熱交換

人体は、さまざまな経路によって環境と熱を交換します。接触する表面全体の伝導、周囲空気との対流と蒸発、および隣接する表面との放射です。

伝導

伝導とは、接触している XNUMX つの固体間の熱の伝達です。 このような交換は、皮膚と衣服、履物、ツボ（シート、ハンドル）、ツールなどの間で観察されます。 実際には、熱バランスの数学的計算では、この伝導による熱流は、これらの表面が他の材料と接触していない場合に発生する対流および放射による熱流に等しい量として間接的に近似されます。

対流

対流とは、皮膚とその周囲の空気との間の熱の移動です。 皮膚温なら、 t_sk、単位は摂氏 (°C) で、気温 (t_a)、皮膚と接触する空気は加熱され、その結果上昇します。 自然対流として知られる空気循環は、このようにして身体の表面で確立されます。 周囲の空気が一定の速度で皮膚の上を通過すると、この交換が大きくなります。対流が強制されます。 対流によって交換される熱流、 C, 単位はワット/平方メートル (W/m²)、次のように推定できます。

C = h_c F_clC (t_sk - t_a)

コラボレー h_c は対流係数 (W/°C m²)、これは次の差の関数です。 t_sk & t_a 自然対流の場合、および空気速度の場合 V_a (単位 m/s) 強制対流中。 F_clC 衣類が対流熱交換を減少させる要因です。

放射線

すべての物体は電磁放射を放出しており、その強度はその絶対温度の XNUMX 乗の関数です。 T (単位はケルビン K)。 温度が 30 ～ 35°C (303 ～ 308K) の皮膚は、赤外線ゾーンにあるこのような放射線を放出します。 さらに、隣接する表面から放射される放射を受け取ります。 放射によって交換される熱流、 R (W/m)²)、ボディとその周囲の間の距離は、次の式で表すことができます。

ここで、

s は放射の普遍定数 (5.67 × 10-8 W/m² K⁴)

e は皮膚の放射率で、赤外線放射の場合は 0.97 に等しく、波長とは無関係です。太陽放射の場合、白人の被験者の皮膚では約 0.5、黒人の被験者の皮膚では 0.85 です。

A_R/A_D は交換に参加する体表面の割合であり、被験者がしゃがんでいるか、座っているか、立っているかに応じて、0.66、0.70、または 0.77 のオーダーです。

F_clR 衣服が輻射熱交換を減少させる要因

T_sk (単位は K) は平均皮膚温度です。

T_r (単位は K) は、環境の平均放射温度です。つまり、対象を取り囲み、実際の環境と同じ量の熱を交換する直径の大きな黒いマット球の均一な温度です。

この式は、対流による交換と同じタイプの単純化された方程式に置き換えることができます。

R = h_r (A_R/A_D)F_clR (t_sk - t_r)

コラボレー h_r は放射による交換係数 (W/°C m²).

蒸発

すべての湿った表面には、水蒸気で飽和した空気の層があります。 大気自体が飽和していない場合、蒸気はこの層から大気に向かって拡散します。 その後、層は、冷却される湿った表面で蒸発熱 (水 0.674 グラムあたり XNUMX ワット時) を利用することによって再生される傾向があります。 皮膚全体が汗で覆われている場合、蒸発は最大になります (E_マックス) であり、次の式によると、周囲条件のみに依存します。

E_マックス =h_e F_PCL (P_sk、s -P_a)

ここで、

h_e は蒸発による交換係数 (W/m²kPa）

P_sk、s は、皮膚の温度における水蒸気の飽和圧力です (kPa で表されます)。

P_a は周囲の水蒸気の分圧 (kPa で表される)

F_PCL 衣類による蒸発による交換の減少要因です。

衣服の断熱

補正係数は、衣服を考慮に入れるために、対流、放射、および蒸発による熱流の計算に作用します。 綿の衣類の場合、XNUMXつの削減要因 F_clC & F_clR によって決定される場合があります。

F_cl = 1/(1+(h_c+h_r)I_cl)

