Сколько воздуха вы вдыхаете? Динамика потребления кислорода человеком в покое и при работе Сколько литров воздуха вдыхает человек в час.

Количество кислорода, потребленного человеком натощак в состоянии мышечного покоя, лежа, является показателем обмена, необходимого для поддержания жизненно важных функций организма в покое, т. е. основного обмена. Основной обмен человека характеризуется потреблением кислорода в пределах 200-250 мл/мин с энергетической затратой примерно 1-1,2 ккал/мин. На основной обмен оказывают влияние пол, возраст, вес и поверхность тела, состав пищи, климатические условия, температура окружающей среды и др. За норму энергетического основного обмена взрослого человека принята 1 ккал на 1 кг веса в час.

Повышенное потребление кислорода при работе необходимо для окисления продуктов распада углеводов в аэробной фазе (молочной кислоты), жиров, а также для ресинтеза азотсодержащих веществ в анаэробной фазе. Потребность организма в кислороде тем больше, чем напряженнее работа. В определенных пределах существует линейная зависимость между тяжестью выполняемой работы и потреблением кислорода. Это соответствие обеспечивается усилением работы сердечно-сосудистой системы и увеличением коэффициента диффузии кислорода через ткань легких. Коэффициент диффузии увеличивается от 50 при работе мощностью 450 кг/мин до 61 при работе мощностью 1590 кг/мин.

Количество кислорода в минуту, необходимое для полного окисления продуктов распада, носит название кислородного запроса, или кислородной потребности, максимальное же количество кислорода, которое организм может получить в минуту, носит название кислородного потолка. Кислородный потолок у нетренированных к физической работе людей составляет примерно 3 л/мин, а у тренированных может достигать 4-5 л/мин.

Энергетические затраты при динамической отрицательной работе составляют примерно 50% энергетических затрат при динамической положительной работе. Так, передвижение груза по горизонтальной плоскости в 9-16 раз легче, чем подъем груза.

Рис. 1. Динамика потребления кислорода при физической работе. Штриховка в клетку - потребление кислорода во время работы; горизонтальная штриховка - кислородный запрос; вертикальная штриховка - кислородный долг. Рисунок слева - работа средней тяжести; рисунок справа - работа с прогрессирующей кислородной задолженностью.

Потребление кислорода при динамической положительной работе показано на рис. 1. Как видно из этого рисунка, кривая потребления кислорода в начале работы растет и только через 2-3 минуты устанавливается на определенном уровне, который затем удерживается длительное время (устойчивое состояние). Сущность такого хода кривой в том, что вначале работа производится при неполном удовлетворении кислородного запроса и вследствие этого - при нарастающем кислородном долге, так как энергетические процессы в мышце при сокращении ее происходят мгновенно, а доставка кислорода вследствие инертности сердечно-сосудистой и дыхательной систем - медленно. И лишь тогда, когда доставка кислорода соответствует полностью кислородной потребности, наступает устойчивое состояние потребления кислорода.

Кислородный долг, образовавшийся в начале работы, погашается уже после прекращения работы, в период восстановления, во время которого потребление кислорода достигает исходного уровня. Такова динамика потребления кислорода при работе легкой и средней тяжести. При тяжелой работе устойчивое состояние потребления кислорода по существу никогда не наступает, к дефициту кислорода в начале работы присоединяется дефицит кислорода, образовавшийся во время нее. В этом случае потребление кислорода все время растет вплоть до кислородного потолка. Восстановительный период при такой работе значительно удлиняется. В случае, когда кислородный запрос при работе превышает кислородный потолок, наступает так называемое ложное устойчивое состояние. Оно отражает кислородный потолок, а не истинную потребность в кислороде. Восстановительный период при этом оказывается еще более длительным.

Таким образом, по уровню потребления кислорода в связи с работой можно судить о тяжести выполняемой работы. Устойчивое состояние потребления кислорода во время работы может указывать на то, что кислородный запрос полностью удовлетворяется, что накопление молочной кислоты в мышцах и крови не происходит, что она успевает ресинтезироваться в гликоген. Отсутствие же устойчивого состояния и рост потребления кислорода во время работы свидетельствуют о тяжести работы, о накоплении молочной кислоты, требующей кислорода для своего ресинтеза. Еще более тяжелая работа характеризуется ложным устойчивым состоянием.

Длительность периода восстановления потребления кислорода также указывает на большую или меньшую тяжесть работы. При легкой работе кислородная задолженность небольшая. Образовавшаяся молочная кислота в большей своей части успевает ресинтезироваться в мышцах в гликоген во время работы, длительность восстановительного периода не превышает нескольких минут. После тяжелой работы потребление кислорода падает сначала быстро, а затем очень медленно, общая длительность восстановительного периода может доходить до -30 минут и более.

Восстановление потребления кислорода не означает восстановления нарушенных функций организма в целом. Многие функции организма, например состояние дыхательной и сердечно-сосудистой систем, дыхательный коэффициент, биохимические процессы и др., к этому времени еще не достигают исходного уровня.

Для анализа газообменных процессов определенный интерес могут представить изменения дыхательного коэффициента CO 2 /O 2 (ДК).

При устойчивом состоянии потребления кислорода во время работы ДК может указывать на характер окисляемых веществ. При тяжелой работе ДК повышается до 1, что указывает на окисление углеводов. После работы ДК может быть больше 1, что объясняется нарушением кислотно-щелочного равновесия крови и повышением концентрации водородных ионов (рН): повышенная рН продолжает возбуждать дыхательный центр и вследствие этого углекислота усиленно вымывается из крови при одновременном падении потребления кислорода, т. е. в отношении CO 2 /O 2 числитель увеличивается, а знаменатель уменьшается.

В более поздней стадии восстановления ДК может быть ниже исходного дорабочего показателя. Объясняется это тем, что в восстановительном периоде освобождаются щелочные резервы крови, и для поддержания нормальной рН задерживается углекислота.

При статической работе потребление кислорода носит иной характер. В трудовом процессе наиболее конкретным выражением статической работы является поддержание рабочей позы человека. Рабочая поза как состояние равновесия тела может осуществляться в порядке активного противодействия внешним силам; при этом возникает длительное тетаническое напряжение мышц. Этот вид статической работы весьма неэкономен в иннервационном и энергетическом отношениях. Рабочая же поза, при которой поддержание равновесия происходит путем приспособления к направлению силы тяжести, значительно более экономна, так как при этом отмечается тоническое, а не тетаническое напряжение мышцы. В практике наблюдаются оба вида статической работы, нередко сменяющие друг друга, но основное значение с точки зрения физиологии труда имеет статическая работа, сопровождающаяся тетаническим напряжением. Динамика потребления кислорода при таком виде статической работы показана на рис. 2.

Из схемы видно, что во время статического напряжения потребление кислорода значительно меньше, чем кислородный запрос, т. е. мышца работает почти в анаэробных условиях. В период, непосредственно следующий за работой, потребление кислорода резко возрастает, а затем постепенно падает (феномен Лингарда), причем период восстановления может быть длительным, так почти вся потребность в кислороде удовлетворяется после работы. Лингард дал следующее объяснение открытому им феномену. При тетаническом «сокращении мышцы вследствие сжатия сосудов создается механическое препятствие кровотоку и тем самым доставке кислорода и оттоку продуктов распада - молочной кислоты. Статическая работа анаэробна, следовательно, характерный скачок в сторону повышения потребления кислорода после работы обусловлен потребностью окисления продуктов распада, образовавшихся при работе.

Это объяснение не является исчерпывающим. На основании учения Н. Е. Введенского низкое потребление кислорода при статической работе может быть обусловлено не столько механическим фактором, сколько снижением обмена вследствие прессорно-рефлекторных влияний, механизм которых заключается в следующем. В результате статического напряжения (непрерывные импульсы с мышцы) определенные клетки коры головного мозга приходят в состояние сильного длительного возбуждения, приводящего в конечном итоге к тормозным явлениям типа парабиотического блока. После прекращения статической работы (пессимального состояния) наступает период экзальтации - повышенной возбудимости и как следствие - повышение обмена. Состояние повышенной возбудимости распространяется на дыхательный и сердечно-сосудистый центры. Описанный вид статической работы малоэнергоемкий, потребление кислорода, даже при очень значительном статическом напряжении, редко превышает 1 л/мин, но утомление может наступать довольно быстро, что объясняется изменениями, происшедшими в центральной нервной системе.

Другой вид статической работы - поддержание позы за счет тонического сокращения мышц - требует незначительных энергетических затрат и менее утомителен. Объясняется это характерными для тонической иннервации редкими и более или менее равномерными импульсами из центральной нервной системы и особенностями самой сократительной реакции, редкой и слабой импульсацией, тягучестью и слитностью импульсов, устойчивостью эффекта. Примером может служить привычное положение человека стоя.

Рис. 2. Схема феномена Лингарда.

Основное требование к вентиляционной системе - обеспечить необходимый уровень обмена воздуха в помещении при соблюдении определенных климатических параметров внутри помещения. Именно от объема обработанного вентиляционной системой воздуха зависит и ее стоимость и последующие эксплуатационные расходы. Для ответа на сей непраздный вопрос мы определимся, что будем пока рассматривать требования к жилым и административным помещениям, а вот многовариантные требования к промышленным помещениям оставим и рассмотрим отдельно.

Итак, во-первых, всем понятно, зачем вообще необходим свежий воздух внутри помещения - конечно, для дыхания. И вот, руководствуясь именно этой основной задачей, и можно определить необходимый объем приточного воздуха в помещении. Очевидно, что он будет зависеть от количества людей в помещении. Итак, принято считать, что на одного взрослого человека необходимо 30 м 3 /час, на ребенка можно и 20 м 3 /ч. Эта цифра была подобрана почти опытным путем и закреплена в соответствующих документах, регламентирующих проектирование вентиляционных систем. (Представьте, что у среднего взрослого человека объем легких 4,5 литра или 0,0045 м 3 , и дышит он не чаще 1 раза в секунду, да и то неполной грудью, - это всего 16,2 м 3 . Но есть еще время, которое отработанный воздух будет находиться в помещении. Трудно же представить, что каждый следующий вдох будет свежим воздухом.)

Для жилых помещений в нашей стране определена также норма в 3 м 3 на кв.метр жилой площади, и она не лишена смысла, ибо точно определить количество людей в комнате невозможно, и эта величина отталкивается от принятых норм жилой площади на одного человека. Стоит учесть также, что вентиляция кроме подачи свежего воздуха производит удаление отработанного, который содержит в себе все вредности, выделяемые внутри помещения - от радиоактивного радона до ядовитых испарений современных моющих средств (один комет со своим замечательным хлором чего стоит!). Затронув проблему загрязнения внутреннего воздуха, мы подошли к следующему параметру вентиляционных систем - КРАТНОСТИ. Нормативные требования сводятся к 0,5-1 кратному обмену в жилых помещениях, и 3-кратному на кухнях. Но заметьте, что расчет на кратность не учитывает количество людей и интенсивность загрязнения внутреннего воздуха, расчет на количество людей не учитывает объемы помещений и также выделение вредностей в них.

Очевидно, необходим более точный расчет, который учитывает и то и другое, а стало быть, и более точное описание помещений. Однако, опыт, заключенный в регламентирующих документах ни в коем случае не стоит отвергать. Замечено, что при кратности воздухообмена в помещении менее 0,5 - человек ощущает духоту в жилом помещении, а в рабочем офисе рекомендуется кратность уже от 3 до 8. Ниже приведены рекомендованные значения рассмотренных параметров стандарту ASHRAE, DIN 1946, уважаемом во всем мире для определения объема вентиляции V.

Кратность воздухообмена. Объем V=s*Vp , где s- кратность, Vp - объем помещения.

Таблица 1.

Расчет на количество людей в помещении.

Объем вентиляции V =s s* Vi , гдеs s- количество человек, Vi - норма наружного воздуха на одного человека

Таблица 2.

Обратите внимание на значения в табл. 1 и табл. 2. Если принимать значения в табл.1 за основу, то, получается, они приводят к гораздо большему объему вентиляции, нежели тот, который бы получился при расчете от значений Vi по табл.2. Ну, например, офис - среднее рекомендованное значение воздухообмена 5,5 крат. Предположим, что в помещении площадью 100 м 2 и высоте потолков 3 м работают около 10 человек (10 м 2 на человека - достаточно плотно, при учете всей площади офиса). Тогда, отталкиваясь от расчета по табл.2, необходимый объем вентиляции 10*40 = 400 м 3 /час, а если отталкиваться от рекомендаций по табл.1, то получается 100*3*5,5 = 1750 м 3 /час - ничего себе разница! Но, что интересно, никакого парадокса здесь нет. Все дело в том, что рекомендации по табл. 1 основаны на основе усредненного учета всех параметров внутренней среды помещения, определяющих комфортные условия для находящихся там людей. Об этом мы говорили выше - температура, влажность, запахи, движение воздуха, температура ограждений (стен, потолка и т.п.).

Мой поиск по Инету дал из разных источников такие данные: среднее потребление человеком воздуха - 0,5-1 кубометра в час.
Однако!!! Эти данные взяты для случая уноса углекислого газа от человека, т.е. как бы - на свежем воздухе, и поэтому к расчетам по проветриванию помещений эти цифры не имеют ни малейшего отношения.
Придумался подход, который поможет определить потребности жилищ в проветривании, ибо СНиПам и продавцам счастья я не верю.
Коротко: кислород - полезный газ, СО2 - вредный. Надо по каждому из них определить, рассчитать потребность в проветривании (кубометров воздуха в час на человека), а потом выбрать максимальную цифру из двух. Она и будет обоснованной цифрой по воздухообмену в жилищах.
Такую методику я нашел в этой статье:
Углекислый газ - главная причина для проветривания:
"Если провести небольшой расчет, то выясняется следующее.
Например в комнате 33 м3, находится 10 человек. 10 человек выдыхают в час приблизительно (10Х25) 250 литров углекислого газа. В результате уровень углекислого газа за 21 минуту вырастет в два раза, а уровень кислорода упадет за тот же промежуток времени на доли процента."
...
"В нашей стране исследования о влиянии углекислого газа на человека. проводились еще в 60-е годы. О.В. Елисеева, использовавшая методы пневмографии, реовазографии и электроэнцефалографии, в статье « К обоснованию ПДК двуокиси углерода в воздухе» в журнале Гигиена и санитария. – 1964. – № 8., пришла к следующим выводам:

1. Кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в концентрациях 0,5 и 0,1% вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращения и электрической активности головного мозга.
2. Изменения в указанных функциях выражены в большей степени при действии СО2 в концентрации 0,5%.
3. Полученные данные позволяют заключить, что концентрация СО2 в воздухе жилых и общественных зданий не должна превышать 0,1% независимо от источника, среднее же содержание СО2 не должно превышать 0,05%."

По сравнению с другими организмами, именно растущий и организм человека, работающего много физически, требуют намного большее количество кислорода. Интересная статистика: за один час человеком потребляется 15-20 литров кислорода; во время бодрствования, но когда человек просто лежит, количество поглощаемого кислорода возрастает на 30-35%; у спокойно идущего человека потребляется на 100% больше кислорода; спокойная и легкая работа приводит к увеличению поглощения человеком кислорода на 200%; тяжелая физическая работа требует значительного увеличения поглощаемого кислорода - от 600% и более (в зависимости от интенсивности работы).

Емкость легких человека

У обычного человека (не спортсмена) частота дыхания составляет 14-18 вдохов, а у спортсмена - 6–10 в минуту. На протяжении одного полного цикла дыхания человеком вдыхается 400 - 600 кубических сантиметров воздуха, при этом соответственно им поглощается 16-24 сантиметров кубических кислорода и выделяется 14-21 сантиметров кубического углекислого газа.

Рабочий, который занимается тяжелым физическим трудом, при условии, что высокая интенсивность труда, за одну минуту поглощает около 500 кубических сантиметров кислорода. Однако этот же самый рабочий в спокойном состоянии, в стоячем положении за одну минуту поглощает не больше 300 кубических сантиметров кислорода.

Из всего сказанного можно сделать выводы, что на потребность человека в кислороде напрямую влияют такие факторы, как возраст, его образ жизни и интенсивность труда. И даже наличие непродолжительного недостатка кислорода пагубно влияет на жизнедеятельность человеческого организма.

.....

Осталось вспомнить такую небольшую деталь, собственно ради которой и строится дом – это жильцы. Для жизни людей нужен свежий воздух, который должен обновляться.

А сколько кубов воздуха за час должно обновляться в доме? Сколько кубов реально обновляется за час в помещении, где вы сейчас находитесь?

На этот вопрос нет единого ответа.

Формально, в соответствии со СНиПом советских времён три метра кубических за час на метр квадратный, проще говоря в обычном помещении при высоте потолков 2,5 - 3 метра воздух за час должен обновиться однократно!

Всегда ли нужен свежий воздух?

Нет, не всегда. В помещениях, где нет людей и нет потребляющих воздух технологических процессов, воздухообмен вообще не нужен. Зачем там воздухообмен? В доме в режиме консервации (при пониженной температуре) он вообще вреден! С новым (свежим) воздухом помещения могут наполняться ненужной влагой и пылью.

А сколько воздуха для дыхания нужно человеку?

«Взрослые люди в условиях покоя производят в среднем от 16 до 20 дыхательных движений в 1 минуту. Объем каждого вдоха обычно составляет около 500мл, отсюда минутный объем дыхания равен 500*16=8000мл. У новорожденного частота дыхания 60-70 вдохов в 1 минуту, к 5 годам она снижается до 26, а к 15-20 годам, до 20 в минуту. При работе, движении, при лихорадке (в условиях повышенного обмена) число дыхательных движений в 1 мин увеличивается. Вентиляция легких, равная в покое в среднем 8 л, при тяжелом физическом труде возрастает в 20 раз.»

Так как дома тяжелой физической работой занимаются крайне редко, а если и занимаются, то, бывает, и окна настежь открывают, даже не для дыхания, а охладиться дабы. Будем считать, что дома норма дыхания может быть перевыполнена, допустим в 3-4 раза. Так один человек использует приблизительно 2 м3 воздуха в час. Поскольку свежий воздух смешивается со старым в неясном соотношении, предположим, что в кубе обновляется 20% воздуха, значит на одного человека нужно (даже с четырёхкратным запасом) 10м3 воздуха за час.

Логика подсказывает что интенсивность воздухообмена должна зависеть не от объёма помещения (однократно за час), а от количества людей в этом помещении находящихся. Одно дело жилая комната с одним жильцом, другое дело, например, учебный класс в котором постоянно присутствуют более 30-ти человек. В спальной комнате объёмом 30м3 достаточно замены 10м3/час - это 1/3 смены воздуха в помещении. А в переполненной аудитории, 130м3 и двукратного воздухообмена за час окажется недостаточно - на 30 человек нужно воздуха 300м3.

Подобными соображениями успешно спекулируют инженерные компании, навязывающие наивным владельцам коттеджей мощные вентиляционные и дорогостоящие рекуперационные (энергосберегающие) установки.

У вас сколько метров квадратных дом?

600? Прекрасно… 600м2 площади *3м высоты = 1800м3 воздуха. 1800 кубов воздуха вам нужно заменять за час по требованию СНиПа - не меньше! А это значит что зимой (-20 С) на нагрев такого объёма воздуха за час будет затрачено 24кВт/час или 576кВт за сутки.

Почти 600кВт за сутки!!! Однако….

Ну вы же не хотите задохнуться?

Конечно, нет!

Причём, заметьте, мы ничего не придумываем, вот СНиП – это официальный документ. Теперь вы понимаете, как вам остро необходима система рекуперации, которая будет вам экономить до 60% этих энергозатрат, ведь часть тепла отработанный (выброшенный на улицу) воздух передаст свежему, предварительно подогрев его! Здорово?!

Здорово…

И говорится это в то время, как такого объёма воздуха реально хватит для комфортного дыхания 180 человек! А в доме том всего 4-6 человек жить будет (включая обслугу).

Менять воздух однократно в час!!! В то время, как запас воздуха для дыхания в доме 600м2 такой, что если непрерывно дышать всей семьёй, его можно «передышать» только за двое суток – 45 часов.

А какой воздухообмен происходит в наших квартирах?

В обычной квартире 80 м2 при высоте потолка 2,65м объём помещений составляет 200м3. Квартир таких, подключённых к общему вентиляционному каналу, 14, а в других домах бывает и 16, и 22. Если предположить, что во всех квартирах происходит однократный в час воздухообмен, то из вентиляционного стояка за час должно выходить 2800м3 воздуха, в случае вентиляционной шахты сечением 0,24м2 этот воздух являет собой столб высотой 11,6км. Значит воздух из вентканала должен выходить со скоростью 11,6км/час или 3,2м/сек! Я на крышу лазил - воздуховод в полном порядке (не перекрыт, как это обычно бывает), в квартирах все живут и воздуха не жалеют. Такого потока там нет, даже и в помине!

Так какой же реально воздухообмен должен быть в коттедже , ведь мы рассматриваем именно этот случай.

Если в доме нет или немного экологически вредных испарений от предметов или других негативных факторов, влияющих на качество воздуха, то приток свежего воздуха (обновление) на одного человека, даже с запасом, должен быть примерно 10м3/час. Значит на семью (5 человек) это будет 50м3/час, и какая разница, где проживает эта семья??? Одна семья проживает в малогабаритной квартире 50м2 с потолками 2,5м, а другая семья проживает во дворце 1000м2 с потолками 3,5м, а по СНиПам получается, что во дворце нужно менять 3500м3 воздуха каждый час??? Это что, семья оттого что живёт во дворце, дышать станет в 70 раз больше?! Заведомый абсурд! Дышат такие люди не больше, чем обычные граждане - сам видел. В противном случае для продувки (вентиляции) дворца необходимо было бы позаимствовать турбину от аэродинамической трубы в г. Жуковском, в то время, как все знают, что дворцы всегда без турбин и вентиляторов с древних времен обходились. Неувязочка в концепции…