4.2. Уравнение теплового баланса «человек – окружающая среда». Механизмы терморегуляции человека

Жизнедеятельность организма человека сопровождается непрерывным выделением теплоты в окружающую среду. Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физического напряжения в определенных климатических условиях и составляет от 85 (в состоянии покоя) до 500 Дж/с (тяжелая работа). Терморегуляция, то есть свойство человеческого организма поддерживать свою температуру постоянной, возможна лишь тогда, когда количество подводимой к человеку теплоты Q_подвв cоответствует количеству отводимой от него теплоты Q_отв,, то есть. Q_подв = Q_отв. В этом случае температура внутренних органов остается постоянно на уровне 36,5 ⁰С.

Величина теплоподвода Q_подв определяется внутренним выделением теплоты за счет окисления пищи Q_внутр, а также внешними тепловыми потоками Q_внешн от технологического оборудования – источника тепловыделения (если таковые имеются): Q_подв = Q_внутр + Q_внешн

Теплоотвод осуществляется конвекцией в результате омывания тела воздухом Q_к, лучеиспусканием Q_л, испарением пота Q_п, прямой теплопередачей от человека рабочему месту, орудиям труда и (или) объектам труда Q_т, а также нагревом вдыхаемого воздуха Q_в:

Q _отв = Q_к + Q_л + Q_п + Q_т + Q_в. (4,1)

Величина конвективного теплового потока Q_к от тела работающего в окружающую его воздушную среду зависит от температуры и скорости движения воздуха в рабочей зоне. Если температура воздуха равна температуре тела, то этот поток отсутствует, а если превышает, то вместо конвективного теплоотвода существует теплоподвод.

Конвективный теплообмен определяется следующим урав-

нением:

Q_k= _кF_эфф(t_пов –t_ос), (4.2)

где t_пов ─ температура поверхности тела человека (зимой 27 ⁰С, летом ~ 31 ⁰С); t_ос.─ температура воздуха окружающей среды, омывающего тело человека; F_эфф─ эффективная поверхность тела человека (для расчетов принимается равной 1,8 м²); _к ─ коэффициент теплоотдачи конвекцией (обычно принимают равным 4,06 Вт/(м²∙ град).

На конвективный теплообмен заметное влияние оказывают подвижность (W) и относительная влажность воздуха ( ), так как коэффициент теплопроводности воздуха является функцией барометрического давления (В) и влагосодержания воздуха (  ), то есть

_к=f(B,W,). (4.3)

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется температурой окружающей среды (t_oc), барометрическим давлением (B), подвижностью (W) и влагосодержанием воздуха ( ) в производственном помещении, то есть

Q_к=f(t_ос,В, W,). (4.4)

Лучистый поток при теплообмене излучением Q_л тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Показано [1], что в диапазоне температур окружающих человека предметов 10─60 ⁰С значение лучистого потока зависит в основном от степени черноты  и температуры окружающих предметов t_on , то есть

.Q_л = f(t_оп,). (4.5)

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

Q_n = G_nr,, (4.6)

где G_п ─ масса испаряющейся влаги, кг/с; r ─ скрытая теплота испарения выделяющейся влаги, Дж/кг.

Величина G_n зависит от температуры окружающего воздуха и физической нагрузки человека, меняясь в широких пределах. Например, при t_oc = 30 ⁰С у человека, не занятого физическим трудом (в состоянии покоя), влаговыделение составляет

2 г/мин, а при выполнении тяжелой работы увеличивается до

9,5 г/мин. Количество теплоты, отдаваемой человеком при испарении пота зависит не только от температуры воздуха и интенсивности выполняемой работы, но и от скорости движения окружающего воздухаW и его относительной влажности, то есть

G_n = f(t_оc, В,W,,I), (4,7)

где I – интенсивность выполняемой работы, Вт.

Количество теплоты, выделяемое человеком с выдыхаемым воздухом, также зависит от физической нагрузки, влажности и температуры окружающего (вдыхаемого) воздуха:

Q_в = f(I,,t_ос) (4.8).

Чем больше физическая нагрузка и ниже температура окружающей среды, тем больше Q_в. С увеличением t_oc и  количество теплоты, отводимой через дыхание, уменьшается.

Проведенный анализ показывает, что тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе «человек – окружающая среда», зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов (поверхностей) и интенсивности физической нагрузки организма:

Q_отв = f(t_oc,W,, B, t_oп,_,I). (4.9)

Условия, нарушающие тепловой баланс, вызывают в организме человека реакции, способствующие его восстановлению. Процессы регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называются терморегуляцией. Она, как уже отмечалось, позволяет сохранять температуру внутренних органов постоянной, близкой к 36,5 ⁰С. Процессы терморегуляции находятся под контролем центральной нервной системы, которая обеспечивает равновесие между количеством тепла, непрерывно образующимся в организме в процессе обмена веществ, и излишками тепла, непрерывно отдаваемыми в окружающую среду, то есть поддерживает тепловой баланс организма человека. Процессы регулирования тепловыделений осуществляются в основном тремя способами: биохимическими, изменениями интенсивности кровообращения и изменениями интенсивности потовыделения.

Терморегуляция биохимическим методом заключается в изменении интенсивности происходящих в организме окислительных процессов. Например, мышечная дрожь, возникающая при сильном охлаждении, повышает выделение теплоты до 125 ─ 200 Дж/с.

Терморегуляция посредством изменения интенсивности кровообращения заключается в способности организма регулировать подачу крови, которая в данном случае является теплоносителем, от внутренних органов к поверхности тела, сужая или расширяя кровеносные сосуды.

При высоких температурах окружающей среды кровеносные сосуды кожи расширяются и к ней от внутренних органов притекает большое количество крови, что вызывает увеличение количества теплоты, отдаваемого окружающей среде.

При низких температурах наблюдается обратное явление: сужение кровеносных сосудов уменьшает приток крови к поверхности кожи, снижая интенсивность теплообмена.

Показано [9], что при высокой температуре кровоснабжение может быть в 20─30 раз больше, чем при низкой, а в пальцах оно может изменяться даже в 600 раз.

Терморегуляция посредством изменения интенсивности потовыделения заключается в изменении процесса теплоотдачи за счет испарения. Например, при t_oc = 18 ⁰С,  = 60 % и W = 0 количество теплоты, отдаваемой человеком в окружающую среду за счет испарения влаги составляет около 18 % общей теплоотдачи. При t_ос = 27 ⁰С доля Q_n увеличивается до 30 %, а при

36,6 ⁰С достигает 100 %.

Терморегуляция организма осуществляется одновременно всеми способами. Так, при понижении температуры воздуха увеличению теплоотдачи за счет повышения разности температур препятствуют такие процессы, как уменьшение влажности кожи, что приводит к снижению теплоотдачи за счет испарения влаги, а также уменьшение ее температуры за счет снижения притока крови, что вызывает уменьшение разности температур между телом человека и окружающей средой.

Параметры микроклимата воздушной среды, которые обусловливают оптимальный обмен веществ в организме и при которых отсутствуют неприятные ощущения и напряженность системы терморегуляции, называются комфортными, или оптимальными. При небольшой дискомфортности и незначительной напряженности системы терморегуляции устанавливаются допустимые метеорологические условия.