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5.11 Energieumsatz 5.12 Körpertemperatur5.13 Regelung der Körpertemperatur 5.14 Energieumsatz und Wärmeabgabe 5.15 Behaglichkeit 5.151 Was ist Behaglichkeit 5.152 Raumzustände optimaler Behaglichkeit 5.153 Statistik der Temperaturempfindung: PMV = projected mean vote PPD = projected percentage of dissatified
5.2 Feuchte (Tauwasser -Luftfeuchte)
5.3 Warmwasserverbräuche
5.4 Strom-Dienstleistungen, Licht
5
Hygienische Grundlagen• Der Mensch als Lebewesen muß zur Aufrechterhaltung seines Lebens
Energie umsetzen (Energieumsatz).
• Als Warmblütler arbeitet sein Organismus nur in einem engen Temperaturbereich.
• Die optimale innere Temperatur wird durch physiologische Regelung aufrecht erhalten.
• Außerhalb des internen Regelbereiches muss durch äußere Maßnahmen der Arbeitsbereich der internen physiologischen Regelung wieder zurück gewonnen werden. (Kleidung, Heizung, Klimatisierung)
5.1
Literatur:Gesamtdarstellung oder Lehrbuch (e.g.) :/Thews e.a. 89/ Thews G., Mutschler, E. und Vaupel, P.:
Anatomie Physiologie Pathophysiologie des Menschen Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1989, 3.Aufl., ISBN 3-8047-1013-1
„14. Energie und Wärmehaushalt, Arbeitsphysiologie“ (p. 363-377)
/Birbaumer-Schmidt 91/ Birbaumer N. und Schmidt R.F.: Biologische Psychologie, Springer-Verlag, Berlin 1990, ISBN 3-540-15437-X
Energie Umsatzgrößen - der lebenden Zelle - des Gesamtorganismus
GrundumsatzArbeitsumsatz
5.11
Energie - Umsatzgrößen der lebenden Zelle:
Abb. 7-2A : Funktionseinschränkungen von Körperzellen bei Sauerstoff- oder Nahrungs-mangel.
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2A, p.112 /
100 = Tätigkeits Umsatz
50= Bereitschafts Umsatz
Erhaltungs Umsatz =15
Bemerkung: Es gibt jedoch auch andauernd aktive Zellen, z.B. Herzmuskel, Atemmuskulatur. Ebenso sind Gehirn, Leber und Nieren auch bei Körperruhe tätig. Daher ist der Energieumsatz eines ruhenden Organismus nicht gleich der Summe der Bereitschaftsumsätze aller Zellen,
Energie - Umsatzgrößen des Gesamtorganismus:
Abb. 7-2B : Spezifischer Grundumsatz , bezogen auf 1 m2 Körperoberfläche, in [W/m^2], als Funktion des Lebensalters. Bei Männern und Frauen .
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2B, p.112 /
Bem: Man beachte den ausgeprägten Rückgang des Grundumsatzes nach Abschluss des Wachstums. Dem sollte durch Änderung der Essgewohnheiten Rechnung getragen werden.
_ 50 [W /m2]
_ 33 [W /m2]
_ 60 [W /m2]
_ 40 [W /m2]
Grundumsatz
•Grundumsatz = Ruheumsatz unter definierten Randbedingungenund zwar: 1. morgens 2. liegend in Ruhe 3. nüchtern 4. bei normaler Körpertemperatur, ohne zu frieren oder zu schwitzen
denn auf den Energieumsatz haben Einfluss: 1. Tagezyklische Schwankungen (Anstieg am Vormittag, Abfall während der Nacht) 2. Körperlicher oder geistiger Tätigkeit. 3. Verdauungstätigkeit und anschließende Stoffwechselprozesse steigern Energieumsatz. 4. Kalte Umgebung führt zu Muskelzittern In zu warmer Umgebung benötigt die aktive Wärmeabfuhr zusätzliche Energie wg. Schwitzen und vermehrter Kreislaufleistung durch vermehrte Hautdurchblutung. Fieber führt infolge von Stoffwechselsteigerung zu einer Energie-Umsatzsteigerung von 14% pro K Temperaturanstieg.
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, p.113 /
/Thews e.a. 89, p.364ff/
Arbeitsumsatz
Quelle: nach /Thews e.a. 89, Tab 14-3, p.366/
Mittlere Werte des Energie-Umsatzes unter typischen Bedingungen
Bem: Arbeitsumsatz (=Leistungszuschlag) ..= nur der über den Freizeitumsatz hinausgehende, für die körperliche Arbeit benötigte Energieumsatz.
2. Körpertemperatur
5.12
Abb.7-4. Kern- und Schalentemperatur des menschlichen Körpers.
