Іі. Уравнения теплового баланса организма с окружающей средой. Приближенные тепловые расчеты одежды

 

Основное назначение одежды – это защита организма человека от неблагоприятных воздействий внешней среды (ветер, туман, дождь и др.) и обеспечение теплового комфорта, который является условием нормальной жизнедеятельности человека. Необходимое условие сохранения длительного теплового комфорта – поддержание теплового баланса, который достигается путем терморегуляции организма и применения требуемой для данных условий одежды с искусственно регулируемым микроклиматом пододежного воздуха, характеризующегося температурой и влажностью. Основной же показатель теплового комфорта человека – это средневзвешенная температура поверхности тела (кожи), которая приблизительно одинакова для всех видов деятельности человека (≈33⁰С – для кожи, покрытой одеждой). При этом учитывается, что пододежное пространство систематически вентилируется в связи с выделением кожи человека испарений влаги и углекислоты, которые должны удаляться.

Существуют аналитические методы теплового расчета одежды.

1) В процессе постоянного обмена веществ в организме человека в результате распада сложных химических соединений освобождается энергия. Она превращается в тепловую, электрическую и механическую энергии и обеспечивает протекание всех форм деятельности организма. Исходя из І и ІІ-го законов термодинамики энергетический баланс организма человека может быть описан уравнением:

M + J = Q _рад. + Q _конв. + Q _исп. + Q _дых. + Z,    где

M – энергия, вырабатываемая в организме человека (теплопродукция), ккал/час;

Z – тепло, которое расходуется на механическую работу;

Q _рад. – потери тепла радиацией (излучение), ккал/ч;

Q _конв. – потеря тепла теплопроводностью и конвекцией;

Q _исп. – потеря тепла испарением влаги с кожи и верхних дыхательных путей, ккал/ч;

Q _дых. – потеря тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, ккал/ч;

J – адсорбция тепла радиацией, ккал/ч.

Для расчета средневзвешенной температуры определяют общую поверхность тела, равную сумме поверхностей отдельных его частей методами антропометрии. Наиболее распространенных из них – линейный метод Дюбца: поверхность тела делится на отдельные части – голову, туловище, верхние и нижние конечности, а поверхности этих частей тела производятся по формулам (определяются), выведенным на основании антропометрических измерений человека.

Соотношение поверхности частей к общей поверхности тела:

голова – 7,36%                                     бедро – 20,3%

туловище – 35,5%                    голень – 12,5%

плечо и предплечье – 13,4%               стопа – 6,44%

кисть – 4,5%

Расчет средневзвешенной величины температуры поверхности тела человека осуществляется по следующей формуле:

                                           n

t _{ср.взв.к.} = Σ • t_i • S_i / S _общ. , где

                                                         i

t _i – температура в иpмеряемой точке участка поверхности тела;

S _i – площадь поверхности данного участка тела;

S _общ. – общая площадь поверхности тела.

Для проектирования одежды важным является то, что человек может испытывать комфортные ощущение и при некотором нарушении теплового равновесия. Это результат существования "резерва" тепла организма человека, который используется им в случае охлаждения (1272 - 2448 ккал) и находится во внешних слоях тканей организма, на глубине 2-3 см от кожи. Величина его зависит от веса человека и температуры тела:

D = CP (0,7 t _Т + 0,3 t _К)

D – дефицит тепла в организме, ккал;

C – удельная теплоемкость тела человека, равная в среднем 0,83 ккал/кг • град;

P – вес тала человека, кг;

t_т – температура тела в ⁰С;

t_к – температура кожи в ⁰С.

Расчет радиационно-конвективных теплопотерь и требуемого теплового сопротивления одежды производится по методике ЦНИИШП с учетом величины энергозатрат человека (М), времени пребывания его в заданных метеорологических условиях (τ), температуры окружающей среды (t_B), скорости ветра (v_B) и воздухопроницаемости одежды.

