Методические указания

Одним из наиболее важных условий физиологического гомеостаза человека является поддержание изометрии – относительного равновесия между продукцией и отдачей (потерями) тепла (теплоты) во внешнюю среду. В научной литературе это состояние обычно называется тепловым гомеостазом. Его можно выразить с помощью формулы: Q₁=Q₂

где : Q₁ – количество теплоты, продуцируемой человеком

Q₂ – количество теплоты, отдаваемое человеком во внешнюю среду. Физиологическое значение теплового гомеостаза заключается в том, что жизнедеятельность человека сопровождается образованием тепла, обусловленного биохимическими процессами, которые непрерывно происходят в органах и тканях. Даже в состоянии покоя взрослый человек продуцирует 3,34-6,27 кДж (0,8-1,5 ккал) на 1 кг массы тела за 1 ч, что за сутки при массе тела 60 кг составит ориентировочно 4,81 х 60 х 24 = 6926 кДж

Теплопродукция в зависимости от характера и тяжести выполняемой человеком работы, а также метеорологических условий внешней среды и состояния его здоровья может значительно увеличиваться, достигая 1000-2000 кДж и более за 1 ч. Очевидно, что при отсутствии адекватной теплоотдачи температура тела человека за относительно короткий промежуток времени может увеличиваться и, достигнув 42-44^оС в результате денатурации белков и других причин, привести к смерти вследствие гипертермии.

Для предотвращения этого в процессе филогенеза у человека, относящегося к гомойотермным организмам, сформировался сложный динамичный механизм терморегуляции. Благодаря такому механизму обеспечивается температурный диапазон возможного существования человека, находящийся в пределах 25-43 ^оС при физиологической норме 36-37^оС.

Очень важным условием поддержания физиологического теплового гомеостаза является адекватность отдачи тепла во внешнюю среду путем излучения, проведения (конвекции) и испарения с поверхности тела, составляющих 85-90% всей величины теплоотдачи. В комфортных условиях отдача тепла излучением составляет 40-45%, проведением – 30-40%, испарением – 10-15%.

Однако это соотношение, как и его конкретные величины, определяется главным образом физическими свойствами среды пребывания (работы) человека, характеристикой которой является микроклимат.

По месту формирования различают микроклимат жилых, общественных, производственных помещений, специальных сооружений, аппаратов, транспортных средств, военной техники, а также отдельных территорий – микроклимат населенного пункта, микроклимат курорта, зоны озеленения и т.д.

В зависимости от теплового самочувствия человека, находящегося в тех или иных условиях микроклимата, последний характеризуют как комфортный или дискомфортный (соответственно нагрева или охлаждения, нагревающий или охлаждающий).

Тепловое состояние человека и его количественные показатели характеризуются соотношением величин теплопродукции и теплоотдачи. При этом, важным является соотношения и абсолютные величины путей теплоотдачи, которые в свою очередь, зависят от условий микроклимата, количественных параметров, формирующих его факторов.

Есть две группы показателей, которые являются исходными при определении теплового состояния человека в тех или иных условиях микроклимата. Первая касается человека, вырабатывающего теплоту. К ней относятся: площадь поверхности тела, средняя температура тела, величина теплопродукции за 1 час. Площадь тела «стандартного» человека (рост 170 см, масса 70 кг) принимают равной 1,8 м², нормальную среднюю температуру тела – 36,6 ^оС. В потерях тепла путем конвекции и испарения берет участие 100% поверхности кожи, излучением – 80% (если имеется односторонний внешний источник радиационного тепла, то по отношению к нему в теплоотдаче излучением участвует 40% поверхности тела). Максимальная влажность при средней температуре кожи 36^оС равна 57,8 ГПа (44,2 мм. рт. ст.).

Вторая группа показателей характеризует микроклимат помещения, в котором находится человек: температура воздуха, средняя радиационная температура, скорость движения воздуха, абсолютная влажность воздуха.

Суммарные теплопотери (Q сум, кДж/ч) человека в данных микроклиматических условиях рассчитывают по формуле:

Qсум = Qр+ Qk +Qисп,

где = Qр – теплоотдача излучением, кДж/ч; Qk – теплоотдача конвекцией, кДж/ч; Qисп – теплоотдача испарением, кДж/ч.

