ĆWICZENIE 1 MODEL TERMOREGULACJI CZŁOWIEKA Cel

ĆWICZENIE 1 MODEL TERMOREGULACJI CZŁOWIEKA Cel

ĆWICZENIE 1
MODEL TERMOREGULACJI CZŁOWIEKA
Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zasadami działania układu termoregulacji
człowieka oraz określenie ograniczeń związanych z badanym modelem.
Zakres wymaganych wiadomości.
Mechanizm działania układu termoregulacji (zasada ujemnego sprzężenia zwrotnego), zakres
temperatur wnętrz organizmu, pojęcie wzorca temperatury (set-point), rozkład temperatur w ciele
człowieka (rdzeń i płaszcz cieplny), efektory układu termoregulacji, wymiana ciepła między
organizmem a otoczeniem (konwekcja, przewodzenie, promieniowanie, parowanie, wytwarzanie ciepła
przez organizm), bilans cieplny, strumień ciepła.
Opis modelu.
Człowiek jest organizmem homeotermicznym i endotermicznym. Rozbudowany system kontroli
temperatury pozwala na na uzyskanie małych wahań termicznych wewnątrz ciała - w różnych
warunkach otoczenia i obciążenia organizmu. Modelowanie procesów termoregulacji jest szczególnie
ważne w przypadku rozważania warunków komfortu cieplnego np. w miejscach pracy.
Przedstawiony model składa się z modułów wejściowych i wyjściowych. Do modułów wejściowych
należą: moduł masy, moduł wysokości, moduł temperatury otoczenia, moduł przejmowania ciepła,
moduł grubości tkanki tłuszczowej, moduł rezystancji cieplnej ubrania, moduł pracy, moduł
sprawności. Do modułów wyjściowych należą: moduł powierzchni skóry, moduł mocy produkowanej,
moduł metabolizmu dodatkowego, moduł masy produkowanego potu, moduł temperatury skóry, moduł
metabolizmu całkowitego, moduł temperatury wnętrza ciała, moduł pracy, moduł natężenia przepływu
krwi.
Rysunek 1: Model termoregulacji człowieka. Model przygotował dr inż. Z.Rucki oraz J.Niedźwiedź.
Parametry przypisane poszczególnym modułom:
parametry wejściowe
parametry wyjściowe
m: masa ciała [kg]
Sc: pole powierzchni skóry[m2]
l: wzrost [cm]
h: współczynnik przejmowania ciepła [W/m2K]
dt: grubość warstwy tkanki tłuszczowej [m]
qprod: moc produkowana przez organizm na
jednostkę powierzchni ciała [W/m2]
qprod=BMR+W
uwzględnia moc procesów życiowych (BMR) i
pracę (W)
Ru: rezystancja cieplna ubrania [clo]
mpot: masa produkowanego potu w czasie [g/s]
W: moc cieplna wydzielana przez organizm
człowieka podczas pracy [W]
Ts: temperatura skóry (uśredniona )[°C]
Mcalk: metabolizm całkowity [W/m2]
n: współczynnik sprawności
Tc: temperatura wnętrza ciała (rdzenia) [°C]
Tot: temperatura otoczenia [°C]
mk·0,001: masowe natężenie przepływu krwi na
jednostkę powierzchni [kg/m2s]
Miarą termoizolacyjności ubrania jest wprowadzona jednostka „clo”. 1 clo określa izolację termiczną
odzieży niezbędną do utrzymania równowagi termicznej pomiędzy organizmem człowieka,
przebywającym w pozycji siedzącej, a otoczeniem o następujących parametrach: prędkość powietrza –
0.1 m/s, temperatura powietrza i ścian - 21ºC oraz wilgotność względna mniejsza niż 50%. Dla tych
warunków 1 clo zestawu odzieży jest równy 0.155 m²K/W (normy PN-EN 9920 oraz PN-EN ISO
15831).
Przebieg ćwiczenia i opracowanie wyników.
Uruchomienie programu.
Model należy pobrać ze strony http://biomodel.pwr.wroc.pl/dydaktyka/ a następnie rozpakować. Model
można uruchomić klikając w ikonę modelu („model_cwiczenie_1.mdl”) prawym przyciskiem myszy i
wybierając opcję „otwórz za pomocą” → „Matlab”. Model można również uruchomić bezpośrednio z
programu Matlab (wybierając aktualny folder a następnie klikając dwukrotnie w nazwę modelu).
Parametry wejściowe modelu można zmieniać klikając dwukrotnie na moduł i wpisując wybraną
wartość. Następnie należy uruchomić symulację klikając przycisk „Start simulation” znajdujący się na
górnym pasku narzędzi. Wyniki należy zapisać w celu stworzenia odpowiednich wykresów oraz
przeprowadzenia dalszej analizy.
Ustawienie parametrów początkowych modelu.
Przed wykonaniem każdego kolejnego zadania (punkty 1-6) należy ustawić parametry początkowe
modelu jako:
m: 70 [kg]
l: 180 [cm]
dt: 0,005 [m]
h: 6,7 [W/m2K]
Tot: 29 [°C]
W: 0 [W]
n: 0,1
Ru: 0 [clo]
Zadania.
