Sommer-Thema Arbeit in Wärme und Hitze – Bedeutung des Kreislaufes  

Coregroup der Arbeitsgemeinschaft Arbeitsmedizin der    Deutschen Gesellschaft für Phlebologie DGP

Vladimir Blazek, Joern-Helge Bolle, Jürgen Frölich, Horst Gerlach, Ulrich Hemel, Erik Küppers, Markward Marshall, Franziska Mentzel, Stefan Nowak, Stefanie Reich-Schupke, Philipp Schatz, Christine Schwahn-Schreiber, Hans-Jürgen Thomä, Michael Zierau, Georg Gallenkemper

 In den Sommermonaten wird auch der Kreislauf des Menschen an seine Grenzen geführt,

denn der wesentliche Regelmechanismus in der Thermoregulation des Menschen ist der Kreislauf. Die Gefäßnetze der Haut sind bei gemäßigten Temperaturen das wichtigste Mittel des Menschen, mit denen die Wärmeabgabe an die Umgebung gesteuert wird. Ein Weitstellen, eine Steigerung der Hautdurchblutung ist mit vermehrter Wärmeabgabe, ein Engstellen, eine Verringerung der Hautdurchblutung mit verringerter Wärmeabgabe verbunden. Die kutane Perfusion ist extrem variabel. Unter Ruhebedingungen und Indifferenztemperatur beträgt die Durchblutung der Haut einer erwachsenen Person um 6% des Herzminutenvolumens (ca. 1/3 l/min). Hoher Sympathikustonus oder extreme Kälte kann sie bis auf 0,1 ml/min reduzieren. Umgekehrt vervielfacht sich die kutane Perfusion unter der Wirkung von Wärme / Hitze und kann Werte von bis zu 5 l/min erreichen.
Kein Wunder, dass man unter Hitzeeinwirkung leicht kollabiert: Vasodilatation führt zu verbesserter Wärmeabgabe an die Umgebung, aber auch zur Füllung venöser Gefäße, was Blut vermehrt in die Peripherie bringt - und damit den zentralen Teil des Kreislaufs in eine schwierige Situation (reduzierte Vorlast, erhöhtes Herzzeitvolumen, erschwerte Blutdruckregulation, verminderte Hirndurchblutung ... Präsynkope).
 

Grenzwerte KKT

Körperkerntemperatur

Folgen

44-45°C

100% Mortalität

42,5°C

50% Mortalität

ab 41°C

Hitzschlag, beginnende Eiweißdenaturierung

bis 40°C

möglich bei schwerer körperlicher Belastung

ab 38°C

Fieber; zunehmendes Kreislaufversagen, Hitzekollaps

~ 37°C

normale KKT

zirkadiane Änderung ±0,5°C

< 35°C

Hypothermie, Bewusstseinsstörung

<33°C

Stoffwechselreduktion

<30°C

endet Kältezittern … Poikolithermie

Ventrikuläre Extrasystolien jederzeit möglich

<27°C

Bewegungsunfähigkeit

<25°

Tod durch unzureichende Atmung

 

Mit jedem Grad Anstieg der Körperkerntemperatur steigt die Ruhe-Herzfrequenz um ≈10 Schläge pro Minute. Bei Körperkern-Temperaturen von >38°C kann ein Kreislaufversagen mit Bewusstlosigkeit (Hitzekollaps) auftreten. Bei Muskelarbeit erfolgt dies erst bei wesentlich höheren Kerntemperaturen (ab ca. 40°C), weil die Muskeltätigkeit einem Kreislaufkollaps entgegenwirkt (Muskelpumpe). Oberhalb von 40°C KKT bricht nämlich das Temperatur- empfindlichste Organ, das Gehirn, zusammen und damit die zentrale Kreislaufregulation. Ab einer Körperkerntemperatur von 41 °C beginnen sich dann die Eiweißstrukturen zu verformen und es folgen Gewebezerstörungen.

Die Weitstellung der im wesentlichen venösen Hautgefäßnetze führt im Rahmen der Thermoregulation neben der Auswirkungen auf den Blutdruck und die Herzfrequenz durch zentralen Volumenmangel auch zu einer Permeabilitätsveränderung im Hautgewebe mit Einlagerung von Flüssigkeit (Ödembildung), insbesondere an den abhängigen und akralen Körperteilen (Füße, Unterschenkel, Hände).

