Per sopravvivere e lavorare in condizioni più fredde o più calde, è necessario fornire un clima caldo sulla superficie della pelle mediante indumenti e riscaldamento o raffreddamento artificiale. La comprensione dei meccanismi di scambio termico attraverso l'abbigliamento è necessaria per progettare gli insiemi di abbigliamento più efficaci per il lavoro a temperature estreme.

Meccanismi di trasferimento del calore dell'abbigliamento

La natura dell'isolamento dell'abbigliamento

Il trasferimento di calore attraverso gli indumenti, o al contrario l'isolamento degli indumenti, dipende in gran parte dall'aria intrappolata all'interno e sugli indumenti. L'abbigliamento è costituito, in prima approssimazione, da qualsiasi tipo di materiale che offra una presa agli strati d'aria. Questa affermazione è approssimativa perché alcune proprietà del materiale sono ancora rilevanti. Questi riguardano la costruzione meccanica dei tessuti (ad esempio la resistenza al vento e la capacità delle fibre di sostenere tessuti spessi), e le proprietà intrinseche delle fibre (ad esempio l'assorbimento e la riflessione della radiazione termica, l'assorbimento del vapore acqueo, la traspirazione del sudore ). Per condizioni ambientali non troppo estreme i pregi dei vari tipi di fibre sono spesso sopravvalutati.

Strati d'aria e moto dell'aria

L'idea che sia l'aria, e in particolare l'aria ferma, a fornire l'isolamento, suggerisce che spessi strati d'aria sono utili per l'isolamento. Questo è vero, ma lo spessore degli strati d'aria è fisicamente limitato. Gli strati d'aria si formano per adesione di molecole di gas a qualsiasi superficie, per coesione di un secondo strato di molecole al primo, e così via. Tuttavia, le forze di legame tra strati successivi sono sempre minori, con la conseguenza che le molecole esterne sono mosse da movimenti esterni anche minuscoli dell'aria. In aria calma, gli strati d'aria possono avere uno spessore fino a 12 mm, ma con un movimento d'aria vigoroso, come in una tempesta, lo spessore diminuisce a meno di 1 mm. In generale esiste una relazione di radice quadrata tra spessore e moto dell'aria (cfr “Formule e definizioni”). La funzione esatta dipende dalle dimensioni e dalla forma della superficie.

Conduzione del calore dell'aria ferma e in movimento

L'aria ferma funge da strato isolante con una conduttività costante, indipendentemente dalla forma del materiale. La perturbazione degli strati d'aria porta alla perdita di spessore effettivo; ciò include disturbi non solo dovuti al vento, ma anche dovuti ai movimenti di chi indossa gli indumenti: spostamento del corpo (una componente del vento) e movimenti di parti del corpo. La convezione naturale contribuisce a questo effetto. Per un grafico che mostra l'effetto della velocità dell'aria sulla capacità isolante di uno strato d'aria, vedere la figura 1.

Figura 1. Effetto della velocità dell'aria sulla capacità isolante di uno strato d'aria.

Trasferimento di calore per irraggiamento

La radiazione è un altro meccanismo importante per il trasferimento di calore. Ogni superficie irradia calore e assorbe il calore che viene irradiato da altre superfici. Il flusso di calore radiante è approssimativamente proporzionale alla differenza di temperatura tra le due superfici di scambio. Uno strato di abbigliamento tra le superfici interferirà con il trasferimento di calore radiativo intercettando il flusso di energia; l'abbigliamento raggiungerà una temperatura che è circa la media delle temperature delle due superfici, tagliando in due la differenza di temperatura tra loro, e quindi il flusso radiante è diminuito di un fattore due. All'aumentare del numero di strati intercettanti, la velocità di trasferimento del calore diminuisce.

