Содержание:
1. Теплообмен между человеком и окружающей средой как основа гигиены одежды
2. Показатели и критерии теплового состояния человека при взаимодействии с окружающей средой
3. Оценка теплового состояния человека, как комплексный показатель соответствия одежды окружающей среде
4. Свойства текстильных материалов, обеспечивающих соответствие одежды окружающей среде
5. Особые функции системы «человек – одежда – производственная среда»
6. Требования к одежде различного назначения
7. Расчет теплопродукции человека
1. Теплообмен между человеком и окружающей средой как основа
гигиены одежды
Основное уравнение теплового баланса
Тепловой баланс достигается координацией процессов, направленных на выработку тепла в организме (теплопродукции) и его выведение – теплоотдачу. Он осуществляет аппаратом химической и физической терморегуляции человека, а также путем приспособительных действий человека, направленных на создание оптимального микроклимата, и использования одежды («поведенческая » терморегуляция).
Тепловой баланс в общем виде может быть описан уравнением
Qт.п+Qт.н=Qрад+Qконв+Qконд+Qисп.д+Qисп.дых+Qисп.п+Qдых.н±Qт.с
Qт.п – теплопродукция человека
Qт.н - внешняя тепловая нагрузка (например, вследствие солнечной радиации)
Qконв - потери тепла конвекцией
Qконд - потери тепла кондукцией
Qисп.д – потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи
Qисп.дых –потери тепла испарением влаги с верхних дыхательных путей
Qисп.п - потери тепла испарением выделяемого пота
Qдых.н - потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха
Qт.с –изменение теплосодержания организма относительно его комфортного уровня (дефицит или накопление тепла в организме)
Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и от физических параметров.
Теплообразование в большей степени зависит от физиологических реакций, теплоотдача – от физических факторов окружающей среды, одежды. Физиологические реакции регулируют передачу тепла от внутренних тканей тела человека и поверхностью кожи.
Теплообразование (теплопродукция человека) – выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; она связана с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белком и других органических соединений, с осмотической работой (переносом ионов), с механической работой мышц (сердечной мышцы, гладких мышц различных органов, скелетной мускулатуры). В организме человека, находящегося в состоянии относительного физического покоя, 50 % теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), 20 % в скелетах мышцах и центральной нервной системе, 10 % - при работе органов дыхания и кровообращения. При выполнении физической работы, а также при выраженном охлаждении человека в покое (дрожь) значительно увеличивается доля образования теплоты в скелетных мышцах. Часть энергии, образующейся в организме при выполнении физической работы, расходуются на внешнюю работу. Основная же ее часть переходит в тепловую Qт.п (теплопродукцию).
Таким образом, энергия, выделяемая в организме в виде тепла (теплопродукция) и обеспечивающая поддержание постоянного уровня тепла температуры тела, составляет при физической работе только часть энерготрат Qэ.т . В случае, когда вырабатываемая в организме человека энергия не расходуется на внешнюю механическую работу, она вся практически превращается в тепловую. Это наблюдается, например, у человека, находящегося в состояние относительного физического покоя (лежа, сидя, стоя) и выполняющего некоторые виды физической работы (такие, как ходьба по ровной местности). Энергия, расходуемая на выполнение внешней работы N, может быть определена из уравнения
N = η (Q э.т. – Qо),
η – термический коэффициент полезного действия
Qо – величина основного обмена
Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствие полных раздражителей, натощак, в комфортных микроклиматических условиях), т.е. в условиях, обеспечивающих минимальную активность механизмов терморегуляции, принято называть основным обменом. Он характеризует то минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов.
Основной обмен у здорового человека колеблется в зависимости от возраста и пола.
Таким образом, для определения теплопродукции человека, выполняющего физическую работу, необходимо занять его общие энерготраты Qэ.т , термический коэффициент полезного действия η и основной обмен Qо, т.е.
Qт.п = Q э.т. – η (Q э.т. – Qо),
Данные о теплообразовании используются для определения теплопотерь человека, величина которых является основной для расчета теплового сопротивления одежды, обеспечивающей сохранение теплового баланса организма в конкретных условиях ее эксплуатации.
2. Показатели и критерии теплового состояния человека при
взаимодействии с окружающей средой
Температура кожи (средневзвешенная)
Большая часть тепла, образующегося в организме человека, рассеивается с поверхности тела. Это определяет значение температуры кожи при оценке теплового состояния организма. Зависимость уровня температуры кожи от термических условий среды, тесная корреляционная связь с теплоощущениями позволяют считать ее одним из информативных показателей теплового состояния организма.
В настоящее время для обобщающей характеристики температурного поля поверхности тела человека принято использовать средневзвешенную температуру кожи (tс.к), рассчитываемую в соответствии с ее значением на отдельных участках и площадью этих участков по отношению ко всей поверхности тела.
Средневзвешенная температура кожи достаточно тесно коррелируется с общими теплоощущениями человека.
В настоящее время на основе сравнительного анализа различных систем измерения температуры поверхности тела рекомендуется 11-точечная система. Средневзвешенная температура кожи tс.к , оС, по 11-точечной системе измерения рассчитывается по формуле
tс.к = 0,0086 t1 + 0,34 t1+ t2+t3+t4 / 4 + 0,134 t6 + 0,045 t7 +0,203 t8+t9 /2 +0,125 t 10 + 0,064 t11
t1 - t11 - соответственно температура кожи лба, груди, живота, спины, поясницы, плеча, кисти, верхней и нижней части поверхности бедра, голени, тыльной стороны стопы.
