Микроклимат производственных помещений

Человек находится в постоянной взаимосвязи с окружающей его средой. По мере возможности он приспосабливается к ней, а при невозможности всеми доступными средствами приспосабливает ее к себе, обеспечивая тем самым условия для своего нормального существования.

Работающий человек примерно треть своего времени находится на производстве во взаимосвязи с производственной средой, которая характеризуется различными факторами: микроклиматом производственных помещений, интенсивностью технологического процесса, применяемыми материалами и механизмами и т. д.

Микроклимат производственных помещений – метеорологические условия внутренней среды этих помещений, которые определяются действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового облучения [1].

Итак, показателями, характеризующими микроклимат в производственных помещениях, являются [1]:

· температура воздуха;

· температура поверхностей;

· относительная влажность воздуха;

· скорость движения воздуха;

· интенсивность теплового облучения.

Показатели микроклимата должны обеспечивать сохранение теплового баланса человека с окружающей средой и поддержание оптимального или допустимого теплового состояния организма.

Организм человека называют термодинамической системой с высоким постоянством средней температуры тела при значительно меняющихся условиях поступления и потерь тепла.

В течение всей жизни человек существует в пределах очень ограниченного и активно защищаемого диапазона внутренних температур тела. Максимально допустимые пределы для жизнедеятельности клеток от 0 °С (образование кристаллов льда) до 45 °С (тепловая коагуляция внутриклеточных белков). Однако в короткие промежутки времени человек может переносить температуру тела ниже 35 °С или выше 41 °С.

Принимая во внимание только те перепады температур, которые существуют между поверхностью ледяного щита Антарктиды, где температура воздуха может падать до минус 82, 6 °С, и джунглями тропиков, где она поднимается до плюс 50 °С, можно считать, что человек способен обитать в среде, термический диапазон которой превышает 100 °С.

Следовательно, человеческий организм может производить поистине огромную выработку энергии для борьбы с холодом и жарой. Его можно сравнить с непрерывно действующей фабрикой тепла, обеспеченной совершенными физиологическими механизмами саморегуляции. Чтобы поддерживать температуру своего организма в этих пределах, человек выработал очень эффективные физиологические реакции, с помощью которых он обычно реагирует на резкие перепады, связанные с сильным перегревом или с сильным переохлаждением организма. Это свидетельствует о колоссальных приспособительных возможностях, выработавшихся в процессе эволюции (конечно, включая и применение современной техники: создание особого микроклимата в помещениях, отопления, кондиционирования воздуха, специализированных средств транспорта, одежды с подогревом или охлаждением и т. п.). В основе этих реакций, вызванных необходимостью координирования различных систем человеческого организма и регулирования процессов тепловыделения для поддержания постоянной температуры тела человека, – функция терморегуляции.

И.П. Павловым в 1881 г. было выдвинуто положение, что организм человека делится на ядро и оболочку. По современным представлениям, масса ядра (т. е. внутренних тканей и органов) составляет приблизительно половину веса тела. Когда человек здоров и условия окружающей среды не требуют чрезмерного напряжения его терморегуляторных систем, температура ядра сохраняется постоянной. Она может в известной степени повышаться при особенно тяжелой физической работе, перегреве при очень сильной жаре или при лихорадочном состоянии во время болезни, а также понижаться при слишком сильном холоде. При всех этих состояниях жизнь человека подвергается опасности.

Для поддержания постоянной температуры ядра тела человека должен соблюдаться тепловой баланс: поступления тепла к нему и внутренняя выработка его должны уравновешиваться расходуемым теплом. По условиям нулевой терморегуляции прирост тепла сбалансирован тепловыми потерями, теплота не сохраняется, а температура тела поддерживается в равновесном состоянии.

Температурный режим оболочки человеческого тела, к которой относят конечности и наружные ткани туловища (толщиной 2–2, 5 см), резко отличен от режима внутренних органов. Оболочку называют «тепловым шлюзом организма», где тепло может сосредоточиваться или расходоваться без заметного изменения температуры глубоких слоев тела и без вреда для здоровья. Человек живет в условиях постоянства температуры внутренних частей организма: для того, чтобы его существование и деятельность были возможны, температура его тела (оболочки) должна все время поддерживаться на уровне 36–37 °С.

Средние пределы температуры тела, в которых человек сохраняет жизнеспособность (но не трудоспособность!), сравнительно невелики: от 25 до 43 °С. Сейчас при операциях используется метод значительного охлаждения тела больного: с 36 до 25 °С. В иностранной печати приводятся сенсационные сообщения о выживании людей, температура тела которых опускалась до более низких пределов. Верхние и нижние пороговые значения боли для температуры кожи человека равны приблизительно 43 °С и 10 °С соответственно.

Морфологические исследования выявили местонахождение самого большого терморегулирующего устройства в области мозга, известного под названием предоптический, или предшествующий, гипоталамус. В этом месте расположены нервные клетки, которые реагируют как на нагрев (нейроны, чувствительные к теплу), так и на охлаждение (нейроны, чувствительные к холоду). Эта область доминирует над системой управления температурой тела, принимая поступающую сенсорную информацию относительно температуры тела и посылая отводящие сигналы к оболочке, мышцам и другим органам, участвующим через посредство автономной нервной системы в температурном регулировании. Система управления телом человека аналогична терморегулирующей функции бытового термостата, который может, как подогревать, так и охлаждать помещение в доме. Когда температура тела поднимается выше некоторой «установленной» теоретической отметки, то в работу включается некий исполнительный элемент, связанный с охлаждением организма (потовыделение, усиление притока крови к оболочке тела). Когда температура тела опускается ниже уровня установленной температуры, то к системе подключаются те элементы, которые отвечают за увеличение теплопотоков (уменьшающийся кровоток внутри оболочки тела, поеживание, дрожь и т. д.). Однако в отличие от бытовых нагревательных и охладительных приборов система терморегуляции у человека не работает как простая система включения – выключения. Она также может регулироваться и по отклонению в зависимости от регулировочных характеристик.

При температуре воздуха плюс 20 °С распределение поступающего тепла в организме человека от Солнца (или тепловых источников), атмосферы и окислительных процессов внутри тела человека следующее: 31 % от общего его количества уносится движущимся воздухом, 44 % – тратится на излучение в окружающую среду, 22 % – идет на испарение с поверхности кожного покрова, 1, 0 % – потребляется на нагревание пищи, 1, 3 % – на нагревание воздуха в легких и 0, 7 % теряется с выделениями.

Основными внешними факторами, влияющими на терморегуляцию человека – на протекание теплообменов с помощью конвекции, излучения и парообразования, являются температура окружающей среды (t, °С), относительная влажность (j, %), скорость движения воздуха (v, м/с) и тепловая радиация от горячих поверхностей (t_п, °С и J, Вт/м²).

Оценка воздействия на человека температуры изменяется в зависимости от времени года, географического положения района, от состояния воздушной среды. В других температурных условиях все статьи расхода тепла претерпевают изменение. Существует такое выражение: «Климат входит в организм через кожу».

При высокой температуре воздуха организм борется с перегревом. Человек освобождается от избыточного тепла путем теплопередачи в окружающую среду с помощью радиации, конвекции и испарения. Чтобы облегчить этот теплообмен, включены и регулируются две первичные системы исполнительного механизма: при жаре рефлекторно расширяются сосуды кожи (вазодилятация оболочки тела) и усиливается потовыделение.

Расширение сосудов кожи происходит, прежде всего, для того, чтобы передать тепло от ядра до оболочки тела человека (внутренняя теплопередача), в то время как испарение пота обеспечивает чрезвычайно эффективные средства охлаждения крови до ее возвращения к глубоким тканям тела человека (внешняя теплопередача). В этом случае, чтобы облегчить температурное регулирование, увеличивается поверхностный кровоток, наращивается его объем. Это сказывается на работе сердечно-сосудистой системы: сокращается центральный кровоток, уменьшается объем хода всасывания. В итоге, в жарких условиях частота сердечных сокращений становится выше, учащаются дыхание и пульс, снижается кровяное давление, наблюдается покраснение кожного покрова. Температура кожи повышена, вследствие чего сильно увеличилась потеря тепла излучением.

В теплорегуляции жизнедеятельности человека участвуют от 2 до 4 миллионов экзокринных потовых желез, беспорядочно и неравномерно разбросанных по всей поверхности тела. Экзокринные железы выделяют пот непосредственно на поверхность оболочки тела. Он имеет высокую теплоту парообразования и идеально удовлетворяет цели охлаждения. Эффективность этой системы охлаждения высока. Например, работающий человек при потреблении кислорода в объеме 2, 3 л в минуту производит теплоты до 640 Вт. Если бы не было потоотделения, то температура тела человека повышалась бы на 1 °С каждые 6–7 мин. Охлаждение тела достигается путем испарения пота. При эффективном испарении, составляющем примерно 16 г в минуту (разумная норма тепловых потерь), выделение тепла может соответствовать норме, и внутренняя температура тела может поддерживаться в равновесном состоянии.

Изменения, происшедшие в организме при жаркой погоде, все вместе приводят к удвоенной по сравнению с холодной погодой потере тепла. Процесс испарения протекает с большой затратой энергии: на 1 г воды тратится для перевода ее в пар около 600 калорий тепла. Количество испарившегося с поверхности тела пота, а следовательно, и интенсивность достигнутого при этом охлаждения зависят от работы механизмов выделения пота и скорости его удаления с поверхности кожи. Они связаны, в свою очередь, с тем, насколько «правильно человек потеет», т. е. равномерно ли и постепенно ли выделяется влага на поверхности тела и успевает ли она достаточно скоро с нее удаляться. Этот процесс зависит как от свойств организма, так и от метеорологических условий.

При нормальном потовыделении охлаждение вследствие испарительного эффекта зависит от соотношения между давлениями водяного пара влажной оболочки и окружающего ее воздуха. Из многочисленных наблюдений следует, что тепловой баланс человека, находящегося в покое, поддерживается уже с некоторым трудом при температуре воздуха 40 °С и относительной влажности 85 %. За этими пределами самочувствие большинства людей резко ухудшается. Таким образом, высокая влажность и плотная или водонепроницаемая одежда ограничивают охлаждение испарением, в то время как сухой воздух, обветривание тела в легкой пористой одежде облегчают испарение. Но если работа связана с большими физическими нагрузками и сопровождается обильным потовыделением, то охлаждение испарением может быть ограничено способностью тела к потовыделению (не более 1–2 л в час).

Эффективная стратегия против переохлаждения тела состоит в том, чтобы попытаться увеличить теплоизоляцию оболочки человеческого тела, а именно уменьшить отдачу тепла с кожного покрова и увеличить выработку тепла (он может ее удвоить). Это достигается путем уменьшения поверхностного кровотока к его коже. Для этого в результате соответствующих сигналов нервных рецепторов и команды, полученной из центральной нервной системы, происходит сокращение сосудов кожи и подкожной клетчатки, а при более низкой температуре или особенно резком ее падении появляется «гусиная кожа» – признак того, что начали сокращаться и гладкие мышцы кожи. Сужение кожных сосудов более выражено на конечностях, чем на туловище человека.

Затраты тепла на испарение пота в таких условиях падают до весьма малых величин. Ток крови в поверхностных слоях тела ослабляется: происходит ее отток к внутренним органам. Благодаря этому уменьшается разница между температурой кожи и температурой окружающей среды. Это приводит к сокращению излучения – основной статьи расхода тепла, составляющей около половины всех его затрат. При этом теплообмен тела с окружающей средой уменьшается пропорционально разности температур тела и окружающего воздуха. Однако уменьшение излучения значительней, так как оно пропорционально четвертой степени температуры тела, следовательно, небольшое уменьшение ее близ кожного покрова приводит к весьма существенному снижению этой статьи расхода тепла. Указанными способами приспособительные процессы могут уменьшать теплопотери организма до 70 %.

В начальный период воздействия низких температур на организм человека наблюдается уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдоха. При продолжительном действии дыхание становится неритмичным, частота и объем вдоха увеличиваются, изменяется углеводный обмен. У больных и незакаленных людей работа приспособительных систем бывает в той или иной степени разлаженной. Поэтому реакция их организма на снижение температуры окружающей среды, особенно при резком снижении (например, при значительных сменах погоды), вызывает ухудшение самочувствия, болевые ощущения, рецидивы хронических заболеваний и различные простудные явления.

Переохлаждение может принимать различные формы, воздействуя на тепловой баланс всего организма, вызывает снижение внутренней температуры тела, а также конечностей, кожи, легких (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Негативные последствия переохлаждения

Переохлаждение приводит к дискомфорту, нарушению сенсорной и нервно-мышечной функции и, в конечном итоге, обморожению (рис. 3.2).

Отличительной особенностью реакции человека на холод является тот факт, что в терморегулирующей реакции на холод значительно больше места отводится поведению. Например, по сравнению с жарой в холодных условиях окружающей среды значительно более важную роль играет то, какую одежду носит человек и какую работу он выполняет.

сбой в механизме теплообмена

Достаточная теплозащита предотвращает переохлаждение. Количество теплопотерь определяется теплозащитной одеждой и климатическими условиями среды. Однако сама теплозащита может вызывать нежелательные или неблагоприятные воздействия на организм человека. Применение теплозащитной одежды, обуви, перчаток и головных уборов уменьшает подвижность и ловкость рабочего. Существует такое понятие, как «стоимость защиты». Оно означает, что передвижение с места на место и телодвижения не могут производиться бесконечно, поскольку они, в конечном счете, приводят к истощению сил. Одно из важных направлений исследования в эргономике – это уточнение функциональных возможностей одежды для поддержания теплозащиты от холода.

Значение относительной влажности воздуха показывает процентное отношение количества содержащихся в определенном объеме воздуха (при определенной температуре и давлении) паров воды к тому количеству, которое полностью насыщает этот объем до выпадения их в виде капель дождя:

j = (Р_п / Р_S) × 100 % или j = (r_п / r_S) × 100 %,

где Р_п – давление водяных паров, содержащихся в воздухе, Па; Р_S – давление насыщенных паров, зависящее от температуры и давления воздуха, Па; r_п – плотность водяных паров, содержащихся в воздухе, кг/м³; r_S – плотность насыщенных водяных паров, кг/м³.

Влияние относительной влажности на самочувствие человека определяется, помимо температуры воздуха (а также барометрического давления), особенностями процесса его дыхания. Основным органом дыхания человека, посредством которого осуществляется газообмен с окружающей средой, является трахебронхиальное дерево и большое число легочных клеток - пузырей (альвеол), стенки которых пронизаны густой сетью капиллярных сосудов. Через стенки альвеол кислород поступает в кровь для питания тканей организма. Через них же забирается из крови углекислый газ, который выделяется при использовании кислорода. Кроме того, легочные клетки всасывают из крови лишнее для организма количество воды. Она выходит из него при выдохе вместе с воздухом.

Экспериментально установлено, что интенсивность диффузии кислорода в кровь определяется парциальным давлением кислорода в альвеолярном воздухе, изменение которого пропорционально изменениям атмосферного давления вдыхаемого воздуха. Согласно закону Дальтона давление атмосферного воздуха Р_воз определяется суммой парциальных давлений входящих в него газов, а именно парциальными давлениями углекислого газа , кислорода , азота , водяных паров и т. д.:

Р_воз = + + + + ….

Изменение состава и количества водяных паров, как и изменение других составляющих, содержащихся во вдыхаемом воздухе, приводит к изменению интенсивности диффузии кислорода в кровь. Хорошее самочувствие человека сохраняется в диапазоне от 40 % – 60 % относительной влажности воздуха. При высоких температурах, более 30 °С, повышенная влажность воздуха оказывает неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека, так как при этом почти вся выделяемая теплота отдается в окружающую среду при испарении пота, который не испаряется, а стекает каплями с кожного покрова и не обеспечивает необходимую теплоотдачу.

Данные физиологов и биоклиматологов подтверждают, что повышенную температуру человеку легче переносить при более сухом воздухе. Но все имеет предел: если относительная влажность меньше 20 %, то испарение с поверхности слизистых оболочек дыхательных путей человека так велико, что они начинают иссушаться. А это вызывает неприятные ощущения сухости в горле и в носу, растрескивание губ, а также уменьшает защитные действия этих оболочек как фильтров, преграждающих путь в организм пыли и микробам.

Влияние скорости движения воздушных потоков на человека можно оценить иногда как положительное, а в некоторых случаях как отрицательное. Дело, прежде всего, в интенсивности движения воздуха, температуре и влажности окружающей среды.

При низкой температуре воздуха скорость движения воздуха оказывает охлаждающее действие на организм человека, унося прогретые им прилегающие к телу слои воздуха и прижимая к нему все новые порции холодного (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Переохлаждение, оказываемое ветром при минусовых

температурах

Кроме того, при этом сказывается влияние большой влажности воздуха. Так, при температуре воздуха, близкой к нулю, и большой влажности происходит резкое повышение теплоотдачи организма за счет дополнительных трат не только на обогревание тела, но и на просушивание открытых поверхностей тела и одежды. Если же при этом величина скорости движения воздуха велика, то теплоощущение еще ухудшается, так как ветер все время относит от тела обогретые и просушенные слои воздуха и нагоняет новые порции влажного и холодного, что усиливает процесс дальнейшего охлаждения тела.

В различных отраслях современного производства большая часть персонала работает в условиях труда, связанных с тепловым воздействием со стороны технологического оборудования: печей, котлов, трубопроводов и др. Например, в горячих цехах промышленных предприятий большинство технологических процессов протекает при температурах, значительно превышающих температуру окружающей среды. Нагретые поверхности излучают в пространство потоки лучистой энергии. При температуре до 500 °С с нагретой поверхности излучаются тепловые (инфракрасные) лучи с длиной волны 740…0, 76 мкм, а при более высокой температуре наряду с возрастанием инфракрасного излучения появляются видимые световые и ультрафиолетовые лучи.

Инфракрасные лучи оказывают на организм в основном тепловое облучение, в результате которого в организме происходят биохимические сдвиги, уменьшается кислородная насыщенность крови, понижается венозное давление, замедляется кровоток, нарушается деятельность сердечно-сосудистой и нервной систем.

По характеру воздействия на организм человека инфракрасные лучи подразделяются на коротковолновые лучи с длиной волны 0, 76…1, 5 мкм и длинноволновые с длиной волны более 1, 5 мкм. Тепловое излучение коротковолнового диапазона глубоко проникает в ткани и разогревает их, вызывая быструю утомляемость, понижение внимания, усиленное потовыделение, а при длительном облучении - тепловой удар. Длинноволновые лучи глубоко в ткани не проникают и поглощаются в основном в эпидермисе кожи. Они могут вызвать ожог кожи и глаз. Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие воздействия инфракрасных лучей является катаракта глаза.

Для характеристики теплового облучения приняты понятия интенсивность теплового облучения J_Е, Вт/м² – мощность лучистого потока, приходящегося на единицу облучаемой площади, и экспозиционная доза (ДОЭ), Вт·ч, определяемая как

ДЭО = I_ТО · S · t,

где I_ТО – интенсивность теплового облучения, Вт/м²; S – облучаемая площадь поверхности тела, м²; t – продолжительность облучения за рабочую смену, ч.

При определении облучаемой поверхности тела необходимо производить ее расчет с учетом доли (%) каждого участка тела: голова и шея – 9, грудь и живот – 16, спина – 18, руки – 18, ноги – 39 [3].

Тепловое облучение лимитируется тепловым болевым порогом кожи. Так, интенсивность до 350 Вт/м² не вызывает неприятного ощущения, при 1050 Вт/м² уже через 3–5 мин на поверхности кожи появляется неприятное жжение, температура кожи повышается на 8–10 °С, а при 3500 Вт/м² через несколько секунд возможны ожоги.

Кроме непосредственного воздействия на человека, лучистая теплота нагревает окружающие конструкции. Эти вторичные источники отдают теплоту окружающей среде излучением и конвекцией, в результате чего температура воздуха внутри помещения повышается.