Der Mensch als wärmetechnisches System - Otto-von-Guericke ...
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Prof. Dr.-Ing. E. Specht<br />
Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik<br />
<strong>Otto</strong>-<strong>von</strong>-<strong>Guericke</strong>-Universität Magdeburg<br />
<strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> <strong>als</strong> <strong>wärmetechnisches</strong> <strong>System</strong><br />
(Mess- und Regelungsmechanismus der Betriebstemperatur, Wärmeabgabe, Energieerhaltung,<br />
Gewichtsänderung, Behaglichkeit)<br />
17.05.2005<br />
1
1. Einleitung<br />
<strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> ist aus technischer Sicht ein biologischer Reaktor mit einer Betriebstemperatur<br />
<strong>von</strong> 37 °C. Da die Umgebungstemperatur des <strong>Mensch</strong>en niedriger ist, gibt er ständig Wärme<br />
ab. Daher muß durch innere Oxidations- (Verbrennungs-) prozesse laufend Energie erzeugt<br />
werden. Wie bei jedem Verbrennungsprozeß werden auch beim <strong>Mensch</strong>en Abfallstoffe<br />
erzeugt. Diese sind fest, flüssig und gasförmig, wobei für jede dieser drei Abfallarten ein<br />
separater Ausgang besteht. Die gasförmigen Emissionen verteilen sich allerdings gelegentlich<br />
auf zwei Ausgänge. Im folgenden steht jedoch nicht die Abfallproblematik sondern der<br />
Energiehaushalt im Vordergrund. <strong>Der</strong> Energiehaushalt und damit das Gewicht sowie die Figur<br />
unterliegt physikalischen Gesetzen und kann mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik<br />
erklärt werden. <strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> reagiert äußerst empfindlich auf Änderungen seiner<br />
Betriebstemperatur. Daher besitzt er ein aufwendiges Meß- und Regelungssystem. Hierauf<br />
wird zunächst eingegangen.<br />
2. Betriebstemperatur des <strong>Mensch</strong>en<br />
Die Reaktionen im menschlichen Körper sind auf eine Kerntemperatur <strong>von</strong> 37 °C eingestellt<br />
mit einer Toleranz <strong>von</strong> etwa +_ 0,5 Kelvin (Grad). Am wärmsten ist es in der Leber und in der<br />
Niere, wo die intensivsten chemischen Reaktionen ablaufen, am kältesten ist die Haut, die<br />
etwa 4 bis 7 Kelvin (Grad) kälter ist. <strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> ist gegenüber inneren<br />
Temperaturschwankungen sehr empfindlich. Das empfindlichste Organ beispielsweise, das<br />
Gehirn, bricht bei Temperaturen oberhalb <strong>von</strong> 40,5 °C und unterhalb <strong>von</strong> 35 °C zusammen.<br />
Ab einer Temperatur <strong>von</strong> 41 °C beginnen sich die Eiweißstrukturen zu verformen und das<br />
Gewebe zu zerstören. Bei einer Temperatur <strong>von</strong> 34 °C läßt die Aufmerksamkeit nach und man<br />
verliert die Sprache. Unterhalb <strong>von</strong> 33 °C wird der Stoffwechsel reduziert und die Fähigkeit<br />
der Thermoregulation geht verloren. Es besteht dann Lebensgefahr. Bei 27 °C wird man<br />
bewegungsunfähig und bei 25 °C tritt <strong>als</strong> Folge ungenügender Atmung der Tod ein.<br />
3. Meßsystem<br />
Zur Wahrnehmung der Temperatur besitzt der <strong>Mensch</strong> zwei spezielle Sinne, nämlich einen<br />
Kälte- und einen Wärmesinn. Damit hat der <strong>Mensch</strong> mehr <strong>als</strong> die sonst bekannten "fünf"<br />
Sinne. In der Haut befinden sich Wärme- und Kältepunkte, jeder etwa einen<br />
Quadratmillimeter groß. Unter ihnen stecken Nervenzellen, deren innere Chemie sich je nach<br />
Temperatur verändert. Dadurch werden Signale ausgelöst und ans Gehirn geleitet.<br />
Die Sensoren liegen am dichtesten auf den Lippen. Die Dichte beträgt hier 25 Sensoren pro<br />
Quadratzentimeter. Mit den Lippen wird überwacht, daß die Nahrung, die wir zu uns nehmen,<br />
nicht zu heiß oder zu kalt ist. An den Fingern befinden sich noch 5 Sensoren pro<br />
Quadratzentimeter. Mit den Fingern können daher gut Temperaturen getastet werden. Am<br />
Rumpf befindet sich ungefähr nur 1 Sensor pro Quadratzentimeter. Am<br />
temperaturunempfindlichsten sind die Waden. Daher werden zur Fiebersenkung<br />
