ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ-ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ-ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΝΕΣΗΣ ΜΕΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΑΠΟ ΕΝΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΕ ΕΝΑ ΘΕΡΜΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΠΟ ΣΚΙΑ ΠΑΤΕΡΑΚΗ ΜΑΡΙΑΝΘΗ ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΗΤΡΩΟΥ: ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΦΛΟΚΑ ΕΛΕΝΑ, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Τμήματος Φυσικής ΕΚΠΑ ΑΘΗΝΑ, Σεπτέμβριος

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία, εξετάζεται δυναμικά η προσαρμογή του ανθρώπινου οργανισμού στο θερμό εξωτερικό περιβάλλον καθώς και τα επίπεδα θερμικής άνεσης αυτού. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από προηγούμενα πειράματα τα οποία πραγματοποιήθηκαν στην Πανεπιστημιούπολη του ΕΚΠΑ και αναφέρονται σε διάστημα 30 λεπτών. Η προσομοίωση επετεύχθει μέσω του μοντέλου ΙΜΕΜ. Tα αποτελέσματα του μοντέλου αφορούν θερμοφυσιολογικές παραμέτρους, ροές θερμότητας καθώς και τον βιοκλιματικό δείκτη ΡΕΤ. Διερευνήθηκε η επίδραση του θερμού περιβάλλοντος στις κατανομές αυτών. Πιο συγκεκριμένα, η πορεία των θερμοφυσιολογικών παραμέτρων, η εκτίμηση της θερμικής κατάστασης του ατόμου καθώς και η εξάρτηση αυτής από το επίπεδο δραστηριότητας, το χρόνο έκθεσης και το χρόνο προσαρμογής στο θερμό περιβάλλον. Από την ανάλυση των τελευταίων προέκυψε ότι η σημαντικότερη θερμοφυσιολογική παράμετρος για το ανθρώπινο θερμικό ισοζύγιο είναι η θερμοκρασία του δέρματος. Επιπλέον η πιο έντονη απώλεια θερμότητας επιτυγχάνεται με την διαδικασία της εφίδρωσης. Τέλος το διάστημα προσαρμογής στο θερμό περιβάλλον όπως φαίνεται από όλες τις θερμοφυσιολογικές παραμέτρους και τις ροές θερμότητας από και προς το ανθρώπινο σώμα, ανάγεται στα δύο με έξι λεπτά, χρονικό διάστημα που χαρακτηρίζεται ως διάστημα προσαρμογής. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗ - ΘΕΡΜΟΡΥΘΜΙΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΩΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΞΙΣΩΣΗ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΡΟΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΟΝΤΕΛΟ IMEM ΣΤΑΘΕΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΜΗ ΣΤΑΘΕΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΓΕΝΙΚΑ ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Μέση θερμοκρασία δέρματος, Ts ( o C) Μέση θερμοκρασία σώματος, Tc ( o C) Μέση θερμοκρασία ρούχου, Tcl ( o C) Απώλεια ιδρώτα, Ws (σε γραμμάρια/ώρα, gr/h)

4 4.2.5 Ποσοστό της επιφάνειας του σώματος που είναι καλυμμένο από ιδρώτα, B ΡΟΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Εσωτερική παραγωγή θερμότητας, H (Watt) Θερμότητα μέσω ακτινοβολίας, RN (Watt) Θερμότητα μέσω μεταφοράς, C (Watt) Θερμότητα μέσω διάχυσης υδρατμών, ED (Watt) Θερμότητα μέσω εξάτμισης ιδρώτα, ESW (Watt) Βιοκλιματικός δείκτης PET ( o C) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η Βιομετεωρολογία είναι ένας διεπιστημονικός κλάδος που ασχολείται με την αλληλεπίδραση ατμοσφαιρικών διεργασιών και ζώντων οργανισμών. Πιο συγκεκριμένα εξετάζει μια σειρά από θεματικές ενότητες, όπως το βαθμό ανοχής του ανθρώπινου οργανισμού σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες ή/και σε αστικά περιβάλλοντα και τους βασικούς παράγοντες επιβάρυνσης υγείας. Άλλα κομμάτια του κλάδου αποτελούν η φυσιολογική προσαρμογή του ανθρώπινου οργανισμού στις εκάστοτε περιβαλλοντικές συνθήκες, η ανάπτυξη και προώθηση κατευθυντήριων γραμμών για την πρόληψη και αποφυγή αρνητικών επιπτώσεων είτε ακραίων συνθηκών είτε αστικού περιβάλλοντος στη υγεία και τέλος η πρόγνωση καιρού με βιολογικές παραμέτρους και προειδοποιητικά συστήματα. Η γεωγραφική θέση της Ελλάδας αποτέλεσε το έναυσμα για το περιβάλλον το οποίο θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία. Το θερμό εξωτερικό περιβάλλον είναι μέρος της τυπικής καθημερινότητας στον ελλαδικό χώρο. Οι γενικά υψηλές θερμοκρασίες σε συνδυασμό με περιόδους καύσωνα είναι η επικρατέστερη κατάσταση την καλοκαιρινή περίοδο, ειδικά τη παρούσα περίοδο όπου η κλιματική αλλαγή έχει προκαλέσει υπερθέρμανση του πλανήτη. Άλλωστε ο καύσωνας είναι και η πιο συχνή καιρική συνθήκη που προκαλεί δυσφορία στον πληθυσμό του οποίου όλο και μεγαλύτερο μέρος αστικοποιείται. Πιο συγκεκριμένα στην ζωή σε αστικό περιβάλλον συναντάμε συχνά λόγω των παραπάνω συνθηκών τη μετάβαση από εσωτερικό σε θερμό εξωτερικό περιβάλλον, πράγμα που εν κατακλείδι κάνει τις υψηλές θερμοκρασίες να αποτελούν ένα πολύ σημαντικό πεδίο έρευνας και μελέτης. Μία ακόμη σημαντική παράμετρος η οποία πρέπει να συγκεκριμενοποιηθεί είναι ότι ο οργανισμός με τον οποίο θα ασχοληθούμε είναι ο ανθρώπινος, ο οποίος συμπεριφέρεται ομοιοθερμικά. Αυτό σημαίνει ότι η θερμοκρασία του δεν ακολουθεί εκείνη του περιβάλλοντός του αλλά κυμαίνεται σε συγκεκριμένα στενά όρια, παρά τις μεγάλες διαφοροποιήσεις που μπορεί να παρουσιάζει η θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ο τρόπος με τον οποίο αυτό επιτυγχάνεται είναι η θερμορυθμιστική ικανότητα του ανθρώπινου οργανισμού, ένα μέρος της ομοιόστασης. Η ομοιόσταση με τη σειρά της, 5

6 περιλαμβάνει όλους τους μηχανισμούς στο ανθρώπινο σώμα που ρυθμίζουν μια μεταβλητή σε μια συγκεκριμένη σταθερά, συνεπώς είναι η ιδιότητα του οργανισμού να δημιουργεί σταθερές συνθήκες αναγκαίες για την επιβίωσή του. Σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες εξελίξεις, οι οποίες χρονολογούνται κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, από τις οποίες και μετά επιλέγουμε να ασχοληθούμε, ο τομέας της Βιομετεωρολογίας παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον όσον αφορά το αντικείμενο μελέτης του. Ήδη από το 1938 ο Büttner εισάγει μία προσέγγιση για την αλληλεπίδραση ανθρώπου περιβάλλοντος και για το θερμικό ισοζύγιο του ανθρώπινου σώματος λαμβάνοντας υπόψιν την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ αυτών. Αυτό σηματοδότησε την έναρξη της μοντελοποίησης του ανθρώπινου θερμικού ισοζυγίου όπως το γνωρίζουμε έως και σήμερα. Όπως σε όλους τους επιστημονικούς κλάδους, έτσι και στη Βιομετεωρολογία, η εφεύρεση των ηλεκτρονικών υπολογιστών αποτέλεσε την κινητήριο δύναμη για τη ραγδαία εξέλιξη στον τομέα. Δόθηκε η δυνατότητα για επεξεργασία περισσότερων μετεωρολογικών παραμέτρων, μεγαλύτερου όγκου δεδομένων, καθώς και πιο πολύπλοκων εξισώσεων ροών θερμότητας από και προς το ανθρώπινο σώμα. Το 1964 ο Gagge εισήγαγε στα μέχρι τότε μοντέλα θερμοφυσιολογικές παραμέτρους με αποτέλεσμα να είναι δυνατόν να υπολογιστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια το θερμικό ισοζύγιο. Κατά τις δεκαετίες του '70 και '80 η εξέλιξη των μοντέλων είχε σαν συνέπεια την εισαγωγή των όρων της θερμικής άνεσης (Fanger 1970) και θερμικής επιβάρυνσης, όροι με τους οποίους εκτιμάται με μεγαλύτερη ακρίβεια η θερμική κατάσταση του ανθρώπου. Επιπλέον εξειδίκευση προέκυψε από τον Hӧppe ο οποίος με ποσοτικά δεδομένα για συγκεκριμένες θερμικές ροές και θερμοφυσιολογικές παραμέτρους ανέπτυξε το μοντέλο MEMI (Munich Energy-balance Model for Individuals; Hӧppe 1984). Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν δυναμικά μοντέλα που εκτιμούσαν τα θερμικά αποτελέσματα σε μεταβαλλόμενες κλιματικές καταστάσεις όπως το μοντέλο δύο κόμβων των Gagge and Stolwijk (1971) ή το Ιnterstationary Munich Energy-balance Model (ΙΜΕΜ; Hӧppe 1989) τα οποία προβλέπουν τη προσαρμογή του ανθρώπινου οργανισμού σε καταστάσεις θερμικής επιβάρυνσης. Η παρούσα διπλωματική εργασία στηρίχθηκε στη διδακτορική διατριβή του Γεώργιου Ι. Καταβούτα με θέμα: ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ 6

