A hőérzetről A szubjektív érzés kialakulását döntően a következő hat paraméter befolyásolja: – – – – – -
a levegő hőmérséklete, annak térbeli, időbeli eloszlása, változása, a környező felületek közepes sugárzási hőmérséklete, a levegő relatív nedvességtartalma, illetve a levegőben lévő vízgőz parciális nyomása, a levegő sebessége, az emberi test hőtermelése, hőleadása, hőszabályozása, a ruházat hőszigetelő képessége, párolgást befolyásoló hatása.
Az első négy fizikai paraméter, míg az utóbbi kettő az emberi szervezet alkalmazkodóképességével függ össze; a hőháztartás egyensúlyának fenntartása érdekében fontos. Az emberi szervezet hőegyensúlya szempontjából alapvető tényezők: - az emberi test hőtermelése, amely elsősorban a végzett tevékenység függvénye, de belejátszik bizonyos fokig az egyén kora, neme stb.; tehát ez műszakilag nem változtatható, - az emberi test hőleadása, amely viszont nagymértékben függ a ruházkodástól, valamint az előzőekben említett műszaki paraméterek hatásától. A szubjektív hőérzetet egyes országokban szabványok rögzítik, mégpedig az ún. kellemes hőérzetet, amely az ASHRAE (1981) 55-81 szabvány szerint a következő: „....A kellemes hőérzet az a tudati állapot, amely a termikus környezettel kapcsolatos elégedettséget fejezi ki ................................ ”
Az emberi test hőtermelése Az emberi testben égési folyamat megy végbe, és az ennek során átalakuló energia részben hő formájában szabadul fel, részben fizikai értelemben vett hasznos, illetve izommunka végzésére fordítódik. Ehhez az égéshez az emberi testnek oxigént kell felvennie, mely felvétel mértéke egyben meghatározza a végzett munka intenzitását. Nyugalmi állapotban lévő felnőtt ember oxigénfogyasztása az ún. alapanyagcsere 0,25 l/min (4,2∙10-6 m3/s). Ennek elégésekor felszabaduló hő 88 W. Az anyagcsere során, az ún. hasznos munka hatásfoka Bálint (1975), valamint Winslow és Harrington (1949) szerint 20%, tehát az emberi szervezet jobb hatás-fokkal dolgozik, mint az átlagos gőzgép (14%). Emellett az anyagcsere állandó hőmérsékleten 37±0,5°C-on megy végbe. Ez az alapvető eltérés az egyszerű égés - amelynek hőmérséklete nem állandó - és az anyagcsere között. Általánosan elterjedt a munkák intenzitás szerinti osztályozása, és ezek szerint három kategóriát különböztetünk meg: a) Könnyű munkának nevezik azokat a tevékenységeket, amelyek során a teljes oxigénfogyasztás a nyugalmi állapot fogyasztásának kétszeresét nem haladja meg, tehát a 0,5 l/min (0,85∙10-6 m3/s) 175 W értéknél kisebb, ide sorolhatók az ülő foglalkozások.
1
b) Közepes nehézségű munka esetén az oxigénfogyasztás a nyugalmi érték 2 - 4-szerese, tehát 0,5-1,0 1/min (8,5 - 17∙10-6 m3/s), illetve az időegységre jutó teljes energiafogyasztás 175 - 350 W, amelyből az izommunka teljesítmény-szükséglete 88 W. Ide sorolhatók a nem gépesített házimunkák, kézműipari tevékenységek stb. c) Nehéz munka esetén a teljes oxigénfogyasztás a nyugalmi érték 4 - 8-szorosa, tehát 1 – 2 1/min (17 - 34∙10-6 m3/s). Az időegységre jutó teljes energiafogyasztás 350 - 700 W, melyből levonva az alapanyagcsere-értéket, 264 - 615 W értéket kapunk. Ide sorolható a nehézipari és mezőgazdasági munkák legnagyobb része. Az emberi testben végbemenő oxidációs folyamat során keletkező ún. metabolikus hő Fanger (1982) elmélete szerint két részből tevődik össze: a külső mechanikai munkából (W) és a belső hőszükségletből (H). A külső mechanikai munka, itt úgy értendő, hogy az ember által végzett mechanikai munkához szükséges hőmennyiséget ugyancsak az emberi testben végbemenő oxidációs folyamat fedezi. W pozitív akkor, ha a fizikai munkához az energiát az M értékből kell fedezni (pl. lépcső megmászása), viszont W negatív, ha lejtőn sétálunk lefelé. A metabolikus hő tehát két részre osztható: M=H+W
[W]
A mechanikai munka hatásfoka ezek szerint kifejezhető az W η= M összefüggésből. Ezt a kifejezést visszahelyettesítve az egyenletbe: H = M (1-η),
(1)
(2)
[W]
(3)
[W/m2]
(4)
vagy egységnyi testfelszínre kifejezve:
H M = (1 - h ) FDu FDu
Az FDu az emberi test ún. Du Bois felülete, amely figyelembe veszi egyéni legfontosabb „metrikus” adottságokat és az [m2] (5) FDu = 0,203 G0,425 L0,725 összefüggésből határozható meg, ahol G L
az egyén tömege (kg), az egyén magassága (m).