"Wadenwickel" gemacht, da dort die Wärmeabfuhr am wenigsten bemerkt wird und nicht so<br />
unangenehm ist.<br />
Es gibt wesentlich mehr Kälte- <strong>als</strong> Wärmepunkte. <strong>Der</strong>en Meßgenauigkeit ist sehr hoch, der<br />
Meßbereich ist jedoch relativ klein. Die Kältesensoren besitzen einen Meßbereich <strong>von</strong> etwa<br />
8 °C bis 37 °C und die Wärmesensoren <strong>von</strong> etwa 37 °C bis 50 °C. Unter 8 °C und über 50 °C<br />
besitzt der <strong>Mensch</strong> keinen Temperatursinn mehr sondern empfindet Schmerz. Die<br />
Kältesensoren haben ungefähr bei 25 °C und die Wärmesensoren bei 45 °C ihre höchste<br />
Empfindlichkeit, bei der noch Temperaturunterschiede <strong>von</strong> einem Hundertstel Kelvin<br />
wahrgenommen werden können.<br />
2
4. Mechanismus der Wärmeabgabe<br />
<strong>Der</strong> Körper erzeugt ständig Wärme. Hierzu wird die Nahrung, die wir zu uns nehmen oxidiert<br />
und damit verbrannt. Zur Bewegung der Muskeln und damit zur Erzeugung <strong>von</strong> mechanischer<br />
Energie muß ebenfalls Nahrung verbrannt werden. <strong>Der</strong> Wirkungsgrad der Muskeln ist jedoch<br />
relativ gering. Etwa wie beim Automotor wird nur 20 % der Verbrennungsenergie zur<br />
Bewegung verbraucht. Die restlichen 80 % werden in Wärme umgewandelt und müssen <strong>als</strong><br />
Wärmeverlust an die Umgebung abgeführt werden. Aufgrund unserer Bewegung fällt <strong>als</strong>o<br />
stets Abwärme an.<br />
Wie wird diese Abwärme an die Umgebung abgeführt? Zunächst muß die Wärme aus dem<br />
Inneren an die Oberfläche des Körpers transportiert werden. Dieser Transport wird durch den<br />
Blutkreislauf bewirkt. Zwischen Haut und Unterhaut befindet sich ein dichtes Geflecht <strong>von</strong><br />
Adern und Venen, das lediglich der Wärmeabfuhr dient. Muß mehr Wärme <strong>als</strong> normal<br />
abgeführt werden, steigt die Hauptdurchblutung um das Acht- bis Zwölffache. Dann wird fast<br />
ein Drittel des Blutes an die Oberfläche gepumpt. Die Adern und Venen weiten sich auf.<br />
Dadurch wird die Oberfläche zur Wärmeabgabe vergrößert. Man erkennt diesen Zustand an<br />
einer starken Rotfärbung der Haut. Bei Kälte dagegen verringert sich die Durchblutung der<br />
Haut auf ein Fünftel des Normalwertes. Die Haut sieht folglich kreidebleich aus. Durch<br />
Saunagänge übrigens wird das extreme Weiten der Hautgefäße und das anschließende jähe<br />
Zusammenziehen im Tauchbecken trainiert.<br />
Von der Haut aus wird die Wärme durch Strahlung und durch Konvektion an die Umgebung<br />
abgegeben. Strahlung sind elektromagnetische Wellen, die luftdurchlässig sind und an festen<br />
Wänden absorbiert werden. <strong>Der</strong> Mechanismus des Wärmeübergangs durch Strahlung ist <strong>von</strong><br />
der Strahlung der Sonne her bekannt. Mit Konvektion bezeichnet man die Wärmeabgabe an<br />
das umgebende Medium, in der Regel Luft und beim Baden Wasser. Reicht die Wärmeabgabe<br />
durch Strahlung und durch Konvektion nicht aus, weil beispielsweise die<br />
Umgebungstemperatur zu hoch ist oder weil durch starke Bewegung wie etwa sportliche<br />
Betätigung <strong>von</strong> den Muskeln viel Wärme erzeugt wird, so setzt der Körper <strong>als</strong> weiteres Mittel<br />
der Wärmeabgabe das Schwitzen ein. Durch die Verdunstung des Schweißes (Wasser) wird<br />
dem Körper die überaus hohe Phasenumwandlungswärme vom flüssigen in den<br />
dampfförmigen Zustand entzogen.<br />
Zum Schwitzen besitzt der <strong>Mensch</strong> etwa zwei Millionen Schweißdrüsen. Die größte Dichte an<br />
Drüsen befindet sich am Kopf, da das Gehirn am schützenswertesten ist, die geringste Dichte<br />
befindet sich an den Gliedmaßen. Die Schweißdrüsen an den Handflächen und Fußsohlen<br />
dienen allerdings nicht der Kühlung. Diese Drüsen werden bei Unruhe, Beklemmung und<br />
Angst aktiv und bewirken das sogenannte "psychische Schwitzen". Die Schweißdrüsen in den<br />
Achselhöhlen haben ebenfalls einen anderen Sinn <strong>als</strong> kühlen. Sie erzeugen Duftstoffe mit<br />
