Mensch als Heizung

Der Mensch als Heizung – so heizt du dir selbst ein!

Lässt sich der Mensch als Heizung, also als thermodynamisches System sehen? Wie erzeugt er Wärme? Welche Brennstoffe nutzt er? Wie regelt er seine Betriebstemperatur? Wie misst er Temperaturwerte, um dann entsprechende Anpassungen vorzunehmen? Wie und wie viel Wärme gibt der Mensch als Heizung ab? Wovon hängt die Wärmemenge ab, die der Mensch abgibt? Wie hoch ist der Energieverbrauch und was hat das Ganze mit Gewichtzunahme und -abnahme zu tun? Fragen über Fragen, die wir heute beantworten wollen.

Eine typische Heizungsanlage besteht aus verschiedenen Komponenten, darunter

  • Wärmeerzeuger (zum Beispiel Heizkessel, Kamin oder Solarthermie-Anlage)
  • Wärmeverteiler (Verrohrung zwischen den Komponenten und zu den Heizkörpern beziehungsweise Flächenheizungen)
  • und gegebenenfalls

Technische Begriffe wie Wärmeerzeuger, -verteiler und –speicher lassen sich systemisch durchaus auch auf den Menschen übertragen, wenn man ihn denn als thermodynamisches System betrachtet. Prof. Ing. E. Specht vom Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg hat genau das gemacht und kommt dabei auf so spannende Gedanken, dass mir als Energie- und Solarthermiebloggerin ganz warm ums Herz wird. Lasst euch ruhig ein auf das Gedankenspiel! Den ausführlichen Text von Prof. Specht findet ihr hier online als PDF-Datei.

Prof. Specht beschreibt den Menschen aus technischer Sicht als biologischen Reaktor, dessen Betriebstemperatur 37 Grad Celsius (°C) beträgt. Damit sei der Mensch meist wärmer als seine Umgebung. Nach den physikalischen Gesetzen gebe er deshalb Wärme an seine kühlere Umgebung ab. Die Wärme erzeuge er mit inneren Oxidations-(Verbrennungs-)prozessen laufend. Die bei der Verbrennung abfallenden Stoffe würden beim Menschen – gemäß ihres Aggregatzustandes (fest, flüssig oder gasförmig) – über drei separate Ausgänge entsorgt, wobei gasförmige Emissionen mitunter auch über zwei der Ausgänge das thermodynamische System menschlicher Körper verließen. In den Fokus seiner thermodynamischen Diskussion des Menschen rückt Prof. Specht den Energiehaushalt, der physikalischen Gesetzen unterliege und mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik erklärt werden könne.

Der Mensch als Heizung – die Betriebstemperatur: 37°C

In unserem Körper seien die Reaktionen laut dem Professor auf eine Kerntemperatur von 37 °C eingestellt. Die Toleranz liege demnach bei etwa plus/minus 0,5 Kelvin (Grad). In Leber und Niere, also dort, wo die heftigsten chemischen Reaktionen abliefen, sei es demnach am wärmsten. Am kältesten wäre dagegen unser flächengrößtes Organ: die Haut. Sie sei circa 4 bis 7 Kelvin (Grad) kühler.

Auf innere Temperaturschwankungen reagiere der menschliche Körper äußerst sensibel. So breche das empfindlichste Organ, das Gehirn, bei Temperaturen über 40,5 °C und unter 35 °C zusammen. Ab 41 °C würden sich die Eiweißstrukturen verformen und das Gewebe zerstören. Bei einer Temperatur von 34 °C lasse die Aufmerksamkeit nach und man könne sich nicht mehr artikulieren (Sprachverlust). Unterhalb von 33 °C werde der Stoffwechsel reduziert und die Fähigkeit der Thermoregulation ginge verloren. Es bestünde dann Lebensgefahr. Bei 27 °C werde man bewegungsunfähig und bei 25 °C trete infolge ungenügender Atmung der Tod ein.

Der Mensch als Heizung – die Temperaturmessung mit körpereigenem Sensorsystem

Der Mensch nehme Temperaturen mit seinem Kälte- und seinem Wärmesinn wahr. Damit habe der Mensch übrigens mehr als die sonst bekannten fünf Sinne. In der Haut gebe es Wärme- und Kältepunkte, jeder sei etwa einen Quadratmillimeter groß. Darunter seien jeweils Nervenzellen, deren innere Chemie sich temperaturabhängig verändere. Auf diese Weise würden sie Signale auslösen und ans Gehirn leiten.

  • Am dichtesten mit Sensoren seien die Lippen Dort gebe es 25 Sensoren pro Quadratzentimeter (cm2). Nicht ohne Grund: Mit den Lippen werde überwacht, dass die Nahrung weder zu heiß noch zu kalt sei.
  • An den Fingern säßen demnach 5 Sensoren pro cm2. Mit den Fingern ließen sich daher gut Temperaturen ertasten.
  • Am Rumpf gebe es etwa 1 Sensor pro cm2.
  • Am temperaturunempfindlichsten seien die Waden. Aus diesem Grund würden dort auch sogenannte Wadenwickel angelegt, um Fieber zu senken. Die Wärmeabfuhr werde an den Waden am wenigsten bemerkt und sei daher nicht so unangenehm.

