Тема 2. Комплексная оценка теплового состояния среды.

Для суммарной характеристики теплового состояния среды используются приборы (кататермометр, шаровой термометр) и методы эффективных и результирующих температур, а также некоторые другие.

1.2.1. Кататермометрия.

Нагреваемый спиртовый термометр — кататермометр пред­ставляет собой «аналог» кожи человека и остывает с 38 до 35°, то есть при средней температуре 36,5°. Методика определения

15величины охлаждения кататермометра Н приведена выше (с. 11—12). В помещениях тепловой комфорт будет иметь место при значениях величин Н, равных 5—7 милликалорий/см². се­кунду.

Кататермометр характеризует действие температуры и ско­рости движения воздуха. Влажный кататермометр реагирует и на изменения в содержании водяных паров и чаще применяется при повышенных температурах. Величина Н для состояния ком­форта находится в пределах 18—20 милликалор./см². с, при ра­боте средней тяжести — 25, а при более тяжелой — 30 миллика-лории/см². с, (для влажного «ката»). Сухой кататермометр осо­бенно информативен при ветре и низких температурах, но при отсутствии мощных источников излучения.

1.2.2. Шаровой термометр.

Как упоминалось выше (с. 13), шаровой термометр нахо­дится под воздействием радиационного тепла окружающих пред­метов, температуры воздуха и скорости его движения, следова­тельно, интегрирует влияние радиационного и конвекционного тепла. Чаще всего он находит применение при наличии источни­ков излучения. Под влиянием тепла солнечной радиации шаро­вой термометр дает величины радиационно-конвекционной тем­пературы на 20—30° С более высокие, чем по сухому термометру и точнее характеризует тепловое состояние внешней среды. При­менение шарового термометра в помещениях также возможно только при интенсивности излучения около 0,5 калор./см². мин и при движении воздуха до 0,3 м/с. При более высоких скоро­стях движения воздуха и слабых источниках излучения он бу­дет показывать температуру воздуха.

1.2.3. Метод эффективных температур (ЭТ).

Эффективные температуры — это различные сочетания тем­пературы, влажности и скорости движения воздуха, которые вызывают одинаковые теплоощущения людей. Численно они вы­ражаются температурой насыщенного неподвижного воздуха, который вызывает такой же тепловой эффект, как и конкретные комбинации трех указанных факторов.

Метод ЭТ может быть применен при условии, что человек находится в состоянии малой активности в обычной комнатной одежде. Температура воздуха и окружающих предметов должны быть близкими между собой.

Эффективные температуры установлены в опытах на людях в тепловых камерах. Результаты наблюдений сведены в номо­грамму (рис. 3), которая используется для расчета ЭТ.

Для вычисления эффективных температур надо определить температуру (с помощью психрометра) по сухому и влажному

t6термометрам и скорость движения воздуха — кататермометром. Точка пересечения линий, соединяющих показания влажного и сухого термометров и наклонной линии, указывающей скорость движения воздуха, будет искомой эффективной температурой (поперечные линии).

Эффективные температуры в пределах от 17,2 до 21,7° со­ставляют зону комфорта для большинства людей. Верх­ний предел, за которым наступает снижение работоспособности,

s-iy -IS

И

-О

Рис. З. Номограмма для определения эффективных температур.

находится около 26—26,5° ЭТ. Тепловое равновесие (без повы­шения температуры тела) возможно только при ЭТ не более 28—29".

С помощью номограммы при необходимости можно опреде­лить, в каком направлении и насколько нужно изменить тот или иной показатель (температуру, скорость движения или влаж­ность воздуха), чтобы приблизить ЭТ к комфортной величине, или хотя бы создать приемлемые условия.

Эффективные температуры применимы только в условиях положительных температур (от .0 до 38° ЭТ) и не полностью учитывают тепловое действие излучений и тяжесть физической работы, а также качество одежды.

1.2.4. Результирующие температуры (РТ).

Метод результирующих температур позволяет определить сум­марное тепловое действие на человека всех четырех метеороло­гических компонентов, то есть различных сочетаний темпера-

2 За:;. 437

17туры воздуха, окружающих предметов, влажности и скорости движения воздуха. Единицей сравнения, как и в методе ЭТ, при­нята температура неподвижного, насыщенного влагой воздуха (при равенстве температуры ограждений и воздуха), при кото­ром тепловой эффект будет таким же, как и в исследуемой среде.

Ниже приводится методика определения РТ по номограмме, а также ориентировочное нахождение РТ по формуле Яглоу.