7 ΣΩΜΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ: ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΕ ΘΕΡΜΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ (2011). Η διερεύνηση αυτών πραγματοποιήθηκε μέσω πειραματικών διαδικασιών που θα αναλυθούν στη συνέχεια καθώς και με συνεχή καταγραφή μετεωρολογικών και θερμοφυσιολογικών παραμέτρων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάλυση των μετεωρολογικών και θερμοφυσιολογικών παραμέτρων, του θερμικού ισοζυγίου στον ανθρώπινο οργανισμό και η παρατήρηση της προσαρμογής του ανθρώπου σε ακραίες κλιματικές συνθήκες. Επιπλέον στόχο αποτελεί η εκτίμηση του επιπέδου της θερμικής άνεσης που αισθάνεται ο άνθρωπος με τη βοήθεια του Βιοκλιματικού δείκτη ΡΕΤ, τελικό αποτέλεσμα του μοντέλου ΙΜΕΜ. H εργασία βασίστηκε σε λεπτομερή πειραματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν στα πλαίσια πειραμάτων που περιγράφονται από τους Katavoutas et al. (2009), τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισαγωγής στο μοντέλο ΙΜΕΜ. Στη συνέχεια μέσω του ΙΜΕΜ έγινε δυναμική προσομοίωση της ανθρώπινης θερμικής άνεσης μετά τη μετάβαση από ένα εσωτερικό περιβάλλον σε ένα θερμό εξωτερικό περιβάλλον υπό σκιά. 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 2.1 ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗ - ΘΕΡΜΟΡΥΘΜΙΣΗ Στη Βιολογία με τον όρο ομοιόθερμο, χαρακτηρίζεται οποιοδήποτε ζώο του οποίου η θερμοκρασία του σώματός του δεν ακολουθεί εκείνη του περιβάλλοντος που βρίσκεται. Γενικά τα ομοιόθερμα ζώα, δηλαδή τα θηλαστικά και τα πτηνά, περιγράφονται και ως θερμόαιμα. Ένα θερμόαιμο ζώο διατηρεί τη θερμοκρασία του σώματός του σε περιορισμένα στενά όρια και συνήθως πάνω από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντός του, παρά τις μεγάλες διαφοροποιήσεις που μπορεί αυτό να παρουσιάζει. Ομοιόσταση ονομάζεται η ικανότητα του οργανισμού να διατηρεί τις συνθήκες του εσωτερικού του περιβάλλοντος (θερμοκρασία, συγκεντρώσεις διαφόρων συστατικών κτλ) σταθερές παρά τις εξωτερικές μεταβολές. Ουσιαστικά, είναι η ιδιότητα ενός συστήματος στο οποίο μια μεταβλητή ρυθμίζεται ενεργά με τέτοιο τρόπο ώστε να παραμένει πρακτικά σε σταθερή τιμή. Είναι ένα σύστημα ισορροπίας εντός του οργανισμού το οποίο βρίσκεται σε μια διαρκή κατάσταση δυναμικών διεργασιών. Η ομοιόσταση επιτυγχάνεται μέσω ομοιοστατικών φυσιολογικών μηχανισμών ρύθμισης. Πιο συγκεκριμένα στον άνθρωπο, υπάρχουν ομοιοστατικοί μηχανισμοί που ρυθμίζουν τους εξής παράγοντες: Τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα (με σκοπό να μην είναι πάντα σταθερή, αλλά μέσα σε υγιή όρια). Το ph του αίματος το οποίο πρέπει να είναι σταθερό στο 7,4 Τα επίπεδα CO 2 στο αίμα μέσα σε λογικά όρια. Την αναγνώριση και εξουδετέρωση των παθογόνων μικροοργανισμών με το ανοσοβιολογικό σύστημα. Τη θερμοκρασία του σώματος σε ένα περιορισμένο θερμοκρασιακό φάσμα, περί των 35 με 41 C, με σύνηθες μέσο τους 36,6 C. 8

9 Ένας ομοιοστατικός μηχανισμός έχει την μορφή ενός συστήματος ελέγχου (ανατροφοδότησης), όπως ακριβώς είναι ένας θερμοστάτης, και αποτελείται από τα εξής μέρη: ερέθισμα, αισθητήρας, κέντρο ελέγχου και τα εκτελεστικά όργανα. Η θερμορυθμιστική ικανότητα του ανθρώπινου σώματος, είναι ο ομοιοστατικός μηχανισμός που θα αναλυθεί εκτενώς στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας. 2.2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΩΜΑΤΟΣ Στους μηχανισμούς θερμορύθμισης ξεχωρίζουμε δύο βασικές κατηγορίες: τους ηθολογικούς και τους φυσιολογικούς μηχανισμούς. Εκτενέστερα: Οι ηθολογικοί μηχανισμοί θερμορύθμισης αφορούν την εκούσια συμπεριφορά του ατόμου. Η αναζήτηση σκιερών τοποθεσιών, υπόγειων καταφύγιων και η ένδυση, αποτελούν τους αποτελεσματικότερους μηχανισμούς άμυνας όπως και τους πιο άμεσους. Οι φυσιολογικοί μηχανισμοί αφορούν την ακούσια συμπεριφορά του ανθρώπινου σώματος κατά την προσαρμογή του σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η θερμοκρασία σώματος, ρυθμίζεται από μια πληθώρα παραγόντων στους οποίους περιλαμβάνονται: οι ειδικοί υποδοχείς, οι προσαγωγοί οδοί, το κέντρο της θερμορύθμισης, καθώς επίσης και η ενεργοποίηση μηχανισμών άμυνας στις αλλαγές της θερμοκρασίας. Τα προσαγωγά ερεθίσματα για την αίσθηση του θερμού και του ψυχρού προέρχονται από υποδοχείς (θερμοϋποδοχείς) που εντοπίζονται στο δέρμα, στους εν τω βάθει ιστούς της κοιλιάς και του θώρακα, στην σπονδυλική στήλη και στον εγκέφαλο. Τα ερεθίσματα που προσλαμβάνονται από τους υποδοχείς, αφού περάσουν από ενδιάμεσους σταθμούς τόσο στο νωτιαίο μυελό όσο και στον εγκέφαλο, φτάνουν στον υποθάλαμο, στο κέντρο γενικών αισθήσεων όπου και εντοπίζεται το κέντρο ελέγχου της θερμοκρασίας του σώματος. Ο υποθάλαμος διατηρεί την θερμοκρασία του πυρήνα μέσα σε πολύ στενά όρια. Κάθε απόκλιση από το εύρος της θερμορύθμισης, κινητοποιεί μηχανισμούς με σκοπό την επαναφορά της θερμοκρασίας εντός φυσιολογικών ορίων. Πιο συγκεκριμένα, οι μηχανισμοί που ενεργοποιούνται, είναι η αγγειοδιαστολή και η εφίδρωση. 9

10 Προσαρμογή του ρυθμού ανταλλαγής θερμότητας του οργανισμού με το περιβάλλον Ο μηχανισμός κινητοποίησης της αγγειοδιαστολής είναι εξαιρετικά αποτελεσματικός, καθώς αυξάνει τη διάμετρο των αγγείων κοντά στην επιφάνεια του δέρματος, άρα και σε πολύ μεγάλο βαθμό την ροή του αίματος στο δέρμα από το κέντρο προς την περιφέρεια. Ο παραπάνω μηχανισμός έχει ως αποτέλεσμα να αποβάλλεται θερμότητα προς το περιβάλλον λόγω αγωγιμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας, και κατά συνέπεια να αντιμετωπίζει έτσι τη θερμική δυσφορία. Η θερμοκρασιακή βαθμίδα μεταξύ επιφάνειας δέρματος και αέρα αυξάνεται, άρα έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερη απώλεια ενέργειας από το σώμα σε μορφή θερμότητας. Σχήμα 2.1: Μηχανισμοί αγγειοδιαστολής και αγγειοσυστολής 10