Das menschliche Heizungssystem besitze laut Professor Specht deutlich mehr Kälte- als Wärmepunkte. Ihre Messgenauigkeit sei sehr hoch, ihr Messbereich mit 8 bis 37 °C (Kältesensoren) beziehungsweise 37 bis 50 °C (Wärmesensoren) dagegen vergleichsweise klein. Für Temperaturen unter 8 °C und über 50 °C hätte der Mensch keinen Temperatursinn mehr. Er würde sie als Schmerz erfassen. Die Kältesensoren seien bei etwa bei 25 °C und die Wärmesensoren bei 45 °C am sensibelsten: Dort könnten demnach noch Temperaturunterschiede von einem Hundertstel Kelvin wahrgenommen werden!

Der Mensch als Heizung – so funktioniert die Wärmeabgabe

Als Nächstes schaut Professor Specht auf den Mechanismus der Wärmeabgabe beim Menschen. Die Wärme erzeuge dieser, indem er Nahrung aufnehme und oxidiere, also verbrenne. Nahrung ist demnach unser Brennstoff. Auch die Energie, die unsere Muskeln zu Bewegungen befähige (mechanische Energie) resultiere aus diesem Verbrennungsprozess. Wobei der Professor anmerkt, dass der Wirkungsgrad unserer Muskeln vergleichsweise gering sei: 20 Prozent der Verbrennungsenergie würden sie in Bewegung umsetzen, der Rest werde in Wärme umgewandelt und müsse als Wärmeverlust an die Umgebung abgeführt werden. Das sei auch der Grund, warum wir in Bewegung stets Abwärme produzieren.

Wärmetransport vom Körperinneren an die Hautoberfläche

Die Frage, wie diese Abwärme an die Umgebung abgegeben werde, beantwortet Prof. Specht so: Zunächst müsse die Wärme aus dem Körperinneren an die Oberfläche befördert werden. Das finde über den Blutkreislauf statt. (Blut als Wärmeüberträger/“Heizwasser“ – Anmerkung der Redaktion) Das dichte Geflecht aus Adern und Venen zwischen Haut und Unterhaut diene der Wärmeabfuhr (Adern/Venen = Heizungsrohre – Anmerkung der Redaktion). Sei mehr Wärme als üblich abzuführen, steige die Hautdurchblutung um das Acht- bis Zwölffache, schreibt Professor Specht. Dann werde fast ein Drittel des Blutes an die Körperoberfläche gepumpt. (Das Herz pumpt hier sozusagen als Heizungspumpe! – Anmerkung der Redaktion) Die Adern und Venen weiten sich auf, so dass sich die Oberfläche zur Wärmeabgabe vergrößere, was man unschwer an einer starken Rotfärbung der Haut erkennen könne, schreibt der Professor weiter. Bei Kälte dagegen drossele der Körper die Durchblutung der Haut auf bis zu einem Fünftel des Normalwertes. Die Haut sehe dann entsprechend blutleer (blass, fahl) aus.

Wärmeabgabe von der Haut an die Umgebung

Unsere Haut gebe die Wärme mittels Strahlung und Konvektion an die Umgebung ab.

  • Wärmestrahlen seien demnach elektromagnetische Wellen, die luftdurchlässig seien und von festen Wänden absorbiert würden. Der Mechanismus der Wärmeübertragung mittels Strahlung sei dem der Sonnenstrahlung gleich.
  • Mit Konvektion sei die Wärmeabgabe an die den (Heiz-)Körper umgebende Luft (beim Baden: Wasser) gemeint.

Reiche die Wärmeabgabe mittels Strahlung und Konvektion nicht aus, zum Beispiel bei hoher Umgebungstemperatur oder starker Bewegung, setze der Körper zudem auf die Wärmeabgabe Schwitzen. Mit dem Verdunsten von Schweiß (Wasser) werde dem Körper die überaus hohe Phasenumwandlungswärme flüssig in dampfförmig entzogen. Dazu besitze der Mensch gut 2 Millionen Schweißdrüsen. Die meisten säßen am Kopf, da das Gehirn am schützenswertesten sei. Die wenigsten Schweißdrüsen hätten wir dagegen an unseren Gliedmaßen. Professor Specht erklärt dazu, dass die spürbar vielen Schweißdrüsen an den Handflächen und Fußsohlen nicht der Kühlung dienen würden, sondern bei Unruhe, Beklemmung und Angst in Aktion träten. Wir würden dann psychisch schwitzen. Die Schweißdrüsen in den Achselhöhlen hätten demnach auch weniger die Kühlung als das Freisetzen von Duftstoffen mit ursprünglich sexueller Bedeutung im Sinn.

Der Professor beziffert die Menge der Wärme, die mit den verschiedenen Wärmeabgabe-Methoden von einem ruhenden Menschen bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C abgegeben werde, so:

  • 46 Prozent Strahlung
  • 33 Prozent Konvektion
  • 19 Prozent Schwitzen
  • 2 Prozent Atmung.

Er merkt dazu an, dass sich die Anteile bei einer Veränderung der oben genannten Voraussetzungen verschieben würden. Herrsche beispielsweise ein starker Wind, so erhöhe sich der Anteil der Konvektion. Das ist der Grund, warum es uns bei dieser Wetterbedingung kälter vorkomme. Beim Sport würden wir mehr Schwitzen.

Mit der Frage, wie viel Wärme die Heizung Mensch genau abgibt, beschäftigen wir uns in Teil 2 dieser kleinen Reihe. Bleibt dran!

  • Teil 2 | Der Mensch als Heizung – diese Wärmemenge produzierst du
  • Teil 3 | Der Mensch als Heizung – warum du frierst

Foto: schiffner/photocase