ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При разработке различных способов отопления в последние годы во все большей мере выходит на передний план потребность в оценке теплоощущения и самочувствия человека. Правда, эти два понятия часто смешивают, но в настоящее время постепенно начинают признавать, что самочувствие людей, находящихся в закрытом помещении, решающим образом зависит от их теплоощущения, которое можно регулировать соответствующими техническими средствами, а степень регулирования может быть легко определена. Вначале, однако, необходимо уточнить основные понятия.
Как понятие «теплоощущение», так и понятие «самочувствие» в большинстве случаев применяют с определением «приятное». В настоящее время необходимо ставить целью достижение прежде всего приятного теплоощущения, а не самочувствия. Наиболее известно старое определение приятного самочувствия по Бедфорду [47]: «приятное самочувствие — субъективное ощущение, возникающее у людей под действием влияющего на них комплекса факторов».
Хотя влияние различных факторов зависит от того, на кого они влияют, исследователи в общем согласны с тем, что приятным можно называть самочувствие, которое 80% опрошенных считают приятным. Результаты же более поздних исследований позволяют принимать во внимание еще меньшую величину.
Самочувствие людей, находящихся в закрытом помещении, зависит от очень многих факторов, которые можно сгруппировать различными способами. Однако обычно учитывают следующие характеристики: акустические факторы, температуру, влажность и подвижность воздуха, влияние видимости и цвета, гигиенические факторы, факторы, связанные с режимом дня, экономические факторы и многие другие. Естественно, трудно или даже невозможно исследовать каждый из них в отдельности. Влияние отдельных факторов на человеческий организм будет рассмотрено ниже, но и без этого очевидно, что приспособление организма человека к данной окружающей среде—комплексный процесс, в котором отдельные факторы проявляются совместно и взаимосвязанно, и организм реагирует на их совместное воздействие. Влияние этих факторов по отдельности и во взаимосвязи на самочувствие и работоспособность изучали очень многие специалисты. В основном они исследовали условия приятного самочувствия у людей, находящихся в закрытом помещении.
С технической точки зрения важны те факторы, на изменение которых можно повлиять. К ним относятся следующие: температура воздуха, ее распределение, изменение в пространстве и времени; средняя радиационная температура окружающих поверхностей; относительное влагосодержание воздуха; скорость движения (подвижность) воздуха; внутренняя теплопродукция, тепловыделение, теплорегуляция тела человека; изоляционная способность одежды, влияние ее на испарение. Два последних фактора связаны с приспосабливаемостью организма человека и важны с точки зрения поддержания его теплового баланса, определяемого следующими показателями:
теплопродукцией тела человека, зависящей прежде всего от рода его деятельности, а также от его возраста, пола и т. п. (т. е. технически теплопродукцию невозможно изменить);
тепловыделением тела человека, в большой мере зависящим ог рода одежды, а также от совместного влияния указанных выше факторов.
Определение приятного теплоощущения дано в стандарте ASHRAE № 55-66: «Приятное теплоощущение—это состояние, выражающее удовлетворенность окружающей тепловой средой». Таким образом, при оценке теплоощущения возникает следующая задача: исходя из теплопродукции тела человека, а также данного вида одежды и выполнения данной работы, обеспечить такие технические параметры, при которых тепловыделение человека формирует приятное или приемлемое теплоощущение у большой части людей.
Влиянием лучистого отопления на теплоощущение занимались многие исследователи, среди которых можно найти физиологов, инженеров и психологов. Биологическое воздействие лучистой эиергии зависит от длины волны, интенсивности излучения и его продолжительности. Это либо фотохимическое, либо тепловое воздействие на живой организм, возникающее вследствие процесса поглощения. Фотохимическое воздействие наиболее интенсивно в ультрафиолетовой области излучения, в длинноволновой же области преобладает тепловое воздействие.
