1.4. Теплоотдача

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью тела человека и окружающей средой. В сложном процессе сохранения теплового баланса организма регуляция теплоотдачи имеет большое значение. Применительно к физиологии теплообмена теплоотдача рассматривается как переход теплоты, освобождаемой в процессах жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Теплоотдача осуществляется, в основном, излучением, конвекцией, кондукцией и испарением. В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла радиацией и конвекцией (73–80 % общих теплопотерь) [1]. В условиях, вызывающих перегревание организма, преобладает теплоотдача испарением.

1.4.1. Радиационный теплообмен

В нагретом теле часть тепловой энергии превращается в лучистую. Одним из носителей лучистой энергии являются инфракрасные лучи или тепловые лучи, а процесс их распространения называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

Радиационный теплообмен, который проходит между человеком и окружающими его телами путём инфракрасного излучения, может идти как с положительным, так и с отрицательным тепловым балансом для человека.

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, выше температуры поверхности его тела, наблюдается положительный радиационный тепловой баланс. В этом случае за счёт инфракрасного излучения тело человека нагревается.

С радиационным нагреванием человек сталкивается в быту (солнце, отопительные приборы, нагретая поверхность земли, зданий и т. п.), в производственной деятельности (металлургические цеха и т. п.).

Когда средняя температура ограждений, окружающих человека, ниже температуры поверхности его тела, наблюдается отрицательный радиационный тепловой баланс. Происходит охлаждение организма (радиационное охлаждение).

Радиационному охлаждению могут подвергаться строительные рабочие, рабочие транспорта, холодильников и т. д.

Теплоотдача излучением в комфортных метеорологических условиях составляет 43,8–59,1 % относительно общей величины теплопотерь.

По данным А. Е. Малышевой, радиационный способ теплоотдачи вызывает более глубокое охлаждение организма, чем конвекционный. Поэтому для уменьшения потерь тепла радиацией целесообразно в одежде применять материалы с высокими отражающими свойствами.

Тепловое излучение в значительной степени зависит от разности температур поверхности тела человека и окружающих предметов. При наибольшей разности температур тел, что практически наблюдается в условиях эксплуатации одежды, уравнение для определения количества тепла, передаваемого радиацией, можно написать в виде:

Q_рад = L_рад∙S_рад∙(t₁ – t₂),

где L_рад – коэффициент излучения (теплоотдачи радиацией), Вт/(м² °С);

S_рад – поверхность тела человека, участвующая в радиационном теплообмене, м²;

t₁ – температура поверхности тела (одежды), °С;

t₂ – температура поверхности окружающих тел, °С.

1.4.2. Конвекционный теплообмен

В воздушной среде тепло переносится, в основном, путём перемещения (конвекции) частиц. Процесс теплообмена между телом и воздухом называется конвекционным теплообменом.

Конвекционный теплообмен подразделяется на свободный (вследствие разности температуры тела и воздуха) и вынужденный (под влиянием движения воздуха) [1].

Теплоотдача конвекцией в общем балансе теплопотерь человека составляет свыше 25–30 %. Особенно возрастают потери тепла конвекцией при ветре. Теплоотдача конвекцией, Вт, может быть определена по уравнению:

Q_конв = L_конв∙S (t_од – t_в),

где L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м² °С);

S – площадь поверхности тела, м²;

t_од – температура поверхности тела (одежды) человека, °С;

t_в – температура воздуха, °С.

Коэффициент L_конв зависит от формы тела и скорости движения воздуха. Потери тепла конвекцией с поверхности одежды, покрывающей тело, можно выразить следующей формулой:

Q_конв = (S_од / S_о)∙L_конв∙(t_од – t_в),

где S – площадь поверхности тела раздетого человека, м²;

S_од/S_о – отношение площади поверхности тела, закрытой одеждой, к площади поверхности открытых частей тела;

L_конв – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м²∙°С;

t_од – температура поверхности одежды, °С;

t_в. – температура воздуха, °С.

При малых скоростях движения воздуха теплообмен происходит путём свободной конвекции. При этом коэффициент является функцией разности t_од – t_в. При больших скоростях движения воздуха L_конв является функцией скорости ветра.