Численные методы в оценке и прогнозировании качества теплозащитной одежды

ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ 
В ОЦЕНКЕ
И ПРОГНОЗИРОВАНИИ 
КАЧЕСТВА 
ТЕПЛОЗАЩИТНОЙ 
ОДЕЖДЫ

А.В. АБРАМОВ
М.В. РОДИЧЕВА
Ю.С. ШУСТОВ

Москва
ИНФРА-М
2023

МОНОГРАФИЯ

ISBN 978-5-16-017848-6 (print)
ISBN 978-5-16-110859-8 (online)

© Абрамов А.В., Родичева М.В., 

Шустов Ю.С., 2022

УДК 677.011(075.4)
ББК 37.23-3
 
А16

Абрамов А.В.

А16  
Численные методы в оценке и прогнозировании качества теплоза
щитной одежды : монография / А.В. Абрамов, М.В. Родичева, Ю.С. Шустов. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 217 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/1891956.

ISBN 978-5-16-017848-6 (print)
ISBN 978-5-16-110859-8 (online)
В монографии рассматриваются вопросы проведения тепловых расче
тов пакетов текстильных материалов и комплектов одежды. Представлен 
обобщенный метод расчета, в рамках которого могут быть решены вычис лительные задачи, а также данные, необходимые для его реализации.

Изучение представленного материала позволит специалистам в об
ласти проектирования одежды, студентам, обучающимся по направлениям 
подготовки 27.03.01 (27.04.01) «Стандартизация и метрология», 29.03.01 
(29.04.01) «Технологии и проектирование текстильных изделий», получить необходимый теоретический фундамент для решения задач численного моделирования при оценке качества теплозащитной одежды.

УДК 677.011(075.4)

ББК 37.23-3

Р е ц е н з е н т ы:

Киселев М.В., доктор технических наук, профессор, проректор по 

научной работе (Костромской государственный технологический 
университет);

Азанова А.А., доктор технических наук, доцент (Казанский нацио
нальный исследовательский технологический университет)

Введение

Понятие «качество одежды» связано с ее способностью удовлетворять потребности человека. Применительно к теплозащитной 
одежде это означает, что организм человека должен находиться 
в комфортном состоянии, учитывая психологический, физиологический, антропометрический, биомеханический аспекты этого понятия.
На территории большинства регионов Российской Федерации 
в холодный период года наблюдаются пониженные температуры 
воздуха, которые в сочетании с ветром и осадками создают условия 
для переохлаждения человека. В этих условиях одним из основных 
аспектов качества одежды выступает ее способность обеспечивать 
тепловой комфорт человека за счет поддержания оптимальных 
микроклиматических условий в пододежном пространстве не зависимо от уровня физической нагрузки и колебания параметров 
окружающей среды.
В процессе проектирования теплозащитная одежда рассматривается в виде системы текстильных материалов, каждый из которых 
способствует формированию улучшенных потребительных свойств 
комплекта. В их числе: динамическая теплозащита, эффекты аккумуляции и выделения тепла, направленное транспортирование 
влаги и другие. Эти свойства обеспечивают баланс потоков тепла 
и влаги в пододежном пространстве, что позволяет организму человека сохранять комфортное состояние в условиях нестационарной 
окружающей среды.
Задача формирования пакета текстильных материалов для такой 
одежды является достаточно сложной и требует применения специализированных математических инструментов. Как показывает 
практика, в повседневной жизни человек подбирает комплекты 
одежды во многом стихийно. В условиях городской среды это 
не оказывает существенного влияния на качество одежды, что связано с достаточно небольшим временем воздействия пониженных 
температур на организм человека.
При постоянной работе на открытой территории, во время туристического похода и ряде других случаев роль комплекта одежды 
в обеспечении теплового баланса организма человека резко возрастает.
Для подбора пакета материалов такой одежды в настоящее 
время активно используют методы математического моделирования. Эта группа методов позволяет проводить численное исследование тепломассообмена в системе «человек — одежда — среда» 
при нестационарных условиях эксплуатации. Как правило, процесс 

расчетов сопряжен с решением систем интегродифференциальных 
уравнений. Это позволяет не только получить достаточно точные 
данные о характере формирования теплового состояния человека, 
но и представить их в удобной форме для последующего принятия 
решений по комплектованию пакета текстильных материалов.
Процесс численного решения интегродифференциальных уравнений требует определенных навыков в области физики, химии, 
физиологии и математики. По этой причине традиционные методы 
на принципах стационарной теплопередачи получили более широкое распространение при проведении тепловых расчетов одежды.
Как показывает практика, принципы тепловых расчетов по методам стационарной и нестационарной теплопередачи имеют 
единую концептуальную основу. Понимание этих общих принципов позволяет лучше понять основные методы и подходы к тепловым расчетам одежды по методам нестационарной теплопередачи.

