Гигиеническое значение движения воздуха

В гигиенических исследованиях имеет значение как изучение направления движения воздушных масс, так и его скорости. Направление движения воздуха определяет климато-погодные условия в отдельных регионах. В некоторых случаях оно является решающим климато-погодным фактором. Направление движения воздушных масс связано с созданием в приземном слое атмосферы участков с различным барометрическим давлением, в результате чего воздушные массы движутся из участков с повышенным давлением в зоны с пониженным давлением. Скорость данного передвижения (скорость ветра) зависят от барометрического градиента (разницы показателей барометрического давления). Типично влияние направления ветров на климато-погодные условия южных районов Приморья, где муссонный климат в зимний период обусловлен движением воздушных масс из региона мощных антициклонов (зон с повышенным атмосферным давлением), формирующихся на обширных пространствах материковой части Сибири. В результате в зимний период в Приморье преобладают ветры северного направления, достаточно высокой интенсивности. Причем чем ниже температура воздуха, тем выше скорость ветра, что является существенной особенностью зимнего муссона южного Приморья, определяющей значительную так называемую жесткость или суровость погоды (сущность понятий описана в соответствующем разделе настоящего методического пособия).

В гигиенических исследования изучение направления движения воздушных масс (ветра) имеет большое значение при гигиеническом обосновании возможности размещения в определенных климатических зонах предприятий с разным классом вредности, при установлении санитарно-защитных зон от источников загрязнения атмосферы, при функциональном зонировании жилых и промышленных районов города и населенных пунктов, в частности при решении вопросов размещения промышленных предприятий, лечебно-профилактических, детских учреждений, рекреационных зон, спортивных сооружений, отдельных зданий различного назначения, в том числе жилых, и т.д.

Что касается влияния движения воздуха непосредственно на организм человека, то оно в основном сводится к увеличению теплоотдачи с поверхности тела. В условиях низкой температуры окружающей среды это имеет неблагоприятное значение, способствуя увеличению теплоотдачи за счет конвенции, что приводит нередко к излишнему охлаждению организма и развитию различных заболеваний, имеющих этиопатогенетическую связь с данным фактором.

В жаркие же дни ветер является благоприятным фактором, соответственно увеличивая теплоотдачу путем конвекции и испарения, предохраняя организм от перегревания. Однако при температуре воздуха выше температуры тела и высокой влажности повышенная скорость движения воздуха не способствует увеличению теплоотдачи, а наоборот, обеспечивает дополнительную тепловую нагрузку на организм за счет постоянного воздействия нагретого воздуха. Тепловая нагрузка в данных условиях не может быть уменьшена путем испарения пота и конвекции.

Следует отметить, что сильный и особенно продолжительный ветер может обусловливать ухудшение самочувствия и нервно-психического состояния человека, а также вызывать обострение некоторых хронических заболеваний. Вместе с тем, большая скорость движения воздуха (>20 м/с) нарушает нормальный ритм дыхания, увеличивает нагрузку при ходьбе и выполнении физической работы на открытом воздухе. Поэтому наиболее оптимальным с гигиенической точки зрения, даже в летнее время, является умеренный ветер со скоростью 4 м/с.

Практическая реализация учета направления ветров осуществляется с помощью графического изображения повторяемости ветров в той или иной местности, носящего название «розы ветров». Роза ветров обычно строится по результатам многолетних наблюдений для различных промежутков времени – год, полугодие, сезон, месяц. В градостроительстве учитывается роза ветров, построенная на основании не менее, чем за 50-леьний период наблюдений. Исходными данными для построения розы ветров служат результаты ежедневных наблюдений направления ветров на метеорологических станциях. При этом учитывается число возникновения ветров в процентах по каждому румбу из 8 или 16, чаще из 8.

Для построения розы ветров необходимы исходные данные о повторяемости направлений ветра в процентах за конкретный промежуток времени. При этом учитываются и дни штиля. От центра по направлению румбов откладывают в условном, удобном масштабе отрезки линий, соответствующие проценту повторяемости направления ветра, концы которых соединяют ломанной линией. Штиль на розе ветров изображают в виде окружности, расположенной в центре графика.

Анализ розы ветров необходим при проведении предупредительного санитарного надзора за планировкой и застройкой городов, в частности, за разработкой генеральных планов населенных пунктов. Очень важен учет розы ветров, как указывалось выше, при решении вопросов размещения лечебно-профилактических, детских учреждений с целью предупреждения негативных влияний окружающей застройки на состояние атмосферного воздуха в районе этих учреждений.

Пример построения розы ветров. Перед гигиенистом, рассматривающим проект размещения лечебно-профилактического учреждения в черте населенного пункта, стоит задача его согласования с учетом розы ветров. Повторяемость ветров по результатам 50-летних наблюдений была следующей: С – 19%, СВ – 42%, В – 12%, ЮВ – 5%, Ю – 8%, ЮЗ – 6%, З – 4%, СЗ – 4%.

