GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2013 Tom 8 Zeszyt 3 Nikodem SZLĄZAK, Dariusz OBRACAJ, Bartłomiej GŁUCH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków WYBRANE ELEMENTY OBCIĄŻENIA CIEPLNEGO PRACOWNIKÓW W ŚCIANACH EKSPLOATACYJNYCH Streszczenie. W artykule scharakteryzowano metodę obliczeń stresu cieplnego pracownika dla wyrobisk ścianowych w kopalniach węgla kamiennego. Na podstawie wyników pomiarów parametrów powietrza z wylotów wyrobisk ścianowych w wybranych kopalniach przeprowadzono ocenę obciążenia cieplnego standardowego górnika (waga, wzrost, wskaźnik BMI itp.). Przeprowadzono analizę wpływu izolacyjności odzieży oraz wydatku energetycznego na wartość ubytku wody z organizmu i temperaturę wewnętrzną pracownika. Na podstawie uzyskanych wyników wykazano istotność parametrów odzieży oraz ciężkości pracy w środowisku o trudnych warunkach klimatycznych. SELECTED ELEMENTS OF HEAT BALANCE OF WORKERS IN LONGWALLS Summary. This article characterizes a calculation method for a worker s heat stress in longwalls in coal mines. Heat strain of an average miner (weight, height, BMI index etc.) were estimated on the basis of the measurement results of air parameters in longwalls in selected mines. The influence of thermal insulation of clothing and a metabolic rate on an insensible water loss and worker s core temperature were also examined. On the basis of the obtained results it was concluded that the parameters of clothing and how hard work in very hard climate conditions is play a significant role. 1. Wstęp Utrzymywanie przez organizm człowieka stałej temperatury wewnętrznej umożliwia jego prawidłowe funkcjonowanie (Fanger, 1974). Za taki stan odpowiada układ termoregulacji. W celu uzyskania takiej temperatury zachodzi nieustanna wymiana ciepła między ustrojem człowieka a otoczeniem. Organizm człowieka posiada odpowiednie mechanizmy pozwalające
144 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch na wytwarzanie niezbędnej ilości ciepła oraz gdy jest to konieczne, pozwalają one na jego odprowadzanie. Wymianę ciepła charakteryzuje bilans cieplny organizmu (PN-EN ISO 7933:2005): (1) gdzie: gęstość całkowitego strumienia ciepła metabolizmu (wydatek energetyczny),, gęstość strumienia energii związanej z pracą mechaniczną,, wymiana ciepła w drogach oddechowych przez konwekcje,, wymiana ciepła w drogach oddechowych przez odparowanie,, gęstość strumienia ciepła wymienianego z otoczeniem drogą przewodnictwa,, gęstość strumienia ciepła odbieranego z ciała człowieka drogą konwekcji,, gęstość strumienia ciepła wymienianego drogą promieniowania,, gęstość strumienia entalpii odbieranej z ciała drogą parowania potu,, gęstość strumienia ciepła gromadzonego w organizmie człowieka,. Oddziaływanie gorącego i wilgotnego środowiska na organizm człowieka może sprawić, że ilość ciepła wytwarzanego przez organizm będzie większa niż ilość ciepła odprowadzanego. W takiej sytuacji dochodzi do akumulacji ciepła w organizmie, co prowadzi do niebezpiecznego dla zdrowia podwyższenia temperatury wewnętrznej oraz w konsekwencji do przegrzania organizmu. Aby nie dopuścić do tego typu przypadków, należy podjąć działania prewencyjne oparte na ocenie obciążenia cieplnego organizmu. Działania te między innymi sprowadzają się do zwiększenia przepływu powietrza, obniżenia temperatury za pomocą urządzeń schładzających powietrze oraz ograniczenia czasu ekspozycji. 2. Ocena obciążenia cieplnego Metoda analitycznego wyznaczania i interpretacji stresu cieplnego doznawanego przez człowieka w środowisku gorącym zawarta w normie PN-EN ISO 7933:2005 opiera się na bilansie cieplnym organizmu. Metoda określa tempo pocenia się oraz kształtowania temperatury rektalnej jako odpowiedzi organizmu człowieka na warunki pracy. Została ona opracowana na podstawie bazy danych składającej się z 747 laboratoryjnych eksperymentów