ここで、

h_c 対流による交換係数

h_r は放射線による交換係数

I_cl は効果的な断熱 (m²/W) 衣類の。

蒸発による熱伝達の減少に関しては、補正係数 F_PCL は次の式で与えられます。

F_PCL = 1 /（1+2.22h_c I_cl)

衣類の保温 I_cl mで表されます²/W または in clo。 1 clo の断熱材は 0.155 m に相当します²/W であり、たとえば、通常のタウンウェア (シャツ、ネクタイ、ズボン、ジャケットなど) によって提供されます。

ISO 規格 9920 (1994 年) は、衣類のさまざまな組み合わせによる断熱性を示しています。 熱にさらされる条件下で熱を反射するか、蒸気の透過性を制限するか、または寒冷ストレスの条件下で吸収および断熱する特別な防護服の場合、個々の補正係数を使用する必要があります。 しかし、今日まで、この問題はほとんど理解されておらず、数学的予測は非常に近似的なままです。

作業状況の基本パラメータの評価

上記のように、対流、放射、蒸発による熱交換は、XNUMX つの気候パラメーター (気温) の関数です。 t_a °C 単位の蒸気圧で表される空気の湿度 P_a kPa 単位、平均放射温度 t_r °C、および空気速度 V_a メートル/秒で。 環境のこれらの物理的パラメータを測定するための機器と方法は、使用するさまざまなタイプのセンサーを記述し、測定範囲と精度を指定し、特定の測定手順を推奨する ISO 標準 7726 (1985) の主題です。 このセクションでは、最も一般的な電化製品および装置の使用条件を特に参照して、その規格のデータの一部を要約します。

大気温

気温（t_a) 熱放射とは無関係に測定する必要があります。 測定精度は、0.2～10℃の範囲で±30℃、範囲外で±0.5℃です。

市場には数多くの種類の温度計があります。 水銀温度計が最も一般的です。 それらの利点は、最初に正しく校正されていれば、精度です。 主な欠点は、応答時間が長く、自動記録機能がないことです。 一方、電子体温計は、一般に応答時間が非常に短い (5 秒から 1 分) が、校正に問題がある場合がある。

温度計の種類に関係なく、センサーは放射線から保護する必要があります。 これは通常、センサーを囲む光沢のあるアルミニウムの中空シリンダーによって保証されます。 このような保護は、次のセクションで説明する乾湿計によって保証されます。

水蒸気分圧

空気の湿度は、次の XNUMX つの異なる方法で特徴付けることができます。

1. 露点温度: 湿度で飽和するために空気を冷却しなければならない温度 (t_d、℃）

2. 水蒸気の分圧: 水蒸気による大気圧の割合 (P_a、kPa)

3.相対湿度 （RH）であり、次の式で与えられます。

RH = 100・P_a/P_S,ta

ここでP_S,ta は気温に関連する飽和蒸気圧です。

4. 湿球温度 (t_w)、これは、放射から保護され、周囲空気によって 2 m/s 以上で換気された湿ったスリーブによって達成される最低温度です。

これらの値はすべて数学的に関連付けられています。

飽和水蒸気圧 P_Ｓ、ｔ どんな温度でも t によって与えられます：

一方、水蒸気の分圧は次のように温度に関連付けられます。

P_a = P_Ｓ、２ - (t_a - t_w)/15

コラボレー P_Ｓ、２ は湿球温度での飽和蒸気圧です。

乾湿計図 (図 1) では、これらすべての値を組み合わせることができます。 それは以下を含みます：

図 1.乾湿図。

• セクションに y 軸、水蒸気の分圧の目盛り P_a、kPaで表される

• セクションに x 軸、気温のスケール

• 一定の相対湿度の曲線

• 一定の湿球温度の斜めの直線。

• 実際に最も頻繁に使用される湿度のパラメータは次のとおりです。

• 湿度計またはより特殊な電子機器によって測定された相対湿度

• 乾湿計で測定した湿球温度。 これから、熱収支の分析に最も使用されるパラメータである水蒸気の分圧が導き出されます。

推奨される測定範囲と精度は、0.5 ～ 6 kPa および ±0.15 kPa です。 湿球温度の測定では、範囲は0～36℃で、気温と同じ精度です。 相対湿度を測定するための湿度計に関しては、範囲は 0 ～ 100% で、精度は ±5% です。