Gli strati multipli sono quindi efficaci nel ridurre il trasferimento di calore radiante. Nelle ovatte e nei velli di fibre, la radiazione viene intercettata dalle fibre distribuite, piuttosto che da uno strato di tessuto. La densità del materiale fibroso (o meglio la superficie totale del materiale fibroso per volume di tessuto) è un parametro critico per il trasferimento della radiazione all'interno di tali velli di fibre. Le fibre fini forniscono più superficie per un dato peso rispetto alle fibre grossolane.

Isolamento in tessuto

Come risultato delle conduttività dell'aria racchiusa e del trasferimento di radiazioni, la conducibilità del tessuto è effettivamente una costante per tessuti di vari spessori e legature. L'isolamento termico è quindi proporzionale allo spessore.

Resistenza al vapore dell'aria e dei tessuti

Gli strati d'aria creano anche una resistenza alla diffusione del sudore evaporato dalla pelle umida all'ambiente. Questa resistenza è approssimativamente proporzionale allo spessore dell'insieme di abbigliamento. Per i tessuti, la resistenza al vapore dipende dall'aria racchiusa e dalla densità della costruzione. Nei tessuti veri, alta densità e grande spessore non vanno mai d'accordo. A causa di questa limitazione è possibile stimare l'aria equivalente di tessuti che non contengono film o rivestimenti (vedi figura 8). I tessuti rivestiti o i tessuti laminati su pellicole possono avere una resistenza al vapore imprevedibile, che deve essere determinata mediante misurazione.

Figura 2. Relazione tra spessore e resistenza al vapore (deq) per tessuti non spalmati.

Dal tessuto e dagli strati d'aria all'abbigliamento

Più strati di tessuto

Alcune conclusioni importanti dai meccanismi di trasferimento del calore sono che gli indumenti altamente isolanti sono necessariamente spessi, che un elevato isolamento può essere ottenuto da insiemi di indumenti con più strati sottili, che una vestibilità ampia fornisce più isolamento rispetto a una vestibilità attillata e che l'isolamento ha un limite inferiore , fissato dallo strato d'aria che aderisce alla pelle.

Negli indumenti per la stagione fredda è spesso difficile ottenere spessore utilizzando solo tessuti sottili. Una soluzione è creare tessuti spessi, montando due tessuti a guscio sottili su un'imbottitura. Lo scopo dell'imbottitura è creare lo strato d'aria e mantenere l'aria all'interno il più ferma possibile. C'è anche uno svantaggio dei tessuti spessi: più gli strati sono collegati, più l'abbigliamento diventa rigido, limitando così il movimento.

Varietà di abbigliamento

L'isolamento di un completo di abbigliamento dipende in larga misura dal design dell'abbigliamento. I parametri di progettazione che influenzano l'isolamento sono il numero di strati, le aperture, l'adattamento, la distribuzione dell'isolamento sul corpo e la pelle esposta. Anche alcune proprietà dei materiali come la permeabilità all'aria, la riflettività e i rivestimenti sono importanti. Inoltre, il vento e l'attività modificano l'isolamento. È possibile fornire una descrizione adeguata dell'abbigliamento ai fini della previsione del comfort e della tolleranza di chi lo indossa? Sono stati fatti vari tentativi, basati su diverse tecniche. La maggior parte delle stime sull'isolamento completo degli insiemi sono state fatte per condizioni statiche (assenza di movimento, assenza di vento) su insiemi interni, poiché i dati disponibili sono stati ottenuti da manichini termici (McCullough, Jones e Huck 1985). Le misurazioni su soggetti umani sono laboriose e i risultati variano ampiamente. Dalla metà degli anni '1980 sono stati sviluppati e utilizzati manichini mobili affidabili (Olesen et al. 1982; Nielsen, Olesen e Fanger 1985). Inoltre, tecniche di misurazione migliorate hanno consentito esperimenti umani più accurati. Un problema che non è stato ancora completamente superato è l'inclusione corretta dell'evaporazione del sudore nella valutazione. I manichini sudati sono rari e nessuno di loro ha una distribuzione realistica del tasso di sudore sul corpo. Gli esseri umani sudano realisticamente, ma in modo incoerente.