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 145 oraz 336 eksperymentów polowych prowadzonych przez 8 instytucji badawczych (Malchaire, 1999; Malchaire i in., 2000). Głównymi celami tego międzynarodowego standardu są: - ocena stresu cieplnego w warunkach, w których może dochodzić do nadmiernego wzrostu temperatury wewnętrznej lub utraty wody z organizmu z uwagi na określone warunki, - określenie czasu ekspozycji na warunki mikroklimatu, który z punktu widzenia fizjologów jest do zaakceptowania (oczekiwany brak rzeczywistych uszkodzeń organizmu). 2.1. Model numeryczny obliczeń wymiany ciepła Na podstawie modelu numerycznego przedstawionego w normie PN-EN ISO 7933:2005, zwanego modelem PHS (Predicted Heat Strain), opracowano program komputerowy do obliczeń stresu cieplnego oraz akceptowalnego czasu ekspozycji pracownika w trudnych warunkach mikroklimatu. W celu przeprowadzenia obliczeń niezbędne jest określenie następujących parametrów: - podstawowych parametrów mikroklimatu, tj. temperatura mierzona termometrem suchym, temperatura mierzona termometrem wilgotnym, ciśnienie i prędkość powietrza, - intensywności pracy człowieka (np. wg PN-EN ISO 8996:2005), - oporu cieplnego odzieży pracownika, - aklimatyzacji człowieka w danym warunkach mikroklimatu, - stałego dostępu do wody (uzupełnienie niedoboru wody spowodowane poceniem), - założenie czasu ekspozycji na dane warunki mikroklimatu (czas pracy). W celu uszczegółowienia modelu uwzględnia się dodatkowe informacje, takie jak: - waga i wzrost pracownika, - pozycja, w jakiej człowiek wykonuje pracę (siedząca, stojąca, kucanie), - emisyjność odzieży (odzież odblaskowa), - szybkość, z jaką porusza się człowiek podczas pracy, - kąt zawarty między kierunkiem poruszania się człowieka a przepływem powietrza. W tabeli 1 przedstawiono zakresy wartości parametrów, dla których model numeryczny uważa się za poprawny. Jeśli jeden lub kilka parametrów przekracza podane zakresy, dopuszcza się zastosowanie modelu, a wyniki należy rozpatrywać z ostrożnością oraz należy zwracać szczególną uwagę na ludzi narażonych na ekspozycję takich warunków otoczenia.
146 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch Zakres wykorzystywania modelu PHS Tabela 1 Parametry Symbol Jednostka Minimum Maksimum temperatura wg termometru suchego 15 50 ciśnienie cząstkowe pary wodnej 0 4,5 różnica między temperaturą promieniowania a temperaturą wg termometru suchego 0 60 prędkość powietrza 0 3 wydatek energetyczny 100 450 izolacyjność odzieży 0,1 1,0 Obliczenia numeryczne polegają na obliczaniu wymiany ciepła w czasie t i przy odniesieniu do kondycji ciała będącego w poprzednim czasie obliczeń. Chwilowa wymiana ciepła jest funkcją warunków klimatycznych i przemian metabolicznych w jednostce czasu. Określa się czułość reakcji organizmu na zmiany temperatury skóry, strumienia potu oraz temperatury wewnętrznej w funkcji przemian metabolicznych. W każdej minucie sprawdzany jest stan, w jakim organizm się znajduje, przez określanie wartości parametrów charakterystycznych dla obliczania bilansu cieplnego. Parametry te warunkują sposób obliczania kolejnych parametrów (przepływu ciepła drogą parowania, zwilżenia skóry, strumienia potu). Akumulacja ciepła w organizmie jest szacowana na podstawie różnicy pomiędzy wymaganym a przewidywanym przepływem ciepła drogą parowania. Ciepło to przyczynia się do zwiększania lub zmniejszania temperatury skóry i ciała. Na podstawie tych wartości jest określana wymiana ciepła w następnym kroku czasowym. W ten sposób zmiany przewidywanego strumienia potu S wp i temperatury rektalnej t re są