Franciszek Rosiek
Instytut Górnictwa
Politechniki Wrocławskiej

Mikroklim

at

Komfort

Komfort

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Wymiana ciepła między człowiekiem a jego otoczeniem

Między człowiekiem a środowiskiem zachodzi nieustanna wymiana ciepła.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Fizjologiczne procesy dostosowania organizmu

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Organizm, podporządkowany prawu zachowania stałej ciepłoty,

nie może oczywiście sprostać każdym obciążeniom pracy i

środowiska. Wzrost tętna, który musi zrównoważyć zmniejszenie

ciśnienia żylnego, związane ze zwiększonym przemieszczaniem

krwi od wnętrza ku powierzchni ciała w wyniku rozszerzenia

naczyń krwionośnych skóry, nie może przekroczyć 140

uderzeń/minutę.
Ilość wydzielonego potu nie może wzrastać nieograniczenie -

przyjmuje się, że maksymalna ilość potu w ciągu 8 godzin pracy

nie przekracza 4 litrów.
Wreszcie, temperatura wnętrza ciała może wzrosnąć zaledwie

o 1 °C, tzn. może osiągnąć 38 °C

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Warunek zachowania homeotermii narzuca konieczność

ograniczenia czasu przebywania człowieka w gorącym

środowisku pracy.
Wzrost tętna, maksymalny wydatek potowy oraz wzrost

temperatury wnętrza ciała są czułymi wskaźnikami obciążenia

cieplnego organizmu i wyznaczają granice tolerancji

niekorzystnego wpływu środowiska i pracy na organizm

człowieka.
Współzależność między człowiekiem a środowiskiem w zakresie

wymiany ciepła ujęta jest ilościowo w równaniu bilansu

cieplnego człowieka

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

W

d

o

ty

c

h

c

z

a

s

o

w

y

c

h

ro

z

w

aż

a

n

ia

c

h

o

s

ta

b

iln

o

ś

c

i te

rm

ic

z

n

e

j c

z

ło

w

ie

k

a

p

o

m

in

ię

to

w

p

ły

w

o

d

z

ie

ż

y

.

U

b

ra

n

ie

s

ta

n

o

w

i je

d

n

a

k

b

a

rie

rę

p

o

m

ię

d

zy p

o

w

ie

rzc

h

n

ią

s

k

ó

ry a

o

to

c

ze

n

ie

m

, k

tó

ra

o

d

d

ziału

je

za

r

ó

w

n

o

n

a

w

ym

ia

n

ę

c

ie

p

ła

p

rze

z k

o

n

w

e

k

c

ję

i p

ro

m

ie

n

io

w

a

n

ie

, ja

k

i n

a

w

ym

ia

nę

c

ie

p

ła

p

rze

z o

d

p

a

ro

w

yw

a

n

ie

. T

rze

b

a

w

y

ra

źn

ie

w

s

k

a

za

ć

, że

w

p

ływ

u

b

ra

n

ia

n

a

w

ym

ia

nę

c

ie

p

ła

je

s

t b

a

rd

zo

zło

żo

n

y

. N

a

le

ży

w

p

ro

w

a

d

zić

w

ie

le

u

p

ro

s

zc

zeń

u

ś

r

e

d

n

ia

ją

c

y

c

h

o

ra

z p

e

w

n

e

p

rzy

b

liże

n

ia

. P

ra

k

ty

c

zn

ie

d

o

b

ila

n

s

u

c

ie

p

ln

e

g

o

c

zło

w

ie

k

a

w

n

o

s

i s

ię

c

zyn

n

ik

i k

o

re

k

c

yjn

e

:





cl

r

c

cl

I

h

h

f









1

1

(2

)

d

la

w

y

m

ia

n

y

c

ie

pła

p

rze

z k

o

n

w

e

k

c

ję

i p

ro

m

ie

n

io

w

a

n

ie

o

ra

z

cl

c

pcl

I

h

f









923

,

0

1

1

(3

)

ja

k

o

c

zy

n

n

ik

re

d

u

k

u

ją

c

y

w

ym

ia

n

ę

c

ie

p

ła

p

rze

z o

d

p

a

r

o

w

y

w

a

n

ie

,

g

d

zie

:

cl

I

- izo

la

c

ja

c

ie

p

ln

a

u

b

ra

n

ia

,

c

h

i

r

h

- w

s

p

ółc

zy

n

n

ik

w

y

m

ia

n

y

c

ie

p

ła

p

r

ze

z k

o

n

w

e

k

c

ję

i p

ro

m

ie

n

io

w

a

n

ie

.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Obliczenie bilansu cieplnego (1) z uwzględnieniem korekcji (2)

umożliwia wyliczenie obciążenia termicznego. Obliczenie to,

przeprowadzone przy założeniu braku potu, a więc przy założeniu

minimalnej wilgotności skóry, daje:

S = H + C + R + E

o

(4)

Gdy bilans cieplny jest dodatni, mamy do czynienia ze środowiskiem

gorącym, wymagającym uruchomienia mechanizmów walki z gorącem.
Gdy bilans cieplny jest ujemny, mamy do czynienia ze środowiskiem

chłodnym, wymagającym uruchomienia mechanizmów walki z

zimnem.
Natomiast bilans cieplny jest równy zeru w środowisku neutralnym.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

W środowisku neutralnym ilość ciepła, które jest wytwarzane

przez przemianę w spoczynku lub podczas wykonywania

określonej czynności, zostaje rozproszona w taki sposób, że

temperatura wnętrza ciała, bez udziału niezależnego

mechanizmu termoregulacji, utrzymuje się na stałym

poziomie.
Z tego względu w środowisku tym wszyscy ludzie, bez

względu na płeć, wiek i aklimatyzację, czują się jednakowo

dobrze.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Zupełnie odmiennie jest w środowisku gorącym.
Ilość ciepła wytwarzanego ulega wprawdzie rozproszeniu w stopniu

umożliwiającym utrzymanie temperatury wnętrza ciała na stałym

poziomie, lecz muszą zostać włączone mechanizmy autonomicznej

termoregulacji.

W krańcowym przypadku ilość zgromadzonego ciepła nie może

zostać rozproszona i temperatura wnętrza ciała zaczyna się stopniowo

podnosić.

Sprawność mechanizmów utrzymujących stałą ciepłotę ciała zależy

od ogólnej kondycji człowieka, przede wszystkim zaś od jego

wydolności krążeniowej, ilości gruczołów potowych, aklimatyzacji, a

więc czynników zależnych od wieku, płci, wagi ciała oraz

wytrenowania.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Współzależność między funkcją przenoszenia tlenu a funkcją

przenoszenia ciepła powoduje u człowieka, w gorącym środowisku

pracy, zmiany aktywności psychosensomotorycznej.
Obserwuje się spadek wydolności pracy i wskaźnika dokładności

wykonywania zadań (błąd, przeoczenie).
Wynika stąd konieczność klasyfikacji stanowisk pracy zarówno

ze względu na stopień uciążliwości fizycznej i termicznej, jak

również wymagań dotyczących precyzji wykonywanej pracy.
Szczególnie wymagające - z tego punktu widzenia - stanowiska

pracy są dostępne tylko dla organizmów zaaklimatyzowanych,

wytrenowanych i mających duże zdolności adaptacyjne.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Komfort cieplny

W czasie opracowywania koncepcji instalacji wentylacji lub

regulowania instalacji już istniejącej należy dążyć do osiągnięcia

optymalnego samopoczucia pracowników - komfortu cieplnego.
Odczucia cieplne człowieka odnoszą się głównie do równowagi

cieplnej całego ciała.
Na równowagę wpływa aktywność fizyczna człowieka, odzież,

jaką ma na sobie, jak również parametry otoczenia: temperatura

powietrza, średnia temperatura promieniowania, prędkość

przepływu powietrza i wilgotność powietrza

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Po przeprowadzeniu oceny lub pomiarów powyższych czynników

można na podstawie aktualnego stanu wiedzy przewidzieć,

obliczając wskaźnik PMV (przewidywana ocena średnia) i

związany z nim wskaźnik PPD (przewidywany procent osób

niezadowolonych), wrażenia cieplne człowieka, wyrażone w 7-

stopniowej skali wrażeń cieplnych r, jako:

 gorące (+3),

 ciepłe (+2),

 lekko ciepłe (+1),

 neutralne (0),

 lekko chłodne (-1),

 chłodne (-2),

 zimne (-3).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Na podstawie wskaźników PMV i PPD proponuje się

określenie granic komfortu cieplnego jako zadawalających

dla 80% ludzi, co odpowiada wartości wskaźnika PMV

zawartej w granicach

0,5 < PMV < + 0,5.

