Способ обеспечения комфортного сна пользователя и способ определения параметров стеганого одеяла для комфортного сна пользователя

Способ обеспечения комфортного сна пользователя и способ определения параметров стеганого одеяла для комфортного сна пользователя

Реферат

Изобретение относится к легкой промышленности, а именно к постельным принадлежностям, в частности к конструкции одеяла бытового назначения, выполненного с повышенным теплоудержанием и свойствами изолирования накрытого тела человека от излишнего тепла и влаги (режим термостабилизации в подпокровном объеме) и с учетом индивидуальных особенностей человека.

Традиционно одеяла изготавливаются состоящими из чехла и наполнителя, свойства которого в основном и определяют комфортность человека, укрытого этим одеялом. Комфортность в этом случае применяется к понятию «тепло» по отношению к состоянию пользователя вне одеяла, то есть не накрытого. А в случае недостатка в таком «тепле» используют второе одеяло или покрывало, а при избытке тепла - осуществляют вентиляцию. При этом данные действия проводятся неосознанно, лишь с позиции соответствия комфорта, то есть тепла в данный момент времени.

Согласно последним исследованиям, непродолжительный, но безупречный с точки зрения качества сон гораздо полезнее, чем неестественно длительный. Новорожденные должны спать 15-18 часов, младенцы - 11 - 13 часов, школьники - 9-10 часов, двадцатилетние - 7-9 часов, пятидесятилетние и старше - 6-8 часов. Здоровый сон возможен лишь при условии максимального комфорта. Кожа человека с 7 миллионами пор работает как легкие: она дышит и освобождается от токсичных веществ. Потовые железы работают ночью несколько интенсивнее, нежели днем. Пока человек спит, с поверхности кожи выделяется от 0,5 до 1 л влаги. Треть ее испаряется, а две трети впитываются постельным бельем, матрасом и кроватью. Пот на 98% состоит из воды, а 2% приходятся на поваренную соль, мочевину, жир и кислоту. Очень важно, чтобы выделяющиеся при кожном дыхании токсины не отравляли кожу снова. Поэтому воздухопроницаемость и гигроскопичность одеяла также имеют большое значение. Выбор постельных принадлежностей зависит от индивидуальных особенностей человека. Так, стеганые одеяла для сна из пуха и пера легки, теплы и удобны, прекрасно впитывают влагу, поддерживают температуру тела и создают приятное ощущение покоя и комфорта. Однако данный комфорт относителен, так как определяется тем состоянием или ощущением температуры, которое пользователь получил непосредственно перед тем, как укрыться одеялом. При появлении состояния уравновешенного комфорта (то есть при наступлении режима термостабилизации), как правило, пользователь засыпает. Но, учитывая, что процесс термостабилизации под таким одеялом не стабилен, то при повышении температуры в подпокровном объеме приводит к распахиванию пользователя, то есть охлаждению части тела или этого объема для формирования повторного режима термостабилизации.

В связи с этим настоящее изобретение рассматривает одеяла, конструкция которых с различными наполнителями полностью направлена на обеспечение здорового сна, то есть обеспечивает комфорт при сохранении в заданном объеме тепла для индивидуального пользователя.

Известно одеяло, содержащее чехол прямоугольной формы в плане, в центральной части которого сформирована зона, повторяющая контур человеческого тела, разделенная на отдельные камеры, расположенные поперечно ориентированными и заполненные наполнителем, при этом указанная зона и отдельные камеры в ней образованы присоединением швами верхнего и нижнего полотен чехла друг к другу (DE №4091275, A47G 9/02, опубл. 12.10.1995).

Особенностью данного одеяла является то, что контур зоны, повторяющей контур человеческого тела, образован из условия повторения анатомического строения человеческого тела. В связи с этим в области предполагаемого размещения плеч человека этот контур имеет широкие поперечно развитые камеры (секции), а в области ног - узкие, а в области бедер - расширенные по отношению к секции для укрывания ног. Остальная часть одеяла по периметру прошита большим количеством линейных швов. Недостаток данного одеяла заключается в том, что оно недостаточно проработано по конструкции в части учета положения спящего человека и его перемещений во сне или в случае появления некомфортных ощущений (ощущение холода, озноба). Недостаточность проработки обусловлена тем, что в одеяле не только зона, повторяющая контур человеческого тела, разделена на отдельные камеры, но зона периметра одеяла так же разделена на секции линейными швами. В итоге в одеяле зона, повторяющая контур человеческого тела, выполнена с параметрами термостабилизации, что и периферийная зона. То есть все одеяло представляет собой одну общую зону с одинаковой или почти одинаковой термостабилизацией, что в принципе характеризует одеяло как обыкновенное, например, стеганое или пухом наполненное. Выделение зоны, повторяющей контур человеческого тела, как зоны со специальным режимом теплоудержания, при такой конструкции, теряет смысл и становится элементом декора. Если в этой зоне увеличить количество наполнителя, по сравнению с количеством наполнителя в периферийной зоне, то, естественно, будет некоторое различие в режиме термостабилизации, но необходимость такой незначительной разницы не подтверждена потребностью человека, накрытого этим одеялом.