określane iteracyjnie. W modelu numerycznym można zadawać nie tylko stałe warunki pracy, lecz także zmienne warunki mikroklimatu lub zmienne obciążenie pracą w określonym czasie. Ważnym parametrem w trakcie obliczeń numerycznych jest izolacyjność odzieży. Ubranie pracownika stanowi barierę w przekazywaniu ciepła drogami konwekcji, promieniowania i parowania potu. Aktywność ruchowa człowieka i wentylacja stanowisk pracy mogą modyfikować wartości izolacyjności odzieży i parametrów dotyczących sąsiadujących warstw powietrza. Przepływ powietrza i poruszanie się zmniejszają izolacyjność odzieży i dlatego przy obliczeniach wprowadza się współczynnik korekcyjny dla izolacyjności statycznej odzieży i izolacyjności zewnętrznej warstwy powietrza (Havenith i in., 1999; Parsons i in., 1999). W wyniku obliczeń numerycznych można uzyskać wartości: - finalnej temperatury rektalnej po zadanym czasie ekspozycji, - ilości utraty wody wyrażonej w gramach po zadanym czasie ekspozycji,
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 147 - dopuszczalnego czasu ekspozycji, w którym temperatura rektalna nie przekracza 38 C, - dopuszczalnego czasu ekspozycji, podczas którego nie może dojść do utraty wody w organizmie powyżej 7,5% masy ciała, - dopuszczalnego czasu ekspozycji, podczas którego nie może dojść do utraty wody w organizmie powyżej 5% masy ciała. 2.2. Kryteria oceny dopuszczalnego czasu ekspozycji w trudnych warunkach mikroklimatu W celu określenia maksymalnego dopuszczalnego czasu ekspozycji stosuje się następujące kryteria: - stopień aklimatyzacji organizmu, - maksymalne zawilgocenie skóry w max, - maksymalny strumień potu S wmax, - uwzględnienie wyników badań nad zachowaniem ludzi czynnych zawodowo w określonych warunkach, - maksymalna utrata wody D max, - maksymalna temperatura rektalna t re. Stopień aklimatyzacji Zaaklimatyzowani pracownicy są w stanie pocić się obficie oraz rozkład pocenia jest bardziej równomierny w stosunku do osób niezaaklimatyzowanych. W danej sytuacji w pracy powoduje to sytuację, w której organizm mniej magazynuje ciepło (niższa temperatura wewnętrzna) i charakteryzuje się niższym ograniczeniem układu sercowo-naczyniowego (niższe tętno). Ponadto stwierdzono, że zaklimatyzowani pracownicy tracą mniej soli mineralnych przez pocenie się i w związku z tym mogą być w stanie wytrzymać większą utratę wody z organizmu. To rozróżnienie między zaaklimatyzowanymi i niezaaklimatyzowanymi pracownikami jest zatem niezbędne dla określenia maksymalnego zawilgocenia skóry w max oraz maksymalnego strumienia potu S wmax. Maksymalne zawilgocenie skóry w max Wskaźnik maksymalnego zawilgocenia skóry dla osób niezaaklimatyzowanych zakłada się o wartości 0,85, a dla osób zaaklimatyzowanych 1,0.
148 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch Maksymalny strumień potu S wmax Maksymalny strumień potu w zakresie 650 1000 g/h można określić za pomocą wzoru: albo w zakresie 250 400 W/m 2 :, (2) (3) Dla osób zaaklimatyzowanych maksymalny strumień potu przyjmuje się o 25% większy niż dla ludzi niezaaklimatyzowanych. Maksymalne odwodnienie i utrata wody Odwodnienie rzędu 3% masy ciała powoduje zwiększenie szybkości tętna i ograniczenie strumienia potu, co w warunkach pracy przemysłowej traktuje się jako maksymalne odwodnienie. W przypadku ekspozycji na zadane warunki trwającej od 4 do 8 godzin stopa rehydratacji wynosi 60% dla 50% badanej populacji ludzi czynnych zawodowo, a dla 95% badanych przypadków stopa rehydratacji jest większa niż 40% niezależnie od całkowitej ilości wytworzonego potu. Na podstawie tych danych maksymalna utrata wody jest określona na 7,5% masy ciała dla przeciętnego pracownika (D max50 ) lub 5% masy ciała dla 95% ludności czynnej zawodowo (D