11 Ψύξη μέσω εξάτμισης Όταν η θερμοκρασία σώματος (θερμοκρασία αίματος στον υποθάλαμο) φτάσει σε ένα συγκεκριμένο όριο, σε συνδυασμό με την αυξημένη θερμοκρασία της επιφάνειας του δέρματος, ενεργοποιείται,ο μηχανισμός εφίδρωσης. Η εφίδρωση επιτυγχάνεται μέσω των μεταγαγγλιακών χολινεργικών ινών που κατανέμονται στους ιδρωτοποιούς αδένες. Η εξάτμιση του ιδρώτα από το δέρμα αυξάνει τις απώλειες θερμότητας, καθώς υψηλά ενεργειακά μόρια εξατμίζονται και αποβάλλουν την θερμότητα που έχει ήδη απορροφηθεί από το σώμα και κατ επέκταση το ψύχει. Το αίμα που φθάνει στα αιμοφόρα αγγεία του δέρματος, ψύχεται και επιστρέφοντας με την κυκλοφορία στο εσωτερικό του οργανισμού αποτρέπει την αύξηση της θερμοκρασίας του. Περαιτέρω αύξηση της εξάτμισης και αποβολή θερμότητας, επιτυγχάνεται μέσω της αναπνοής, με το λαχάνιασμα. Σχήμα 2.2: Μηχανισμός εφίδρωσης 11

12 2.3 ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ Σύμφωνα με τα παραπάνω, επόμενο αντικείμενο προς μελέτη είναι η ευελιξία του ανθρώπου ως προς τις μεταβολές των συνθηκών του περιβάλλοντός του, η προσαρμοστικότητα. Ως προσαρμογή ορίζουμε τη βαθμιαία μείωση της αντίδρασης του οργανισμού κατά την επαναλαμβανόμενη έκθεση του σε ένα ερέθισμα συμπεριλαμβανομένων όλων των δράσεων που συντελούν στην κατεύθυνση αυτή, σε συγκεκριμένο περιβάλλον. Η προσαρμογή κατ επέκταση διακρίνεται σε τρεις κατηγορίες: την φυσιολογική, την φυσική και την ψυχολογική. Στη φυσιολογική προσαρμογή έχουμε δύο κατηγορίες, τις βραχυπρόθεσμες (εφίδρωση, αγγειακή διαστολή) και τις μακροπρόθεσμες αντιδράσεις (εγκλιματισμός). Στην φυσική προσαρμογή έχουμε την διαχείριση του ανθρώπου ως προς το περιβάλλον του (π.χ. ενδυμασία, στάση σώματος). Τέλος στην ψυχολογική προσαρμογή με την οποία και θα ασχοληθούμε, έχουμε τις παραμέτρους που επηρεάζουν τη θερμική αντίληψη των ανθρώπων για το περιβάλλον τους, μερικές από τις οποίες είναι ο χρόνος έκθεσης, η φυσικότητα του περιβάλλοντος, αλλά και οι ατομικές προσδοκίες του εκάστοτε εξεταζόμενου. Ως θερμική άνεση περιγράφεται η υποκειμενική κατάσταση του μυαλού που εκφράζει ικανοποίηση με το θερμικό του περιβάλλον. Ανάλογα με την προσαρμογή, χωρίζεται σε τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις, την ψυχολογική, τη θερμοφυσιολογική και μια βασισμένη στο ανθρώπινο θερμικό ισοζύγιο. (Ισοζύγιο θερμότητας: Σύνολο μηχανισμών που αφορούν τη δυσχέρανση ή διευκόλυνση της αποβολής θερμότητας και απο την άλλη την αύξηση της παραγωγής θερμότητας με αποτέλεσμα τη σταθερή θερμοκρασία σώματος.) Συγκεκριμένα: Ψυχολογικός ορισμός: «Η κατάσταση του μυαλού που εκφράζει ικανοποίηση με το θερμικό περιβάλλον». Όπως γίνεται κατανοητό, είναι δύσκολο να αντιμετωπιστεί καθολικά λόγω του υποκειμενικού της χαρακτήρα καθώς αντανακλά μεγάλες ατομικές διαφοροποιήσεις, παρόλα αυτά στο εξωτερικό περιβάλλον οι ψυχολογικές παράμετροι παραμένουν αρκετά σημαντικές. 12

13 Θερμοφυσιολογικός ορισμός: «Η άνεση υπό το πρίσμα των θερμικών αισθητήρων ορίζεται ως η ελάχιστη τιμή των νευρικών σημάτων από αυτούς τους αισθητήρες προς τον οργανισμό». Είναι βασισμένος στην ενεργοποίηση των θερμικών αισθητήρων στο δέρμα και στον υποθάλαμο. Ενεργειακός ορισμός: «Η θερμική άνεση έχει επιτευχθεί όταν οι θερμικές ροές από και προς το ανθρώπινο σώμα έχουν έλθει σε ισορροπία καθώς και η θερμοκρασία δέρματος μαζί με τον ρυθμό εφίδρωσης είναι σε άνετα όρια τα οποία καθορίζει ο μεταβολισμός». Όπως λοιπόν αναλύσαμε και παραπάνω, ο άνθρωπος έχει έναν υποκειμενικό μηχανισμό αντίληψης του θερμοκρασιακού του περιβάλλοντος. Το πώς αντιλαμβάνεται την δυσφορία δεν κρίνεται από μεμονωμένες μετρήσεις σε συγκεκριμένα κλιματικά μεγέθη (θερμοκρασία, υγρασία κλπ) αλλά από την καθολική του αντίδραση στο σύνολο αυτών των ερεθισμάτων. Βάσει αυτών, αναπτύχθηκαν δείκτες, που έχουν συνδυαστικό ρόλο για την καλύτερη περιγραφή του φαινομένου αυτού. Πιο συγκεκριμένα, οι δείκτες αυτοί χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες, τους εμπειρικούς και τους λογικούς. Οι πρώτοι, περιορίζονται στον συνδυαστικό υπολογισμό διαφόρων παραμέτρων, όπως είναι η θερμοκρασία, η υγρασία κ.α. σε σχέση με δραστηριότητα, ενώ οι δεύτεροι πραγματεύονται την θερμική ισορροπία του ανθρώπινου σώματος με φυσικό και θερμοφυσιολογικό υπόβαθρο, με χρήση και των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών. Στην εργασία αυτή, ο λογικός δείκτης που προκύπτει από την ερμηνεία των αποτελεσμάτων στο μοντέλο IMΕΜ που χρησιμοποιήθηκε, είναι ο δείκτης PET (Physiological Equivalent Temperature, Mayer and Ho ppe 1987; Ho ppe 1999). Ο δείκτης αυτός μας δείχνει ότι η ισοδύναμη θερμοκρασία σε ένα ιδεατό εσωτερικό περιβάλλον όπου η θερμική ισορροπία στο ανθρώπινο σώμα διατηρείται, με την θερμοκρασία δέρματος και πυρήνα είναι ίσες με εκείνες του υπό εξέταση περιβάλλοντος (εσωτερικό ή εξωτερικό). Οι συνθήκες ιδεατού περιβάλλοντος θεωρούνται οι: T mrt = T a, v = 0.1ms 1, VP a = 12hPa, I cl = 0.9clo με ελαφρά δραστηριότητα. 13

14 2.4 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Το θερμικό εξωτερικό περιβάλλον ορίζεται από το σύνολο έξι παραμέτρων, τεσσάρων μετεωρολογικών και δύο συμπεριφορικών. Η θερμοκρασία του αέρα, η υγρασία του αέρα, η ταχύτητα ανέμου και η μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας είναι οι περιβαλλοντικές συνθήκες, οι οποίες σε συνδυασμό με την εκούσια συμπεριφορά του ατόμου, δηλαδή την παραγωγή θερμότητας από το μεταβολισμό λόγω δραστηριότητας και την ενδυμασία, καθορίζουν μαζί την θερμική άνεση του ατόμου. Ειδικότερα, η θερμοκρασία του αέρα είναι μία από τις πιο σημαντικές παραμέτρους, γιατί επηρεάζει άμεσα τη θερμική κατάσταση του ατόμου. Αυτό γιατί, θερμότητα μεταφέρεται μεταξύ του ατόμου και του αέρα με αγωγιμότητα αλλά και με μεταφορά. Αντίστοιχα, η υγρασία του αέρα επηρεάζει άμεσα την ικανότητα εφίδρωσης του ατόμου αφού αυξημένα επίπεδα υγρασίας στον αέρα, εμποδίζουν την εξάτμιση του ιδρώτα από το δέρμα. Με τη σειρά της, η μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας έχει σημαντικό ρόλο για την εκτίμηση της θερμικής κατάστασης του ατόμου, σε συνθήκες απευθείας ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος η ταχύτητα του ανέμου διαδραματίζει κομβικό ρόλο, καθώς ανάλογα με την ταχύτητά του επηρεάζονται φυσιολογικές και φυσικές διαδικασίες. Στην περίπτωση που έχουμε υψηλή ταχύτητα ανέμου σε συνδυασμό με υψηλή θερμοκρασία αέρα, η τελευταία έχει μεγαλύτερη επίδραση στη θερμική κατάσταση του ατόμου λόγω μεταφοράς απ ότι η μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας. Αντίστοιχα, με χαμηλή ταχύτητα ανέμου η θερμοκρασία αέρα και η μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας έχουν πρακτικά την ίδια επίδραση στη θερμική κατάσταση του ατόμου. Από φυσιολογική σκοπιά, η υψηλή ταχύτητα ανέμου βοηθάει στην διαδικασία της εξάτμισης του ιδρώτα από την επιφάνεια του δέρματος. 14