Végül fontos megjegyezni, hogy a különböző munkavégzés számszerű hőegyenértékének meghatározására a nemzetközi gyakorlatban a „met” egységet használják, és 1 met = 58 W/m2.
2
1. táblázat Különböző típustevékenység metabolikus értékei Tevékenység
M/FDu met [W/m ]
η
vrel [m/s]
41 47 58
0,7 0,8 1,0
0 0 0 0
0 0 0 0
116 140 152 186 222 338
2,0 2,4 2,6 3,2 3,8 3,2
0 0 0 0 0 0
0,9 1,1 1,3 1,6 1,8 2,2
140 175 232 356 169 268 410 210 392
2,4 3,0 4,0 6,1 2,9 4,6 7,0 3,6 6,7
0,07 0,10 0,11 0,12 0,15 0,19 0,19 0,20 0,21
0,6 0,9 1,3 1,8 0,4 0,9 1,3 0,4 0,9
2
Pihenés Alvás Pihenés Nyugodt ülés Állás laza testtartással Sétálás sík terepen, sebesség [km/h] 3,2 4,0 4,8 5,6 6,4 8,0 Sétálás lejtőn, Lejtés [%] sebesség [km/h] 5 1,6 5 3,2 5 4,8 5 6,4 15 1,6 15 3,2 15 4,8 25 1,6 25 3,2
Különböző foglalkozások Pék 82-116 Serfőzdei munkás 70-140 Asztalos gépi fűrészelés 105 kézi fűrészelés 232-280 kézi gyalulás 326-374 Lakatos 128 Öntödei munka öntvénytisztítás pneumatikus kala187 páccsal formakészítés 232 öntvénymozgatás (kb. 60kg) 316 olvasztási munka 396 salakeltávolítás 432 Garázsmunka 128-175 Laboratóriumi munka 3
1,4-2,0 1,2-2,4
0-0,1 0-0,2
0-0,2 0-0,2
1,8 4,0-4,8 5,6-6,4 2,2
0 0,1-0,2 0,1-0,2 0-0,1
0-0,1 0,1-0,2 0,1-0,2 0,1-0,2
3,2
0-0,1
0,1-0,2
4,0 5,4 6,8 7,4 2,2-3,0
0-0,1 0-0,2 0-0,1 0-0,1 0-0,1
0,1-0,2 0,1-0,2 0,1-0,2 0,1-0,2 0,2
metszetvizsgálat normál laboratóriumi munka készülék mozgatása Gépi munka könnyű (pl. elektromosipar) gépszerelő nehéz (pl. festőipar) Konzervipar Ülő, de nehéz, végtagokkal végzett munka Cipész Bolti eladó Tanár Órás Járművezetés autó kis forgalomban autó nagy forgalomban erőgép éjszakai repülés műszeres landolás Nehéz munka targoncatolás (57kg, 4,5 km/h) 50kg-os zsák hordása kubikus munka árkolás Házimunka Takarítás Főzés Mosogatás állva Mosás kézzel és vasalás Bevásárlás Irodai munka szó/min Gépelés (elektromos) 30 40 Gépelés (kézi) 30 40 Számológép Különböző irodai munka (pl. ívek kitöltése, ellenőrzése Rajzoló Szórakozás Torna Tánc Tenisz Vívás Tollaslabda Kosárlabda Birkózás
82 93 128
1,4 1,3 2,2
0 0 0
0 0-0,2 0-0,2
116-140 163 232 116-132 128
2,0-2,4 2,8 4,0 2,0-4,0 2,2
0-0,1 0-0,1 0-0,1 0-0,1 0-0,2
0-0,2 0-0,2 0-0,2 0-0,2 0,1-0,4
116 116 93 64
2,0 2,0 1,6 1,1
0-0,1 0-0,1 0 0
0-0,1 0,2-0,5 0 0
58 116 187 70 105
1,0 2,0 3,2 1,2 1,8
0 0 0-0,1 0 0
0 0 0-0,5 0 0
145 232 232-280 350
2,5 4,0 4,0-4,8 6,0
0,2 0,2 0,1-0,2 0,2
1,4 0,5 0,5 0,5
116-198 93-116 93 116-210 93
2,0-3,4 1,6-2,0 1,6 2,0-3,6 1,6
0-0,1 0 0 0-0,1 0
0,1-0,3 0-0,2 0-0,2 0-0,2 0,2-0,3
52 58 64 70 70
0,9 1,0 1,1 1,2 1,2
0 0 0 0 0
0,05 0,05 0,05 0,05 0
58-70 70
1,0-1,2 1,2
0 0
0-0,1 0-0,1
175-232 140-266 268 410 420 440 510
3,4-4,0 2,4-4,6 4,6 7,0 7,2 7,6 8,8
0-0,1 0 0-0,1 0-0,1 0 0-0,1 0-0,1
0,5-2 0,2-2 0,5-2 0,5-2 0,5-2 1-3 0,2-0,3
4
