CC BY
8
УДК 613.646:612.5 +612.592
НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ РАЗЛИЧНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ 1
Р. Ф. Афанасьева, В. И. Кричагин, С. Г. Окунева Центральный научно-исследовательский институт швейной промышленности, Москва
При разработке гигиенических требований к бытовой или специальной теплозащитной одежде все чаще приходится сталкиваться с необходимостью выдачи конструкторам швейной промышленности конкретных рекомендаций относительно исходных величин для расчета создаваемых ими -средств защиты огранизма человека от охлаждения или перегревания.
Учитывая возросший уровень методических возможностей, проектировщики одежды, инженеры по охране труда и другие специалисты вправе рассчитывать на получение от гигиенистов более подробных сведений о теплофизических параметрах такого сложного объекта, как человеческий организм. В частности, для проектирования теплозащитной одежды недостаточны общие данные об энергетическом балансе, получаемые классическими методами прямой и непрямой калориметрии. Практика требует не только измерения отдачи тепла конвекцией, радиацией и испарением, но и предоставления данных о величинах рассеивания тепла различными участками поверхности тела, допустимой температуре на этих участках, продолжительности пребывания в состоянии охлаждения и других сведений подобного рода. Описанные С. Я. Заржевским, П. В. Рамзаевым, а также нами (1963, 1965) методики прямого измерения тепловых потоков и температуры кожи (на отдельных участках и в среднем по всему телу) позволили выполнить серии наблюдений с целью установления некоторых теплофизических констант для расчетов по проектированию одежды.
Поскольку всякая одежда обусловливает значительную неравномерность («мозаику») теплоотдачи с поверхности кожи, представлялось целесообразным изучать общие закономерности распределения тепловых потоков по поверхности тела на обнаженных людях. Распределение теплоотдачи в этом случае должно было отражать чисто физиологические условия переноса тепла от зон теплообразования, расположенных внутри организма, к поверхности кожи. Для обнаженного испытуемого можно подобрать как комфортную температуру внешней среды, так и условия форсированной отдачи тепла организмом.
В настоящей статье приводятся экспериментальные данные, характеризующие теплоотдачу обнаженных людей при различной температуре окружающего воздуха, обусловливающей возрастание холодовой нагрузки в последующих наблюдениях. Было проведено 50 экспериментов на 11 добровольцах в возрасте 25—35 лет (вес 65—73 кг, поверхность тела 1,7— 1,8 м2).
Продолжительность наблюдения при положительной температуре (35, 28, 22 и 15°) составляла 60 мин., при более низкой положительной (10, 5 и 0°) и отрицательной (—5, —10°) температуре продолжительность экспериментов определялась теплоощущениями испытуемых — их способностью переносить дискомфорт в заданных температурных условиях.
Каждые 5 мин. проводились измерения тепловых потоков и температуры кожи в 11 точках поверхности тела (схема размещения точек измерения и способ обработки данных описаны в статье Р. Ф. Афанасьевой, В. И. Кричагина, Л. Б. Казанцевой — Гигиена и санитария, 1963). В ходе
1 Несмотря на то что в описываемой авторами работе получены результаты в особых
условиях эксперимента, статья имеет теоретическое значение для разработки мероприятий защиты организма от переохлаждения и потому публикуется. — Ред.
наблюдения каждые 20 мин. измерялся пульс; до и после пребывания испытуемых в климатической камере производилось взвешивание с точностью ±25 г; измерялись артериальное давление и газообмен. Также производились вычисления средневзвешенных значений теплоотдачи и температуры кожи. Теплосодержание и дефицит тепла в организме рассчитывались по формуле Burton:
AQ = 0.83Р (0,7Гре„т + 0,ЗГсР),
где AQ — дефицит тепла; 0,83 — теплоемкость тела; Р — вес тела; Грект — температура ректальная; Тср— средняя температура кожи.
Результаты измерений общих теплопотерь представлены на рисунке.
