6-8. Mikroklimat

Między człowiekiem a środowiskiem zachodzi nieustanna wymiana ciepła  (6-8. slajd 1).

6-8. slajd 1 

Odbywa się ona czterema drogami: przez przewodzenie, konwekcję, promieniowanie oraz odparowywanie potu. Tego rodzaju przepływy ciepła zależą od pewnej liczby charakterystyk fizycznych otoczenia. Są to: temperatura powietrza, średnia temperatura promieniowania, ciśnienie pary wodnej i prędkość ruchu powietrza. Ponieważ do prawidłowego działania wszystkich funkcji organizmu jest konieczne utrzymanie stałej ciepłoty ciała (homeotermii), dlatego muszą istnieć odpowiednie mechanizmy, które pozwalają organizmowi wytworzyć niezbędną ilość ciepła lub też odprowadzić jego nadmiar. Mechanizmy te, uruchamiane za pomocą niezależnego mechanizmu termoregulacji, nie zawsze mogą podołać obciążeniom termicznym, na jakie narażony jest organizm ze strony środowiska. Konsekwencją takiego stanu jest nieuchronny wzrost temperatury wnętrza ciała w środowisku gorącym lub jej spadek w środowisku zimnym.

Podstawowym mechanizmem wytwarzania ciepła w organizmie jest proces przemiany, zwany metabolizmem zachodzący w każdej komórce organizmu. Zawartość ciepła w organizmie znacznie wzrasta podczas pracy fizycznej. Może stać się od kilku do kilkunastu razy większa od poziomu przemian podstawowych, związanych z podstawowymi procesami życiowymi (oddychanie, trawienie, kontrola funkcjonowania organizmu, utrzymanie pozycji ciała). Duża część ciepła musi zostać usunięta z organizmu przez przemieszczenie go z wnętrza ciała w kierunku skóry, a tylko niewielka jego ilość zostaje tracona z organizmu w wyniku oddychania [6].

Trzecią składową wpływającą na wymianę ciepła z otoczeniem jest odzież. W warunkach środowiska umiarkowanego i zimnego stanowi ona ochronę przed startami ciepła, przez co odciąża mechanizmy termoregulacyjne wytwarzając sztuczny klimat wokół ciała człowieka. Odzież zawsze stanowi barierę na drodze wymiany ciepła między organizmem a otoczeniem. W niektórych jednak warunkach, gdy tkaniny ją tworzące są nieprzepuszczalne dla powietrza i pary wodnej, stanowi dodatkowe obciążenie cieplne dla organizmu. Odzież noszona przez użytkownika będzie modyfikowała wymianę ciepła z otoczeniem na drodze konwekcji i promieniowania, ale też będzie wpływać na transport pary wodnej przez swą powierzchnię. Duże znaczenie dla własności higienicznych odzieży ma efekt pompowania, czyli wentylacji wewnętrznej w przestrzeni pod odzieżą, który modyfikuje izolacyjność cieplną odzieży i przepuszczalność pary wodnej przez odzież [3].

Opisane fizjologiczne procesy dostosowania organizmu przedstawiono na slajdach 6-8. slajd 2 i 6-8. slajd 3.

6-8. slajd 2

6-8. slajd 3

Współzależność między człowiekiem a środowiskiem w zakresie wymiany ciepła ujęta jest ilościowo w równaniu bilansu cieplnego człowieka  (6-8. slajd 4):

 

S = M - W - R - K - C - E - Res
(1)

gdzie:

S - akumulacja/straty ciepła
M - metabolizm energetyczny
W - praca zewnętrzna
K, C, R - wymiana ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania
Res - straty ciepła przy oddychaniu
E - wymiana ciepła na drodze odparowywania potu.

6-8. slajd 4 

Opisane zależności zilustrowano na slajdzie  6-8. slajd 5.

6-8. slajd 5 

W dotychczasowych rozważaniach o stabilności termicznej człowieka pominięto wpływ odzieży. Ubranie stanowi jednak barierę pomiędzy powierzchnią skóry a otoczeniem, która oddziałuje zarówno na wymianę ciepła przez konwekcję i promieniowanie, jak i na wymianę ciepła przez odparowywanie. Trzeba wyraźnie wskazać, że wpływ ubrania na wymianę ciepła jest bardzo złożony. Należy wprowadzić wiele uproszczeń uśredniających oraz pewne przybliżenia. Praktycznie do bilansu cieplnego człowieka wnosi się czynniki korekcyjne:

(2)

dla wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie
oraz

(3)

jako czynnik redukujący wymianę ciepła przez odparowywanie,
gdzie:

I_cl - izolacyjność cieplna ubrania
h_c i h_r - współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie.

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 + R + K + C + E + Res
(4)

gdzie: H - obciążenie cielne netto.

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.

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.

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, masy ciała oraz stopnia wytrenowania [8].