Критерии теплового состояния человека и гигиеническая оценка параметров микроклимата. Опыт аксиоматизации.

Критерии теплового состояния человека и гигиеническая оценка параметров микроклимата. Опыт аксиоматизации.

В.Ф.Кириллов, Г.В.Федорович.

Введение.

В сложном комплексе взаимосвязанных явлений, обычно обозначаемых термином "окружающая среда", можно выделить ряд факторов, оказывающих превалирующее влияние на состояние и здоровье человека. Если ограничиться рутинными ситуациями, т.е. исключить наиболее экстремальные воздействия (напр. эпидемии, вредные химические вещества, ионизирующие излучения и пр.), то микроклимат, несомненно, является одним из наиболее существенных факторов среды (из других, сопоставимых по значимости, факторов можно отметить шум и инсоляцию). Роль этого фактора растет вместе с индустриализацией общества, ведущей к увеличению времени, которое человек проводит в закрытых помещениях – жилых и производственных.

Серьезные научные исследования влияния микроклимата жилых и производственных помещений на состояние, работоспособность и здоровье людей начались в первой половине прошлого века вместе с развитием массового жилищного и промышленного строительства. Обзор отечественных достижений в этой области можно найти, например, в монографиях [Губернский Ю.Д., 1978], [Медведев В.И., 1985], [Измеров Н.Ф., 1987] и др. Поверхностному взгляду может показаться, что к настоящему времени разработана вполне замкнутая, логически непротиворечивая дисциплина, позволяющая реализовать свои результаты в стройной системе норм на параметры микроклимата в быту и на производстве. На самом деле это не так.

Направление большинства работ гигиенистов-климатологов определяется убеждением (как правило – не формулируемым явно), что единственный способ получить какие-либо внятные результаты – использовать человека как прибор для измерения характеристик микроклимата. Объективизация результатов достигается с помощью набора статистики ответов на вопрос о самочувствии и последующего поиска корреляции этой статистики с более-менее произвольным набором параметров, определяющих микроклимат. В большей части монографий изложение начинается с выписывания "основного уравнения теплового баланса". Это "уравнение", изначально ошибочное, переписывается из книги в книгу. Ошибка остается незамеченной лишь потому, что в самих исследованиях это уравнение не используется, в лучшем случае - обсуждаются отдельные его составляющие. Выводы, которые делаются, не связаны даже с этим обсуждением.

При таком подходе открывается практически неограниченный простор для введения различного рода "эффективных", "действующих", "ощущаемых" и пр. параметров и "индексов", плохо определенных и нигде более не употребляющихся. Этим эфемерным переменным придается настолько серьезный смысл, что для их измерения конструируются приборы с неясным принципом действия (кататермометры, сферы Вернона, цилиндры Дуфтона и пр.). Результаты, полученные с использованием таких приборов метрологически бессодержательны и невоспроизводимы. Хороший обзор таких умопостроений в области определения комфортных параметров микроклимата, которыми изобилуют работы гигиенистов-климатологов первой половины прошлого столетия, и столь же поучительные примеры тупикового развития науки в этих направлениях, приведены в книге [Бахинди Л., 1981]. Тем не менее, в отечественной практике эти параметры и методы их измерения до настоящего времени вносятся в нормативные документы.

По мнению авторов, описанные изъяны современного состояния науки о гигиенических характеристиках микроклимата обусловлены отсутствием внятно сформулированной аксиоматики этой дисциплины. Без принятия и признания системы основных постулатов, любые исследования остаются игрой ума (близкой к разгадыванию головоломок), а их результаты – бессвязным неструктурированным набором фактов [Фейерабенд П., 1986]. Науку создает аксиоматика.

Ниже будет предпринята попытка сформулировать основные принципы гигиенической оценки параметров микроклимата и связать их с критериями теплового состояния человека. По большей части эти принципы бесспорны и самоочевидны (таковы все исходные аксиомы в любой дисциплине – иначе они не могут использоваться в качестве основных). Тем не менее, для структурирования исследований их необходимо внятно сформулировать и неукоснительно придерживаться. Сложными и неочевидными могут быть их логические комбинации - выводы из исходных посылок.

Основные положения.