max95 ). W związku z tym, gdy pracownik ma dostęp do wody i może pić swobodnie, maksymalny dopuszczalny czas ekspozycji można obliczyć dla przeciętnego pracownika na podstawie utraty wody maksymalnie 7,5% w przeliczeniu na masę ciała (przy założeniu 50% poziomu ufności) i na podstawie 5% utraty masy ciała (przy założeniu 95% poziomu ufności). Jeśli pracownik nie ma dostępu do uzupełniania płynów, to całkowita utrata wody powinna być ograniczona do 3% masy ciała. Maksymalna wartość temperatury rektalnej Zgodnie z raportem WHO, kiedy grupa pracowników znajdzie się w określonych warunkach, a średnia temperatura rektalna jest równa 38 C, można oszacować prawdopodobieństwo osiągnięcia wyższej temperatury rektalnej przez daną osobę dla następujących wartości temperatury rektalnej (Malchaire i in., 2002): - t re =42,0 C z prawdopodobieństwem mniejszym od 10-7 (mniej niż jedna osoba na 40 lat wśród 1000 pracowników przy założeniu 250 dni roboczych w roku),
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 149 - t re =39,2 C z prawdopodobieństwem mniejszym od 10-4 (mniej niż jedna osoba narażona na ryzyko wśród 10 000 zmian). W dalszej części przedstawiono przykład obliczeń parametrów określających obciążenie cieplne oraz akceptowalnego czasu ekspozycji pracowników zatrudnionych w trudnych warunkach mikroklimatu na wylotach wyrobisk ścianowych. W pracy (Szlązak i in., 2013) przedstawiono podobne obliczenia dla wyrobisk chodnikowych z wentylacją lutniową. 3. Ocena obciążenia cieplnego pracowników w wyrobiskach eksploatacyjnych Do obliczeń obciążenia cieplnego pracowników wykorzystano dane mikroklimatu z badanych wyrobisk eksploatacyjnych. Pomiary parametrów powietrza wykonywano w stacjach pomiarowych na wylotach wyrobisk ścianowych w 5 kopalniach węgla kamiennego w 22 chodnikach. Metodykę pomiarową oraz warunki prowadzonych wyrobisk ścianowych przedstawiono w pracach: Szlązak i in., 2012; Szlązak i in., 2013. W tabeli 2 zamieszczono wyniki pomiarów parametrów powietrza, które przyjęto do obliczeń parametrów określających obciążenie cieplne pracowników. 3.1. Warunki mikroklimatu w wyrobiskach eksploatacyjnych Zestawienie wyników pomiarowych z wyrobisk eksploatacyjnych Kopalnia Ściana System przewietrzania/klimatyzacja Wylot ze ściany t s, o C t m, o C φ, % v a, m/s 1 "U" / Klim. 26,8 24 79 1,6 29,8 28,4 90 2,3 2 "U" / Klim. 27 25 85 1,15 25,8 22,8 78 1,27 B-Z 3 "Y" / Klim. 28,4 25,8 81 2,33 26 22,4 73 2,6 4 "U" / Klim. 29 24 66 0,9 27,2 25,6 88 2,38 5 "Y" / Klim. 31 28,8 85 1,58 26,6 26,6 86 1,73 6 "Y" / Klim. 25,2 21,2 69 2,3 7 "Y" / Klim. 24,2 21,8 81 6,25 P 8 "Y" / Klim. 31,4 28,2 78 2,03 9 "Y" / Klim. 28,4 26,2 84 2,1 10 "Y" / Klim. 31,2 27,8 77 1,2 11 "Y" / Klim. 25,6 23,8 86 1,11 Tabela 2
150 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch cd. tabeli 2 12 "U" / Klim. 28,2 26,8 89 1,15 J-M 13 "U" / Klim. 31,8 30,6 92 1,03 14 "Y" / Klim. 31,2 28,6 82 4,39 15 "U" / Klim. 31,4 27,8 75 1,43 16 "Y" / Klim. 26,6 24,2 82 2,45 B 17 "Y" / Klim. 25,6 23,4 83 2,18 18 "Y" / Klim. 26,6 24,4 83 1,98 19 "U" / Brak 20,4 19 88 3,67 K 20 "U" / Klim. 27,8 25,6 84 2,58 21 "U" / Klim. 23,4 20,6 77 3,2 22 "U" / Klim. 23,6 23 95 2,94 Wartości średnie 27,4 25,1 82,1 2,2 Odchylenie standardowe 2,9 2,8 6,7 1,2 Na 27 pomiarów na wylotach ścian eksploatacyjnych w 11 przypadkach doszło do przekroczenia dopuszczalnej temperatury na termometrze suchym. Ludzie zatrudnieni w tych warunkach pracowali w skróconym czasie pracy. Z wyjątkiem jednej ściany we wszystkich pozostałych rejonach ścian stosowano schładzanie powietrza. Wskaźniki te wskazują na trudne warunki pracy w wyrobiskach eksploatacyjnych. 