Wskaźnik PMV wykorzystywany jest również do

klasyfikacji środowisk termicznych gorących i zimnych

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Warunki komfortu cieplnego stwarzają jednakowe i

najkorzystniejsze warunki pracy, dostępne dla ogółu

pracowników bez ograniczeń związanych z wiekiem i płcią.

Niepotrzebna jest aklimatyzacja pracownika, możliwa jest praca

całozmianowa, mogą być także wykonywane prace wymagające

wyjątkowej precyzji i uwagi.
W ostatnich latach komfort cieplny jest swoistego rodzaju

„produktem”, który się wytwarza, sprzedaje i na który istnieje

wzrastający popyt.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

W e dł u g P . O . F a n g e r a w u s t a l o n y c h w a r u n k a c h o t o c z e n i a

p o d s t a w o w y m i w a r u n k a m i k o m f o r t u c i e p l n e g o c zł o w i e k a s ą :

 z r ó w n o w aż o n y b i l a n s c i e p l n y ,

 p o t w y d z i e l a n y w g r a n i c a c h p r z e w i d z i a n y c h d l a k o m f o r t u ,

 ś r e d n i a w a ż o n a t e m p e r a t u r a s k ó r y w g r a n i c a c h p r z e w i d z i a n y c h

d l a k o m f o r t u

C

R

K

C

E

E

E

H

r

r

d















( 5 )

g d z i e :

H - w e w nę t r z n a p r o d u k c j a c i e p ł a c z ł o w i e k a ,

R - p r z e k a z c i e pł a p r z e z p r o m i e n i o w a n i e z p o w i e r z c h n i o d z i e ż y ,

C - p r z e k a z c i e pł a n a d r o d z e k o n w e k c j i z p o w i e r z c h n i o d z i e ż y ,

K - p r z e k a z c i e pł a o d p o w i e r z c h n i s k ó r y d o w e w n ę t r z n e j p o w i e r z c h n i o d z i e ż y ,

E - s t r a t y c i e pł a p r z e z o d p a r o w a n i e p o t u z p o w i e r z c h n i s k ó r y ,

E

d

- s t r a t y c i e pł a n a s k u t e k d y f u z j i p a r y w o d n e j p r z e z s k ó r ę ,

E

r

- s t r a t y c i e pł a n a p a r o w a n i e z d r ó g o d d e c h o w y c h ,

C

r

- s t r a t y c i e pł a p r z e z k o n w e k c j ę z d r ó g o d d e c h o w y c h .

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat

Ciepło generowane jest we wnętrzu ciała i tracone z

powierzchni skóry, następnie transportowane przez odzież i

wymieniane z otoczeniem.
Logiczne rozważania, rozsądne założenia i przegląd

piśmiennictwa doprowadziły do równań dających się

rozwiązać względem sześciu podstawowych parametrów

(t

a

, t

r

, p

a

, v, Clo, M).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Zapotrzebowanie energetyczne człowieka, czyli ile energii
potrzebujemy?

 

Każdy żywy organizm ma określone potrzeby energetyczne, których zaspokojenie jest podstawą życia. Energię
niezbędną do przebiegu procesów życiowych uzyskuje się na drodze skomplikowanych procesów
energetycznych zachodzących w organellach komórkowych. Pokarm pobrany przez organizm musi zostać
strawiony, rozprowadzony i zużytkowany przez ustrój.
Kalorie
Energię dostarczaną i wydatkowaną przez organizm wyraża się jednostkami cieplnymi zwanymi kaloriami. W
nauce o żywieniu najczęściej posługujemy się kilokaloriami (1kcal = 1000 kalorii). Można tez spotkać inne
jednostki np. dżule (J) lub kilodżule (kJ).
Całkowita przemiana materii
Celem odżywiania jest zaspokajanie potrzeb związanych z podtrzymaniem podstawowych funkcji życiowych, to
znaczy podstawowej przemiany materii (PPM, BMR) oraz ponadpodstawowej przemiany materii. Całkowita
przemiana materii (CPM) oznacza łączny poziom przemian energetycznych warunkujących życie i prawidłowe
funkcjonowanie organizmu, czyli zarówno wydatki energetyczne związane z normalnym funkcjonowaniem, jak i
pracą zawodową.
Podstawowa przemiana materii.

Oznacza najniższy poziom przemian energetycznych zachodzących u osobnika na czczo, w pozycji leżącej, w
zupełnym spokoju fizycznym i psychicznym, w odpowiednich warunkach bytowania, zapewniających
dostarczenie energii niezbędnej do prawidłowego przebiegu procesów życiowych. Na wartość PPM wpływają
np. płeć, wiek, rozmiary ciała, stan fizjologiczny, stan zdrowia i odżywienia, czynniki genetyczne. Średnia
wartość PPM u zdrowego człowieka wynosi około 1kcal/1kg masy ciała/1h.
PPM można obliczyć za pomocą wzoru Harrisa i Benedicta:

Kobiety [kcal/dobę] = 665,09 + 9,56W + 1,84H – 4,67A

Mężczyźni [kcal/dobę] = 66,47 + 13,75W + 5H – 6,75A

gdzie: W – masa ciała (w kg); H – wzrost (w cm); A – wiek (w latach)

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Ponadpodstawowa przemiana materii
Związana jest z produkcją ciepła oraz wykonywaniem różnych czynności. Zależy m.in. od masy ciała, rodzaju spożywanego pokarmu, rodzaju wykonywanej pracy, warunkami bytowania, temperaturą otoczenia. Aktywność fizyczna
Ma na nią wpływ zarówno rodzaj wykonywanej czynności w ciągu dnia, warunki, czas jej trwania i nakład pracy mięśniowej. W istotny sposób wpływa na ostateczną wielkość CPM. W polskich normach (Ziemlański 1998) przyjęto trzy poziomy aktywności fizycznej – małą (1,4*PPM), umiarkowaną (1,7*PPM) i dużą (2,4*PPM).
Każdy może wyliczyć sobie indywidualnie ilość kalorii jaką spali jego organizm podczas wykonywania różnych form aktywności fizycznej. Aby obliczyć ilość spalonych kalorii należy pomnożyć wartość wydatku energetycznego dla określonej czynności (wartość z tabeli) razy czas jej wykonywania (w minutach) i razy indywidualną masę człowieka (kg).
Wydatek energetyczny podczas wykonywania różnych form aktywności fizycznej
 

Ponadpodstawowa przemiana materii
Związana jest z produkcją ciepła oraz wykonywaniem różnych czynności. Zależy m.in. od masy
ciała, rodzaju spożywanego pokarmu, rodzaju wykonywanej pracy, warunkami bytowania,
temperaturą otoczenia.

Aktywność fizyczna
Ma na nią wpływ zarówno rodzaj wykonywanej czynności w ciągu dnia, warunki, czas jej
trwania i nakład pracy mięśniowej. W istotny sposób wpływa na ostateczną wielkość CPM.

W polskich normach (Ziemlański 1998) przyjęto trzy poziomy aktywności fizycznej:

 małą (1,4*PPM),

 umiarkowaną (1,7*PPM),

 dużą (2,4*PPM).

Każdy może wyliczyć sobie indywidualnie ilość kalorii jaką spali jego organizm podczas
wykonywania różnych form aktywności fizycznej. Aby obliczyć ilość spalonych kalorii należy
pomnożyć wartość wydatku energetycznego dla określonej czynności (wartość z tabeli) razy
czas jej wykonywania (w minutach) i razy indywidualną masę człowieka (kg).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Rodzaj aktywności

Wydatek

energetyczny

[kcal/kg masy

ciała/min]

Sen

0,0172

Siedzenie i czytanie

0,0176

Spokojne leżenie

0,0195

Stanie w bezruchu

0,0206

Pisanie

0,0268

Rozmawianie

0,0269

Prowadzenie samochodu

0,0438

Ubieranie się, kąpiel

0,0466

Tenis stołowy

0,0566

Taniec (tango)

0,0612

Jazda na rowerze,

calanetics

0,0734

Gra w golfa

0,0794

Gra w kręgle

0,0975

Taniec skoczny

0,1

Tenis ziemny

0,1014

Pływanie

0,119

Gra w piłkę nożną

0,1308

Wspinaczka górska

0,147

Biegi na bieżni

0,2045

Bieganie (sprint)

0,5514

Wydatek energetyczny podczas wykonywania różnych form aktywności fizycznej

Wydatek energetyczny podczas wykonywania różnych form aktywności fizycznej

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Komfort definiowany jest jako stan umysłu, w którym człowiek

Komfort definiowany jest jako stan umysłu, w którym człowiek

odczuwa równowagę pomiędzy środowiskiem otaczającym a

odczuwa równowagę pomiędzy środowiskiem otaczającym a

wrażeniami psychofizycznym.

wrażeniami psychofizycznym.

Jednym z czynników warunkujących odczucie komfortu jest bilans

Jednym z czynników warunkujących odczucie komfortu jest bilans

termiczny organizmu człowieka, czyli zrównoważenie ilości ciepła

termiczny organizmu człowieka, czyli zrównoważenie ilości ciepła

powstającego w organizmie z ilością oddawaną do środowiska na drodze

powstającego w organizmie z ilością oddawaną do środowiska na drodze

promieniowania, konwekcji i przewodzenia.

promieniowania, konwekcji i przewodzenia.

Warunki termiczne, zapewniane przez urządzenia wentylacyjne,

Warunki termiczne, zapewniane przez urządzenia wentylacyjne,

klimatyzacyjne i grzewcze, zależą od przeznaczenia danego pomieszczenia i

klimatyzacyjne i grzewcze, zależą od przeznaczenia danego pomieszczenia i

mają na celu albo zapewnienie komfortu użytkowników albo, w przypadku

mają na celu albo zapewnienie komfortu użytkowników albo, w przypadku

pomieszczeń, w których priorytetem są wymagania związane z realizowaną

pomieszczeń, w których priorytetem są wymagania związane z realizowaną

technologią (np. przemysł precyzyjny) utrzymanie temperatury i

technologią (np. przemysł precyzyjny) utrzymanie temperatury i

wilgotności powietrza w granicach zapewniających prawidłową i

wilgotności powietrza w granicach zapewniających prawidłową i

bezawaryjną pracę urządzeń.

bezawaryjną pracę urządzeń.

O ile niesprawność sprzętu jest dla producentów istotnym problem to

O ile niesprawność sprzętu jest dla producentów istotnym problem to

komfort pracowników na stanowiskach pracy często traktowany jest

komfort pracowników na stanowiskach pracy często traktowany jest

marginalnie, mimo, że dyskomfort termiczny wpływa nie tylko na spadek

marginalnie, mimo, że dyskomfort termiczny wpływa nie tylko na spadek

efektywności pracy, ale również może prowadzić do wielu chorób

efektywności pracy, ale również może prowadzić do wielu chorób

.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Mikroklimat w pomieszczeniach

Mikroklimat w pomieszczeniach

    

Na odczucie komfortu wpływa zbiorcza kombinacja wrażeń wizualnych, słuchowych,
namacalnych i cieplnych, jakie pojawiają się w danym środowisku i które wynikają ze zmian w
zakresie następujących warunków:

• temperatura otaczającego powietrza,

• temperatura promieniowania otaczających powierzchni,

• wilgotność powietrza,

• prędkość powietrza,

• zapachy,

• ilość kurzu,

• walory estetyczne,

• natężenie hałasu,

• oświetlenie.
Z przytoczonych parametrów jedynie pierwsze cztery wpływają na komfort cieplny człowieka,

który zależy w dużym stopniu również od metabolizmu, aktywności oraz indywidualnej
zdolności do przystosowania się do zmian. Pomimo, że człowiek ma zdolność aklimatyzacji
do bardzo zmiennych i niekorzystnych warunków klimatycznych, jednakże efektywność
pracowników wykonujących określone zadania zależy w dużej mierze od warunków
środowiska, w którym przebywają. Zapewnienie pracownikom poczucia komfortu poprzez
dobór i regulację odpowiednich parametrów środowiska pracy przekłada się m. in. na:

· zwiększenie stopnia skupienia nad wykonywanym zadaniem,
· zmieszenie ilości popełnianych błędów,
· zwiększenie wydajności i jakości produktów i usług,
· ograniczenie ilości nieobecności w pracy wynikających z chorób,
· ograniczenie ilości wypadków przy pracy i innych zagrożeń zdrowotnych (jak np. chorób układu
oddechowego).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Optymalne warunki mikroklimatu

Optymalne warunki mikroklimatu

Warunki mikroklimatu zamieszczone w normie PN-78/B-03421 ustalone są

Warunki mikroklimatu zamieszczone w normie PN-78/B-03421 ustalone są

dla określonej aktywności fizycznej człowieka:

dla określonej aktywności fizycznej człowieka:
 przy małym tempie metabolizmu (szycie, księgowanie, pisanie na maszynie):
temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) wynosi: 20-22

o

C, latem: 23-26

o

C,

wilgotność względna zimą (niezależnie od aktywności): 40-60%, latem: 40-55%, a
prędkość ruchu powietrza zimą - maksymalnie 0,2m/s, latem - 0,3m/s,
przy średnim tempie metabolizmu (wbijanie gwoździ, tynkowanie) temperatura
powietrza w pomieszczeniach (zimą) wynosi 18-20

o

C, latem - 20-23

o

C, wilgotność

względna latem 40-60% a prędkość ruchu powietrza zimą - maksymalnie 0,2m/s,
latem - 0,4m/s,

przy dużym tempie metabolizmu (praca z siekierą, przenoszenie ciężkich
materiałów) temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) - 15-18

o

C, latem -

18-21

o

C, wilgotność względna latem 40-60% a prędkość ruchu powietrza zimą -

maksymalnie 0,3m/s, latem - 0,6m/s. (...)

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Wskaźniki komfortu - PMV i PPD

Wskaźniki komfortu - PMV i PPD

Środowisko termicznie komfortowe dla człowieka definiowane jest za pomocą dwóch
wskaźników: PMV i PPD.

PMV (ang. Predicted Mean Vote), określa przewidywaną średnią ocenę dużej liczby osób
przebywających w danym pomieszczeniu, zgodnie ze skalą termicznej zmienności
przedstawiona w tabeli 3.

PMV odniesione jest do nierówności pomiędzy ciepłem oddawanym przez człowieka i
odbieranym przez środowisko otaczające a optymalnym strumieniem przekazywanego do
otoczenia strumienia ciepła, które zapewniałoby warunki komfortu przy danej aktywności.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Wskaźnik obciążenia gorącem - WBGT

Wskaźnik obciążenia gorącem - WBGT

Stres cieplny pojawia się w okresach, kiedy zyski ciepła są większe niż ilość ciepła oddawana do
środowiska, przez co następuje akumulacja ciepła w organizmie i wzrost temperatury
wewnętrznej.

Dokładne określenie stresu cieplnego możliwe jest po przeprowadzeniu szczegółowej analizy
wymiany ciepła między pracownikiem a otaczającym środowiskiem, co jednak jest zbyt
czasochłonne i kosztowne, dlatego wprowadzono wskaźnik WBGT, który określa obciążenie
termiczne w środowisku pracy. Określanie wartości WBGT wymaga pomiarów następujących
parametrów: temperatury wilgotnej naturalnej t

nw

, temperatury poczernionej kuli t

g

, a w

przypadku badań na zewnątrz budynku również temperatury powietrza t

a

.

Termin WBGT stanowi połączenie nazw przyrządów wykorzystywanych do badań:

Termin WBGT stanowi połączenie nazw przyrządów wykorzystywanych do badań:

 czujnika do pomiaru temperatury wilgotnej naturalnej (ang. Wet Bulb),

 czujnika do pomiaru temperatury poczernionej kuli (ang. Glob Temperature).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Wskaźniki obciążenia zimnem -

Wskaźniki obciążenia zimnem -

t

t

WC

WC

, IREQ

, IREQ

Wskaźniki odnoszące się do środowiska zimnego zależą od tego czy obniżona temperatura
prowadzi do oziębienia całego czy też miejscowego ciała.

Stres miejscowy określany jest z pomocą wskaźnika t

WC

(ang. Wind-chill temperature)

opisującego

d

d

opuszczalne wychłodzenie miejscowe organizmu

opuszczalne wychłodzenie miejscowe organizmu

.

Podsumowanie

Podsumowanie

     Obowiązujące normy bardzo dokładnie określają zarówno parametry powietrza w
pomieszczeniach jak i metody określania wskaźników opisujących dany mikroklimat i odczucia
ludzi w nim przebywających a jak wiadomo uczucie zadowolenia pracowników przekłada się
zarówno na jakość jak i wydajność ich pracy. Z tego powodu zapewnienie komfortu termicznego
powinno przestać być postrzegane w kategoriach luksusu, ale jako jeszcze jeden z wymogów,
który musi być spełniony w miejscach pracy.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Mikroklimat i komfort cieplny

Mikroklimat i komfort cieplny

Mikroklimat w znaczeniu encyklopedycznym jest to klimat charakterystyczny dla małej części
środowiska, której odrębność jest wynikiem specyfiki układu czynników ją tworzących, np.
wysokością i wahaniami temperatury, wilgotności, szybkości ruchu powietrza itp. Określonym
mikroklimatem może charakteryzować się zarówno obszar geograficzny (np. miejscowość,
kotlina czy wwóz), jak i twór sztuczny, zbudowany przez człowieka (wnętrze samochodu,
mieszkanie, hala produkcyjna).

Kształtowanie się mikroklimatu zależy głównie od warunków meteorologicznych jego otoczenia
oraz
od naturalnych barier, które przyczyniaj się do jego utrzymania (np. ściana lasu czy otaczające
góry).
W przypadku wytworów rąk ludzkich dodatkowy wpływ mają techniczne i konstrukcyjne
parametry
obiektów (rozwiązania konstrukcyjne okien, materiały użyte do budowy ścian) oraz
charakterystyka
procesów, które przebiegają wewnątrz nich (np. sposób użytkowania czy metoda ogrzewania).
Warto zauważyć, że człowiek buduje pomieszczenia właśnie w tym celu, by uniezależnić się od
klimatu swego otoczenia poprzez stworzenie przestrzeni o bardziej odpowiadającym mu
mikroklimacie.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Najważniejszymi parametrami charakteryzującymi mikroklimat są:

•

temperatura powietrza,

temperatura powietrza,

•

promieniowanie termiczne otoczenia,

promieniowanie termiczne otoczenia,

•

wilgotność powietrza,

wilgotność powietrza,

•

prędkość jego ruchu oraz

prędkość jego ruchu oraz

•

ciśnienie atmosferyczne,

ciśnienie atmosferyczne,

przy czym należy pamiętać, że ich wpływ nie ogranicza się tylko do procesów
termofizjologicznych w organizmach żywych (np. samopoczucie dużej części populacji zależy od
ciśnienia atmosferycznego, które praktycznie nie wpływa na procesy wymiany ciepła).

Temperatura powietrza

Temperatura powietrza określa stan energetyczny cząstek powietrza oraz pary wodnej w nim
zawartej.

Promieniowanie termiczne

Promieniowanie termiczne otoczenia wyraża wielkość energii, jaką oddają przedmioty
znajdujące się
w otoczeniu poprzez promieniowanie; jego poziom zależy od temperatury powietrza i
temperatury
promieniujących obiektów.

Wilgotność powietrza

Wilgotność powietrza charakteryzuje zawartość pary wodnej w powietrzu; może być
wyrażana jako liczba gramów pary wodnej zawartej w jednym metrze sześciennym powietrza
(wilgotność bezwzględna), cienienie wywierane przez cząsteczki pary wodnej (cząstkowe
ciśnienie pary wodnej) lub stosunek tego ciśnienia do ciśnienia, jakie wywierałaby para
nasycona w tej samej temperaturze (wilgotność względna).

Prędkość ruchu powietrza

Prędkość ruchu powietrza

opisuje względne zmiany wzajemnego położenia organizmu i

otaczających go cząsteczek powietrza i pary wodnej; na otwartej przestrzeni determinowana
jest przez prędkość mas powietrza i prędkość przemieszczania się organizmu, w
pomieszczeniach zamkniętych dodatkowy wpływ wywiera na nią cyrkulacja powietrza
powodowana przez konwekcję oraz cyrkulacja wymuszona, generowana przez układy
wentylacyjne.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

W pomieszczeniach, w których przebywa (pracuje lub odpoczywa) człowiek, należy utrzymywać
odpowiedni poziom parametrów określających mikroklimat; daje to gwarancję dobrego
samopoczucia przebywających w pomieszczeniu ludzi, a w przypadku wykonywanej pracy wiąże
się dodatkowo z polepszeniem jej jakości. Jeśli w danych warunkach mikroklimatu pomieszczenia
człowiek czuje się dobrze, a gospodarka cieplna jego organizmu przebiega najbardziej
ekonomicznie, to mamy do czynienia ze stanem komfortu cieplnego. Należy pamiętać, że nie
jest on obiektywną formą oceny warunków klimatycznych, gdyż w dużej mierze zależy również
od ogólnego stanu organizmu, który "wystawia" ocenę. Ze względu na ten fakt należałoby
zdefiniować komfort cieplny jako "taki stan umysłu, który wyraża zadowolenie z panujących
warunków termicznych”.

Na odczuwanie ciepła przez człowieka, oprócz czynników mikroklimatycznych, ma wpływ jego
aktywność
fizyczna oraz charakterystyka termiczna odzieży, którą ma na sobie. Aktywność fizyczna jest
związana z poziomem metabolizmu, który z kolei wpływa na produkcję ciepła przez organizm; im
większa aktywność fizyczna, tym intensywniej przebiegają procesy metaboliczne i wydziela się
więcej
ciepła. Odzież zastępuje u człowieka utraconą w procesie ewolucji sierść; dzięki temu, że można
ją
dowolnie dobierać, w zależności od warunków klimatycznych, człowiek jest w stanie
funkcjonować
zarówno w skrajnie niskich temperaturach (np. badacze bieguna południowego), jak i w
temperaturach
bardzo wysokich, przy których odzież staje się całkowicie zbędna. Funkcja, jaką pełni ubranie, z
punktu widzenia termofizjologii sprowadza się do regulacji procesów wymiany ciepła z
otoczeniem
poprzez redukcję strumienia promieniowania, który przez nie przepływa. Ogólnie, im wyższy
stopień
izolacyjności odzieży, tym mniej ciepła ucieka i mniejsze jest zapotrzebowanie organizmu na
produkcję dodatkowej, wyrównującej powstające straty, energii.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że końcowa energia wewnętrzna układu równa jest sumie
jego energii początkowej oraz dostarczonego (lub odebranego) mu ciepła (z oczywistych
względów pomijamy wykonywaną nad układem pracę). Inaczej mówiąc, zmiana energii
wewnętrznej układu równa jest ciepłu dostarczonemu lub odebranemu układowi.

Fizycznym stanem związanym z odczuwaniem komfortu cieplnego jest sytuacja, gdy zmiana
energii wewnętrznej organizmu ludzkiego wynosi zero, równocześnie przy takim jej poziomie,
który gwarantuje utrzymanie temperatury operacyjnej ciała. W takim przypadku łączna ilość
ciepła wpływającego i wypływającego z ciała powinna równie by równa zeru.

Aby stworzyć formuły opisujące komfort cieplny, należałoby zidentyfikować wszystkie strumienie
ciepła, jakie przepływaj przez organizm.

Pierwszym z nich jest ciepło produkowane na drodze metabolizmu, zarówno to potrzebne do
prawidłowego funkcjonowania ciała, jak i ciepło odpadowe.