Выбирается масштаб для построения розы ветров. В данном случае удобен масштаб, предполагающий соответствие 1,5 см 10% повторяемости направления ветров. На рисунке 18 демонстрируется роза ветров, построенная с учетом представленных выше условий. При ее анализе очевидно, что при решении вопросов планировки и застройки населенных мест лечебно-профилактические, детские учреждения, рекреационные зоны должны располагаться с северной, северо-восточной и восточной сторон населенного пункта, так как это предотвратит поступление в районы их размещения воздушных масс из зон населенного пункта, воздух которых может загрязняться за счет выбросов промышленных предприятий, автотранспорта и т.д. Соответственно промышленные предприятия или объекты, могущие обусловить загрязнение атмосферного воздуха, должны располагаться со стороны других румбов.

Рис. 18. Роза ветров

Очень важен учет розы ветров при решении вопросов ориентации фасадов зданий. Если предположить, что построенная роза ветров характерна для зимнего времени, то по возможности следует избегать С, СВ и В ориентации основных фасадов зданий для предупреждения негативного воздействия на микроклимат помещений высокого ветрового напора, могущего повлечь за собой значительное снижение температуры воздуха в них.

Огромное значение учета розы ветров при планировке и застройке населенных мест имеет в условиях муссонного климата, а значит в Южном Приморье, в частности, в г. Владивостоке, где направление ветров может стать решающим для формирования микроклимата микрорайонов, отдельных зданий и помещений. Ведение строительства без учета данного показателя приводило и приводит к серьезным последствиям, как в отношении повышенных уровней загрязнения атмосферного воздуха, так и в отношении неблагоприятных микроклиматических условий в жилых и общественных зданиях, что может в значительной степени ухудшить показатели здоровья населения.

7.2. Приборы для определения направления и скорости движения воздуха

Флюгер Вильде (рисунок 19). Данный прибор предназначен для использования на метеорологических станциях с целью многолетних постоянных наблюдений в различных регионах за направлениями и скорости ветров. Следует учитывать, что фиксируемые данные на метеорологических станциях, расположенных в различных местностях, должны быть сравнимыми. Это условие предполагает использование только серийно выпускаемых флюгеров, имеющих строго однотипное устройство.

Рис. 19. Флюгер Вильде

Устройство серийного флюгера представлено на рисунке. Как видно из рисунка, направление движения воздушных потоков определяется с помощью флюгарки – пластинки клиновидной формы с противовесом. Направление ветра фиксируется с помощью муфты с жестко закрепленными прутиками (штифтиками) – указателями румбов. При вращении флюгарки доска для определения скорости ветра всегда принимает положение, перпендикулярное направлению ветра, и под давлением последнего отклоняется от отвесного положения на тот или иной угол. По положению отклонения доски, пользуясь отградуированными штифтиками-указателями, определяют скорость ветра. В приборе имеются две доски: легкая (200 г) для измерения скоростей, не превышающих 20 м/с и тяжелая (800 г) для скоростей до 40 м/с. Приближенную скорость ветра можно определить, помножив размер штифтика на 2 (при пользовании легкой доской) или на 4 (при пользовании тяжелой доской). Флюгер для наблюдений устанавливают в открытом месте на столбе высотой 8 – 10 м. штифтик с буквой С (N) должен быть установлен на север по компасу или полуденной линии, то есть по меридиану данного места. На основании многолетних наблюдений выводятся закономерности направлений и скоростей воздушных потоков, составляющие особенности климато-погодных условий в той или иной местности. Эти справочные данные широко используются для различных, частью указанных выше целей, в том числе и в гигиенической практике, в частности, когда имеет место необходимость гигиенического контроля за планировкой и застройкой населенных мест.

Анемометры. В санитарно-гигиенической практике наиболее широко используются портативные анемометры – чашечный анемометр и крыльчатый анемометр (рисунок 20). Воспринимающая часть чашечного анемометра представляет собой вертушку из 4 полых полушарий (чашечек), закрепленную на металлической оси, нижний конец которой связан со счетным механизмом (тахометром). Стрелки на циферблате прибора показывают число оборотов полушарий вокруг оси: большая – число единиц и десятков, а две маленькие – число сотен и тысяч. Для включения и выключения счетчика оборотов на коробке прибора имеются рычаг и два кольца. В случае, если имеет место необходимость измерение движения воздуха на какой-либо высоте, прибор можно закрепить на шесте с помощью винта в нижней части. При этом для дистанционного включения и выключения счетчика на рычаге включения жестко закрепляется шнур и пропускается через кольца. Пометив концы шнура, можно включать и выключать счетчик.

Порядок измерения скорости движения воздуха (ветра). Записывают показания всех стрелок (на малых циферблатах учитывают только целые деления). Устанавливают прибор на шесте или держат в вытянутых руках в зависимости от конкретных задач. При этом прибор должен находиться в строго вертикальном положении. Далее, выжидают 1 – 2 минуты, пока не наступит полное вращение вертушки, после чего шнуром или непосредственно ручками включают одновременно счетчик прибора и секундомер. Наблюдение ведется в течение 10 минут. После данной экспозиции включают счетчик и секундомер и вновь записывают показания стрелок счетчика. Затем вычисляют разность между двумя показаниями счетчика, делят эту величину на время наблюдения, выраженное в секундах, и получают число оборотов в 1 секунду.

Рис. 20. Анемометры чашечный (а) и крыльчатый (б)

Эта величина приблизительно соответствует искомой скорости движения воздушного потока. Для получения более точной величины пользуются таблицей или графиком перевода числа оборотов в скорость. Таблица или график прилагаются к прибору.

Чашечный анемометр служит для определения средних скоростей ветра в пределах 1,0 – 2,0 м/с. с помощью данного прибора можно производить не только метеорологические наблюдения в открытой атмосфере, но и определять скорость движения воздушных потоков в вентиляционных системах, в частности, с целью гигиенической оценки эффективности вентиляции в помещениях и устройствах различного назначения.

Крыльчатый анемометр по принципу работы идентичен предыдущему прибору. Однако в данном приборе имеются некоторые конструктивные особенности, повышающие его чувствительность и нижние пределы определения скорости движения воздушных потоков. Воспринимающей частью в крыльчатом анемометре служит мельничка (крыльчатка) из легких металлических лопастей, посаженных на соединенную со счетчиком оборотов горизонтальную ось.

При работе прибор ориентируется по потоку так, чтобы счетный механизм был позади потока относительно крыльчатки. Для преодоления инерции сопротивления прибора крыльчатке достаточно вращаться в холостую всего 0,5 минуты. Продолжительность наблюдения ограничивается 2 минутами. Порядок расчета скорости потока воздуха такой же, как у чашечного анемометра. С помощью крыльчатого анемометра представляется возможность измерять скорость воздушных потоков от 0,3 до 5,0 м/с.

Пример определения скорости движения воздуха чашечного анемометра. На открытой рабочей площадке с целью изучения условий труда рабочих-строителей проведено одно из исследований скорости ветра в ряду намеченных программой многочисленных регулярных наблюдений. Снимаем исходные показания счетчика прибора. При этом стрелка, указывающая тысячи, находилась между цифрами 3 и 4 соответствующего циферблата. То есть, в данном случае записываем число целых тысяч – 3. Стрелка, показывающая сотни, находилась между цифрами соответствующего циферблата 5 и 6. Записываем за цифрой 3 следующую цифру, обозначающую число целых сотен, - 5. Большая стрелка показывала 76 делений. Записываем вслед за предыдущими двумя цифрами цифру 76, показывающую число отдельных оборотов оси прибора. Таким образом, исходная величина на счетчике составила 3576.

Далее в течение 10 минут производилось определение скорости ветра с одновременным включением счетчика прибора и секундомера. Через указанное время счетчик и секундомер были выключены. С помощью указанной выше методики снимаем новые показания прибора, которые составили 6123. время наблюдения в секундах – 10´60 = 600 с. таким образом, за 600 секунд ось прибора сделала 6123 оборота. Для определения количества оборотов за 1 с делим разность показаний счетчика на 600 : (6123 – 3576) : 600 = 2547 : 600 = 4,245 об./с. Если в исследованиях нет необходимости в чрезвычайной точности исследования, что имеет место в большинстве случаев, то найденную величину принимают за скорость движения воздуха в м/с. То есть, скорость движения воздуха в данном примере была равной 4,245 м/с. Если же, появилась необходимость в очень точном исследовании, то переводят по графику или таблице, прилагаемых к прибору, об./с. м/с.

Кататермометр. Данный прибор представляет собой особый спиртовый термометр со шкалой 35-38°С или 33-40°С. Поначалу кататермометр был сконструирован для измерения охлаждающего влияния температуры воздуха на тело человека. В дальнейшем было показано, что кататермометр не производит потери тепла с поверхности кожи человека, не учитывает влияния теплового излучения, которое оказывает значительное действие на тепловой обмен организма. В настоящее время применяется практически исключительно для измерения малых скоростей движения воздуха, хотя, пользуясь кататермометром, можно ориентировочно определить, с какими его показаниями при различных условиях производственной деятельности совпадает оптимальное самочувствие людей, и оценить охлаждающую способность метеорологических факторов (температуры и скорости движения воздуха).

