Środowisko pracy Mikroklimat dr inż. Katarzyna Jach Mikroklimat Definicja Składowe Mechanizmy wymiany ciepła między człowiekiem a otoczeniem Ocena komfortu cieplnego w środowisku umiarkowanym Reakcje organizmu na środowiska zimne i gorące Ocena środowiska zimnego i gorącego 1 2 Definicja Całokształt zmian fizycznych czynników meteorologicznych w badanym, ograniczonym miejscu. Warunki klimatyczne panujące na stanowisku roboczym lub w pomieszczeniu przemysłowym. Klimat charakterystyczny dla małej części środowiska, której odrębność jest wynikiem specyfiki układu czynników ją tworzących. Główne parametry mikroklimatu temperatura powietrza temperatura promieniowania cieplnego otoczenia wilgotność powietrza prędkość ruchu powietrza ciśnienie atmosferyczne 3 4 Mechanizmy termoregulacji Fizyczne mechanizmy przepływu ciepła mechanizmy termoregulacyjne przewodzenie przy bezpośrednim zetknięciu się ciał regulacja chemiczna zmiana ilości ciepła wytwarzanego w ustroju regulacja fizyczna zmiana ilości ciepła wymienianego z otoczeniem zależy od wielkości pola kontaktu oraz różnicy temperatur konwekcja (unoszenie) regulacja czynna wydzielanie i odparowywanie potu regulacja bierna promieniowanie, konwekcja i przewodzenie 5 wymaga obecności ośrodka oraz grawitacji zależy od kształtu i orientacji ciała w przestrzeni 6 1
Fizyczne mechanizmy przepływu ciepła Oddawanie ciepła promieniowanie nie wymaga pośrednictwa materii zależy od zdolności powierzchni do pochłaniania, rozpraszania i odbijania fal elektromagnetycznych określonej długości Parowanie Zmiana stanu skupienia Jednostronne Zależy od wilgotności 7 8 Bilans cieplny organizmu ΔQ = M ± C ± R E ΔQ przyrost ilości ciepła w organizmie M ciepło wytworzone w przemianach metabolicznych C ciepło przyjęte lub oddane przez konwekcję i przewodzenie łącznie R ciepło przyjęte lub oddane przez promieniowanie E ciepło oddane przez ss odparowanie potu i wody Utrzymanie stałej temperatury Mikroklimat zimny Mikroklimat ciepły 9 10 Temperatura skalarna wielkość fizyczna określająca stopień ogrzania ciała. miara średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek Stopnie Celsjusza lub Kelwina Najważniejszy parametr mikroklimatu 11 Temperatura powietrza Temperatura powietrza wokół ciała ludzkiego Średnia promieniowania temperatura Jednolita temperatura wyobrażonej osłony, w której przenoszenie ciepła promieniowania jest takie jak w rzeczywistej osłonie niejednolitej (temperatura poczernionej kuli) 12 2
Reakcje fizjologiczne na ciepło Pocenie się Zaczerwienienie wzrost przepływu krwi w naczyniach włosowatych Szybsze tętno Dodatni bilans cieplny Zmiany w funkcjonowaniu organizmu - ciepło zwiększone obciążenie układu sercowonaczyniowego redukcja aktywności mięśniowej wyłączenie układu trawienia odwodnienie Skurcze mięśni (zaburzenie równowagi elektrolitowej) 13 14 Wpływ mikroklimatu na człowieka - ciepło uczucie wyczerpania i senności spadek wydajności pracy wydłużony czas reakcji zmniejszona spostrzegawczość wzrost ilości błędów Reakcje fizjologiczne na zimno Gęsia skórka Sinienie Dreszcze Odcinanie dopływu krwi do palców wzrost wypadkowości 15 16 Regulacja temperatury krwi ZIMNO Zmiany w funkcjonowaniu organizmu - zimno odczuwalne obniżenie temperatury skóry zwiększenie tempa metabolizmu utrata elastyczności i siły mięśni spowolnienie przewodzenia bodźców nerwowych zmiany behawioralne CIEPŁO Ujemny bilans cieplny 18 3
