат^ который, снижая теплопотери организма, обеспечивает благоприятные условия дли поддержания постоянства температуры тела.
Таким образом, одежда, являясь барьерам, изолирующим организм человека от более низких температур окружающей среды, сохраняет тепловой баланс организма человека, предотвращает излишнюю теплоотдачу.
Создаваемый одеждой микроклимат по своим параметрам значительно отличается от климата внешней среды и характеризуется более постоянной и изменяемой в сравнительно небольших пределах температурой, малой относительной влажностью и слабым движением воздуха.
Следовательно, наибольшее значение одежда имеет для процессов теплообмена организма человека с внешней средой, для обеспечения нормальной деятельности терморегуляции человека и связанного с ней ощущения комфорта.
Одежда, ограждая человека от неблагоприятных воздействий внешней среды, погоды и климата, позволяет ему жить и работать в любых метеорологических условиях —от жесточайших морозов Антарктиды (—88,3° С) до сильнейшей жары.
Дальнейшее покорение природы и проникновение человека в межпланетное пространство (космос) еще более повышает значение одежды для сохранения здоровья и работоспособности человека.
На рис. 1 представлены кривые, полученные А. Д. Астафьевым, С. И. Слоневским и К- Ф. Фокиным [1], о потерях тепла
различно одетого человека в условиях комнатных температур. Как видно на рисунке, теплопотери одетого' человека по сравнению с неодетым резко уменьшаются. Интенсивность уменьшения теплопотери зависит от теплового сопротивления одежды.
Снижение потерь тепла телом человека сказывается ib большей степени при более низких температурах воздуха. Тепло-потери организма при снижении температуры внешней среды возрастают тем быстрее, чем меньше теплозащитные свойства одежды. Снижая потери тепла, одежда уменьшает теплопродукцию, т. е. интенсивность окислительных процессов организма.
Резкое задерживающее влияние одежды на теплоотдачу испарением 'проявляется с момента совпадения температур кожи и воздуха, когда вся теплоотдача организма осуществляется только испарением. Увеличение доли теплоотдачи испарением у одетого человека наблюдается при температуре 29° С, а у неодетого при 32° С. По данным Броди, нарастание теплоотдачи испарением начинается у людей при температуре 29—32° С в зависимости от сезона и уровня акклиматизации и повышается далее на 15—19% на каждый последующий градус прироста температуры.
Теплоотдача конвекцией и радиацией изменяется значительно резче под влиянием одежды. При низких температурах теплоотдача у одетых людей нарастает более плавно; при высоких температурах одежда обеспечивает менее быстрый темп притока тепла к телу из внешней среды.1
Как видно на рис. 2, кривые потери тепла конвекцией и радиацией одетого и неодетого человека указывают, что интенсивность теплоотдачи изменяется .прямо пропорционально внешним условиям. И, наконец, графики показывают, что дефицит теплосодержания в организме человека в зоне низких температур начинается у неодетого человека значительно раньше, чем у одетого, и нарастает значительно быстрее.
Физиолого-гигиенические данные подтверждают, что одежда является эффективным средством защиты организма человека от неблагоприятных воздействий внешней среды.
Зоны хорошего самочувствия (комфорта) человека в одежде обычно совпадают с такими метеорологическими условиями, при которых теплопотери соответствуют теплопродукции (вырабатываемому теплу) организма, т. е. в организме устанавливается тепловое равновесие.
В связи с тем что теплопродукция организма в значительной степени зависит от физической нагрузки, зоны комфорта для людей, находящихся в покое, и людей, выполняющих тяжелую работу, не совпадают.
Так как человеческий организм способен в известных пределах регулировать теплопродукцию, то и зона метеорологических параметров, в пределах которой сохраняется равновесие между теплопродукцией и теплопотерями, имеет некоторую протяженность как в диапазоне определенных температур, так и скорости движения окружающего воздуха. При увеличении теплозащитных свойств одежды зона перепада температур внешней среды, в пределах которой изменение теплопродукции может компенсировать теплопотери, расширяется:
Проектирование комфортабельной одежды, которая в состоянии обеспечить тепловое равновесие организма при различных условиях труда и климата, представляет собой практически крайне сложную задачу.
