|
Количество энергии, передаваемой в результате теплообмена между человеком и объектами окружающей среды в том или другом направлении, определяется уравнением Фурье и зависит от коэффициента теплопроводности и градиента температур контактирующих поверхностей.
Тактильная чувствительность (от лат. tactilis — осязательный), присущая находящимся в человеческой коже чувствительным волокнам (так называемым рецепторам), позволяет человеку достаточно точно распознавать не только форму, но и температуру взаимодействующих с ним объектов. При этом температура самой кожи, соприкасающейся с внешней средой, обычно ниже нормальной температуры всего организма в целом. Проведенные исследования показывают, что по субъективным ощущениям человек оценивает температуру 34°С как нормальную (комфортную) температуру поверхности своей кожи. Температура поверхности кожи 29°С и 37°С оцениваются человеком соответственно как «очень холодно» и «очень жарко». Начиная с температуры кожи 40—45°С у человека уже могут присутствовать болевые ощущения. Последний факт играет большую роль в тех ограничениях, которые существуют в правилах техники безопасности и охраны труда по нормированию внешних тепловых излучений, действующих на человека.
Лучистый теплообмен между человеческим организмом и средой обитания обусловлен теплоизлучательной способностью более нагретого объекта по отношению к менее нагретому и происходит вследствие соответственно испускания и поглощения этими объектами электромагнитного излучения. При этом направление такого лучистого (радиационного) теплообмена предопределено действием второго начала термодинамики, а количество передаваемой энергии теплоизлучения определяется согласно уравнению Стефана —- Больцмана и зависит в основном от разности абсолютных температур Т\ (поверхности человека) и Т2 (объектов внешней среды), возведенных в четвертую степень. В зависимости от соотношения указанных температур, величина теплобаланса человека и окружающей среды в результате только лучистого теплообмена будет свидетельствовать либо о тепловых потерях человеческого организма (при 7\ > Гг), либо
о его внешних тепловых нагрузках (при Г] < 74).
В первом сйучае при нормальных условиях человек теряет путем радиационного теплоизлучения до 45% избыточного вырабатываемого организмом тепла, что является одним из важных факторов обеспечения его комфортного или допустимого состояния.
Во втором случае существуют достаточно жесткие ограничения, накладываемые на интенсивность внешнего теплоизлучения (теплооблучения) Ур, Вт/м2 и обеспечивающие безопасность жизнедеятельности человека. Под такого рода интенсивностью понимается мощность UT внешнего теплового потока энергии, приходящаяся на доступную (открытую) для действия этого теплового облучения единицу поверхности S0:
Ут=С/т/50.
Для человеческого организма существующие нормативы ограничивают интенсивность внешнего теплового излучения (облучения) следующими безопасными предельными величинами:
• при S0 > 50% всей поверхности тела человека — Ут < 35 Вт/м2;
• при 25% < S0 < 50% всей поверхности тела человека — Ут < 70 Вт/м2;
• при 50 < 25% всей поверхности тела человека — Yr < 100 Вт/м2,
Учитывая, что общая поверхность тела человека массой 70 кг и ростом 170 см составляет около 1,8 м2, нетрудно рассчитать допустимые безопасные пределы площади открытой поверхности человеческого тела для приведенных выше различных интенсивностей внешнего теплового излучения (облучения).
О том, насколько критичным является человеческий организм по отношению к внешним тепловым воздействиям, можно судить хотя бы по тому факту, что на внешней границе атмосферы интенсивность солнечного радиационного излучения, направленного к Земле, усредненно составляет 1370 Вт/м2. Величина этого излучения в среднем остается неизменной и носит название солнечной постоянной. Однако, даже с учетом примерно пятикратного ослабления земной атмосферой энергии солнечного излучения, у поверхности нашей планеты в экваториальных областях в безоблачный полдень максимальная интенсивность теплового радиационного потока на перпендикулярную ему поверхность составляет около 270 Вт/м2, что вовсе не является безобидным для человека при облучении открытых участков тела и безусловно требует их эффективной защиты.
Для рабочих^мест считается допустимой интенсивность внешнего теплового облучения в пределах 350 Вт/м2 при использовании специальных теплозащитных средств (тепловых экранов, систем вентиляции).
