Теплообмен человека с окружающей средой

Одним из необходимых условий нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение нормальных метеорологических условий в помещении, оказывающих существенное влияние на тепловое самочувствие человека. Метеорологические условия, или микроклимат, зависят от теплофизических особенностей технологического процесса, климата, сезона года, условий отопления и вентиляции.

Жизнедеятельность человека сопровождается непрерывным выделением тепллоты в окружающую среду. Её количество зависит от степени физического напряжения в определённых климатических условиях и составляет от 85Вт (в состоянии покоя) до 500Вт (при тяжёлой работе). Для того чтобы физиологические процессы в организме протекали нормально, выделяемая организмом теплота должна полностью отводиться в окружающую среду. Нарушение теплового баланса может привести к перегреву либо к переохлаждению организма и, как следствие, к потере трудоспособности, быстрой утомляемости, потере сознания и тепловой смерти.

Одним из важных интегральных показателей теплового состояния организма является средняя температура тела (внутренних органов) порядка 36,5єС. Она зависит от степени нарушения теплового баланса и уровня энергозатрат при выполнении физической работы. При выполнении работы средней тяжести и тяжёлой при высокой температуре воздуха температура тела может повышаться от нескольких десятых градуса до 1…2^оС. Наивысшая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, составляет +43ºС, минимальная +25ºС. Температурный режим кожи играет основную роль в теплоотдаче. Её температура меняется в довольно значительных пределах, и при нормальных условиях средняя температура кожи под одеждой составляет 30…34ºС. При неблагоприятных метеорологических условиях на отдельных участках тела она может понижаться до 20ºС, а иногда и ниже.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделение Q_тп человека полностью воспринимается окружающей средой Q_то, т.е. когда имеет место тепловой баланс Q_тп=Q_то, то в этом случае температура внутренних органов остаётся постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Q_тп>Q_то), происходит рост температуры внутренних органов и такое тепловое самочувствие характеризуется понятием жарко. Теплоизоляция человека, находящегося в состоянии покоя (отдых сидя или лёжа), от окружающей среды приведёт к повышению температуры внутренних органов уже через 1ч на 1,2ºС. Теплоизоляция человека, производящего работу средней тяжести, вызовет повышение температуры уже на 5ºС и вплотную приблизиться к максимально допустимой. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теплоты, чем её воспроизводит человек (Q_тп<Q_то), происходит охлаждение организма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется конвекцией Q_к в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью Q_т, излучением на окружающие поверхности Q_л и в процессе тепломассообмена (Q_тм = Q_п + Q_д), при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами Q_п, и при дыхании Q_д:

Q_тп = Q_к + Q_л +Q_п + Q_тм.(1.1)

Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона:

Q_к = α_к F_э(t_пов-t_ос),(1.2)

где α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией; при нормальных параметрах микроклимата α_к = 4,06 Вт/(м² · ºС); t_пов – температура поверхности тела человека (для практических расчётов зимой около 27,7ºС, летом – около 31,5ºС); t_ос – температура воздуха, омывающего тело человека; F_э – эффективная поверхность тела человека (размер эффективной поверхности тела зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно 50…80% геометрической внешней поверхности тела человека); для практических расчётов F_э = 1,8 м². Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией можно определить приближенно как

α_к = λ/δ, где λ – коэффициент теплопроводности пограничного слоя, Вт/(м ·˚С); δ – толщина пограничного слоя омывающего газа, м.

Удерживаемый на внешней поверхности тела пограничный слой воздуха (до 4…8 мм при скорости движения воздуха w = 0) препятствует отдаче теплоты конвекцией. При увеличении атмосферного давления в подвижном воздухе толщина пограничного слоя уменьшается и при скорости движения воздуха

2 м/с составляет около 1 мм. Передача теплоты конвекцией тем больше, чем ниже температура окружающей среды и чем выше скорость движения воздуха. Заметное влияние оказывает и относительная влажность воздуха φ, так как коэффициент теплопроводности воздуха является функцией атмосферного давления и влагосодержания воздуха.

На основании изложенного выше можно сделать вывод, что величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окражующей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха, т. е.

Q_к = f(t_ос; В; w; φ). (1.3)

Передачу теплоты теплопроводностью можно описать уравнением Фурье:

Q_т = (λ₀/δ₀) F_э/ (t_пов – t_ос), (1.4)

где λ₀ – коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/(м · ˚С); δ₀ – толщина одежды человека, м. Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты играет конвективная передача с потоком крови.

Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Он может быть определён с помощью обобщённого закона

Стефана-Больцмана:

Q_п = С_пр ε F₁Ψ_1-2{(T₁/100⁴) – (T₂/100⁴)}, (1.5)

где С_пр – приведённый коэффициент излучения, Вт/(м² ·К⁴); ε – степень черноты окружающих предметов; F₁ – площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м²; Ψ_1-2 – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей F₁ и F₂ и показывающий долю лучистого потока, приходящегося на поверхность F₂, от всего потока, излучаемого поверхностью F₁; Т₁ – средняя температура поверхности тела и одежды человека, К; Т₂ – средняя температура окружающих поверхностей, К.

Для практических расчётов в диапазоне температур окружающих человека предметов 10…60˚С приведённый коэффициент излучения С_пр≈ 4,9 Вт/(м² · К⁴). Коэффициент облучаемости Ψ_1-2 обычно принимают равным 1,0. В этом случае значение лучистого потока зависит в основном от степени черноты ε и температуры окружающих предметов, т. е. Q_п = f(T_оп; ε).

Количество теплоты, отводимое человеком в окружающую среду при испарении влаги, выводимой на поверхность потовыми железами,

Q_п = G_п r, (1.6)

где G_п – масса выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с; r – скрытая теплота испарения выделяющейся влаги, Дж/кг.

Данные о потовыделении в зависимости от температуры воздуха и физической нагрузки человека приведены в табл.1. Как видно из данных таблицы, количество выделяемой влаги меняется в значительных пределах. Так, при температуре воздуха 30ºС у человека, не занятого физическим трудом, влаговыделение составляет 2 г/мин.

Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит не только от температуры воздуха и интенсивности работы, выполняемой человеком, но и от скорости движения окружающего воздуха и его относительной влажности, т. е.

Q_п = f(t_ос; В; w; φ; J), (1.7)

где J – интенсивность труда, производимого человеком, Вт.

Таблица 1. Количество влаги, выделяемое с поверхности кожи и из лёгких человека, г/мин

Характеристика выполняемой работы (по Н.К. Витте)	Температура воздуха, ºС
Покой, J = 100 Вт	0,6	0,74	1,69	3,25	6,2
Лёгкая, J = 200 Вт	1,8	2,4	3,0	5,2	8,8
Средней тяжести, J = 350 Вт	2,6	3,0	5,0	7,0	11,3
Тяжёлая, J = 490 Вт	4,9	6,7	8,9	11,4	18,6
Очень тяжёлая, J = 695 Вт	6,4	10,4	11,0	16,0	21,0

В процессе дыхания воздух окружающей среды, попадая в лёгочный аппарат человека, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. В технических расчётах можно принимать (с запасом), что выдыхаемый воздух имеет температуру 37˚С и полностью насыщен.

Количество теплоты, расходуемой на нагревание выдыхаемого воздуха,

Q_д = V_лвρ_вдС_р(t_выд – t_вд), (1.8)

где V_лв – объём воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени, «лёгочная вентиляция», м³/с; ρ_вд - плотность вдыхаемого влажного воздуха, кг/м³; С_р – удельная теплоёмкость выдыхаемого воздуха, Дж/(кг · ˚С); t_выд – температура выдыхаемого воздуха, ˚С; t_вд – температура вдыхаемого воздуха, ˚С.

«Лёгочная вентиляция» определяется как произведение объёма воздуха, вдыхаемого за один вздох, V_в.в м³ на частоту дыхания в секунду n; V_лв = V_в.в n. Частота дыхания человека непостоянна и зависит от состояния организма и его физической нагрузки. В состоянии покоя с каждым вдохом в лёгкие поступает около 0,5 л воздуха. При выполнении тяжёлой работы объём вдоха-выдоха может возрастать до 1,5…1,8 л. Среднее значение лёгочной вентиляции в состоянии покоя примерно 0,4…0,5 л/с, а при физической нагрузке в зависимости от напряжения может достигать 4 л/с.

Таким образом, количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности и температуры окружающего (вдыхаемого) воздуха:

Q_д = f(J; φ; t_ос). (1.9)

Чем больше физическая нагрузка и ниже температура окружающей среды, тем больше отдаётся теплоты с выдыхаемым воздухом. С увеличением температуры и влажности окружающего воздуха количество теплоты, отводимой через дыхание, уменьшается.

Анализ приведённых выше уравнений позволяет сделать вывод, что тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс, в системе «человек – среда обитания» зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов и интенсивности физической нагрузки организма:

Q_тп = f(t_ос; w; φ; В; Т_оп; J).(1.10)

Параметры – температура окружающих предметов и интенсивность физической нагрузки организма – характеризуют конкретную производственную обстановку и отличаются большим многообразием. Остальные параметры – температура, скорость, относительная влажность и атмосферное давление окружающего воздуха – получили название параметров микроклимата.