Данные Тейхнера }5] показывают, что средняя температура кожи под одеждой соответствует температуре внешней среды и скорости движения воздуха и может служить критерием при оценке теплового состояния организма для данных внешних условий, а следовательно, и теплозащитных свойств одежды.
При проектировании одежды, которая должна обеспечить человеку условия комфорта, важно знать основные параметры пододежного воздуха-—температуру и влажность, соответствующие этой одежде.
В табл. 1, составленной В. И. Кричагиным и Р. Ф. Афанасьевой, представлены данные о влиянии на организм человека различных сочетаний температуры и влажности воздуха в условиях покоя или выполнения легкой работы при отсутствии ветра и радиационной тепловой нагрузки. Из табл. 1 видно, что данные о связи теплоощущений с параметрами температуры и абсолютной влажности воздуха, полученные различными авторами (Фрейдлин, Путилова и др.), приблизительно совпадают
Одежда, которая обеспечивает человеку, находящемуся в конкретных условиях, ощущение комфорта, в данной монографии названа комфортабельной.
Влияние на организм человека различных сочетаний температуры и влажности воздуха и могут служить достаточно обоснованным критерием для оценки микроклимата пододежного воздуха.
Как указывалось, особо большое значение имеет одежда в условиях низких температур и повышенной скорости движения воздуха; последнее оказывает крайне существенное влияние на охлаждение организма,
На рис. 3 по наблюдениям В. И. Кузьминой и С. А. Клкь гина {6] представлены данные о степени охлаждения организма рабочих при различной скорости воздуха. Как видно на рис. 3, температура кожи при температуре воздуха минус 10° С и скорости движения воздуха v = 6 м/сек снижается почти до таких же величин, как при температуре воздуха минус 25° С, но при скорости его движения до 1 м/сек.
Поэтому при проектировании одежды для условий низких температур и ветра особое внимание необходимо уделять снижению ее воздухопропускаемости.
Для того чтобы человек мог противостоять действию низких температур окружающей среды, он должен иметь такую одежду, теплоизоляция которой могла бы компенсировать большую часть теплопотерь.
А. С. Бартон, О. Ж. Эдхолм [7] отмечают, что одежда не только понижает «критическую температуру», ниже которой начинается усиление обмена веществ, но и понижает требуемое увеличение обмена до значительно меньшей величины, чем та, которая необходима при отсутствии одежды.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
Терморегуляция
Человеческий организм представляет собой термостатированную систему с внутренним источником тепла, в которой в нормальных условиях количество вырабатываемого тепла —теплопродукция — соответствует количеству тепла, отдаваемому во внешнюю среду,— теплоот- Рис. 3. степень охлаждения орга-д а ч е. Тепловое равновесие ме- низма человека при различной ско-жду организмом человека и ок- роста движения воздуха
ружающей его средой соответствует условиям комфорта и зависит от температуры стен и поверхностей, окружающих предметов, скорости движения воздуха, влажности воздуха, характера одежды и величины теплопродукции человека.
На основании данных физиологии [8—-20] температура тела человека устанавливается в результате взаимодействия процессов выработки тепла (теплопродукции) и отдачи его в окружающую среду. Если теплопродукция (Организма равна теплоотдаче, то температура тела человека остается на постоянном уровне.
При изменении соотношения между величинами теплопродукции и отдачи тепла происходят колебания температуры тела
человека. При превышении теплопродукции над теплоотдачей температура тела повышается, и наоборот.
Отличительным свойством человеческого организма, как и всех теплокровных (гомойотермных), является поддержание постоянства температуры тела в зависимости от температурных условий внешней среды.
