Модель энергообмена человека с окружающей средой

Юдаев Н.В.

Модель энергообмена человека с окружающей средой

Сообщение Юдаев Н.В. » 08 май 2015, 15:43

Возможно данный материал в силу Вашего "не профессионального" интереса к проблемам взаимодействия человека с окружающей средой будет Вам полезен( интересен)( Тимофеева Е.И., Федорович Г.В.) Данный материал в первом приближении опубликован: 1)Юдаев Н.В., Потоцкая Л.Н. " К расчету параметров микроклимата" Евразийский союз ученых. Научный журнал №3(12)/2015 164-173с,2)Юдаев Н.В. "К обоснованию параметров микроклимата" Международный научный институт EDUCATIO/ Ежемесячный научный журнал №2(9) 2015 часть 3 137-141с.
УДК 612.533

К СОЗДАНИЮ МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА ЧЕЛОВЕКА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
Юдаев Николай Владимирович
Кандидат технических наук, профессор Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова: Россия , 410012,Саратовская область ,г .Саратов, Театральная площадь,1
E.mail:yudaev.nikolay @ mail.ru
Потоцкая Людмила Николаевна
Кандидат экономических наук, доцент Саратовского государственного аграрного университета им. Н. И. Вавилова: Россия , 410012,Саратовская область ,г .Саратов, Театральная площадь,1
E.mail:lpototskaja@bk.ru

Аннотация. В описании теплообмена человека с окружающей средой (воздухом) большей частью используются эмпирические уравнения, которые зачастую не раскрывают природу происходящих явлений. Необходимо с учетом достаточно большой базы экспериментальных данных других авторов, на основе известных законов физики, получить зависимости которые не только количественно достоверны, но и позволят дополнить, уточнить существующую модель теплового обмена, дать более обоснованную качественную оценку известным процессам.
Ключевые слова: энергия, температура, производство и передача тепла, излучение, конвекция, испарение, оптимальные величины.
To the substantiation of the parameters of microclimate

Yudaev Nikolay Vladimirovich
Candidate of technical sciences, Professor of the department of ”Technosphere safety and transport and technological machines”, “Saratov State Vavilov Agrarian University”
Pototskaya Lyudmila
PhD, associate professor of Saratov State Agrarian University. Vavilov: Russia, 410012, Saratov Region, .Saratov, Theatre Square, 1
E.mail: lpototskaja@bk.ru


Abstract. In the description of heat exchange of a person with the environment (air) mostly often are used the empirical equations which often don't reveal the nature of the occurring phenomena. Taking into account a rather big data base of experimental data of other authors and on the basis of the known laws of physics, it is necessary to get the dependences that are not only quantitatively reliable, but also will allow to add and specify the existing model of heat exchange, to give more detailed qualitative assessment of the known processes.

Key words: energy, temperature, heat production and transfer, evaporation, heat exchange, convection.


