Tương quan về năng lượng giữa con người và công trình

Cơ thể con người bao gồm khoảng 100 nghìn tỷ tế bào (Hình 1). Một tế bào là đơn vị cơ bản nhất của cấu trúc và chức năng trong các sinh vật sống.

Các tế bào thực hiện các quá trình giữ cho các sinh vật sống và trong cơ thể con người có nhiều loại khác nhau như tế bào thần kinh, tế bào máu và tế bào xương. Mô là một nhóm các tế bào tương tự thực hiện cùng chức năng. Có bốn loại mô cơ bản trong cơ thể của tất cả các loài động vật; mô biểu mô như da, hoạt động như một lớp bảo vệ và giao tiếp với môi trường, liên kết để kết nối mọi thứ với nhau, mô cơ (cơ thực hiện bất kỳ công việc cơ học bên ngoài nào) và mô thần kinh để nhận biết và truyền đạt thông tin. Các cơ quan như dạ dày, tim, não và phổi là các cấu trúc bao gồm các loại mô khác nhau. Trái tim về cơ bản là một máy bơm vận chuyển máu liên tục qua cơ thể bạn và tiếp xúc với cả bốn loại mô. Mỗi cơ quan trong cơ thể bạn là một phần của hệ thống cơ quan, trong đó có mười hai cơ thể người. Ví dụ, trái tim là một phần của hệ thống tuần hoàn, mang oxy và các vật liệu khác trên khắp cơ thể.

Thực phẩm (carbohydrate, chất béo và protein) được đốt cháy từ từ để cho phép trao đổi chất, các quá trình vật lý và hóa học trong con người cần thiết để duy trì sự sống. Trong các quá trình này, các phân tử lớn được chia thành các phân tử nhỏ hơn và các phân tử khác cần thiết cho cơ thể được tạo ra. Trong các phản ứng hóa học này, năng lượng được giải phóng và hấp thụ, trong khi lõi bên trong được duy trì ở nhiệt độ không đổi khoảng 37°C.

Con người, giống như tất cả các sinh vật khác, nhận thức thế giới thông qua một bộ lọc được phát triển bởi quá trình tiến hóa. Có những bước sóng ánh sáng và tần số âm thanh mà các động vật hoặc côn trùng khác có thể nhìn thấy và nghe thấy mà chúng ta vẫn không biết. Trong thiết kế các tòa nhà, chúng ta thường quan tâm đến việc tạo điều kiện thoải mái cho con người, điều đó có nghĩa là chúng ta đang đối phó với phạm vi ánh sáng và âm thanh mà con người cảm nhận được và cảm giác nhiệt do nhiệt độ và độ ẩm cảm nhận từ cơ thể con người. Con người, giống như phần lớn các loài động vật có vú và chim và không giống như hầu hết các loài bò sát, cá và côn trùng, là một sinh vật ấm áp, và do đó cần phải duy trì nhiệt độ bên trong không đổi bất kể điều kiện môi trường mà anh ta tìm thấy chính mình (homoeostocation). Điều này đòi hỏi một sự cân bằng tạo nhiệt trong cơ thể và mất nhiệt cho môi trường. Tốc độ trao đổi chất cơ bản là tốc độ trao đổi chất cần thiết để duy trì các chức năng cơ thể cơ bản khi bụng đói mà không thực hiện bất kỳ hoạt động nào. Độ lớn thay đổi từ khoảng 4200 kJ (1000 Calo) đối với một phụ nữ cao tuổi đến khoảng 8400 kJ (2000 Calo) mỗi ngày đối với một nam giới trẻ.

