2. Расчет теплопотерь человека.

Теплопотери радиацией (излучением) зависят от температуры тела, одежды и окружающих поверхностей, площади этих поверх­ностей и др.

По уравнению Стефана-Больцмана:

,

где - коэффициент теплоотдачи радиацией, ; - площадь поверхности тела, участвующая в радиационном тепло­обмене, ; - температуры поверхности соответственно тела (одежды) человека и окружающих предметов, (Приложение 6).

Теплоотдача конвекцией определяется по уравнению Ньютона

,

где - теплоотдача конвекцией, Вт; - коэффициент теп­лоотдачи конвекцией, Вт/(м²∙˚С); - площадь поверхности те­ла, м2; - температура воздуха, ˚С.

Значение зависит от формы тела и скорости движения воздуха. Для практических расчетов этой величины следует исполь­зовать Приложение 7.

2. Теплоотдача кондукцией (проведением) определяется по за­кону Фурье.

Человек теряет теплоту кондукцией с поверхности подошв, площадь которых составляет 3 % всей поверхности тела. В обычных условиях эти потери теплоты невелики и ими можно пренебречь.

При проектировании специальной одежды для работы в поло­жении сидя, лежа потери теплоты кондукцией могут быть значи­тельными.

4. Потери теплоты за счет испарения имеют большое значение в условиях перегревания организма и при выполнении человеком физической работы.

Потери теплоты за счет испарения пота можно определить по формуле Витте:

,

где - максимально возможное парциальное давление водяного пара при температуре кожи, мм рт. ст.; - парциальное давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность), мм рт. ст.; - скорость движения воздуха, м/с; - физиологический де­фицит насыщения.

Для определения потери теплоты испарением при определен­ных условиях окружающей среды пользуются Приложение 8.

Интенсивность испарения влаги I_исп можно установить по Приложению 9.

Данные о расчете энергозатрат и теплопотерь человека свести в таблицы 1 и 2.

Расчет показателей теплового состояния че­ловека.

К показателям теплового состояния человека относятся температуры тела, кожи, теплоощущение, тепловой поток, ин­тенсивность потоотделения и др.

Температуру тела, ˚С, соответствующую комфортным тепло­ощущениям, при различных энергозатратах можно определить по формуле

.

Рассчитав температуру тела, необходимо оценить ее уровень (нормальный, повышенный, пониженный).

Температура кожи разных участков тела приведена в Приложении 10. Средневзвешенная температура кожи дает представление о его тепловом состоянии.

Комфортное значение средневзвешенной температуры кожи можно определить по формуле:

= 36,07 - 0,0354 Q_эт/S.

Для определения по теплового состояния человека необхо­димо использовать Приложение 11.

Тепловой поток позволяет оценить тепловое состояние. Он из­меряется на тех же участках тела, что и температура кожи. Ком­фортный уровень теплового потока, соответствующий различной физической деятельности человека, определяют по формуле:

,

где - энергозатраты, кКал.

Таблица 1

Энергозатраты и теплопродукция человека

Вид физической деятельности	Энергозатраты, Вт/м2	Термический КПД	Основной обмен, Вт/м2	Теплопродукция
				Вт/м2	Вт

Таблица 2

Теплопотери человека

Вид	Величина
	Вт	%

Таблица 3

Показатели теплового состояния человека

Показатели теплового состояния человека	Значение показателя	Примечание

Для оценки теплоощущений человека необходимо использо­вать Приложение 12.

Требования к отчету

В отчете результаты работы должны быть представлены в виде решения задач. При решении задач приводятся их исходные дан­ные, указываются формулы и расчеты по ним. Результаты расче­тов свести в таблицу 3. На основании сопоставления расчетных зна­чений с литературными данными сделать вывод об энергозатра­тах, теплопотерях, показателях теплового состояния человека.

Лабораторная работа №5

«Расчет теплозащитных свойств

специальной одежды»

Цель лабораторной работы: Получить практические навыки расчета теплозащитной одежды, способствующей сохранению здоровья и повышению работоспособности человека.

Алгоритм выполнения лабораторной работы:

Содержание работы. В климатических условиях нашей страны теплозащитная одежда является предметом первой необходимос­ти. Правильно подобранная теплозащитная одежда способствует сохранению здоровья и повышению работоспособности человека.

При расчете теплой одежды исходными данными являются: ме­теорологические условия, в которых будет эксплуатироваться одеж­да, энергозатраты человека, время непрерывного пребывания человека на холоде, дефицит теплоты в организме для теплоощуще­ний «комфортно» или «прохладно», средневзвешенная темпера­тура кожи, средние рост и возраст человека.