Wpływ mikroklimatu na człowieka - zimno Temperatura ciała a zdolności życiowe człowieka uczucie niepokoju, zdenerwowania spadek czujności i koncentracji spadek wydajności pracy gorsze wyniki pracy umysłowej 19 20 Wilgotność Bezwzględna [g/m 3 ] - ilość pary wodnej w gramach na 1 m 3 powietrza. Względna [%] - stosunek wilgotności bezwzględnej do maksymalnej. Maksymalna - największa zawartość pary wodnej w gramach, która nasyca 1 m 3 powietrza w danej temperaturze Wpływ wilgotności powietrza na organizm < 30% - wysychanie błon śluzowych górnych dróg oddechowych i osłabienie bariery ochronnej organizmu Wysoka wilgotność powietrza w wysokich temperaturach utrudnia oddawanie ciepła przez parowanie potu W niskich temperaturach zwiększa oddawanie ciepła poprzez przewodzenie 21 22 Ruch powietrza Względna prędkość cząstek powietrza [m/s] Efekt różnicy ciśnień lub temperatur Wpływ szybkiego ruchu powietrza na organizm obniżenie ciśnienia krwi bóle głowy bóle serca wzmożona pobudliwość nerwowa bóle mięśniowe 23 24 4
Temperatura efektywna (Effective temperature) wskaźnik temperatury powietrza o wilgotności 50% dla którego człowiek wymienia taką samą całkowitą ilość ciepła, jaką wymienia w rzeczywistych warunkach Wskaźnik odczuwalności cieplnej Temperatura efektywna (Effective temperature) wyznaczona empirycznie w komorach klimatycznych z uwzględnieniem parametrów fizjologicznych przez C. P. Yaglou i F. C. Houghtona Uwzględnia: temperaturę powietrza średnią temperaturę promieniowania przegród w pomieszczeniu ciśnienie cząstkowe pary wodnej 25 26 Temperatura efektywna Houghten i Yaglou, 1923 r. Komfort cieplny Najkorzystniejsze warunki mikroklimatu pomieszczenia, w których człowiek czuje się dobrze, a gospodarka cieplna jego organizmu przebiega najekonomiczniej /CIOP/ Komfort cieplny jest to taki stan umysłu, który wyraża zadowolenie z panujących warunków termicznych /ISO 7730/ 27 28 Komfort cieplny Wskaźniki komfortu wg normy ISO 7730 zrównoważony bilans cieplny odpowiednia temperatura wnętrza ciała (37±0,3ºC) odpowiednia temperatura skóry (32-34ºC) brak aktywności gruczołów potowych (do ~20% maks. zdolności utraty ciepła) PMV (Predicted Mean Vote) od -0.5 do +0.5 PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) 10% lub mniej brak uczucia dyskomfortu 29 30 5
Zależność między PMV i PPD PMV składowe oceny poziom metabolizmu praca zewnętrzna izolacyjność termiczna odzieży stosunek powierzchni ciała okrytej odzieżą do powierzchni nieokrytej temperatura powietrza średnia temperatura promieniowania prędkość ruchu powietrza względna wilgotność powietrza 31 32 Aktywność fizyczna i poziom metabolizmu rodzaj aktywności poziom metabolizmu [met] ciepło wydzielane [kcal/h] odpoczynek w pozycji leżącej 0.8 70 odpoczynek w pozycji siedzącej 1.0 90 relaks w pozycji stojącej lub aktywność w pozycji siedzącej (np. praca biurowa) aktywność w pozycji stojącej (np. zakupy, przemysł lekki) 1.2 110 1.6 145 średnio intensywna aktywność (np. prace domowe) 2.0 180 intensywna aktywność (np. przemysł metalowy) 3.0 270 bardzo intensywna