ПГН ЛЕГКОМ РАБОТЕ

5 *	!		it С			5 5	U ,	J-L	УМ!» Л
i								4	Г [
									4
-
	----
								-	-}
< И						:
		—'------1	---------1--------		""				- -
			|
с? ^
								i
г к-
									:
									....
									■ : 1
f
									j-ЛЗ
									1
								■

ui

—* СЕК СКОРОСТЬ. BEVPA

Рис. 4. Номограмма для определения результирующих температур.

Для определения РТ по номограмме (рис. 4) надо предвари­тельно определить температуру воздуха, скорость движения воз­духа, среднюю радиационную температуру и абсолютную влаж­ность воздуха. Обычно применяют номограммы для людей, оде-тых в комнатную одежду и выполняющих легкую работу, и но­мограммы для людей, выполняющих тяжелую физическую ра­боту. Шкала РТ находится в центре номограммы в виде почти параллельных линий, пересекающих в поперечном направлении веерообразную шкалу скоростей движения воздуха в м/с. В ле­вой части номограммы имеется сетка, на которой по вертикали обозначены величины температур воздуха, а по горизонтали — скорость движения воздуха в м/с. На пересечении линий темпе­ратуры и скорости движения воздуха устанавливают первую точку. Вторая точка берется на вертикальной шкале средней радиацинной температуры, обозначенной № 3. Точки соеди­няют и на шкале № 2 находят «сухую» РТ. Точку, найденную

l8на шкале «№2 — сухой РТ, соединяют прямой линией с соответ-ствущим значением абсолютной влажности в мм рт. столба на шкале № 4. На пересечении этой линии с линией, соответствую­щей скорости движения воздуха, находят фактическую резуль­тирующую температуру. Ее сравнивают с комфортной, которая для маленькой физической активности и летней одежды нахо­дится в тех же пределах, как и для эффективных температур. Определение РТ по формуле Яглоу целесообразно вести, когда решающее значение в теплоотдаче имеет испарение:

РГ=0,7- г'пл + 0,3 • ^_ш,

где ^_вл — температура воздуха по показаниям влажного термо­метра;

t_m — температура по показаниям шарового термометра; 0,7 и 0,3 — эмпирические коэффициенты.

Определение и оценка РТ по номограмме при выполнении тяжелой работы ведется, как и при рассмотренном выше при­мере (легкая работа). При других уровнях энерготрат, а также в одежды с иными, чем у комнатной тепловыми свойствами нор­мирование и оценка теплового состояния среды могут быть осу­ществлены более совершенным методом, к изложению которого мы и переходим.

1.2.5. Комплексная оценка теплового состояния среды по урав­нению теплового баланса.

Нормирование теплового состояния среды осуществляется в интересах поддержания весьма важной константы человече­ского организма — его температуры тела. Это редкая область нормирования, в которой закономерности могут быть выражены точно уравнением, цифрой.

Условием нормального состояния человека, в частности теп­лового, является равенство между величиной теплообразования (Qtit) и теплоотдачи организма (Q_Tf>). Эти соотношения в об­щей форме могут быть выражены простым уравнением:

Q_Tn=Q_Tf, (I)

Известно, что теплоотдача организмом происходит путем конвенкции, проведения, излучения и испарения. Введя эти ве­личины в уравнение (1), получим:

Q-m^Qm+Qwt+Q*™ ОВД

В теплотехнике отдачу тепла конвекцией, проведением и излу­чением (QnK + Qpa_n) объединяют одним понятием — тепловой по­ток (ТП). Применительно к человеку тепловой поток с поверх­ности тела зависит от разницы температур кожи и среды, а также от тепловых свойств одежды^:

ТП=К_ОЖЦ_К-КП), где

2* 19ТП — величина теплового потока в к.калориях/час

Код — коэффициент теплопередачи одежды в ккал/час.м²⁰ КП;

t-к-—средневзвешенная температура кожи в °С; КП — комплексный показатель теплового состояния среды (ЭТ, РТ, РКТи др.).

Подставив значение теплового потока в уравнение (II), по­лучим:

Шх (III)

Решив это уравнение относительно КП, мы найдем оптималь­ное тепловое состояние среды, обеспечивающее тепловое равно­весие организма:

4. Фтп — Qncn с--------

Когда оказывается невозможным нормировать тепловое со­стояние среды, (наружная атмосфера), этим же уравнением можно воспользоваться для нахождения подходящей одежды (по величине /Сод) при определенном виде деятельности.

Таким образом, оценка теплового действия среды произво­дится в следующем порядке: а) измеряют отдельные метеофак­торы; б) вычисляют КП; в) сопоставляют найденную величину КП с комфортной для данной тяжести и вида работы — по урав­нению теплового баланса.