Definizione di isolamento dell'abbigliamento

Isolamento dell'abbigliamento (I_cl in unità di m²K/W) per condizioni stazionarie, senza sorgenti di radiazioni o condensa negli indumenti, è definito in "Formule e definizioni". Spesso I è espresso nell'unità clo (non un'unità internazionale standard). Un clo equivale a 0.155 m²K/W. L'uso dell'unità clo significa implicitamente che si riferisce a tutto il corpo e include quindi il trasferimento di calore da parti del corpo esposte.

I viene modificato dal moto e dal vento, come spiegato in precedenza, e dopo la correzione viene chiamato il risultato isolamento risultante. Questo è un termine usato frequentemente ma non generalmente accettato.

Distribuzione degli indumenti sul corpo

Il trasferimento di calore totale dal corpo include il calore che viene trasferito dalla pelle esposta (di solito la testa e le mani) e il calore che passa attraverso gli indumenti. Isolamento intrinseco (Vedi "Formule e definizioni") è calcolato sull'area totale della pelle, non solo sulla parte coperta. La pelle esposta trasferisce più calore della pelle coperta e quindi ha una profonda influenza sull'isolamento intrinseco. Questo effetto è potenziato dall'aumento della velocità del vento. La Figura 3 mostra come l'isolamento intrinseco diminuisce successivamente a causa della curvatura delle forme del corpo (strati esterni meno efficaci di quelli interni), delle parti del corpo esposte (percorso aggiuntivo per il trasferimento di calore) e dell'aumento della velocità del vento (minore isolamento, in particolare per la pelle esposta) (Lotens 1989). Per insiemi spessi la riduzione dell'isolamento è drammatica.

Figura 3. Isolamento intrinseco, poiché è influenzato dalla curvatura del corpo, dalla pelle nuda e dalla velocità del vento.

Spessore e copertura tipici dell'insieme

Apparentemente sia lo spessore dell'isolamento che la copertura della pelle sono determinanti importanti della perdita di calore. Nella vita reale i due sono correlati nel senso che l'abbigliamento invernale non solo è più spesso, ma copre anche una porzione maggiore del corpo rispetto all'abbigliamento estivo. La Figura 4 dimostra come questi effetti insieme risultino in una relazione quasi lineare tra lo spessore dell'abbigliamento (espresso come volume di materiale isolante per unità di superficie dell'abbigliamento) e l'isolamento (Lotens 1989). Il limite inferiore è fissato dall'isolamento dell'aria adiacente e il limite superiore dall'usabilità dell'indumento. La distribuzione uniforme può fornire il miglior isolamento al freddo, ma non è pratico avere molto peso e ingombro sugli arti. Pertanto l'enfasi è spesso sul tronco e la sensibilità della pelle locale al freddo è adatta a questa pratica. Gli arti svolgono un ruolo importante nel controllo del bilancio termico umano e l'elevato isolamento degli arti limita l'efficacia di questa regolazione.

Figura 4. Isolamento totale risultante dallo spessore e dalla distribuzione degli indumenti sul corpo.

Ventilazione degli indumenti

Gli strati d'aria intrappolati nell'insieme di indumenti sono soggetti a movimento e vento, ma in misura diversa rispetto allo strato d'aria adiacente. Il vento crea ventilazione negli indumenti, sia come aria che penetra nel tessuto sia attraverso aperture, mentre il movimento aumenta la circolazione interna. Havenith, Heus e Lotens (1990) hanno scoperto che all'interno dell'abbigliamento il movimento è un fattore più forte che nello strato d'aria adiacente. Tuttavia, questa conclusione dipende dalla permeabilità all'aria del tessuto. Per tessuti altamente permeabili all'aria, la ventilazione del vento è considerevole. Lotens (1993) ha dimostrato che la ventilazione può essere espressa in funzione della velocità effettiva del vento e della permeabilità all'aria.