Излучение проникает в организм через кожу. Различные слои кожи по-разному отражают и поглощают лучи. При инфракрасном длинноволновом излучении проникание лучей значительно уменьшается по сравнению с коротковолновым излучением. Поглощающая способность влаги, содержащейся в тканях, очень велика, и кожа поглощает более 90% попадающего на поверхность тела излучения. Нервные рецепторы, ощущающие теплоту, расположены в самом наружном слое кожи. Поглощаемые инфракрасные лучи возбуждают эти рецепторы, что и вызывает у человека ощущение теплоты [56].
Инфракрасные лучи оказывают как местное, так и общее воздействие. Коротковолновое инфракрасное излучение в месте облучения вызывает покраснение кожи, но это покраснение рефлективно распространяется и на 2—3 см вокруг облучаемой области. Причина этого в том, что капиллярные сосуды расширяются, кровообращение усиливается. Вскоре на месте облучения возникает волдырь, который позднее превращается в струп. При воздействии коротковолновых инфракрасных лучей этот струп исчезает только через 1—2 месяца, а при действии длинноволновых инфракрасных лучей—на второй неделе; при этом как волдырь, так и струп безболезненны [129]. При попадании коротковолновых инфракрасных лучей на органы зрения может возникнуть катаракта. Например, в глазу кролика [171] при действии длинноволновых инфракрасных лучей с длиной волны 0,67—0,14 мкм возникает ряд изменений, и в течение 1—3 лет со времени воздействия возникает типичная картина катаракты. Не удалось полностью выяснить, фотохимическим или тепловым воздействием вызвано это изменение.
Как уже было сказано, длинноволновые инфракрасные лучи поглощаются в самой верхней части слоя кожи и вызывают только простое тепловое воздействие. Как рефлективная реакция на облучение части организма, главным образом лица, расширяются капилляры у слизистой оболочки носа, которая набухает, а внутренние ходы носа при этом сужаются, в результате чего затрудняется дыхание и появляется ощущение духоты. Обычно эта рефлективная реакция возникает в тех случаях, когда температура окружающей среды поднимается выше комфортного предела. Раньше считали, что ощущение духоты зависит только от соотношения между температурой воздуха и его запыленностью [53].
Под действием инфракрасного излучения ткань в подкожном слое прогревается на глубину 0,2—0,4 мм, капилляры расширяются. Под влиянием этого нагревается и циркулирующая кровь. Усиливается тепловыделение, в зависимости от температурных параметров окружающей среды возникает обильный пот. Частота пульса также может несколько увеличиться. Воздухообмен в легких, кровяное давл-ение и ЭКГ не изменяются [162]. Результаты исследований, касающихся обмена веществ, неоднозначны. Некоторые авторы считают [162], что вследствие инфракрасного облучения потребление кислорода снижается, а по мнению других [84] , оно возрастает. Под действием инфракрасного излучения температура кожи вообще возрастает, но по-разному в различных частях тела [162].
Безотносительно к месту облучения температура кожи лица и рук как во время, так и после облучения выше, чем до облучения, а на задней части шеи ниже, чем до облучения. Если инфракрасное излучение направлено на живот, то неакклиматизировавшиеся люди жалуются на сердечную аритмию, боли в животе, усиленную перистальтику, спазмы кишечника, кроме того, у них возникает сонливость [182]. У двух человек появились симптомы шока, связанного с потерей сознания, под действием инфракрасного облучения интенсивностью 308 Вт/м2 в течение 20 мин.
Как было сказано выше, у животных и людей, подвергаемых действию инфракрасного облучения, температура кожи повышается. Продолжительность облучения подбирали таким образом, чтобы оно вызывало повышение температуры на 5°С. Облучение большей интенсивности у небольших животных быстрее вызывает повышение температуры, чем у крупных [92].
При инфракрасном облучении изменяется способность организма к иммунобиологическим реакциям. Под влиянием облучения средней интенсивности 210—560 Вт/м2 с длиной волны 3 мкм в организме ускоряется образование естественных антител [84], возрастает также скорость процесса агглютинации. Скорость образования антител при длительном облучении замедляется до первоначальной, что говорит о некоторой адаптации.