1. В организмах теплокровных животных протекают биологические процессы различного уровня (молекулярного, клеточного, отдельных органов), управляемые биологическими законами, направленные на поддержание постоянной температуры тела, независимо от колебаний температуры окружающей среды. Не все они поняты, а понятые допускают лишь качественное описание.
С другой стороны, микроклиматические параметры окружающей среды представляют собой следствие комплекса сложных метеорологических и техногенных процессов, которые также допускают, по большей части, лишь качественное описание или приближенные оценки.
На границе между этими двумя системами действуют вполне обозримые процессы теплообмена, достаточно хорошо понятые и описанные в различных разделах науки (термодинамика, молекулярная физика и т.п.) и техники (различные типы теплообмена, испарение влаги и пр.). Эти процессы можно описывать, измерять и анализировать, отвлекаясь от сложности процессов, идущих "по соседству".

2. Сколь сложными не были бы процессы в организме и в окружающей среде, их вклад в теплообмен на границе организм – окружающая среда может быть описан только в тех терминах, которые описывают сами процессы теплообмена – температуры среды и поверхности кожи, скорость испарения влаги с поверхности и т.п. Здесь не должно появляться никаких "эффективных", "действующих", "ощущаемых" и пр. параметров, кроме тех, которые могут быть выражены через рутинные термодинамические переменные, но если это можно сделать, нужда во введении дополнительных переменных отпадает сама собой. Никакого самостоятельного значения они не имеют и могут появляться только как вспомогательные переменные, упрощающие запись и анализ термодинамических соотношений.  

3. Реакция организма может быть ответом только на ту информацию, которую он получает от своих рецепторов и только из тех мест, где эти рецепторы имеются. Например, есть рецепторы температуры поверхности кожи и их сигналы могут вызывать те или иные реакции организма. Нет рецепторов полного теплосодержания в организме и этот параметр бессмысленно анализировать в качестве влияющего на биологические процессы.

4. Сами по себе определения потоков тепла и условия теплового баланса не содержит оценок параметров микроклимата. Категории оценки должны быть внесены в процедуру анализа извне, дополнительно к балансовым соображениям. Здесь следует учитывать, что приспособительные механизмы теплокровных организмов весьма эффективны и достаточно долго могут поддерживать тепловой баланс в широком диапазоне изменений внешних условий. Ощущения комфорта или дискомфорта возникают в результате меньшего или большего напряжения этих механизмов. Нарушения теплового баланса сопровождаются ощущениями другого характера и быстро приводят к катастрофическим последствиям. 

5. Количественные оценки степени напряженности приспособительных механизмов должны основываться на тех параметрах и описываться в тех терминах, которые описывают сами процессы теплообмена. Иными словами, значение балансных соотношений для вырабатываемого и теряемого организмом тепла состоит в том, что в них входят все параметры, могущие быть использованными для субъективных оценок микроклимата. 

Отметим еще одно обстоятельство, скорее техническое, нежели принципиальное. Исторически в исследованиях гигиенических характеристик микроклимата сложилась своя система единиц. Существует определенная нестрогость в используемых единицах (например, в одной и той же работе для измерения энергии могут использоваться как калории, так и Вт*час), Представляется целесообразным использование общепринятой системы единиц СИ. Это в любом случае, раньше или позже, придется сделать.

Производство метаболического тепла.

Анализ теплопотерь организма целесообразно предварить уточнением понятий, связанных с теплопроизводством. Во многих работах по физиологии термостатирования организма не всегда внятно определяется – о каком именно тепле идет речь, это вносит известную путаницу в сопоставление и интерпретацию результатов работ различных авторов. 

Активность человека можно характеризовать несколькими видами выделяемой мощности [Белов С.В., 1999], [Иванов К.П.,1984]: 

1. Скорость выделения суммарного метаболического тепла Wпол – полное энерговыделение за счет всех источников – химических процессов и мышечной деятельности.
2. Скорость выделения тепла основного (фонового) обмена веществ в организме Wo ( ≈ 90 Вт у взрослого человека). 
3. Скорость выделения дополнительного тепла, связанного с производимой работой Wдоп . Очевидно, что Wдоп = Wпол – Wo.
4. Механическая мощность, развиваемая мышцами Wмех.