Рис. 21. Кататермометры шаровой (а) и цилиндрический (кататермометр Хилла) (б)

В зависимости от конструкции кататермометры бывают цилиндрические (кататермометр Хилла) или шаровые (рисунок 21), представляют собой термометр, в котором верхний конец капиллярной трубки имеет расширение, которое частично заполняется спиртом при нагревании. Принцип того и другого кататермометров заключается в том, что скорость снижения температуры приборов зависит кроме температуры воздуха от скорости его движения. При работе с цилиндрическим кататермометром измеряют время снижения температуры с 38 до 35°С, с шаровым – с 38 до 35°С, 39 до 34°С, 40 до 38°С. причем нетрудно заметить, что средне значение указанных температурных перепадов всегда равно 36,5°С, то есть средней температуре человека. Это позволяло при первоначальном назначении приборов в какой-то степени имитировать охлаждающее воздействие воздуха на организм человека («охлаждающая способность воздуха»). В процессе охлаждения с 1 см2 поверхности резервуара кататермометров теряется постоянное количество тепла. Эта величина (катафактор) является константой (постоянной величиной) прибора и обозначается на каждом кататермометре в виде его постоянного фактора, выраженного в мкал/см2. Порядок работы с кататермометрами. Перед измерением кататермометр опускают в воду при температуре 65–80°С и держат, пока спирт заполнит не менее половины расширения капилляра. После этого кататермометр тщательно вытирают, вешают на штатив в точке измерения и по секундомеру устанавливают время охлаждения в указанных выше интервалах температур. Очень важно, чтобы кататермометр в период наблюдения находился в неподвижном состоянии, в противном случае будет имитироваться дополнительное движение воздуха. Измерения в одной точке повторяют несколько раз, отбрасывают первый результат, а из последующих выводят среднее значение величины охлаждения (Н). Вычисление величины охлаждения по цилиндрическому кататермометру производит по формуле:

где (6)

Н – искомая величина охлаждения, мкал;

F – катафактор, мкал/см²;

а – число секунд, в течение которых столбик спирта опустился с 38 до 35°С.

При работе с шаровым кататермометром, если наблюдения проводятся в температурном интервале 38-35°С, вычисление величины Н производят по той же формуле, что и для цилиндрического кататермометра. При наблюдениях в других интервалах для вычисления Н пользуются формулой:

где (7)

Н – искомая величина охлаждения, мкал;

– константа, мкал/см²´град.);

Т₁ – Т₂ – интервалы температур в °С (40-33 или 39-34);

а – число секунд, в течение которых столбик спирта опустился в соответствующих температурных интервалах. с 38 до 35°С.

По величине охлаждения (Н) и значению температуры воздуха в период исследования скорость движения воздуха вычисляют по формулам:

для скорости движения воздуха < 1 м/с ( до 0,6)

(8)

для скорости движения воздуха > 1 м/с ( > 0,6)

(9)

В приведенных формулах приняты следующие условные обозначения:

V – искомая скорость движения воздуха, м/с;

Н – величина охлаждения сухого кататермометра, мкал;

Q – разность между средней температурой тела (36,5°С) и температурой окружающего воздуха, °С;

0,20 и 0,40; 0,13 и 0,47 – эмпирические коэффициенты.

Пример определения скорости движения воздуха с помощью шарового кататермометра. Исследователем проводилось определение скорости движения воздуха в учебной аудитории №2 кафедры гигиены ГОУ ВПО «ВГМУ Росздрава» с помощью шарового кататермометра при температуре воздуха в период наблюдения 20°С. катафактор (F) прибора – 573 мкал/см². Первый результат измерения времени падения температуры прибора с 40 до 33°С, как указывалось выше, был отброшен. Последующие три измерения показали соответственно время 210, 221 и 205 секунд. При расчете среднего времени получается результат: (210 + 221 + 205) : 3 = 636 : 3 = 212 с.

Далее, подставляя в формулу для шарового кататермометра соответствующие значения, определяем величину охлаждения H:

мкал.

Находим величину , которая будет равна:

Скорость движения воздуха в учебной аудитории < 1 м/с, так как H/Q < 0,6. Подставляем найденные величины в соответствующую, указанную выше формулу, и рассчитываем скорость движения воздуха:

м/с.

Для ускоренных и приближенных расчетов скорости движения воздуха можно пользоваться специальными таблицами (таблицы 10 и 11). Если исследования проводились в условиях, представленных в предыдущем примере, где величина H/Q была равной 0,38, то на пересечении горизонтальной прямой, соответствующей указанной величине, с колонкой, соответствующей 20°С, находим результат по таблице – 0,239 м/с.

Таблица 10

Скорость движения воздуха (при условии скорости менее 1 м/с) с учетом поправок на