Определены оптимальные и допустимые параметры внешней среды (микроклимата) и обоснованно внесены в самые значимые нормативные документы: ГОСТ, СанПиН. Довольно много публикаций, монографий с приведением результатов, экспериментальных оценок процессов теплообмена и материалы доведены до включения их в учебники по гигиене, охране труда, безопасности жизнедеятельности. Вместе с этим, актуально и следующее утверждение [[1,2], Тимофеева Е. И., Кириллов В.Ф., Федорович Г.В.]: «необходимо принятие и признание системы основных постулатов науки о гигиене микроклимата, внятно их сформулировать и неукоснительно придерживаться». Безусловно, вряд ли можно использовать какие-то законы термодинамики к процессам производства энергии организмом, но процессы отвода тепла во внешнюю среду этими законами вполне адекватно описываются. И как только, мы пытаемся использовать классические формулы и законы в реальных, не идеальных условиях возникает необходимость введения поправок, дополнений. Наверное, гигиенистам необходимо, также как и физикам (у которых есть Стандартная модель атома) разработать Стандартную модель теплообмена человека со средой. Собственно это во многом сделано в работах [Тимофеева Е. И., Кириллов В.Ф., Федорович Г.В.] однако это не умаляет необходимости уточнение, проверки конкретными расчетами предложенного этими авторами, может даже повторить, используя основные законы [3,4] Архимеда, Ньютона, Дальтона, Авогадро, Клапейрона, Больцмана. Описание процесса отвода (передачи) энергии в окружающую среду базируется на разнице параметра этой среды и параметра живого организма. Такими параметрами является температура кожи, влагосодержание в воздушной прослойке у тела человека и температура, влажность атмосферы. Установление разницы этих параметров позволит на основе законов термодинамики определить скорость отведения вырабатываемой организмом энергии. Если эта скорость производства энергии (Дж/сек) и передачи её во внешнюю среду совпадают, то это момент равновесия и теплового баланса. При изменении условий внешней среды или параметров тела человека (вследствие его физической активности) баланс будет нарушен. Реакция организма на неравенство всегда одинаково направлена: на увеличение скорости производимой энергии. Дополнительное производство используется для увеличения теплоотдачи, чтобы не перегреться или для её уменьшения, чтобы не замерзнуть. При этом может измениться температура кожи, интенсивность испарения и соответственно скорость отведения тепла для достижения баланса. Физиологи установили оптимальные, допустимые, предельные (экстремальные) значения температуры тела, кожи, интенсивности испарения Очевидно можно установить соответствующее этим значениям, с учетом реакции организма, скорость производимой при этом энергии. То есть в конечном итоге, необходимо найти какие изменения параметров внешней среды вызывают различные напряжения (оптимальные допустимые, экстремальные) организма с целью увеличения скорости (или достижения необходимого ускорения) производства энергии. Уточнение закономерностей описывающих теплоотдачу испарением позволит более обоснованно определять главные параметры микроклимата производственных помещений: температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха.
Отправной точкой будет установление начала координат. Таким началом, безусловно, является определение количества производимой организмом энергии, точнее скорости её производства. Человек принимая: пищу, воду, кислород с помощью набора химических реакций преобразует полученное «топливо» в энергию и отходы. Процессы превращения (называют метаболическими, что в переводе с греческого «преобразование») происходят непрерывно. Они не могут быть остановлены, скорость данных преобразований, т.е. количество производимых Джоулей в единицу времени [Дж/сек=Вт] не может быть меньше определённого уровня, который называют: основным, нулевым, фоновым, единичным, минимальным. Большинство исследователей считают его основным, подчеркивая значимость этого уровня, его фундаментальность.
Для того чтобы определять основной уровень продуцируемого тепла моделируют условия для «Стандартного господина, человека». Эти так называемые «нулевые» условия следующие:
Масса тела человека (m_ч=70кг), возраст средний (В=35лет), пол мужской, рост(h=165см), площадь кожи(S=1,8м^2)
Человек находится в покое, лежит, но не спит (во сне основной обмен все же снижается на 10%). В этом состоянии организм переходит на экономный режим, использует минимум «топлива», не нагружен, но работает как бы на «холостом ходу».
Измерения проводятся через 12…16 часов после приема пищи (натощак), поскольку фактически обмен веществ начинает усиливаться через час после приема пищи, достигает максимума через 3 часа и сохраняет далее свою скорость ещё несколько часов.
Температура воздуха 20℃. (Относительная влажность и скорость движения воздуха, вероятно, тоже оптимальны, допустим φ=40%,υ=0 м/сек)
Находясь в покое, человек вдыхает воздух, содержащий 21% кислорода и выдыхает воздух содержащий 16% кислорода. Объём потребляемого кислорода при этом:
V_о=12…15 литр/час
Количество производимой энергии определяют по объёму потребляемого кислорода. Энергетический (калорический) эквивалент кислорода, т.е. количество энергии (калорий) производимое в организме при потреблении 1 литра кислорода составляет (килокалорий) для: белков-4,6; жиров- 4,7; углеводов-5,09. Соотношение: белки/ жиры /углеводы в пище нормальное и равно: 1/1/4, тогда энергетический эквивалент равен:
Е_к=5 ккал/литр=20,88 кДж/л=5,8(Вт∙час)/л
Окончательно определяют величину основного уровня производимой энергии человеком при данных условиях как:
М_о=Е_к∙V_о=5,8(Вт∙час)/л∙12…15 л/час=70…87 Вт
Величина М_о много раз экспериментально подтверждена и её чаще указывают при максимальном значении потребляемого кислорода в состоянии покоя равной 88 Вт. [При проведении экспериментов, с целью более точного определения энергетического эквивалента устанавливают величину «дыхательного коэффициента» по отношению объёма выделенного человеком углекислого газа [V_(〖СО〗_2 ) ] к объёму поглощенного кислорода [V_(О_2 ) ]: Д_к=V_(〖СО〗_2 )/V_(О_2 ) . Принимают обычно Д_к для углеводов равным 1; жиров 0,7; белков 0,8. В покое Д_к обычно равен 0,85±0,1]
Реже в литературе указывают (удельную) приведенную энергию к 1 кг массы тела человека или к 1м^2.площади кожи. При этом для расчета площади кожи используют формулу Дюбуа:
S=0,007184m_ч^0,425∙h^0,725=0,007184∙〖70кг〗^0,425∙〖165 см〗^0,725=1,78м^2.
Параметры массы и роста здесь указаны в расчете на «стандартного человека» Некоторые авторы указывают «стандартную» площадь кожи равной 2м^2, добавляя при этом, что часть кожи перекрывается (между пальцами, подмышками).
Удельные величины основного метаболизма приводят зачастую (для удобства запоминания?) округлённо, например:
М_о^уд=1 ккал/час или 1 Вт/кгили 50 Вт/м^2 .
Несложно заметить, что при кажущейся «красоте» таких цифр, ошибка при их использовании может достигать 30%.
Для определения величины основного метаболизма, в случае если параметры человека отличаются от «Стандартного» очевидно можно использовать формулу Дрейера:
М_о=m_ч^0,5∙k^(-1)∙В^(-0,133)
Действительно, если принять массу человека равной стандартному значению, т.е. 70000 грамм, коэффициент k=0,1015 ( для мужчин, у женщин величина основного метаболизма меньше поэтому k=0,1125 ), возраст средний В=35 лет то получим:
М_о=1624 ккал/сут=78 Вт
В связи с этим интересно ещё одно наблюдение: каждый грамм массы человека производит в миллионы раз больше энергии чем грамм массы Солнца.