Последние две величины связаны между собой коэффициентом полезного действия мышц h = Wмех / Wдоп. Несмотря на некоторую условность введения этого коэффициента (он меняется от человека к человеку, зависит от вида механической работы, общего состояния организма и пр.), его целесообразно использовать для оценок, при этом можно считать его равным ≈ 0,2 .
Если интересоваться только теплом Wтеп, выделяемым при определенном уровне мышечной активности, его оценку можно получить из вполне очевидных соотношений

Wтеп = Wo+ Wдоп-Wмех = Wo+(1-h)* Wдоп .           (1) 

Основные каналы теплообмена человека с окружающей средой.

Существует несколько механизмов отдачи метаболического тепла в окружающую среду, причем организм включает их в различных комбинациях, в зависимости от ситуации: интенсивности работы, параметров внешней среды, степени теплоизолированности тела и пр. Подробное описание этих механизмов, развивающее основные положения 1 и 2 (см. выше) дано в [Тимофеева Е.И., 2005]. Ниже мы ограничимся перечислением существенных каналов теплообмена организм - окружающая среда, отсылая за подробным их описаниям к этой книге. Для того, чтобы отличать производство метаболического тепла от его потерь при теплообмене с окружающей средой, далее поток энергии будет обозначаться символом J , чтобы отличить его от теплопроизводства W, имеющего ту же размерность. 

1. Кондуктивный теплообмен кожа-воздух. Поток тепла Jконд в простейшем случае раздетого человека пропорционален площади поверхности тела и разности температур кожа – воздух. Изменения теплового потока Jконд в том случае, когда кожа от воздуха отделена слоем ткани (одеждой), можно учесть либо изменением коэффициента теплообмена, либо вводя эффективную площадь теплообмена, которая меньше, чем реальная поверхность тела человека. При конкретных расчетах теплообмена в системе человек – атмосферный воздух следует, вообще говоря, учитывать различную степень "закрытости" (теплоизолированности) различных участков человеческого тела. Реально величина Jконд может несколько возрастать при обдуве всего тела или его части. При допустимых в помещениях скоростях обдува, увеличение теплоотдачи по этому каналу незначительно. 

2. Теплообмен излучением. Соответствующий поток тепла Jизл также пропорционален площади открытой поверхности тела и разности потоков лучистой энергии, падающего из внешнего пространства на человека и теплового излучения с поверхности тела. Падающий поток можно оценивать эффективной температурой излучения, обычно близкой к температуре окружающих поверхностей (стен, панелей и пр.), однако лучше всего измерять его непосредственно. Тепловое излучение с поверхности тела пропорционально четвертой степени температуры кожи. 

3. Теплообмен при выделении и испарении пота. Испарение возможно при всех температурах сосуществования конденсированной и газовой фаз, реально одновременно с испарением происходит конденсация пара на поверхности. Скорость последнего процесса определяется плотностью (или парциальным давлением) пара над поверхностью. Совокупное действие всех этих процессов определяет результирующую скорость испарения и, соответственно, скорость теплопотерь при испарении Jкож.исп .
Из-за большой скрытой теплоты испарения воды скорость теплоотдачи организма по этому каналу может достигать больших (по сравнению с выделением суммарного метаболического тепла Wпол ) величин. Этой скорости теплообмена с избытком хватает для отвода любого количества метаболического тепла, если только этому не препятствует обезвоживание организма, одежда, высокая влажность окружающего воздуха (когда его температура близка к точке росы) и пр.
Скорость испарения пота и, соответственно, скорость теплопотерь Jкож.исп существенно возрастает при обдуве поверхности со скоростями потока воздуха 0,2 – 0,5 м/с и выше. 

4. Легочный теплообмен. Следует иметь в виду, что теплообмен воздух – внутренняя поверхность дыхательных путей представляет собой сложный, почти циклический процесс, в котором вдыхаемый воздух увлажняется и согревается, а выдыхаемый воздух – осушается и охлаждается во внутренних отделах дыхательных путей. Суммарно легочный теплообмен Wлег определяется температурой и влажностью вдыхаемого воздуха, он также меняется в зависимости от активности человека (энерговыделения Wпол ). 