Теплозащитные экраны по своему принципу действия различаются на теплоотражающие (алюминиевая фольга, стальной лист), теплопоппощающие (асбестокартон, огнеупорное стекло, кирпич, бетон) и теплоотводящие (с проточным охлаждением водой или жидким азотом). Эффективность ф использования таких теплозащитных экранов оценивается в процентах отношением задержанного экраном количества тепловой энергии к ее первоначально измеренному уровню без экрана
«= 1(Ут1-Ут2)^п] 100,
где — интенсивность теплового облучения рабочего места или объекта до использования теплозащитного экрана; Yr2 — интенсивность теплового облучения рабочего места или объекта при использовании теплозащитного экрана.
Нормируемая эффективность д применения теплозащитных экранов, как правило, не бывает менее 50% и редко превышает 98%. Существующая величина Yr\ измеряется приборами, а ве
личина Уг2 задается исходя из вышеприведенных допустимых значений интенсивности внешнего радиационного теплового потока облучения для человека или его рабочего места.
Конвективный теплообмен между телом человека и окружающей средой обусловлен макродвижением соприкасающегося с человеческим организмом воздуха как при его наружном контакте с кожей, так и при его вдыхании человеком. На долю конвективного теплообмена приходится до 30% всего теплового баланса человека. При этом количество тепла, передаваемое конвекцией, определяется уравнением Ньютона и существенно зависит от разности температур человеческого тела и окружающей среды.
Кроме того, на конвективный теплообмен сильно влияют относительная скорость движения человека и окружающей среды, а также влажность и давление последней. Например, при относительном покое человека и окружающей среды толщина прогретого человеческим телом воздушного слоя составляет около 8 мм, а уже при относительной скорости движения воздуха 2 м/с толщина этого слоя уменьшается до 1 мм, свидетельствуя о многократном увеличении конвективного теплообмена при температурах, меньших 35 °С.
Вообще, как следует из приведенного примера, конвекция окружающей среды достаточно тесно связана с уже рассмотренной выше теплопроводностью этой среды. Так, широко известными являются факты наступления быстрого переохлаждения человеческого организма при случайном или намеренном нахождении людей в холодной воде без специального снаряжения (гидрокостюмов). Как показывают обобщенные результаты статистических наблюдений, из-за существенно более высокой теплопроводности воды по сравнению с воздухом сравнительно безопасное для здоровья человека пребывание в воде при температуре 5°С не превышает 25 мин, а при температуре воды 10°С достигает почти 1 ч (рис. 3.2).
Именно поэтому обеспечение комфортных и безопасных условий труда в значительной степени зависит от правильного подбора одежды человека. На графиках, представленных на рис. 3.3 и отображающих результаты экспериментальных исследований американского космического агентства NASA, показана переносимость человеческим организмом различных температур в зависимости от вида одежды. Относительная скорость движения воздуха при этом составляла около 1 м/с, давление — 1 атм, а относительная влажность — не более 50%. Выход графиков на го-
ВОЛЫ. “С Рис. 3.2. Переносимость человеком пребывания в воде без специального снаряжения: 1—допустимые (переносимые) температурные условия; II— экстремальные (едва переносимые) температурные условия с 50% смертельным исходом; III — сверхэкстремальные (смертельные) температурные условия |
ризонталъные участки свидетельствует о комфортности состояния человека во времени.
Теплоотдача испарением происходит путем испарении влаги с поверхности человеческого тела и является для человека весьма эффективным способом сброса излишков метаболического тепла. На долю испарения приходится до 25% расходуемой человеческим организмом тепловой энергии. При этом в состоянии покоя и температуре воздуха около 15°С потоотделение весьма незначительно, составляя в течение 1 ч не свыше 30 мл. Однако при высокой температуре и выполнении тяжелой работы, например в «горячих» цехах, потоотделение человека может увеличиваться до 1—1,5 л/ч, т.е. более чем в 30 раз.
