Расчет теплового баланса организма человека

В организме человека протекает непрерывный процесс теплообразования. При этом количество тепла, образующееся в организме, зависит от категории работы, выполняемой человеком в определенных микроклиматических условиях. Потеря организмом тепла также зависит от категории работы и микроклимата. Так, например, при температуре 18–20 °С в состоянии покоя за сутки организмом теряется до 7 МДж, при легкой работе – до 10 МДж, при работе средней тяжести – до 17 МДж, при тяжелой – до 20 МДж. Тепло, вырабатываемое организмом, отводится в окружающую среду в основном тремя путями: конвекцией, излучением и испарением. При выполнении работы в нормальных микроклиматических условиях теплоотдача организма в окружающую среду конвекцией составляет 30 %всей теплоотдачи, радиацией – 45 % и испарением – 20 %.

Отклонение параметров микроклимата от нормы (табл. 1) ухудшает теплообмен между телом человека и окружающей средой, что, свою очередь, приводит к нарушению терморегуляции и теплового баланса организма.

Расчет теплового баланса позволяет оценить изменения в путях отвода тепла от тела человека в окружающую среду, установить возможность развития перегрева или охлаждения организма и рекомендовать соответствующие мероприятия по улучшению микроклиматических условий или организации труда и отдыха.

При определении теплового баланса используют расчетные и экспериментальные методы исследования. Наибольшее распространение получил расчетный метод. Определив теплоотдачу организма испарением, конвекцией и радиацией (излучением), зная теплопродукцию, можно рассчитать тепловой баланс:

Q = M ± R ± С – И, (1)

где Q – величина задержанного в организме или потерянного тепла, Вт; R – теплоотдача радиацией, Вт; М – величина теплопродукции человека, Вт;
С – теплоотдача конвекцией, Вт; И – теплоотдача испарением, Вт.

Путем радиации R и конвекции С может происходить либо отдача тепла организмом (величина со знаком минус), либо его получение (величина со знаком плюс). Теплоотдача испарением – величина, всегда имеющая знак минус, так как отражает тепловую энергию, отдаваемую организмом на испарение влаги (пота). Для проведения расчета необходимо предварительно определить:

– массу тела человека, кг;

– площадь поверхности тела человека S_тел, участвующей в теплообмене, м²;

– температуру поверхности тела t_п,°С;

– потери в массе за счет потоотделения, г/мин;

– параметры микроклимата и температуру окружающих стен t_ст, °С.

Площадь поверхности тела S_тел определяют по графику (рис. 5) в зависимости от массы тела и роста. При комфортных условиях температура поверхности тела находится в пределах 30–31 °С (комфортное ощущение). При неблагоприятных условиях микроклимата, например при высокой температуре воздуха, температура поверхности тела t_п может повышаться от 31 до 35,5 °С.

При воздействии низких температур воздуха температура поверхности тела снижается относительно значений при комфортных условиях на 10 °С и более (дискомфортное теплоощущение).

Параметры микроклимата определяют описанными выше методами и приборами.

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

											2,0	2,1		2,2		2,3
										1,9
								1,7	1,8
							1,6
						1,4 1,5
			1,2	1,3
			1,1
	0,9	1,0
0,8
															Масса, кг

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Рис. 5. Номограмма для определения площади поверхности тела (м²)

по массе (кг) и росту (см)

Температуру окружающих стен t_ст определяют специальным прибором –термощупом или обычным термометром. Обычно такая температура на 1–5 °С меньше температуры воздуха t_в.

Располагая перечисленными данными, можно рассчитать теплоотдачу конвекцией (С), радиацией (R) и испарением (И).

Теплоотдача конвекцией:

. (2)

, (3)

где V – скорость движения воздуха, м/с.

Теплоотдача радиацией:

. (4)

Теплоотдача испарением:

И = 40,82 · П, (5)

где П – максимальное количество пота, которое может испариться с поверхности тела человека в данных условиях, г/мин:

(6)

где Р_mах – максимальное напряжение водяных паров, определяется при температуре поверхности тела t_п и 100 % относительной влажности (табл. 3), Р_абс – абсолютная влажность воздуха (или давление водяного пара), определяется по той же табл. 3 при температуре воздуха в помещении t_в и фактической относительной влажности, %.

Таблица 3

Напряжение водяных паров в воздухе (Па) при различной влажности

Температура воздуха или поверхности тела, °С

Относительная влажность, %

Окончание табл. 3

Теплопродукция тела человека зависит от тяжести выполняемой работы и температуры окружающей среды. Теплопродукция определяется по табл. 4.

Тепловой баланс может быть нулевым, положительным, отрицательным. Нулевое значение Qсвязано с сохранением теплового равновесия между теплопродукцией и теплоотдачей. Положительная или отрицательная тепловая нагрузка (накопление или дефицит тепла) говорят о напряжении процессов терморегуляции и возможности развития перегрева или переохлаждения.

Таблица 4

Теплопродукция организма человека в зависимости от категории работы
и температуры окружающей среды