Теплопотери различными путями рассчитываются по специальным формулам. Упрощенная базовая формула для расчета таких теплопотерь имеет следующее выражение

Q = K[t₁(F₁) – t₂(F₂)] х S х C х Fв х Vв,

где Q – теплоотдача тем или иным путем, кДж/ч ; К – теплотехнический коэффициент; t₁– средняя температура тела, ^оС; (F₁) – максимальная влажность при средней температуре тела, ГПа; t_2-средняя радиационная температура (F₂ – абсолютная влажность при данной температуре воздуха помещения (F₁ и F₂ используются вместо t₁ и t₂ при расчете теплопотерь испарением), ГПа; S – площадь тела , м²; С – коэффициент, указывающий на процент площади тела, участвующей в данном виде теплоотдачи; Fв – относительная влажность воздуха, %; Vв – скорость движения воздуха в помещении, м/с.

Приведенная формула для каждого вида теплоотдачи имеет различное выражение. Это обусловлено отличиями в механизме отдачи тепла и зависимости ее от количественных значений отдельных факторов, формирующих условия микроклимата. Так, на теплоотдачу излучением практически влияет только средняя радиационная температура ограждающих поверхностей, конвекцией, кроме разницы температур поверхности кожи и воздуха, – его влажность и скорость, испарением – соотношение (разница) максимальной влажности при средней температуре поверхности кожи и абсолютной окружающего воздуха.

Следовательно, оценка микроклимата помещения и адекватности теплопотерь человека в данном помещении может быть осуществлена путем соответствующего расчета, как это иллюстрирует следующий пример.

Необходимо дать гигиеническую оценку тепловому состоянию рабочего (рост –170 см, масса – 70 кг, площадь поверхности тела – 1,8 м², средняя температура тела – 36^оС), выполняющего тяжелую работу (теплопродукция составляет 2382,6 кДж/ч, или 570ккал/ч).

(Максимальные энерготраты при тяжелой физической работе составляют 750 ккал/час)

Параметры факторов микроклимата помещения: температура воздуха равна 32^оС, средняя радиационная температура – 22^оС, скорость движения воздуха – 0,7 м/с, относительная влажность – 70%. Теплоотдачу излучением в этих условиях рассчитывают по упрощенной формуле Qr= 4,5(t₁ – t₂) х S х C. Подставив фактические величины в формулу, получим Qr = 4,5(36-22)x 1,8 x 0,8 = 90,72 ккал/ч, или 379,21 кДж/ч. (1ккал = 4,186 кДж).

Теплопотери конвекцией, рассчитывают по формуле

Qk =K(t₁-t₂) x (0, 27+√0,7)x1,8x0,8 = 45,6 ккал/ч, или 190,7 кДж/ч.

Максимальное количество влаги (Р), которая в данных условиях может испариться с поверхности тела, определяют по формуле Р= 15 (F max – F абс) (0,27 + Vв) х S х C. Для этого по специальной таблице («Максимальное напряжение водяных паров при разных температурах) – (приложение В) определяют максимальную влажность (Fmax), которая при температуре тела 36^оС составляет 56,13 ГПА (44,16 мм рт.ст.), 32^оС – 47,35 ГПа (35,6 мм рт.ст.). Абсолютную влажность воздуха помещения – (Fабс), рассчитывают по формуле

Fабс = Fmax – Fотн/ 100 = 35,6х70/100 = 24,92 мм рт.ст. или 33,15 ГПа

Подставив эти значения в формулу для определения количества влагопотерь, получим: Р= 15(44,16-24,92)х(0,27+ 0,83)х1,8х1 = 513,22 г/ч.

Поскольку испарение 1 г влаги сопровождается потерей 0,6 ккал, для перевода количества влагопотерь в теплопотери испарением нужно их величину умножить на калорический коэффициент 0,6.

Тогда Qисп = Р 0,6= 513,22 х 0,6= 307,93 ккал/ч, или 1287,15 кДж/ч.

Суммарные теплопотери составят Qсум= Qр+ Qк+ Qисп = 90,72+ 45,6 + 307,93= 444,25 ккал/ч (1856,96 кДж/ч).

Сопоставление величин теплопотерь и теплопродукции показывает, что последние на 126 ккал/ч (526,68 кДж/ч) больше величины теплоотдачи. Это дает основание оценивать тепловое состояние рабочего как тепловой дискомфорт, перегрев. При этом следует помнить, что подобную оценку нельзя делать, сопоставляя только цифровые значения. Теплопотери за счет испарения более 200-250 г пота в 1 ч (более 150 ккал/ч) считаются не физиологичными, эффективное испарение возможно лишь при испарении меньшего количества влаги.