Следует отметить, что серьезные проблемы с дыханием начинаются в атмосфере горячего влажного воздуха. При вдыхании происходит охлаждение воздуха в дыхательных путях и, если относительная влажность вдыхаемого воздуха достаточно велика (сочетание температуры и влажности близко к точке росы), при его охлаждении начинается конденсация влаги на внутренних поверхностях дыхательных путей. При этом конденсация пара происходит не только в носоглотке, но и на внутренней поверхности легких. Легкие наполняются конденсатом, что ведет к явлению асфиксии (удушья). Еще опаснее высвобождение большой теплоты конденсации (в обратном процессе она выступает как теплота испарения). Теперь это тепло идет на разогрев тканей в тех областях, где происходит конденсация влаги. Следствием может быть ожог и отек легких. Количественное описание этого процесса дано в книге [Тимофеева Е.И., 2005].

Анализ относительной роли различных каналов теплообмена организма с окружающей средой приводит к заключению о целесообразности раздельного рассмотрения охлаждающего и нагревающего микроклимата. Действительно, при достаточно низких температурах окружающего воздуха процессы терморегуляции будут направлены на предотвращение охлаждения организма. Способами борьбы с переохлаждением могут быть: уменьшение легочных теплопотерь, уменьшение теплоотдачи с кожи (за счет понижения ее температуры при сохранении температуры внутренних частей организма). Потоотделение и диффузное влаговыделение здесь нежелательны и рефлекторно уменьшаются до минимально возможных значений, так что их вклад в суммарный тепловой баланс становится пренебрежимо мал. Это зона "сухих" (условно) теплопотерь.
При повышении температуры среды процессы терморегуляции меняют свое направление на предотвращение перегревания организма. При этом теплоотдача с кожи останется эффективной только если ее температура станет выше, чем температура внутренних частей тела, что невозможно. Единственным способом сохранить тепловой баланс здесь является отдача тепла при испарении пота. Потоотделение (и теплозатраты на испарение пота) в таких условиях становится доминирующим каналом теплопотерь. 

Принципы объективизации теплоощущений.

Несмотря на то, что системы терморегуляции "справляются" с задачей обеспечения теплового баланса в широком диапазоне внешних условий, необходимость напряжения этих систем воспринимается как ощущение дискомфорта в среде с неподходящими климатическими параметрами. Различные механизмы терморегуляции подробно описаны в книге [Иванов К.П.,1984] (под углом зрения основного положения 3 - см. [Тимофеева Е.И., 2005] ). По-видимому, решение о том, какой из них «включить» и насколько интенсивно, принимается в зависимости от сигналов, получаемых терморегуляторным центром от температурных рецепторов, расположенных в различных частях организма. Вероятнее всего, степень напряжения тех или иных механизмов терморегуляции определяется совокупной информацией о температуре различных частей тела, при этом способы интеграции этой информации, в настоящее время неизвестны. Можно предположить, что максимальный «вес» имеют сигналы, приходящие от тех частей организма, которые непосредственно контактируют с внешней средой, т.е. от кожных рецепторов. 

Для объективизации теплоощущений необходимо выбрать физический параметр, непосредственно их определяющий. В соответствии с основным положением 4, в качестве такого параметра могут выступать только те, которые входят в условия теплового баланса. Для охлаждающего микроклимата это средневзвешенная температура кожи tк , для нагревающего – интенсивность потоотделения.
Топография температуры кожи определяется особенностями кровообращения, терморецепторного аппарата, теплопроводности тканей одежды. Ее учет важен при исследованиях механизмов адаптации к внешним условиям, а также обосновывает дифференцированный подход при разработке рекомендаций по профилактике охлаждения и перегревания. Очевидно, однако, что локальные теплоощущения также как и индивидуальные особенности людей (психофизическое состояние, состояния кожного покрова, потовых желез и т.п.) не следует принимать во внимание при анализе среднестатистических эффектов микроклимата.
Значения средневзвешенной температуры кожи, соответствующие различным теплоощущениям человека при выполнении им физической работы с различными уровнями полного энерговыделения Wпол, приведены в таблице 1 (см. [Измеров Н.Ф.,1987] стр.102). Эти результаты были получены в работе [Кричагин В.И., 1963]. 