Совокупность физиологических- процессов, обусловленных деятельностью центральной нервной системы, поддерживающих температуру тела ;на постоянном уровне, называется терморегуляцией.
Таким образом, организм человека представляет собой само-регулируемую систему, в которой количество образованного тепла равно количеству тепла отданного во внешнюю или окружающую среду.
Постоянство температуры тела осуществляется благодаря регулированию интенсивности теплопродукции и теплоотдачи в зависимости от температуры внешней среды.
При увеличении выработки тепла в организме или в случае нагревания организма внешним источником высокой температуры, механизм терморегуляции увеличивает теплоотдачу организма. В случае действия на организм низкой температуры, могущей вызвать охлаждение тела, механизм терморегуляции вызывает рост теплопродукции и уменьшение теплоотдачи. Оба эти процесса (теплопродукция и теплоотдача) обусловлены деятельностью центральной нервной системы, регулирующей обмен веществ, кровообращение, потоотделение и деятельность скелетных мышц.
Так как теплообразование зависит от интенсивности химических реакций обмена веществ, то регуляцию, которая обеспечивает рост обмена (при охлаждении тела, обычно называют химической терморегуляцией (В. И. Быков). С другой стороны, как было установлено выше, если отдача тепла организмом осуществляется физическими процессами — теплопроводностью, конвекцией, излучением и испарением, то регуляцию теплоотдачи (ее рост при нагревании и падение при охлаждении) называют физической терморегуляцией.
Химическая терморегуляция осуществляется главным образом вследствие изменений в организме интенсивности окислительных процессов. Однако она часто связана и с мышечной деятельностью. Так, при сильном охлаждении организма мышечная дрожь вызывает значительное повышение теплопродукции. Новейшими исследованиями механизма терморегуляции [21] человека обнаружено, что мышцы человека совершают непрерывные колебания (микровибрация), которые являются основной причиной повышения обмена веществ.
Таким образом, повышенная интенсивность микровибрации мышц приводит к усилению химической терморегуляции.
Физическая терморегуляция осуществляется, в первую очередь, изменением температуры кожи, благодаря расширению кожных сосудов при высоких температурах и сужению при низких температурах, изменению интенсивности потоотделения (испарение пота с поверхности кожи) и дыханию (испарение воды легкими). Температура кожи зависит от количества притекающей к ней по кровеносным сосудам крови: расширение сосудов кожи и увеличение количества притекающей крови ведет к усилению теплоотдачи, сужение их — к снижению теплоотдачи.
Теплоотдача испарением усиливается при повышении температуры окружающей среды. Согласно данным физиологии большое знаяение в теплоотдаче имеет поза животного (уменьшение поверхности отдачи тепла на холоде путем «съеживания» и увеличение этой поверхности при высоких температурах путем распластывания).
Итак, с точки зрения теплофизики организм человека можно рассматривать как термостабильную систему, в которой механизм терморегуляции автоматически поддерживает равновесие между теплообразованием и теплоотдачей.
Терморегуляция в организме человека происходит рефлек-торно благодаря раздражению температурных рецепторов кожи и слизистых оболочек, что приводит к возникновению нервных импульсов, возбуждающих нервные центры.
Говоря о постоянстве температуры тела, следует иметь в виду, что это относится только к температуре внутренних органов. А температура кожи человека при воздействии на нее внешней среды изменяется в относительно широких пределах. Так, если колебания температуры внутренних органов (обычно не превышают 1°С, то при различных условиях внешней среды температура отдельных участков поверхности тела может меняться на 20° С и более.
На рис. 4 представлена топография температуры кожи у неодетого человека в покое в условиях комнатной температуры.
Теплопродукция
Теплр в организме человека (образуется в процессе биологического обмена веществ в результате химических реакций, протекающих с выделением тепла.