15 2.5 ΕΞΙΣΩΣΗ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Ο όρος θερμότητα, χρησιμοποιείται για την περιγραφή διεργασιών ή δυναμικών για ανταλλαγή ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, η μεταφορά θερμότητας ασχολείται με την μελέτη των μηχανισμών μέσω των οποίων τα σώματα ανταλλάσουν ενέργεια. Στόχος αυτής της μελέτης είναι η πρόβλεψη του ρυθμού και της παραγωγικότητας αυτής της διεργασίας. Η μεταφορά θερμότητας μελετά συστήματα τα οποία δεν βρίσκονται σε θερμικη ισορροπία, σε αντίθεση με την θερμοδυναμική η οποία μελετά συστήματα σε ισορροπία. Οι τρόποι μεταφοράς θερμότητας, είναι οι εξής: Αγωγιμότητα (Conduction), που είναι η ανταλλαγή ενέργειας μέσω ενός στερεού σώματος ή διαμέσου σωμάτων σε επαφή (από το σημείο επαφής τους), δηλαδή άμεση μεταφορά θερμότητας από το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα. Μεταφορά (Convection), που ορίζεται η μεταφορά ενέργειας μέσω της κίνησης ενός ρευστού μέσω της επαφής του με άλλα σώματα, δηλαδή μεταφορά θερμότητας με τη κίνηση του αέρα πάνω από την επιφάνεια του σώματος. Ακτινοβολία (Radiation), δηλαδή την ανταλλαγή ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και απορρόφησης, από όλα τα αντικείμενα που είναι θερμότερα από το απόλυτο μηδέν. Εξάτμιση (Evaporation), η διαδικασία κατά την οποία ένα υγρό σώμα μετατρέπεται σε αέριο, με ελάττωση της κινητικής ενέργειας των μορίων του υγρού, η οποία συντελεί σε απώλεια θερμότητας. Για την εκτίμηση του θερμικού περιβάλλοντος και της θερμικής άνεσης του ατόμου, είναι απαραίτητος ο υπολογισμός του θερμικού ισοζυγίου στο ανθρώπινο σώμα. Η μοντελοποίηση του θερμικού ισοζυγίου του ανθρώπινου σώματος ξεκίνησε, από τον Fanger στα τέλη της δεκαετίας του 60. Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν τις φυσικές διεργασίες που αφορούν τις θερμικές ροές από και προς 15

16 το σώμα, αλλά και τις θερμοφυσιολογικές που διενεργούνται στο σώμα κατά τη προσαρμογή του σε μεταβαλλόμενο θερμικό περιβάλλον ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΙ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ Όπως έχουμε αναλύσει στο 2.1, σε θερμό περιβάλλον, οι πιο σημαντικοί θερμορυθμιστικοί μηχανισμοί είναι η αγγειοδιαστολή και η εφίδρωση. Η εξίσωση που υπολογίζει τη ροή αίματος από το εσωτερικό προς την επιφάνεια του σώματος είναι: V b = ( (T C 36.6)) (2.1) ( (34.0 T sk )),όπου Τ c η θερμοκρασία σώματος και T sk η θερμοκρασία δέρματος. Όπως φαίνεται από την παραπάνω εξίσωση, η ροή αίματος στη περιφέρεια του σώματος επηρεάζεται και από τις δύο αυτές θερμοκρασίες. Οι υψηλές θερμοκρασίες σώματος ενισχύουν τη ροή. Η εξίσωση που υπολογίζει το ρυθμό εφίδρωσης είναι η: SW = ((0.1 T sk T c ) 36.6) ( kg s m 2 ) (2.2) Όπως έχουμε αναλύσει η διαδικασία της εφίδρωσης ενεργοποιείται όταν η θερμοκρασία σώματος ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο όριο. Στη συγκεκριμένη εξίσωση η μέση θερμοκρασία σώματος έχει υπολογιστεί ως η μέση τιμή των θερμοκρασιών σώματος και δέρματος. 16

17 2.5.3 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΡΟΕΣ Η βάση ενός μοντέλου θερμικού ισοζυγίου είναι ο υπολογισμός των θερμικών ροών από και προς το σώμα. Η εσωτερική παραγωγή θερμότητας, Η, λόγω μεταβολισμού οφείλεται στη κατανάλωση τροφής αλλά κυρίως στη σωματική δραστηριότητα. Περιγράφεται από την εξίσωση: Η = Μ (1 η) (2.3) όπου Μ ο βασικός ρυθμός μεταβολισμού και η η μηχανική απόδοση, δηλαδή η ελεύθερη παραγωγή ενέργειας από το μεταβολισμό λόγω της δραστηριότητας. Η τυρβώδης ανταλλαγή αισθητής θερμότητας C μεταξύ επιφάνειας σώματος(δέρμα ή ρούχα) και υπερκείμενου αέρα δίνεται από την εξίσωση: C = A Du f cl h c (T a T s ) (2.4) όπου A Du και f cl μεταβλητές που αφορούν τη επιφάνεια ρουχισμού, Τ α η θερμοκρασία αέρα και Τ s η θερμοκρασία επιφάνειας σώματος (δέρματος ή/και ρούχων). από τη σχέση: Η ροή θερμότητας μέσω της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας δίνεται 4 R = A Du f cl f eff ε p σ (Τ mrt T 4 s ) (2.5) όπου f eff ο παράγοντας που καθορίζει τη σχέση μεταξύ επιφάνειας σώματος και της ενεργού επιφανείας για ανταλλαγή ακτινοβολίας, ε p ο συντελεστής εκπομπής της επιφάνειας του ανθρώπου, σ η σταθερά των Stefan-Boltzmann και Τ mrt θερμοκρασία ακτινοβολίας. η μέση Η ανταλλαγή θερμότητας μέσω διάχυσης των υδρατμών, Ε D, είναι η απώλεια θερμότητας που οφείλεται στην εξάτμιση του ιδρώτα και υπολογίζεται από τη σχέση: E D = m r (VP a SVP sk ) (2.6) 17

18 όπου m συντελεστής που αφορά το δέρμα, r η θερμότητα εξάτμισης του νερού, VP a η πίεση υδρατμών του περιβάλλοντα χώρου και SVP sk η πλήρης διαβροχή της πίεσης των υδρατμών σε θερμοκρασία δέρματος. Η ροή θερμότητας λόγω εξάτμισης του ιδρώτα, Ε sw, δίνεται από τη σχέση: E sw = (A Du r h o p) (VP a SVPT sk ) (2.7) η οποία αφορά την πιθανή εξάτμιση που καθορίζεται από τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος. Απώλεια θερμότητας επιτυγχάνεται και μέσω της αναπνευστικής οδού. Η ξηρή απώλεια θερμότητας από την αναπνοή, Ε res, δίνεται από τη σχέση: E res = RTM C p (T a T ex ) (2.8) Αντίστοιχα, η λανθάνουσα απώλεια θερμότητας από την ύγρανση του εισπνεόμενου αέρα, Ε rel, δίδεται από τη σχέση: E rel = RTM r(vp a SVP tex /p) (2.9) Η αισθητή ροή θερμότητας από τη τροφή, F, οφείλεται στη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στηv τροφή και το σώμα και περιγράφεται από τη σχέση: F = m C F (T F T C )/t (2.10) Όλες οι παραπάνω ανταλλαγές θερμότητας συνοψίζονται στη γενικευμένη εξίσωση θερμικού ισοζυγίου του ανθρώπινου σώματος: H + C + R + E D + E res + E rel + E sw + F = S (2.11) όπου S είναι η καθαρή αποθηκευμένη θερμότητα στο σώμα. Αυτό σημαίνει ότι όταν το σώμα θερμαίνεται το S είναι θετικό, και αντίστοιχα όταν είναι αρνητικό ψύχεται. Όταν το S είναι 0 η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από το σώμα και αποκτάται από το περιβάλλον είναι ίση με αυτή που αποβάλλεται από το σώμα, και ταυτόχρονα οι θερμοκρασίες σώματος βρίσκονται σε σταθερή κατάσταση. 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 3.1 ΜΟΝΤΕΛΟ IMEM Από το 1938 ο Büttner αναγνώρισε ότι για την αξιολόγηση της θερμικής επίδρασης του περιβάλλοντος στον άνθρωπο πρέπει να λάβουμε υπόψιν όλες τις θερμικές παραμέτρους. Αυτό οδήγησε στην αναγκαιότητα μοντελοποίησης της ανθρώπινης θερμικής ισορροπίας. Τα πρώτα μοντέλα που αναπτύχθηκαν μπορούσαν να υπολογίσουν μέχρι ένα βαθμό τις θερμικές ροές στο ανθρώπινο σώμα, γιατί δεν περιλάμβαναν στα δεδομένα τους θερμοφυσιολογικές παραμέτρους. Μετά την εισαγωγή της χρήσης Η/Υ, αναπτύχθηκαν ακόμα πιο ρεαλιστικά μοντέλα που έδιναν τη δυνατότητα πρόβλεψης πραγματικών τιμών για θερμικές ποσότητες στο σώμα, συνυπολογίζοντας όλες τις θερμορυθμιστικές διεργασίες. Ένα τέτοιο μοντέλο είναι το IMEM (Institutionary Munich Energy balance Model) (Ho ppe, 1984), ένα δυναμικό μοντέλο δύο κόμβων, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στη παρούσα εργασία για την προσομοίωση των ανταλλαγών θερμότητας από και προς το ανθρώπινο σώμα. To μη σταθερό μοντέλο IMEM είναι κατάλληλο στις περιπτώσεις όπου η κλιματική κατάσταση, η δραστηριότητα και ο ρουχισμός αλλάζουν σε χρονική κλίμακα μερικών λεπτών. Λαμβάνει υπόψιν την αποθήκευση θερμότητας και επιτρέπει τον υπολογισμό των αλλαγών στις θερμοκρασίες σώματος. Στηρίζεται στην εξίσωση θερμικού ισοζυγίου για το ανθρώπινο σώμα, H + C + R + E D + E SW = S (3.1), στην εισαγωγή σταθερών δεδομένων προσομοίωσης και ακολούθως επιτρέπει τον υπολογισμό όλων των θερμικών ροών και θερμοφυσιολογικών παράμετρων για οποιαδήποτε δοσμένη κλιματική κατάσταση, καθώς και τον υπολογισμό του δείκτη PET (Physiοlogical Equivalent Temperature). 19