Таблица 1.
Расчет температур кожи, соответствующих различным теплоощущениям при выполнении работ с различными уровнями энергозатрат

 

tк, C

Теплоощущения (PMV+)

W, Вт   

Комфорт (0)

Прохладно (-1)

Холодно (-2)

Оч. холод.(-3)

100

34,3

31,7

28,8

26,6

150

33,4

30,8

28,0

25,8

200

32,5

30,0

27,3

25,1

250

31,6

29,2

26,5

24,4

300 

30,8

28,3

25,7

23,7

350

29,9

27,5

24,9

22,9

Данные, приведенные в таблице 1, являются определенной квинтэссенцией результатов многочисленных исследований гигиенистов-климатологов, их можно и нужно использовать для расчетов теплового состояния человека выполняющего работу различной степени тяжести в различных микроклиматических условиях
Описываемая оценка комфортности теплового микроклимата помещения близка к оригинальным работам датского гигиениста-климатолога проф. П. О. Фангера [Fanger, P. O. 1970] по созданию методов оценки качества теплового комфорта. Исследования П. О. Фангера, основанные на статистике восприятия качества микроклимата группой специально подготовленных людей, получили широкую известность и признаны во всем мире. В конечном счете они стали основой нормативных документов, определяющих расчет проектируемых систем микроклимата. Например, международный стандарт [ISO 7730-84] определяет метод, позволяющий комплексно учесть радиационную температуру помещения, температуру, влажность и подвижность воздуха, теплопродукцию человека и тепловую изоляцию одежды.

Важно отметить, что и П.О.Фангер и В.И.Кричагин использовали одну и ту же технику опроса испытуемых, причем ответы группировались в одних и тех же терминах «комфорт», «прохладно», «холодно» и т.п. Это обстоятельство позволяет описывать результаты В.И.Кричагина той же величиной PMV (Predicted Mean Vote), которую ввел и использовал П.О.Фангер. В дальнейшем это позволит не только провести согласование отечественных стандартов с западными, но и вводить более тонкую градацию теплоощущений, сохраняя дробные части, получающиеся в результате расчетов величины PMV. В таблице 1 введенная П.О.Фангером величина PMV приведена вместе со словесным описанием теплоощущений. Для того, чтобы отличить величину PMV, определяемую по температуре кожи, она отмечается значком «+».
При повышении температуры среды процессы терморегуляции меняют свое направление на предотвращение перегревания организма. Доминирующим каналом теплопотерь в таких условиях становится теплозатраты на испарение пота. Соответственно, температура кожи перестает быть параметром, определяющим теплоощущения, вместо нее таким параметром становится скорость потери влаги организмом при потовыделении.
В качестве терминов, принятых для оценки теплоощущений, большинство исследователей использует шкалу "тепло – жарко – очень жарко", введенную в работе [Кричагин В.И., 1963]. Эти ощущения связываются с величинами полных влагопотерь (см. [Измеров Н.Ф.,1987] ) согласно градации, отраженной в таблице 2. Так же как и при построении табл.1, термины шкалы теплоощущений связываются с индексом PMV+, являющимся аналогом индекса PMV, соответствующего, согласно П.О.Фангеру, тем же теплоощущениям.

Таблица 2
Корреляция между теплоощущениями,полной влагопотерей и потерями за счет потоотделения.

Ощущения

комфорт

тепло

жарко

оч.жарко

Полн.влагопотери (г/час)

50

 60-250

250-500

500-2000

 Потоотделение G (г/час)

  0

 10 -200

 200-450

 450-1950

 Индекс PMV

 + 0

 1 – 2

 2 – 3

 >3

Между режимами охлаждения и нагревания организма лежит область комфорта, в которой легко и естественно (без напряжения систем терморегуляции) поддерживаются условия сохранения теплового баланса. Очевидно, что априорное определение параметров микроклимата, воспринимаемого как комфортный, невозможно, так как здесь необходимо учитывать характер активности (суммарное энерговыделение) человека, относительную открытость поверхности кожи или термосопротивление одежды и пр. Однако, анализ процессов теплообмена c учетом этих факторов дает возможность вполне адекватно определить как комфортные параметры микроклимата, так и теплоощущения при отклонении параметров от комфортных значений.
Такой анализ был проведен в [Тимофеева Е.И., 2005], результаты сведены в таблице 3.