平均放射温度

平均放射温度 (t_r) は以前に定義されています。 次の XNUMX つの方法で決定できます。

1.黒球温度計で測定した温度より

2. XNUMX つの垂直軸に沿って測定された平面放射温度から

3. 異なる放射線源の影響を統合して計算する。

ここでは、最初の手法のみを確認します。

黒球温度計は熱プローブで構成されており、その感応素子は完全に閉じた球の中心に配置され、熱の良導体 (銅) である金属で作られ、係数を持つようにつや消し黒に塗装されています。 1.0 に近い赤外域での吸収率。 球体は職場に配置され、対流と放射による交換を受けます。 地球の温度 (t_g) は、平均放射温度、気温、および風速に依存します。

直径 15 cm の標準的な黒球の場合、放射の平均温度は、次の式に基づいて球の温度から計算できます。

実際には、地球儀の放射率を 1.0 近くに維持する必要性を強調する必要があります。

このタイプのグローブの主な制限は、応答時間が長いことです (使用するグローブのタイプと周囲の条件によって、20 ～ 30 分程度)。 測定は、この期間中の放射条件が一定である場合にのみ有効であり、これは産業環境では常に当てはまるとは限りません。 その場合、測定は不正確になります。 これらの応答時間は、通常の水銀温度計を使用して、直径 15 cm の地球に適用されます。 熱容量の小さいセンサーを使用したり、球体の直径を小さくすると、それらは短くなります。 したがって、上記の式は、この直径の違いを考慮して修正する必要があります。

WBGT 指数は、黒球の温度を直接利用します。 その場合、直径 15 cm のグローブを使用することが不可欠です。 一方、他の指標は平均放射温度を利用します。 応答時間を短縮するために、より小さな球体を選択できますが、それを考慮して上記の式を修正する必要があります。 ISO 規格 7726 (1985) では、温度の測定で ±2ºC の精度が認められています。 t_r 10 ～ 40 ℃、およびその範囲外 ±5 ℃。

風速

風速は、空気の流れの方向を無視して測定する必要があります。 それ以外の場合、測定は XNUMX つの垂直軸で行う必要があります (x、y & z) およびベクトル和によって計算されたグローバル速度:

ISO 規格 7726 で推奨される測定範囲は、0.05 ～ 2 m/s です。必要な精度は 5% です。 1 分または 3 分の平均値として測定する必要があります。

風速を測定するための器具には、羽根付き風速計と熱風速計の XNUMX つのカテゴリがあります。

ベーン風速計

測定は、一定時間のベーンの回転数をカウントすることによって行われます。 このようにして、その期間中の平均速度が不連続に得られます。 これらの風速計には XNUMX つの主な欠点があります。

1. それらは非常に指向性が高く、空気の流れの方向に厳密に向ける必要があります。 これが曖昧または不明な場合は、直角に XNUMX 方向で測定する必要があります。
2. 測定範囲は約0.3m/s～10m/sです。 この低速度の制限は、たとえば、0.25 m/s の速度を超えてはならないことが一般的に推奨されている熱的快適性状況を分析する問題である場合に重要です。 測定範囲は 10 m/s を超えることもありますが、0.3 または 0.5 m/s を下回ることはほとんどありません。これにより、最大許容速度が 0.5 または 0.25 m/s である快適に近い環境での使用の可能性が大幅に制限されます。秒。

熱線風速計

これらの機器は、ダイナミック レンジが基本的に 0 ～ 1 m/s に及ぶという意味で、ベーン式風速計を補完するものです。 それらは、空間のある点での速度の瞬間的な推定値を提供するアプライアンスです。したがって、時間と空間の平均値を使用する必要があります。 これらのアプライアンスは多くの場合、非常に指向性が高く、上記の注意事項も当てはまります。 最後に、測定値は、アプライアンスの温度が評価対象の環境の温度に達した瞬間からのみ正確になります。

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