Następnym strumieniem jest energia przepływająca do organizmu z otoczenia, czy to poprzez
promieniowanie (np. gdy wystawiamy się na działanie Słońca), czy przewodzenie (np. podczas
gorącej kąpieli).
Strumienie, które odprowadzają ciepło z ciała, to: ciepło oddawane poprzez skórę (z
uwzględnieniem jej pokrycia odzieżą) w wyniku promieniowania, konwekcji, parowania wody i
potu oraz przewodzenia (kąpiel w chłodnej wodzie), ciepło wydalane poprzez płuca (zarówno
jako para wodna, jak i ogrzane, wydychane powietrze) oraz energia wykorzystana do wykonania
pracy fizycznej.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Ze względu na to, i niektóre z tych strumieni są znikomo małe lub występują bardzo
rzadko [4], przyjęto za wystarczające stosowanie równania komfortu cieplnego w
następującej formie [3]:

gdzie:

M - szybkość metabolicznej produkcji ciepła

I

cl

- izolacyjność odzieży

t

a

- temperatura powietrza

t

r

- temperatura promieniowania otoczenia

p

w

- ciśnienie pary wodnej zawartej w powietrzu

v - prędkość powietrza względem powierzchni ciała

Pomiar pierwszych dwóch wielkości w warunkach nielaboratoryjnych jest w zasadzie
niemożliwy, stosuje się więc szacowanie oparte na zestawieniach, tabelach i
zależnościach stworzonych podczas badań empirycznych.

0

)

,

,

,

,

(



v

p

t

I

M

f

w

a

cl

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Norma ISO 7730

Norma ISO 7730

Norma ISO 7730 dotyczy umiarkowanych warunków mikroklimatycznych, odpowiadających
pomieszczeniom zamkniętym z systemami ogrzewania oraz opcjonalnej wymuszonej
wentylacji.
Specyfikuje ona warunki komfortu cieplnego oraz udostępnia narzędzia służące do jego oceny.
Ocena stopnia komfortu cieplnego opiera się na wyznaczeniu wskaźnika PMV (Predicted Mean
Vote),
który przewiduje średnią wartość głosów dużej grupy ludzi co do odczuwanego przez nich
ciepła.

Skala ocen wygląda następująco:

Skala ocen wygląda następująco:

+3 - gorąco
+2 - ciepło
+1 – nieznacznie ciepło
0 - neutralnie
-1 - nieznacznie chłodno
-2 - chłodno
-3 - zimno

Formuła obliczeniowa bazuje na zjawisku równowagi termicznej ludzkiego ciała; zachodzi ona
wówczas, gdy wielko ciepła produkowanego wewnątrz ciała jest równa wielkości ciepła
oddawanego do otoczenia. Obliczenie wskaźnika PMV wymaga oszacowania poziomu
metabolizmu i
izolacyjności termicznej odzieży oraz zmierzenia parametrów mikroklimatu: temperatury
powietrza,
średniej temperatury promieniowania, względnej prędkości ruchu powietrza i cząstkowego
ciśnienia
pary wodnej.

Postać formuły jest następująca:

Postać formuły jest następująca:

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Obliczenia dotyczące temperatury odzieży należy przeprowadzać wielokrotnie, aż do
ustabilizowania
się uzyskiwanego wyniku (z tego względu zalecane jest zastosowanie komputerowych technik
obliczeniowych). Wskazane jest, aby wartości parametrów wejściowych zawierały się w
następujących
granicach:

· M - 58 do 232 [W/m

2

] (1 do 4 [met])

· I

cl

- 0 do 0.31 [m

2

*°C/W] (0 do 2 [clo])

· t

a

- 10 do 30 [°C]

· t

r

- 10 do 40 [°C]

· v

ar

- 0 do 1 [m/s]

· p

a

- 0 to 2700 [Pa]

Uzupełnieniem oceny stopnia komfortu cieplnego wyrażanej przez PMV jest wskaźnik PPD
(Predicted
Percentage of Dissatisfied), który daje odpowiedź na pytanie: jak wiele osób z dużej grupy
odczuwa
dyskomfort cieplny w zadanych warunkach? Oblicza się go według następującego wzoru:

Ze względu na indywidualne przyzwyczajenia oraz różnice osobnicze niemożliwe jest stworzenie
takiego mikroklimatu, który satysfakcjonowałby każdego, istnieje jedynie możliwość
minimalizowania
liczby ludzi niezadowolonych. Proponowane granice komfortu cieplnego to wartość PMV
zawierająca
się w przedziale (-0.5;+0.5), co odpowiada 90% zadowolonych (odczuwających komfort cieplny).

)

2179

,

0

03353

,

0

(

2

4

95

100

PMV

PMV

e

PPD















Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

KONIEC

KONIEC

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

Informacj

Informacj

e

e

dodatkow

dodatkow

e

e

Stałocieplne - utrzymują względnie stałą
temperaturę ciała, dzięki wysokiemu tempu
metabolizmu wytwarzają dużo ciepła, ale...

Temperatura powierzchni ciała zmienia się w
zależności od temperatury otoczenia

Wewnętrzna temperatura

ciała u zwierząt stałocieplnych

człowiek 36,9 36,4 - 37,4
koń

38,0 37,5 - 38,5

pies

38,5 37,5 - 39,0

krowa

38,5 37,5 - 39,5

kot

39,0 38,0 - 39,5

królik

39,0 38,5 - 39,5

świnia

39,0 38,0 - 40,0

owca

39,1 38,4 - 40,0

indyk

40,5 40,0 - 41,5

kura

41,0 40,5 - 42,0

kaczka

42,0 41,0 - 43,0

Regulacja temperatury krwi

ZIMNO

CIEPŁO

Przewodzenie

Konwekcj
a

Promieniowanie

Parowani
e

5-10%

mięśnie

tkanka
tłuszczow
a

skóra

naskórek

włosy

40%

40-
50%

10-20%

tętnica

żyła

Utrata ciepła

20

o

C

35

o

C

Temperatura ciała człowieka

w zależności od temperatury otoczenia

Modified from figures by Jessen 1984, Ilmarinen 1987 and Lloyd 1994

herkules.oulu.fi

Stopniowy spadek temperatury dystalnych części

ciała człowieka w miarę spadku temperatury otoczenia

herkules.oulu.fi

Najzimniejsze rejony twarzy ludzkiej w

temperaturze otoczenia

0

o

C

Produkcja ciepła u człowieka

Termogeneza - tworzenie ciepła

• Termogeneza bezdrżeniowa - produkcja ciepła
spowodowana wzrostem tempa przemian
metabolicznych (katabolicznych)

• Aktywność mięśniowa (wysiłek fizyczny)

• Termogeneza drżeniowa - spowodowana
kurczeniem się niezależnie od woli mięśni
szkieletowych - drżenie - stosowana przez
zwierzęta stałocieplne (dreszcze pozwalają na
wytworzenie 5 x więcej ciepła niż w spoczynku,
mniej jednak niż aktywność ruchowa)

Termoregulacja

Termorecepto
ry:

• skórne

• wewnętrzne

Ośrodek termoregulacji

Efektory

Termoreceptory

• Receptory ciepła i zimna znajdują się głównie
na powierzchni skóry.

• Przez wypustki neuronu czuciowego bodźce
przekazywane są do rdzenia kręgowego.

• Zero fizjologiczne - występuje gdy temperatura
otoczenia równa się temperaturze powierzchni
skóry.

• Czucie zimna lub ciepła powstaje tylko wtedy,
kiedy zmiany temperatury dotyczą samych
receptorów i występują dostatecznie szybko.

• Receptory zimna i ciepła adaptują się szybko i
wówczas czucie ciepła lub zimna nie występuje.

Efektory

Termoregulacja

fizyczna

Układ krwionośny

Gruczoły potowe

Termoregulac

ja chemiczna

Mięśnie
szkieletowe

Tkanka tłuszczowa

Wątroba

Powierzchnia ciała

Efektor, narząd wykonawczy organizmu żywego,
wykonujący lub zmieniający swoją czynność pod
wpływem pobudzeń nerwowych (końcowa część łuku
odruchowego). Są nimi mięśnie szkieletowe, mięśnie
gładkie (układ mięśniowy) i gruczoły.

Ośrodki
termoregulacji

Oddawanie
ciepła

Tworzenie ciepła

podwzgórz
e

Receptory termiczne

w skórze

Temperatura

środowiska

Temperatura

krwi

• obniżenie tempa procesów
metabolicznych

• zmniejszenie aktywności mięśni

• rozszerzenie naczyń krwionośnych
skóry

• zwiększenie wydzielania potu

• zwiększenie tempa wentylacji

• wzrost tempa procesów
metabolicznych

• zwiększenie aktywności mięśni

• zwężenie naczyń krwionośnych
skóry

• podnoszenie się włosów

Bodźce
zimna

Bodźce ciepła

przysadka (TSH)

mięśnie

szkieletowe

inne
tkanki

brunatna tkanka
tłuszczowa

(termogeneza drżeniowa)

(termogeneza bezdrżeniowa)

Podwzgórze

układ współczulny (Nad)

rdzeń nadnerczy (AD)

tarczyca (tyroksyna)

Utrzymanie względnie stałej temperatury
wewnętrznej jest nieodzownym warunkiem
sprawnego działania organizmu stałocieplnego.

