Podstawy fizjologiczne wentylacji i klimatyzacji
Urządzenia wentylacyjne i klimatyzacyjne różnią się bardzo, jeżeli chodzi o możliwości utrzymania i zapewnienia warunków mikroklimatycznych. Wentylacja mechaniczna jest w stanie wymienić powietrze w pomieszczeniu, tj. odświeżyć je, oczyścić oraz w pewnym stopniu utrzymać temperaturę powietrza na określonym poziomie, przy czym – w lecie – zawsze na wyższym od temperatury powietrza zewnętrznego. W związku z tym w pomieszczeniach z zyskami ciepła wentylacja mechaniczna ma coraz mniejsze zastosowanie.
Klimatyzacja, zwłaszcza w zakresie komfortu, ma w pierwszym rzędzie zapewnić warunki dobrego samopoczucia człowieka niezależnie od zmienności obciążeń cieplnych w pomieszczeniu i parametrów powietrza zewnętrznego, natomiast w przemyśle ma ponadto zapewnić dobrą jakość wytwarzanego produktu.
Dla prawidłowego ustalenia parametrów mikroklimatu jaki powinien zostać wytworzony przez klimatyzację a w szczególności przez wentylację należy sobie zdać sprawę z wielu czynników, które wywierają decydujący wpływ na właściwe rozwiązanie urządzenia. Z punktu widzenia higieny mikroklimat jest zespołem czynników fizycznych, które wywierają wpływ na stan cieplny i reakcje temperaturowe organizmu ludzkiego. Są to:
- temperatura powietrza,
- prędkość ruchu powietrza,
- wilgotność względna powietrza,
- temperatura powierzchni otaczających przegród.
Punktem wyjścia przy rozpatrywaniu warunków cieplno – fizjologicznych musi być człowiek.
Ważnym czynnikiem wpływającym na omówienie właściwego stanu powietrza w pomieszczeniu, jest zapoznanie się z gospodarką cieplną człowieka. W przeciwieństwie do stworzeń zimnokrwistych np. ryb, które temperaturę ciała mogą dostosowywać do temperatury otoczenia, człowiek dąży do utrzymania temperatury ciała na możliwie stałym poziomie. Wszystkie procesy życiowe organizmu ludzkiego są uwarunkowane utrzymaniem stałej temperatury + 37°C z tolerancją plus minus 0,5°C. Ta temperatura jest temperaturą wewnętrzną ciała.
Przy rozpatrywaniu mikroklimatu powietrza w klimatyzowanym pomieszczeniu ważniejsza będzie temperatura skóry, ponieważ ona będzie decydowała o uczuciu zimna lub ciepła, jak również o kierunku wymiany ciepła między człowiekiem a otoczeniem co bardzo istotne jest w klimatyzacji. Ponieważ różne części ciała ludzkiego mają różne temperatury, można mówić o średniej temperaturze skóry, która wg doświadczeń waha się u zdrowego mężczyzny w granicach 32 – 33?C. U kobiet jest nieco wyższa i zbliża się do 34s?C. Jeżeli temperatura skóry spadnie do 26,5?C wystąpi drżenie skóry charakterystyczne przy zimnie, zaś przy wartości 34,5°C wystąpi pocenie się.
Wobec tego, że temperatura skóry jest w większości przypadków wyższa od temperatury powietrza i otaczających przegród budowlanych, ciało ludzkie oddaje nieprzerwanie ciepło. Na skutek oddawania ciepła dla utrzymania stałej temperatury, organizm ludzki musi je wytwarzać. Źródło ciepła stanowią skomplikowane procesy chemiczne zachodzące w organizmie na skutek spożywania pokarmów i pobierania tlenu atmosferycznego. Dla utrzymania temperatury ciała na stałym poziomie musi istnieć w żywym organizmie samoczynny i precyzyjny regulator temperatury. Czułe na temperaturę unerwienie skóry reguluje, zależnie od wewnętrznych i zewnętrznych bodźców, przebieg spalania w organizmie i oddawanie ciepła przez skórę.
Zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy proces spalania wewnątrz organizmu jest regulowany temperaturą krwi, to znaczy, że wzrastająca temperatura krwi powstrzymuje wytwarzanie ciepła i odwrotnie. Aby zapobiec akumulacji ciepła, a zatem wzrostowi temperatury organów wewnętrznych, ciepło jest przejmowane przez krew i odprowadzane do skóry. Wobec tego im większe będzie ochłodzenie krwi w naczyniach krwionośnych skóry, o tyle więcej ciepła będzie musiał wytwarzać organizm człowieka. Przy nieznacznym oddawaniu ciepła przez ciało proces spalania zostają tylko przyhamowany, gdyż pewna minimalna wymiana ciepła zawsze istnieje i wynosi około 1 kcal/h na 1 kg wagi człowieka. Skóra oddaje otoczeniu ciepło doprowadzone przez krew następującymi drogami: przewodzenia, konwekcji, promieniowania, odparowania wody.
Wyszczególnione wyżej ciepło wydzielane jest w postaci jawnej i utajonej. Ciepło oddawane przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie zalicza się do ciepła oddawanego w postaci jawnej. Ciepło oddawane przez odparowanie wody drogą pocenia się i oddychania zalicza się do ciepła w postaci utajonej.
Ilość oddawanego ciepła całkowitego przez ciało ludzkie przy różnych czynnościach w kcal/h
- Postawa leżąca: 70
- Postawa siedząca: 90
- Postawa stojąca: 100
- Postawa siedząca przy wykonywaniu lekkiej pracy: 110
- Praca lekka: 150
- Praca średnio ciężka: 200
- Praca ciężka: 500
Dokładne pomiary wykazały, że człowiek będący w spoczynku przy temperaturze powietrza -20°C, przy powietrzu w bezruchu oddaje 70% ciepła w postaci jawnej i 21% ciepła w postaci utajonej. Przy wzrastającej temperaturze powietrza zmniejsza się udział ciepła jawnego, a zwiększa się udział ciepła utajonego, natomiast przy malejących temperaturach powietrza przebieg jest odwrotny.
Poza temperaturą powietrza na proces oddawania ciepła przez ciało ludzkie ma wpływ również prędkość ruchu powietrza, który niezwykle ważny jest przy projektowaniu instalacji wentylacyjno – klimatyzacyjnej. Przy wzroście prędkości powietrza pod wpływem bodźców unerwienia skóry następuje skurcz mięśni powodujący przewężenie naczyń krwionośnych. To przewężenie naczyń zmniejsza przekrwienie skóry, obniżając jej temperaturę, przez co mniej ciepła zostanie oddane otoczeniu (uczucie zimna). Przy wzrastającej temperaturze i malejącej prędkości powietrza, przebieg będzie odwrotny, tzn. skóra będzie bardziej przekrwiona, przez co więcej ciepła zostanie oddane otoczeniu (uczucie gorąca). Jeżeli przy wzrastającej temperaturze oddawanie ciepła jawnego przez skórę będzie niewystarczające, wówczas gruczoły potne, znajdujące się pod skórą, wydzielają wodę, przez co usunięta zostanie dodatkowa ilość ciepła w procesie odparowania. Rodzaj i natężenie pracy ma również wpływ na ilość ciepła oddawanego przez ciało ludzkie. Człowiek wykonujący ciężką pracę oddaje wielokrotnie więcej ciepła, niż człowiek będący w spoczynku.
Na ilość ciepła oddawanego przez organizm ma wpływ ponadto płeć i wiek człowieka. Ciepło to jest oddawane przez normalnie ubranego mężczyznę, nie wykonującego żadnej pracy i znajdującego się w pomieszczeniu, w którym powietrze jest w bezruchu.
Jeżeli ludzie są zmuszeni do przebywania w pomieszczeniu o zwiększonej prędkości powietrza wywołanej przez np. wentylację, wówczas należy dążyć, aby ilość ciepła oddawanego przez organizm człowieka była w miarę możności bliska wartości normalnej, tj. ok 100 kcal/h. Ten warunek oznacza, że temperatura powietrza w pomieszczeniu powinna być w tym przypadku odpowiednio podwyższona.
Powyższe dane są fundamentem o jaki opiera się dobra wentylacja i klimatyzacja.
