OPTIMIZATION OF HEAT-INSULATION OF SPECIAL CLOTHING: AN ANALYSIS USING REGRESSION MODELS

Full Text

Жизнедеятельность человека постоянно находится в контакте с окружающей средой [1, 6-8]. Многочисленный контингент работающих в стратегических отраслях России часто выполняет технологические задачи на открытом воздухе [11], в том числе и в режиме круглосуточной работы [2, 10], что требует обеспечения одеждой с высокими теплозащитными свойствами. Поддержание теплового равновесия организма (теплового гомеостаза) человека возможно при условии использования многослойной 21 Экология труда Экология человека 2016.4 теплозащитной одежды. Одежда создает вокруг тела микроклимат, который при рациональном согласовании свойств каждого слоя обеспечивает устойчивое тепловое равновесие пододежного пространства и адаптацию к изменяющимся условиям. Универсальные рекомендации аналитического подхода по выбору рационального состава пакета материалов в комплекте теплозащитной одежды в данный момент времени отсутствуют. Российские и зарубежные ученые часто обращаются к теме теплоизоляционной способности одежды. Появление текстильных материалов с новыми свойствами и развитие компьютерных технологий существенно изменили традиционные подходы к процессам проектирования и производства специальной теплозащитной одежды. В этих условиях широко применяются методы регрессионного моделирования и теории оптимизации [5, 9, 12-15]. Так, в статье [9] используют математические модели множественной регрессии и квадратичной нелинейной регрессии для информационной основы выбора конструктивных средств обеспечения динамического соответствия в одежде. В работе [5] исследованы трикотажные полотна, проведен корреляционный анализ чувствительности и оптимизация параметров. В исследовании [15] на основе экспериментов на человекообразном тепловом манекене создана регрессионная модель теплоизоляции одежды с учетом ветра и динамики движений человека. В статье [13] исследована многослойная одежда и свойства пакетов применяемых материалов с учетом воздушной прослойки между слоями, но без учета климатических условий. А также создана и экспериментально подтверждена математическая модель для прогнозирования комфортного состояния человека. В работе [14] изучались многослойные структуры одежды, защищающие от повышенных температур, и свойства тканей с содержанием арамидных и вискозных волокон. В исследовании [5] авторами рассчитано максимально возможное суммарное тепловое сопротивление пакета материалов одежды, зависящее от толщины покровного материала и воздухопроницаемости материалов на примере нефтедобывающего производства южного климатического региона России. В экспериментальной лаборатории определены свойства различных пакетов из разнообразных материалов, применяемых для теплозащитной специальной одежды [3]. Исследовались пакеты современных материалов для защиты от холода [4], покровные и теплоизоляционные материалы с различными сочетаниями волокон в структурах с учетом климатических условий и энерготрат работающих. Задачей нашего исследования являлось теоретическое обоснование выбора пакета материалов теплозащитной многослойной одежды с учетом взаимосвязей между структурными и теплофизическими параметрами материалов, а также оптимизация значимых параметров, при которых теплоизоляция одежды максимально комфортна. Методы Для выявления теплозащитных свойств комплектов одежды в лаборатории материаловедения ЦНИИШП проведены комплексные исследования [3] проницаемости (воздухопроницаемости, паро-проницаемости, гигроскопичности) и структурных характеристик (поверхностной плотности, толщины) ассортимента специальных тканей, а также различных видов пакетов материалов с утеплителями. Исследуемые ткани подразделялись на три группы: ткани различной поверхностной плотности; ткани однородной поверхностной плотности (210-220 г/ м2), но различного сырьевого состава; ткани с различными видами покрытий. На основе полученных данных проведено экспериментальное исследование специальной одежды нефтяников южного региона России [4] с учетом климатических условий и динамики движений работающего. Для оптимального выбора пакета материалов одежды для особых условий работы нефтяников была проведена аналитическая обработка экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа. На основе предложенной регрессионной модели методами квадратического программирования определены оптимальные параметры: толщина пакета, толщина покровных материалов и воздухопроницаемость пакета материалов, при которых теплоизоляция одежды максимально комфортна. Результаты Первым шагом являлось определение факторов-аргументов и квадратичной регрессионной модели теплоизоляции комплекта специальной одежды средствами пакета STATISTICA v.8.0 (StatSoft Inc, 2009). На теплоизоляцию одежды оказывают влияние теплофизические (тепловое сопротивление, теплопроводность, теплоемкость) и структурные (пористость, средняя плотность, толщина) показатели свойств материалов, применяемых в комплекте теплозащитной одежды. Связь между теплофизическими характеристиками материалов и параметрами их структуры сегодня недостаточно исследована. Задачей нашего исследования было изучение взаимосвязей между показателями предоставленной выборки многомерного случайного вектора, представляющего собой теплофизические параметры пакета материалов многофункциональной структуры теплозащитной одежды (таблица). Исследование было необходимо для обоснованных рекомендаций теоретических подходов к разработке, проектирования и моделирования комплектов теплозащитной одежды для швейной отрасли. Было исследовано шесть показателей. Первый показатель U - теплоизоляция комплекта являлся искомой функцией отклика от остальных