МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЙ

1.1. Механизмы теплообмена между человеком и окружающей средой

Человек постоянно находится в состоянии обмена теплотой с окружающей средой. Наилучшее тепловое самочувствие человека будет тогда, когда тепловыделения (Q_TB) организма человека пол­ностью отдаются окружающей среде (Q_T0), т. е. имеет место теп­ловой баланс Q_TB = Q_T0. Превышение тепловыделения организма над теплоотдачей в окружающую среду (Q_TB > Q_J0) приводит к нагреву организма и к повышению его температуры — человеку становится жарко. Наоборот, превышение теплоотдачи над теп­ловыделением (Q_1B < Q_T0) приводит к охлаждению организма и к снижению его температуры — человеку становится холодно.

Средняя температура тела человека — 36,5 "С. Даже незначи­тельные отклонения от этой температуры в ту или другую сторо­ну приводят к ухудшению самочувствия человека.

Тепловыделения (<2_ТВ) организма определяются прежде всего тяжестью и напряженностью выполняемой человеком работы, в основном величиной мышечной нагрузки.

Параметрами микроклимата, при которых выполняет работу человек и от которых зависит теплообмен между организмом че­ловека и окружающей средой, являются температура окружаю­щей среды (t_oc), скорость движения воздуха (v_B) и влажность (от­носительная) воздуха ((f>_B) (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Параметры теплообмена человека с окружающей средой

Чтобы понять, почему именно эти параметры определяют теплообмен человека с окружающей средой, рассмотрим меха­низмы, за счет которых теплота передается от одного предмета к другому (в частности, от человека к окружающей его среде и наоборот). Передача теплоты от человека к окружающей среде и наоборот осуществляется за счет теплопроводности, конвектив­ного теплообмена, излучения, испарения и с выдыхаемым воз­духом.

Передача теплоты осуществляется за счет теплопроводности (Q_T). Теплота может передаваться только от тела с более высокой температурой к телу с менее высокой температурой. Интенсив­ность отдачи теплоты зависит от разности температур тел (в нашем случае — это температура тела человека и температура ок­ружающих человека предметов и воздуха) и теплоизолирующих свойств одежды.

Чтобы проиллюстрировать это, можно выполнить простейший экспе­римент.

Опустите в стакан с горячей водой термометр, а сам стакан помести­те в емкость сначала с теплой, а затем с холодной водой. Наблюдайте за скоростью уменьшения показаний термометра в первом и во втором случае.

Понижение температуры в стакане при нахождении его в холодной воде будет происходить быстрее, чем интенсивность отдачи теплоты от горячей воды в стакане к теплой воде в емкости. Этот опыт иллюстриру­ет зависимость теплопередачи от разницы температур.

Т. к. температура тела человека относительно величины 36,5 °С варьируется в небольшом диапазоне, то изменение отда­чи теплоты от человека происходит в основном.за счет измене­ния температуры окружающей человека среды.

Если температура воздуха или окружающих человека предме­тов выше температуры 36,5 "С, происходит не отдача теплоты от человека, а наоборот его нагрев. Поэтому при нахождении чело­века у нагревательных приборов или горячего производственно­го оборудования теплота от них передается человеку, и происхо­дит нагрев тела.

Одежда человека обладает теплоизолирующими свойствами: чем более теплая одежда, тем меньше теплоты отдается от чело­века окружающей среде.

Таким образом, регулировать теплообмен человека с окружаю­щей средой можно за счет температуры окружающей среды и вы­бора одежды с различными теплоизолирующими свойствами.

Передача теплоты осуществляется также за счет конвективно­го теплообмена (Q_K). Что это такое? Воздух, находящийся вблизи теплого предмета, нагревается. Нагретый воздух имеет меньшую плотность и, как более легкий, поднимается вверх, а его место занимает более холодный воздух окружающей среды.

Явление обмена порций воздуха за счет разности плотно­стей теплого и холодного воздуха называется естественной кон­векцией.

Если теплый предмет обдувать холодным воздухом, то про­цесс замены более теплых слоев воздуха у предмета на более хо­лодные ускоряется. В этом случае у нагретого предмета будет на­ходиться более холодный воздух, разность температур между на­гретым предметом и окружающим воздухом будет больше, и, как мы уже выяснили раньше, интенсивность отдачи тепла от пред­мета окружающему воздуху возрастет. Это явление называется вынужденной конвекцией.

Чтобы проиллюстрировать это явление, можно предложить простей­ший эксперимент.

В стакан с горячей водой опустить термометр и наблюдать за его по­казаниями в двух случаях — при нахождении стакана в неподвижном возду­хе и при его обдуве с помощью вентилятора.