Известен способ обеспечения комфортного состояния пользователя, заключающийся в том, что по тепловому обмену пользователя определяют тепловое сопротивление одежды с наполнителем и осуществляют выбор теплозащитной одежды по тепловому сопротивлению его многослойной структуры из условия равенства теплового обмена пользователя и теплового сопротивления одежды (см. Р.А.Делль, Р.Ф.Афанасьева, З.С.Чубарова «Гигиена одежды», М.: «Легкая Индустрия», 1979, стр.144; П.А.Колесников «Основы проектирования теплозащитной одежды, М.: «Легкая Индустрия», 1971, стр.111).

Данное решение принято в качестве прототипа для обоих заявленных способов.

Недостаток известного способа заключается в том, что при постановке такой задачи не были учтены многие факторы, влияющие на формирование равенства суммарного теплового обмена пользователя и суммарного теплового сопротивления стеганого одеяла. К таким факторам относятся влияние веса человека и его пола, потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи, влаги с верхних дыхательных путей и потери тепла при нагревании воздуха при дыхании. Влияние данных факторов, как показали испытания, оказывает существенное значение при подборе структуры одеяла, когда арсенал теплоизоляционных материалов значительно расширился и можно с высокой точностью регулировать термообмен через одеяло.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по оптимизации зависимости материалов чехла и наполнителя одеяла по отношению к индивидуальным особенностям организма пользователя и обеспечению стабильного термообмена между подпокровным объемом и внешней средой при сохранении стабильного температурного режима в этом объеме, обеспечивающего комфорт сна.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении комфортности и удобстве пользования за счет обеспечения стабильного терморежима в подпокровном объеме, постоянного на весь период сна человека и индивидуального для него.

Указанный технический результат для способа достигается тем, что в способе обеспечения комфортного сна пользователя, заключающемся в том, что по тепловому обмену пользователя определяют тепловое сопротивление стеганого одеяла с наполнителем и осуществляют выбор стеганого одеяла по тепловому сопротивлению его многослойной структуры из условия равенства теплового обмена пользователя и теплового сопротивления стеганого одеяла при определении суммарного теплового обмена Q_o всей поверхности тела пользователя, учитывают тепловой обмен всей площади S_общ поверхности тела человека отдельно для мужчины и женщины с учетом их роста, веса и возраста, а расчетное суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла с наполнителем определяют по формуле:

R_сум=0,95(t_к-t_возд)S_общ/0,888Q_о-Q_исп.д-Q_{исп.дых}-Q_дых.н-4,2 [м²°С/Вт],

где

t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

Q_исп.д - потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи, [Вт];

Q_{исп.дых} - потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей, [Вт],

Q_дых.н - потери тепла при нагревании воздуха при дыхании, [Вт];

а выбор стеганого одеяла с наполнителем с тепловым сопротивлением R_ст.од осуществляют по суммарному тепловому сопротивлению стеганого одеяла R_сум. За вычетом дополнительных источников термического сопротивления R_под по формуле:

R_ст.од=R_сум-R_доп=R_сум-R_н.б-R_под [м²°С/Вт],

где

R_н.б - тепловое сопротивление нательного белья, [м²°С/Вт];

R_под - тепловое сопротивление пододеяльника, [м²°С/Вт].

Для определения суммарного теплового обмена пользователя сначала определяют тепловой обмен организма человека на 1 м² поверхности тела по следующим формулам:

Q_ом=77,88 γ^-0,16 [Вт/м²],

Q_ож=74,38 γ^-0,16 [Вт/м²],

где

Q_ом - тепловой обмен мужского организма на 1 м²,

Q_ож - тепловой обмен женского организма на 1 м²,

γ - возраст, лет,

затем определяют общую площадь поверхности тела человека по формуле:

S_общ=G^0,425 ·H^0,725·71,84К_в/10000 [м²],

где

Н - рос т, см,

G - вес, кг,

К_в˜/=1 для пользователей от 20 лет и старше;

К_в>1 для пользователей младше 20 лет.

а суммарный тепловой обмен Q_o всей поверхности тела пользователя определяют как произведение теплового обмена Q_ом или Q_ож его организма на 1 м² поверхности тела на общую площадь S_общ поверхности тела человека.

Потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи Q_исп.д, потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей Q_{исп.дых} и потери тепла на нагревание воздуха при дыхании Q_дых.н определяют по следующим формулам:

Q_исп.д=3,06·S_общ[256 t_к-3360-(0,0111 ϕ-0,0125) t_к 133,3] 10^-3 [Вт],

Q_{исп.дых.}=14,9 Q_о[5880-(0,0088 ϕ-0,005) t_возд 133,3] 10^-6 [Вт],

Q_дых.н=(0,041-0,0012 t_возд)Q_о [Вт],

где

t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

ϕ - относительная влажность воздуха, %,

Q_o - суммарный тепловой обмен всей поверхности тела пользователя, [Вт].

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Согласно настоящего изобретения предлагается решение, касающееся обеспечения комфортного сна пользователя за счет условий, при которых формируется равенство теплового обмена пользователя и теплового сопротивления стеганого одеяла.

Способ обеспечения комфортного сна пользователя основан на тепловом обмене пользователя, по которому определяют тепловое сопротивление стеганого одеяла с наполнителем. А затем осуществляют выбор стеганого одеяла по тепловому сопротивлению его многослойной структуры из условия равенства теплового обмена пользователя и теплового сопротивления стеганого одеяла за минусом дополнительных источников теплового сопротивления в виде материалов пододеяльника и нательного белья.

При определении суммарного теплового обмена Q_o всей поверхности тела пользователя учитывают тепловой обмен всей площади S_общ поверхности тела человека отдельно для мужчины и женщины с учетом их роста, веса и возраста.

Для определения суммарного теплового обмена пользователя сначала определяют тепловой обмен его организма на 1 м² поверхности тела по следующим формулам:

Q_ом=77,88 γ^-0,16 [Вт/м²],

Q_ож=74,38 γ^-0,16 [Вт/м²],

где

Q_ом - тепловой обмен мужского организма на 1 м²,

Q_ож - тепловой обмен женского организма на 1 м²,

γ - возраст, лет,

затем определяют общую площадь поверхности тела человека по формуле:

S_общ=G^0,425·Н^0,725·71,84·К_в/10000 [м²],

где

Н - рост, см,

G - вес, кг,

К_в˜/=1 для пользователей от 20 лет и старше;

К_в>1 для пользователей младше 20 лет.

Суммарный тепловой обмен Q_o всей поверхности тела пользователя определяют как произведение теплового обмена Q_ом или Q_ож его организма на 1 м² поверхности тела на общую площадь S_общ поверхности тела человека.

Затем определяют потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи Q_исп.д, потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей Q_{исп.дых} и потери тепла на нагревание воздуха при дыхании Q_дых.н определяют по следующим формулам:

Q_исп.д=3,06·S_общ[256 t_к-3360-(0,0111 ϕ-0,0125) t_к 133,3] 10^-3 [Вт],

Q_{исп.дых}=14,9 Q_о[5880-(0,00888 ϕ-0,005) t_возд 133,3] 10^-6 [Вт],

Q_дых.н=(0,041-0,0012 t_возд) Q_о [Вт],

где

t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

ϕ - относительная влажность воздуха, %.

Q_o - суммарный тепловой обмен всей поверхности тела пользователя, [Вт].

И только после этого определяют суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла с наполнителем по формуле:

R_сум=0,95(t_к-t_возд)S_общ/0,888Q_о-Q_исп.д-Q_{исп.дых}-Q_дых.н-4,2 [м²°С/Вт],

где

t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

Q_исп.д - потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи, [Вт];

Q_{исп.дых} - потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей, [Вт];

Q_дых.н - потери тепла при нагревании воздуха при дыхании, [Вт].

Сам выбор стеганого одеяла с наполнителем с тепловым сопротивлением R_ст.од осуществляют по тепловому сопротивлению R_сум. За вычетом дополнительных источников термического сопротивления R_доп по формуле:

R_ст.од=R_сум-R_доп=R_сум-R_н.б-R_под [м²°С/Вт],

где

R_н.б - тепловое сопротивление нательного белья, [м²°С/Вт];

R_под - тепловое сопротивление пододеяльника, [м²°С/Вт].

На основе рассмотренного способа может быть сформирован способ определения параметров стеганого одеяла для комфортного сна пользователя, заключающийся в том, что выбор стеганого одеяла с наполнителем для пользователя осуществляют по суммарному тепловому сопротивлению его многослойной структуры из условия равенства суммарного теплового обмена пользователя и суммарного теплового сопротивления R_сум стеганого одеяла за вычетом R_доп, равного термическому сопротивлению нательного белья пользователя и материала пододеяльника по ранее указанной формуле.