показателей: Xj - поверхностная плотность, Х2 - воздухопроницаемость, Х3 - толщина покровных материалов, Х4 - толщина пакета, Х5 - температура внешней среды. Указанные аргументы взаимозависимы. Для устра- 22 Экология человека 2016.4 Экология труда Экспериментальные данные [3, 4] измерений теплофизических параметров многофункциональной структуры теплозащитной одежды Теплофизические параметры покровных материалов Теплофизические параметры комплекта одежды Вид материалов (артикул) Поверх ностная плот ность, г/м2 Толщи -на покровных материалов (Y), мм Теплои золяция ком плекта (U), "См2/Вт Возду-хопро-ницае -мость (Z), дм3/м2с Толщина пакета (X), мм Темпе ратура, °C 10408 304 0,73 0,678 21 26,5 -35 10409 350 0,88 0,577 21 14,0 -2,2 16362 222 0,72 0,541 32 15,0 -10 18439 ах 239 0,59 0,432 47 10,8 -2,2 80406 (без покрытия) 173 0,3 0,321 40 6,6 -2,2 81421 255 0,63 0,577 19 14,0 -2,2 81423 217 0,45 0,405 35 9,7 -10 81424 199 0,51 0,541 32 15,7 -10 87309 244 0,47 0,599 17 14,0 -10 Климат 1 223 0,31 0,753 0 28,0 -25 Климат 2 236 0,35 0,722 0 28,0 -10 Климат 3 205 0,32 0,678 0 нения мультиколлинеарности и выявления независимых факторов-аргументов использован метод пошагового включения линейной множественной регрессии. Выделено три аргумента: толщина пакета Х, толщина покровных материалов Y, воздухопроницаемость Z; при числе степеней свободы d.f. = 3,8 критерий Фишера - Снедекора F = 70 и уровне значимости р = 4-10-6. Квадрат множественного коэффициента корреляции R2 = 0,96 близок к квадрату исправленного коэффициента 0,95. При этом уровень значимости критерия Стьюдента всех параметров регрессии р < 0,015. Для функции отклика U от аргументов X, Y и Z проведён множественный линейный и квадратичный регрессионный анализ. Наилучшие результаты даёт квадратичная регрессионная зависимость (1) теплоизоляции комплекта (U) от толщины пакета (X), толщины покровных материалов (Y) и воздухопроницаемости (Z): U = 0,77Y+0,035X-0,3Y2-0,00045X2-0,0064ZY- 0,0128YX (1) Число параметров модели 6, объём выборки n = 12. Индекс корреляции полученной зависимости R = 0,998; анализ остатков показывает относительную погрешность прогноза < 1,5 %. Уровни значимости по критерию Стьюдента параметров модели (1): для толщины покровных материалов - 0,016; толщины пакета - 0,0016; квадрата толщины покровных материалов - 0,13; квадрата толщины пакета - 0,07; толщины покровных материалов и воздухопроницаемости - 0,0034, толщины покровных материалов и толщины пакета - 0,023. В качестве графической иллюстрации полученной квадратической взаимосвязи (1) представлен рисунoк. Слои пакета материалов имеют различные функции и структуры, их рациональный выбор способствует достижению одной цели - обеспечению функциональной целостности, сохранению и поддержанию равновесного (сбалансированного) температурного режима пододежного пространства. Поэтому на заключительном этапе исследования был произведен поиск оптимального значения теплоизоляции комплекта одежды, зависящей от трех значимых факторов - по толщине пакета материалов и покровных материалов, а также их воздухопроницаемости. Расчёты по оптимизации проведены средствами пакета MathCAD v.14.0 (Parametric Technology Corporation, 2009) оператором Maximize. Для поиска оптимального значения теплоизоляции комплекта одежды была поставлена и решена задача квадратического программирования, состоящая из целевой функции - зависимости (1) и допустимого множества (2): Квадратическая регрессия (1) взаимосвязи теплоизоляции комплекта с толщиной пакета и воздухопроницаемостью (а), с толщиной пакета и толщиной покровных материалов (б) 23 Экология труда Экология человека 2016.4 Задача квадратического программирования (1) -(2) была решена методом сопряженных градиентов. В результате получено оптимальное значение толщины пакета материалов, равное 29,5 мм; оптимальное значение толщины покровных материалов - 0,664 мм; минимально возможное значение воздухопроницаемости - 0 дм3/м2с; а прогнозируемая теплоизоляция комплекта материалов - 0,777 °См2/вт. Обсуждение результатов Снижение воздухопроницаемости одежды является одним из основных резервов повышения эффективности теплоизоляции современной теплозащитной одежды за счет рационального выбора сбалансированных по показателям комфортности слоев материалов. Обработанные методом регрессионного анализа данные теплоизоляции, толщины, воздухопроницаемости комплекта одежды и других показателей позволяют существенно оптимизировать выбор пакета материалов и определить условия работы в нём. Учесть влияние всех параметров и свойств в комплекте теплозащитной одежды -сложная задача, но рациональное сочетание слоев материалов по принципу единства и согласованности свойств обеспечивает надежную теплоизоляцию организма при малой массе одежды. Полученное уравнение регрессии теплоизоляции комплекта теплозащитной многослойной одежды и его оптимизация имеют практическую значимость в возможности ее широкого использования: - на предприятиях швейной отрасли при проектировании теплозащитной одежды и выборе для нее оптимального пакета материалов и определения комфортной теплоизоляции; - как комплекса рекомендаций по формированию рациональной структуры новых промышленных образцов спецодежды для зашиты от холода работающих в суровых климатических условиях; - в образовательном процессе как учебно-методическая база для обучения специалистов в области проектирования одежды, дизайна костюма.

About the authors

I N Ivashchenko

Kuban State University

Krasnodar, Russia

S V Usatikov

Kuban State University

Krasnodar, Russia

S P Shmalko

Academy of Marketing and Social Information Technologies

Email: shmalko_sis@mail.ru
Krasnodar, Russia

References

Supplementary files