Использование лучистого отопления не должно подвергать человека опасности и создавать дискомфортный микроклимат в помещении. Прежде всего необходимо обеспечить в отапливаемом помещении оптимальную тепловую среду. Требования, связанные с созданием комфортных условий, естественно, определяются деятельностью человека в помещении. Очевидно, что требования для больничных палат, жилых помещений, административных помещений, учебных зданий, детских садов и т. д. различны, поскольку различны функции этих помещений.
Рассмотрим общие гигиенические требования к лучистому отоплению. Многие авторы определяют допустимую температуру греющей поверхности. Согласно Гонценбаху [77], она составляет 30—35°С, а при очень низкой наружной температуре 50°С. По данным М. Ритшеля и Райсса [149], в помещении высотой более 2,7 м температура потолочной греющей панели может быть 35°С. Венцель и Мюллер [176] считают, что температура поверхности потолочного лучистого отопительного прибора не должна быть выше 37°С. Горомосов оценивает эти гигиенические пределы более дифференцированно [78]: при напольном отоплении допустимая температура на поверхности должна составлять 25°С, а при потолочном отоплении в помещении высотой 3,2—3,3 м 30°С. Допустимая температура на поверхности отопительного прибора, установленного у наружной стены вблизи окна, равна 40—45°С, а установленного у внутренней стены — 35—40°С; Брус [54] при потолочном лучистом отоплении считает допустимой температуру на поверхности 41°С, а согласно Кренко [60], при потолочном лучистом отоплении допустимая температура на поверхности определяется площадью помещения и его высотой в свету. Он предлагает таблицу, в которой указана максимальная допустимая температура на панели в зависимости от этих факторов. Приведенные данные относятся к тем случаям, когда панели нагреваются горячей водой. При электрическом потолочном отоплении верхний температурный предел считается равным 50°С [60].
В литературе имеются также данные о максимально допустимом количестве лучистой теплоты, достигающей головы человека, при комфортных условиях. По данным Брадтке [53], для хорошего самочувствия необходимо, чтобы поверхность головы выделяла количество теплоты в пределах 81 —105 Вт/м2. Интенсивность лучистой теплоты, достигающей лица, не должна превышать 350 Вт/м2. Горомосов [78] считает, что при комфортных условиях до головы может доходить лучистая теплота в количестве 112— 175 Вт/м2. Если поступает большее количество теплоты, это вызывает плохое самочувствие, головную боль, головокружение. Почти такую же величину приводит и Коллмар [98], но верхний предел, по его мнению, составляет 550 Вт/м2. По данным Бедфорда [47], на уровне головы средняя интенсивность излучения не должна превышать 126 Вт/м , Уиггс [177] тоже подчеркивает, как важно, чтобы до головы не доходило слишком большое количество лучистой теплоты. Комфортные условия требуют, чтобы распределение температуры в отапливаемом помещении было равномерным. Права старая немецкая крестьянская поговорка: «Ноги— в тепле, голова—в холоде, врач и аптекарь жить будут в голоде», ведь человек приятнее чувствует себя, если ногам теплее, чем голове, хотя в действительности это не единственная гарантия против заболевания.
Многие авторы определяют допустимую разность температуры воздуха на уровнях пола и головы. Кренко [60] считает, что при потолочном лучистом отоплении средняя радиационная температура на уровне головы по сравнению с уровнем пола не должна быть выше более чем на 2,8°С. Бедфорд [47] также рекомендует, чтобы температура воздуха на уровне головы не была ощутимо выше, чем вблизи пола, и чтобы до головы не доходило слишком сильное излучение. По мнению Коллмара [97], температура воздуха на уровне головы не должна превышать более чем на 2,8°С температуру на уровне пола. По данным Рубина [155], разность температуры не должна быть больше 2—3°С. В этом отношении следует особо выделить исследования Ветошкина [170], которые показали, что температура ног зависит не только от температуры пола, но и от вертикального распределения температуры воздуха в помещении. Можно считать приемлемым, если при температуре пола 15—17°С и разности температуры по вертикали 6,8°С за 3 ч температура пальцев ног снижается на 7°С. Для обеспечения комфортных условий максимальная разность температуры воздуха по вертикали между уровнями пола и головы не должна быть больше 3°С. При температуре пола 16°С температура пальцев ног не снижается.