Несмотря на то что испарение даже 1 г влаги сопровождается лотерей организмом 2,43 кДж (0,58 ккал) тепловой энергии, большое количество выделяемого человеком пота, как правило, не испаряется, приводя к необходимому теплосбросу, а задерживается тканью одежды или просто смахивается человеком в виде капель. Другими словами, потоотделение далеко не всегда приводит к эффективной терморегуляции человека путем испарения
0 2 4 fi Я 10 12 U Время пребывания на возлухс. ч Рис. 3.3. Переносимость человеком пребывания на воздухе в различных видах одежды: I— легкая спецодежда; II— спецодежда с шерстяным бельем; III—летный комплект спецодежды |
влаги с внешней поверхности человеческого тела. Более постоянным является расход тепловой энергии через органы дыхания человека, составляя около 13% его общих тепловых потерь.
3.2.3. Параметры микроклимата человека и вентиляция
Для эффективного теплообмена организма человека со средой обитания и организации комфортных (или в значительной мере допустимых) условий производства необходимы следующие оптимальные параметры микроклимата:
• относительная влажность воздуха 40—60% (но не менее 20 и не свыше 75%);
• температура воздуха 18—22°С (но не менее 13иневыше28°С);
• скорость движения воздуха ОД—0,3 м/с (но не менее 0,1 и не более 0,5 м/с).
Для различных категорий работ (от 1а до III) и сезонов года (теплый, холодный) комфортные и допустимые условия труда человека приведены в специальных нормативных документах
(ГОСТ[3], СанПиН2). Значения параметров микроклимата (относительная влажность, температура и скорость движения воздуха), характеризующие верхнюю границу области допустимых условий жизнедеятельности человека, в графическом виде образуют некоторую симметричную трехмерную поверхность (рис. 3.4). Отличительным свойством данной области значений параметров является возможность для организаторов производства оставаться в пределах допустимых условий жизнедеятельности человека путем активной коррекции микроклимата среды обитания при изменении хотя бы одного из трех взаимосвязанных между собой физических свойств этой среды.
Рис. 3.4. Верхняя граница области допустимых значений параметров микроклимата |
Дополнительно предъявляются определенные требования по вентиляции рабочих и жилых помещений различного назначения, исходя из потребности притока свежего воздуха за 1 мин на
1 м* пола помещения:
• 0,15 м3 — для конторских помещений, музеев, вокзалов;
• 0,3 м3 — для обычных рабочих помещений, поликлиник, больниц;
• 0,5 м3 — для аудиторий, судебных помещений, универмагов, библиотек'
• 0,6 м^ — для лабораторий, операционных, помещений для тяжелых работ.
Необходимость обеспечения указанных выше нормативов вентиляции помещений носит двоякий характер. С одной стороны, при средней частоте дыхания человека, равной 16 вдохам и выдохам в минуту (колебания в пределах 14—20 вдохов и выдохов), объем потребного для дыхания взрослого человека свежего воздуха составит около 8 л/мин при условии, что доля кислорода в воздухе при нормальном давлении на уровне моря для комфортных условий составляет 21%. Считается, что в зависимости от тяжести выполняемых физических работ потребление кислорода человеком может колебаться от менее 0,5 л/мин (для легкой работы) до более 1 л/мин (для тяжелой работы).
С другой стороны, нормальное содержание углекислого газа (СОг) в атмосфере составляет 0,01—0,03%, а комфортный уровень в помещении, где находятся люди, не должен превышать 0,5%. Уве- лнчение концентрации COj в воздухе до 1—1,5% субъективно может не ощущаться, но приводит к снижению эффективности труда. При содержании углекислого газа, равном 3%, возникает затруднение дыхания, которое нарастает вместе с дальнейшим ростом концентрации СО2- Длительное пребывание в атмосфере, содержащей более 10% диоксида углерода, смертельно для человека.
Таким образом, можно сделать очевидный вывод, что отсутствие или недостаточный объем вентиляции в рабочем помещении неизбежно приводит к изменению газового состава воздуха, обеднению его кислородом и пересыщению углекислым газом со всеми перечисленными последствиями.
В качестве параметра, характеризующего уровень вентиляции помещений, используется воздухообмен Кв, ч-1 — показатель, равный отношению объема заменяемого в помещении воздуха Wz в единицу времени (например, в час), т.е. по сути скорости замены воздуха в помещении к общему объему помещения Уа, из которого удаляется воздух:
K9=wa/Va.
Как следует из вышеприведенной формулы, воздухообмен характеризуется величиной, кратной объему воздуха в помещении, заменяемого в единицу времени, т.е. этот показатель свидетельствует, сколько раз в течение часа полностью заменен воздух в помещении (при Кв,> 1) или какая часть объема воздуха в помещении заменена в течение часа (при Кв < 1).