При расчетах теплой одежды для характеристики состояния че­ловека широко используется понятие «тепловой баланс», при ко­тором отмечается равенство между теплообразованием и теплоот­дачей в организме.

При изменении теплофизических условий окружающей сре­ды, при различной жизнедеятельности человека составные части уравнения теплового баланса изменяются. Система терморегуля­ции организма приводит в соответствие процессы теплообразова­ния и теплоотдачи, сохраняя температуру тела на одном постоян­ном уровне (36,6 ± 0,5) ºС. Но возможности системы терморегу­лирования организма ограничены. Например, при длительном и постоянном снижении температуры окружающего воздуха систе­ма терморегуляции не в состоянии обеспечить человеку комфорт­ное самочувствие и наступает дискомфорт.

При создании комфортной теплой одежды в составляющих уравнения теплового баланса учитывают наиболее значимые­ радиационно-конвективные - теплопотери, составляющие 73–88 % общих теплопотерь.

С помощью теплозащитной одежды, уменьшающей эти тепло­потери, можно в суровых условиях обеспечить человеку относи­тельный комфорт.

При расчете теплозащитных свойств специальной одежды учи­тывают особенности теплообмена человека, выполняющего фи­зическую работу. Поэтому значения энергозатрат, дефицита теп­лоты, средневзвешенной температуры тела принимают с учетом тяжести выполняемой работы.

Ход работы. Рассмотрим общую схему расчета специальной одежды.

Исходными данными являются:

а) климатическая зона, средняя температура воздуха и скорость ветра;

б) вид выполняемой работы;

в) энергозатраты человека;

г) время его пребывания на холоде;

д) средняя площадь поверхности тела;

е) дефицит теплоты для теплоощущения «комфортно».

1. Определяют термическое сопротивление специальной одеж­ды. Для этого необходимо рассчитать энергию, затраченную чело­веком на механическую работу:

,

где - общие энергозатраты, Вт; - основной обмен, Вт; - термический к. п. д.

Затем рассчитывают потери теплоты на испарение влаги с по­верхности кожи и верхних дыхательных путей, Вт;

,

где - дефицит теплоты в организме, Дж; - время непрерыв­ного пребывания человека в заданных условиях, ч.

С учетом потерь теплоты на нагрев вдыхаемого воздуха в зави­симости от температуры окружающего воздуха:

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 О +5 +10

21,0 19,6 18,2 16,9 15,6 14,0 11,6 10,0 8,6 7,2 5,8

Устанавливают радиационно-конвективные потери, Вт:

.

Определяют плотность теплового потока (на единицу поверх­ности тела человека), Вт/м²:

.

Определяют средневзвешенную температуру тела для теплоощу­щения «комфортно», ºС.

.

Зная плотность теплового потока, температуры и – окру­жающей среды, определяют суммарное термическое сопротивле­ние одежды, :

.

2. Определяют снижение теплового сопротивления одежды (в процентах) в соответствии со скоростью ветра и воздухопрони­цаемостью ВП материалов верха.

.

3. Уточняют термическое сопротивление одежды с учетом дей­ствия ветра и воздухонепроницаемости материалов:

,

где С - в долях единицы.

4. По термическому сопротивлению одежды определяют ее сред­невзвешенную толщину (Приложение 13).

5. Используя данные о рациональном распределении утеплите­ля, определяют толщину пакета материалов одежды на различных участках тела (Приложение 14).

Таблица 1

Исходные данные для расчета теплой специальной одежды

№ варианта
1	62	34	116	-5	100	1,0	1,5	1,5	7,0
2	64	34	175	-10	100	1,2	1,6	2,0	10,9
3	70	34	234	-15	100	1,3	1,7	1,5	16,3
4	68	34	290	-20	90	1,4	1,8	2,0	20,3
5	78	34	348	-25	80	1,5	1,9	1,5	27,0
6	62	34	410	-20	70	2,0	1,5	2,0	34,2
7	64	34	462	-25	60	2,5	1,6	1,0	40,0
8	70	34	150	-10	50	3,0	1,7	1,0	16,0
9	68	34	200	-5	30	3,5	1,8	1,5	23,0
10	78	34	250	О	10	4,0	1,9	2,0	30,0
11	62	34	300	-5	30	4,5	1,5	1,0	14,5
12	64	34	375	-10	20	5,0	1,6	1,5	18,0
13	70	34	450	-12	50	1,5	1,7	2,0	24,0
14	68	34	175	-18	20	6,0	1,8	1,0	18,0
15	78	34	234	-22	10	5,5	1,9	2,0	19,0

Требования к отчету. В отчете должны быть представлены ис­ходные данные работы в соответствии с вариантом из таблицы 1, основные формулы и этапы расчета, обсуждение полученных ре­зультатов.