ursprünglich sexueller Bedeutung.<br />
Die Aufteilung der verschiedenen Arten der Wärmeabgabe beträgt bei einem ruhenden<br />
<strong>Mensch</strong>en in einer Umgebung <strong>von</strong> 20 °C:<br />
- 46 % Strahlung<br />
- 33 % Konvektion<br />
- 19 % Schwitzen<br />
- 2 % Atmung.<br />
Bei einer Veränderung der oben genannten Voraussetzungen verschieben sich die Anteile.<br />
Herrscht ein starker Wind, so erhöht sich der Anteil der Konvektion. Dadurch kommt es uns<br />
bei dieser Wetterbedingung kälter vor. Bei sportlicher Betätigung steigt der Anteil des<br />
Schwitzens.<br />
3
5. Höhe der Wärmeabgabe<br />
Die Höhe der biologisch notwendigen Wärmeabgabe hängt im wesentlichen<br />
- <strong>von</strong> der Schwere der Tätigkeit und<br />
- <strong>von</strong> der Größe der Körperfläche und damit <strong>von</strong> der Körpergröße des <strong>Mensch</strong>en ab.<br />
Im Bild 1 ist der abgegebene Wärmestrom eines <strong>Mensch</strong>en mit Normgröße (75 kg)<br />
dargestellt, und zwar in Abhängigkeit <strong>von</strong> der Umgebungstemperatur mit der Schwere der<br />
Tätigkeit <strong>als</strong> Parameter. <strong>Der</strong> Normmensch gibt demnach <strong>als</strong> Mindestwert während ruhigem<br />
Sitzen bei Umgebungstemperaturen oberhalb 16 °C einen Wärmestrom <strong>von</strong> 120 W ab<br />
(durchgezogene Linie). Dieser Wert ist hierbei unabhängig <strong>von</strong> der Umgebungstemperatur.<br />
Unterhalb 16 °C nimmt der Wärmestrom mit abnehmender Umgebungstemperatur etwas zu.<br />
Die untere gestrichelte Linie des schraffierten Gebietes gibt die Wärmeabgabe durch<br />
Strahlung und Konvektion wieder. Diese Art der Wärmeabgabe nimmt mit der<br />
Umgebungstemperatur bis zum Wert null bei 36 °C ab. Hat die Umgebung nämlich die<br />
Körpertemperatur erreicht, kann folglich durch Strahlung und Konvektion keine Wärme mehr<br />
abgeführt werden. Bei solch hohen Umgebungstemperaturen wird die Wärme ausschließlich<br />
durch Schwitzen abgeführt. <strong>Der</strong> schraffierte Bereich gibt die Höhe dieser Art der<br />
Wärmeabgabe an. In einer Umgebung mit Temperaturen oberhalb 37 °C kann <strong>als</strong>o die Wärme<br />
nur noch durch Schwitzen abgeführt werden. Bei mittelschwerer Arbeit verdoppelt sich<br />
ungefähr die Wärmeabgabe des <strong>Mensch</strong>en gegenüber dem ruhigen Sitzen, da die Muskeln,<br />
wie bereits erwähnt, zu 80 % Abwärme erzeugen. Bei schwerer Arbeit kann die Wärmeabgabe<br />
auf ca. 300 W ansteigen. Trainierte Sportler können noch höhere Leistungen erzeugen.<br />
Bild 1: Wärmeabgabe des <strong>Mensch</strong>en (75 kg)<br />
<strong>Der</strong> abgeführte Wärmestrom Q . des menschlichen Körpers läßt sich mathematisch durch den<br />
Newtonschen Ansatz beschreiben:<br />
Q . = k · A · (ϑ Haut - ϑ Umgeb. ) . (1)<br />
4
Hierbei bedeutet k den Wärmedurchgangskoeffizient, A die Körperoberfläche, ϑ Haut die<br />
Temperatur der Hautoberfläche und ϑ Umgeb. die Temperatur der Umgebung. Die<br />
Wärmeabgabe des <strong>Mensch</strong>en ist <strong>als</strong>o proportional seiner Oberfläche und damit <strong>von</strong> der<br />
Körpergröße abhängig. Die Oberfläche eines normalen <strong>Mensch</strong>en beträgt ungefähr 2 m 2 .<br />
Große <strong>Mensch</strong>en geben demnach mehr Wärme ab und müssen folglich mehr Energie mit der<br />
Nahrung zu sich nehmen, kleine <strong>Mensch</strong>en entsprechend weniger. Aus der obigen Gleichung<br />
ist weiterhin ersichtlich, daß der <strong>Mensch</strong> umso mehr Wärme abgeben würde je kälter die<br />
Umgebung ist. <strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> gleicht diesen Effekt aus, indem er den<br />
Wärmedurchgangskoeffizienten entsprechend verringert. Dieser sogenannte k-Wert ist ein<br />
Maß für die Wärmeisolierung. Ein nackter <strong>Mensch</strong> hat beispielsweise einen k-Wert <strong>von</strong><br />
ungefähr 10 W/(m 2·K). Damit ergibt sich aus der obigen Gleichung der Wärmestrom <strong>von</strong> 120<br />