Глава 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОВЫХ 
РАСЧЕТОВ ОДЕЖДЫ

1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ФОРМИРОВАНИЮ КОМПЛЕКТОВ 
ОДЕЖДЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

При проведении тепловых расчетов комплект одежды рассматривается в качестве многослойной оболочки, которая разделяет 
пододежное пространство и окружающую среду. Через эту оболочку передаются потоки тепла, влаги и углекислого газа, которые 
непрерывно рассеиваются с поверхности тела человека. В большинстве случаев плотное прилегание одежды к телу человека обеспечивается на опорных поверхностях — по линии плеч и талии. 
На остальных участках между телом человека и одеждой формируются воздушные прослойки. Их размеры и форма определяются 
конструкцией комплекта одежды, свойствами используемых текстильных материалов и количеством слоев.
В большинстве случаев воздушные прослойки наибольшей толщины расположены между телом и нижним слоем одежды либо 
между первым и последующим слоями. Они являются динамичными, при движении человека могут сообщаться друг с другом, в результате чего между этими прослойками происходит постоянный 
воздухообмен, что вызывает перераспределение тепла и влаги под 
одеждой.
Считается, что обеспечение оптимального теплового состояния 
человека можно свести к управлению состоянием воздуха пододежного пространства (температура, относительная влажность, 
концентрация углекислого газа). Обобщая многочисленные данные, 
можно выделить оптимальные значения этих параметров, которые 
обеспечивают комфортное состояние человека в состоянии покоя:
 
– температура: 30–32°C;
 
– относительная влажность: 20–40% (в ряде исследований 50–
60%);
 
– концентрация углекислого газа: до 0,8%.
Фактическое состояние микроклимата пододежного пространства определяется интенсивностью выделения тепла, влаги 
и углекислого газа на поверхности кожи человека и, с другой стороны, — интенсивностью рассеивания этих потоков с поверхности 
одежды в окружающую среду. Важным механизмом тепло- и влаго

отдачи человека является тепломассообмен через конструктивные 
неплотности, которые наблюдаются при движении человека.
Эти подходы позволяют составить модель пододежного микроклимата (рисунок 1.1), согласно которой состояние пододежного 
пространства оценивается на основе балансовых соотношений между 
потоками тепла и влаги на поверхностях тела человека и одежды.

Рисунок 1.1. Модель пододежного пространства

Оценка пододежного микроклимата в условиях нестационарного тепломассообмена в системе «человек — одежда — среда» 
является достаточно сложной задачей, которая может быть решена расчетными методами. Учитывая улучшенные свойства современных эксплуатационных материалов, процессы тепловых 
расчетов современной теплозащитной одежды проводятся с использованием достаточно сложных расчетных методов. Поэтому 
в большинстве случаев комплект одежды принято формировать 
на основе простых рекомендаций, которые не подразумевают научного подхода к оценке взаимодействия человека с окружающей 
средой.
Обобщая данные многочисленных информационных ресурсов, 
можно отметить, что современный подход основан на концепции 

 

трехслойности. Например, специалисты портала «Wiseworksafe» 
формируют многочисленные рекомендации по созданию комплектов теплозащитной одежды для работы или активного отдыха 
в условиях пониженных темпераур [1]. Все они основаны на понятии о базовом комплекте теплозащитной одежды, который составляют:
 
– бельевой слой: обеспечивает отведение влаги от тела человека;
 
– средний слой: формирует теплоизоляцию комплекта одежды;
 