3.2. Warunki pracy w wyrobiskach eksploatacyjnych (założenia do obliczeń) Z uwagi na brak rejestrowanych danych dotyczących pracowników zatrudnionych w badanych w wyrobiskach eksploatacyjnych przyjęto założenie standardowych parametrów zatrudnionego pracownika. W celu wykonania obliczeń numerycznych założono, że standardowy pracownik ma 1,8 m wzrostu i waży 75 kg, co odpowiada BMI równemu 23,1. Oznacza to prawidłowy stosunek wagi do wzrostu. Na podstawie tak przyjętych danych określa się powierzchnię skóry A du =1,94 m 2 i maksymalny ubytek wody D max95 =3750 g. Wartość maksymalnego ubytku wody odnosi się do warunku odwodnienia o wartości 5% masy ciała. Zakłada się, że pracownik w przodkach drążonych wyrobisk jest zaaklimatyzowany i ma stały dostęp do wody w celu uzupełniania płynów. Temperatura mierzona termometrem suchym opowiada temperaturze promieniowania otoczenia. Praca jest wykonywana w miejscu, w pozycji stojącej, czyli część powierzchni skóry, która bierze udział w wymianie ciepła przez promieniowanie, wynosi A r /A du = 0,77. Dla statycznego wskaźnika przepuszczalności wilgoci przyjmuje się domyślnie wartość i mst =0,38. Z uwagi na to, że w modelu numerycznym bierze się pod uwagę emisyjność ubrania, zakłada się domyślnie wartości współczynników dla człowieka niemającego tego typu odzieży. Wartość współczynnika zakrycia ciała wynosi A p =0,54, a współczynnik
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 151 emisyjności odzieży wynosi F r =0,97 (znikoma emisyjność). Współczynnik charakteryzujący część masy ciała w temperaturze skóry wynosi =0,3. Czas ekspozycji na warunki klimatu to 450 min z uwagi na przepisy obowiązujące w polskim górnictwie podziemnym (Parsons i in., 1999). Na podstawie badań wykazano, że temperatura rektalna osoby w stanie spoczynku ma wartość t re =36,8 C (Wacławik, 2012). Temperaturę średnią skóry domyślnie zakładamy jako t sk =34,1 C. Od tych wartości wejściowych temperatur rozpoczyna się modelowanie numeryczne. Do głównych parametrów warunkujących obciążenie cieplne należą wydatek energetyczny oraz izolacyjność odzieży. Dla zobrazowania, jaki wpływ mają te parametry na obciążenie cieplne człowieka, wykonano obliczenia dla dwóch różnych wartości izolacyjności odzieży, tj. 0,5 clo i 1 clo, oraz dla czterech wartości wydatków energetycznych, tj. 115 W/m 2, 145 W/m 2, 175 W/m 2, 200 W/m 2. Wartości wydatków energetycznych odpowiadają kolejno aktywności fizycznej: lekkiej, umiarkowanej, umiarkowanie ciężkiej i ciężkiej (wg PN-EN ISO 8996:2005). 3.3. Analiza wyników obliczeń Poniżej pokazano wyniki obliczeń dla wylotów z wyrobisk eksploatacyjnych w postaci rysunków, które obrazują obciążenie cieplne organizmu podczas 450-minutowej ekspozycji na zadane warunki mikroklimatu. Miarami tego obciążenia cieplnego są końcowa temperatura rektalna oraz ilość utraty wody z organizmu. Temperatura rektalna wg założeń normy PN-EN ISO 7933:2005 nie powinna przekroczyć 38 C. Dla izolacyjności odzieży 0,5 clo oraz przy zmiennych wydatkach energetycznych w badanych wyrobiskach warunek ten został spełniony. Na rys. 1 możemy zaobserwować stały niewielki wzrost temperatury rektalnej w zależności od wartości temperatury powietrza. Skrajny wynik (dla ts=31,8 C) jest obarczony większym błędem obliczeniowym z uwagi na parametry powietrza odpowiadające granicy stosowalności modelu PHS. Jeśli człowiek miał odzież o izolacyjności 1 clo, to w jednym przypadku doszło do przekroczenia granicznej wartości 38 C dla wszystkich badanych wartości wydatków energetycznych. Taki stan wystąpił z uwagi na wysoką temperaturę i wysoką wilgotność panującą w wyrobisku. Według specjalistów, jeśli spełni się dodatkowe wymagania, dopuszcza się pracę w zakresie 38<t re <39 C, tj. pracownik jest zaaklimatyzowany i ma pełną sprawność układu termoregulacji (Wacławik i in., 2012).