Величина воздухообмена в результате естественного проветривания (инфильтрации) жилых помещений, зданий через неплотности окон, дверей, конструкций может достигать значений 0,5—0,75 ч-1, а для производственных помещений, зданий — 1—1,5 ч-*, т.е. вдвое больше. Той же цели можно добиться и путем аэрации (специального открывания окон, фрамуг, форточек) при намеренном проветривании помещений.
В случае принудительной механической вентиляции, осуществляемой с помощью специальных вентиляционных устройств, механизмов, различают приточную, вытяжную и приточно-вытяжную вентиляцию, при расчете которых исходят из следующих нормативов: при объеме помещения на одного человека Fn<2Q м^/чеп необходима W3 > 30 м3/ч, а при Vn = 20*40 м3/чел требуется W, > 20 м3/ч. Из тех же соображений рассчитывают производительность кондиционеров и установок искусственного климата.
Кроме тепловых и климатических особенностей пребывания человека в техносфере необходимо рассмотреть еще некоторые важные факторы, оказывающие самое непосредственное влияние на эффективность его трудовой деятельности, и прежде всего — освещение и работоспособность.
3.2.4. Параметры освещения в жизнедеятельности человека
Достаточный уровень освещения всех рабочих помещений, используемого оборудования, рабочих мест, объектов и средств труда, рабочих поверхностей является необходимым условием обеспечения не только высокой эффективности труда человека в техносфере, но и безопасности его жизнедеятельности. Известно, что зрение поставляет человеку свыше 85% всей информации, поступающей из среды обитания. Органы зрения человека приспособлены к восприятию световой энергии в диапазоне длин волн от 0,380 до 0,760 мкм (3800—7600 А), соответствующих изменению цвета от темно-фиолетового до темно-красно- го. Максимум чувствительности человеческого глаза приходится на длину волны, равную 0,554—0,556 мкм и характерную для желто-зеленого цвета.
Для организации комфортного освещения производственного помещения и рабочего места человека важны следующие факторы в совокупности:
• достаточная освещенность объекта и средства труда, рабочей поверхности, соответствующая точности производимых человеком работ;
• высокая контрастность наблюдения объекта труда по сравнению с его задним фоном;
• отсутствие слепящих источников света высокой яркости в поле зрения;
• отсутствие бликов отраженного света, блескости на объекте труда или рабочей поверхности;
• расположение источников света и дополнительной подсветки, обеспечивающее максимальную сосредоточенность человека на объекте труда;
• цветовая гамма объектов среды обитания, способствующая максимальной эффективности труда человека и его минимальной утомляемости.
Под влиянием освещения многие физиологические параметры человека, например такие как сердечный ритм, дыхание, давление кровообращения, активность головного мозга, работа эндокринной системы, существенно меняют свои значения, приводя к повышению или понижению жизненного тонуса, работоспособности, активности организма.
Нормальные световые условия в быту и на производстве, большое число солнечных дней в году, яркость красок природы и продуманные цветовые решения внутри помещений благотворно влияют на человека, создают у него комфортное мироощущение и хорошее настроение.
И напротив, хронический недостаток света в жизни человека, серость и тусклость красок его среды обитания весьма губительно сказываются на состоянии человеческого организма, вызывая угнетенное состояние, раздраженность, функциональные нарушения центральной нервной системы, головного мозга, пищеварения, создают предпосылки для обострения старых и появления новых заболеваний.
К числу наиболее важных параметров, характеризующих освещение среды обитания человека, относятся яркость источника освещения или объекта наблюдения, световой поток излучения, сила света от источника, спектральный состав светового излучения, освещенность поверхности световым потоком, коэффициент пульсации освещенности поверхности во времени, коэффициент отражения поверхности фона.
Каждый из перечисленных физических параметров освещения предопределяется конкретными условиями окружающей среды, которые, существуя объективно, вносят свой вклад в общую интегральную оценку человеком степени комфортности светового режима среды обитания и требуют особого учета при формировании последней.