– внешний слой: обеспечивает вывод тепла и влаги из под од ежного пространства, одновременно с этим препятствуя 
проникновению под одежду холодного воздуха извне.
Как правило, в качестве изделия первого слоя комплекта используется термобелье (рисунок 1.2, а). В качестве изделия промежуточного слоя — кофта из флиса (рисунок 1.2, б). Изделия 
верхнего слоя таких комплектов одежды изготавливаются из мембранных материалов или тканей с пропитками, что позволяет 
формировать защиту пододежного пространства от таких факторов окружающей среды, как ветер и атмосферные осадки (рисунок 1.2, в) [2–4].
При отрицательных температурах (tокр ≤ 0°C) в комплект одежды 
дополнительно вводят куртку или комбинезон (рисунок 1.3) [5].
Обобщая рекомендации к формированию комплектов теплозащитной одежды в рамках доминирущего подхода, можно 
отметить ряд недостатков. Основной из них заключается в использовании сугубо эмпирических соображений выбора изделий 
при формировании комплекта. Рекомендации с современных информационных порталов не содержат гигиенических требований 
к одежде или результаты физиологических исследований. Считается, что сам факт использования швейных изделий из современных эксплуатационных материалов обеспечит оптимальное 
состояние человека.
При использовании одежды в городской среде этот подход обеспечивает комфортное состояние человека, что связано с небольшой 
продолжительностью эксплуатации комплекта. Однако в условиях 
активного отдыха потребители отмечают недостаточную эффективность теплозащитной одежды, полученной на основе подобных 
рекомендаций. В большинстве случаев это списывается на недостаточное качество приобретенных изделий.
В то же время использование физиологических данных и результатов тепловых расчетов одежды позволяет реализовать 
принцип многослойности на более глубоком уровне — при формировании «систем материалов» или «систем одежды» («System 
of clothes») [6].

Рисунок 1.2. Изделия комплекта, сформированного по принципу 
трехслойности

Рисунок 1.3. Утепляющая куртка, дополняющая комплекта одежды 
при температуре воздуха около нуля и ниже

В рамках концепции отмечается, что в условиях пониженных 
температур оригинальные свойства современных материалов 
проявляются только в определенных сочетаниях. Таким образом, 
комплект одежды составляют изделия, разделенные на несколько 
уровней. Например, на рисунке 1.4 представлена система одежды 
«Extended Cold Weather Clothing System» (ECWCS), которая используется при формировании комплектов военной формы странами НАТО в полевых условиях [7].

 

  
 
     а)   
 
 
б)  
 
 
 
в) 

 

Рисунок 1.4. Изделия, составляющие расширенную систему одежды ECWCS 
для условий пониженных температур

Для формирования комплектов этих изделий в комплекты, соответствующие условиям окружающей среды, разработчики предлагают рекомендации в достаточно удобной графической форме 
(рисунок 1.5). Такие рекомендации составлены на основе глубокого анализа процессов тепломассообмена в биотехнической 
системе «человек — одежда — среда». Использование подобных рекомендаций позволяет обеспечить комфортное состояние человека 
в различных эксплуатационных условиях с учетом особенностей 
и уровней физической нагрузки.
При составлении рекомендаций особое внимание уделяется 
тепловым расчетам одежды как одному из основных инструментов подбора рационального пакета материалов теплозащитной 
одежды.
К настоящему моменту предложено достаточно много методик 
проведения тепловых расчетов пакетов материалов и комплектов 
теплозащитной одежды. В зависимости от динамики внешних 
условий их можно разделить на методы стационарной и нестационарной теплопередачи.
Методы стационарной теплопередачи связаны со значительным 
упрощением картины тепломассообмена в биотехнической системе 
«человек — одежда — среда». В частности:
 
– условия окружающей среды считают постоянными на протяжении всего времени эксплуатации одежды;
 
– считается, что одежда обеспечивает тепловой комфорт человека. В этих условиях уровень метаболических тепловыделений учитывается на уровне константы. Также считается, 
что механизмы терморегуляции организма задействованы 
на минимальном уровне;
 
– в большинстве расчетных методов пренебрегают процессами 
переноса влаги в пакете материалов.
Несмотря на некоторое снижение качества расчетов, методы 
стационарной теплопроводности характеризуются простотой. Они 

 

интуитивно понятны и при относительно постоянных эксплуатационных условиях не вызывают серьезных ошибок. По этой причине 
они получили широкое распространение при проведении тепловых 
расчетов одежды.

Рисунок 1.5. Использование одежды на базе системы ECWCS

Методы нестационарной теплопередачи предполагают использование более сложных математических алгоритмов. С одной сороны, такой подход требует более существенных навыков в области 
физики и математики. С другой стороны, использование методов 
нестационарной теплопередачи позволяет получить более точные 
результаты расчетов, которые характеризуют тепловое состояние 
человека и качество теплозащитной одежды в условиях нестационарной окружающей среды.
Тепловые расчеты одежды этими методами в последнее время 
активно используются для формирования рекомендаций по формированию комплектов для условий охлаждающего климата на базе 
традиционных изделий и систем одежды.
Несмотря на существенные различия, концептуальная основа 
методов обеих групп схожа. По этой причине при проведении расчетов по каждому из этих методов реализуется схожий алгорим 
(рисунок 1.6).