икал/м* час
Теплопотери организма человека при различных температурах окружающей
среды (в ккал/м2-час). На оси абсцисс—температура воздуха; на оси ординат — величины теплопотерь с 1 м* поверхности тела. 1 — теплопотери (С+Л) на 5-й минуте; 2 — теплопотери (С+Ю на 25-й минуте; 3 —теплопотери (С+Я) на 45-й минуте; 4 — дефицит теплосодержания; 5 — общие теплопотери (С+Я+£). Дополнительные объяснения
в тексте.
Анализ полученных материалов показал, что после 30—45-й минуты пребывания в камере дальнейших существенных изменений в уровне теплоотдачи не наблюдается.
По усредненным данным интенсивностей начальных теплопотерь (за первые 5 мин.) проведена прямая максимальных уровней теплоотдачи (в килокалориях на 1 ж2 в час) при указанной выше температуре воздуха. Соответствующая формула для этой прямой:
<2С к = 230 — 6,6Г0КР ккал/м2■ час.
Эта формула показывает, что коэффициент регрессии для теплоотдачи обнаженного человека конвекцией и радиацией (С+/?) равен 6,6 клал/ ур-час на каждый градус температуры воздуха (¿окр ниже 35°). Средняя ошибка при пользовании этой формулой и коэффициентом для начального периода охлаждения составляет ±5,5% (в пределах погрешностей методики измерения).
Анализ динамики изменений теплоотдачи во времени показывает, что через 20 и 40 мин. после первого измерения теплоотдача снижается. Это является следствием уменьшения притока крови к поверхности тела
(спазм периферических сосудов). Величина этого снижения становится существенной уже при слабом охлаждении (¿нар =22 и 15°) и достигает 15—17% (на 5-й минуте). При 10° уменьшение теплоотдачи составляет 20—21%, а при 5 и 0° — опять 15—17%. При—5 и—10° наружной температуры относительная эффективность сосудистого спазма еще больше снижается (до 8—14%). Это связано, по-видимому, с рефлекторной гиперемией и наступлением дрожи. При температуре ниже 0° отмечено существенное повышение газообмена (к 35—45-й минуте на 30—60% по сравнению с исходными величинами).
Столбиками, возвышающимися над упомянутой выше линией, на рисунке показана теплоотдача испарением (Е), которая несколько возрастает (однако недостоверно) при температуре ниже 15°. Очевидно, благодаря низкой абсолютной влажности воздуха при этой температуре скорость испарения не уменьшается, как можно было предполагать, а остается примерно на постоянном уровне, зависящем от свойств кожи как диффузионного барьера для паров еоды. Темными квадратами показано нарастание дефицита тепла к концу часа пребывания испытуемого при каждой конкретной температуре. Нарастание дефицита тепла идет почти параллельно росту теплоотдачи—коэффициент регрессии равен 5,9 ккал/м*-час-град. Разница этого, и предыдущего коэффициентов и есть, по-видимому, величина, выражающая ту экономию тепла, которая обусловлена защитными физиологическими сосудистыми реакциями.
При температуре 0 и —5° скорость нарастания дефицита тепла резко увеличивается, а затем при температуре —'10° несколько снижается. Причина такого явления нами не определена. Возможно, что в этих условиях растут ошибки измерений и вычисления средней температуры тела, но нельзя отрицать и вероятности снижения при определенной интенсивности охлаждения экономичности защитных реакций при включении механизма дрожи и т. п.