20 3.2 ΣΤΑΘΕΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ H διαδικασία υπολογισμού ξεκινά από την εισαγωγή των σταθερών συνθηκών στο μοντέλο, δηλαδή των σταθερών δεδομένων προσομοίωσης, που αφορούν την παραμονή ενός μέσου τύπου ανθρώπου σε ένα τυπικό εσωτερικό χώρο για περισσότερο από μία ώρα, καθώς και τις αρχικές θερμοκρασίες σώματος που ορίζουμε εμείς. Τα σταθερά δεδομένα παρατίθενται στους παρακάτω πίνακες και περιγράφουν το τυπικό εσωτερικό περιβάλλον. Πίνακας 3.1 Δεδομένα τυπικού εσωτερικού χώρου Θερμοκρασία αέρα 23 C Κλιματολογικές συνθήκες Σχετική υγρασία 50% Ταχύτητα αέρα 0.1 ms -1 Μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας T mrt =T a Δραστηριότητα Θερμική αντίσταση ρουχισμού Μηχανική απόδοση 0% Μεταβολισμός εργασίας 80W(όρθιος) 0.41 clo Πίνακας 3.2 Δεδομένα μέσου τύπου ανθρώπου (ISO 8996, 2004) Άνδρας 30 ετών Βάρος 70 kg Ύψος 1.75 m 20

21 Πίνακας 3.3 Δεδομένα αρχικών συνθηκών IMEM Θερμοκρασίες σώματος Μέση θερμοκρασία δέρματος (T s ) 33.5 C Θερμοκρασία πυρήνα (T c ) 36.9 C Με τις ορισμένες αρχικές συνθήκες λύνεται η εξίσωση θερμικού ισοζυγίου και προσδιορίζεται η τιμή της καθαρής αποθηκευμένης θερμότητας S. Ο χρόνος παραμονής του ατόμου στον εσωτερικό χώρο παρέμενε σταθερός για κάθε μία από τις πειραματικές ημέρες. 3.3 ΜΗ ΣΤΑΘΕΡΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ Η διαδικασία συνεχίζεται με την εισαγωγή των μη σταθερών συνθηκών στο μοντέλο οι οποίες αναφέρονται σε σημαντικές μεταβολές των παραγόντων που εμπλέκονται στο ανθρώπινο θερμικό ισοζύγιο στη χρονική κλίμακα των λεπτών. Οι παράγοντες αυτοί συνοψίζονται σε τέσσερις κύριες κλιματικές παραμέτρους, θερμοκρασία αέρα (T a ), σχετική υγρασία (f), μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας (T mrt ), ταχύτητα αέρα (v), καθώς και το επίπεδο δραστηριότητας του ατόμου. Όσον αφορά τις κλιματικές παραμέτρους, ως δεδομένα εισαγωγής στο μοντέλο παραχωρήθηκαν δεδομένα από πείραμα που έγινε Ιουλίου 2008 στην Πανεπιστημιούπολη στην περιοχή Ζωγράφου. Τα πειράματα συνιστούσαν συνεχή καταγραφή των μετεωρολογικών παραμέτρων στη περιοχή μελέτης, στην κλίμακα του λεπτού, για χρονική διάρκεια 30 λεπτών. Ο μήνας Ιούλιος επιλέχθηκε διότι εξετάζουμε τη θερμική άνεση του ανθρώπου σε θερμό περιβάλλον (Καταβούτας, 2011). Οι μετεωρολογικές παράμετροι που μετρήθηκαν είναι οι εξής: μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας, mrt ( o C), ατμοσφαιρική πίεση, p (hpa), θερμοκρασία αέρα, t ( o C), σχετική υγρασία, f (%), ταχύτητα ανέμου, v (m/sec). Βασιζόμενοι στη τιμή της σχετικής υγρασίας (f) και της θερμοκρασίας αέρα (Ta), γίνεται η μετατροπή της σχετικής υγρασίας σε πίεση ατμών σύμφωνα με τη σχέση: 21

22 V p = Ta Ta 0.01f (3.2) Η διαδικασία συνεχίζεται με την εισαγωγή στο μοντέλο των μέσων τιμών των μετεωρολογικών παραμέτρων που μετρήθηκαν. Η επεξεργασία των δεδομένων έγινε με το Microsoft Excel. Στον παρακατω πίνακα παρατίθενται οι μέσες τιμές των μη σταθερών δεδομένων εισόδου, δηλαδή των μετεωρολογικών παραμέτρων ανά πειραματική ημέρα. Κάθε πειραματική ημέρα έχει αντιστοιχηθεί με συγκεκριμένο χρώμα που υποδεικνύει τη θερμοκρασία αέρα, με μωβ την πιο θερμή ημέρα και με διαδοχική ελάττωση της θερμοκρασίας, μπορντώ, κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, ανοιχτό πράσινο, σκούρο πράσινο, γαλάζιο, μπλε, μέχρι σκούρο μπλε την πιο ψυχρή ημέρα και με αύξοντα αριθμό από Πίνακας 3.4 Μέσες τιμές μετεωρολογικών παραμέτρων Ημερομηνία t α.α. p mrt vp v 15/07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/

23 Όσον αφορά το επίπεδο δραστηριότητας του ατόμου τρέξαμε το μοντέλο για δύο δραστηριότητες, όταν απλά στέκεται όρθιος (80W) και όταν περπατά (190W). Το μοντέλο πραγματοποιεί αριθμητική ολοκλήρωση με σταθερό βήμα χρόνου ενός δευτερολέπτου. Έτσι προσδιορίζεται η αποθήκευση ενέργειας και οι μεταβολές στις θερμοκρασίες σώματος. Πιο συγκεκριμένα, εισάγοντας όλα τα παραπάνω δεδομένα στο μοντέλο ΙΜΕΜ παίρνουμε τιμές για τις εξής μεταβλητές: Μέση θερμοκρασία δέρματος, Ts ( o C), Μέση θερμοκρασία σώματος, Tc ( o C), Μέση θερμοκρασία ρούχου, Tcl ( o C), Απώλεια ιδρώτα, Ws (σε γραμμάρια/ώρα, gr/h), Ποσοστό της επιφάνειας του σώματος που είναι καλυμμένο από ιδρώτα, B (τιμές από 0 έως 1, δεν έχει μονάδες είναι ποσοστό), Εσωτερική παραγωγή θερμότητας, H (Watt), Θερμότητα μέσω ακτινοβολίας, RN (Watt), Θερμότητα μέσω μεταφοράς, C (Watt), Θερμότητα μέσω διάχυσης υδρατμών, ED (Watt), Θερμότητα μέσω εξάτμισης ιδρώτα, ESW (Watt), Βιοκλιματικός δείκτης PET ( o C). ), μεταβλητές που αφορούν τις θερμοκρασίες σώματος και τις θερμικές ροές στο ανθρώπινο σώμα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 4 με μορφή διαγραμμάτων και δείχνουν τη τιμή της κάθε μεταβλητής συναρτήσει του χρόνου, για κάθε πειραματική ημέρα. Σε κάθε μεταβλητή αντιστοιχούν δύο διαγράμματα, για τις δύο δραστηριότητες του ατόμου. 23