В качестве промежуточного вывода можно сделать следующее заключение. Медики, физиологи, гигиенисты, зная природу происхождения тепла (энергии) в организме человека, вряд ли могут из-за сложности химических и других процессов метаболизма вывести достаточно точную, теоретическую зависимость по вычислению этой энергии (наверное, это и не их задача). Поэтому используемый, в том числе специалистами по гигиене приведенный подход, приближенно описывающий природу получения тепла и устанавливающий количественно достоверную связь, подтверждённую экспериментально, можно принять за начальный, отправной постулат (разработанной другими авторами) модели теплообмена. То есть для «Стандартной модели теплообмена» можно принимать скорость производства энергии в состоянии покоя равной: М_о=88 Ватт.
При любом отклонении параметров воздуха от естественных (нормальных, комфортных, сложившихся в результате эволюции) реакция организма такова, что он начинает вырабатывать сверх основного дополнительное тепло. Дополнительная энергия необходима не только для противодействия положительного или отрицательного воздействию температуры, влажности, скорости движения воздуха, но для интенсификации трудовой деятельности.
В самом общем виде влияние изменения внешних условий на положение равновесия для систем описывает принцип Анри Луи Лё Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывать внешнее воздействие, то положение равновесия смещается в такую сторону, чтобы ослабить внешнее воздействие.
Основное назначение вырабатываемого тепла обеспечение постоянства температуры тела, которая в нормальных условиях «автоматически» без напряжения сердечнососудистой системы и прочих возможных регуляторов меняется в узких пределах: 〖36,6〗_( -0,2)^( +0.9) ℃. Заметим что «поле допуска» не симметрично относительно середины. Одно из утверждений о том, почему температура тела человека равна 36,6℃, говорит о том, что именно при данной температуре все химические реакции в организме протекают наиболее эффективно. Применительно к человеку, как к системе находящейся в равновесии при воздействии на него внешнего тепла (температуры), равновесие химических процессов смещается в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции. Смещение происходит в такую сторону, что бы для нагревания тела подведенным теплом, этого тепла стало (будет) недостаточно, т.е. химические реакции уменьшат количества производимого тепла.
Соблюдение принципа Лё Шателье можно проанализировать гораздо глубже и более обоснованно, не только относительно этого оптимального (малого) диапазона воздействия со стороны внешних условий среды на температуру тела или кожи.
Ещё в 1988г. Павлов И.П. определил, что человеческий организм состоит из двух частей: теплокровная – ядро, имеющее небольшие колебания температуры и холоднокровная – оболочка, допускающая колебания на 10℃ и более. При повышении температуры ядра, увеличивается, и температура в некоторой части слоя оболочки. Такая способность по отведению тепла указывает на регулирующую способность оболочки по ускорению или замедления отдачи тепла от тела. Оболочка ядра выполняет свои защитные функции уже в большем диапазоне внешних воздействий, который называют допустимым. Отправным моментом в этом случае может служить «поле допуска 〖33〗_(-5)^(+4)℃» температуры кожи. В качестве внешних факторов воздействия следует проанализировать не только температуру, но и относительную влажность воздуха, которая тоже имеет известный оптимум(40…60%). Можно оценить количественно и скорость движения воздуха (допустим в интервале: 0,0…0,6м/сек) т.к. искусственная конвекция (за счет принудительного движения воздуха) может отсутствовать, быть комфортной или стать «сквозняком». Заметим, что и естественная конвекция может происходить как вверх, так и вниз.
Далее на третьем этапе можно описать природу воздействия, в случае если внешние условия меняют температуру тела до вредных, критических, смертельно опасных значений «полей допуска», допустим по температуре тела 〖(36,6 〗_(-11,6)^( +6,4)), по температуре кожи 〖33〗_(-15)^(+8) или по интенсивности испарения пота (30…800г/час). В этом случае, какая то плавность скорости реакций прекратиться, наступит экстремальные их течение. И если уж быть последовательными, поскольку в названии условий среды используются чисто математические термины: оптимальный, допустимый, то и третий диапазон следует называть не вредным, а экстремальным.
В нормативных документах [6] (ГОСТ, СанПиН) для характеристики работ по категориям энергозатрат используют суммарную величину:
М_сум=М_о+М_доп=М_о+М_мех/η .
Отношение, называемое коэффициентом физической активности:
М_сум/〖 М〗_о =ω
может увеличиваться до 4 [9] (Benzinger). Только в этих пределах физическая и химическая терморегуляция организма способна обеспечить равновесие, тепловой баланс, т.е. отводить столько же тепла, сколько его производит организм. Приводятся и другие данные: считается предельно допустимым в течении ряда лет если ω ≤3; хотя возможно[5] и увеличение этого соотношения до 8…10.
Из всей дополнительно производимой энергии только 20…21,7% расходуется на механическую работу〖 М〗_мех (её иногда называют управляемая энергия). То есть максимально КПД человека всего лишь:
η=М_мех/М_доп =0,2
Используют и эмпирическую формулу по определению энергозатрат (Вт), как функцию частоты пульса[n,удар/мин], за время [∆t,мин] при массе тела [m_ч,кг]:
М_х=0,016∙m_ч∙∆t∙(0,12n-7)
Общее количество тепла (не управляемая энергия) производимая организмом есть:
М_т=М_о+М_доп (1-η)
Экспериментальное определение количества производимой энергии (М_сум), как и для основного уровня (М_о), чаще всего производится по объёму потребляемого кислорода.
Можно предположить, что количество дополнительно производимой энергии возрастает прямо пропорционально физической нагрузке, однако это обеспечивается только при небольших нагрузках. Действительно, если скорость лёгочной вентиляции определяемая как:
V_л=ϑ∙f
( ϑ-дыхательный объём легких в покое ≈0,5 [литр], f-частота дыхания в покое 12…15[〖мин〗^(-1) ]), при нагрузке будет возрастать. Что в свою очередь увеличит потребление кислорода〖 V〗_к, и количество вырабатываемой энергии:
М_к=Е_к∙V_к.
Прямая пропорция соблюдается только на легких работах, когда коэффициент физической активности ω ≤2, т.е. при этом М_сум≤176 Вт. В дальнейшем темп роста потребления кислорода отстает от скорости легочной вентиляции, рост потребности в кислороде не вызывает увеличение его поглощения (достигается определённый предельный уровень поглощения), включаются бескислородные (анаэробные) виды метаболизма для производства тепла, увеличивается кислородный долг[1]. Таким образом, количество вырабатываемой энергии возможно следует определять с учетом каких- то поправок. И поскольку дополнительно производимая энергия возрастает прямо пропорционально физической нагрузке, то можно, отказавшись от известного категорирования работ по энергозатратам, введя величину этого параметра, как и для других факторов трудового процесса (температуры, влажности и т.п.) в виде ПДУ (Предельно Допустимый Уровень) и установить общепринятые диапазоны: оптимальный, допустимый, экстремальный.
Наибольшее число исследований о теплообмене выполнено при оценке влияния основного параметра внешней среды обитания человека – температуре воздуха. Качественная оценка изменения обмена веществ, по потреблению кислорода от температуры сделал М. Е. Маршак. Её никто не оспаривает (рис.1).