Ниже приводится пример конкретного подбора параметров одеяла для комфортного сна человека.

Рассчитать суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла для укрывания во время сна мужчины γ - 40 лет, имеющего рост Н - 175 см, массу G (вес) - 90 кг. Температура воздуха в спальне t_в=18°C, относительная влажность воздуха ϕ=50%, температура кожи тела человека t_к=34°С.

Порядок (этапы) расчета.

1. Рассчитываем основной (стандартный) тепловой обмен организма мужчины на 1 м² поверхности тела - Q'_o.

Q'_o=77,88 γ^-0,16=77,88×40^-0,16=43,16, [Вт/м²].

2. Рассчитываем площадь поверхности тела мужчины - S_общ.

S_общ=S¹ _общ×К_в

S'_общ=90^0,425×175^0,725×71,84·K_в/10000=6,7×42,27×71,84/10000=2,05 [м²];

К_в=0,986

S_общ=2,05·0,986=1,972 [м²].

3. Рассчитаем основной (стандартный) тепловой обмен всей поверхности тела мужчины - Q_o.

Q_o=Q'_o×S_общ Q_о=43,16×1,972=84,8 [Вт].

4. Рассчитываем потери тепла мужчины во время сна вследствие испарения диффузной влаги с поверхности кожи - Q_исп.д.

Q_исп.д.=3,06·10^-3×S_общ[256×t_к-3360-(0,0111×ϕ-0,0125)t_к×133,3]=3,06×10^-3·1,972[256×34-3360-(0,0111×50-0,0125)34×133,3]=6,03×10^-3[8704-3360-(0,555-0,0125)34·133,3]=6,03×10^-3×2885,3=17398,4×10^-3=17,4 [Вт].

5. Рассчитываем потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей - Q_{исп.дых.}

Q_{исп.дых}=14,9×10^-6×Q_о[5880-(0,00888×ϕ-0,005)×t_в133,3]=14,9×10^-6×84,8[5880-(0,00888×50-0,005)×18×133,3]=14,9×10^-6×84,8(5880-945,4)=14,9×10^-6×84,8×4934,6=6.234.965,792×10^-6=6,2 [Вт].

6. Рассчитываем потери тепла на нагревание воздуха при дыхании - Q_дых.н.

Q_дых.н=(0,041-0,0012-t_в)Q_o=(0,041-0,0012×18)×84,8=1,65 [Вт].

7. Рассчитываем суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла - R_{сум.ст.од.}

R_{сум.ст.од}.=0,95·Т_к-Т_возд)·S_общ/0,888·Q_о-Q_исп.д-Q_дых.н-4,2=0,95·(34-18)·1,972/0,888·84,8-17,4-6,2-1,65-4,2=29,97/45,85=0,65 [м^2·°С/Вт].

8. Рассматриваются дополнительные источники термического сопротивления R_доп, в том числе наличие нижнего белья, пододеяльника, воздушных прослоек между ними и одеялом. Все это вычисляется из R_{сум.ст.од.}

R_ст.од=R_{сум.ст.од(расч)}-R_доп[м^2·°С/Вт].

9. Подбирается стеганое одеяло, имеющее термическое сопротивление, близкое к расчетному.

Выбор одеяла строится по таблицам соответствия готовых конструкций одеял и их термического сопротивления

Настоящее изобретение промышленно применимо, опробовано и показало результаты испытаний, практически совпадающие с расчетными.

1. Способ обеспечения комфортного сна пользователя, заключающийся в том, что по тепловому обмену пользователя определяют тепловое сопротивление стеганого одеяла с наполнителем и осуществляют выбор стеганого одеяла по тепловому сопротивлению его многослойной структуры из условия равенства теплового обмена пользователя и теплового сопротивления стеганого одеяла, отличающийся тем, что при определении суммарного теплового обмена Q_o всей поверхности тела пользователя учитывают тепловой обмен всей площади S_общ, поверхности тела человека отдельно для мужчины и женщины с учетом их роста, веса и возраста, а суммарное тепловое сопротивление стеганого одеяла с наполнителем определяют по формуле:

R_сум=0,95(t_к-t_возд)S_общ/0,888Q_о-Q_исп.д-Q_{исп.дых}-Q_дых.н-4,2 [м²°С/Вт],

где t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

Q_исп.д - потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи, [Вт];

Q_{исп.дых} - потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей, [Вт];

Q_дыхн - потери тепла при нагревании воздуха при дыхании, [Вт];

а выбор стеганого одеяла с наполнителем с тепловым сопротивлением R_ст.од осуществляют по суммарному тепловому сопротивлению R_сум за вычетом дополнительных источников термического сопротивления R_доп по формуле:

R_ст.од=R_сум-R_доп=R_сум-R_н.б-R_под [м^2°С/Вт],

где R_н.б - тепловое сопротивление нательного белья, [м^2°С/Вт];

R_под - тепловое сопротивление пододеяльника [м^2°С/Вт].

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения суммарного теплового обмена пользователя сначала определяют тепловой обмен организма человека на 1 м² поверхности тела по следующим формулам:

Q_ом=77,88 γ^-0,16 [Вт/м²];

Q_ож=74,38 γ^-0,16 [Вт/м²],

где Q_ом - тепловой обмен мужского организма на 1 м²;

Q_ож - тепловой обмен женского организма на 1 м²;

γ - возраст, лет,

затем определяют общую площадь поверхности тела человека по формуле:

S_общ=G^0,425·H^0,725·71,84·К_в/10000 [м²],

где Н - рост, см;

G - вес, кг;

К_в˜/=1 для пользователей от 20 лет и старше;

К_в>1 для пользователей младше 20 лет,

а суммарный тепловой обмен Q_о всей поверхности тела пользователя определяют как произведение теплового обмена Q_ом или Q_ож его организма на 1 м² поверхности тела на общую площадь S_общ поверхности тела человека.

3. Способ определения параметров стеганого одеяла для комфортного сна пользователя, заключающийся в том, что выбор стеганого одеяла с наполнителем для пользователя осуществляют по суммарному тепловому сопротивлению его многослойной структуры из условия равенства суммарного теплового обмена пользователя и суммарного теплового сопротивления стеганого одеяла, отличающийся тем, что суммарное тепловое сопротивление R_сум стеганого одеяла с наполнителем определяют по формуле:

R_сум=0,95(t_к-t_возд)S_общ/0,888Q_о-Q_исп.д-Q_{исп.дых}-Q_дых.н-4,2 [м^2°С/Вт],

где t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

Q_о - суммарный тепловой обмен всей поверхности тела пользователя, [Вт], учитывающий рост, вес, возраст и отдельно для мужчины и женщины их тепловой обмен на 1 м² поверхности тела по следующим формулам:

Q_ом=77,88 γ^-0,16 [Вт/м²]

Q_ож=74,38 γ^-0,16 [Вт/м²]

где Q_ом - тепловой обмен мужского организма на 1 м²,

Q_ож - тепловой обмен женского организма на 1 м²,

γ - возраст, лет,

Q_исп.д - потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи, [Вт];

Q_{исп.дых} - потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей, [Вт];

Q_дых.н - потери тепла при нагревании воздуха при дыхании, [Вт],

а выбор стеганого одеяла с наполнителем с тепловым сопротивлением R_ст.од осуществляют по суммарному тепловому сопротивлению R_сум за вычетом дополнительных источников термического сопротивления R_доп по формуле:

R_ст.од=R_сум-R_доп=R_сум-R_н.б-R_под [м²°С/Вт],

где R_н.б - тепловое сопротивление нательного белья, [м^2°С/Вт];

R_под - тепловое сопротивление пододеяльника, [м^2°С/Вт].

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что потери тепла вследствие испарений диффузной влаги с поверхности кожи Q_исп.д, потери тепла вследствие испарения влаги с верхних дыхательных путей Q_{исп.дых} и потери тепла на нагревание воздуха при дыхании Q_дых.н определяют по следующим формулам:

Q_исп.д=3,06·S_общ[256 t_к-3360-(0,0111 ϕ-0,0125) t_к 133,3] 10^-3 [Вт],

Q_{исп.дых}=14,9 Q_o[5880-(0,0088 ϕ-0,005) t_возд 133,3] 10^-6 [Вт],

Q_дых.н=(0,041-0,0012 t_возд)Q_о [Вт],

где t_к - температура кожи человека, °С;

t_возд - температура внешней среды, °С;

ϕ - относительная влажность воздуха, %.

Q_o - суммарный тепловой обмен всей поверхности тела пользователя, [Вт].

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что суммарный тепловой обмен всей поверхности тела пользователя определяют как произведение теплового обмена Q_ом или Q_ож его организма на 1 м² поверхности тела на общую площадь S_общ поверхности тела человека, где S_общ=G^0,425·Н^0,725·71,84·Кв/10000 [м²],

где Н - рост, см;

G - вес, кг;

Кв˜/=1 для пользователей от 20 лет и старше;

Кв>1 для пользователей младше 20 лет.