Основными физиологическими функциями человеческого зрения, играющими важную роль при выполнении различного рода работ, являются также световая чувствительность зрения, острота зрения, контрастная чувствительность различения объекта с фоном, степень ослепленности источником светового излучения, адаптация зрения, латентный период зрения, устойчивость ясного видения.
Перечисленные физиологические параметры зрения индивидуальны для каждого человека и в этом смысле носят субъективный характер, но тем не менее могут быть усреднены для подавляющего количества работающих людей, формируя некоторое математическое ожидание этих показателей, а также их средне- квадраггическое отклонение.
Таким образом, эффективность жизнедеятельности человека и его труда одинаково тесно связана как с объективно существующими физическими параметрами освещения, так и с физиологическими особенностями субъективного восприятия этого освещения человеческим зрением и центральной нервной системой человека. Рассмотрим некоторые из названных выше параметров и их комфортные значения, обеспечиваемые в техносфере.
Одним из базовых понятий освещения является световой поток Фс, равный количеству световой энергии, проходящей через единицу площади в один квадратный метр, и измеряемый в люменах (лм).
Пространственная плотность светового потока, распростаня- ющегося от источника света внутри единицы телесного угла в один стерадйан, обозначается как сила света Jc и измеряется в канделах (кд).
Яркость Вс излучающей или отражающей поверхности под углом а к нормали определяется как отношение формируемой этой поверхностью силы света в этом направлении к площади S проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению, и измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м2):
BC~JC/ Scos а.
Яркость горящей свечи примерно равна 1 кд/м2. Обычное облачное дневное освещение соответствует яркости около 10 кд/м2. Яркость полуденного солнца достигает 15 • I04 кд/м2. Наконец, абсолютная слепящая яркость для человеческого зрения соответствует величине 22,5 • 104 кд/м^, Нормальными и даже комфортными для жизнедеятельности человека считаются значения яркости в диапазоне от 50 до 1500 кд/м2, оптимальное — 500 кд/м2.
Спектральный состав светового излучения предполагает наличие в видимой человеком (оптической) части электромагнитного поля наличие семи основных цветов (фиолетовою, синего, голубого, зеленого, желтого, оранжевого, красного) и более сотни различных цветовых оттенков. Невидимая человеком часть спектра электромагнитного излучения с длиной волны менее 0,38 мкм носит название ультрафиолетового излучения и граничит при длине волн
0, 01 мкм с рентгеновским излучением (рис. 3.5).
С другой стороны спектра видимого светового излучения при длине волны более 0,76 мкм также располагается невидимая человеком часть электромагнитного поля, которая получила название инфракрасного излучения и, являясь характеристикой теплового выделения энергии, простирается до значения длины волны, равного 340 мкм.
Благоприятный для человека спектральный состав видимого света обозначается как комфортный световой климат и способствует достижению максимальной эффективности труда человека. Наилучшим по спектру для человека является естественное дневное освещение. В вечернее и ночное время суток для зрения благоприятны обычные лампы накаливания, спектр излучения которых близок к естественному освещению и единственным недостатком которых является их довольно малый коэффициент полезного действия (собственно на освещение расходуется лишь 8—15% потребляемой ими электроэнергии). Существенно более экономичными являются так называемые газоразрядные лампы дневного света, которые выпускаются в нескпяьких модификациях: ДД — с голубоватым оттенком свечения; ПХБ — холодно-бело- го цвета с желтоватым оттенком свечения; ЛТБ — тепло-белого цвета с розоватым оттенком свечения. Подбор марки газоразряд-
| ![]() |
ных ламп зависит от характера выполняемой работы и общего цветового решения рабочих помещений, обеспечивая комфортный световой климат человека.
Поэтому, говоря о составе спектра светового излучения, следует отметить комбинированный характер этого параметра. С одной стороны, разработан и активно используется объективный метод спектрального анализа на базе различных технических приборов (спектрографов, спектрометров). В то же время световой спектр освещения, воспринимаемый человеком, является важным субъективным фактором среды обитания, от восприятия которого существенно меняются многие физиологические показатели жизнедеятельности человеческого организма и настроение самого человека.
Другой важнейшей характеристикой освещения является так называемая освещенность £с рабочей поверхности и объекта труда, под которой понимается отношение падающего на поверхность светового потока к площади Sc этой освещенной поверхности, измеряемая в люксах (лк):
£С = ФС/5С.