aktywność (np. roboty budowlane) 4.0 6.0 360 540 33 Odzież i jej izolacyjność termiczna rodzaj odzieży izolacyjność cieplna [clo] skąpy kostium kąpielowy dwuczęściowy 0.01 szorty i koszulka sportowa 0.1 krótkie spodnie, rozpięta koszula z krótkim rękawem, cienka bielizna długie cienkie spodnie, rozpięta koszula z krótkim rękawem, cienka bielizna kostium damski lub lekki garnitur męski 0.8 typowy garnitur męski 1.0 garnitur z kamizelką, ciepła bielizna z długimi rękawami i nogawkami ocieplany kombinezon roboczy do prac zimowych 2.2 ubranie polarne 3-4 0.2 0.5 1.5 34 Ograniczenia stosowania PMV metabolizm 58 232 W/m² prędkość powietrza 0-1 m/s temperatura powietrza 10-30ºC średnia temperatura promieniowania 10-40ºC izolacyjność odzieży 0-2 clo Komfort cieplny pracownik biurowego temperatura pomieszczenia 21 26ºC chłodzenie izotermicznym przepływem powietrza do 30ºC, a powyżej 30ºC zimną strugą pionowy gradient temperatury na wysokości człowieka do 3K asymetria temperatury promieniowania (od okien) do 10K a od sufitu do 5K temperatura powierzchni podłogi 19-29ºC wilgotność powietrza 30-70% 35 36 6
Ocena obciążenia termicznego w środowisku gorącym. Wskaźnik WBGT Metoda wykrywająca, pobieżna diagnoza zagrożenia Min. okres narażenia 5 minut Obciążenie termiczne zależy od Właściwości środowiska, szczególnie temperatury Metabolizmu ciepła wytwarzanego przez człowieka podczas pracy fizycznej Poziomu aklimatyzacji 37 Wskaźnik WBGT (wet bulb globe temperature) Dane: Temperatura wilgotna naturalna (t nw ) - wskazywana przez czujnik temperatury pokryty wilgotną tkaniną przy wentylacji naturalnej Temperatura poczernionej kuli (t g ) - wskazywana przez czujnik temperatury umieszczony w środku matowej, poczernionej kuli Temperatura powietrza (t a ) 38 WBGT Wewnątrz budynków i na zewnątrz bez słońca Wartości odniesienia wskaźnika WBGT WBGT = 0,7t nw + 0,3t g Na zewnątrz z nasłonecznieniem WBGT = 0,7t nw + 0,2t g + 0,1t a Gdy wielkości zmienne w przestrzeni pomiar na wysokości położenia głowy, brzucha i kostek. Gdy wartości zmienne w czasie, reprezentatywna wartość średnia 39 Klasa metabolizmu W/m2 0. (odpoczynek) 1. Praca lekka 2. Umiarkowana 3. Ciężka 4. Bardzo ciężka Osoba zaaklimatyzowana st. C 33 30 28 nieodczuwalny odczuwalny ruch powietrza 25 26 23 25 Osoba nie zaaklimatyzowana 32 29 26 nieodczuwalny odczuwalny ruch powietrza 22 23 18 20 Wskaźnik IREQ (required clothing insulation) ocena ogólnego oddziaływania środowiska zimnego na organizm człowieka Temperatura operatywna. gdzie t a temperatura powietrza w C h c współczynnik wymiany ciepła na drodze konwekcji h r współczynnik wymiany ciepła na drodze promieniowania t r średnia temperatura promieniowania 7
Środki tworzące korzystny mikroklimat Urządzenia techniczne Grzewcze Wentylacyjne Klimatyzacyjne Środki ochrony osobistej i indywidualnej Środki organizacyjne Rytm przerw i pracy Separacja pracowników od środowisk zimnych/ gorących Rotacja pracowników Środki zmniejszające obciążenie cieplne powodowane słońcem Zwiększenie współczynnika odbicia Przegrody nieprzezroczyste Wzrost wymiany ciepła (np. zraszanie) Zwiększenie odporności termicznej przegród Przegrody oszklone Wystawa gł. północna Żaluzje, szczególnie zewnętrzne 43 44 8