Теплообмен между телом человека и окружающей средой

Самочувствие человека во многом будет зависеть от теплообмена его тела с окружающей средой помещения. Факторы, влияющие на теплообмен человека с окружающей средой, показаны на рис. 1.6 [3].

Рис. 1.6. Схема теплообмена тела с окружающей средой

Протекающие в организме человека процессы поглощения, превращения, хранения и выделения продуктов жизнедеятельности принято называть метаболическими процессами. Сопутствующий круговорот энергии состоит в окислении питательных веществ, обмене веществ теплопродукции и механической работе мышц, причем энергетический баланс поддерживается, если количество вырабатываемой организмом энергии, которую физически устанавливают по объему потребляемого кислорода, равно количеству выделяемой энергии. Таким образом, процессе жизнедеятельности организм человека выделяет значительное количество теплоты [4]. Величина выделяемой человеческим организмом тепловой энергии зависит от количества потребляемого кислорода. Например, в состоянии покоя взрослым человеком потребляется около 15 л/ч кислорода. Если при сгорании кислорода выделяется примерно 21·10³ Дж/м³, тогда количество выделяемой человеком теплоты составит 88 Вт. С увеличением тяжести выполняемой работы тепловыделения значительно возрастаю, например, во время физической работы они могут быть в 12 раз больше, чем в состоянии покоя. Это связано непосредственно с повышенным потреблением кислорода.

Чтобы уравновесить теплопродукцию и теплоотдачу организм человека должен иметь соответствующий механизм терморегуляции. Человеческое тело отдает теплоту в окружающее пространство с помощью конвекции, излучения (радиации), теплопроводности и испарения. За счет конвекции происходит примерно 32-35% всей теплоотдачи, количество тепла, отдаваемое путем излучения, — 42-44%, а на долю испарения затрачивается около 10-15%. Незначительным является количество теплоты, отдаваемое путем теплопроводности и оно, как правило, в расчетах не учитывается.

Интенсивность радиации, как основной составляющей теплоотдачи с поверхности кожи человека, главным образом связана с температурой окружающих поверхностей, и особенно, с температурой поверхности стен.

Конвективная теплоотдача происходит в результате перемещения воздуха в пространстве и зависит от температуры и скорости движения воздуха. Теплоотдача путем испарения связана с параметрами воздушной среды: влажностью, температурой и скоростью движения воздуха.

Существенным фактором физиологического воздействия на организм человека является влажность воздуха, влияние которой на тепловой комфорт связано с дыхательным трактом человека. Г. Эверт установил, что скорость движения слизи, покрывающей носовую полость, дыхательные пути и альвеолы легких, зависит главным образом от относительной влажности вдыхаемого воздуха.

Если влажность составляет менее 40 %, то слизь движется с небольшой скоростью, налипая на оболочки (рис. 1.7). В результате сокращается подвижность эпителия, что способствует проникновению в легкие бактерий и вирусов. Исходя из этого, рекомендуется относительную влажность воздуха поддерживать в интервале 40-60 %.

Рис. 1.7. Зависимость между относительной влажностью вдыхаемого воздуха и скоростью движения слизи: а – для курящих; б – для некурящих

Другим проявлением влияния влажности воздуха на тепловой комфорт является зависимость скрытой теплоотдачи организма от влажности. Теплота в результате испарения влаги отводится из легких и дыхательных путей, а также при потоотделении. Организм человека испаряет примерно 800-1000 мл в сутки (на 1 г воды затрачивается 2400 Дж тепла), что составляет 20-25 % отдаваемой теплоты.

Влагоотдача, а следовательно, и скрытая теплоотдача организма зависят от температуры воздуха (рис. 1.8). При температурах воздуха выше температуры кожи человека, количество испаряемой влаги возрастает. Потоотделение начинается температуре окружающего воздуха 28-29 °С, и при температуре выше 34 °С теплоотдача, вследствие испарения и потоотделения является единственным способом теплоотдачи организма.

Рис. 1.8. Зависимость теплоотдачи человеческого тела по явной и скрытой теплоте от температуры воздуха помещения

Количество тепло- и влагопоступлений и диоксида углерода от людей в зависимости от тяжести работы и температуры воздуха помещения для выполнения инженерных расчетов можно принимать по таблице, представленной в приложении Х [5].

Гигиенические исследования П.О. Фангера [6] показали, что локальное воздействие температуры и влажности воздуха на дыхательные пути и, следовательно, на воспринимаемое качество воздуха на порядок сильнее, чем в отношении тепловых ощущении тела человека. Энтальпия воздуха зависит от его влагосодержания: низкое (обычно холодной зимой) неблагоприятно воздействует на кожу человека - она становится сухой и может растрескиваться от натяжения.

Исследованиями установлено, что средняя температура кожи человека существенно зависит от влажности воздуха, оцениваемой относительной влажностью или упругостью водяного пара.

В создании теплового комфорта в помещении «участвует» и подвижность воздуха. Установлено, что повышение скорости движения воздуха с 0, 35 до 1, 3 м/с способствует снижению средней температуры кожи на 1, 5 °С. Чрезмерная подвижность воздуха вызывает ощущение сквозняка. Из-за охлаждающего воздействия движущегося воздуха нарушается тепловосприятие кожного покрова, причем как только эффект охлаждения превысит некоторое критическое значение, сосуды начинают сужаться. Наиболее подвержены воздействию сквозняка затылок и лодыжки, при этом подвижность воздуха ограничена 0, 15 м/с. Область комфортного сочетания подвижности и температуры указана на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Область комфортного сочетания подвижности и температуры воздуха

Для расчетов различных способов теплоотдачи целесообразно использовать общее уравнение теплового баланса человека [4]:

, (1.11)

где Q – избыток или недостаток тепла в организме человека;

М – тепло, выделяемое организмом человека по количеству потребляемого кислорода (зависит от тяжести выполняемой человеком работы);

W – тепловой эквивалент механической работы;

Q _ис – теплоотдача путем испарения;

Q _р – радиационная теплоотдача;

Q _к – конвективная теплоотдача.

Из выражения (1.11) следует, что если численное значение правой части положительно, то температура тела повышается, т.е. человеку становится жарко, а если это значение отрицательно, то температура тела уменьшается и человеку холодно. При тепловом балансе (Q=0) теплоощущение человека благоприятное.

Таким образом, для теплоощущения человека важными и поддающимися описанию уравнениями являются такие факторы как температура воздуха, ее распределение, и изменение в пространстве и во времени, влажность воздуха, скорость воздушного потока, температура окружающих поверхностей, теплоотдача, а также терморегуляция тела человека и термоизолирующая способность одежды. Первые пять факторов непосредственно связаны с параметрами микроклимата помещения; два последних — с приспосабливаемостью организма человека и его способностью поддержания теплового баланса.