1. Wpływ zmian temperatury otoczenia na parametry wyjściowe
Ustawić parametry podstawowe modelu. Sprawdzić zmiany temperatury skóry oraz wnętrza organizmu
wraz ze zmianami temperatury otoczenia. Sprawdzić wpływ zmian temperatury otoczenia na pozostałe
parametry wyjściowe modelu.
2. Wpływ zmian wartości współczynnika przejmowania ciepła na parametry wyjściowe.
Ustawić parametry podstawowe modelu. Sprawdzić wpływ zmian wartości współczynnika
przejmowania ciepła na parametry wyjściowe. Przykładowe wartości współczynnika przejmowania
ciepła podano w tabeli 1.
Tabela 1: Przykładowe wartości współczynnika przejmowania ciepła.
do 0,1 [m/s]
0,30 [m/s]
0,65 [m/s]
wertykalne położenie
6,7 [W/m2K]
5,9 [W/m2K]
4,5 [W/m2K]
horyzontalne położenie
6,6 [W/m2K]
5,7 [W/m2K]
10,8 [W/m2K]
3. Wpływ zmian wartości rezystancji cieplnej ubrania na parametry wyjściowe.
Ustawić parametry podstawowe modelu. Sprawdzić wpływ zmian wartości rezystancji cieplnej ubrania
na parametry wyjściowe. Przykładowe wartości rezystancji cieplnej ubrania:
• brak ubrania: 0,0 [clo]
• podkoszulek: 0,09 [clo]
• szorty: 0,06 [clo]
• spodnie: 0,26 [clo]
• sweter: 0,28 [clo]
• lekkie ubranie letnie: 0,5 [clo]
• lekkie ubranie robocze: 0,7 [clo]
• typowe ubranie do przebywania w pomieszczeniu zimą: 1,0 [clo]
4. Wpływ zmian grubości tkanki tłuszczowej na parametry wyjściowe.
Ustawić parametry podstawowe modelu. Sprawdzić wpływ zmian grubości tkanki tłuszczowej na
parametry wyjściowe. Przykładowe, orientacyjne wartości grubości tkanki tłuszczowej (dla przedziału
wiekowego 21÷25 lat):
• niedowaga: 2÷6 [mm]
• norma: 6÷13 [mm]
• nadwaga: 13÷25 [mm]
• otyłość: 25÷36 [mm]
5. Wpływ zmian wartości mocy cieplnej wydzielanej przez organizm człowieka podczas pracy na
parametry wyjściowe.
Ustawić parametry podstawowe modelu. Sprawdzić wpływ zmian wartości mocy cieplnej wydzielanej
przez organizm człowieka na parametry wyjściowe. Przykładowe zużycie energii w przeliczeniu na
1m2 powierzchni ciała (praca tułowiem, wartości średnie z wyłączeniem podstawowej przemiany
energii):
• lekka: 125 [W/m2]
• średnia: 190 [W/m2]
• ciężka: 280 [W/m2]
• bardzo ciężka: 390 [W/m2]
6. Wpływ zmian wartości sprawności na parametry wyjściowe.
Ustawić parametry podstawowe modelu. Sprawdzić wpływ zmian wartości sprawności (w zakresie
0,1÷0,2) na parametry wyjściowe.
Opracowanie wyników.
Z powyższych zadań (1-6) należy wybrać 3 punkty i przeprowadzić dla nich symulacje. Uzyskane
wyniki należy opracować w postaci wykresów. Należy również określić zakres funkcjonowania
modelu. Sprawozdanie należy zakończyć dyskusją uzyskanych rezultatów.
Literatura
[1] Małgorzata Tafli-Klawe, Wykłady z fizjologii człowieka, PZWL, Warszawa 2010
[2] Konturek S., Fizjologia człowieka. Podręcznik dla studentów medycyny, ELSEVIER, Wrocław,
2007
[3] Traczyk W., Trzebski A., Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej,
PZWL, Warszawa, 2004
[4] K. Cena, J.A.Clark, Bioengineering thermal physiology and comfort, ELSEVIER 1981
[5]Universiteit Maastricht, Human Thermoregulation Individual differences in cold induced
thermogenesis, 2008
[6] Jerzy Jaworski, Laboratorium ergonomii przewodnik do ćwiczeń, Olsztyn 2008
[7] Michał Strzeszewski, Wprowadzenie do ogrzewnictwa – materiały do wykładów, Politechnika
Warszawska 2004
[8]Zakład Ergonomii - Pracownia Obciążeń Termicznych, http://www.ciop.pl/ (stan z dnia 10.09.2014)
[9] THERMOPEDIA http://www.thermopedia.com (stan z dnia 10.09.2014)
Instrukcję opracowała mgr inż. Magdalena Żulpo pod opieką dr hab. Krystiana Kubicy.
Ewentualne uwagi proszę kierować na adres : [email protected]