W für eine Umgebungstemperatur <strong>von</strong> 26 °C. Bei dieser Temperatur fühlt sich der <strong>Mensch</strong> im<br />
Mittel am wohlsten. Bei höheren Temperaturen setzt vermehrtes Schwitzen ein. Unterhalb<br />
dieser Temperatur muß der <strong>Mensch</strong> seinen k-Wert verringern, um der erhöhten Wärmeabgabe<br />
entgegen zu wirken. Den k-Wert verringert man bekanntlich durch die Art der Kleidung.<br />
Durch normale Kleidung beispielsweise wird der k-Wert halbiert, durch warme Kleidung um<br />
2/3 gesenkt.<br />
6. Energiebilanz des <strong>Mensch</strong>en<br />
Täglicher Energiebedarf<br />
Wie aus Bild 1 ersichtlich ist, gibt ein durchschnittlich großer <strong>Mensch</strong> bei leichter Tätigkeit<br />
einen Wärmestrom <strong>von</strong> ungefähr 120 W ab. Damit ergibt sich eine über den Tag (24 Stunden)<br />
abgegebene Wärmemenge (durch Multiplikation mit 24 h) <strong>von</strong> ungefähr<br />
2,9 kWh pro Tag.<br />
Dies ist eine relativ kleine Energiemenge. Dieselbe Menge an Energie wird beispielsweise<br />
verbraucht, wenn eine Glühbirne <strong>von</strong> 120 W den ganzen Tag brennt. <strong>Der</strong> Wert dieser Energie<br />
liegt unter Zugrundelegung eines Strompreises <strong>von</strong> 30 Pf je Kilowattstunde bei 90 Pf.<br />
Die obige abgeführte Energiemenge beträgt in einer anderen Einheit dargestellt<br />
2500 kcal pro Tag.<br />
Diese Energiemenge muß der durchschnittliche <strong>Mensch</strong> dem Körper jeden Tag mit der<br />
Nahrung wieder zuführen.<br />
Verminderte Energiezuführung (Gewichtsabnahme)<br />
Was passiert nun, falls dem Körper mit der Nahrung weniger <strong>als</strong> diese 2500 kcal pro Tag<br />
zugeführt werden? Da der Körper die 2500 kcal unbedingt zur Verbrennung und damit zur<br />
Aufrechterhaltung seiner Temperatur benötigt, muß er die Differenz zwischen benötigter und<br />
zugeführter Energie aus seiner gespeicherten Energiemenge decken. Dieses entspricht der<br />
Energieerhaltung, die ein Naturgesetz ist und <strong>als</strong> 1. Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet<br />
wird. In allgemeiner Form besagt dieses Gesetz, daß die Differenz aus zu- und abgeführter<br />
Energie gleich der Zu- oder Abnahme der gespeicherten Energie sein muß.<br />
<strong>Der</strong> Körper speichert Energie in Form <strong>von</strong> Fettpolstern. Fett ist ein Stoff mit überaus hohem<br />
Energiegehalt und besitzt eine Verbrennungswärme <strong>von</strong> rund 8000 kcal pro Kilogramm.<br />
Wenn man <strong>als</strong>o einen Tag lang keine Energie zuführt (Nulldiät), baut der Körper 300 Gramm<br />
5
Fett ab. Dies ist die maximale Gewichtsabnahme, die man pro Tag erreichen kann! Mehr<br />
kann man aus physikalischen Gründen (Energieerhaltung) nicht abnehmen.<br />
Aus obigen Ausführungen wird deutlich, daß der Körper (zwangsläufig!) Fett und damit<br />
Gewicht abbauen muß, falls ihm mit der Nahrung keine Energie zugeführt wird. Unter<br />
Nahrung wird Essen und Trinken verstanden. Insbesondere über zucker- und alkoholhaltige<br />
Getränke wird dem Körper oftm<strong>als</strong> viel Energie zugeführt. Ein <strong>Mensch</strong> mit beispielsweise<br />
30 kg Übergewicht müßte 100 Tage lang fasten, um Normalgewicht zu erreichen. Er könnte<br />
aus energetischer Sicht einen Winterschlaf halten, ohne zu verhungern. Dieses ist jedoch<br />
stofflich nicht möglich, da der <strong>Mensch</strong> durch Schwitzen Wasser und damit auch Salze und<br />
Miner<strong>als</strong>toffe verliert. Tiere, die einen Winterschlaf halten, können daher nicht schwitzen.<br />
Falls dem Körper <strong>als</strong>o genügend Wasser, Mineralien und auch Vitamine zugeführt werden, ist<br />
ein Fasten bei gesunden <strong>Mensch</strong>en unbedenklich! Erst wenn alle Fettreserven aufgebraucht<br />
sind, wird Fasten gefährlich: <strong>Der</strong> Körper baut dann nämlich Muskeln zur Energieerzeugung<br />
ab. <strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> kann sehr lange Fasten ohne zu verhungern, sofern ausreichend Flüssigkeit<br />