Составляющие уравнения теплового баланса могут быть най­дены в таблице 7. Она рассчитана при условии, что средневзве­шенная температура кожи в комфортных условиях равняется 34°. Доля теплоотдачи путем испарения обычно в этих же усло­виях составляет 20—25%. Коэффициенты теплопередачи одежды взяты для основных ее типов: комнатной, демисезонной,'зимней и летней.

2.5.1. Экспериментальное определение составляющих уравнение теплового баланса.

Для оценки теплового состояния среды по КП и отыскания коэффициента теплопередачи одежды возникает необходимость экспериментального определения температуры кожи.

Средневзвешенная температуры кожи определяется путем од­номоментного ее измерения установкой, разработанной М. Н. Ло-гаткиным, П. В. Рамзаевым и В. П. Киселем, или тепломерной установкой, в которой на внутреней поверхности датчика раз­мещен «горячий» спай термопары. В данном случае мы полу­чаем готовые величины t,<, без вычислений. Ее можно измерить и отдельной термопарой и в дальнейшем рассчитать по фор­муле:

t_x : t_r. 0,09 + tr ' 0,361 +U-0,18+^4' 0,18+15' 0_'18_'

где /_к — средневзвешенная температура кожи; t\ — температура 20кожи головы и шеи), t₂ — торса, h—бедер, t_A — голеней и стоп, ^5 — плеч, предплечий и кистей; 0,09, 0,361 и 0,18 — коэффици­енты, указывающие на относительные размеры каждой области тела от общей поверхности кожных покровов, принимаемой за 1.

Возможность одномоментного измерения средневзвешенной температуры кожи появилась при размещении датчиков с уче­том размеров поверхности каждой из областей. Для взрослых людей использован принцип «девяток», то есть на каждые де­вять процентов поверхности тела ставится одна термопара. Всего последовательно соединенных термопар—11: на голову ставится один датчик (9% поверхности), на торс — четыре (36%), на бедро — два (18%), на наружную поверхность плеча и предплечья (на границе с кистью) еще два (18%) и на голень и стопу — еще два датчика (12% и 7%).

Несколько иное соотношение размеров поверхности отдель­ных частей тела у детей различного возраста, и у них упомя­нутый принцип размещения не применим. Поэтому для них ре­комендуется правило «десяток» (см. табл. 5).

Т а б л II ц а 5

Размещение термопар и биотепломеров на поверхности кожи детей (правило «десяток»)

Возрзст	Процент от общей поверхности тела
	Число датчиков				Общее число
	Голова	Торс	Нижние конечности	Верхние конечности	датчиков
0—l rot До 5-ти лет l0 ner 15 .пет	r020%	3o9o	30—32%	19—20o	10 10 l0 l0
	2 13%	3 309o	3 38o	2 l9o
	1 ll%	3 30o	4 39Yo	2 200
	1 l0%	3 30o 3	4 41%	2 19%
	]		4	2

Определение теплопродукции (энерготрат) человека можно провести по методу, предложенному А. И. Бекетовым, путем из­мерения объема легочной вентиляции (см. формулу):

где У—объем легочной вентиляции в л/час; /(—энергетический эквивалент 1 л выдыхаемого воздуха в ккалориях на литр (ra6r. 6).

Объем легочной вентиляции просто, быстро и достаточно точно определяется с помощью прибора «Аэропульмонометр»

2l

Таблиц а 6

Энергетические эквиваленты одного литра выдыхаемого воздуха при различных объемах легочной вентиляции

Объём	л&гочной вентиляции		Энергетический	Расход
			эквивалент К	энергии,
			fiycajiop литр	ккял час
л/мин		л час
7,5		450	0,1 60	72,0
10,0		600	0,169	101,4
12,5		750	0,178	133,5
15,0		900	0,187	|68,3
17,5		1050	0.i96	205.8
20,0		1200	o.204	241.8
25,0		1500	0,223	334,5
30,0		1800	0,232	417.6
40,0		2400	0,236	566.4

М. Н. Логаткина, М. П. Кирпичева и А. П. Маркова (см. инст­рукцию к прибору).

Поскольку часть расходуемой энергии передается на внеш­ние предметы в виде потенциальной и кинетической энергии, приведенные в таблице цифры следует уменьшить приблизи­тельно на 5—7%, то есть на величину коэффициента полезного действия, исключая обмен покоя. Определение коэффициента теплопередачи одежды (Код).