152 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch 40 39,5 Finalna temperatura reaktalna (ekspozycja 450 min), C 39 38,5 38 37,5 0,5 clo, 115 W/m^2 0,5 clo, 145 W/m^2 t re >39 C 38<t re <39 C 0,5 clo, 175 W/m^2 0,5 clo, 200 W/m^2 t re <38 C 37 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Temperatura termometru suchego, C Rys. 1. Zmiany finalnej temperatury rektalnej w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 0,5 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 1. Changes in final rectal temperature depending on air temperature for clothing thermal insulation 0,5 clo and different metabolic rate of worker in analysed outlet of the longwalls 40 39,5 Finalna temperatura reaktalna (ekspozycja 450 min), C 39 38,5 38 37,5 1 clo, 115 W/m^2 1 clo, 145 W/m^2 t re >39 C 38<t re <39 C 1 clo, 175 W/m^2 1 clo, 200 W/m^2 t re <38 C 37 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Temperatura termometru suchego, C Rys. 2. Zmiany finalnej temperatury rektalnej w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 1 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 2. Changes in final rectal temperature depending on air temperature for clothing thermal insulation 1 clo and different metabolic rate of worker in analysed outlet of the longwalls Miarą obciążenia cieplnego jest także ilość utraty wody z organizmu. Na rys. 3 i 4 pokazano wyniki obliczeń dla każdego pomierzonego wylotu ze ściany. Na rys. 3 jest widoczny stały wzrost ilości ubytku wody z organizmu dla wartości izolacyjności odzieży
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 153 0,5 clo z jednym wyjątkiem. Punkty pomiarowe na rysunku ściśle do siebie przylegają, tworząc stały trend wzrostowy. Obliczenia wykazały, że dla wydatku energetycznego 200 W/m 2 w 5 wyrobiskach doszło do przekroczenia granicy D max95 =3750 g ubytku wody, w tym dla jednego przypadku ta wartość była wysoka. Sytuacja zmienia się wraz ze wzrostem izolacyjności odzieży (rys. 4). Im wyższa jest temperatura powietrza oraz im większy jest wydatek energetyczny, tym bardziej rozproszone są punkty pomiarowe. Dzieje się tak z uwagi na różne wartości wilgotności oraz prędkości powietrza w badanych wyrobiskach. W takich warunkach odzież stanowi pewnego rodzaju barierę na drodze wymiany ciepła między ciałem człowieka a otoczeniem. W jednym wyrobisku, gdzie występowała temperatura bliska 32 C, a wilgotność była powyżej 90%, obciążenie cieplne było tak wysokie, że pomimo różnych wartości izolacyjności odzieży (0,5 clo i 1 clo) oraz dla różnych wydatków energetycznych dochodziło do przekroczenia zakładanych granic parametrów fizjologicznych. 8000 7000 Ubytek wody z organizmu (ekspozycja 450 min), g 6000 5000 4000 3000 2000 1000 graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu D max50 =5625 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu D max95 =3750 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika 0,5 clo, 115 W/m^2 0,5 clo, 145 W/m^2 0,5 clo, 175 W/m^2 0,5 clo, 200 W/m^2 0 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Temperatura termometru suchego, C Rys. 3. Zmiana ilości ubytku wody z organizmu w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 0,5 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 3. Changes in water loss from body depending on air temperature for clothing thermal insulation 0,5 clo and different heat load of worker in analysed outlet of the longwalls
154 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch 8000 7000 Ubytek wody z organizmu (ekspozycja 450 min), g 6000 5000 4000 3000 2000 1000 graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu D max50 =5625 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu D max95 =3750 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika 1 clo, 115 W/m^2 1 clo, 145 W/m^2 1 clo, 175 W/m^2 1 clo, 200 W/m^2 0 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Temperatura termometru suchego, C Rys. 4. Zmiana ilości ubytku wody z organizmu w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 1 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 4. Changes in water loss from body depending on air temperature for clothing thermal insulation 1 clo and different heat load of worker in analysed outlet of the longwalls Wynikiem obliczeń numerycznych jest również określenie maksymalnego czasu ekspozycji pracownika na zadane parametry środowiska w zależności od ustalonych warunków. Zakłada się, że temperatura wewnętrzna pracownika nie powinna przekraczać 38 C (Malchaire i in., 1999). W wyniku przeprowadzonych obliczeń okazuje się, że tylko w przypadku, gdy izolacyjność odzieży wynosi 1 clo, a wydatek energetyczny to 200 W/m 2, wtedy w jednym przypadku czas pracy powinien ulec diametralnemu skróceniu (rys. 5). Następnym warunkiem jest ograniczenie czasu pracy ze względu na maksymalną wartość utraty wody z organizmu na poziomie ubytku 5% masy ciała. Warunek ten stosuje się, jeśli pracownik przeszedł podstawowe badania i jest zaaklimatyzowany. Na rys. 6 i 7 przedstawiono ograniczenie czasu pracy ze względu na warunek utraty wody z organizmu w funkcji temperatury powietrza dla różnej izolacyjności odzieży i różnego wydatku energetycznego. Na rys. 6 widać, że dla izolacyjności odzieży 0,5 clo dochodzi do konieczności skrócenia czasu pracy w 5 przypadkach, jeżeli pracownicy wykonywaliby pracę o wydatku energetycznym 200 W/m 2. Przy izolacyjności odzieży 1 clo (rys. 7) zwiększa się liczba badanych wyrobisk, w których powinien obowiązywać skrócony czas pracy przy różnych wydatkach energetycznych. W jednej trzeciej wyrobisk przy wydatku energetycznym pracowników 200 W/m 2 powinien obowiązywać skrócony czas pracy.
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 155 Rys. 5. Ograniczenie czasu pracy ze względu na warunek T re <38 C w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 1 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego dla pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 5. Maximum allowable exposure time due to requirement T re <38 C depending on air temperature for clothing thermal insulation 1 clo and different metabolic rate of worker in analysed outlet of the longwalls Rys. 6. Ograniczenie czasu pracy ze względu na warunek utraty wody z organizmu (maks. 5% masy ciała) w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 0,5 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego dla pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 6. Maximum allowable exposure time due to requirement of insensible water loss (max 5% drop of body mass) depending on air temperature for clothing thermal insulation 0,5 clo and different metabolic rate of worker in analysed outlet of the longwalls
156 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch Rys. 7. Ograniczenie czasu pracy ze względu na warunek utraty wody z organizmu (maks. 5% masy ciała) w funkcji temperatury powietrza dla izolacyjności odzieży 1 clo oraz zmiennego wydatku energetycznego dla pracownika na wylotach z wyrobisk eksploatacyjnych Fig. 7. Maximum allowable exposure time due to requirement of insensible water loss (max 5% drop of body mass) depending on air temperature for clothing thermal insulation 1 clo and different metabolic rate of worker in analysed outlet of the longwalls 4. Podsumowanie Metoda analitycznego wyznaczania i interpretacji stresu cieplnego doznawanego przez człowieka w środowisku gorącym opiera się na teorii wymiany ciepła między człowiekiem według bilansu cieplnego. Została zweryfikowana dużą liczbą badań w różnych środowiskach pracy. Ocena zagrożenia przegrzaniem organizmu jest oparta na takich parametrach fizjologicznych, jak temperatura rektalna i odwodnienie organizmu. Przedstawiona metoda obliczeń numerycznych obciążenia cieplnego bierze pod uwagę nie tylko parametry powietrza, lecz także intensywność pracy oraz izolacyjność odzieży. Jest to obecnie najbardziej wszechstronne narzędzie oceny obciążenia cieplnego organizmu. Przeprowadzona analiza obciążenia cieplnego pracowników na wylotach z wyrobisk ścianowych wykazała istotność parametrów, jakimi są izolacyjność odzieży i wydatek energetyczny. Obliczenia wykazały, że przy izolacyjności odzieży 1 clo i wydatku energetycznym 200 W/m 2 dochodzi do przekroczenia temperatury rektalnej w jednym
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników... 157 wyrobisku. Natomiast jeśli pracownicy byliby ubrani w odzież o izolacyjności 0,5 clo, nie doszłoby do przekroczenia granicznej wartości temperatury rektalnej w żadnym przypadku. Przy wzięciu pod uwagę warunku ubytku wody z organizmu D max95 =3750 g dla izolacyjności odzieży 0,5 clo dochodzi do przekroczenia granicznej wartości ubytku wody przy wydatku energetycznym 200 W/m 2. Poza jednym wylotem ze ściany maksymalny czas pracy mieści się w granicy obowiązujących przepisów dotyczących skróconego czasu pracy (360 minut) (Dz.U. 2002, nr 139 poz. 1169). Jeśli jednak izolacyjność odzieży wynosiłaby 1 clo, doszłoby do sytuacji, w której pracownicy nie mogliby przepracować dniówki ze skróconym czasem z uwagi na niebezpieczeństwo wystąpienia stresu cieplnego; odnosi się to do wydatku energetycznego 200 W/m 2 i 175 W/m 2 oraz w jednym przypadku dla 145 W/m 2 (rys. 7). W jednym wyrobisku, gdzie temperatura mierzona termometrem suchym była bliska 32 C, a wilgotność wynosiła powyżej 90%, dochodziło do przekroczenia zakładanych granic parametrów fizjologicznych dla różnych wartości izolacyjności odzieży (0,5 clo i 1 clo) oraz dla różnych wydatków energetycznych. Powyższe stwierdzenia prowadzą do wniosku, że pracownicy zatrudnieni w środowiskach gorących o dużej wilgotności muszą mieć lekką, przewiewną odzież o małej izolacyjności, aby móc wykonywać pracę o wysokim wydatku energetycznym. Artykuł został zrealizowany w ramach strategicznego projektu badawczego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach, zadanie nr 5, umowa nr SP/K/5/143275/11 BIBLIOGRAFIA 1. Fanger, P.O.: Komfort cieplny. Arkady, Warszawa 1974. 2. Havenith G., Holmér I., Den Hartog E.A., Parsons K.C.: Clothing evaporative heat resistance, Proposal for improved representation in standards and models. The Annals of Occupational Hygiene, July, 43(5), 1999, p. 339-346. 3. Malchaire J.: Evaluation and control of warm working conditions. Proceedings of the BIOMED Heat Stress Conference, Barcelona, June 14-15 1999. 4. Malchaire J., Piette A., Kampmann B., Mehnert P., Gebhardt H., Havenith G., Den Hartog E., Holmer I., Parsons K., Alfano G., Griefahn B.: Development and validation of the predicted heat strain model. The Annals of Occupational Hygiene, 2000. 5. Malchaire J., Kampmann B., Mehnert P., Gebhardt H., Piette A., Havenith G., Holmer I., Parsons K., Alfano G., Griefahn B.: Assessment of the risk of heat disorders encountered during work in hot conditions. Int. Arch. Occup. Environ Health, No. 75, 2002, p. 153-162. 6. Parsons K.C., Havenith G., Holmér I., Nilsson H., Malchaire J.: The effects of wind and human movement on the heat and vapour transfer properties of clothing. The Annals of Occupational Hygiene, No. 43(5), 1999, p. 347-352.
158 N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch 7. PN-EN ISO 7933:2005, Ergonomia środowiska termicznego Analityczne wyznaczanie i interpretacja stresu cieplnego z wykorzystaniem obliczeń przewidywanego obciążenia termicznego (oryg.). 8. PN-EN ISO 8996:2005, Ergonomia środowiska termicznego Określanie tempa metabolizmu. 9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz.U. nr 139, poz. 1169 oraz z 2006 r., nr 124, poz. 863). 10. Szlązak N., Obracaj D., Głuch B.: Warunki mikroklimatu wyrobisk chodnikowych i ścianowych na wybranym przykładzie. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 4, 2013, s. 5-16. 11. Szlązak N., Obracaj D., Głuch B.: Analiza warunków mikroklimatu w rejonie ścian eksploatacyjnych kopalń węgla kamiennego. Aktualne problemy zwalczania zagrożeń górniczych: II konferencja naukowo-techniczna, Brenna, 7 9 listopada 2012. 12. Szlązak N., Obracaj D., Głuch B.: Wybrane elementy bilansu cieplnego pracowników w wyrobiskach z wentylacją lutniową. Konferencja naukowo-techniczna dotycząca zadania badawczego nr 5 pt. Opracowanie zasad zatrudnienia pracowników w warunkach zagrożenia klimatycznego w podziemnych zakładach górniczych w ramach projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach, Rybnik 2013. 13. Wacławik J., Branny M., Borodulin-Nadzieja L.: Modelowanie wymiany ciepła między górnikiem a otoczeniem w trudnych warunkach klimatycznych. Wydawnictwa AGH, Kraków 2004. 14. Wacławik J., Knechtel J., Świerczek L.: O mechanizmach wymiany ciepła między organizmem pracownika a otoczeniem w wyrobiskach kopalnianych. Zagrożenia i technologie, praca zbiorowa pod red. Józefa Kabiesza, Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2012. Abstract The impact of the hot and humid environment on the human body can make the amount of heat produced by the body is greater than the amount of heat discharged. In this case, heat is stored in organism. This process may lead to dangerous raise of core temperature. The process of heat exchange between a human body and the environment is a well-known issue. One of the methods describing this process is based on the analytical determination of heat stress that a human body experiences in a hot environment (PN-EN ISO 7933:2005). The dependencies presented in this norm enable us to calculate the influence of environmental parameters on a human organism. The parameters of the environment in an underground mine and the parameters characterizing an employee s work and clothing are used when heat stress is estimated in conditions when there may be an excessive increase in his body temperature or an insensible water loss. On that basis an allowable, from a physiological point of view, worker s exposure time in particular microclimate conditions can be determined. This article characterizes a calculation method for a worker s heat stress in longwalls in coal mines. Heat strain of an average miner (weight, height, BMI index etc.) were estimated on the basis of the measurement results of air parameters in longwalls in selected mines. The influence of thermal insulation of clothing and a metabolic rate on an insensible water loss and worker s core temperature were also examined. On the basis of the obtained results it was concluded that the parameters of clothing and how hard work in very hard climate conditions is play a significant role.