Jej zmiany przekraczające o 4

o

C wartość

prawidłową prowadzą do zaburzeń aktywności
enzymów, a więc - wielu zależnych od
temperatury procesów zachodzących w
organizmie.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Rys.1. Wpływ temperatury na stan psychiczny i fizyczny

człowieka

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Komfort cieplny dla człowieka określa się jako stan zadowolenia
z warunków otoczenia, w którym on przebywa.

Potrzeba wytworzenia komfortu cieplnego na stanowisku pracy (np. w
kabinie operatora maszyny) ma dodatkowe uzasadnienie w tym, że
człowiek osiąga swoje maksymalne manualne i intelektualne zdolności
wówczas, gdy znajduje się w warunkach komfortu.

Wytworzenie warunków, w których człowiek odczuwałby stan komfortu
cieplnego stanowi zatem główny cel instalowania urządzeń grzewczych
oraz klimatyzacyjnych i rzutuje na konstrukcję różnego rodzaju
pomieszczeń zamkniętych oraz dobór materiałów na ich budowę.
Komputerowe wspomaganie badań komfortu cieplnego kabin

Czynniki wpływające na komfort cieplny:

Czynniki wpływające na komfort cieplny:

a) związane bezpośrednio z człowiekiem - takie jak poziomu aktywności
(gdyż ilość ciepła wytwarzanego w organizmie ludzkim zależy od rodzaju
wykonywanej pracy) i izolacyjności cieplnej odzieży, a także osobniczo
zależne jak wiek, płeć, wydolność fizyczna i stan psychiczny,
aklimatyzacja,

stopień

nawodnienia,

sprawność

reakcji

termoregulacyjnych, choroby przewlekłe

b) środowiskowych: temperatury, wilgotności i prędkości ruchu
powietrza
w pomieszczeniu (np. kabinie operatora dźwignicy).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Komfort cieplny wg. zaleceń literaturowych i wymagań

normowych

Ludzie przebywają w pomieszczeniach około 90% swojego życia, dlatego
też zagadnienia komfortu termicznego pomieszczeń są istotnym
problemem przy projektowaniu klimatyzacji komfortu.
Optymalne warunki mikroklimatu, w którym przebywa człowiek
(zamieszczone w
normie PN-78/B-03421 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry
obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach
przeznaczonych do stałego przebywania ludzi) ustalone są dla określonej
aktywności fizycznej człowieka:

Komfort cieplny wg zaleceń literaturowych i wymagań

Komfort cieplny wg zaleceń literaturowych i wymagań

normowych

normowych

przy małym tempie metabolizmu (szycie, księgowanie, pisanie na

maszynie): temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) wynosi: 20-
22ºC, latem: 23-26ºC, wilgotność względna zimą (niezależnie od
aktywności): 40-60%, latem: 40-55% a prędkość ruchu powietrza zimą -
maksymalnie 0,2m/s, latem - 0,3m/s

przy średnim tempie metabolizmu (wbijanie gwoździ, tynkowanie)

temperatura powietrza
w pomieszczeniach (zimą) wynosi 18-20ºC, latem – 20-23ºC, wilgotność
względna latem 40-60% a prędkość ruchu powietrza zimą - maksymalnie
0,2m/s, latem - 0,4m/s

przy dużym tempie metabolizmu (praca z siekierą, przenoszenie

ciężkich materiałów) temperatura powietrza w pomieszczeniach (zimą) -
15-18ºC, latem – 18-21ºC, wilgotność względna latem 40-60% a prędkość
ruchu powietrza zimą - maksymalnie 0,3m/s, latem - 0,6m/s

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Komfort cieplny wg. zaleceń literaturowych i wymagań

normowych

Równowaga termiczna warunkiem

Równowaga termiczna warunkiem

komfortu cieplnego

komfortu cieplnego

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

Pomiędzy człowiekiem a środowiskiem zewnętrznym
zachodzi nieustająca wymiana ciepła na drodze
przejmowania, przewodzenia oraz promieniowania,
opisana równaniem bilansu cieplnego:
ciepło zakumulowane w organizmie = ciepło
metaboliczne
- praca – straty ciepła

S = M - W - R - C - E -Res

S - akumulacja ciepła
M - ciepło wytworzone w trakcie przemian
metabolicznych
W - praca zewnętrzna
R - straty ciepła na drodze promieniowania
C - straty ciepła na drodze konwekcji
E - straty ciepła na drodze odparowania potu
Res - straty ciepła w wyniku oddychania

Jeżeli: M -W › R - C - E – Res - następuje wzrost temperatury ciała;
człowiek odczuwa ciepło

M -W ‹ R - C - E – Res - następuje spadek temperatura ciała;

człowiek odczuwa chłód

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

Mianem metabolizmu określa się wszystkie przemiany zachodzące w ciele
człowieka, których rezultatem jest wytworzenie energii niezbędnej do
funkcjonowania organizmu.

Jednostkami opisującymi ilość ciepła metabolicznego jest W/m² oraz met
(1met równe jest ilości ciepła wytwarzanego w czasie odpoczynku, równe
58.2 W/m²).

Przykładowe wartości tempa metabolizmu:
• 0.8met - odpoczynek w pozycji półleżącej;
• 1.0met – odpoczynek;
• 1.2met - odpoczynek w pozycji stojącej;
• 1.6met - umiarkowana aktywność w pozycji stojącej (przemysł lekki);
• 2.0met - średnia aktywność w pozycji stojącej (prace domowe);
• 3.0met - spacer z prędkością 5km/h;
• 3.4met - ciężka praca w pozycji stojącej
• 9.5met - bieg z prędkością 15 km/h

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu – wskaźniki i wielkości

obliczeniowe

Powierzchnia ciała człowieka obliczana jest na podstawie równania
zaproponowanego przez DuBois:

gdzie: m – waga, kg; l – wzrost, m

Izolacja termiczna określa ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu
przez 1m² powierzchni materiału, przy różnicy temperatur po obu stronach
odzieży wynoszącej 1K.
Odzież o odpowiedniej izolacji termicznej zapobiega nadmiernym stratom ciepła
do otoczenia. Izolacja termiczna materiałów wyrażana jest w m²K/W. W
odniesieniu jedynie do odzieży obowiązującą również inne jednostki:
clo –1 clo określa izolację termiczną odzieży niezbędną do utrzymania
równowagi termicznej pomiędzy organizmem człowieka, przebywającym w
pozycji siedzącej, a otoczeniem o następujących
parametrach: prędkość powietrza – 0.1m/s, temperatura powietrza i ścian - 21ºC
oraz wilgotność względna mniejsza niż 50%.
Dla tych warunków 1 clo zestawu odzieży jest równy 0.155 m²K/W
tog – wprowadzony w celu łatwego opisu izolacyjności cieplnej odzieży

-1 tog równy jest 0.1 m²K/W (1 clo = 1.55 togs)

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

Tu (Turbulence) - intensywność turbulencji - jest to wskaźnik
fluktuacji prędkości powietrza (wyrażony w procentach, jako
stosunek odchylenia standardowego prędkości powietrza do jej
wartości średniej), i jest określany za pomocą wzoru:

DR (Draught Rating) - odsetek osób niezadowolonych z
przeciągu, przeciąg odczuwany jest jako lokalne ochłodzenie
ciała spowodowane przepływem powietrza o prędkości v

a

w

temperaturze t

a

. Wskaźnik przeciągu DR jest określony wzorem:

DR = (34−t

a

)⋅(v −0,05)

0,6223

⋅(0,3696⋅ v⋅ Tu

+3,143)