Именно освещенность среда обитания человека фигурирует чаще всего в различных рекомендациях и строительных нормативах по обеспечению комфортных условий трудовой деятельности.
Для нормальной жизнедеятельности человека и комфортных условий труда вполне приемлемым считается диапазон освещенности 100—700 лк, причем использование большего уровня освещенности всегда обусловлено необходимостью выполнения более мелких н точных работ. Низкие уровни освещенности рабочих помещений на уровне 50—30 лк вообще нежелательны, так как производительность труда человека при этом существенно снижается (на 15—28%). Определенные виды трудовой деятельности требуют соответствующей достаточной освещенности рабочих мест общим и дополнительным местным освещением:
• 100 лк — общее освещение аудиторий, помещений для неответственных работ с крупными объектами, складских помещений и т.д.;
• 200 лк — грубая обработка на станке объектов малой точности, работа со светящимися объектами, любые виды наблюдения за производственными процессами, прием посетителей и т.д.;
• 300 лк — освещение рабочих столов аудиторий, выполнение сверления, клепки, штамповки, грубой сборки, окраски, разборка корреспонденции, работа с картотекой и т.д.;
• 400 лк — чтение, обработка текстов, работа с объектами средней точности, обычная конторская работа и т.д.;
• 500 лк — освещение доски в аудитории, бухгалтерская работа, рисование, разметка и изготовление шаблонов, работа за верстаком, обработка стекла (гранение, полирование) и т.д.;
• 700 лк — шитье, работа с мелкими контрастными деталями и т.д.;
• 1000 лк — черчение, работа с мелкими деталями высокой точности, контрольные операции, врачебный осмотр и т.д.;
• 2000 лк и выше — прецизионная работа с деталями наивысшей точности.
Для характеристики уровня естественного освещения производственных, учебных, торговых и жилых помещений используется коэффициент естественного освещения К^, %, равный отношению значения освещенности £с] изучаемого участка внутри помещения к одновременно измеренному значению освещенности Erf от рассеянного света небосвода на горизонтальном участке поверхности снаружи здания:
tfeo = (£cl/£c0)-100.
Величина этого коэффициента нормирована специальными Строительными нормами и правилами (СНиП*) для каждого из пяти световых поясов (поясов светового климата) Российской Федерации в соответствии с характером выполняемых внутри помещений работ и необходимым для этого уровнем освещенности. Обычно значения коэффициента естественного освещения находятся в диапазоне от 0,1% (для эпизодически посещаемых помещений) до 3,5% (для работ наивысшей точности при боковом освещении) и до 6% (при верхнем или комбинированном освещении).
Если уровень естественного освещения недостаточен для выполнения работ заданной категории точности, то его дополняют искусственным электрическим освещением и получают совмещенное освещение необходимого уровня освещенности. В любом случае исходным параметром для проектирования зданий, производственных помещений и интерьера является именно необходимая освещенность. Исходя из нее, определяют потребные значения коэффициента естественного освещения, возможные архитектурные решения зданий, необходимое число и мощность светильников.
Другим косвенным показателем освещенности помещений, хотя и более приближенного характера, является световом коэффициент К& определяемый как отношение площади остекления световых проемов помещения к площади пола 5П этого помещения:
к,= SCT i S{j.
Как правило, величина этого показателя для комфортных условий труда человека находится в следующем диапазоне значений:
• 0,] — для подсобных и складских помещений;
• 0,13 — для административных помещений;
• 0,17 — для аудиторий и других учебных помещений;
• 0,2 — для торговых помещений и спортивных залов.
Использование чисто искусственного или совмещенного освещения заставляет учитывать еще один показатель, относящийся к объективным и не зависящим от человека параметрам освещения, а именно коэффициент пульсации освещенности. Величина этого коэффициента связана с наличием перепадов напряжения в электросети при включении и выключении мощного электрооборудования, а также с физической природой самих осветительных приборов. Определяется коэффициент пульсации освещенности Kg, %, следующим образом:
~ [Семаке — ^иин) I 2 ^ср] ' 100,
где £махс, £мин, Еср — соответственно максимальная, минимальная и средняя освещенность на одном и том же рабочем месте, обусловленная изменениями светового потока во времени.
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 36 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |