Сон – очень важная часть нашей жизни. Что нужно человеку, чтобы хорошо выспаться? Кому-то необходима темнота и тишина, а кто-то любит засыпать под звук телевизора или музыки, кто-то встает бодрым после 5 часов сна, другому нужно 8 или 9. Все люди разные, но есть и кое-что общее для всех нас: комфортная температура. Кому удастся сладко заснуть, мучаясь от жары или дрожа от холода? Проблема в том, что в одной и той же комнате одному может быть жарко, другому холодно, а третьему – комфортно. Что же означает это “комфортно”?
Факторы, влияющие на человеческий комфорт:
– метаболизм (энергия, генерируемая человеческим организмом);
– тепловая изоляция одежды;
– температура окружающего воздуха;
– радиационная температура (взвешенная температура всех поверхностей, окружающих человека);
– скорость движения воздуха;
– относительная влажность воздуха.
Количество вырабатываемого человеком тепла называется теплопродукцией. Интенсивность образования тепла в процессе жизнедеятельности человека зависит от возраста, пола, температуры окружающей среды, питания, интенсивности мышечной деятельности. Данные о теплообразовании необходимы для расчета теплопотерь организма, которые в свою очередь служат основой для расчета термического сопротивления одежды. По физиолого-гигиеническим данным, метаболизм во время сна и отдыха (лëжа) составляет 76–90 Вт. Т.к. физические нагрузки отсутствуют, то вся эта энергия переходит в тепловую. Теплоотдача происходит преимущественно через кожу (83%) и отчасти через слизистые оболочки. Регулируется она путем изменения циркуляции крови (расширения и сужения кровеносных сосудов) и за счет повышения или ослабления потоотделения.
Qтп =±Qрад±Qконв±Qконд+Qисп.диф+Qисп.дых+Qисп.п±Qвдых±D,
где
Qтп – теплопродукция человека, Вт;
±Qрад – потери (приток) тепла радиацией, Вт;
±Qконв – потери (приток) тепла конвекцией, Вт;
±Qконд – потери (приток) тепла кондукцией, Вт;
+Qисп.диф – потери тепла при испарении диффузионной влаги с поверхности кожи, Вт; +Qисп.дых – потери тепла при испарении влаги с верхних дыхательных путей, Вт;
+Qисп.п – потери тепла при испарении пота, Вт;
±Qвдых − потери (приток) тепла при нагревании вдыхаемого воздуха, Вт;
±D – дефицит тепла, Вт.
Тепловой комфорт в состоянии покоя – это энергетический баланс, когда отдача тепла (конвекция, кондукция, излучение, испарение пота и т.д.) равна метаболизму. Основная часть отдачи тепла организмом в состоянии покоя (при температуре среды 20оС) приходится радиационное излучение (43,74%), конвекцию (31,0%), и испарение пота (21,71%), остальные потери тепла не столь существенны. Уменьшить потери тепла радиацией можно лишь используя материалы с высокими отражающими свойствами.
Qрад = αрадSрад(t1−t2),
где αрад – коэффициент излучения, Вт/(м2·○С); Sрад – площадь поверхности тела человека, участвующей в радиационном теплообмене, м2 (это 71−95% площади всего тела); t1 − температура поверхности тела, ○С; t2 − температура поверхности окружающих тел, ○С.
Потери тепла конвекцией напрямую связаны со скоростью движения воздуха, а так же с толщиной воздушных прослоек, образующихся в пододежном пространстве.
Qконв = αконвS(tч−tв),
где αконв – коэффициент теплоотдачи конвекцией (зависит от скорости движения воздушного потока), Вт/(м2·○С); S – площадь поверхности тела, м2; tч – температура поверхности тела человека, ○С; tв – температура воздуха, ○С.
Скорость испарения влаги с поверхности тела в условиях помещения зависит от разности парциальных давлений пара около кожи и в окружающем воздухе, а также от воздухо- и паропроницаемости одежды. Минимальная активность потовых желез (неощутимое потоотделение) составляет 40-60 г/ч. Потери тепла при испарении диффузионной влаги с поверхности кожи:
Qисп.диф= 3,06·10–3S(256tk – 3360 – Pa),
где tк – температура кожи, ○С; Ра – парциальное давление пара в окружающем воздухе, Па.
Потоотделение является наиболее мощным механизм терморегуляции, играющим важную роль в условиях сильного перегрева организма.
Qисп.п = 17,3 (Рнас.к− Ра) (0,5+V),
где Рнас.к – максимально возможное давление насыщенного пара при температуре кожи, Па; V − скорость движения воздуха, м/с.
Основная задача одеяла урегулировать тепловой поток таким образом, чтобы поддерживать комфортное значение температуры в пододеяльном пространстве не напрягая при этом внутренние механизмы терморегуляции человека. То есть одеяло должно сохранять тепло, однако при этом обладать достаточной воздухо- и паропроницаемостью, чтобы отводить лишнюю влагу от тела и не до пускать перегрева.
Тепловой поток, проходящий через одеяло с единицы поверхности тела человека рассчитывается по формуле:
q = Qтп/S = Qo/So,
где Qтп – теплопродукция человека, Вт; S – общая площадь тела человека, м2; Qo – тепло, проходящее сковозь одеяло, Вт; So – площадь тела, закрытая одеялом, м2.
Зная условия, в которых будет эксплуатироваться текстильное изделие, можно, используя вышеприведенные формулы, рассчитать оптимальную величину теплового сопротивления одеяла. Этот коэффициент для одежды часто измеряется не в привычной системе единиц СИ, а во внесистемных единицах clo. (clo – единица измерения, придуманная специально для расчетов теплового сопротивления пакетов одежды, за 1 clo принято тепловое сопротивление легкой домашней одежды, обеспечивающей комфорт среднестатистическому человеку при температуре воздуха 21○С при отсутствии ветра).
Рис.1 Принцип многослойности в одежде.
Пока не существует такого материала, который бы в одиночку справился со всеми необходимыми функциями (теловым сопротивлением и влагоотведением), однако в спортивной одежде эта задача успешно решается, с использованием принципа многослойности (рис. 1). Почему бы не применить аналогичный принцип для обеспечения человеку комфортных условий для сна?
Первый слой – влагоотводящий и быстро сохнущий – материал Coolmax. Он заменяет постельное белье, является первым, ближним к коже слоем. Его задачей не является сохранение тепла, а только отведение влаги от тела. Полиэстеровое волокно Coolmax обладает рядом характеристик, позволяющих применять этот материал для пошива нательного белья (футболок и носков), а в нашем случае использовать в качестве первого, ближнего к телу слоя одеяла:
– отсутствие аллергических реакций;
– прочность и долговечность;
– специальная структура волокон и плетения, позволяющая телу «дышать» и восстанавливать качественную терморегуляцию при низких и высоких температурах;
– тактильный контакт с тканью оставляет приятные ощущения (материал гладкий и очень мягкий, не прилипает к телу);
– при стирке или попадании влаги быстро высыхает;
Свойства волокон Coolmax связаны с его особой структурой. В частности, речь идет о сечении круглой формы и четырех каналах, которые увеличивают площадь поверхности ткани на 20% и придают повышенные капиллярные свойства. В результате такого «строения» ткань Coolmax значительно выигрывает в сравнении с изделиями из натуральных материалов, из которых традиционно изготавливается постельное белье, так как не только моментально впитывает влагу, но и быстро выводит ее на поверхность, а структура плетения позволяет водяным парам свободно проходить через поры материала. За счет капиллярного эффекта вода (капли пота) поднимаются на поверхность материала где быстро высыхают за счет конвекции, т.к. структура волокна имеет увеличенную площадь поверхности.
Рис.2. Строение материала Collmax.
В качестве второго слоя, утеплителя, был выбран Shelter. Коэффициент термического сопротивления этого материала составляет 2.15 clo. Это очень высокий показатель, поэтому для домашнего использования можно обойтись меньшей толщиной без потери общего теплового сопротивления одеяла. Этот утеплитель является полностью синтетическим, что является в данном случае только плюсом. Мы привыкли думать, что натуральные материалы лучше синтетических, однако, во многих случаях это не так. От утеплителя в одеяле с точки зрения физики нам необходимы следующие свойства: сохранение тепла при хорошей паропроницаемости и минимальной гигроскопичности. С точки зрения человеческого комфорта – гипполергенность, мягкость, легкость и способность восстанавливать форму после сжатия и стирки. Всем этим качествам отвечают только синтетические утеплители.
Рис. 3. Утеплитель из синтетического волокна.
Длинные нити волокон, из которых состоит материал утеплителя обладают очень малой толщиной, поэтому на единицу поверхности приходится гораздо больше отдельных волокон, чем в обычной ткани. Благодаря этому внутри создаются множество воздушных полостей, которые и обеспечивают термоизолирующие свойства. При этом полости не замкнуты, и водяные пары легко выходят наружу. Материал, из которого изготовлено микроволокно, отличается почти нулевой гигроскопичностью и очень низкой смачиваемостью, поэтому наполнитель почти не впитывает воду. При создании данного материала, за основу была взята структура гусиного пуха, являющегося, как известно, отличным утеплителем (мягким, легким, обладающим высоким коэффициентом термического сопротивления), однако, обладающего рядом свойств (гигроскопичность, сложность чистки и т.д.), от которых свободны синтетические материалы. Благодаря своей мягкости изделие принимают необходимую форму. Одеяло облегает спящего человека, уменьшая величину воздушной прослойки между одеялом и человеческим телом. Почему это важно? Дело в том, что хорошими теплоизолирующими свойствами обладают только тонкие замкнутые воздушные прослойки (как например в порах утепляющего материала). При увеличении толщины прослойки в ней начинается движение воздушных масс, что приводит к сильной потере теплового сопротивления. Кроме того, благодаря своей длинно-волокнистой структуре, похожей на пух, наполнитель восстанавливает свой объем лучше, чем другие материалы даже после множества стирок и сушек.