Интенсивность образования тепла, т. е. теплопродук-ц и и, в процессе жизнедеятельности организма человека зависит от его возраста, пола, от температуры окружающей среды, питания, мышечной деятельности и других факторов.
С понижением температуры (внешней среды в результате усиления химических реакций обмена веществ теплопродукция увеличивается. Прием пищи и следующие за ним процессы пищеварения приводят к повышению теплопродукции. Поэтому поддержание высокого уровня теплопродукции требует усиленного питания. Особенно резко возрастает теплопродукция при мышечной работе. Чем интенсивнее и напряженнее деятельность человека, тем больше он продуцирует тепла и тем больше, в свою очередь, оно должно отдаваться для достижения теплового равновесия с окружающей средой. Следовательно, с увеличением интенсивности труда тепловое сопротивление одежды должно уменьшаться.
Наиболее низкие величины расхода энергии наблюдаются у человека в состоянии покоя. Количество энергии, расходуемое организмом человека при полном мышечном покое, до приема пищи при температуре внешней среды, соответствующей минимальной активности механизма терморегуляции, называется основным (стандартным) обменом. Основной обмен, обычно вычисляемый в калориях на единицу веса или единицу поверхности тела, зависит от функционального состояния организма, от пола, возраста, веса. Основной обмен у лиц одинакового пола, роста, веса и возраста приблизительно одинаков и колеблется в пределах 10—15%.
По данным К. М. Быкова и др., основной обмен у мужчин и женщин, вычисленный на 1 м2 поверхности тела, имеет в зависимости от возраста следующие значения (ккал/ч):
Возраст в годах У мужчин У женщин
14—16 46,0 43,0
16—18 43,0 40,0
18—20 41,0 38,0
20—30 39,5 37,0
30—40 39,5 36,5
40—50 38,5 36,0
50—60 37,5 35,0
60—70 36,5 34,0
70—80 35,5 33,0
В условиях покоя практически вся энергия, образующаяся при обмене веществ в организме человека, в конечном итоге
выделяется в виде тепла. При мышечной деятельности значительная часть энергии расходуется в виде механической работы.
Среднее количество теплоты, выделяемое телом взрослого мужчины в лежачем положении на голодный желудок, примерно 40 ккал!м2-ч. В сидячем положении в условиях спокойного отдыха выделение тепла возрастает до 50 ккал/м2-ч.
По данным А. П. Геррингтона, А. С. Бартона и др., относительнее выделение тепла в различных условиях деятельности человека составляет (ккал/м2 ч):
Во время сна 40
спокойного сидения .. 50
В стоячем положении 75
При медленном передвижении 100
нормальном движении 150
быстрой ходьбе ... 200
среднем уровне мускульного напряжения . 250
коротких периодах тяжелого труда ..500
Работами К. М. Быкова, М. Е. Маршака и др. {8—11, 14] показано, что теплообразование регулируется организмом на основе безусловно рефлекторных механизмов, так как в организме человека в состоянии полного покоя никогда не прекращается работа сердца, дыхание мышц, деятельность почек, печени и т. д. Некоторое напряжение скелетных мышц сохраняется и при полном расслаблении мускулатуры во- время лежания и сна.
По данным К. М. Быкова и др., следует, что из общего количества обмена веществ приблизительно 4—6% обмена приходится на сердечную мышцу, 4—6% яга почки, 20—30% на печень и органы пищеварительного тракта, 2—5% на нервную систему и 40—50% на скелетную мускулатуру.
При мышечной деятельности обмен веществ в мускулатуре резко возрастает. По сравнению с уровнем обмена при спокойном лежании спокойное сидение вызывает повышение обмена на 12%, стояние — на 20 %, быстрая ходьба — на 80—100%, бег — на 400%.
Интенсивная мышечная работа может повысить обмен веществ в 10 раз и больше во сравнению с обменом веществ при покое.
Ниже представлены данные М. И. Виноградова ю суточных энергетических затратах человека в зависимости от тяжести работы.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