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Παρακάτω θα εξετάσουμε στο σύνολό της, βάσει των διαγραμμάτων κάθε παραμέτρου, την διαδικασία προσαρμογής του ανθρώπου σε ένα θερμό εξωτερικό περιβάλλον. Θα επιβεβαιώσουμε την δράση των θερμοφυσιολογικών μηχανισμών, καθώς και το χρόνο προσαρμογής του ανθρώπινου σώματος προς επίτευξη μίας σταθερής κατάστασης. Στο πρώτο υποκεφάλαιο θα εξετάσουμε τις μεταβολές των θερμοφυσιολογικών παραμέτρων. Αντίστοιχα στο δεύτερο, θα μελετήσουμε τις ροές θερμότητας από και προς το ανθρώπινο σώμα καθώς και τις τιμές του βιοκλιματικού δείκτη PET. 4.2 ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Μέση θερμοκρασία δέρματος, Ts ( o C) Με την πρώτη έκθεση κάποιου οργανισμού σε θερμό περιβάλλον το δέρμα είναι το πρώτο που αποκρίνεται στα εξωτερικά ερεθίσματα. Κατά συνέπεια η θερμοκρασία του δέρματος επηρεάζεται απευθείας από την θερμοκρασία αέρα, τη ταχύτητα του ανέμου και την μέση ηλιακή ακτινοβολία. Η θερμοκρασία δέρματος σύμφωνα με τo Σχήμα 4.1, κυμαίνεται σε υψηλότερα επίπεδα τις μέρες που παρατηρείται η υψηλότερη θερμοκρασία αέρα. Όσων αφορά τη δραστηριότητα, δεν παρατηρούνται μεγάλες διαφορές μεταξύ των δύο καταστάσεων, γιατί η πιο έντονη δραστηριότητα (το περπάτημα) δεν είναι επαρκώς έντονη ώστε να αυξήσει περαιτέρω τη θερμοκρασία δέρματος. Η συμμετοχή της ηλιακής ακτινοβολίας δεν είναι σημαντική καθώς τα δεδομένα μας αφορούν τη παραμονή του ατόμου στο εξωτερικό περιβάλλον υπό σκιάν. Κατά τη διάρκεια της έκθεσης του ατόμου στο θερμό περιβάλλον, η θερμοκρασία δέρματος αυξάνεται μέχρι το σώμα να προσαρμοστεί και μετά από 6 λεπτά σταθεροποιείται σε μια υψηλότερη τιμή. Αυτό οφείλεται στο ότι η 24

25 Ts ( C)/80w εφίδρωση και η διαστολή των αγγείων του δέρματος, δηλαδή οι θερμορυθμιστικοί μηχανισμοί που έχουμε αναλύσει στο κεφάλαιο 2, διευκολύνουν τη προσαρμογή του ανθρώπινου σώματος στις υψηλές θερμοκρασίες. Οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που παρατηρούνται στο Σχήμα 4.1 (β), εξηγούνται με την αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος και κατ επέκταση του δέρματος λόγω παραγωγής εσωτερικής θερμότητας η οποία οφείλεται στην αυξημένη δραστηριότητα :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (α) 25

26 Ts ( C)/190w :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (β) Σχήμα 4.1 Χρονική μεταβολή της μέσης θερμοκρασίας δέρματος για δραστηριότητα α)80w, β)190w Μέση θερμοκρασία σώματος, Tc ( o C) Η μέση θερμοκρασία σώματος ακολουθεί τη θερμοκρασία αέρα αλλά δεν έχει έντονες μεταβολές όπως έχει η θερμοκρασία του δέρματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με την ενεργοποίηση των θερμορυθμιστικών μηχανισμών, κυρίως με τη διαστολή των αγγείων, αίμα μεταφέρεται στα διεσταλμένα περιφερειακά αγγεία του δέρματος με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του σώματος να μην αυξάνεται απότομα. Έτσι η θερμοκρασία σώματος διατηρείται πιο σταθερή αλλά σε πιο υψηλά επίπεδα από αυτή του δέρματος. Αυτό δικαιολογείται από το ότι η θερμοκρασία δέρματος πέφτει καθώς το δέρμα είναι αυτό που λειτουργεί σαν αγωγός της θερμότητας από το σώμα προς το περιβάλλον. 26

27 Tc ( o C)/190W Tc ( o C)/80W 37,3 37,2 37, ,9 36,8 36,7 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (α) 37,6 37,5 37,4 37,3 37,2 37, ,9 36,8 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (β) Σχήμα 4.2 Χρονική μεταβολή της μέσης θερμοκρασίας του σώματος για δραστηριότητα α)80w και β)190w 27

28 Tcl( C)/80W Μέση θερμοκρασία ρούχου, Tcl ( o C) Στο Σχήμα 4.3 απεικονίζεται η θερμοκρασία του ρούχου, από το οποίο προκύπτει ότι η τελευταία ακολουθεί πλήρως τη θερμοκρασία του αέρα, με τον οποίο υπάρχει και άμεση επαφή. Συμπερασματικά, δεν εξαρτάται από τις θερμοφυσιολογικές παραμέτρους και την δραστηριότητα του ατόμου, παρά μόνο από το θερμό περιβάλλον :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (α) 28

29 Tcl( C)/190W :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (β) Σχήμα 4.3 Χρονική μεταβολή της μέσης θερμοκρασίας ρούχου για δραστηριότητα α)80w β)190w 29

30 Ws(gr/hr)/80W Απώλεια ιδρώτα, Ws (σε γραμμάρια/ώρα, gr/h) Η απώλεια ιδρώτα, η οποία παρουσιάζει αυξητική πορεία όλες τις πειραματικές ημέρες, πράγμα που αποτελεί άμεση και λογική απόρροια της ενεργοποίησης του μηχανισμού της εφίδρωσης. Σύμφωνα με τα παραπάνω η απώλεια ιδρώτα βρίσκεται σε αντιστοιχία με το θερμό περιβάλλον, καθώς όπως βλέπουμε και στο Σχήμα 4.4, οι υψηλότερες τιμές της παρατηρούνται τις μέρες με τα υψηλότερα θερμοκρασιακά επίπεδα. Αυτό εξηγείται με το ότι ο μηχανισμός της εφίδρωσης ενεργοποιείται όταν έχουμε υψηλές θερμοκρασίες δέρματος. Όπως είναι αναμενόμενο, η παραγωγή ιδρώτα είναι αυξημένη όταν η δραστηριότητα του ατόμου είναι πιο έντονη, στην περίπτωση του περπατήματος που απεικονίζεται στο Σχήμα 4.4(β), καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία σώματος γεγονός που επίσης ενεργοποιεί τη αυξημένη παραγωγή ιδρώτα :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (α) 30

31 Ws(gr/hr)/190W :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (β) Σχήμα 4.4 Χρονική μεταβολή της απώλειας ιδρώτα για δραστηριότητα α)80w β)190w 31

32 B(%)/80W Ποσοστό της επιφάνειας του σώματος που είναι καλυμμένο από ιδρώτα, B Στο Σχήμα 4.5 που παρουσιάζεται παρακάτω, το ποσοστό της επιφάνειας του σώματος που είναι καλυμμένο από ιδρώτα βρίσκεται σε πλήρη συμφωνία με τα διαγράμματα της απώλειας ιδρώτα. 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (α) 32

33 B(%)/190W 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (β) Σχήμα 4.5 Χρονική μεταβολή του ποσοστού της επιφάνειας του σώματος που είναι καλυμμένο με ιδρώτα για δραστηριότητα α)80w β)190w 33

34 4.3 ΡΟΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Εσωτερική παραγωγή θερμότητας, H (Watt) Η εσωτερική παραγωγή θερμότητας έχει σταθερή τιμή για όλες τις πειραματικές μέρες, αλλά διαφοροποιείται από τη δραστηριότητα του ατόμου. Οι τιμές είναι Watt για τη δραστηριότητα των 80W όπου ο άνθρωπος απλά στέκεται όρθιος και Watt για τη δραστηριότητα των 190W όπου περπατά. H εσωτερική παραγωγή θερμότητας είναι το μεγαλύτερο κομμάτι της ενέργειας που ορίζεται ως ρυθμός μεταβολισμού, δηλαδή της ενέργειας που παράγει το ανθρώπινο σώμα με τη κατανάλωση τροφής και με την οξείδωση των συστατικών της. Το υπόλοιπο κομμάτι, το οποίο είναι πρακτικά μηδέν για τους περισσότερους τύπους δραστηριότητας, όπως και λαμβάνεται υπόψιν στη συγκεκριμένη εργασία, μετατρέπεται σε εξωτερικό μηχανικό έργο. Η εκτίμηση της εσωτερικής παραγωγής θερμότητας γίνεται με βάση τον μέσο τύπο ανθρώπου (Πίνακας 3.2) και μέσω πινάκων για τους διάφορους τύπους δραστηριότητας οι οποίοι και παρατίθενται παρακάτω. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω η τιμή της είναι ανεξάρτητη από τις περιβαλλοντικές συνθήκες και εμφανίζεται σταθερή στο μοντέλο για όλες τις πειραματικές ημέρες. Ο ρυθμός μεταβολισμού ορίζεται από την εξίσωση: M=H+W (4.1) όπου W το εξωτερικό μηχανικό έργο που πρακτικά μηδενίζεται. Στον παρακάτω πίνακα παρατίθενται οι τιμές του ρυθμού μεταβολισμού για διάφορες τυπικές δραστηριότητες. 34