zugeführt wird. Dies ist in der Praxis oftm<strong>als</strong> bewiesen worden: Auf makabre Weise in<br />
Gefangenen- und Konzentrationslagern, bei Hungerstreiks und bei radikalen Kuren zum<br />
Abspecken, bei denen oft ein Jahr lang gefastet wurde.<br />
Schlankheitsmittel versprechen oft höhere Gewichtsabnahmen pro Tag <strong>als</strong> 300 Gramm. Diese<br />
Mittel enthalten Stoffe, die Wasser aus dem Gewebe ziehen, das dann über den Harnweg<br />
ausgeschieden wird. Da der Körper zu 60 % aus Wasser besteht, kann durch Wasserentzug<br />
eine schnelle Gewichtsreduzierung vorgetäuscht werden. Ein gesunder Körper lagert das<br />
Wasser nach Absetzung der Präparate wieder an. Eine echte Gewichtsabnahme kann <strong>als</strong>o nur<br />
durch Fettabbau und damit Fasten erreicht werden. Andere Schlankheitsmittel enthalten daher<br />
Appetitzügler und/oder Stoffe, die im Magen aufquellen und somit ein Sättigungsgefühl<br />
hervorrufen.<br />
Vermehrte Energiezuführung (Gewichtszunahme)<br />
Was passiert nun, wenn man mit der Nahrung mehr <strong>als</strong> die 2500 kcal pro Tag zur Deckung<br />
der Wärmeverluste dem Körper zuführt? Entsprechend der Energieerhaltung (1. Hauptsatz der<br />
Thermodynamik) wird dann die Differenz zwischen der zugeführten und abgeführten Energie<br />
gespeichert, und zwar in Form <strong>von</strong> Fett. Falls man permanent mehr Energie <strong>als</strong> 2500 kcal pro<br />
Tag zuführt, wird solange Fett angesetzt, bis ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht ist.<br />
Dieser Zustand ist dann gegeben, wenn entsprechend Gleichung (1) sich die Oberfläche des<br />
menschlichen Körpers so vergrößert hat, daß die zugeführte Energie wieder an die Umgebung<br />
abgeführt werden kann. Nimmt man beispielsweise durchschnittlich 3000 kcal pro Tag zu<br />
sich, stellt sich der neue Gleichgewichtszustand bei einer um 20 % vergrößerten<br />
Körperoberfläche ein.<br />
Da bei Übergewicht mehr Wärme abgeführt werden muß, wird ein höherer Blutkreislauf<br />
benötigt, um die Wärme aus dem Inneren des Körpers an die Hautoberfläche zu<br />
transportieren. Folglich wird das Herz stärker <strong>als</strong> im Normalfall belastet. Dies ist mit ein<br />
wesentlicher Grund, warum Übergewichtige besonders stark <strong>von</strong> Herz-Kreislauf-<br />
Erkrankungen, Bluthochdruck, Cholesterin, Diabetis, Arteriosklerose, u.s.w. betroffen sind<br />
und dadurch eine geringere Lebenserwartung besitzen.<br />
Einfluß des Stoffwechsels<br />
Wie aus den bisherigen Ausführungen ersichtlich ist, muß ein durchschnittlich großer <strong>Mensch</strong><br />
bei leichter Tätigkeit zwangsläufig abnehmen, falls er weniger <strong>als</strong> 2500 kcal pro Tag mit der<br />
Nahrung zu sich nimmt. Falls er mehr Kilokalorien zuführt, wird er zwangsläufig<br />
6
übergewichtig. Häufig wird behauptet, daß dieses nicht stimmen können, da die <strong>Mensch</strong>en<br />
einen unterschiedlichen "Stoffwechsel" hätten. So soll der eine <strong>Mensch</strong> zunehmen, weil er<br />
angeblich alles verwerten kann, ein anderer <strong>Mensch</strong> jedoch trotz gleicher Nahrungsaufnahme<br />
schlank bleiben. <strong>Der</strong> Wirkungsgrad der Verbrennung sei <strong>als</strong>o bei den <strong>Mensch</strong>en verschieden.<br />
Betrachten wir in diesem Zusammenhang die menschliche Entwicklungsgeschichte. Während<br />
einer mehr <strong>als</strong> 100 000jährigen Evolution hatte der <strong>Mensch</strong> stets unter Mangelernährung zu<br />
leiden, zumindest nach der Völkerwanderung in unseren Breiten. Im Mittelalter sind mehr<br />
<strong>Mensch</strong>en verhungert <strong>als</strong> durch Krankheiten und Kriege gestorben. <strong>Der</strong> menschliche<br />
Organismus hat sich daher, ebenso wie der tierische Organismus, dahingehend entwickelt, die<br />
zugenommene Nahrung vollständig verwerten zu können. Daher kann er auch in Phasen eines<br />
Nahrungsüberschusses diesen sofort in Fett umwandeln und speichern. Ein permanentes<br />
Überangebot an Nahrung steht den <strong>Mensch</strong>en, und auch nur denen der Industrienationen, erst<br />
seit etwa 40 Jahren zur Verfügung - ein winziger Zeitraum der <strong>Mensch</strong>engeschichte. Lediglich<br />
ein kranker Organismus kann die Nahrung nicht vollständig verwerten. Beispielsweise bei<br />
einer Erkrankung der Galle wird Fett zum Teil unverdaut ausgeschieden, was dann an einer<br />
hellgelblichen Färbung des Stuhls zu erkennen ist.<br />
Kleinere individuelle Unterschiede in der Nahrungsverwertung gibt es dennoch, die jedoch<br />
eine andere Ursache haben. <strong>Der</strong> Magen-Darmtrakt kann manche Lebensmittel nur verwerten,<br />
wenn diese ausreichend zerkleinert sind. So können beispielsweise ganze Getreidekörner nicht<br />
verdaut werden. Bei <strong>Mensch</strong>en, die ihre Nahrung <strong>als</strong>o nur flüchtig und grob zerkauen, können<br />
daher Teile unverdaut wieder ausgeschieden werden. <strong>Der</strong> Anteil dieser Lebensmittel an<br />
unserer gesamten Nahrung ist allerdings so gering, daß dieser unwesentlich zu Unter- oder<br />
Übergewicht beiträgt. <strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> hat keine Möglichkeit, überschüssige Nahrung wieder<br />
auszuscheiden.<br />
7. Individueller Energieverbrauch<br />
<strong>Der</strong> individuelle Energieverbrauch eines jeden <strong>Mensch</strong>en kann sehr unterschiedlich sein, wie<br />
in den bisherigen Ausführungen gezeigt wurde. Die wichtigsten Ergebnisse werden im<br />
folgenden zusammengefaßt:<br />
- <strong>Der</strong> Energieverbrauch des <strong>Mensch</strong>en wird im wesentlichen durch seine Wärmeverluste an<br />
die Umgebung bestimmt.<br />
- <strong>Der</strong> abgegebene Wärmestrom ist daher <strong>von</strong> der Größe des <strong>Mensch</strong>en abhängig. Ein<br />
<strong>Mensch</strong> durchschnittlicher Größe mit einem Gewicht <strong>von</strong> 75 kg gibt einen Wärmestrom<br />
<strong>von</strong> ungefähr 120 W ab.<br />
- Daraus ergibt sich ein täglicher Energiebedarf für diesen Normmenschen <strong>von</strong> 2500 kcal<br />
bei sitzender oder leichter Tätigkeit. Für jedes Kilogramm Abweichung <strong>von</strong> diesen 75 kg<br />
ändert sich der Energieverbrauch um etwa 30 kcal. Ein <strong>Mensch</strong> <strong>von</strong> 60 kg Gewicht<br />
benötigt daher täglich nur 2050 kcal, ein <strong>Mensch</strong> <strong>von</strong> 90 kg jedoch 2950 kcal.<br />
- Dieser Grundbedarf erhöht sich etwas, wenn z. B. schwerere berufliche Tätigkeiten<br />
durchgeführt werden, Sport betrieben wird, oder falls man mit Fieber erkrankt ist.<br />
- <strong>Der</strong> Grundbedarf kann sich geringfügig aufgrund des individuellen Wärmeempfindens<br />
des <strong>Mensch</strong>en verändern. <strong>Mensch</strong>en, die ihre Räume hoch heizen oder sich regelmäßig<br />
warm anziehen und sich damit besser isolieren, besitzen geringere Wärmeverluste und<br />
brauchen daher weniger Energiezufuhr. <strong>Mensch</strong>en, die umgekehrt eine kältere Umgebung<br />
lieben und sich weniger war anziehen, benötigen entsprechend mehr Energie.<br />
- Wer weniger <strong>als</strong> seinen individuellen Grundbedarf an Energie (2500 kcal beim<br />
Normmenschen) zu sich nimmt, muß aus physikalischen Gründen zwangsläufig<br />
7
abnehmen. Die zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur benötigte Energie wird dann<br />
durch den Abbau des körpereigenen Fettes gedeckt.<br />
- Die maximale Gewichtsabnahme bei vollständigem Fasten beträgt beim durchschnittlich<br />
großen <strong>Mensch</strong>en etwa 300 Gramm pro Tag. Abmagerungskuren können deshalb nur<br />
über relativ lange Zeiträume durchgeführt werden.<br />
- Da Frauen in der Regel kleiner sind <strong>als</strong> Männer, nehmen sie bei Nulldiät weniger an<br />
Gewicht ab.<br />
- Wer durchschnittlich mehr <strong>als</strong> seinen individuellen Grundbedarf an Energie ißt und trinkt,<br />
nimmt zwangsläufig, zu. Die Zunahme dauert so lange, bis die Oberflächenvergrößerung<br />
ausreicht, die Energie wieder an die Umgebung abzugeben.<br />
- <strong>Der</strong> individuelle Stoffwechsel des <strong>Mensch</strong>en übt keinen Einfluß auf ein Unter- oder<br />