Характерные величины теплопотерь при разной температуре среды приведены в табл. 1. Графический анализ и математическая обработка
Таблица 1
Теплоотдача (в ккал м-■ час) с различных участков поверхности тела обнаженных испытуемых (добровольцев) при разной температуре воздуха (на 30-й минуте)
Область тела Температура в камере (в градусах)
35 28 22 15 10 5 0 — 5 — 10
Туловище 3,9 38 63 . 109 129 159 199 235 258
Голова 14,9 65 105 154 169 221 218 281 305
Бедра 0 41 55 110 114 148 175 235 237
Голени 0 45 68 115 129 159 179 236 256
Плечи 0 40 57 99 114 136 145 217 226
Кисти 5 49 77 117 98 144 173 255 223
Стопы 6 57 64 79 100 134 188 208 267
Средневзве-
шенная 4,49± 44,3± 68,9± 109,1± 130,7± 159,7± 193,6± 241 ± 252±
темпера- 0,89 1,1 2,95 3,67 4,63 5,49 3,9 9,37 1,3
тура (М±т)
данных температуры кожи показывают, что последняя к 30-й минуте примерно стабилизируется и снижается (табл. 2) в зависимости от температуры среды по линейному закону:
Ткожи=24,7+0,304 Гокр.
Теплоощущения по дефициту тепла и температуре кожи примерно соответствовали данным, опубликованным одним из авторов статьи ранее (В. И. Кричагин). Предельно переносимая средневзвешенная температура кожи составила около 23—24°.
2 Гигиена н санитария № 10
33
Температура воздуха (в градусах) о 7 -«—1 о зо со — со 1С т: 1Л о" сгГ со" сч" оо" сч сч — — с-: сч —1 сч
ю 1 со со осозо-^счоооо" г—" тт сч" оо" -а-" о>" +1 СЧ СЧ СЧ — СЧ СЧ —' 00 со О)
о ОО 1П О С"> О 00 — сч со ©" зо" -Г СП 1С ш" — +1 СЧ СЧ СЧ — СЧ СЧ СЧ ОС сч
ю со оо_ —_ а>_ о ю_ — 2 ст>" со" -ч-* —" ю" ю~ -а-* +1 (МСЧСЧСЧСЧСЧСЧ"*.. СО СЧ
о ОО сч со г- -у о_ О 00_ Ю о" о" Г—" со" со" ¡35 1-Г "Э-" +1 сосчсчсч<мсчсчо оо" сч
ю 00 сч_ СО СЧ 1С К ч- С о' —" «оооо" сГ со" +! «СЧСЧСЧСЧСЧСЧо СП сч
сч сч СО сч_ ю—«оюоососчо -э-" —Г —" сч" —' —" —" +1 СОсОСОСОСОСОСОсО со
00 сч со сч_ 05 со о со ст> О^ СО о т" СО •Ч-" сч" со" со" +1 СОсОСОСОСОСОСОоО со" со
ю со СЧ СЧСОтГООсОООСЧО 1^-" -г" со" -3"" иО Ю +1 СОсОСОСОСОСОСОсО ю" СО
Область тела Голова ........... Туловище.......... Плечо ........... Кисть ........... Бедро ........... Голень ........... Стопа ........... Средневзвешенная температура (М + т) ........
Из общих реакций на острую ситуацию охлаждения следует отметить закономерное существенное урежение пульса в среднем на 12—15 в минуту и повышение минимального (на 11—18 мм) и максимального (на 7—13 мм) артериального давления (табл. 3). Ректальная температура за период опыта изменялась незначительно, а при включении механизмов дрожи иногда повышалась.
Особенностью данной постановки исследований (равномерное охлаждение поверхности тела воздухом) обусловлено относительное устойчивое распределение тепловых потоков и температуры кожи (см. табл. 1 и 2).
В противоположность широко известным литературным данным (А. Бартон и О. Эдхолм) не наблюдалось значительного спазма сосудов верхних и нижних конечностей, и разность температуры кожи туловища, стоп и кистей не превышала 5—9°. Известно, что обычная одежда относительно переутепляет туловище и в то же время не может обеспечить достаточной теплоизоляции на конечностях. В работах ряда авторов и в практике наших исследований при гораздо меньших степенях охлаждения одетого человека градиенты температуры между туловищем и конечностями быстро достигали 10° и более.
Интересно отметить, что испытуемые, добровольно подвергавшие себя исследованиям при минусовой температуре, ни разу не отмечали никаких проявлений простуды; с точки зрения субъективных ощущений эти условия переносились легче, чем низкая положительная температура (10, 5°), которая вызывала у испытуемых более неприятные субъективные ощущения («зябкость»).
Заключая сказанное, можно рекомендовать при расчетах по проектированию одежды, в том числе и специальной, или при нормировании допустимого времени нахождения в охлаждающей среде принимать во внимание следующее.
1. В первые минуты охлаждения теплоотдача конвекцией и радиацией с поверхности тела подчиняется физическим законам и возрастает линейно с увеличением температурного перепада между средней температурой кожи и воздухом.
2. Возникающие в ответ на охлаждение физиологические реакции перераспределения крови (так называемый физический компонент терморегуляции) способны уменьшить интенсивность теплоот-
Таблица 3
Изменение теплопродукции, пульса и артериального давления у обнаженного человека в покое при различной окружающей температуре по сравнению с теми же показателями в
комфорте1 (в %)
Показатель Температура окружающей среды (в градусах)
35 20 15 10 5 0 — 5 — 10
Увеличение теплопродукции по
сравнению с исходным уров-
нем ............ — 0 0 0 + 22,4 +34,6 +66,0 + 67,0
Изменение пульса по сравнению
с исходным уровнем ... + 11 —9 —20 — 12 — 13 —6 — 15 — 15
Изменение артериального дав-
ления по сравнению с исход-
ным уровнем: +3
систолическое...... — 10 0 +6 +3 + 10 +7 + 5
диастолическое ..... 4,3 0 0 +7 + 18 + 20 + 11 +8
1 При 28°.
дачи организма всего на 15—20%. Это слегка замедляет прирост дефицита тепла, но не может его предотвратить. Возникновение дрожи помогает временно сохранить постоянство температуры внутренней среды, но не улучшает картины общего прогрессирующего охлаждения организма в целом.
3. Относительно легко переносимыми на срок пребывания в покое до 1 часа можно считать уровни общей теплоотдачи конвекцией и радиацией до 125 ккал/м2-час, снижение средневзвешенной температуры кожи до 31—29°, дефицит теплосодержания до 80 ккал.
4. Трудно переносимыми, но относительно безопасными для здоровых молодых людей в течение 30 мин. являются уровни общей теплоотдачи конвекцией и радиацией до 300 ккал/м2 -час: снижение средневзвешенной температуры кожи до 21,6°; дефицит теплосодержания организма 180— 220 ккал.
ЛИТЕРАТУРА
Афанасьева Р. Ф., Кричагин В. И., Казанцев а Л. Б. Гиг. и сан., 1963, № И, с. 63. — К р и ч а г и н В. И. Воен.-мед. ж., 1965, № 10, с. 30. — 3 а р-ж е в с к и и С. Я- Новый метод фнзиолого-гигиенической оценки теплозащитных свойств одежды и обмундирования. Дисс. канд. Л., 1954. — Р а м з а е в П. В. Всен.-мед. ж., 1958, № 8, с. 68. — Б а р т о н А., Э д х о л м О. Человек в условиях холода. М., 1957.
Поступила 20/11 1969 Г.
CERTAIN INDICES OF THE THERMAL STATE OF MAN AT DIFFERENT INTENSITY COOLING
/?. F. Afanasieva, V. I. Krichagin, S. G. Okuneva
Investigation of the extent of heat emission by the surface of the human body was carried out at an air temperature of 35 down to — 10°. The finding was that in the state of rest at intense cooling the protective physiological reactions are capable to lower the heat emission only by 15 to 20 per cent but they cannot produce any significant delay in the augmentation of the body heat deficiency. Quantitative data were obtained on comparatively easily endured cooling conditions and on those that were neighbouri ng with the limits of the body's endurance.
2*
35