Rodzaj odzieży

Wartości izolacyjności

cieplnej

m²K/W

Clo

podkoszulek

0,014

0,09

bluzka z krótkimi

rękawami

0,029

0,09

szorty

0,009

0,06

spodnie

0,039

0,26

sweter

0,043

0,28

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Bilans cieplny organizmu

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Procesy przekazywania ciepła
Ciepło jest miarą energii przekazywanej w procesach termodynamicznych, w trakcie których
nie
następuje zmiana parametrów zewnętrznych układu traktowanego jako całość (np. jego
objętość,
energia kinetyczna czy potencjalna). Podczas wymiany ciepła zmienia się jedynie energia
wewnętrzna
układu, na który składają się: energia ruchu postępowego i obrotowego cząsteczek (molekuł),
energia
elektronów poruszających się na orbitach energetycznych atomów oraz energia wzajemnego
oddziaływania cząsteczek, elektronów i jąder atomowych. Jeśli ciału zostanie dostarczona
energia
cieplna, jego cząsteczki zaczynają poruszać się (drgać) szybciej; jeśli energia zostanie oddana,
cząsteczki zmniejszą prędkość swych ruchów; w ten sposób ciało staje się cieplejsze lub
chłodniejsze.
Przepływ ciepła przebiega zawsze w kierunku od ciała lub jego części o wyższej temperaturze
do ciała
lub części o temperaturze niższej. Proces przekazywania energii cieplnej może odbywać się
zarówno z pośrednictwem materii jak i bezpośrednio, poprzez promieniowanie
elektromagnetyczne.
Transportowanie z pośrednictwem materii dzieli się dodatkowo na przewodzenie i konwekcję
ciepła.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Przepływ ciepła poprzez przewodzenie występuje w obrębie jednego ciała lub w układzie ciał
bezpośrednio stykających się. Proces dokonuje się dzięki przekazywaniu energii kinetycznej
pomiędzy
bezpośrednio sąsiadującymi ze sobą cząsteczkami, przez co przypomina nieco przekazywanie
pałeczki w biegu sztafetowym. W układzie stykających się obiektów, odizolowanym od
otoczenia, po
pewnym czasie wszystkie obiekty będą charakteryzować się tą samą temperaturą, wszystkie
cząsteczki będą posiadały identyczną energię kinetyczną. Ilość ciepła, jakie przepływa w
jednostce
czasu (czyli strumień ciepła) jest proporcjonalna do powierzchni przekroju, przez który
odbywa się
wymiana, proporcjonalna do różnicy temperatur obserwowanych obszarów oraz odwrotnie
proporcjonalna do odległości między tymi obszarami. Ograniczenie zjawiska przewodzenia
ciepła
jest możliwe poprzez zmniejszenie powierzchni styku obiektów oraz dzięki zastosowaniu
izolatorów
cieplnych, czyli materiałów o niskiej zdolności przewodzenia ciepła. Najefektywniejszym
izolatorem
cieplnym jest próżnia, gdyż całkowicie uniemożliwia cząsteczkom wymianę energii
kinetycznej;
ogólnie im większa gęstość materiału tym lepsze jego zdolności przewodzenia.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Wraz ze zmniejszaniem się gęstości ciała maleje rola przewodzenia w procesie transportu i
wymiany
ciepła, w cieczach i gazach zasadniczą rolę zaczyna odgrywać inny mechanizm - konwekcja. Jej
działanie opiera się na prawie Archimedesa, które stwierdza, że ciała lub obszary o większej
gęstości
pod wpływem siły ciążenia wypierają ciała lub obszary o gęstości mniejszej w stronę przeciwną
niż
działająca na nie siła. Wynika z tego, że zjawisko konwekcji może występować jedynie w
układach,
które znajdują się pod wpływem ukierunkowanej siły. Jeśli ciecz lub gaz w zbiorniku będzie
podgrzewana od dołu, to obszary najbliższe źródłu ciepła nagrzeją się, cząsteczki zaczną
szybciej się
poruszać (bardziej wychylać od położenia równowagi), co da w rezultacie lokalne zmniejszenie
gęstości. Siła wyporu spowoduje ruch nagrzanych obszarów ku górze, w trakcie którego
cząsteczki
będą stopniowo oddawały energię poprzez kontakt ze swymi nieogrzanymi sąsiadami. Oddając
energię spowodują ochłodzenie i zwiększenie gęstości ośrodka, przez co uprzednio wypierane
obszary zaczną opadać z powrotem ku dołowi pojemnika. W ten sposób sytuacja powtórzy się,
tworząc proces ciągły i cykliczny zwany cyrkulacją ośrodka. Taki rodzaj konwekcji jest
nazywany
konwekcją swobodną w odróżnieniu od konwekcji wymuszonej, która opiera się na procesie
wymuszonego obiegu ośrodka, np. w instalacji klimatyzacyjnej [2]. Należy zauważyć, że w
przypadku
podgrzewania od góry cyrkulacja nie wystąpi a przekazywanie ciepła będzie odbywało się na
drodze
przewodzenia. Ponadto, sam mechanizm konwekcji nie jest w stanie zapewnić przenoszenia
energii
cieplnej, cyrkulacja jest jedynie swego rodzaju środkiem transportu dla cząsteczek, które w
dalszym
ciągu wymieniają ciepło poprzez bezpośrednie oddziaływanie, tak jak w przypadku
przewodzenia.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Pomimo tego, że próżnia jest idealnym izolatorem cieplnym, może poprzez nią odbywać się
transport
energii cieplnej; wymiana ciepła bez pośrednictwa cząsteczek materii jest możliwa dzięki
promieniowaniu elektromagnetycznemu, które nie potrzebuje ośrodka aby się rozchodzić.
Poruszające
się ładunki elektryczne w atomach rozgrzanego ciała powodują powstawanie fal
elektromagnetycznych, które rozchodzą się we wszystkich kierunkach z prędkością równą
prędkości
światła [1]. Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne pada na powierzchnię ciała, część
niesionej
przez nie energii może zostać pochłonięta przez ciało; atomy absorbują kwanty energii
zwiększając
tym samym poziom swego pobudzenia, w rezultacie czego następuje ogrzewanie ciała.
Stosunek
energii promieniowania pochłoniętej przez ciało do całkowitej energii promieniowania
padającego na
jego powierzchnię nazywany jest zdolnością absorpcyjną lub współczynnikiem pochłaniania
ciała.
Idealna powierzchnia pochłaniająca, zwana ciałem doskonale czarnym, ma zdolność
pochłaniania
równą 1. Należy zauważyć, że każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego
emituje
promieniowanie elektromagnetyczne, więc proces ma zawsze charakter dwustronny: energia
jest
pochłaniana i równocześnie wypromieniowywana, bilans tej wymiany jest zależny od zdolności
emisyjnej i absorpcyjnej ciała. Transport energii cieplnej poprzez promieniowanie zachodzi
również w
ośrodkach przezroczystych nie będących próżnią; jego efektywność jest tym mniejsza, im
mniejsza
przezroczystość ośrodka, gdyż część energii jest wychwytywana przez atomy ośrodka.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Procesy cieplne w organizmach żywych
Utrzymanie organizmu przy życiu wymaga ciągłego wydatkowania energii, również pod
postacią
ciepła; praca każdego narządu i układu jest związana z jej wymianą. Źródłem tej energii są
procesy
metaboliczne, które u zwierząt i grzybów polegają na rozkładzie skomplikowanych związków
chemicznych, podczas którego jest ona uwalniana. Aby mogły one jednak prawidłowo
przebiegać,
organizm musi posiadać pewne zasoby energetyczne "do natychmiastowego wykorzystania",
czyli dostępne bez dodatkowego wydatkowania energii na ich pozyskanie. Funkcję tę spełnia
energia cieplna, której odpowiedni poziom pozwala na uruchomienie procesów przemiany
materii oraz normalne funkcjonowanie organizmu. W przypadku zbyt niskiej ciepłoty ciała nie
jest możliwe pozyskiwanie energii chemicznej, w rezultacie czego organizm ginie. Z tych
względów temperatura ciała jest czynnikiem decydującym o przetrwaniu i musi by
utrzymywana w ściśle określonym przedziale [1]. Wstępne zakresy dopuszczalnych temperatur
są determinowane przez fizyczne właściwości budulca organizmu, który w głównej mierze
złożony jest z wody; w normalnych warunkach (to jest panujących na powierzchni Ziemi) woda
może istnieć w stanie ciekłym w temperaturze od zera do 100 stopni Celsjusza. Także białko,
będące drugą podstawą ziemskiego życia, jest bardzo czułe na temperaturę: już przy 42
stopniach Celsjusza następuje jego nieodwracalne ścięcie, czyli zniszczenie pierwotnej
struktury molekularnej. Jeszcze bardziej rygorystyczne normy dotyczące temperatury
operacyjnej (czyli optymalnej temperatury funkcjonującego organizmu) wymuszane są przez
specyfikę procesów fizykochemicznych zachodzących w organizmie żywym, takich jak
rozpuszczanie się gazów i związków chemicznych we krwi czy chemiczne spalanie
węglowodanów i tłuszczów. Tego typu procesy przebiegają tym efektywniej, im wyższa panuje
temperatura; dlatego też temperatura operacyjna ciała powinna być możliwie najwyższa, nie
przekraczając jednoczenie temperatury
denaturacji białka (wraz z zachowaniem pewnego obszaru bezpieczeństwa).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Pierwsze stworzenia, jakie pojawiły się na Ziemi, były organizmami zmiennocieplnymi, to
znaczy
temperatura ich ciała zależała od temperatury otoczenia, gdy nie posiadały one mechanizmów
jej
regulacji. Nie dziwi więc fakt, że pierwotnie środowiskiem ich życia była woda, która ze
względu na
swe właściwości fizyczne (duża pojemność cieplna oraz stosunkowo dobre przewodzenie
ciepła) jest
w stanie zapewnić warunki o minimalnych wahaniach temperatury. Wyjście zwierząt wodnych
na ląd
spowodowane zostało między innymi poszukiwaniem środowiska cieplejszego, które
umożliwiłoby
zwiększenie aktywności; życie na lądzie pozwala korzysta z ciepła przekazywanego
bezpośrednio
przez promieniowanie słoneczne, które woda z racji swej małej przezroczystości pochłania już
w
powierzchniowych warstwach. Dzięki temu zwierzęta mogły prowadzić bardziej aktywne życie
w ciągu
dnia; ceną za to była konieczność przeczekania okresów nocnych, gdyż niska temperatura nie
pozwalała utrzymać metabolizmu na odpowiednio wysokim poziomie. Natura borykała się z
tymi
problemami, dopóki nie pojawiły się pierwsze organizmy stałocieplne, czyli niezależne (w
pewnym
zakresie) od temperatury otoczenia oraz potrafiące wpływać na temperaturę swego
organizmu. Dzięki
temu są one w stanie przeżyć i funkcjonować w temperaturach z zakresu od -50 (biegun
południowy)
do +50 stopni Celsjusza (pustynie).