35 Πίνακας 4.1 Παραγωγή θερμότητας από το μεταβολισμό ανά συγκεκριμένη δραστηριότητα κατά ISO 8996 (2001) Δραστηριότητα Μ(W/m²) Κοιμώμενος 40 Ξαπλωμένος 45 Σε ανάπαυση, όρθιος 55 Περπατώντας στο επίπεδο Χωρίς φορτίο Με φορτίο Περπατώντας σε ανωφέρεια Χωρίς φορτίο Με φορτίο Περπατώντας σε κατωφέρεια Καθιστική δραστηριότητα 70 Όρθια, ήπια δραστηριότητα 93 Όρθια, μέτρια δραστηριότητα 116 Εργασία με μηχανοκίνητο εργαλείο Ήπια 100 Μέτρια 140 Βαριά 210 Εργασία με εργαλείο χειρός Ήπια 100 Μέτρια 160 Βαριά 230 Η επιφάνεια σώματος είναι 1.8 m² άρα πράγματι επιβεβαιώνουμε το αποτέλεσμα του μοντέλου, καθώς η παραγωγή θερμότητας από το μεταβολισμό για όρθια, ήπια δραστηριότητα είναι W/m² και για περπάτημα στο επίπεδο χωρίς φορτίο W/m², αποτελέσματα που συμφωνούν με τα δεδομένα του πίνακα

36 RN(W)/80W Θερμότητα μέσω ακτινοβολίας, RN (Watt) Σύμφωνα με το Σχήμα 4.6, η απορροφούμενη θερμότητα μέσω ηλιακής ακτινοβολίας είναι ανεξάρτητη από την θερμοκρασία δέρματος, την παραγωγή θερμότητας από το μεταβολισμό και από τις θερμοφυσιολογικές παραμέτρους. Από αυτό που πράγματι εξαρτάται είναι η μέση ηλιακή ακτινοβολία. Όπως φαίνεται στα γραφήματα, με την πρώτη έκθεση του ατόμου στην ηλιακή ακτινοβολία του εξωτερικού περιβάλλοντος μετά τη παραμονή σε εσωτερικό χώρο, παρατηρείται ένα πλεόνασμα θερμότητας, το οποίο στα δύο πρώτα λεπτά σταδιακά μειώνεται και αρχίζει να σταθεροποιείται σε μια κατώτερη και σταθερή τιμή, όταν πλέον ο οργανισμός έχει προσαρμοστεί. Το απότομο πλεόνασμα οφείλεται στην έντονη ηλιακή ακτινοβολία του εξωτερικού χώρου συγκριτικά με του εσωτερικού, χωρίς προσαρμογή. Όμως καθώς τα δεδομένα μας αφορούν την παραμονή του ατόμου υπό σκιά, άρα χαμηλά επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας, παρατηρούμε μείωση της θερμότητας μέσω ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια των δύο πρώτων λεπτών μετά τη πρώτη έκθεση στο εξωτερικό περιβάλλον :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (α) 36

37 RN(W)/190W :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0:30 Time(min) (β) Σχήμα 4.6 Χρονική μεταβολή της ροής θερμότητας μέσω ακτινοβολίας για δραστηριότητα α)80w β)190w 37

38 4.3.3 Θερμότητα μέσω μεταφοράς, C (Watt) Η θερμότητα μέσω μεταφοράς σχετίζεται με τη θερμοκρασιακή βαθμίδα μεταξύ δέρματος και αέρα. Εκφράζει την άμεση αντίδραση του οργανισμού στα εξωτερικά ερεθίσματα, όπως είναι οι απότομες αλλαγές στη θερμοκρασία αέρα και η επίδραση της ακτινοβολίας κατά την έκθεση σε εξωτερικό θερμό περιβάλλον υπό μορφή ροής θερμότητας. Πλεόνασμα θερμότητας υπάρχει όταν η θερμοκρασία αέρα είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του δέρματος γιατί έτσι το σώμα δεν έχει το περιθώριο και την ικανότητα να μεταφέρει θερμότητα στο περιβάλλον. Απώλεια, υπάρχει αντίστοιχα όταν η θερμοκρασία δέρματος είναι υψηλότερη από αυτή του αέρα. Τέλος, η σταθεροποίηση της θερμότητας σχετίζεται με τη σταθεροποίηση της θερμοκρασίας δέρματος. Στο Σχήμα 4.7 παρατηρούμε οριακά ένα μικρό πλεόνασμα θερμότητας τα δύο πρώτα λεπτά της μη προσαρμογής του οργανισμού τις πιο θερμές ημέρες, όπου την θερμότερη η μέση θερμοκρασία αέρα είναι 37.4 C και η θερμοκρασία δέρματος σταθεροποιείται στους 36.7 C. Παρ ότι η θερμοκρασία δέρματος είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία αέρα με το πέρας των δύο πρώτων λεπτών παρατηρείται οριακή απώλεια θερμότητας. Αυτό οφείλεται στο ότι το άτομο βρισκόταν υπό σκιά άρα η αισθητή θερμοκρασία ήταν χαμηλότερη από αυτή του αέρα λόγω χαμηλών επιπέδων ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και στην προσαρμοστικότητα του ατόμου. Τις υπόλοιπες μέρες, με χαρακτηριστικό παράδειγμα την πιο κρύα ημέρα, όπου η μέση θερμοκρασία αέρα ήταν 28.1 C και η θερμοκρασία δέρματος σταθεροποιήθηκε στους 35.8 C, παρατηρείται απώλεια θερμότητας από το σώμα, καθώς θερμότητα μεταφέρεται από το σώμα προς το περιβάλλον. 38

39 C(W)/190W C(W)/80W :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0: Time(min) (α) :00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0: Time(min) (β) Σχήμα 4.7 Χρονική μεταβολή της ροής θερμότητας μέσω μεταφοράς για δραστηριότητα α)80w β)190w 39

40 ED(W)/80W Θερμότητα μέσω διάχυσης υδρατμών, ED (Watt) Στο Σχήμα 4.8 φαίνεται η ροή θερμότητας μέσω διάχυσης υδρατμών. Αυτό αφορά τη δημιουργία του ιδρώτα στους υποκείμενους ιστούς του δέρματος και τη διάχυσή του προς το δέρμα. Κατά τη διαδικασία αυτή υπάρχει κατανάλωση ενέργειας που σημαίνει, για τον ανθρώπινο οργανισμό, απώλεια θερμότητας η οποία δικαιολογείται και επιβεβαιώνεται πλήρως από τις αρνητικές τιμές των διαγραμμάτων υπό μελέτη. Η απότομη απώλεια θερμότητας των δύο πρώτων λεπτών ανάγεται στο διάστημα χωρίς προσαρμογή που απαιτείται από τον οργανισμό για να επιτευχθεί η ισορροπία μέσω των θερμορυθμιστικών μηχανισμών. Κατά τη διάρκεια της πιο έντονης δραστηριότητας (Σχήμα 4.8(β)) είναι πιο εύκολο το σώμα να φτάσει σε κορεσμό παραγωγής ιδρώτα και να έχει μικρότερη απώλεια θερμότητας απ ότι σε κατάσταση λιγότερο απαιτητικής δραστηριότητας. Τέλος όσων αφορά τις μετεωρολογικές παραμέτρους, η μικρότερη απώλεια παρατηρείται τις πιο θερμές ημέρες όπως και είναι αναμενόμενο καθώς η ροή θερμότητας μέσω διάχυσης των υδρατμών σχετίζεται με το έντονα θερμό περιβάλλον, την υψηλή παραγωγή θερμότητας λόγω έντονης δραστηριότητας. 0 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0: Time(min) (α) 40

41 ED(W)/190W 0 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0: Time(min) (β) Σχήμα 4.8 Χρονική μεταβολή της ροής θερμότητας μέσω διάχυσης των υδρατμών για δραστηριότητα α)80w β)190w 41