Weitere Massnahmen zur Abgabe von Körperwärme sind Verdunstung (Schweißbildung / Schwitzen), Konvektion (Bewegung des Körpers oder seiner Umgebung) und Atmung. Die Aufteilung der verschiedenen Arten der Wärmeabgabe beträgt bei einem ruhenden Menschen in einer Umgebung von 20 °C: 46 % Strahlung, 33 % Konvektion, 19 % Schwitzen und 2 % Atmung. Wärmeabgabe durch Verdunstung rückt in den Vordergrund, wenn die anderen Formen der Wärmeabgabe nicht ausreichen, z.B. bei körperlicher Arbeit, in heißen Räumen, oder bei Sonneneinstrahlung.


Einfluss der Wärmeabgabe

Die Wärmeabgabe erfolgt über Strahlung, Verdunstung und Leitung:

Das Ausmaß der Wärmabgabe durch (Infrarot-) Strahlung (Radiation) hängt von der Temperatur der Gegenstände in der Umgebung (Wände, Möbel usw.), nicht aber der Luft, ab. Wärmeabgabe durch Strahlung überwiegt die anderen Formen bei Aufenthalt in schattiger Umgebung, z.B. in geschlossenen Räumen. Ist die Wärmestrahlung, die der Körper empfängt, stärker als diejenige, die er abgibt (z.B. Sonnenbad, Sauna), nimmt seine Temperatur zu.

Verdunstung (Verdampfung) von Wasser auf der Haut: Zum Verdampfen von einem Liter Wasser sind 560 Kilokalorien notwendig (Erwärmen um 1°C: 1 Kilokalorie). Diese Energiemenge entspricht dem 6-8fachen des Ruheumsatzes in einer Stunde. Bei einem hohen Energieumsatz von z.B. 20 Cal/min (körperliche Ausbelastung) reichen 35 ml Schweiß pro Minute für die Abgabe der zusätzlichen Wärme aus (1 ml wird von 0,56 Cal verdampft), vorausgesetzt, der Schweiß wird vollständig verdampft und rinnt nicht ab. (Der Verlust durch Abrinnen von Schweiß beträgt meist etwa 50%). Wärmeverlust durch Verdunstung rückt in den Vordergrund, wenn die anderen Formen der Wärmeabgabe nicht ausreichen, z.B. bei körperlicher Arbeit, in heißen Räumen, oder bei Sonneneinstrahlung. Wärmeabgabe wird durch Bewegung (Konvektion) des den Körper umgebenden Mediums unterstützt (an Luft wird so die Wärmeabgabe über Verdampfung unterstützt, sofern sie nicht bei Körpertemperatur wasserdampfgesättigt ist, wie bei feucht-heißem Tropenklima). Der konvektive Wärmetransferkoeffizient ist für Wasser ≈100-fach größer als für Luft; so kann der Körper im Wasser sehr rasch viel Wärmeenergie verlieren (Kentern in kaltem Wasser!). Die Verdunstung kann im Rahmen einer Hitzeanpassung (Akklimatisation) durch einen längeren Aufenthalt in warmen Regionen deutlich gesteigert und ökonomisiert werden.

Wärmeleitung ist der direkte Abfluss von Wärme über die Haut an die Umgebung (Kleidung, Luft, Wasser) und ist die wichtigste Form des Wärmeverlusts beim Schwimmen. Sind die umgebenden Moleküle wärmer als die Haut, so kommt es statt Wärmeabgabe zu Wärmeaufnahme. Der Wärmeaustausche durch Leitung wird durch Konvektion des umgebenden Mediums (Luft, Wasser) unterstützt. Der konvektive Wärmetransferkoeffizient ist für Wasser ≈100-mal größer als für Luft. Folglich kann der Körper in kühlem Wasser wesentlich rascher auskühlen (Hypothermie) als in kühler Luft. (In 5°C kaltem Wasser schwimmend kann man ohne speziellen Wärmeschutz nur wenige Minuten bei Bewusstsein bleiben.)

Die Höhe der biologisch notwendigen Wärmeabgabe hängt im Wesentlichen

- von der Schwere der Tätigkeit und

- von der Größe der Körperfläche und damit von der Körpergröße des Menschen ab.