Во втором случае показания термометра будут уменьшаться быстрее. Это означает, что интенсивность отдачи теплоты при обдуве (вынужден­ной конвекции воздуха) выше. Другим примером, иллюстрирующим явление вынужденной конвекции, является то, что при одинаковой температуре воздуха в ветреную погоду человек воспринимает климатические условия как более холодные, т. к. отдача тепла от его организма более интенсивная.

Таким образом, регулировать теплообмен между человеком и окружающей средой можно изменением скорости движения воздуха.

Еще одним механизмом передачи теплоты от человека окру­жающей среде является испарение. Если человек потеет, на его коже появляются капельки воды, которые испаряются, и вода из жидкого состояния переходит в парообразное. Этот процесс со­провождается затратами энергии (QJ на испарение и в результа­те охлаждением организма.

От чего же зависит интенсивность испарения, а следователь­но, и величина отдачи тепла от организма окружающей среде?

Во-первых, от температуры окружающей среды — чем выше температура, тем выше интенсивность испарения; во-вторых, от влажности воздуха — чем выше влажность, тем меньше интен­сивность испарения. Для каждой температуры воздуха характер­но максимальное количество воды, которое может находиться в единице объема воздуха в парообразном состоянии.

Проиллюстрировать это явление поможет простейший эксперимент. Налить в небольшую бутылку воды, опустить в нее термометр, обернуть бутылку мокрой тряпкой и поставить ее на солнце. Следить за показания­ми термометра. Температура воды в бутылке начнет понижаться.

Если бутылка не будет завернута в мокрую тряпку, температура бу­дет повышаться. Это говорит о том, что тепловая энергия расходуется на испарение воды из тряпки.

Этим простейшим приемом можно пользоваться в том случае, если в жаркую погоду захочется попить охлажденной воды. Охлаждением за счет испарения объясняется также то, что в жаркую солнечную погоду не реко­мендуется поливать растения, особенно чувствительные к температуре. За счет интенсивного испарения вегетативные части растений могут ох­ладиться до недопустимых температур.

Обычно влажность воздуха измеряют величиной относитель­ной влажности (ф), выраженной в процентах. Например, отно­сительная влажность ф = 70 % означает, что в воздухе воды в па­рообразном состоянии находится 70 % от максимально возмож­ного количества. Относительная влажность 100 % означает, что воздух насыщен водяными парами и в такой среде испарение происходить не может.

Таким образом, относительная влажность— это отношение массы водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха, к массе водяного пара, содержащегося в насыщенном водяными парами воздухе (предельной массе водяного пара, которая может содержаться в воздухе при данной температуре).

Интенсивность испарения возрастает при увеличении скоро­сти движения воздуха. Это объясняется теми же причинами, что и увеличение теплообмена при вынужденной конвекции. Слои воздуха, находящиеся вблизи тела человека и насыщенные водя­ными парами, за счет движения воздуха удаляются и заменяются более сухими порциями воздуха, при этом возрастает интенсив­ность испарения.

Следующим механизмом отдачи теплоты от человека окру­жающей среде является теплота выдыхаемого воздуха. Впроцес­се дыхания воздух окружающей среды, попадая в легкие челове­ка, нагревается и одновременно насыщается водяными парами. Таким образом, теплота выводится из организма человека с вы­дыхаемым воздухом (Q_B).

Последним механизмом теплообмена между человеком и ок­ружающими предметами является излучение (Q_m). Тепловая энергия, превращаясь на поверхности горячего тела в лучистую (электромагнитную волну) — инфракрасное излучение, переда­ется на другую — холодную — поверхность, где вновь превраща­ется в тепловую. Лучистый поток тем больше, чем больше раз­ница температур человека и окружающих предметов. Причем лу­чистый поток может исходить от человека, если температура окружающих предметов ниже температуры человека и наоборот, если окружающие предметы более нагреты.

Таким образом, теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется за счет теплопроводности (Q₁), конвек­тивного теплообмена (QJ, испарения (Q_H), выдыхания теплого воздуха (Q_B), излучения (Q_m).

Направление тепловых потоков Q_T, Q_K, Q_m может быть от че­ловека к окружающим человека воздуху и предметам и наоборот, в зависимости от того, что выше — температура тела человека или окружающего воздуха и окружающих его тел (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема направления тепловых потоков: Q_B — выдыхание теплового воз­духа; Q_n — испарение; Q_m — излучение; Q_K — конвективный теплообмен; Q_T —

теплопроводность

Тепловыделения организма человека определяются прежде всего величиной мышечной нагрузки при деятельности человека, а тепло­отдача — температурой окружающего воздуха и предметов, ско­ростью движения и относительной влажностью воздуха.