Для установления величины теплопередачи одежды необхо­димо знать тепловое состояние среды (КП), средневзвешенную температуру кожи, которые мы уже умеем определять, и тепло­вой поток с поверхности тела человека (ТП), после чего можно вычислить /Сод по следующей формуле:

is Qin — vircn

Коя

одежды (ккал/час.

коэффициент теплопередачи м². °КП); О™ — Qncn — тепловой поток (777) в ккалория.\/час;

/,,. — средневзвешенная температура кожи,⁰С п КП — комплексный показатель (ЭТ, РТ, РКТ и др.). Недостающие сведения о тепловой потоке можнв получить с помощью тепломерной установки: 11 последовательно соеди­ненных биотепломеров, распределенных по принципу «девяток» [взрослые] или «десяток»^ (дети), как это отмечалось при изме­рении кожной температуры.

Экспериментально было установлено, что коэффициенты^ теп­лопередачи одежды: зимней составляет 3,2—3,6 кк'ал/час. ° КП, комнатной одежды — 5,0—5,5 ккалорий/час. °КП, а для летней -*■ 7-7,5.

Разумеется, что можно воспользоваться готовыми сведе­ниями, устанавливающими соотношения между основными со­ставляющими уравнения теплового баланса (см. табл. 7).

22Таблица 7

Величины КП, обеспечивающие тепловое равновесие при известных тепловых свойствах одежды и интенсивностях теплообразования

	Теплопродукция		, килокалории в 4;ic
						Код-
	100,0	I50,0	I50,0	I50,0		ккалорин
7а, 0					зш1,а	час ■ S ■ КЛ
+ 15	+ 10	— l	—12	—12	—37	3.G
+ 18	+ 13	+ 3	—6	—16	—27	417
+23	+ 20	+ 1t	+ 5	-2	—11	5,52
+ 25	+23	+ 17	+ ll	+ 6	— 1	7,0

Конечно, при меняющихся величинах теплообразования (ра­бота, отдых) тепловые свойства одежды при данных темпера­турах могут быть несколько избыточными или недостаточными, и полного соответствия между теплообразованием и теплоотда­чей не будет. Поэтому более точное и тонкое уравновешивание будет достигаться включением терморегуляторных механизмов (изменение теплообразования и теплоотдачи). В частности, теп­лопродукция в состоянии покоя вместо 100 ккал/час под влия­нием холода может увеличиться до ПО—130 ккалорий/час вследствип повышения мышечного тонуса, мышечной дрожи й т. д. Снизится теплоотдача и кожная температура (до 32— 31 ' С). Наоборот, при повышенной температуре внешней среды обмен покоя может уменьшиться до 90—80 ккал/час, темпера­тура кожи повысится до 35—36°.

Таким образом, фактическую величину комплексного пока­зателя находим по номограмме или по формуле (ЭТ, РТ), а также по показаниям приборов (кататермометр, шаровой тер­мометр) и оцениваем суммарный тепловой эффект метеофакто­ров, сопоставляя его с зоной комфорта, или с нормами, полу­чаемыми по уравнению теплового баланса.

Полученные данные заносятся в протокол и на их основе делается заключение, намечаются мероприятия по предупреж­дению простудных заболеваний и тепловых поражении.

Вопросы программированного контроля по теме 2

1. Методы оценки совместного теплового действия метеофакторов.

2. Кататермометрия. Комфортные величины охлаждающего действия воздуха по кататермометру для состояния покоя и легкой физической ра­боты.

3. Влажный термометр и влажный кататермометр и области их при­менения.

4. Шаровой термометр и области его применения. Понятие о радна-циоино-конвекшюной температуре.

5. Эффективные температуры. Преимущества и недостатки метода ЭТ.

6. Результирующие температуры я методы их определения.

23

_.Протокол к теме 2

Наименование комплексных показателей	Фак| it'iLTKHij	Нормы
Величина охлаждения по ката­термометру — Н
Радиационно-копвекцнонная темпе­ратура — по шаровому термометру (РКТ)
Эффективная температура (ЭТ)
Результирующая температура (РТ)—по номограмме для легкой работы
Средневзвешенная температура кожи
Плотность теплового потока
Величина теплового потока

7. Способы оценки эффективных и результирующих температур.

8. Понятие об уравнении теплового баланса.

9. Методы измерения коэффициента теплопередачи одежды 10. Способы определения средневзвешенной температуры кожи.

(Ko,a,),

11. Методики определения интенсивности теплообразования в организм

12. Значение потерь тепла с поверхности дыхательных путей.

13. Способ определения величин потерь тепла испарением.

14. Температура тела, температура кожи и тепловой поток в оценке теп­лового состояния организма.