42 ESW(W)/80W Θερμότητα μέσω εξάτμισης ιδρώτα, ESW (Watt) Στην ανάλυση του Σχήματος 4.9 που αφορά τη ροή θερμότητας μέσω εξάτμισης ιδρώτα φαίνεται η κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται από το σώμα για να εξατμιστεί ο ιδρώτας και να επιτευχθεί ο δροσισμός. Κατά την εξάτμιση φαίνεται ότι από το πρώτο λεπτό έχουμε απώλεια θερμότητας η οποία όσο κινούμαστε στον χρονικό άξονα αυξάνεται και τείνει προς σταθεροποίηση. Οι μεγαλύτερες απώλειες παρατηρούνται τις θερμότερες ημέρες εφόσον τότε η θερμοκρασία δέρματος παρουσιάζει υψηλότερες τιμές. Συγκρίνοντας τα Σχήματα 4.9 (α) και 4.9 (β) φαίνεται ότι στη περίπτωση αυξημένης δραστηριότητας έχουμε μεγαλύτερη μετατόπιση στον κάθετο άξονα και αριθμητικά υψηλότερες απώλειες πράγμα που συνάδει απόλυτα με την αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος λόγω άσκησης. 0 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0: Time(min) (α) 42

43 ESW(W)/190W 0 0:00 0:02 0:04 0:06 0:08 0:10 0:12 0:14 0:16 0:18 0:20 0:22 0:24 0:26 0:28 0: Time(min) (β) Σχήμα 4.9 Χρονική μεταβολή της ροής θερμότητας μέσω εξάτμισης του ιδρώτα για δραστηριότητα α)80w β)190w 43

44 4.4 Βιοκλιματικός δείκτης PET ( o C) Ο βιοκλιματικός δείκτης ΡΕΤ(Physiological Equivalent Temperature) εισήχθει από τον Hӧppe και τον Mayer (Hӧppe and Mayer 1987; Mayer and Hӧppe 1987). Ο δείκτης ΡΕΤ ορίζεται ως η φυσιολογική ισοδύναμη θερμοκρασία σε ένα οποιοδήποτε περιβάλλον (εξωτερικό ή εσωτερικό) και είναι ισοδύναμη με τη θερμοκρασία στην οποία, σ ένα τυπικό εσωτερικό περιβάλλον, το θερμικό ισοζύγιο του ανθρώπινου σώματος (παραγόμενο εξωτερικό έργο από ελαφριά δραστηριότητα, 80W; θερμική αντίσταση ενδυμασίας 0.9 clo) διατηρείται, με τις θερμοκρασίες σώματος και δέρματος να είναι ίσες με αυτές που υπολογίζονται κάτω από τις δεδομένες συνθήκες που εξετάζονται. Για το τυπικό εσωτερικό περιβάλλον έχουν γίνει οι εξής παραδοχές: Η μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας ισούται με τη θερμοκρασία αέρα, η ταχύτητα ανέμου έχει οριστεί 0.1 m/s και η πίεση ατμών έχει οριστεί 12 hpa (περίπου ισοδύναμη με σχετική υγρασία 50% σε θερμοκρασία αέρα 20 C ). Ουσιαστικά, ο δείκτης αυτός, ανάγει τη θερμική επιβάρυνση που δέχεται ένα άτομο σε ένα σύνθετο εξωτερικό περιβάλλον, στη θερμική επιβάρυνση που θα δεχόταν σε ένα εσωτερικό χώρο με θερμοκρασία ίση με αυτή του PET. Πίνακας 4.2 Τιμές Βιοκλιματικού Δείκτη PET(C ) Ημερομηνία Τₐ( C ) α.α. PET(80W) PET(190W) 15/07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/

45 Ο δείκτης ΡΕT βοηθά να εκτιμηθεί η αισθητή θερμοκρασία, καθώς είναι πιο εύκολα αντιληπτή η θερμική επιβάρυνση που νιώθει ένα άτομο σε ένα εσωτερικό χώρο συγκεκριμένης θερμοκρασίας παρά η θερμική επιβάρυνση που νιώθει σε ένα εξωτερικό χώρο με πολλές παραμέτρους όπως θερμοκρασία αέρα, υγρασία, ταχύτητα ανέμου, μέση ηλιακή ακτινοβολία. Από τον πίνακα 4.2 προκύπτει ότι την πιο θερμή ημέρα, όπου η θερμοκρασία αέρα στο θερμό εξωτερικό περιβάλλον είναι 37.5 C, η θερμική κατάσταση στην οποία έρχεται το άτομο την συγκεκριμένη ημέρα είναι ισοδύναμη με τη θερμική κατάσταση που θα βρισκόταν κατά τη παραμονή του σε έναν τυπικό εσωτερικό χώρο με θερμοκρασία 42.7 C. 45

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε δυναμική προσομοίωση της ανθρώπινης θερμικής άνεσης μετά τη μετάβαση από ένα εσωτερικό περιβάλλον σε ένα θερμό εξωτερικό περιβάλλον υπό σκιά. Η προσομοίωση επετεύχθει μέσω του μοντέλου ΙΜΕΜ με δεδομένα εισαγωγής δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια πειραμάτων που περιγράφονται από τους Katavoutas et al.(2009). Tα αποτελέσματα του μοντέλου αφορούν θερμοφυσιολογικές παραμέτρους, ροές θερμότητας καθώς και τον βιοκλιματικό δείκτη ΡΕΤ. Διερευνήθηκε η επίδραση του θερμού περιβάλλοντος στις κατανομές αυτών. Πιο συγκεκριμένα, η πορεία των θερμοφυσιολογικών παραμέτρων, η εκτίμηση της θερμικής κατάστασης του ατόμου καθώς και η εξάρτηση αυτής από το επίπεδο δραστηριότητας, το χρόνο έκθεσης και το χρόνο προσαρμογής στο θερμό περιβάλλον. Από τη μελέτη των θερμοφυσιολογικών παραμέτρων βρέθηκε ότι: Η θερμοκρασία δέρματος έχει αυξητική πορεία για περίπου 6 λεπτά, κυμαίνεται σε υψηλότερα επίπεδα τις θερμότερες ημέρες και αρχίζει να σταθεροποιείται όταν ο οργανισμός προσαρμοστεί στο θερμό περιβάλλον. Η θερμοκρασία σώματος παρουσιάζει μικρότερη αύξηση και διατηρείται σε γενικές γραμμές σταθερή. Η θερμοκρασία του ρούχου ακολουθεί τη θερμοκρασία αέρα καθώς δεν εξαρτάται από θερμοφυσιολογικές παραμέτρους. Η απώλεια ιδρώτα και ομοίως το ποσοστό της επιφάνειας του σώματος που είναι καλυμμένο από ιδρώτα, αυξάνονται στο πέρασμα των 30 λεπτών και αποδεικνύουν τη δράση του μηχανισμού της εφίδρωσης. Από τη μελέτη των ροών θερμότητας από και προς το ανθρώπινο σώμα προκύπτει συνοπτικά ότι: H εσωτερική παραγωγή θερμότητας έχει τις σταθερές προβλεπόμενες τιμές ανάλογα με τη δραστηριότητα του ατόμου. Η ροή θερμότητας μέσω ακτινοβολίας παρουσιάζει ένα μικρό πλεόνασμα θερμότητας πράγμα λογικό εφόσον τα δεδομένα αφορούν τη παραμονή του ατόμου υπό σκιά άρα χαμηλά επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας. 46

47 Η ροή θερμότητας μέσω μεταφοράς έχει σαν αποτέλεσμα απώλεια θερμότητας από το σώμα, η οποία τις θερμές ημέρες είναι ποσοτικά χαμηλότερη από την αντίστοιχη τις λιγότερο θερμές ημέρες, που έχει να κάνει με την θερμοκρασία δέρματος. Η ροή θερμότητας μέσω διάχυσης των υδρατμών έχει και αυτή σαν αποτέλεσμα την απώλεια θερμότητας από το σώμα και παρουσιάζει μία εν γένει πτωτική πορεία, με την απώλεια να είναι πιο έντονη στο διάστημα χωρίς προσαρμογή. Η ροή θερμότητας μέσω εξάτμισης του ιδρώτα, η οποία επίσης συμμετέχει στην απώλεια θερμότητας, παρουσιάζει αυξητική πορεία η οποία γίνεται πιο έντονη όταν το άτομο έχει προσαρμοστεί. Από τη διερεύνηση των τιμών του βιοκλιματικού δείκτη ΡΕΤ προκύπτει ότι τις πιο θερμές ημέρες, η διαφορά μεταξύ θερμοκρασία αέρα και ΡΕΤ είναι μεγάλη άρα η θερμική επιβάρυνση είναι αξιοσημείωτη. Τις ψυχρότερες αντίθετα, η διαφορά του ΡΕΤ με τη θερμοκρασία αέρα παρουσιάζει μία σταθερή διαφορά της τάξης του ενός με δύο βαθμούς. Από τα παραπάνω έπεται ότι η αισθητή θερμοκρασία σε έντονα θερμό περιβάλλον είναι πολύ υψηλότερη από την καταγραφόμενη μετεωρολογικά θερμοκρασία ενώ σε ένα ήπιο θερμοκρασιακά περιβάλλον, κυμαίνονται περίπου στα ίδια επίπεδα. 47