Stime di isolamento degli indumenti e resistenza al vapore

Stime fisiche dell'isolamento dell'abbigliamento

Lo spessore di un completo di abbigliamento fornisce una prima stima dell'isolamento. La conduttività tipica di un insieme è di 0.08 W/mK. Con uno spessore medio di 20 mm, ciò si traduce in un I_cl di 0.25 mt²K/W, o 1.6 clo. Tuttavia, le parti larghe, come i pantaloni o le maniche, hanno una conduttività molto più elevata, più dell'ordine di 0.15, mentre gli strati di abbigliamento strettamente imballati hanno una conduttività di 0.04, i famosi 4 clo per inch riportati da Burton e Edholm (1955 ).

Stime da tabelle

Altri metodi utilizzano i valori della tabella per gli articoli di abbigliamento. Questi elementi sono stati precedentemente misurati su un manichino. Un insieme in esame deve essere separato nei suoi componenti, e questi devono essere cercati nella tabella. Fare una scelta errata del capo di abbigliamento tabulato più simile può causare errori. Per ottenere l'isolamento intrinseco dell'insieme, i singoli valori di isolamento devono essere inseriti in un'equazione di sommatoria (McCullough, Jones e Huck 1985).

Fattore di superficie dell'abbigliamento

Per calcolare l'isolamento totale, f_cl deve essere stimato (vedere "Formule e definizioni"). Una stima sperimentale pratica consiste nel misurare l'area della superficie dell'abbigliamento, apportare correzioni per le parti sovrapposte e dividere per l'area totale della pelle (DuBois e DuBois 1916). Altre stime di vari studi lo dimostrano f_cl aumenta linearmente con l'isolamento intrinseco.

Stima della resistenza al vapore

Per un completo di abbigliamento, la resistenza al vapore è la somma della resistenza degli strati d'aria e degli strati di abbigliamento. Di solito il numero di strati varia in tutto il corpo e la stima migliore è la media ponderata per area, compresa la pelle esposta.

Resistenza al vapore relativa

La resistenza all'evaporazione è usata meno frequentemente di I, perché poche misure di C_cl (o P_cl) sono disponibili. Woodcock (1962) ha evitato questo problema definendo l'indice di permeabilità al vapore acqueo i_m come rapporto di I ed R, riferito allo stesso rapporto per un singolo strato d'aria (quest'ultimo rapporto è quasi una costante e noto come costante psicrometrica S, 0.0165 K/Pa, 2.34 Km³/g o 2.2 K/torr); i_m= I/(RS). Valori tipici per i_m per gli indumenti non rivestiti, determinati sui manichini, vanno da 0.3 a 0.4 (McCullough, Jones e Tamura 1989). Valori per i_m per tessuti compositi e la loro aria adiacente può essere misurata in modo relativamente semplice su un apparecchio con piastra riscaldante bagnata, ma il valore dipende effettivamente dal flusso d'aria sopra l'apparecchio e dalla riflettività dell'armadio in cui è montato. Estrapolazione del rapporto di R ed I per gli esseri umani vestiti dalle misurazioni sui tessuti agli insiemi di abbigliamento (DIN 7943-2 1992) viene talvolta tentato. Questa è una questione tecnicamente complicata. Uno dei motivi è quello R è proporzionale solo alla parte convettiva di I, in modo che siano necessarie accurate correzioni per il trasferimento di calore radiativo. Un altro motivo è che l'aria intrappolata tra i tessuti compositi e gli insiemi di abbigliamento può essere diversa. Infatti, la diffusione del vapore e il trasferimento di calore possono essere meglio trattati separatamente.

Preventivi per modelli articolati

Sono disponibili modelli più sofisticati per calcolare l'isolamento e la resistenza al vapore acqueo rispetto ai metodi sopra descritti. Questi modelli calcolano l'isolamento locale sulla base delle leggi fisiche per un certo numero di parti del corpo e le integrano all'isolamento intrinseco per l'intera forma umana. A tale scopo la forma umana è approssimata da cilindri (figura ). Il modello di McCullough, Jones e Tamura (1989) richiede dati di abbigliamento per tutti gli strati dell'ensemble, specificati per segmento corporeo. Il modello CLOMAN di Lotens e Havenith (1991) richiede meno valori di input. Questi modelli hanno una precisione simile, che è migliore di qualsiasi altro metodo menzionato, ad eccezione della determinazione sperimentale. Purtroppo e inevitabilmente i modelli sono più complessi di quanto sarebbe auspicabile in uno standard ampiamente accettato.

Figura 5. Articolazione della forma umana nei cilindri.

Effetto dell'attività e del vento

Lotens e Havenith (1991) forniscono anche modifiche, basate su dati di letteratura, dell'isolamento e della resistenza al vapore dovute all'attività e al vento. L'isolamento è inferiore da seduti che in piedi e questo effetto è maggiore per indumenti altamente isolanti. Tuttavia, il movimento riduce l'isolamento più della postura, a seconda del vigore dei movimenti. Durante la deambulazione si muovono sia le braccia che le gambe e la riduzione è maggiore che durante la pedalata, quando si muovono solo le gambe. Anche in questo caso la riduzione è maggiore per i completi di abbigliamento pesante. Il vento riduce maggiormente l'isolamento per gli indumenti leggeri e meno per gli indumenti pesanti. Questo effetto potrebbe essere correlato alla permeabilità all'aria del tessuto esterno, che di solito è inferiore per gli indumenti per il freddo.

La Figura 8 mostra alcuni effetti tipici del vento e del movimento sulla resistenza al vapore per l'abbigliamento antipioggia. Non c'è un accordo definito in letteratura sull'entità del movimento o sugli effetti del vento. L'importanza di questo argomento è sottolineata dal fatto che alcuni standard, come ISO 7730 (1994), richiedono l'isolamento risultante come input quando applicato a persone attive o esposte a un significativo movimento dell'aria. Questo requisito è spesso trascurato.

Figura 6. Diminuzione della resistenza al vapore con vento e camminata per vari indumenti impermeabili.

Gestione dell'umidità

Effetti dell'assorbimento di umidità

Quando i tessuti possono assorbire il vapore acqueo, come fa la maggior parte delle fibre naturali, l'abbigliamento funge da tampone per il vapore. Ciò modifica il trasferimento di calore durante i transitori da un ambiente all'altro. Quando una persona che indossa indumenti non assorbenti passa da un ambiente secco a uno umido, l'evaporazione del sudore diminuisce bruscamente. Negli indumenti igroscopici il tessuto assorbe il vapore e la variazione dell'evaporazione è solo graduale. Contemporaneamente il processo di assorbimento libera calore nel tessuto, aumentandone la temperatura. Ciò riduce il trasferimento di calore secco dalla pelle. In prima approssimazione, entrambi gli effetti si annullano a vicenda, lasciando invariato il trasferimento di calore totale. La differenza con gli indumenti non igroscopici è il cambiamento più graduale dell'evaporazione dalla pelle, con un minor rischio di accumulo di sudore.

Capacità di assorbimento del vapore

La capacità di assorbimento del tessuto dipende dal tipo di fibra e dalla massa del tessuto. La massa assorbita è approssimativamente proporzionale all'umidità relativa, ma è superiore al 90%. La capacità di assorbimento (denominata riguadagnare) è espresso come la quantità di vapore acqueo che viene assorbito in 100 g di fibra secca all'umidità relativa del 65%. I tessuti possono essere classificati come segue:

• basso assorbimento—acrilico, poliestere (da 1 a 2 g per 100 g)
• assorbimento intermedio—nylon, cotone, acetato (da 6 a 9 g per 100 g)
• alto assorbimento—seta, lino, canapa, rayon, iuta, lana (da 11 a 15 g per 100 g).

Assorbimento d'acqua

La ritenzione idrica nei tessuti, spesso confusa con l'assorbimento del vapore, obbedisce a regole diverse. L'acqua libera è legata in modo lasco al tessuto e si diffonde bene lateralmente lungo i capillari. Questo è noto come assorbimento. Il trasferimento di liquido da uno strato all'altro avviene solo per tessuti bagnati e sotto pressione. Gli indumenti possono essere bagnati dal sudore non evaporato (superfluo) assorbito dalla pelle. Il contenuto liquido del tessuto può essere elevato e la sua evaporazione in un secondo momento può costituire una minaccia per l'equilibrio termico. Questo in genere accade durante il riposo dopo un duro lavoro ed è noto come dopo-freddo. La capacità dei tessuti di trattenere i liquidi è più legata alla costruzione del tessuto che alla capacità di assorbimento delle fibre, e per scopi pratici è solitamente sufficiente per assorbire tutto il sudore superfluo.

Condensazione

Gli indumenti possono bagnarsi a causa della condensazione del sudore evaporato su un particolare strato. La condensa si verifica se l'umidità è superiore a quella consentita dalla temperatura locale. Con il freddo questo sarà spesso il caso all'interno del tessuto esterno, con il freddo estremo anche negli strati più profondi. Dove avviene la condensazione, l'umidità si accumula, ma la temperatura aumenta, come avviene durante l'assorbimento. La differenza tra condensazione e assorbimento, tuttavia, è che l'assorbimento è un processo temporaneo, mentre la condensazione può continuare per tempi prolungati. Il trasferimento di calore latente durante la condensazione può contribuire in modo molto significativo alla perdita di calore, che può essere desiderabile o meno. L'accumulo di umidità è principalmente un inconveniente, a causa del disagio e del rischio di post-raffreddamento. In caso di condensa abbondante, il liquido può essere riportato sulla pelle per evaporare nuovamente. Questo ciclo funziona come un tubo di calore e può ridurre notevolmente l'isolamento della biancheria intima.

Simulazione dinamica

Dall'inizio del 1900 sono stati sviluppati molti standard e indici per classificare abbigliamento e climi. Quasi senza eccezione questi hanno avuto a che fare con stati stazionari, condizioni in cui il clima e il lavoro sono stati mantenuti abbastanza a lungo da permettere a una persona di sviluppare una temperatura corporea costante. Questo tipo di lavoro è diventato raro, a causa del miglioramento della salute sul lavoro e delle condizioni di lavoro. L'enfasi si è spostata sull'esposizione di breve durata a circostanze difficili, spesso legate alla gestione delle calamità in indumenti protettivi.

Vi è quindi la necessità di simulazioni dinamiche che coinvolgano il trasferimento di calore dell'abbigliamento e la tensione termica di chi lo indossa (Gagge, Fobelets e Berglund 1986). Tali simulazioni possono essere effettuate per mezzo di modelli computerizzati dinamici che attraversano uno scenario specifico. Tra i modelli più sofisticati fino ad oggi per quanto riguarda l'abbigliamento c'è THDYN (Lotens 1993), che consente un'ampia gamma di specifiche di abbigliamento ed è stato aggiornato per includere le caratteristiche individuali della persona simulata (figura 9). Potrebbero essere previsti più modelli. C'è bisogno, tuttavia, di una valutazione sperimentale estesa, e l'esecuzione di tali modelli è opera di esperti, piuttosto che di profano intelligente. I modelli dinamici basati sulla fisica del trasferimento di calore e di massa includono tutti i meccanismi di trasferimento del calore e le loro interazioni - assorbimento di vapore, calore da fonti radianti, condensazione, ventilazione, accumulo di umidità e così via - per un'ampia gamma di capi di abbigliamento, compresi quelli civili, abbigliamento da lavoro e protettivo.

Figura 7. Descrizione generale di un modello termico dinamico.

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