Autor: dr inż. Andrzej Sobolewski 2018 r. Wstęp

Transkrypt

1 Materiały informacyjne dotyczące teoretycznego ujęcia problemu obciążenia organizmu człowieka w gorącym środowisku pracy dla służb monitorujących warunki pracy i zarządzających bezpieczeństwem pracy w kopalniach. Wstęp Autor: dr inż. Andrzej Sobolewski 2018 r. Naturalne warunki mikroklimatu kopalni głębokich są źródłem obciążeń cieplnych człowieka stanowiących zagrożenie dla jego zdrowia, a nawet życia. W przypadku awarii systemu klimatyzacji w kopalni, bez której praca ciągła człowieka w tym środowisku jest niemożliwa, jednoczesne oddziaływanie wysokiej temperatury otoczenia i wilgotności powietrza powoduje szkodliwą akumulację ciepła w jego organizmie w ciągu kilkunastu minut. Do oceny obciążenia cieplnego człowieka przebywającego i pracującego w środowisku gorącym, wykorzystywana jest norma PN-EN ISO 7933:2005 Ergonomia środowiska termicznego-analityczne wyznaczanie i interpretacja stresu cieplnego z wykorzystaniem obliczeń przewidywanego obciążenia termicznego. Przyjęty w niej model wymiany ciepła między organizmem i otoczeniem oparty jest na równaniu bilansu cieplnego. Na jego podstawie powstał program obliczeniowy PHS (Predicted Heat Strain), którego przeznaczeniem jest ocena obciążeń cieplnych oddziałujących na człowieka pracującego w środowisku gorącym. Norma PN- EN ISO 7933 dopuszcza górną granicę ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu równą 4,5 kpa. Na poziomie wydobycia w kopalniach głębokich w warunkach naturalnych, ciśnienie pary wodnej może osiągać nawet 8 kpa. Sprawdzenie poprawności oceny obciążeń w występujących i przewidywanych naturalnych warunkach klimatycznych kopalni głębokich za pomocą programu PHS wymaga uprzedniej weryfikacji wyników obliczeń z wynikami badań uzyskanych z udziałem ochotników w realnych lub sztucznie odtworzonych warunkach mikroklimatu kopalni. W CIOP-PIB w latach wykonano prace badawcze z udziałem ochotników poddawanych działaniu środowiska gorącego symulowanego w komorach klimatycznych. Zakres zmienności mikroklimatu uwzględniony w przeprowadzonych badaniach w znacznym stopniu pokrywał przedział zmienności temperatury powietrza (ta) i wilgotności względnej (RH) w kopalniach głębokich. Wyniki uzyskane z tych badań, stanowiące unikatową bazę danych, wykorzystano do weryfikacji z prognozami uzyskanymi z obliczeń wykonanych programem komputerowym PHS. Weryfikacja wyników badań z wynikami symulacji odnosząca się do zmiennej diagnostycznej za jaką uważana jest temperatura wnętrza ciała człowieka i moment czasowy przekroczenia poziomu jej wartości 38 (38,5), wykazała przydatność programu PHS do oceny obciążeń cieplnych człowieka przebywającego w środowisku gorącym w warunkach ciśnienia cząstkowego pary wodnej do 6,6 kpa (ta=42; RH=80%). Rozszerzenie zakresu do wartości 8 kpa wymagałoby podjęcia nowych badań z udziałem ochotników i ponownej weryfikacji wyników empirycznych z otrzymanymi z symulacji numerycznej. Z uwagi na zależność wielkości prognozowanych za pomocą programu PHS od wielu parametrów wejściowych w nim uwzględnionych, omówiono wpływ niektórych z nich na wiarygodność rezultatów obliczeń. Związek między rozmiarami ciała człowieka a obciążeniem cieplnym wynikającym z pracy w środowisku gorącym Z przeprowadzonej analizy okazało się, że rozmiary ciała pracownika przebywającego w środowisku gorącym mają wpływ na zróżnicowanie czasu ekspozycji, bezpiecznego dla jego zdrowia. Jeśli za wartość odniesienia przyjmie się czas dopuszczalnej ekspozycji osoby reprezentującej 50 centyl (osoba 1

2 o przeciętnych rozmiarach ciała) dla której opracowano model, (tab.1), to osoba reprezentująca 5 centyl osiągnie ten sam poziom dopuszczalnej akumulacji ciepła w organizmie wcześniej tj. po upływie 0,91 prognozowanego czasu ekspozycji osoby reprezentującej 50 centyl. Osoba o rozmiarach ciała reprezentujących 95 centyl, może bez szkody dla jej zdrowia, przebywać w środowisku gorącym dłużej o wartość 1,1 czasu ekspozycji osoby reprezentującej 50 centyl. Określając czasy ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka (z map izochron zamieszczonych w Załączniku do Modelu) należy wziąć pod uwagę rozmiary człowieka. tab. 1 Wartości rozmiarów ciała mężczyzn dla 5, 50 i 95 centyla populacji polskiej. Dane o wysokości h i masie m ciała pochodzą z Atlasu miar człowieka - Dane do projektowania i oceny ergonomicznej. CIOP Warszawa 2001 Centyl 5c 50c 95c m -masa ciała, kg h-wysokość ciała, cm ,3 174,8 185,4 Wpływ obciążenia pracownika mocą (W) na czas jego bezpiecznej ekspozycji w środowisku gorącym Wartość metabolizmu M przyjmowana do obliczeń wykonywanych programem PHS ma decydujące znaczenie na poprawność i wiarogodność otrzymanych wyników. Metabolizm człowieka związany jest ściśle z ciężkością wykonywanej pracy. Organizm człowieka nie jest w stanie osiągnąć dużego metabolizmu bez obciążenia go mocą. Przyjmuje się, że podczas działalności niewymagającej wysiłku fizycznego, cała energia wytwarzana w organizmie zamieniana jest w ciepło, które następnie rozpraszane jest do otoczenia. Do zajęć niewymagających wysiłku fizycznego można zaliczyć pracę siedzącą np. przy komputerze (metabolizm M 70W/m²), prowadzenie samochodu osobowego (M 95W/m²). Zaangażowanie człowieka w jakikolwiek wysiłek fizyczny, co określa się terminem obciążenie człowieka mocą, powoduje natychmiast wzrost jego metabolizmu. Bieganie w tempie umiarkowanym podnosi wartość metabolizmu do około 350W/m², wejście z prędkością 4 km/h na pochyłość 25 z obciążeniem 20 kg do koło 410 W/m². W obliczeniach wykonywanych za pomocą programu PHS uwzględnia się wartości mocy W przewidywanej na wykonanie pracy fizycznej. Przy małych wartościach metabolizmu M zaleca się przyjęcie wartości W=0, ale w praktyce ten postulat także jest stosowany przy dużych wartościach metabolizmu, co jest błędem! Przyjęcie dla dużych wartości metabolizmu M wartości W=0 prowadzi do znacznego zafałszowania wyników obliczonych czasów bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji w środowisku gorącym. W takim przypadku zakłada się bowiem, że energia wytworzona w organizmie w całości zostaje przetworzona w ciepło, które akumulując się w nim podnosi temperaturę ciała. Wobec czego dopuszczalny dla zdrowia poziom temperatury wnętrza ciała 38 (lub 38,5) osiągany jest wcześniej. Zatem czas prognozowany ekspozycji dopuszczalnej dla zdrowia człowieka jest krótszy od potencjalnie możliwego do wykorzystania na pracę w danych warunkach środowiska gorącego. Można przyjąć, że od wartości M>130 W/m² około 20% wartości metabolizmu człowieka jest wykorzystane na wykonywaną pracę. Różnica M-W jest wartością mocy cieplnej uczestniczącej w akumulacji ciepła w organizmie 2

3 Wpływ temperatury środowiska otaczającego i wilgotności względnej powietrza w środowisku gorącym na czas ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia pracownika. Z symulacji numerycznych wynika, że w środowisku gorącym przy stałej temperaturze otoczenia, od pewnej wartości wilgotności względnej RH, obliczony czas bezpiecznej dla zdrowia człowieka ekspozycji nie ulega skróceniu mimo wzrostu wartości RH czego, wydaje się, należałoby oczekiwać. Przyczyny tego zjawiska upatrywać należy w zmniejszaniu się, wraz ze wzrostem wilgotności względnej, różnicy między ciśnieniem cząstkowym pary wodnej Pa śr zawartej w otaczającym powietrzu, a ciśnieniem pary wodnej Pa sk występującej nad powierzchnią skóry pokrytej potem (para wodna nasycona). W przypadku kiedy ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią skóry przewyższa wartość ciśnienia pary wodnej w otoczeniu, zachodzi proces parowania potu czemu towarzyszy rozpraszanie ciepła z organizmu człowieka. Powstające stąd straty ciepła z organizmu ograniczają akumulację w nim ciepła i powodują wydłużenie czasu ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia pracownika w środowisku gorącym. W przypadku przeciwnym parowanie potu jest zablokowane, nie zachodzi i nie ma strat ciepła z organizmu. Od momentu ustania parowania potu wzrost wilgotności względnej powietrza w otaczającym środowisku przestaje odgrywać rolę w wymianie ciepła między organizmem człowieka i otoczeniem, chyba, że następuje kondensacja pary wodnej na powierzchni jego ciała i ciepło kondensacji przekazywane jest do organizmu. Musi to być jednak proces dostatecznie wydajny, by jego wpływ na akumulację w krótkim czasie ekspozycji był mierzalny. Źródłem gromadzącego się w organizmie ciepła na skutek jego niedostatecznego rozpraszania do otoczenia są przede wszystkim procesy endogenne (metabolizm) i wysoka temperatura środowiska (ciepło egzogenne). Jeżeli temperatura otoczenia i metabolizm człowieka w tych warunkach są stałe to także przyrost w czasie akumulacji ciepła w organizmie jest quasi stały. Dlatego czasy ekspozycji obliczone dla rosnących wartości RH przy których nie zachodzi parowanie potu są sobie równe (Patrz tab.2 str. 11 niniejszego opracowania). Model obciążenia cieplnego organizmu człowieka przebywającego w warunkach środowiskowych odpowiadających głęboko położonym oddziałom kopalni węgla i miedzi Do opracowania modelu wykorzystano rozszerzony program komputerowy PHS (Predicted Heat Strain), oparty na postanowieniach normy PN-EN ISO 7933:2005: Ergonomia środowiska termicznego Analityczne wyznaczanie i interpretacja stresu cieplnego z wykorzystaniem obliczeń przewidywanego obciążenia termicznego. W stosunku do programu, którego kod źródłowy załączany jest do tekstu normy ISO 7933, rozszerzenia obejmują między innymi możliwość wprowadzania do obliczeń wartości początkowych temperatury powierzchni skóry człowieka tsk i temperatury wnętrza ciała tre. W niniejszym opracowaniu, przyjęto do obliczeń wartości: tsk=34,1; tre=36,8. W wyniku przeprowadzonych symulacji numerycznych opracowano model obciążenia cieplnego organizmu mężczyzny o wymiarach: wysokość ciała 1,75 m; masa ciała 78 kg, reprezentującego 50 centyl populacji polskiej. Wyniki uzyskanych obliczeń służące do określania czasu bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji człowieka przebywającego w naturalnym środowisku gorącym kopali głębokich przedstawiono w postaci: Modeli 3D zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. Opracowanych dla: Kryterium nieprzekraczania temperatury wnętrza ciała 38; 38,5 Metabolizmu człowieka M=120; 140; 160; 180; 200 W/m² 3

4 Obciążenia człowieka mocą W= 0; 13,5; 17,6; 25,9; 46,6 W/m² Prędkości przepływu powietrza V=0,2; 0,5; 1; 2 m/s Izolacyjności cieplnej odzieży ochronnej Icl=1 clo Przykład modelu 3D przedstawiającego zależność czasu ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia i wilgotności względnej powietrza przedstawia rysunek 1 Rys.1. Model 3D zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym. 30 ta 45; 50% RH 90%; M=200 W/m²; W= 46,6 W/m²; V= 2,0 m/s; Icl=1 clo, opracowany dla kryterium nieprzekraczania temperatury wnętrza ciała tre=38,5 oraz Map izochron czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym w temperaturze otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. Opracowanych dla: Kryterium nieprzekraczania temperatury wnętrza ciała 38; 38,5 Metabolizmu człowieka M=120; 140; 160; 180; 200 W/m² Obciążenia człowieka mocą W= 0; 13,5; 17,6; 25,9; 46,6 W/m² Prędkości przepływu powietrza V=0,2; 0,5; 1; 2 m/s Izolacyjności cieplnej odzieży ochronnej Icl=1 clo Przykład mapy izochron sporządzonej dla tych samych warunków jak powyższy model 3D, przedstawiającej zależność czasu ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia ta i wilgotności względnej powietrza RH przedstawia rysunek 2 4

5 RH, % t, C (M=200 W/m2; W=46,6 W/m2; V=2,0 m/s; 1clo; tre=38,5 C) Rys.2. Izochrony czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym w temperaturze otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. Obie formy prezentacji wyników symulacji numerycznej tj. modele 3D i mapy izochron opracowane dla tych samych warunków mikroklimatu i kryteriów fizjologicznych są prezentowane wspólnie w Załączniku pt.: Model obciążenia cieplnego organizmu człowieka przebywającego w warunkach środowiskowych odpowiadających głęboko położonym oddziałom kopalni węgla i miedzi. Na końcu Załącznika obejmującego: Modele 3D zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia i wilgotności względnej powietrza oraz Mapy izochron czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka, zamieszczono Tablicę czasów bezpiecznej dla zdrowia człowieka ekspozycji w środowisku gorącym w temperaturze 50, w zależności od wartości metabolizmu, obciążenia mocą i wilgotności względnej powietrza. Zamieszczono ją również na stronie 11 niniejszych materiałów szkoleniowych. 5

6 Zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90% przedstawione w postaci modelu 3D. Ta forma prezentacji związków zachodzących między czasem ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, a temperaturą otoczenia ta i wilgotnością względną powietrza RH (τ=f(ta, RH)) pozwala ocenić wpływ zmienności metabolizmu M i prędkość przepływu powietrza V na kształt funkcji τ=f(ta, RH). Rysunek niżej zamieszczony, przedstawia model 3D zmienności czasu ekspozycji od temperatury ta i wilgotności powietrza RH opracowany dla przypadku: M=140W/m²; W=13,5 W/m² i prędkości przepływu powietrza V=0,2 m/s. rysunek 3 Rys. 3. Model 3D zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. Opracowany dla: Kryterium nieprzekraczania temperatury wnętrza ciała tre=38 Metabolizmu człowieka M=140 W/m² Obciążenia człowieka mocą W= 13,5 W/m² Prędkości przepływu powietrza V= 0,2m/s Izolacyjności cieplnej odzieży ochronnej Icl=1 clo Powierzchnia w kolorze niebieskim, widoczna na rysunku, zbliżona kształtem do trójkąta, określa obszar odpowiadający poziomowi czasu 480 minut ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym. Obszar ten ograniczony jest zakresem zmienności 6

7 temperatury 30 ta 39 dla wilgotności RH=50% i 30 ta 31 dla RH=90%. Poza płaszczyzną wyznaczoną powierzchnią niebieskiego trójkąta, czas bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji maleje gwałtownie. W temperaturze otoczenia ta=44 i wilgotności zmieniającej się w przedziale 65% RH 90% wynosi τ=23 minuty. Zwiększenie obciążenia człowieka wysiłkiem fizycznym do wartości W=46,6W/m² wzbudzi wzrost metabolizmu do wartości M=200W/m² i wywoła zmiany kształtu funkcji τ=f(ta, RH) (rys. 4) Rys. 4. Model 3D zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. Opracowany dla: Kryterium nieprzekraczania temperatury wnętrza ciała tre=38 Metabolizmu człowieka M=200 W/m² Obciążenia człowieka mocą W= 46,6 W/m² Prędkości przepływu powietrza V= 0,2m/s Izolacyjności cieplnej odzieży ochronnej Icl=1 clo Powierzchnia w kolorze niebieskim, określająca na rysunku obszar czasu bezpiecznej dla zdrowia człowieka ekspozycji trwającej 480 minut uległa zmniejszeniu w porównaniu do poprzedniego przypadku. Zwiększone obciążenie pracownika mocą spowodowało podwyższoną akumulację ciepła w jego organizmie i szybszy wzrost temperatury wnętrza jego ciała. Obszar ograniczonego czasu pracy tj. poniżej 480 minut, uległ rozszerzeniu w porównaniu do zajmowanego na rysunku poprzednim. Poprawa warunków pracy w zaistniałej sytuacji teoretycznie możliwa jest do osiągnięcia poprzez zwiększenie strat ciepła z organizmu człowieka na skutek zwiększenia prędkości przepływu powietrza wokół jego ciała. Rys.5 obrazuje wyniki symulacji numerycznej przeprowadzonej dla tych samych 7

8 warunków obciążenia człowieka mocą (M=200W/m²; W=46,6W/m²) i środowiskiem otaczającym zmieniającym się w założonym zakresie, przy prędkości przepływu powietrza zwiększonej do V=2 m/s. Rys. 5. Model 3D zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. Opracowany dla: Kryterium nieprzekraczania temperatury wnętrza ciała tre=38 Metabolizmu człowieka M=200 W/m² Obciążenia człowieka mocą W= 46,6 W/m² Prędkości przepływu powietrza V= 2,0 m/s Izolacyjności cieplnej odzieży ochronnej Icl=1 clo Powierzchnia w kolorze niebieskim, określająca na rysunku obszar czasu bezpiecznej dla zdrowia człowieka ekspozycji trwającej 480 minut uległa powiększeniu w porównaniu do poprzedniego rysunku. Obszar ten ograniczony jest zakresem zmienności temperatury 30 ta 41 dla RH=50% i 30 ta 33 dla RH=90%. Poza tym obszarem czas bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji maleje gwałtownie. W temperaturze otoczenia ta=41 i przy wilgotności 75% RH 90% wynosi τ=20 minut. 8

9 Zależności czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, od temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90% przedstawione w postaci map izochron Ta forma prezentacji związków zachodzących między czasem τ ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym, a temperaturą otoczenia ta i wilgotnością względną powietrza RH pozwala oszacować z wykresu prognozowaną wartość czasu τ zależną od wartości metabolizmu M; obciążenia człowieka mocą W; temperatury otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45; wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90% i prędkość przepływu powietrza V = 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 m/s. Rys. 6. przedstawia mapę izochron sporządzoną dla warunków: M=120W/m²; W=0 W/m²; V=0,2 m/s; Icl=1clo min (RH=80%; ta=42) RH, % min (RH=75%; ta=34) t, C (M=120W/m2; W=0W/m2; V=0,2m/s; 1clo; tre=38 C) Rys. 6. Izochrony czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym w temperaturze otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. M=120W/m²; W=0 W/m²; V=0,2 m/s. 9

10 Punkt oznaczony na wykresie znakiem określa położenie przecięcia się odciętej RH=75% z rzędną ta=34 skąd odczytana wartość czasu bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji dla tej kombinacji wartości temperatury i wilgotności wynosi τ=250 minut. Dla kombinacji RH=80% i ta=42, znak, czas bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji wynosi τ=24-25 minut. Zwiększenie prędkości przepływu z V=0,2m/s do V=1,0m/s powoduje zmiany wartości prognozy czasu bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji (Rys. 7.) min (RH=80%; ta=42) RH, % min (RH=75%; ta=34) t, C (M=120W/m2; W=0 W/m2; V=1,0 m/s; 1clo; tre=38 C) Rys. 7. Izochrony czasów ekspozycji bezpiecznej dla zdrowia człowieka przebywającego w środowisku gorącym w temperaturze otoczenia zmieniającej się w zakresie 30 ta 45 i wilgotności względnej powietrza zmieniającej się w zakresie 50% RH 90%. M=120W/m²; W=0 W/m²; V=1,0 m/s. Położenie punktu na wykresie wskazuje, że czas bezpiecznej dla zdrowia człowieka ekspozycji w warunkach: ta=34; RH=75%; V=1,0 m/s; M=120W/m²; Icl=1clo w wyniku zwiększenia prędkości przepływu powietrza do 1 m/s wydłużył się i wynosi τ=480 minut. Dla kombinacji RH=80% i ta=42, punkt, czas bezpiecznej dla zdrowia ekspozycji wynosi τ=23 minuty. 10

11 Tab. 2 Czasy [min.] bezpiecznej dla zdrowia człowieka ekspozycji (kryterium osiągnięcia tre=38 kolor czarny ; tre=38,5 kolor czerwony) w środowisku gorącym w temperaturze ta=50, w zależności od wartości metabolizmu M; obciążenia mocą W; wilgotności względnej RH%. RH, % M=120; W=0 W/m² tre=38, tre=38.5, M=140; W=13,5 W/m² tre=38, tre=38.5, M=160; W=17,6 W/m² tre=38, tre=38.5, M=180; W=25,9 W/m² tre=38, tre=38.5, M=200; W=46,6 W/m² tre=38, tre=38.5, V=0,2 m/s V=0,5 m/s V=1,0 m/s V=2,0 m/s

12 12