1. Определяем энергию, затраченную человеком на механическую работу: Z = (M - M _осн.) • 10% / 100%;

2. Q _исп. =[(M + D / t)- Z ] • 20/100% • [(H + D / t) • (M - M _осн.)•10% / 100%] • 20/100%

3. Q _исп. = (M + D / t) - Z - Q _исп. - Q _дых. = Q 72М +0,028М_осн. + 0,8 D / t - Q _дых.

Зная величину радиационно-конвективных теплопотерь, можно определить плотность теплового потока с поверхности тела человека:

q = Q _{рад-конв.} / S _общ.

Общая площадь тела человека находится как зависимость площади поверхности тела человека от его роста и веса.

Суммарное тепловое сопротивление одежды определяется по формуле:

R _сум. = t _{ср.взв.к} - t_B / q

При этом ввиду того, что тепловое сопротивление одежды падает при повышении скорости ветра, необходимо установить поправку на ветер к R_сум. с учетом воздухопроницаемости материалов одежды.

2) Метод Г.Кондратьева. За критерий комфорта принята средняя температура кожи также.

Учитывая І-ый закон термодинамики, т.е. закон термодинамики – Закон сохранения энергии, тепловой баланс тела человека выражается уравнением:    M = Q + Q ^׀ + L + E + A,   где

М – теплопродукция, ккал/ч;

Q – теплоотдача через кожу, покрытую одеждой;

Q ^׀ – теплоотдача через кожу, не покрытую одеждой;

Е – теплоотдача через дыхательные пути;

L – потеря тепла на механическую работу;

А – накопление энергии в виде теплоты в организме (внутри).

Величины Q^׀ и А незначительны, поэтому в приближенном расчете исключаются: M = Q + L + E

Величины L и Е составляют некоторые доли от М: L = хМ, Е = уМ, где х,у – правильные дроби, показывающее тепло, теряемое в результате внешней механической работы (х) и при дыхании (у).

Таким образом, получаем полное количество тепла, которое проходит сквозь одежду, т.е.

Q = М (1 - х - у)

Полагая, что х≈0,20, у≈0,24 при длительной работе, получим Q=0,56М или Q=qS, где

q – удельный тепловой поток, тепловая нагрузка одежды;

S – поверхность кожи человека, м²;

Для наглядности сравним данную тепловую нагрузку одежды (q) с тепловой нагрузкой, соответствующей нормальному тепловому состоянию организма (q₀), когда температура воздуха, стен, потолка равна 21⁰С, скорость воздуха 0,1 м/сек, относительная влажность воздуха 40-60%, физические усилия отсутствуют, средняя температура кожи под одеждой t₁=33⁰С, тепловое сопротивление воздуха R_По=0,14, т.е. коэффициент теплоотдачи α₀=7,15 ккал/м² • ч • град.

N = q / q ₀ = Q / Q ₀   – показатель тепловой нагрузки выражает, во сколько раз теплопотери кожи под одеждой при данных условиях работы организма больше теплопотери при нормальном состоянии.

Аналогично, I - R / R ₀     – показатель теплоизоляционной способности данной одежды выражает теплозащитную способность этой одежды по сравнению с той одеждой, в которую одет человек при нормальном тепловом состоянии. Чем больше І, тем теплее одежда. R₀ – тепловое сопротивление нормализованной одежды = 0,17 ÷ 0,18 м² • ч • град/ккал.

Таким образом, величина М определяется видом деятельности человека, а N = M (1 - x - y)/ Q ₀ , а при (1 - x - y)≈0,56

                                                                                                            N ≈0,78 M /100

                                                  Q ₀ = 72ккал/ч

 

Для определенной обстановки работы известны t_B – температура внешней среды и α – коэффициент теплоотдачи α от поверхности одежды в окружающую среду. Следовательно, из уравнения                                  находим І, а требуемое тепловое сопротивление одежды по формуле R=0,175 • I.

Проведенный тепловой расчет одежды относится только к установившемуся тепловому режиму организма и стационарным внешним условиям, он исключает период адаптации и относится только к длительной работе, а не к кратким усилиям (длительность исчисляется минутами).

 

 

Л И Т Е Р А Т У Р А

 

       1. Р.Г.Рахимов, И.А.Дмитричева. "Гигиена одежды. Лабораторно-практические работы. Методические указания". Киев, 1980.

           

2. П.А.Колесников. "Теплозащитные свойства одежды". Издательство "Легкая индустрия". Москва, 1965.