В производственных условиях (в случае отсутствия выраженного локального воздействия параметров микроклимата или неравномерного утепления) допустимо измерение температуры кожи на пяти участках тела. В этом случае температура tс.к. оС, рассчитывается по уравнению
tс.к = 0,07 t1 +0,5 t2 = 0,05 t7 + 0,18 t8 + 0,2 t10
ниже приводятся уравнения, отражающие взаимосвязь средневзвешенной температуры кожи и уровня энерготрат человека при различных его теплоощущениях в баллах.
Комфорт (4) tс.к. = 36,07 - 0,0354 Qэ.т. / S
Прохладно (2) tс.к. = 33,34 - 0,0335 Qэ.т. / S
Холодно (1) tс.к. = 30,36 -0,031 Qэ.т. / S
В этих уравнениях Qэ.т. – энерготраты, Вт; S – поверхность тела человека, м2. Приведенные уравнения применимы к человеку, не адаптированному к холоду, в диапазоне энерготрат до 300 Вт. У людей, акклиматизированных к холоду, комфортный уровень средневзвешенной температуры кожи (в состоянии относительного физического покоя) в результате снижения порога температурной чувствительности несколько ниже (на 1 – 1,5 оС).
В связи с тем, что средневзвешенная температура кожи дает представление об общих теплоощущениях человека, характеризующих состояние его теплообмена с окружающей средой, ее значения, отражающие температуру «»оболочки», используются при расчетах средней температуры тела и теплосодержания.
3. Оценка теплового состояния человека, как комплексный
показатель соответствия одежды окружающей среде
Определение энерготрат человека
Энерготраты - (Q э.т) определяются методом непрямой калориметрии.
Ориентировочно энерготраты могут быть определены по величине объема легочной вентиляции с учетом калорического коэффициента воздуха:
Q э.т = 0,232 * α Вт,
где α - объем легочной вентиляции, приведенный к нормальному объему при t о C, куб. дм/ч, атмосферном давлении в 760 мм рт. ст.
Поверхность тела человека может быть определена исходя из данных роста и веса.
Применительно к случаю выполнения динамической физической работы энерготраты могут быть определены по величине частоты сердечных сокращений.
Влагопотери человека определяются путем взвешивания его без одежды на медицинских весах.
При повторном взвешивании изменение веса компенсировать за счет используемого в первом взвешивании набора гирей.
Расход энергии в состоянии полного покоя (при расслаблении мышц, отсутствии внешних раздражителей, натощак, в комфортных микроклиматических условиях), т.е. условиях, обеспечивающих минимальную активность механизмов терморегуляции, принято называть основным обменом. Он характеризует то минимальное количество энергии, которое необходимо для поддержания основных жизненных процессов.
Основной обмен (табл. 1) у здорового человека колеблется в зависимости от возраста и пола.
Таблица 1
Основной обмен человека, Вт/м2
| Возраст, лет | Мужчина | Женщина |
| 3 | 70 | 63 |
| 5 | 65 | 62 |
| 8 | 58 | 56 |
| 10 | 54 | 52 |
| 12 | 51 | 47 |
| 15 | 49 | 43 |
| 20 | 45 | 40 |
| 25 | 48 | 39 |
| 30 | 42 | 40 |
| 35 | 41 | 39 |
| 40 | 41 | 38 |
| 50 | 39 | 37 |
| 60 | 38 | 36 |
| 70 | 38 | 36 |
Таблица 2
Энерготраты при различных видах физического действия человека
| Вид физической деятельности | Энерготраты, Qэ.т. Вт/м2 |
| Лежа | 40,6 |
| Полулежа | 46,5 |
| Сидя | 58,1 |
| Стоя | 69,7 |
| Ходьба по ровной местности со скоростью, 3,2 км/ч | 116,2 |
| Ходьба по ровной местности со скоростью, 4,0 км/ч | 139,5 |
| Ходьба по ровной местности со скоростью, 4,8 км/ч | 151,1 |
| Ходьба по ровной местности со скоростью, 5,6 км/ч | 186,0 |
| Ходьба по ровной местности со скоростью, 6,4 км/ч | 220,9 |
| Ходьба по ровной местности со скоростью, 8,0 км/ч | 337,2 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 5о, со скоростью 1,6 км/ч | 139,5 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 5о , со скоростью 3,2км/ч | 174,4 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 5о , со скоростью 4,8км/ч | 232,5 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 5о,со скоростью 6,4км/ч | 354,6 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 15о, со скоростью 1,6км/ч | 168,6 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 15о, со скоростью 3,2км/ч | 267,4 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 15о, со скоростью 4,8км/ч | 406,9 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 25о, со скоростью 1,6км/ч | 209,3 |
| Ходьба по наклонной местности при угле наклона 25о, со скоростью 3,2км/ч | 389,5 |
| Работа плотника, распиливание на машине | 104,6 |
| Работа плотника, распиливание вручную | 232,5 – 279 |
| Работа плотника, строгание вручную | 325,5 – 372 |
4. Свойства текстильных материалов, обеспечивающих