Таблица 3.
Значение индекса PMV+ при выполнении работы с полным энерговыделением Wпол, при различных температурах воздуха.

 Wпол

Температура воздуха (оС)

 (Вт)

 5

 7,5

 10

 12,5

 15

 17,5

 20

 22,5

 25

 27,5

30

32,5

35   

 37,5 

 90

 

 

 

 

 

 

 2,39

  -1,20

 0,41

   0,78

 1,48

  1,92

  -2,28

2,58

 100 

 

 

 

 

 

 -2,86

 -1,90

  -0,50

 

 1,02

  1,61

 2,03

 2,36

 

 110

 

 

 

 

 

 -2,50

   -1,33

 0,29

 

 1,20

   1,73

 2,12

 2,44

 

 120

 

 

 

 

 -2,98

   -2,07

 -0,69

 

 0,43

  1,35

  1,84

 2,21

 2,52

 

 130

 

 

 

 

 -2,68

  -1,56

 0,04

 

 0,77

   1,48

 1,93

2,29

 

 

 140

 

 

 

 

 -2,30

  -0,97

  0,85

 

 0,98

 1,60

  2,02

 2,37

 

 

 150

 

 

 

  -2,89

 -1,86

 -0,31

 

 

 1,14

  1,70

 2,11

 2,44

 

 

 160

 

 

 

  -2,58

  -1,34

 0,44

 

 

 1,28

 1,80

 2,19

 2,52

 

 

 170

 

 

 

 

  -2,20

-0,74

 

  0,54

 1,41

  1,89

2,27

  2,59

 

 

 180

 

 

  -2,87

 -1,75

  -0,06

 

 

  0,80

1,52

  1,98

 2,35

 

 

 

190

 

 

 -2,56

   -1,21

0,74

 

 

 1,00

 1,64

  2,07

 2,43

 

 

 

 200

 

 

 -2,16

 -0,57

 

 

 

 1,17

   1,74

2,16

 2,51

 

 

 

 210

 

 -2,87

   -1,66

0,20

 

 

 

 1,32

 1,85

  2,25

2,59

 

 

 

 220

 

 -2,52

  -1,04

 

 

 

   0,62

 1,47

1,96

  2,35

 

 

 

 

 230

 

  -2,05

 -0,27

 

 

 

  0,91

 1,61

 2,07

  2,45

 

 

 

 

 240

   -2,80

 -1,43

0,68

 

 

 

 1,15

 1,76

 2,19

 2,55

 

 

 

 

 250

  -2,33

 -0,61

 

 

 

 

 1,36

 1,90

  2,31

 

 

 

 

 

 260

  -1,67

0,45

 

 

 

  0,77

1,56

  2,05

  2,44

 

 

 

 

 

 270

 -0,75

 

 

 

 

  1,13

 1,76

 2,21

 2,58

 

 

 

 

 

При анализе теплоощущений предполагалось, что человек одет так, что полный (со всей поверхности тела) коэффициент теплоотдачи С равен 10 Вт/оС, радиационная температура совпадает с температурой воздуха, относительная влажность воздуха RH = 50%, движение воздуха происходит со скоростью 0,1 м/с. Все эти ограничения непринципиальны, аналогичные результаты могут быть получены и для других значений указанных параметров. В целом анализ дает вполне разумные результаты, согласующиеся с литературными данными по теплоощущениям в нагревающей и охлаждающей среде. Тем не менее, стоит отметить, что диапазоны температур, которые следует считать комфортными при выполнении работ с заданным энерговыделением, лежат ниже, чем определено в действующих отечественных стандартах и нормах.
С использованием предложенных в [Тимофеева Е.И., 2005] методов можно решать и другие задачи, например, определить оптимальные параметры одежды для выполнения работы с заданным энерговыделением в среде с заданными параметрами микроклимата.
Существует еще одна возможность использования балансных соотношений, описывающих теплообмен с окружающей средой. В общем случае разность F между теплом Wтеп, выделяемым при определенном уровне мышечной активности и суммарным теплопотоком от организма в среду F(Wтеп, tк ,{X }) = W - S J (здесь и ниже через {X} обозначена совокупность климатических параметров среды, знак S символизирует суммирование по всем каналам теплообмена) должна быть приравнена к нулю в случае термодинамического равновесия организма со средой. Обычная ошибка, совершаемая при этом – рассматривать соотношение