Многие исследователи стремились определить, каковы преимущества и недостатки лучистого отопления с гигиенической точки зрения и какой вид лучистого отопления лучше отвечает санитарным требованиям. Ритшель [148] и Гонценбах [177] утверждают, что при лучистом отоплении горизонтальное и вертикальное распределение температуры значительно равномернее, чем при радиаторном. Греющая поверхность никогда не достигает такой высокой температуры, чтобы происходило разложение пыли, что является преимуществом по сравнению с применением местных отопительных установок. По мнению Вернона [169], при лучистом отоплении поверхности ограждений помещения имеют температуру на 3СС выше, чем воздух, в то время как при конвективном отоплении она ниже. Подобные результаты наблюдений получила Пономарева [141], утверждающая также, что при лучистом отоплении меньше и подвижность воздуха. Согласно исследованиям Горомосова [78], при лучистом отоплении можно обеспечить комфортные условия при более низкой температуре. Ведь лучистое тепловыделение организма человека при панельном отоплении уменьшается в направлении теплых поверхностей ограждений, в результате чего температура воздуха, а вместе с тем и температура кожи, распределены более равномерно. При конвективном отоплении при комфортных условиях разница между температурой кожи туловища и конечностей составляет 4—6°С, при лучистом же отоплении, если средняя температура в помещении 18°С, эта разница меньше. При применении лучистого отопления воздух в помещении чище, поскольку меньше скорость воздушных потоков, благодаря чему уменьшается загрязнение пылью. Согласно исследованиям Тихомирова [167], в приблизительно одинаковых по размеру помещениях с центральным отоплением содержание бактерий в воздухе выше, чем в помещении, оснащенном потолочным лучистым отоплением.
Пономарева [141] и Горомосов [78] считают стеновое лучистое отопление более благоприятным, чем потолочное, поскольку при последнем больше возможность чрезмерного нагрева головы. Горомосов [78] рекомендует применять напольное отопление для детских учреждений, потолочное—главным образом для больниц, а отопление в стеновых панелях—для жилья. Другие, отвергают использование потолочного отопления в помещениях с фиксированными рабочими местами, предназначенными для работников умственного труда (административные, учебные помещения), поскольку нагрев головы считается неблагоприятным для умственной деятельности.
Баксманн [46] обнаружил, что в административных помещениях, оснащенных потолочным отоплением, вблизи окон у работников мерзнут ноги. Согласно исследованиям Меньхарта [128], в административных помещениях с потолочным отоплением верхняя часть тела, особенно голова, получает слишком много теплоты, что снижает производительность умственного труда и вызывает сонливость. По данным исследований Гранжана [79], в административных помещениях жаловались на потолочное лучистое отопление (слишком сухой воздух, теплота идет сверху и т. д.), но эти жалобы не были объективно обоснованы. В учебных же помещениях на потолочное отопление не жаловались. Согласно исследованиям Рогне [152], который определял теплоощущение в учебных помещениях с лучистым и конвективным отоплением, дети отдавали предпочтение лучистому отоплению. Из приведенных данных видно, что в отношении потолочного лучистого отопления нет единого мнения и что значительная часть этих мнений основана на оценке субъективного ощущения теплоты, а не на результатах объективных физиологических исследований [176, 59, 167, 46, 128, 80]. Мы считаем, что влияние определенных условий окружающей среды на человека нельзя правильно оценить лишь на основании субъективных наблюдений. К сожалению, в литературе описано очень мало физиологических исследований, касающихся лучистого отопления.