Übergewicht aus. Aufgrund der überwiegenden Mangelernährung der <strong>Mensch</strong>en hat der<br />
Organismus während der Evolution alle Fähigkeiten entwickelt, in Phasen eines<br />
Überangebots an Nahrung, diese vollständig zu verwerten und die überschüssige Energie<br />
in Form <strong>von</strong> Fett zu speichern.<br />
8. Behaglichkeit des <strong>Mensch</strong>en<br />
Die Behaglichkeit des <strong>Mensch</strong>en hängt <strong>von</strong> der wärmephysiologisch "richtigen" Temperatur<br />
ab. Diese Temperatur ist jedoch keine Normgröße, sondern unterliegt subjektiven<br />
Empfindungen. Beispielsweise empfinden bei einer Raumlufttemperatur <strong>von</strong> 20 °C etwa 45 %<br />
der Männer und 40 % der Frauen thermisches Wohlbefinden. Diese Temperatur empfinden<br />
jedoch 15 % der Männer und 20 % der Frauen <strong>als</strong> zu kühl und jeweils 40 % <strong>als</strong> zu warm.<br />
Die empfundene Temperatur des <strong>Mensch</strong>en hängt <strong>von</strong> seiner Wärmeabgabe ab. Diese setzt<br />
sich durch Strahlung an die Raumwände mit der mittleren Temperatur ϑ W und durch<br />
Konvektion an die Luft mit der Temperatur ϑ L zusammen. Die empfundene Temperatur kann<br />
daher nach der Gleichung<br />
α<br />
⋅ϑ<br />
+ α<br />
⋅ϑ<br />
K L S W<br />
ϑ<br />
e<br />
=<br />
(2)<br />
αK<br />
+ αS<br />
berechnet werden, wobei α K und α S die Wärmeübergangskoeffizienten durch Konvektion<br />
bzw. Strahlung bedeuten. Auf deren Ermittlung wird hier nicht weiter eingegangen. In vielen<br />
Fällen sind die beiden Wärmeübergangskoeffizienten in etwa gleich groß, so daß die<br />
empfundene Temperatur näherungsweise <strong>als</strong> das arithmetische Mittel der Raum- und<br />
Lufttemperatur angesehen werden kann.<br />
<strong>Der</strong> <strong>Mensch</strong> steht nun im Strahlungsaustausch mit mehreren Flächen unterschiedlicher<br />
Temperatur veranschaulicht ist. So strahlt der <strong>Mensch</strong> Wärme an die Fenster, an die<br />
Raumwände und an den Fußboden ab, die in der Regel unterschiedliche Temperaturen<br />
aufweisen. Je niedriger die Temperatur der Fläche ist, desto höher ist der abgestrahlte<br />
Wärmestrom. Vom Heizkörper nimmt der <strong>Mensch</strong> dagegen Strahlungswärme auf. Als<br />
mittlere Wandtemperatur für den Strahlungsaustausch wird die sogenannte<br />
Umschließungstemperatur ϑ U angesehen, die sich aus der flächenmäßigen Mittelung der<br />
einzelnen Wandtemperaturen entsprechend<br />
ϑ<br />
U<br />
A ⋅ϑ + A ⋅ ϑ + ... A ⋅ϑ<br />
=<br />
A + A + ... A<br />
1 1 2 2 n n<br />
(3)<br />
1<br />
2<br />
n<br />
zusammensetzt.<br />
8
Die bei verschiedenen Luft- und Wandtemperaturen noch <strong>als</strong> behaglich empfundenen<br />
Temperaturen sind in Bild 2 dargestellt (schraffierter Bereich). So empfindet man es<br />
beispielsweise trotz einer relativ hohen Lufttemperatur <strong>von</strong> 25 °C <strong>als</strong> zu kalt, wenn die<br />
Umschließungstemperatur der Wände unterhalb 12 °C liegt. Dagegen fühlt man sich bei<br />
Lufttemperaturen <strong>von</strong> 15 °C noch behaglich, falls die Wandtemperaturen mit 22 °C bis 28 °C<br />
relativ warm sind.<br />
Bild 2: Behaglichkeitsfeld empfundene Temperatur in Räumen<br />
Ein analoges Temperaturempfinden ergibt sich auch im Freien. Dort strahlt man Wärme an<br />
die Umgebung ab und empfängt Strahlung <strong>von</strong> der Sonne. An die Luft wird Wärme konvektiv<br />
abgeführt. Herrscht starker Wind, so ist die konvektive Wärmeübertragung um ein Vielfaches<br />
höher <strong>als</strong> bei ruhender Luft. Folglich kommt es einem draußen kälter vor. Das gleiche<br />
Kälteempfinden hätte man bei Windstille erst bei einer Lufttemperatur, die erheblich niedriger<br />
<strong>als</strong> die Windtemperatur ist. In den Wetterberichten wird die Windtemperatur <strong>als</strong> aktuelle<br />
Lufttemperatur bezeichnet und die Temperatur bei Windstille mit vergleichbarer<br />
Wärmeabgabe <strong>als</strong> "gefühlte" Lufttemperatur. Entsprechend fühlt oder empfindet man bei<br />