F(Wтеп, tк ,{X }) = 0           (2)

как уравнение и решать его как обычное алгебраическое уравнение. Реально соотношение (2) всего лишь устанавливает связь между входящими в него величинами. Так как величин существенно больше, чем уравнений, ни одну из них из (2) определить нельзя. Можно, однако, использовать соотношение (2) для решения задачи о компенсации вынужденного изменения одного из параметров изменением других.
Строгая постановка задачи такова: пусть заданы параметры микроклимата {X}, полное энерговыделение Wпол , и полный (со всей поверхности тела) коэффициент теплоотдачи С, причем этот набор обеспечивает комфортные теплоощущения человека. Допустим, одна из переменных несколько изменилась. Как надо изменить другую переменную, чтобы вернуть прежнее теплоощущение, например, в охлаждающей среде сохранить неизменной средневзвешенную температуру кожи tк ? Для ответа на этот вопрос достаточно ограничиться небольшими изменениями переменных, т.к. результаты расчетов (см. табл.3) свидетельствуют, что даже небольшие изменения, например, температуры воздуха, могут существенно менять теплоощущения.
Если потребовать, чтобы небольшие изменения переменных не нарушали условия (2), получим условия на дифференциальные приращения:

d Wпол *( ∂F / ∂ Wпол) + dC*( ∂F / ∂C ) +  SdХ*( ∂F / ∂Х ) = 0           (3)

здесь, как принято, частные производные по одной из переменных берутся при условии, что остальные переменные постоянны и кроме того, считаем, что температура кожи tк неизменна (именно для этого и изменяются другие переменные). Из соотношения (3) можно подобрать требуемые величины изменения переменных.
Пусть, например, влажность воздуха изменилась на da . Если энерговыделение и степень теплоизолированности тела не изменились (d Wпол = 0, dC = 0), то компенсировать изменение влажности воздуха da можно изменением его температуры на величину dt , причем из (3) следует:

dt = - da * (∂F / ∂a)/ (∂F / ∂t)            (4)

Подставляя сюда значения производных (при этом принимаем С = 10 Вт/оС, Wпол = 200 Вт), получим

(dt/da) ≈ 0,15 oC м3 / г           (5)

Отсюда следует, что, изменяя температуру на доли градуса можно компенсировать изменения влагосодержания в воздухе в единицы г/м3. Аналогично можно решить задачу о компенсации роста энерговыделения уменьшением теплосопротивления одежды и ряд других [Тимофеева Е.И., 2005].

Стандарты и нормы.

Бессистемное развитие отечественной науки о действии микроклимата на человека не могло не сказаться на ее практических результатах – нормировании параметров микроклимата в быту и на производстве. Ситуацию со стандартами и нормами вполне можно охарактеризовать как критическую:

  • действующие нормы противоречат друг другу (например, в ГОСТ’ах и СанПиН’ах дается 3 различных определения теплого и холодного периодов года),
  • в них содержатся необоснованные и невыполнимые требования (например – к влажности и скорости движения воздуха в холодные периоды года),
  • в СанПиН’ах не учитываются возможные вариации теплозащитных характеристик одежды,
  • в ГОСТ’ах не определены требования к излучательным (ИК) системам отопления, признаваемых [Сканави А.Н. 1983], наиболее комфортным для человека,
  • рекомендуются к использованию измерительные приборы, сконструированные в позапрошлом и начале прошлого века, давно вытесненные из практики измерений более точными, метрологически определенными современными приборами.