 

Im Bild 1 ist der abgegebene Wärmestrom eines Menschen mit Normgröße (75 kg) dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur mit der Schwere der Tätigkeit als Parameter. Der Normmensch gibt demnach als Mindestwert während ruhigem Sitzen bei Umgebungstemperaturen oberhalb 16 °C einen Wärmestrom von 120 W ab (durchgezogene Linie). Dieser Wert ist hierbei unabhängig von der Umgebungstemperatur. Unterhalb 16 °C nimmt der Wärmestrom mit abnehmender Umgebungstemperatur etwas zu. Die untere gestrichelte Linie des schraffierten Gebietes gibt die Wärmeabgabe durch Strahlung und Konvektion wieder. Diese Art der Wärmeabgabe nimmt mit der Umgebungstemperatur bis zum Wert null bei 36 °C ab. Hat die Umgebung nämlich die Körpertemperatur erreicht, kann folglich durch Strahlung und Konvektion keine Wärme mehr abgeführt werden. Bei solch hohen Umgebungstemperaturen wird die Wärme ausschließlich durch Schwitzen abgeführt. Der schraffierte Bereich gibt die Höhe dieser Art der Wärmeabgabe an. In einer Umgebung mit Temperaturen oberhalb 37 °C kann also die Wärme nur noch durch Schwitzen abgeführt werden. Bei mittelschwerer Arbeit verdoppelt sich ungefähr die Wärmeabgabe des Menschen gegenüber dem ruhigen Sitzen, da die Muskeln, wie bereits erwähnt, zu 80 % Abwärme erzeugen. Bei schwerer Arbeit kann die Wärmeabgabe auf ca. 300 W ansteigen. Trainierte Sportler können noch höhere Leistungen erzeugen.

Bild 1: Wärmeabgabe des Menschen (75 kg) in:  Der Mensch als wärmetechnisches BSystem. Prof. Dr.-Ing. E. Specht. Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. (Mess- und Regelungsmechanismus der Betriebstemperatur, Wärmeabgabe, Energieerhaltung, Gewichtsänderung, Behaglichkeit) 17.05.2005 http://www.uni-magdeburg.de/isut/TV/Download/Der_Mensch_als_waermetechnisches_System.pdf Darstellung mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

Der abgeführte Wärmestrom Q des menschlichen Körpers lässt sich mathematisch durch den Newtonschen Ansatz beschreiben:

 

Hierbei bedeutet k den Wärmedurchgangskoeffizienten, A die Körperoberfläche, Haut die Temperatur der Hautoberfläche und Umgeb. die Temperatur der Umgebung.

Die Wärmeabgabe des Menschen ist also proportional seiner Oberfläche und damit von der Körpergröße abhängig. Die Oberfläche eines normalen Menschen beträgt ungefähr 2 m2. Große Menschen geben demnach mehr Wärme ab und müssen folglich mehr Energie mit der Nahrung zu sich nehmen, kleine Menschen entsprechend weniger. Aus der obigen Gleichung ist weiterhin ersichtlich, dass der Mensch umso mehr Wärme abgeben würde je kälter die Umgebung ist. Der Mensch gleicht diesen Effekt aus, indem er den Wärmedurchgangskoeffizienten entsprechend verringert. Dieser sogenannte k-Wert ist ein Maß für die Wärmeisolierung. Ein nackter Mensch hat beispielsweise einen k-Wert von ungefähr 10 W/(m2·K). Damit ergibt sich aus der obigen Gleichung der Wärmestrom von 120 W für eine Umgebungstemperatur von 26 °C. Bei dieser Temperatur fühlt sich der Mensch im Mittel am wohlsten. Bei höheren Temperaturen setzt vermehrtes Schwitzen ein. Unterhalb dieser Temperatur muss der Mensch seinen k-Wert verringern, um der erhöhten Wärmeabgabe entgegen zu wirken. Den k-Wert verringert man bekanntlich durch die Art der Kleidung. Durch normale Kleidung beispielsweise wird der k-Wert halbiert, durch warme Kleidung um 2/3 gesenkt.