Điều này tương đương với tốc độ tiêu thụ năng lượng trong khoảng từ 50 đến 100 W. Một phần lớn năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt trong cơ thể và mất do truyền nhiệt ra môi trường. Tốc độ hoạt động tăng dẫn đến tăng năng lượng trong cơ thể và tổng nhiệt sinh ra bằng tốc độ trao đổi chất cơ bản cộng với tốc độ trao đổi chất do hoạt động. Tỷ lệ sản xuất nhiệt tăng này thay đổi từ khoảng 25% khi ngồi yên lặng đến hơn 1000% cho các hoạt động thể thao rất chuyên sâu. Với mức độ hoạt động tăng, tốc độ ăn vào cũng phải tăng để duy trì cân bằng năng lượng. Mặt khác, nếu ăn nhiều thực phẩm hơn mức cần thiết, tức là nhiều năng lượng hơn nhu cầu của cơ thể cho các hoạt động được thực hiện, năng lượng này sẽ được lưu trữ trong cơ thể dưới dạng chất béo. Sự sinh nhiệt là kết quả của quá trình trao đổi chất được định lượng trực tiếp trong Watts hoặc với đơn vị Met đặc biệt (Hình 2). Một người gặp tương đương 58 W/m2 dựa trên diện tích bề mặt da bên ngoài của cơ thể. Diện tích da cơ thể người thay đổi từ khoảng 1.5 đến 2m2. Sự sinh nhiệt của một người trung bình khi nghỉ ngơi bằng 1 Met. Giả sử diện tích bề mặt trung bình là 1.75 m2, điều này cho công suất nhiệt xấp xỉ 102 W (tốc độ trao đổi chất khi nghỉ ngơi này cao hơn tốc độ trao đổi chất cơ bản). Tùy thuộc vào hoạt động được thực hiện, một phần năng lượng được tạo ra được chuyển đổi thành công việc, nhưng cuối cùng tất cả năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt trong không gian.

Hình 1: Con người

Cơ thể con người phải liên tục truyền nhiệt ra môi trường để duy trì nhiệt độ lõi không đổi, do đó ngay cả khi chúng ta sưởi ấm không gian trong mùa đông để đạt được sự thoải mái về nhiệt, thực tế chúng ta quan tâm đến việc giảm sự làm mát của cơ thể con người xuống mức Phù hợp với sự sinh nhiệt bên trong. Nếu nhiệt này không liên tục được loại bỏ khỏi cơ thể, nhiệt độ lõi tăng lên đến mức có hại với các hậu quả tiềm ẩn. Quá trình duy trì nhiệt độ bên trong cơ thể không đổi, không phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh, được gọi là điều chỉnh nhiệt. Hệ thống điều khiển, điều chỉnh sự cân bằng nhiệt trong cơ thể con người, bao gồm các thụ thể lạnh cục bộ phân bố trên toàn bộ bề mặt da (Điểm đặt dưới khoảng 33°C) và các thụ thể nhiệt trung tâm trong não (điểm đặt trên 37°C). Da, cơ quan lớn nhất trong cơ thể con người, đóng vai trò chính trong quá trình này.

Hình 2: Tạo nhiệt cho các hoạt động khác nhau

Hình 3: Da người

Hình 4: Điều hòa lưu lượng máu

Da, với độ dày xấp xỉ 2.5 mm, tạo thành giao diện chính giữa cơ thể và môi trường (Hình 3). Nó cũng là nguồn cảm giác chính. Để duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi, nhiệt được truyền đến bề mặt da thông qua lưu lượng máu và thải ra môi trường trước khi quay trở lại lõi của cơ thể. Lưu lượng máu đến bề mặt da được điều chỉnh bởi hệ thống thần kinh theo yêu cầu truyền nhiệt (Hình 4). Với hoạt động tăng lên, sự sinh nhiệt trong lõi tăng lên và do đó lưu lượng máu đến bề mặt cơ thể bên ngoài được tăng lên để cân bằng việc sản xuất nhiệt dư thừa với sự gia tăng mất nhiệt cho môi trường. Sự gia tăng cần thiết về tốc độ mất nhiệt do tăng hoạt động hoặc môi trường xung quanh ấm hơn được thực hiện bởi một quá trình được gọi là giãn mạch. Các mạch dưới da tăng trong khu vực cắt ngang để cho phép lưu lượng máu tăng. Ở một số người, sự xuất hiện rõ ràng, vì da của họ trở nên đỏ hơn. Trong điều kiện lạnh, sự co mạch của các mạch dưới da hạn chế lưu lượng máu để giảm mất nhiệt và da trở nên nhạt màu hơn. Lưu lượng máu càng cao, nhiệt độ da càng cao và dẫn nhiệt ra môi trường, miễn là nhiệt độ của môi trường xung quanh thấp hơn nhiệt độ cơ thể.