Чаще всего при проведении исследований измеряют температуру тела и кожи (лба, носа, груди, обеих сторон ладоней, пальцев рук и ног). Нильсен [137], например, обнаружил, что с возрастанием количества излучаемой теплоты температура тела тоже несколько увеличивается, средняя температура кожи повышается, а температура нижних конечностей несколько ниже, чем средняя температура кожи. По данным Висса [162], под действием лучистой теплоты, направленной на различные участки тела, температура кожи лица и рук повышается независимо от места облучения. Царюк [59] исследовал влияние окружающей среды, имеющей высокую температуру, на тепловой баланс детей. Он обнаружил, что в среде с температурой 28 и 30°С у 36 из 42 детей суточная теплопродукция возросла на 0,68—0,79 Вт/кг и, соответственно, на 0,62—0,70 Вт/кг. Температура лба и грудной клетки поднялась на 1,5—2°С, а ладоней снизилась на 3—4°С. Это указывает на затрудненное лучистое тепловыделение. Стриж [166] изучал влияние распределения температуры по горизонтали на тепловое состояние детей. Если разница температуры по горизонтали велика, то температура в двух подмышках разная, и суточные колебания в подмышечных впадинах тоже неодинаковы. Температура кожи также неодинакова с двух сторон. Если в горизонтальной плоскости разница температуры воздуха была велика, среди детей увеличивалось число простудных заболеваний. Сальникова [165] обнаружила снижение температуры кожи конечностей в холодной окружающей среде. Пономарева [141] также исследовала температуру кожи и обнаружила, что если лучистое отопление создает комфортные условия, то температура не изменяется, независимо от того, применяется для отопления потолочная или стеновая панель.
Кожу конечностей также испытывают на сопротивляемость теплоте и холоду. Царюк [59] применял для этого 10-минутную ванну для ног с температурой воды 2—5°С и обнаружил, что в среде с более высокой температурой воздуха нагрев ног был сильнее и продолжался дольше. В более холодной воздушной среде охлаждение рук было сильнее и они позднее приобретали первоначальную температуру.
Стриж [166] разработал для учащихся 3—6-го классов стереотипы условных рефлексов на стандартные количества теплоты. Правую ногу испытуемые погружали на 1 мин в ванну с температурой воды 10°С, а левую ногу—с температурой воды 38°С. После этого в течение 50 мин через промежутки 10 мин он исследовал температуру в подмышечных впадинах, на лодыжке, в грудной клетке, слизистой оболочке носа и во рту. Асимметричная тепловая среда вызывала более интенсивное изменение температуры, чем симметричное тепловое воздействие на конечности. Замеряют также выделение пота и влажность по изменению электрического сопротивления кожи (в условных единицах) [59, 141, 78, 138].
Исследуются также изменения частоты пульса, ЭКГ, кровяного давления и воздухообмена легких под действием лучистой теплоты. Согласно данным Висса [162], частота пульса у неакклиматизировавшихся людей под влиянием лучистой теплоты несколько повышается, а кровяное давление, ЭКГ и воздухообмен легких не изменялись ни у акклиматизировавшихся, ни у неакклиматизировавшихся испытуемых. Саггс [1] также изучал изменение частоты дыхания, пульса и потребления кислорода у испытуемых под действием лучистой теплоты. Значительная разница была обнаружена только в изменении частоты пульса при выполнении физической работы в холодной и теплой среде. В умеренной среде частота пульса была самой низкой. Частота дыхания и потребление кислорода не зависели от теплового излучения при любых условиях окружающей среды. Горомосов [78], Пономарева [141] и Царюк [59] также изучали изменение частоты пульса и дыхания и изменение газообмена при лучистом отоплении, но при комфортных условиях существенных отклонений не обнаружили.