Рис 1. Изменение обмена веществ (по потреблению кислорода) в зависимости от температуры воздуха (по М.Е. Маршаку)
Очевидно, что касательная линия к данной зависимости, имеющей минимум, пересекается с осью ординат (величина теплопродукции) в точке, величина ординаты которой равна уровню основного метаболизма т.е. 88 Вт.
Увеличении теплопродукции, при уменьшении температуры воздуха ниже оптимальных (допустимых) значений происходит вместе с уменьшением теплоотдачи (или пропорционально теплоотдачи). При включении рецепторов, регулирующих способности оболочки «ядра» как переносчика тепла, могут быть сужены кровеносные сосуды на 30%, что в свою очередь уменьшит интенсивность теплоотдачи. Природа срабатывания данных рецепторов окончательно не выявлена, рискнем предположить, что рецепторы реагируют и дают соответствующиий сигнал не на конкретное значение температуры воздуха, а на замедление или ускорение теплоотдачи. Косвенные подтверждения тому разные ощущения: 1) при контактном теплообмене человека с телами имеющими одинаковую температуру но различную теплопроводность; 2) при контактном обмене с подвижным и неподвижным воздухом температура которого постоянна (допустим 16℃); 3) при воздействии одного и того же ветра на сухую и потную кожу; 4) при воздействии ветра с разной влажностью но одинаковой температурой. То есть во всех случаях, при постоянном температурном напоре между телом человека и окружающей средой, меняется только скорость отвода тепла (Дж/сек) что и вызывает ощущение холода или тепла.
Увеличении теплопродукции при увеличении температуры воздуха больше допустимых значений обяснимо. Для того чтобы вызвать теплоотдачу испарением (единственно возможный путь при температуре воздуха более чем температура кожи), необходимо кинетическую энергию движения молекул воды в теле повысить настолько, чтобы потенциальная энергия связи этих молекулы с четырьмя другими была преодолена и началась «влажная» диффузия, интенсивное испарение. Некоторые исследования свидетельствуют, что в этом случае для отвода двух-трех единиц тепла необходимо израсходовать одну единицу призводимой энергии.
На основании качественной оценки изменения теплопродукции (по Маршаку) от температуры окружающей среды [t_в ]; экспериментальных данных (различных исследователей) о влиянии температуры на теплопродукцию и теплоотдачу; при основном уровне теплопроизводства равным 88Вт; нами была получена следующая эмпирическая зависимость с коэффициентом корреляции [R^2=0,95]:
М_сум=0,25 t_в^2-11,6t_в+206 (1)