Бессистемность основ сказывается на структуре нормативных документов - чрезвычайно запутанной и противоречивой. Основной текст сопровождается рекомендациями и приложениями, часть из которых не обязательна к исполнению. В дополнение к основным документам выпускаются различные Руководства, в них – примечания и приложения в которых указывается на возможность отступления от требований норм "после проведения дополнительных медицинских (на основе физиологических критериев термического состояния организма) исследований" [ Руководство Р 2.2.013-94]. Все это громоздится одно на другое, пока вся конструкция не рушится под тяжестью собственных несовершенств.
Ситуация обостряется назревающей необходимостью привести в соответствие отечественные нормы с западными стандартами. Этот процесс сейчас принято называть «гармонизацией норм», однако велика вероятность того, что новые «гармонизированные» нормы будут просто списаны с западных и объявлены обязательными для России. Такой результат был бы нежелателен по следующим причинам:

  • могут пропасть отечественные наработки в области гигиенической климатологии, неплохие сами по себе, а в ряде моментов – опережающие западные,
  • будут приняты нормы, основанные на результатах исследований 20 – 30 летней давности, выполненные в рамках концепций уже изживающих себя,
  • эти нормы разрабатывались для климатических условий Западной Европы, США и других стран с мягким приморским климатом, сравнительно высокими среднегодовыми температурами и применительно к западным социо-коммунальным традициям.

Последнее делает некритический перенос норм в Россию не только нежелательным, но и просто неприемлемым.

Заключение.

Резюмируем сказанное.
Создание технического регламента для микроклиматических параметров должно явиться завершающим этапом большого интеллектуального процесса, в который необходимо вовлечь специалистов в области естественных наук, медиков, инженеров, социологов и т.п. Необходимо обеспечить

  • трезвый взгляд на истинную ситуацию, избавление от иллюзорных надежд и пустых обещаний, определение тупиковых направлений,
  • формулирование настоящих проблем в этой области, рациональную постановку задач, сбор информации и ее обработку,
  • широкую свободную дискуссию в научной периодике, организацию конференций, симпозиумов с персональным привлечением как отечественных так и ( по-возможности ) зарубежных ученых и практиков,
  • демократизацию процедуры принятия результирующих документов – проблемы должны решаться не в кабинетах или специализированных лабораториях, а заинтересованными практиками в соответствии с идеями, которые они ценят и способами, которые они считают наиболее подходящими.

Только такой симбиоз гибкости с уважением к традициям науки позволит разрушить узкий и самодовольный круг "признанных авторитетов", использующих государственные средства для того, чтобы портить мышление налогоплательщиков и превращать живых и деятельных людей в покорных рабов их собственного унылого взгляда на науку. С результатами такой работы будет не стыдно знакомить зарубежных коллег и можно надеяться на их поддержку для принятия совместных стандартов в области нормирования параметров микроклимата.

Литература

1. Бахинди Л., Тепловой микроклимат помещений. М., Стройиздат, 1981, 248 с.
2. Белов С.В., Ильницкая А.В., Козьяков А.Ф. и др. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для вузов; под общ. ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999.-448 с.
3. Губернский Ю.Д., Корневская Е.И. Гигиенические основы кондиционирования микроклимата жилых и общественных зданий. М., Медицина, 1978, 192 с.
4. Иванов К.П. и др. Физиология терморегуляции. Л, Наука, 1984, 470 с.
5. Измеров В.Ф. (ред) Руководство по гигиене труда. М, Медицина, 1987, 368 с.
6. Кричагин В.И. Принципы объективной оценки теплового состояния организма. - В кн. Авиационная и космическая медицина (под ред. Парина В.В.).-М. 1963. с. 310-314.
7. Кутаталадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990.-367с.
8. Медведев В.И. (ред) Физиологические механизмы оптимизации деятельности. Л., Наука, 1985, 136 с.
9. Руководство Р 2.2.013-94. Гигиена труда. Гигиенические критерии оценки условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса. Госкомсанэпиднадзор России, М, 1994, 42 с.
10. Сканави А.Н. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий. М., Стройиздат, 1983, 304 с.
11. Тимофеева Е.И., Федорович Г.В. Экологический мониторинг параметров микро-климата. М., НТМ-Защита, 2005, 193 с.
12. Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., Прогресс, 1986, 544с.
13. Хирс Д., Паунд Г., Испарение и конденсация, (пер. с англ.), ИИЛ, М., 1966, 350 с.
14. Fanger, P. O. Thermal Comfort. McGraw-Hill, New York, NY.1970, 244 pp.
15. Moderate thermal environments – Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. ISO 7730-84 (E).

Скачать документ