Методика расчета изменения теплосодержания

«Изменение теплосодержания» - интегральный показатель, позволяющий косвенно судить о состоянии теплового баланса, в том числе о дефиците тепла (теплоотдача превышает теплообразование) или накоплении тепла (теплообразование превышает теплоотдачу). Получение этого показателя менее трудоемко, чем прямое определение теплонакопления (или дефицита тепла) по показателям уравнения теплового баланса. Показатель «изменение теплосодержания» рассчитывается на основании температуры тела (температуры «ядра») и средневзвешенной температуры кожи (температуры «оболочки»), методы определения которых достаточно просты и доступны.

Для расчета показателя «изменение теплосодержания» необходимо определить среднюю температуру тела по формуле:

Θ = k х tT + (1 - k) х tсвк,

где: Θ - средняя температура тела, ⁰С; tT. - температура тела (ректальная или подмышечная), ^оС; tсвк - средневзвешенная температура кожи, ⁰С;

k - коэффициенты смешивания, отражающие долю тканей с температурой, близкой к «ядру»; (1 - k) - коэффициенты смешивания, отражающие долю тканей с температурой, близкой к «оболочке». Величину k можно определить с помощью табл. 12.

Таблица 12. Коэффициенты смешивания температуры тела (к) при

различных теплоощущениях и энерготратах человека, Вт

Затем рассчитывают теплосодержание в организме (Q) в килоджоулях или килокалориях (1 ккал = 4,186 кДж) на 1 кг по формуле:

Q = C х Θ,

где: С - удельная теплоемкость тканей организма, равная 3,47 кДж/(^оС ·кг) [0,83 ккал / (^оС · кг)].

Изменение теплосодержания (дефицит или накопление тепла) в организме в данных микроклиматических условиях определяется по сравнению с теплосодержанием в условиях теплового комфорта в состоянии относительного покоя при расчетных показателях температуры тела 37,2 ^оС (ректальной), 36,7 ^оС (подмышечной) и средневзвешенной температуре кожи 33,2 ^оС.

Оптимальному тепловому состоянию организма (определяемому как комфортное) при выполнении работ средней тяжести соответствует средняя температура тела 35,3-35,8 ^оС, изменение теплосодержания?0,87 кДж/кг (?0,2 ккал/кг).

9.5. Методика расчета прямого показателя тепловой нагрузки на организм по основному уравнению теплового баланса.

Это одна из наиболее адекватных, хотя и сравнительно сложных методик гигиенической оценки микроклимата.

В основном уравнении теплового баланса учтены главные факторы, оказывающие влияние на изменение содержания тепла в орга- низме человека:

Q = M х C х R - E,

где: Q - тепловая нагрузка на организм (накопление или дефицит тепла);

М - теплопродукция (метаболическое тепло, составляющее 67-75% от энерготрат);

С - конвекционный обмен организма и окружающего воздуха;

R - радиационный теплообмен организма с окружающей средой;

Е - отдача тепла организмом испарением.

В данной формуле величины R и С могут быть отрицательными, если теплоотдача происходит путем радиации и конвекции, или положительными, если в результате теплообмена организм получает тепло указанными путями, что определяется различием между температурой кожи и температурой окружающих поверхностей (для R) или температурой кожи и температурой воздуха (для С).

При температуре воздуха и окружающих поверхностей 32-35 ^оС теплоотдача путем конвекции и излучения резко сокращается, при этом ведущее место в теплоотдаче занимает испарение (преимущественно пота). В случае дальнейшего повышения температуры воздуха и окружающих поверхностей организм начинает получать дополнительно тепло за счет конвекции и радиации, а потоотделение еще более возрастает.

В комфортных условиях на теплоотдачу путем радиации и конвекции приходится 70-80% всей теплоотдачи организма. При низких температурах теплоотдача путем радиации и конвекции значительно возрастает. Тепловой баланс может быть близким к нулевому, когда величина теплопродукции соответствует суммарной теплоотдаче. При величине Q в пределах 2 Вт тепловое состояние человека соответствует оптимальному. Положительная или отрицательная тепловая нагрузка (накопление или дефицит тепла) более этих величин - следствие напряжения процессов терморегуляции, а величины, превышающие допустимые, - показатель развития перегрева или переохлаждения.

Оценка теплового баланса может быть проведена инструментальным и расчетным методами. Измерив конвекционную, радиационную и испарительную теплоотдачу и теплопродукцию газометрическим методом, можно определить величину накопления или дефицита тепла.

При определении теплового баланса можно использовать также расчетный метод. Он заключается в нахождении составляющих уравнения теплового баланса с помощью таблиц и формул по показателям, полученным при обследовании испытуемого (масса тела, рост, средневзвешенная температура кожи, влагопотери) и исследовании микроклимата помещения (температура, относительная влажность и скорость движения воздуха, температура окружающих поверхностей).

Важное значение имеют также измерение и оценка удельных теплопотерь, так как даже в условиях, когда тепловой баланс не нарушен, дискомфортное состояние может быть связано с перераспределением путей теплоотдачи и напряжением механизмов терморегуляции.

Для определения суммарной конвекционной и радиационной теплоотдачи применяют тепломеры.

Тепловой поток рекомендуется измерять при отсутствии видимого потоотделения на тех же участках поверхности тела, на которых измеряют температуру кожи. Данная методика применяется в основном для оценки охлаждающей или термонейтральной среды, когда данные пути теплоотдачи являются основными и по ним можно судить о напряжении процессов терморегуляции. Датчики тепломера накладывают на различные точки тела (лицо, грудь, кисть, бедро, голень), после чего снимают показания в килокалориях на 1 м² за 1 ч [ккал / (м² · ч)].

 Плотность теплового потока на каждом отдельном участке тела определяется как средняя величина не менее чем 5 измерений, выполненных последовательно через равные промежутки времени. Средневзвешенный тепловой поток рассчитывают аналогично средневзвешенной температуре кожи с использованием коэффициентов взвешивания, указанных в той же формуле:

При комфортных теплоощущениях средневзвешенный тепловой поток составляет

¾ при легкой работе 44-67 (38-59), Вт/м² [ккал/(м² · ч)];

¾ при работе средней тяжести - 68-111 (60-96), Вт/м² [ккал/(м² · ч)];

¾ при тяжелой работе - 112-134 (97-115) Вт/м² [ккал/(м² · ч)].

Плотность теплового потока с поверхности тела, равная 163 Вт/м² [140 ккал/(м² ·ч)], соответствует субъективному пределу переносимости холода («очень холодно»).

В некоторых случаях появляется необходимость определять радиационную теплоотдачу, так как соотношение теплоотдачи путем радиации и конвекции имеет определенное значение для создания теплового комфорта работающего. Для определения радиационного теплового баланса между поверхностью тела человека и окружающими предметами в помещении применяют дифференциальный радиометр.

При определении испарительной теплоотдачи учитывают испарение воды с поверхности кожи и легких. Соотношение потери тепла за счет испарения с поверхности легких и кожи колеблется в зависимости от температуры воздуха: при 10 ^оС оно составляет 1:2, при 20 ^оС - 1:3, а при 30 ^оС и выше - 1:5 и более. Поэтому в условиях нагревающего микроклимата, когда испарительная теплоотдача является единственным возможным путем теплоотдачи с поверхности кожи, именно интенсивность потоотделения отражает степень напряжения процессов терморегуляции в этих условиях.

Величина потоотделения (в граммах) может быть определена методом взвешивания обследуемого (обнаженного) на точных весах. Определяются влагопотери по уменьшению массы тела за 2 или 4 ч с пересчетом на 1 ч. Используется также метод «фильтровальных тетрадок», который позволяет определить локальное потоотделение с отдельных участков кожи, а при проведении необходимых расчетов - и общее потоотделение. «Фильтровальная тетрадка» состоит из двух фильтровальных бумажек размером 4X2 см, поверх которых наложена калька такого же размера, скрепленная с подлежащими слоями (прошита на швейной машинке). Предварительно взвешенную на электроаналитических весах фильтровальную тетрадку приклеивают к определенному участку кожи тонкими полосками лейкопластыря или скотча (увеличение массы тетрадки за счет лейкопластыря не превышает 0,2 мг). Через 5 мин снимают тетрадку и сразу же взвешивают.

Средневзвешенную величину потоотделения определяют путем пересчета локальных влагопотерь, измеренных на 6 участках кожи (лоб, грудь, кисть, бедро, голень, спина) на 1 м² поверхности кожи по формуле:

Для определения общего потоотделения количество пота, накопившегося на 1 м², умножают на площадь поверхности тела (1,6- 1,8 м²), которую уточняют с помощью таблиц.

Испарительную теплоотдачу можно рассчитать, введя коэффициент 2,4 кДж/г (0,6 ккал/г). Влагопотери организма в комфортных условиях при относительном покое составляют примерно 50 г/ч. В условиях нагревающего микроклимата влагопотери увеличиваются в 5-10 раз. В комфортных условиях при выполнении легкой работы влагопотери достигают 100, при работе средней тяжести - до 150 и при тяжелой работе - до 180 г/ч.