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Z punktu widzenia problematyki komfortu cieplnego najważniejszymi mechanizmami
przystosowawczymi i regulacyjnymi są te, które mają za zadanie utrzymywać odpowiednią
temperaturę ciała w krótkich okresach czasu, czyli reagujące na nagłe jej zmiany w
otoczeniu. Nie
należy jednak zapominać o istnieniu mechanizmów regulacji sezonowej (np. sen zimowy,
migracje
sezonowe, linienie) oraz o ewolucyjnych sposobach reakcji na stopniowo zmieniające się
warunki
klimatyczne (np. utrata owłosienia u ludzi czy zmieniająca się grubość futra u zwierząt) [1].
Mechanizmy te u zwierząt stałocieplnych skupiają się na utrzymaniu stałej, najkorzystniejszej
dla organów i układów ciała temperatury poprzez wpływanie na wielkość ciepła oddawanego
do
otoczenia. Ze względu na fakt, iż tkanki biologiczne są stosunkowo dobrymi izolatorami
termicznymi,
ciepło musi najpierw zostać przetransportowane w te rejony ciała, które mają bezpośredni
kontakt z
otoczeniem, by mogło zostać stamtąd wydalone przy pomocy opisywanych wcześniej
mechanizmów
przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Takimi rejonami jest powierzchnia skóry oraz
płuca,
natomiast czynnikiem transportującym ciepło z wnętrza jest krew. Przy wydalaniu ciepła
wykorzystywana jest także woda, której duża pojemność cieplna pozwala na odprowadzenie
znacznych ilości energii; paruje ona bezpośrednio z tkanek (płuca i w niewielkim stopniu
skóra) lub
jest dostarczana na powierzchni skóry w postaci potu przez gruczoły potowe. Nadzorem
wymiany
ciepła z otoczeniem zajmuje się podwzgórze, organ mieszczący się w mózgu i pełniący rolę
termostatu; jego zadaniem jest uruchamianie odpowiednich reakcji tak, by utrzymać
temperaturę ciała
na stałym poziomie, pomimo jej wahań w otoczeniu.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Kiedy temperatura otoczenia jest niska, organizm jest zmuszony do produkowania ciepła w celu
wyrównania strat zwizanych z wychładzaniem się ciała. W celu ograniczenia tych strat nastpuje
zwenie naczy krwiononych w obrbie zewntrznych warstw ciała, w rezultacie czego zmniejsza
się dopływ krwi do skóry (wiadczy o tym jej blado) oraz emisja ciepła t drog. U zwierzt
pokrytych sierci lub futrem wystpuje równie jej jeenie, majce na celu zwikszenie stopnia
izolacyjnoci cieplnej pokrycia - zwiksza się jego grubo, a przestrzenie midzy włosami wypełniaj
się powietrzem, które jest dobrym izolatorem [odruch ten jest obserwowany równie u człowieka
pod
postaci tak zwanej "gsiej skórki", lecz ze wzgldu na znikom ilo włosów na ciele nie ma on
znaczenia praktycznego]. Jeli takie działanie nie przynosi podanego rezultatu (straty ciepła s
nadal zbyt due), uruchamiane s radykalne mechanizmy produkowania energii cieplnej: drenie i
napicie mini. Ich skuteczno jest bardzo dua, produkowane w ten sposób ciepło jest prawie
równe ciepłu powstajcemu w czasie jazdy rowerem [1], lecz naley pamita, e odbywa się to
kosztem duego zuycia energii chemicznej (pozyskiwanej z wglowodanów, tłuszczów, a w
krytycznych sytuacjach nawet z białek), której ilo jest ograniczona.

Oddziaływanie środowiska termicznego na organizm

człowieka

Mikroklimat - komfort

Wzrost temperatury wewntrz ciała niesie ze sob zagroenie zniszczeniem struktury molekularnej
białek, z których zbudowany jest organizm; taka sytuacja wymaga zintensyfikowania procesów
wydalania ciepła z organizmu. W tym celu poprzez rozszerzenie naczy krwiononych zwikszany
jest
dopływ krwi do skóry. Jeli jednak temperatura otoczenia jest porównywalna lub wysza od
temperatury ciała, taka metoda nie skutkuje ze wzgldu na brak przepływu ciepła midzy skór a
powietrzem; co wicej, ciepło moe zacz wtedy napływa z zewntrz do organizmu. W takim
przypadku uruchamiane s mechanizmy oparte na parowaniu, gdy umoliwiaj one wydalanie
ciepła
pomimo wyszej temperatury otoczenia (nie nastpuje wtedy transfer ciepła; woda podgrzewa się
i
odparowuje, dziki czemu jest w stanie opuci organizm wraz ze zgromadzon energi). Człowiek
jest w stanie w cigu godziny odparowa do 1.5 kilograma potu, co jest równowane odprowadzeniu
do otoczenia energii ponad 10-ciokrotnie wikszej ni energia wytwarzana przez organizm ludzki w
czasie spoczynku [1]. Zwierzta nie posiadajce gruczołów potowych (np. psy) odparowuj wod
poprzez płuca, wspomagajc wentylacj intensywnym dyszeniem. Mechanizm parowania jest
5
wykorzystywany take do wydalania tak zwanego ciepła odpadowego, powstajcego podczas
intensywnej pracy fizycznej. Naley mie na uwadze, i jego efektywno zmniejsza się wraz ze
wzrostem wilgotnoci powietrza; im wysze cinienie pary wodnej, tym trudniej jest zmieni stan
skupienia wody z płynnego na gazowy. Intensywne odparowywanie wody z organizmu moe
ponadto
doprowadzi do jego odwodnienia w sytuacji, gdy zapasy wody nie s odpowiednio czsto
uzupełniane.