klarem Himmel eine höhere Außentemperatur <strong>als</strong> bei wolkigem Wetter.<br />
Eine Luftbewegung in Räumen hat ebenfalls Einfluß auf die Behaglichkeit, wie mit Bild 3<br />
verdeutlicht wird. Bei einer Raumlufttemperatur <strong>von</strong> 21 °C werden für sitzende Tätigkeiten<br />
Luftgeschwindigkeiten oberhalb ungefähr 0,17 m/s <strong>als</strong> Zug empfunden, für leichte Arbeiten<br />
im Stehen dagegen erst oberhalb 0,3 m/s. Mit zunehmender Raumlufttemperatur verlagert sich<br />
das Zugempfinden zu höheren Geschwindigkeiten. Im Sommer beispielsweise mit einer<br />
Raumlufttemperatur <strong>von</strong> 26 °C können noch Luftgeschwindigkeiten bis 0,5 m/s <strong>als</strong> behaglich<br />
empfunden werden.<br />
9
Bild 3: Behaglichkeit Luftgeschinigkeit/Raumlufttemperatur<br />
Einen weiteren Einfluß auf die Behaglichkeit übt die Luftfeuchtigkeit aus, da <strong>von</strong> dieser die<br />
Wärmeabgabe durch Schwitzen abhängt. Bild 4 zeigt hierzu das Behaglichkeitsfeld. Eine<br />
relative Luftfeuchtigkeit <strong>von</strong> 60 % wird demnach bei Raumlufttemperaturen unterhalb 18 °C<br />
<strong>als</strong> zu trocken und oberhalb 23 °C <strong>als</strong> zu feucht oder zu schwül empfunden. Je höher die<br />
Raumlufttemperatur ist, desto niedriger liegt der Wert der relativen Luftfeuchtigkeit, der <strong>als</strong><br />
Schwüle empfunden wird.<br />
Bild 4: Behaglichkeitsfeld Reimlufttemperatur/rel. Luftfeuchtigkeit<br />
10
Schließlich wirken sich noch Geruchsstoffe und Staub auf die Behaglichkeit aus. Staub macht<br />
sich bei zu trockener Luft <strong>als</strong> Kratzen im H<strong>als</strong> bemerkbar. Im Winter besitzt die Außenluft nur<br />
eine geringe absolute Feuchtigkeit. Wird diese Luft durch die Raumheizung erwärmt, sinkt die<br />
relative Feuchtigkeit stark ab. Daher wird insbesondere in stark geheizten Räumen im Winter<br />
die Luft <strong>als</strong> trocken empfunden. Abhilfe schaffen in diesen Fällen Wasserverdunstungskästen<br />
an den Heizkörpern.<br />
Geruchsstoffe werden <strong>von</strong> den <strong>Mensch</strong>en laufend durch Schwitzen, Atmung, Sekretreste,<br />
Schleimhautzersetzungen usw. abgegeben. Ab einer gewissen Konzentration in der Luft<br />
werden die Geruchsstoffe <strong>als</strong> unangenehm empfunden. Folglich müssen Räume regelmäßig<br />
gelüftet werden. Infolge der Atmung wird <strong>von</strong> jedem <strong>Mensch</strong>en etwa 20 l Kohlendioxid (CO 2 )<br />
je Stunde an die Raumluft abgegeben. Die gleiche Menge wird entsprechend an Sauerstoff<br />
(O 2 ) verbraucht, so daß insbesondere in dichtbesetzten Räumen der Sauerstoffgehalt mit der<br />
Zeit etwas abnehmen kann. Allerdings ist bis herab zu 16 Vol % Sauerstoff in der Luft keine<br />
Beeinträchtigung des Wohlbefindens nachweisbar. Eine solch niedrige<br />
Sauerstoffkonzentration wird jedoch wegen der Undichtigkeit <strong>von</strong> Räumen nie erreicht. Daher<br />
ist das Lüften wegen "schlechter Luft infolge Sauerstoffmangels" <strong>als</strong> Begründung f<strong>als</strong>ch.<br />
Störungen des Wohlbefindens in unzureichend belüfteten, dicht besetzten Räumen sind<br />
primär auf Behinderungen der Wärmeabfuhr infolge gestiegener und damit zu hoher<br />
Raumlufttemperatur sowie Luftfeuchte zurückzuführen. Ebenso trägt eine Anreicherung der<br />
Luft mit den Geruchsstoffen und mit dem ausgeatmetem Kohlendioxid bei. Wenn der CO 2 -<br />
Gehalt in der Luft in Verbindung mit Geruchsstoffen den Wert <strong>von</strong> ungefähr 0,15 Vol %<br />
überschreitet (entspricht etwa den Fünffachen des CO 2 -Gehaltes der Umgebungsluft), läßt<br />
sich die Raumluft <strong>von</strong> der <strong>als</strong> appetitlich empfundenen Umgebungsluft geruchsmäßig<br />
unterscheiden und wird dann <strong>als</strong> schlecht oder unangenehm empfunden. Personen, die <strong>von</strong><br />
außen solch volle Räume betreten, nehmen die schlechte Raumluft besonders deutlich wahr.<br />
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