 

Behaglichkeit des Menschen

Die Behaglichkeit des Menschen hängt von der wärmephysiologisch "richtigen" Temperatur ab. Diese Temperatur ist jedoch keine Normgröße, sondern unterliegt subjektiven Empfindungen. Beispielsweise empfinden bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C etwa 45 % der Männer und 40 % der Frauen thermisches Wohlbefinden. Diese Temperatur empfinden jedoch 15 % der Männer und 20 % der Frauen als zu kühl und jeweils 40 % als zu warm. Die empfundene Temperatur des Menschen hängt von seiner Wärmeabgabe ab. Diese setzt sich durch Strahlung an die Raumwände mit der mittleren Temperatur W und durch Konvektion an die Luft mit der Temperatur L zusammen. Die empfundene Temperatur kann daher nach der Gleichung

berechnet werden, wobei K und S die Wärmeübergangskoeffizienten durch Konvektion bzw. Strahlung bedeuten. In vielen Fällen sind die beiden Wärmeübergangskoeffizienten in etwa gleich groß, so dass die empfundene Temperatur näherungsweise als das arithmetische Mittel der Raum- und Lufttemperatur angesehen werden kann.

Der Mensch steht nun im Strahlungsaustausch mit mehreren Flächen unterschiedlicher Temperatur. So strahlt der Mensch Wärme an die Fenster, an die Raumwände und an den Fußboden ab, die in der Regel unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Je niedriger die Temperatur der Fläche ist, desto höher ist der abgestrahlte Wärmestrom. Vom Heizkörper nimmt der Mensch dagegen Strahlungswärme auf. Als mittlere Wandtemperatur für den Strahlungsaustausch wird die sogenannte Umschließungstemperatur U angesehen, die sich aus der flächenmäßigen Mittelung der einzelnen Wandtemperaturen entsprechend zusammensetzt.

 

Die bei verschiedenen Luft- und Wandtemperaturen noch als behaglich empfundenen Temperaturen sind in Bild 2 dargestellt (schraffierter Bereich). So empfindet man es beispielsweise trotz einer relativ hohen Lufttemperatur von 25 °C als zu kalt, wenn die Umschließungstemperatur der Wände unterhalb 12 °C liegt. Dagegen fühlt man sich bei Lufttemperaturen von 15 °C noch behaglich, falls die Wandtemperaturen mit 22 °C bis 28 °C relativ warm sind.

 

 

Abb2: Behaglichkeitsfeld empfundene Temperatur in Räumen  in : Der Mensch als wärmetechnisches System. Prof. Dr.-Ing. E. Specht. Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. (Mess- und Regelungsmechanismus der Betriebstemperatur, Wärmeabgabe, Energieerhaltung, Gewichtsänderung, Behaglichkeit) 17.05.2005 http://www.uni-magdeburg.de/isut/TV/Download/Der_Mensch_als_waermetechnisches_System.pdf  Darstellung mit freundlicher Genehmigung des Autors

 

Ein analoges Temperaturempfinden ergibt sich auch im Freien. Dort strahlt man Wärme an die Umgebung ab und empfängt Strahlung von der Sonne. An die Luft wird Wärme konvektiv abgeführt. Herrscht starker Wind, so ist die konvektive Wärmeübertragung um ein Vielfaches höher als bei ruhender Luft. Folglich kommt es einem draußen kälter vor. Das gleiche Kälteempfinden hätte man bei Windstille erst bei einer Lufttemperatur, die erheblich niedriger als die Windtemperatur ist. In den Wetterberichten wird die Windtemperatur als aktuelle Lufttemperatur bezeichnet und die Temperatur bei Windstille mit vergleichbarer Wärmeabgabe als "gefühlte" Lufttemperatur. Entsprechend fühlt oder empfindet man bei klarem Himmel eine höhere Außentemperatur als bei wolkigem Wetter. Eine Luftbewegung in Räumen hat ebenfalls Einfluss auf die Behaglichkeit, wie mit Bild 3 verdeutlicht wird. Bei einer Raumlufttemperatur von 21 °C werden für sitzende Tätigkeiten Luftgeschwindigkeiten oberhalb ungefähr 0,17 m/s als Zug empfunden, für leichte Arbeiten im Stehen dagegen erst oberhalb 0,3 m/s. Mit zunehmender Raumlufttemperatur verlagert sich das Zugempfinden zu höheren Geschwindigkeiten. Im Sommer beispielsweise mit einer Raumlufttemperatur von 26 °C können noch Luftgeschwindigkeiten bis 0,5 m/s als behaglich empfunden werden.