Производство тепла, Вт

Рис 2 Эмпирическая зависимость производства тепла (М_сум , Вт) от температуры воздуха (t_в℃).
Приравнивая производную данной функции нулю:
〖dМ〗_сум/(dt_в ) =2∙0,25t_в-11,6=0,
находим, что оптимум функции будет при: t_в=23,2℃ . Вполне достоверна и эмпирическая зависимость, приведенная [1] для диапазона понижения температур от допустимых значений:
М_сум=М_0 [3,8-t_в/10] (2)
По этому уравнению, для обнаженного человека находящегося в покое, т.е. когда М_сум=М_(0 ), получим, что t_в=28℃, а при нулевой температуре воздуха теплопродукция увеличиться в 3,8 раза. Выяснение причин, т.е. за счет каких процессов. каким именно образом телопродукция организма возростает довольно сложно и доступно только медикам, химикам, физиологам и до сих пор природа этих процессов описывается только качественно. Отметим только, что вблизи этой точки химическая терморегуляция в основном исчерпывает свои возможности. Далее включаются механизмы физической терморегуляции.
Отсутствие теплового баланса т.е. равенства скоростей производимого и отводимого тепла может привести к смерти. Так чтобы повысить температуру одного кг тела на 1℃ необходимо подвести 3,48 кДж энергии. Приводимая величина: с_ч=3,48 кДж/(кг∙град)-средняя удельная теплоёмкость тела человека. Организм, допустим в парилке при 80℃, напрягается для отведения тепла потом. Это напряжение может в три раза увеличить производство энергии.То есть оно составит 3×88=264 Вт, в пересчете на 1 кг семядесятикилограммовой массы тела: М_сум^уд=13,59 кДж/(кг∙час). Время (τ) необходимое до достижения критического (смертельного) уровня температуры тела в 43℃ (т.е. для повышения температуру тела на: ∆t=43-36,6=6,4℃ ) определиться как:
τ=(с_ч∙∆t)/(М_сум^уд ) =(3,48∙6,4)/13,59=1,64час=98 мин
Заметим, что фактически в парилке человек не должен находиться более чем 7..15 мин, так как даже при этом температура тела увеличится на 1℃ и чтобы сбить температуру желательно закопаться в снег. Так же ложатся, закапываются в снег волк, песец, реагируя (не на усталость!) на повышение температуры тела при длительном гоне.
Кроме того по уравнению Аррениуса или правилу Вант – Гофа, интенсивность [σ] химических превращений увеличивается при повышении температуры [∆t] следующим образом:
σ=σ_0∙γ^(∆t/10)
и если принять среднее (от 2 до 4) значение коэффициента реакции γ=3, то при возможном повышении температуры кожи на 6 ℃ получим, что начальная скорость изменения концентрации реагируемых молекул в единицу времени σ_0 увеличится почти вдвое. Данное правило, возникшее как эмпирическая поправка к основному газовому закону, возможно, объясняет причину не прямо пропорционального изменения температуры тела при повышении температуры внешней среды. Это ещё раз подчеркивает опасность перегрева т.к. организм уже не в состоянии остановить скорость превращений и процесс производство энергии ускоряется (по аналогии как двигатель идет в «разнос»), вероятно по этой причине «марафонец упал замертво».
Безусловно, что данные зависимости (1,2) лишь в первом приближении описывают влияние величины отклонений температуры воздуха от оптимальных значений на теплопродукцию. Поэтому следует для получения более достоверной (модельной) зависимости влияния температуры воздуха на теплопроизводство провести эксперименты во всём возможном диапазоне температур для работника: в офисе, на «улице», в морозильной камере или отдыхающего в бане.
Передача тепла происходит только в сторону низких температур следующими путями:
1) Без контакта молекул, за счет электромагнитного (теплового) излучения (радиации) когда фотоны излучаются из одних атомов и переносятся к другим;
2) За счёт непосредственного контакта молекул тела и воздуха, когда при соприкосновении кинетическая энергия движения от одних молекул передаётся другим и далее нагретые массы воздуха переносятся внешней (конвективной) силой. Перемещение может происходить под действием силы Архимеда или благодаря ветру.
3)При нулевом или отрицательном температурном напоре отведение тепла от тела возможно только испарением. Этот путь организм форсировано использует, когда первые два пути не могут передавать (отводить) тепло и остановить перегрев тела. Высокая эффективность отведения энергии потоотделением определяется не столько массой выделяемого пота, сколько большим поглощением тепла испаряющейся влагой. Дальнейшее искусственное или естественное отведение пота даже нагретыми воздушными потоками будет ускорять испарение. И опять же вследствие большой величины парообразования отводимое при этом тепло будет значительно больше, чем подводимое за счет контакта теплых молекул воздуха с молекулами тела. При отсутствии конвективных потоков увеличение интенсивности испарения возможно за счет снижения концентрации паров воды в дальнем воздухе, т.е. уменьшения относительной влажности. Конвекция будет ускорять отведение паров воды в сторону меньших давлений.
Некоторые исследователи ограничиваются определением только теплоты образования пота и тепла расходуемого на нагревание воздушной прослойки. Происходящая далее конвективная передача тепла, как правило, (за исключением учета ветра) не описываются. По нашему мнению, следует вначале определить, как происходит «первичная» отдача тепла, а затем, учитывая законы и причины естественных конвекций установить и возможный количественный вклад процессов конвекции в отведение тепла.
Тепловое (инфракрасное) излучение это электромагнитные волны, длина которых 0,8…1000мкм. Тепловое излучение не нагревает воздух, а поглощается поверхностями, которые затем отдают принятую энергию молекулам воздуха контактирующими с нагретыми поверхностями. Плотность потока от абсолютно черного тела в пределах полусферы телесного угла определяется по закону Стефана - Больцмана:
E_р=k_СБ∙T^4
(k_СБ=5,67∙〖10〗^(-8) Вт/(м^2 К^4 ) - постоянная Стефана - Больцмана,T- температура излучающего тела по шкале Кельвина). Тепловое излучение от стен и других предметов, нагретых воздухом поглощается телом человека. Излучающие свойства не черных тел отличаются и это учитывается, введением специального поправочного коэффициента-ε. Для тела человека можно принять: ε=0,75 (примерно как для бумаги, дерева).
Теряемая энергия, как разница между излучаемым и поглощаемым теплом, определиться как:
E_р=k_СБ∙ε∙S(T_к^4-T_в^4 )=5,67∙〖10〗^(-8)∙0,75∙1,8(〖300〗^4-〖293〗^4 )=59 Вт
Моделируемые (расчетные) условия: площадью тела человека: S=1,8м^2; температура воздуха〖 T〗_в=273+20=293K; температура поверхностей принимающих тепловое излучение тела человека равна температуре воздуха в данном помещении. Температура кожи человека (T_к=273+t_к) как реакция организма на изменение температуры воздуха меняется за счет сужения или расширения кровеносных сосудов. Приводимые экспериментальные данные позволяют примерно описать эту закономерность как:
t_к=0,0034 t_в^2-0,184t_в+22,4
Учет данного факта значимо снижает расчетную величину радиации. На основе вычислений, для всего диапазона возможных температур (T_в<T_к ), была получена упрощенная зависимость (коэффициент корреляции R=0,997):
E_р=158-5∙t_в.
Контактная отдача и конвективный перенос энергии (E_к). Допускаем, что тепло передаётся в окружающую среду через прослойку воздуха (толщина которой χ=4…10мм) вокруг человеческого тела по закону передачи через твёрдые тела. Поток энергии от тела человека в окружающую среду прямо пропорционален тепловому напору (перепаду температур между кожей и воздухом (t_к-t_в)) и обратно пропорционален термосопротивлению (эмпирический закон Ньютона):
E_к=(S∙(t_к-t_в ))/R_к
Здесь: R_к=χ/λ - коэффициентом термического сопротивления при контактной теплопередаче;
λ- коэффициент теплопроводности - количество теплоты проходящей через среду толщиной в 1м, площадью в 1м^2 за 1 секунду при температурном градиенте в 1 градус[Вт/(м∙К)]. Коэффициент не постоянен и зависит от вида теплоносителя, температурного напора, вида конвекции (естественная, искусственная), режима движения воздуха (ламинарный, турбулентный), состояния поверхности, геометрии тела, влажности воздуха. В самом общем виде коэффициент теплопроводности любого газа определяется как:
λ=1/3 с_v ρv_ср l_ср
где с_v-удельная теплоёмкость при постоянном объёме; ρ-плотность; v_ср 〖,l〗_ср- средняя (соответственно) скорость и длина пробега молекул. Заметим, что с уменьшением плотности теплопроводность уменьшается. Для уточнения коэффициента теплопроводности воздуха определим плотность влажного воздуха. Использую основной газовый закон, и закон Дальтона о сумме давлений газов в смеси, получим следующую закономерность:
ρ_вв=1/(T〖∙R〗_в^г ) {p-φ〖∙p〗_нп (1-μ_п/μ_в )}=1/(T∙287 Дж/(кг∙K)) {p-φ〖∙p〗_нп (1--(0,018 кг/моль)/〖0,029 кг/моль〗_ )}=(3,5∙〖10〗^(-3))/T {p-0,379∙φ〖∙p〗_нп }. (3)
Где p-давление воздуха [Па]; φ=0…1- относительная влажность; μ_в,μ_п-молярная масса воздуха, пара;〖∙R〗_в^г-газовая постоянная воздуха. Давление насыщенного пара определим как:
p_нп=133,3exp(18,6-3991,1/(T-39,9)).
Плотность влажного воздуха уменьшается с увеличением относительной влажности и его температуры. Расчет плотности по данной зависимости (3), и другие данные для обоснования выбора коэффициента теплопроводности приведены в таблице 1.
Таблица 1
Теплопроводность и плотность