Az emberi test hőleadása, hőcseréje és az azt befolyásoló tényezők Az emberi test a benne fejlődő hőt négy módon tudja leadni: - konvekcióval, - sugárzással, - vezetéssel, - párolgással. A műszaki gyakorlatban, illetve a számítások során a komfortparaméterek tartományában az összhőleadásnak - sugárzásos hőleadás 42-44%-a, - a konvekciós hőleadás 32-35%-a, - a párolgásos hőleadás 21-26%-a. Az emberi test hőcseréjének számításakor a szakirodalomban számos hőmérsékletértékkel találkozunk, amelyek közül a legfontosabbakat ismertetjük 1. az ambiens hőmérséklet, jele ta, 2. a közepes sugárzási hőmérséklet, jele tks, 3. az operatív hőmérséklet, jele to, 4. az eredő hőmérséklet, jele tR, 5. a ruházat közepes hőmérséklete, jele tcl, 6. A test (tE) és bőr (tb) hőmérséklete. ad. /1. Az ambiens hőmérséklet a környezet azon hőmérséklete, amikor a levegő és határoló felületek hőmérséklete azonos. Mérésére árnyékolt léghőmérőt alkalmaznak. ad. /2. A közepes sugárzási hőmérséklet – mint az emberi test sugárzásos hőcseréje szempontjából alapvetően fontos érték – meghatározására általában a szakirodalomban több összefüggést találunk, ezekből kettőt mutatunk be. a) A legegyszerűbb a felületek nagyságának és hőmérsékletének átlagértékét figyelembe vevő
F1t1 + F2t 2 + ... + Fnt n [ºC] F1 + F2 + ... + Fn összefüggés, ahol F1, ........, Fn a környező felületek területe [m2], t1, ........., tn az azonos indexű felületek hőmérséklete [ºC]. t ks =
(6)
b) A következő az általánosan ismert n
t ks = 4
åj
4 EF1 TF1
[ºC]
- 273
(7)
i =1
összefüggés, (Macskásy 1964),amely már figyelembe veszi a sugárzásos hőcserében részt vevő testek közötti besugárzási tényezőt is, mivel
j EF a test súlypontjába helyezett függőleges felületelem és az egyes határoló felületek 1
TFi
közötti besugárzási tényező, a környező határoló felületek hőmérséklete [K]. 5
ad. /3. Az operatív hőmérséklet a műszaki gyakorlatban általánosan alkalmazott hőmérsékletérték, amely a levegő és a környezet közepes sugárzási hőmérsékletének értékét egyaránt figyelembe veszi. Meghatározására általánosan alkalmazott a
t0 =
(a s t ks + a c tl ) a s + ac
[°C]
(8)
összefüggés, ahol as a sugárzásos hőátadási tényező [W/m2K], ac a konvekciós hőátadási tényező [W/m2K], tl a levegő hőmérséklete [°C] ad. /4. Az eredő hőmérséklet (tR) fogalma közismert. Általános matematikai formája: tR=(1-R)tl+R∙tks,
(9)
A magyar előírások szerint az eredő hőmérséklet a következő összefüggéssel számítható [°C]
tR=0,5tl+0,5tks,
1. ábra A test- és bőrhőmérséklet összefüggése a levegő-hőmérséklettel (Bradtke és Liese 1952)
6
(10)
2. ábra A száraz és a nedves bőr hőelnyelése a hullámhossz függvényében (Hardv és Munschenchein 1934) A különböző sugárzásintenzitások szubjektív hőérzeti — elsősorban a bőrön érezhető — reakciójára számos adat található a szakirodalomban. Ebből mutatjuk be Kollmar és Liese (1957) táblázatos értékeit. Maximális hőmérsékletnövekedés [°C] 10 (2 perc alatt)
Elviselhetetlen fájdalomérzet
0,0150
6
(4-5 perc alatt)
Forróság, égésérzet az arcon
0,0035
3
(6-7 perc alatt)
Melegérzés
(10-15 perc alatt)
Enyhe melegérzet
Elnyelt hőmennyiség [W/cm2] 0,1050
0,0012
0,1 - 0,4
Hőérzet
2. táblázat A hőreakció ideje különböző sugárzási intenzitások esetén (Kollmar és Liese 1957)
A konvekciós hőleadás, illetve hőcsere számításának általános, műszaki módszere Korábbi épületgépész gyakorlat alapján az emberi test konvekciós hőleadása, illetve a konvekciós a c értékének számítása a következő összefüggések vehetők figyelembe: - Legcélszerűbben a Fanger-féle összefüggések alkalmazhatók. - Alkalmazható azonban az a c = 0,48
lcl L
4
[W/m2K]
Gr
egyenlet is, ahol L az egyén magassága (m) 7
(11)