Nhiệt độ da trung bình của một người ít vận động trong môi trường thoải mái là từ 32 đến 34°C, trong khi đó nhiệt độ lõi vẫn gần như không đổi ở khoảng 37°C. Trong điều kiện thay đổi, bề mặt bên ngoài của cơ thể thay đổi nhiệt độ để đáp ứng với môi trường xung quanh, trong khi nhiệt độ trong lõi không đổi (Hình 5). Trong điều kiện lạnh, máu được chuyển ra khỏi các bộ phận ngoại vi của cơ thể, khiến nhiệt độ của chúng giảm xuống.

Hình 5: Nhiệt độ lõi và vùng nhiệt độ, cơ thể con người

Sự hình thành của da ngỗng là một phản ứng ngược với thời gian chúng ta có nhiều lông trên cơ thể, sau đó đứng lên tạo thành một lớp không khí cách nhiệt để giảm mất nhiệt. Rùng mình và ra mồ hôi là những hình thức điều nhiệt khác. Khi môi trường quá lạnh, cơ thể sẽ cố gắng đạt được sự cân bằng bằng cách tăng chuyển động cơ bắp không tự nguyện và do đó sinh nhiệt. Khi một môi trường quá nóng, tốc độ mồ hôi cao hơn được sử dụng trong nỗ lực tăng tổn thất nhiệt do bốc hơi.

Quá trình liên tục sản xuất nhiệt trong lõi cơ thể (phụ thuộc vào hoạt động) và mất nhiệt từ cơ thể (phụ thuộc vào điều kiện môi trường) để duy trì nhiệt độ cơ thể lõi không đổi tạo thành cơ sở của sự hiểu biết về tiện nghi nhiệt. Trong môi trường nhiệt độ thoải mái, sự cân bằng giữa sinh nhiệt trong cơ thể và mất nhiệt ra môi trường xung quanh được duy trì bằng cách điều hòa lưu lượng máu qua bề mặt da, mà không cần cơ thể phải dùng đến các biện pháp như run hoặc đổ mồ hôi.

Cơ thể mất nhiệt bởi cả ba chế độ truyền nhiệt hợp lý và cũng do bốc hơi hơi nước từ da và phổi. Mất nhiệt từ một người ít vận động ở nhiệt độ phòng thấp hơn chủ yếu là do bức xạ và đối lưu. Ở nhiệt độ cao hơn, sự mất nhiệt tiềm ẩn do sự bốc hơi của độ ẩm từ da (mồ hôi) tăng (Hình 6). Do đó, tiện nghi nhiệt trong không gian phụ thuộc vào nhiệt độ không khí trong không gian (đối lưu), nhiệt độ bề mặt xung quanh (bức xạ) và độ ẩm tương đối (bay hơi) (Hình 7). Sự chuyển động không khí xung quanh cơ thể ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt đối lưu và mất nhiệt do bay hơi. Những thông số này phần lớn xác định những gì được gọi là tiện nghi nhiệt toàn cầu. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự thoải mái nhiệt cục bộ và cũng rất quan trọng trong việc đạt được một môi trường nhiệt thoải mái. Chúng bao gồm bức xạ mặt trời trực tiếp, bản nháp do chuyển động không khí quá mức, đặc biệt nếu không khí mát mẻ, bức xạ nhiệt không đối xứng, tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nóng hoặc lạnh (ví dụ: Sàn nhà nếu đi chân trần) và độ dốc nhiệt độ dọc.

Hình 6: Mất nhiệt từ cơ thể con người

Hình 7: Các yếu tố cho sự thoải mái nhiệt trong một không gian

Như chúng ta sẽ thấy ngay, nhiệt độ không khí và nhiệt độ của các bề mặt xung quanh có tầm quan trọng gần như bằng nhau. Nhiệt độ bức xạ trung bình được định nghĩa là nhiệt độ của vỏ bọc tưởng tượng trong đó sự truyền nhiệt bức xạ với cơ thể con người sẽ chính xác bằng với sự truyền nhiệt bức xạ thực tế trong không gian được xem xét.

