Теплообмен человека с окружающей средой. Комфортные условия жизнедеятельности в техносфере

Комфортные условия жизнедеятельности в техносфере. Критерии комфорта

Лекция 3

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 36,5еС. 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°С. Наивыс­шая температура внутренних органов, которую выдерживает человек, со­ставляет +43°С, минимальная +25°С. 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...34°С. При неблагоприятных метеорологиче­ских условиях на отдельных участках тела она может понижаться до 20°С, а иногда и ниже.

Нормальное тепловое самочувствие имеет место, когда тепловыделе­ние Q_Tnчеловека полностью воспринимается окружающей средой Q_TO, т.е. когда имеет место тепловой баланс Q_Tn⁼Qxo>то в этом случае температура внутренних органов остаётся постоянной. Если теплопродукция организма не может быть полностью передана окружающей среде (Q^Qto), 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 1,2°С. Тепло­изоляция человека, производящего работу средней тяжести, вызовет повы­шение температуры уже на 5°С и вплотную приблизиться к максимально допустимой. В случае, когда окружающая среда воспринимает больше теп­лоты, чем её воспроизводит человек (Q_Tn^<Q_To), происходит охлаждение ор­ганизма. Такое тепловое самочувствие характеризуется понятием холодно.

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется» конвекцией Q_Kв результате омывания тела воздухом, теплопроводностью Q_T, излучением на окружающие поверхности Q, и в процессе тепломассо­обмена(Q_TM= Q„ + Qa), при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами Q„, и при дыхании Q_a:

Q_Tn= Q_K+ Ол+Qn+ Q™. (I-¹)

Конвективный теплообмен определяется законом Ньютона:

Q_K= а_кF ₃ (t„ ₀ B-t_M),

где а_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией; при нормальных пара­метрах микроклимата о* = 4,06 Вт/(м² ■ °С); t_n0B- температура поверхности тела человека (для практических расчётов зимой около 21,ТС, летом - око­ло 31,5°С); t_oc- температура воздуха, омывающего тело человека; F₃- эф­фективная поверхность тела человека (размер эффективной поверхности те­ла зависит от положения его в пространстве и составляет приблизительно

1.. 80% геометрической внешней поверхности тела человека); для практи­ческих расчётов F₃= 1,8 м². Значение коэффициента теплоотдачи конвекци­ей можно определить приближенно как

Ок = Х/б, где X - коэффициент теплопроводности пограничного слоя, Вт/(м ^,0С); <5 - 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 ф, 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.

Qk= f(t_oc; В; w; ф). (1.3)

Передачу теплоты теплопроводностью можно описать уравнением Фурье:

Q_T = (V5₀)F,/(t_nOB-t_oc), (1.4)

где — коэффициент теплопроводности тканей одежды человека, Вт/(м • °С); о₀- 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„ = с_пр 6 ЗД.ЖТУЮО⁴) - (Т ₂ /100⁴)}, (1.5)

где С_пр - приведённый коэффициент излучения, Вт/(м² -К⁴); е - степень черноты окружающих предметов; Ft- площадь поверхности, излучающей лучистый поток, м²; - коэффициент облучаемости, зависящий от распо­ложения и размеров поверхностей Fiи F₂и показывающий долю лучистого потока, приходящегося на поверхность F₂, от всего потока, излучаемого по­верхностью F]; Т ] - средняя температура поверхности тела и одежды чело­века, К; Т₂ - средняя температура окружающих поверхностей, К.

Для практических расчётов в диапазоне температур окружающих че­ловека предметов Ю...60°С приведённый коэффициент излучения С_пр =4,9 Вт/(м² • К⁴). Коэффициент облучаемости Ф,.₂ обычно принимают равным

2. В этом случае значение^лучистого потока зависит Ъ основном от степе­ни черноты е и температуры окружающих предметов, т. е. Q„ = f(T_on; е).

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

Q„ = G„r, (1.6)

где G„ - масса выделяемой и испаряющейся влаги, кг/с; г - 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, температуре воздуха 30°С у человека, не занятого физическимтрудом, 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„ = f(t„c; В; w; ф; J), (1.7)

где J- интенсивность труда, производимого человеком, Вт.

Таблица 1. Количество влаги, выделяемое с поверхности кожи и из лёг­

ких человека, г/мин

Характеристика выполняемой рабо­ты (по Н.К. Витте)	Температура воздуха, °С
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,

<2д = V_JIBp_MC_p(t_BbU-t_M), (1.8)

где V„_B- объём воздуха, вдыхаемого человеком в единицу времени, «лёгочная вентиляция», м³/с; р_вл - плотность вдыхаемого влажного воздуха, кг/м³; С_р - удельная теплоёмкость выдыхаемого воздуха, Дж/(кг * °С)- 1_вь,д - температура выдыхаемого воздуха, °С; t_M- температура вдыхаемого воздуха, °С.

«Лёгочная вентиляция» определяется как произведение объёма возду­ха, вдыхаемого за один вздох, V_Bв м³ на частоту дыхания в секунду п; У_лв = V_BBп. 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_a= f(J; Ф; t_x). (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:

Qrn= f(t_M; w; ф; В; T_on; J). (1.10)

Прараметры - температура окружающих предметов и интенсивность физической нагрузки организма - характеризуют конкретную производст­венную обстановку и отличаются большим многообразием. Остальные па раметры - температура, скорость, относительная влажность и атмосферное

давление окружающего воздуха - получили название параметров микро­климата.

Дата добавления: 2014-01-20