Температура℃ 0 10 20 30 40 60 100
Вода,λ[Вт/(м∙К)] 〖10〗^(-2) 55,8 57,4 59,9 64,4 63,5 65,9 68,2
Воздух сухой,
λ[Вт/(м∙К)] 〖10〗^(-2) 2,44 2,51 2,59 2,67 2,76 2,90 3,21
Водяной пар,λ[Вт/(м∙К)] 〖10〗^(-2) 1,75 1,81 1,82 1,88 1,95 2,12 2,37
Плотность сухого воздуха,ρ[кг/м^3 ] 1,293 1.247 1.195 1,165 1,128 1,081 0,946
Плотность насыщенного пара,ρ[грамм/м^3 ] 4,8 9,4 17,3 30,4 51,2 130,2 598
Давление насыщенного пара,p_нп, Па 610 1228 2337 4241 7383 18315 246496
Плотность влажного воздуха ρ_вв,[кг/м^3 ] (φ= 60%) 1,29 1,24 1,197 1,16 1,11 1,02 0,424

Оценивая изменение теплопроводности сухого (относительная влажность 0%) и влажного воздуха (относительная влажность 100%) в соответствии с массами, которые они будут иметь в 1м^3, получим, что теплопроводность влажного воздуха будет меньше на 0,5%. То есть можно не учитывать влияние относительной влажности на коэффициент теплопроводности.
Некоторые авторы утверждают (т.к. теплопроводность воды в 23 раза больше чем у сухого воздуха), что теплопроводность влажного воздуха больше чем сухого. И якобы, поэтому во влажном воздухе человеку холоднее, чем в сухом, при одинаковой их температуре. Это неверно т.к. теплопроводность водяного пара в 33 раза меньше чем у воды и на 70% меньше, чем у сухого воздуха, к тому же плотность влажного воздуха меньше (табл. 1). Что позволяет утверждать обратное: плотность влажного воздуха меньше (об этом говорил ещё Ньютон) и теплопроводность влажного воздуха меньше чем сухого. Субъективные ощущения холода во влажном воздухе (при его температуре меньше чем температура кожи) возникают по той причине, что при увеличении влажности (увеличивается и равновесная влажность на поверхности кожи), число молекул воды конденсирующихся на поверхность кожи увеличивается. Более явно, это проявляется в парилке, когда горячая влага от раскаленной каменки конденсируется (в том числе с помощью конвективного переноса веником), на самом холодном теле в парилке - теле человека.
Если влияние относительной влажности воздуха на его теплопроводность можно не учитывать, то влияние температурного напора на теплопроводность воздуха более значимо. Это подтверждается следующим расчётом по известной эмпирической зависимости:
λ=〖2,44∙10〗^(-2)+〖0,78∙10〗^(-4) t_в=〖2,44∙10〗^(-2) 〖+0,78∙10〗^(-4)∙20=2,596∙〖10〗^(-2) Вт/(м∙℃) То есть при увеличении температуры на 20℃ коэффициент увеличивается на 6%. И для этой температуры коэффициент термосопротивления воздушной прослойки (над поверхностью тела) будет:
R_в=χ/λ=((4…10) 〖10〗^(-3) м)/(2,596∙〖10〗^(-2) Вт/(м∙℃))=(0,154…0,385) (м^2℃)/Вт
или (что чаще приводится в литературе):
с_в=1/R_в =(6,4…2,6) Вт/(м^2℃)
Естественная конвекция, т.е. перемещение воздуха, происходит благодаря силе Архимеда:
F_А=(ρ-ρ_вп ) V_вп∙g=(1,195-1,165)0,11∙9,81=0,04 Н.
Здесь: ρ=1,195 кг/м^3 - плотность воздуха при температуре в 20℃, плотность воздушной прослойки ρ_вп=1,165 кг/м^3 при температуре кожи t_к=33℃, объём нагреваемого телом воздушного слоя V_вп≅S∙χ=1,8∙0,06=0,11м^3. Вряд ли можно как-то связать величину этой естественной силы Архимеда с теплоотдачей. Но можно оценить количественное изменение этой силы, а значит конвекции.
Определение плотности воздуха при его температуре от -15℃ до +50℃, позволило установить величину силы Архимеда. При равенстве температур кожи и воздуха любое отведение тепла отсутствует также как и сила Архимеда. Относительную величину этой силы в этой точке можно принять за единицу, а всякое отклонение температуры воздуха от температуры кожи будет вызывать относительный рост этой силы и движение воздуха вверх или вниз. На графике зависимости силы от перепада температур угловой коэффициент равен 0,004.
Собственно конвекция будет всегда расти прямо пропорционально абсолютной разнице температур: ∆t=|t_в-t_к |. В итоге коэффициент учитывающий влияние температуры воздуха на конвекцию будет:
k_т=(1+0,004∙|t_в-t_к |).
То есть при +20℃ конвекция возрастет на 5%, а при-10℃ на 17%. (Если принять при определении k_ттемпературу кожи переменной то результат практически не измениться).
Искусственную конвекцию вызывает ветер, принудительное перемещение воздуха уменьшит толщину воздушной прослойки у тела. «Поправку на ветер» необходимо учитывать. По нашему мнению из всего обилия эмпирических зависимостей, для помещений, где нельзя допускать сквозняков (v≤0,6 м/сек), вполне приемлема следующая зависимость:
k_v=(1+4√v).
С учётом изложенного, конвективное отведение нагретого телом воздуха с обнаженных поверхностей определим как:
E_к=(k_v k_т∙S(t_к-t_в ))/R_в =((1+4√v)(1+0,004∙|t_в-t_к |)∙S(t_к-t_в ))/R_в =((1+4√0)(1+0,004∙|20-28|)∙1,8(28-20))/0,385=39Вт
Теплоотдача через одежду преодолевает: термосопротивление одежды, измеряемое в единицах «clo»: R_од=1clo=0,155 (м^2℃)/Вт и двух воздушных слоев под одеждой [R_1 ] и над одеждой [R_2 ]. Можно допустить, что суммарно толщина этих двух слоев равна одному слою над обнаженной кожей и тогда: R_в≅R_1+R_2. =0,З85 (м^2℃)/Вт. Расчётная зависимость для определения конвективной теплоотдачи от одежды будет:
E_ко=(k_v k_к∙S(t_од-t_в ))/(R_в+R_од )
На основе расчетов для всего диапазона возможных температур была получена упрощенная зависимость для конвективной теплоотдачи:
E_к=(116-3,6∙t_в ) k_v.
Процесс испарения и конвективный перенос пара. Испарение происходит всегда и его основные назначения: обеспечение теплового, водного баланса и вывод шлаков. Испарение на 2/3 происходит с кожи и на 1/3 с поверхности лёгких, хотя поверхность последних в 50 раз больше. Собственно интенсивность испарения через поверхность раздела вода-воздух определяют по закону Дальтона, с введением поправки на ветер:
θ=(k_v∙А∙S(p_нп-p_п ))/p
где: А-коэффициент; S-площадь испарения; p=101,3∙〖10〗^3 Па-атмосферное давление; d=(p_нп-p_п ) - дефицит влажности; p_нп- давление (в состоянии насыщения) пара испаряющегося из жидкости с температурой [t_жид ]; p_п-давление пара находящегося в воздухе при температуре воздуха[t_в ]. Наиболее сложным является здесь получение количественной оценки дефицита влажности для реальных условий. В работе[1] представлена зависимость по определению скорости теплопотерь при испарении, однако выполненные по данной зависимости расчеты показывают, что с увеличением температуры воздуха интенсивность испарения снижается. Возможно, ошибка в том, что относительную влажность в приводимой формуле необходимо привести как функцию температуры?? Известна широко используемая формула Иванова - эмпирическая зависимость для определения испаряемости с водной глади, за месяц, в миллиметрах слоя воды:
θ=0,0018(25+t_в )^2 {100-φ}
которая также показывает, что интенсивность испарения увеличивается при росте температуры воздуха и падении его влажности.
При любой температуре, давление паров воды в воздушной прослойке вокруг тела всегда не меньше чем в «дальнем» воздухе. При уменьшении влажности в «дальнем» воздухе, фактическое давление паров воды в нём и концентрация уменьшится. Это увеличит разницу этого давления с величиной давления в воздушном слое вокруг тела и повысит конвекцию, происходящую за счет выравнивания концентраций паров. Очевидно, что изменение конвекции за счет уменьшения разности давлений значимо хотя бы потому, что относительная влажность также как и разница возможных влажностей изменяется на 100%. Следовательно, и фактическое давление паров воды также значимо меняется, так как по определению:
p_ф=φ∙p_нп 1/100.
Фактическая разница давлений будет:
p_фвп-p_ф=φ_вп∙p_нп-φ∙p_нп=(φ_вп-φ) p_нп=(100-φ) p_нп 1/100.
Где: p_фвп-фактическое давление в воздушной прослойке окружающей тело;
φ,p_ф-соответсвенно: относительная влажность, фактическое давление «дальнего» воздуха;