Dargestellt sind die Isothermen in kalter (A) und in warmer Umgebung (B). Sie geben ein Abbild des Temperaturfeldes des menschlichen Körpers unter diesen Umgebungsbedingungen. Der homöotherme Körperkern (rot in A) wird im wesentlichen vom Brust und Bauchraum sowie dem Schädelinneren gebildet. Zur poikilothermen Körperschale gehören die Haut und die Extremitäten.
Die Grenze zwischen Kern und Schale ist variabel:In warmer Umgebung (B) steigt auch in großen Bereichen der poikilothermen Körperschale die Temperatur auf die des Kerns an. (Nach Aschoff u. Wever 1958 [16])
37 °C = Sollwert der Kerntemperatur33 °C = mittlere Hauttemperatur ( unbekleidet und bei behaglcher Umgebungstemperatur)
Wärmeabgabe und Schwankungen der Körpertemperatur
Die Abgabe der durch Arbeit erzeugten Wärme erfolgt über-wiegend durch die Schweißverdunstung (Evaporation) von der Hautoberfläche. (oberer Teil der Säulen).Dadurch fällt die Hauttemperatur bei Arbeit (trotz Anstieges der Rectal-temperatur) unter ihren Wert in Ruhe.
Mittlerer Teil der Säulen: Wärmeabgabe durch KonvektionUntere Teil der Säulen: Wärmeabgabe durch Strahlung
Abb.7-5. Körpertemperaturen und Wärmeabgabe (graue Säulen) in Ruhe und bei Arbeit (Nach E. F. DuBois 1937 aus Brück in [12])
_Rectaltemperatur
_Hauttemperatur
Wärmebildung (roter Kurvenzug) und Wärmeabgabe (graue Säulen) in Ruhe und bei Arbeit
Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, p.117 /
Evaporation
1. Perspiratio insensibilis Etwas Wasser diffundiert immer durch die Haut und verdunstet dort. Kühlung durch Verdunstungswärme 2500 [kJ/kg]. Anteil an der Wärmeabgabe in Ruhe und unter Normalbedingungen: ca. 20% (siehe Bild 7-5, Säule links : 19%) Auch extraglanduläre Wärmeabgabe genannt (d.h. ohne Schweißdrüse)
2. Glanduläre Wärmeabgabe Bei Arbeit übernimmt die Schweißsekretion einen Großteil der nun erhöhten Wärmeabgabe (Schwitzen). (siehe rechte Säulen in Bild 7-5)
Bei Umgebungstemperaturen oberhalb der Körpertemperatur (Hochsommer, Tropen) erfolgt Wärmeabgabe nur noch evaporativ.
3. Regelung der Körpertemperatur
Hohe Anforderungen an die Thermoregulation:
• Der Mensch ist über viele Klimazonen verbreitet Starke geographische, tägliche und jahreszeitliche Klimaschwankungen
in Europa: 10°C Isolinie reicht bis ca. 60° N auf Südhalbkugel: 0°C Isolinie bei ca. 60°S
• Wichtige zentrale Organe des Menschen, insbesondere sein Gehirn, sind nur in einem engen Bereich um 37°C funktionsfähig . • Effektives Temperaturregelsystem erforderlich : tropische Wärme, Polarkälte, Sauna-Eisbäder, Plötzlicher Leistungsanstieg um Faktor 10 ist zu verkraften !
5.13
Literatur: e.g. P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 126-127)
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 126-127)
Fühler: Thermorezeptoren Zentrale und periphere Rezeptoren (Temperaturfühler) reagieren auf Temperaturniveau und Temperaturänderung Diese spezialisierten Nervenzellen senden elektrische Signale an Steuerzentrum
Regler : das Temperaturzentrum Das Temperaturkontrollzentrum des Menschen befindet sich im Hypothalamus (am Boden des Mittelhirns)
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 127)
Bei ansteigender Körpertemperatur
Gefäßerweiterung: (Vasodilatation) Blutfluss in der Körperschale wird verstärkt. Dadurch stärkere Wärmeabgabe über wärmere Haut
Schwitzen Etwa 2 Millionen Schweißdrüsen, verteilt über ca. 1.8 m2 Hautfläche produzieren im Bedarfsfall und besonders nach Adaptation weit über 1 Liter Schweiß pro Stunde.
Physiologische Reaktionen auf Temperaturstress:
Bei fallender Körpertemperatur
Gefäßverengung: (Vasokonstriktion) Blutfluss in der Körperschale wird vermindert, Hauttemperatur sinkt. Dadurch geringere Wärmeabgabe.
Kühleres Blut gelangt in Arme und Beine durch Bypass- und Wärmeaustauschmechanismen im peripheren Blutkreislauf. (stärkere thermische Kopplung zwischen venösem und arteriellem System, Gegenstrom-Wüt)
Muskelspannung, Kältezittern
P.O. Fanger „ C : Mensch und Raumklima“ , in /Rietschel 94/, p. 128)
Bekleidung:
Bekleidung als Wärmewiderstand zwischen Haut und Umgebung :In die Berechnung geht die gesamte bekleidete und unbekleidete Körperoberfläche ein.Flächenbezogener Wärmewiderstand wird gemessen in [m2K / W]
• 63 % trockene Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung .
Aufteilung der Wärmeabgabe :
Quelle: e.g. Bernd Glück: „Thermische Bauteilaktivierung“, C.F.Müller Verlag 1999; p.8
Quelle: Fanger, Bild C 2-5 und Bild C 2-6, p. 139
Bild C 2-5. Schweißsekretion (Verdunstung), die für thermische Behaglichkeit notwendig ist, als Funktion der Aktivität (Gesamtenergieum- satz M ). Bei höherem Aktivitätsniveau als Stillsitzen wird Schwitzen bevorzugt
Bild C2-6. Hauttemperatur, die für thermische Behaglichkeit notwendig ist, als Funk tion der Aktivität (Gesamtenergieumsatz).
Mit zunehmender Aktivitilt werden niedrigere Hauttemperaturen bevorzugt.
TSkin = 35,7- 0,0275.M [°C]
Esw = 0,42 (M - 58) [W/m2]
Thermische Behaglichkeit durch:
Schwitzen und Hauttemperatur
Quelle: Fanger, Bild C 2-7, p. 141
Raumzustände optimaler Behaglichkeit als Funktion von Temperatur und Feuchte
mit den Parametern:relative Luftgeschwindigkeit vrel [m/s]
Gesamtenergieumsatz M [met] (met..= „metabolic“; 1 met = 58 [W/m2]
Der PMV-Index (PMV). Zur Quantifizierung der menschlichen Temperaturempfindung wird
eine 7 Punkte Skala verwendet:
+3 +2 +1 0 -1 -2 -3
heiß warm leicht neutral leicht kühl kalt warm kühl
PMV= predicted mean vote. = Vorhergesagte mittlere Beurteilung
Der PMW -Index gibt die -bei einer großen Zahl von Personen- erwartete durchschnittliche Beurteilung eines Raumklimas anhand der 7-Punkte Skala wieder.
Der PMW -Index wurde empirisch als Funktion der Raumklima Parameter (Luft- und Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit und ~feuchte)
des Aktivitätsniveau und der Bekleidung bestimmt.
Dieser Zusammenhang wird tabellarisch und auch als empirische Gleichung angegeben.
Quelle: Fanger, p. 144
5.153 Statistik der Temperaturempfindung: PMV und PPD
PPD: Predicted Percentage of Dissatified
Quelle: Fanger, p. 145
PMV= predicted mean vote = Vorhergesagte mittlere Beurteilung
PPD = Predicted Percentage of Dissatified. Vorhergesagter Prozentsatz der thermisch unzufriedenen Personen , d.h. derjenigen Personen, die ihre Unzufriedenheit durch die Werte +-2 oder +-3 auf der 7 -Punkte Skala dokumentiert haben.
7 Punkte Skala für PMV und die sich dabei ergebende PPD:
PMV:
+3 +2 +1 0,5 0 -0,5 -1 -2 -3
heiß warm leicht neutral leicht kühl kalt warm kühl PPD:
>90% 75% 25% 10% 5% 10% 25% 75% >90%
Beispiel: Wenn eine Population die Behaglichkeit im Mittel als „leicht kühl“, also PMV = -1 beurteilt, so bleiben etwa PPD = 25% unzufrieden, d.h. sie haben mit +-2 oder +-3 abgestimmt.
Predicted Percentage of Dissatified (PPD)
. PPD = Predicted Percentageof Dissatified.
Vorhergesagter Prozentsatz der thermisch unzufriedenen Personen
PMV=predicted mean vote.
Vorhergesagte mittlere Beurteilung
PPD ( PMV)
Quelle: Fanger, Bild C 2-10, p. 145 und Tabelle C 2-5, p. 146
PPDPMV
Optimale Raumtemperatur (entsprechend PMV = 0) als Funktion von Aktivität und Bekleidung. Der Bereich optimaler Temperaturen, der einem PMV-Index Bereich -0,5 <PMV < +0,5 entspricht, ist als Flächenstreifen jeweils für +-1°C , +-1.5 ,.. , +- 5°C eingezeichnet.
Quelle: Fanger, Bild C 2-11, p. 146
Optimale Temperatur als Funktion von Aktivität und Bekleidung
Optimalheißt:PMV=0
+- 4°C
+- 4°C
+- 5°C
+- 1°C
+- 4°C
AkzeptablerTemperaturbereichist groß ( +- 5°C)für hohe Aktivitätund warme Kleidung
AkzeptablerTemperaturbereichist klein ( +- 1°C)für gerine Aktivitätund leichte Kleidung