Hoạt động hoặc kết quả nhiệt độ khô được định nghĩa là nhiệt độ của vỏ bọc tưởng tượng trong đó sự truyền nhiệt với cơ thể con người sẽ chính xác bằng với sự truyền nhiệt thực tế bằng bức xạ và đối lưu trong không gian được xem xét. Do đó, đây là một biện pháp hiệu quả hơn nhiều so với việc chỉ rõ nhiệt độ không khí, tùy thuộc vào nhiệt độ bề mặt trung bình của môi trường xung quanh có thể đưa ra đánh giá về sự thoải mái không chính xác.

Phương trình cân bằng nhiệt cơ bản cho một người trong một không gian, ví dụ như trong một văn phòng (Hình 8). Ở điều kiện trạng thái ổn định, nhiệt tạo ra bởi quá trình trao đổi chất và hoạt động bằng với nhiệt mất do đối lưu, bức xạ và bay hơi. Năng lượng nhiệt cần thiết để làm ấm không khí chúng ta hít thở và nhiệt bị mất do dẫn đến các bề mặt chúng ta tiếp xúc bị bỏ qua, vì hiệu quả trong hầu hết các trường hợp là không đáng kể. Đối lưu và bức xạ tạo thành sự mất nhiệt hợp lý, tức là nhiệt gây ra sự thay đổi nhiệt độ.

Hình 8: Điều kiện tiện nghi nhiệt

Để đơn giản, chúng ta giả định rằng nhiệt độ không khí trong phòng và nhiệt độ bức xạ trung bình là bằng nhau. Nếu không, chúng ta sẽ cần tính toán tổn thất nhiệt bằng bức xạ và đối lưu riêng biệt. Giả sử tỷ lệ trao đổi chất là 1.2 met cho công việc văn phòng và diện tích lớp vỏ 1.75 m2, nhiệt lượng sinh ra có thể được tính là 122W.

Tiếp theo, chúng ta chuyển sang tổn thất nhiệt. Các tổn thất nhiệt hợp lý có thể được tính theo cách tương tự như tổn thất nhiệt từ tòa nhà như được mô tả trong chương hai, cụ thể là sản phẩm của diện tích bề mặt bên ngoài và chênh lệch nhiệt độ chia cho tổng điện trở nhiệt. Động lực của sự khác biệt nhiệt độ trong trường hợp này là sự khác biệt giữa nhiệt độ lớp vỏ và nhiệt độ của căn phòng. Khu vực được lấy là khu vực lớp vỏ bên ngoài. Sức cản nhiệt là do quần áo, hoạt động như một hình thức cách nhiệt và sức cản của lớp không khí trên bề mặt bên ngoài của cơ thể mặc quần áo. Độ bền nhiệt của quần áo được đo bằng Clo, theo đó một Clo tương đương với điện trở 0.155 m2K/W. Giá trị tiêu biểu là 0 Clo cho cơ thể trần trụi, 0.5 Clo cho trang phục công sở vào mùa hè, 1 Clo cho trang phục công sở vào mùa đông và 2 Clo cho quần áo ngoài trời trong thời tiết mùa đông lạnh. Chúng tôi sẽ giả sử 1 Clo cho quần áo. Điện trở của lớp không khí là nghịch đảo của hệ số truyền nhiệt kết hợp do đối lưu và bức xạ. Giả sử các giá trị 3 W/m2K và 5 W/m2K tương ứng cho đối lưu và bức xạ, điện trở của lớp không khí được tính là 0.125 m2K/W. Điện trở này nối tiếp với điện trở do quần áo và, như đã thấy trong chương hai, tổng điện trở bằng tổng của hai điện trở riêng lẻ này, cho giá trị 0.28 m2K/W.

Cơ thể con người chủ yếu bao gồm nước, và lượng nước mất hàng ngày khoảng 2 đến 2.5 lít cần phải được bổ sung liên tục bằng cách ăn và uống. Trong một môi trường nhiệt độ thoải mái, khoảng 1.2 lít hoặc 1200 gram lượng nước mất này là do hơi thở và sự bốc hơi từ da, theo đó