φ_вп-относительная влажность воздуха прилегающего к поверхности испарения (к коже тела человека), можно принять равной 100%.
p_нп-давление насыщенного пара одинаковое (так как температура одинаковая).
Таким образом, влияние изменения относительной влажности воздуха на конвекцию при какой-то температуре можно будет оценивать следующим коэффициентом:
k_φ=(100-φ)/100=(1-0,01φ).
То есть при 100% влажности отведение паров из воздушной прослойки вследствие разности давлений прекратиться, конденсация влаги на поверхности кожи увеличится, пот будет стекать и струится. И даже если организм будет вызывать потоотделение, отведения тепла при этом не будет.
Для определения теплоотдачи потом с кожи, необходимо установить вначале величину интенсивности испарения с кожи тела человека как реакции на температуру воздуха. Для сравнения: испарение может изменяться примерно в 10 раз (данные приведены к площади 1,8м^2): с кожи и из лёгких человека от 60 до 700г/час, у растений 27…270 г/час, с водной глади 170…1800 г/час. Возможно, это связано с тем, что максимальное влагосодержание водяного пара в атмосфере, при температуре воздуха от нуля до 40℃, меняется также в 10 раз: от 5 до 50 грамм/м^3 . Анализ опытных данных (Витте Н.К., Коц Я.М.), позволяет принять, что испарение кожи для человека, находящегося в покое до температуры воздуха около 15℃, постоянно и составляет θ_0≅ 30г/час. Всегда работают потовые железы только на 10% поверхности тела (конечности, подмышечные впадины). Перспирация (неощутимая) становится ощутимой только после того, как температура воздуха в 28..29 ℃ , приближается к 5℃ разнице с температурой кожи (33..34℃). Собственно ощущение тепла дает выделение пота, т.е. не температура, а изменение скорости отведения тепла. Интенсивность включения потовых желез примерно пропорциональна квадрату температуры воздуха и при 45℃ все они включаются. Для получения зависимости по оценке испарения для этого диапазона температур использовались данные экспериментов (Витте Н.К., Коц Я.М). От начала включения большинства потовых желез и далее, интенсивность испарения[грамм/час] кожи можно определять как:
θ_t=0,72t_в^2-30t_в+348.
Но так как, при «стандартной» температуре (20℃) данная зависимость дает большую ошибку, в дальнейших расчетах только для этой температуры приняты результаты эксперимента. На интенсивность испарения влияет конвекция вызванная силой Архимеда, силой ветра и относительная влажность.
Для учета влияния конвекций на скорость испарения, вводим полученные ранее коэффициенты учитывающие влияние ветра, влажности и температуры. После чего определяемую по формуле Фильнеева М. Е. удельную теплоту парообразования:
r=2501-2,36t_в [Дж/грамм],
надо умножить на полученное произведение и выражение для определения теплоотдачи с кожи тела человека будет:
E_п=k_v 〖∙k〗_φ∙k_т∙ θ_t∙ r=(1+4√v)(1-0,01φ)(1+0,004∙|t_в-t_к |)(θ_t )(2501-2,36t_в )=(1+4√0)(1-0,01∙40)(1+0,004∙|20-33|)(70) грамм/час (2501-2,36∙20) Дж/грамм=30Дж/с=30 Вт.
В лёгких воздух, за счет контакта с горячими внутренними органами нагревается (кондуктивно) и в этот же воздух с площади альвеол лёгких- 100м^2 и дыхательных путей попадают испарения. Вполне очевидно, что вклад лёгких в теплоотдачу воздуху пропорционален его температуре.
Количество тепла, необходимого для нагревания тела массой m определится как:
Q= m∙c∙∆t
Где: c [Дж/(кг∙℃)]-удельная теплоемкость, т.е. количество теплоты которое необходимо передать 1 кг вещества для увеличения его температуры на 1℃. Для воздуха (влажного или сухого) принимают c_в=1,005 кДж/(кг∙℃)). Температуру воздуха, нагретого легкими и дыхательными путями (t_л), можно принять равной среднему значению между температурой внутренних органов (38℃) и температурой кожи (33℃): t_л=36℃). При температуре воздуха t_в=20℃ получим: ∆t =(t_л-t_в )=36-20=16℃.
Обозначим m=ρ_в∙V, где: V=V_л∙τ-объём воздуха нагретый в лёгких за время τ; V_л=7,5 л/мин-скорость легочной вентиляции в покое. Отдаваемое тепло на согревание воздуха в лёгких будет:
E_нл=Q/τ=(m∙c_в∙∆t)/τ=
〖〖=ρ〗_в∙V〗_л∙c_в∙(t_л-t_в )=1,2 кг/м^3 ∙7,5 л/мин∙1,005 кДж/(кг∙℃) (36-20)℃=2,4 Вт
При более точном определении следует учитывать, что плотность воздуха при увеличении температуры уменьшается: ρ_в=(1,29-0,0045t_в ).
Другая часть тепла, необходимая для испарения внутри лёгких пара массой m_п определяется как:
Q_п=r∙m_п
Где удельную теплоту парообразования можно принять равной r=2454 Дж/грамм. Массу пара определим как произведение:
m_п =(d_п-d_ф ) V=d_п (1-0,01φ) V_л∙τ.
Где d_ф [грамм/м^3 ]-исходное содержание влаги в воздухе с относительной влажностью φ, d_п-содержание влаги в воздухе после выдоха. Можно принять, что после выдоха φ_п≈100% и тогда при температуре t_л=36℃ имеем d_п≅40 г/м^3 .
Энергия, передаваемая при испарении в легких, будет:
E_пл=Q_п/τ 〖=r∙(d_п (1-0,01φ) V_л∙τ)/τ=r∙V〗_л∙d_п (1-0,01φ)=
=2454 Дж/грамм.7,5 л/мин∙40 г/м^3 (1-0,01∙40)=7,4 Вт . (5)
В температурном диапазоне (от -5 до+45℃) величина удельной теплоты парообразования изменяется только на 5%, поэтому главным фактором, влияющим на изменение теплопередачи в лёгких, следует считать относительную влажность. Заметим, что здесь конвекция тоже есть, но она принудительная.
Суммарно отдача тепла через лёгкие будет:
E_л=E_нл+E_пл=〖ρ_в∙V〗_л∙c_в∙(t_нл-t_в )+V_л∙r∙d_п (1-0,01φ).
Или следующее упрощенное выражение:
E_л=(5,7-0,145∙t_в )+12,2∙(1-0,01φ),
которое определяет, что при температуре воздуха более 39℃ отведение тепла за счет согревания воздуха в легких прекратится.
Как результат регрессионного анализа экспериментов, приведено в работе [1], выражение для определения содержания влаги в выдыхаемом воздухе:
d_в=a_0+a_1 f+a_2 ϑ+a_3 t_в+a_4 ρ+a_5 d_0=28,7 г/м^3 -16,2∙0,3 1/сек+70∙0,5∙〖10〗^(-3) м^3+0,22[10…40℃]-0,06∙1,2 кг/м^3 +0,145[0…60 г/м^3 ]≅28,7-4,86+0,035+[2,2…8,8]-0,07+[0…8,7]≈29,2 г/м^3 .
Здесь f-частота дыхания; ϑ-объём одного вдоха; ρ-плотность воздуха; d_0-исходное содержание влаги в воздухе. Можно отметить существенность влияния второго, четвертого и последнего слагаемого, то есть частоты дыхания, температуры воздуха и начального влагосодержания. Далее на основании данного выражения и с учетом формул (4и5) предложена следующая зависимость определяющая значимость перепада температур, изменений абсолютной влажности вдыхаемого воздуха на величину теплоотдачи через легкие
E_л=E_нл+E_пл=E_с (1+ω/2+ω^2 ){1-t_в/t_с -d_0/a_c -((1+ω/2+ω^2 ))/γ_c }=31∙(2,5)∙{1-20/164-6,9/56-((2,5))/12}=42 Вт
Здесь постоянные: E_с=31Вт; t_с=164℃; a_c=56 г/м^3 ; γ_c=12. Величина ω определятся здесь несколько иначе чем приведено в начале статьи, а именно как отношение М_доп/М_о =ω. Однако расчеты для «нулевых» условий дают несколько завышенный результат теплоотдачи лёгкими.
Заслуживает особого внимания используемая здесь зависимость определяющая изменение интенсивности легочной вентиляции, для различной физической нагрузки: γ_ω=(1+ω/2+ω^2 ). Диапазон использования должен быть как-то ограничен (при ω=4 получаем, что вентиляция должна возрасти почти в 20 раз). Однако актуальность использования полученные результаты для уточнения влияния коэффициента физической активности и проведения расчетов по определению всех видов теплопередач совершенно очевидна.
Нами предлагается использовать исходные зависимости (4и5) или следующее упрощенное выражение:
E_л=-0,15∙t_в+5,7+12,2∙k_φ
Все результаты сведены в таблицу 2. Жирным шрифтом выделены расчеты по упрощенным зависимостям.
Таблица 2
Результаты расчета теплоотдачи телом человека
Вид теплоотдачи Расчетная зависимость;
Упрощенная зависимость Тепло-отдача(φ=40%), Вт Тепло-отдача(φ=90%), Вт
Радиация E_р=k_СБ∙ε∙S(T_к^4-T_в^4 )
E_р=158-5∙t_в 59
59

Испарение и конвекция E_п=k_v∙k_φ∙k_т∙ θ_t∙r
30 5
Кондукция и конвекция E_к=(k_v∙k_т∙ S(t_к-t_в ))/R_в
E_к=(116-3,6∙t_в ) k_v 39 39
Через лёгкие E_л=ρ_в V_л∙c_в∙(t_л-t_в )+V_л∙r∙d_н∙k_φ
E_л=-0,15∙t_в+5,7+12,2∙k_φ
10 4
Общая тепло-отдача E_сум=E_р+E_п+E_к+E_л
E_сум=(0,288t_в^2-13,765t_в+279).
138 107

По расчетным зависимостям была определена величина всех видов теплопередач для температур воздуха от -15℃ до +45℃ и далее простым сложением (при температуре свыше +35℃ подводимое тепло радиацией и нагретым воздухом не учитывалось) была установлена общая теплоотдача и зависимость (рис.3) (коэффициент корреляции 0,86):
E_сум=(0,288t_в^2-13,765t_в+279). (6)
Величина отводимого тепла
Рис 3 Расчетная (суммарная) величина отводимого тепла (E_сум , Вт) при различной температуре воздуха (t_в℃).
Оптимальное значение температуры по данной (6) зависимости 23,9℃ примерно такое же, как и для выражения (1) по определению суммарного производства тепла: t_в=23,2℃. Общая закономерность и скорость изменения в зависимости от температуры, как производимой энергии, так и отводимой одинаковы. Результаты экспериментов и расчеты близки.
Но фактически (рис.3) минимум приходится на 30℃, расчетная величина теплоотдачи для стандартных условий на 57% больше чем величина производимого тепла. Расхождение очевидно вызвано не тем, что величину вырабатываемой энергии устанавливают при нормальной пище по потребляемому кислороду «топливу» экспериментально, а отводимую энергию рассчитывают. Но очевидно, что если одновременно определять экспериментально и производимую и отводимую энергию, то причина расхождений будет установлена. Необходимо учитывать также, что в силу инерции, величина отводимого тепла никогда не может быть постоянно и мгновенно равной производимому теплу(и наоборот).

ВЫВОДЫ:
1. Получены зависимости, которые достаточно адекватно описывают влияние температуры воздуха, его влажности на конвективное отведение тепла. Классические законы теплопередачи неизменны, но организм может самостоятельно изменить свои параметры и тогда скорость отведения тепла уменьшится или увеличится. Для уточнения расчетных выражений следует вводить поправки учитывающие реакцию организма: изменение температуры кожи, интенсивности испарения; при изменении параметров окружающей среды (воздуха).
2. Расчеты по полученным зависимостям в первом приближении позволяют определить положение минимума для различной влажности и подвижности воздуха. Необходимо более глубокое изучение влияние конвекции, конденсации, влажности воздуха с целью количественного определения положения оптимума, теоретического подтверждения субъективных оценок параметров микроклимата.
3. Величина отводимого тепла, полученная расчетным путем для «стандартных» условий больше чем установленный опытным путём основной уровень производимого тепла. Следует провести эксперименты по одновременному определению производимого и отводимого тепла. Для подтверждения «стандартной модели теплообмена», зависимостей влияния температуры воздуха на теплопроизводство (теплопродукцию) человека, работающего: в офисе, на «улице», в морозильной камере или отдыхающего в бане, необходимо эксперименты во всём возможном диапазоне температур.
4.Природа срабатывания «температурных» рецепторов окончательно не выявлена, рискнем предположить, что рецепторы реагируют и дают соответствующиий сигнал не на конкретное значение температуры воздуха, а на замедление или ускорение теплоотдачи[Дж/〖сек〗^2 ].
5. При обосновании параметров внешней среды следует установить количественные зависимости известных: оптимальных, допустимых, предельных (экстремальных) температурных характеристик организма человека с параметрами воздуха. Возможно, следует отказаться от известного категорирования работ по энергозатратам, введя величину энергозатрат как фактор трудового процесса и определив для него ПДУ, установить общепринятые диапазоны.
Список литературы:
1.Тимофеева Е. И., Федорович Г.В. Экологический мониторинг параметров микроклимата: монография М.: НТМ 2005.-194с.
2. Гигиена труда: учебник / Под. ред. Н.Ф. Измерова, В.Ф. Кириллова.-М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010.-592с.
3. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А. Начала химии. Учебное пособие для вузов -11-е изд. стереотип. М.: Издательство «Экзамен» 2006. 831с.
4. Современная большая школьная энциклопедия / Под. ред. А.А. Кузнецова и М. В. Рыжакова.- М.:Олма Медиа Групп; 2007. 960с.
5. Белов С.В., Ильницкая А.В., Козьяков А.Ф. и др. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для Вузов; под. ред. С.В. Белова.- М.: Высшая школа,1999.-448с.
6. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений
7.Хирс Д., Паунд Г., Испарение и конденсация, (пер, с англ.), ИИЛ,М., 1966,350с.
8.Физиология человека. В 3-х томах. Т. Пер с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 1996. 198 с.
9. Benzinger T.H. Heat regulation: Homeostasis of central temperature in man. Physiol. Rev., 49, 671 (1969).
10. Ferrus L., Commengers D., Gire I. et al. Respiratory water loss as a function of ventilatory or environmental factors // Respirat. Physiol. 1984. Vol. 56. P. 11-20/

Вернуться в «Микроклимат»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость