Tepelně vlhkostní mikroklima Člověk Produkce tepla a jeho výdej do prostředí Produkce tepla a tepelná rovnováha Účel: 1. Stanovení tepelné a vlhkostní produkce člověka pro tepelnou bilanci klimatizované místnosti. 2. Určení limitních podmínek prostředí, které je člověk schopen dlouhodobě snášet bez ohrožení zdraví. 3. Určení maximální doby expozice v prostředí, které není snesitelné dlouhodobě (stanovení režimu práce a odpočinku). Metody a prostředky: 1. ČSN ISO 9886 Hodnocení tepelné zátěže podle fyziologických měření 2. ČSN ISO 9886 Ergonomie - Stanovení tepelné produkce organismu 3. ČSN EN 7993 Horká prostředí. Analytické stanovení a interpretace tepelné zátěže s použitím výpočtu požadované intenzity pocení. 4. Nařízení vlády č. 523/2002 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců pň práci 2 1 Rovnice tepelné bilance člověka M-W = Cm+Em + K + C + R + E + S produkce = výdej + akumulace M..... energetický výdej W..... mechanická práce Cres ... výměna citelného tepla dýcháním E ... výměna vázaného teplo dýcháním K..... výměna citelného tepla vedením C..... výměna citelného tepla prouděním R..... výměna citelného tepla sáláním E..... výměna vázaného tepla odpařováním S..... akumulace tepla v těle 3 teplota kůže tvar těla velikost tělního povrchu difúzni propustnost kůže tělní izolace CITELNÉ TEPLO volná nebo nucená konvekce vedení kontaktem s pevnými povrchy výměna tepla sáláním s okolními plochami vzájemná interakce výsledná vzduchu teplota okolních ploch relativní vlhkost rychlost vzduchu termoregulační pochody pro vytvoření rovnováhy fyzikální termoregulace chemická termoregulace VAZANE TEPLO difúze vodní páry kůží mokré pocení odpařování vody z dýchacích cest mechanická termoregulace 2 Termoregulační mechanismy V teplém prostředí: 1. Vazodilatace - rozšíření podkožních cév —► zvýšení prokrvení pokožky —► zvýšení povrchové teploty 2. Aktivace potních žláz - odpařování potu, krátkodobě až 4 1/h, dlouhodobě 1 1/h - 2,4 MJ tepla. 3. Hypertermie - přehřívání organismu (slabost, bolest hlavy, zrychlený dech) V chladném prostředí: 1. Vazokonstrikce - snížení prokrvení pokožky —► snížení povrchové teploty, postavení chloupků na kůži —► ochrana mezní vrstvy 2. Termogeneze - svalový třes, až 10-ti násobné zvýšení tepelné produkce. Vnitřní teplota zůstává cca 37°C, periferie mohou být chladnější jak 20°C 3. Hypotermie - podchlazení těla (vzestup krevního tlaku a srdeční frekvence) Tepelná produkce člověka energetický výdej M • Bazálni metabolismus - teplo je produktem biologických procesů (chemická energie potravy) • Svalový metabolismus - teplo vedlejším produktem fyzické činnosti člověka (účinnost lidské práce je nízká) Energetický výdej se vyjadřuje jako: • Tepelný výkon průměrného (standardního) člověka (W) • Tepelný výkon na jednotku plochy tělesného povrchu (W/m2) • Tepelný výkon v jednotkách met (1 met odpovídá tepelné produkci sedícího člověka) Hodnoty metabolismu brutto zahrnují i bazálni metabolismus. 6 3 Složky energetického výdeje M Svalový metabolismus: • Poloha těla - Vsedě 10 W/m2 - V kleče 20 W/m2 - Ve stoje 25 W/m2 • Druh a rychlost práce - Práce rukou 30 W/m2 - Práce oběma pažemi 85 W/m2 - Práce trupem 190 W/m2 7 Metody - stupně pro stanovení M a tepelné bilance organismu STU PEŇ METODA PŘESNOST PROHLÍDKA PRACOVNÍHO MÍSTA 1 A-KLASIFIKACE PODLE DRUHU ČINNOSTI HRUBÁ INFORMACE S VELKÝM RIZIKEM CHYBY NENÍ NUTNÁ B-KLASIFIKACE PODLE POVOLÁNÍ INFORMACE O TECHNICKÉM ZAŘÍZENÍ A ORGANIZACI PRÁCE II A - POUŽITÍ TABULEK PRO SLOŽKY PRACOVNÍ ČINNOSTI VELKÉ RIZIKO CHYB + 15% JE TŘEBA ČASOVÁ STUDIE B-POUŽITÍ TABULEK ODHADU PRO JEDNOTLIVÉ ČINNOSTI C-MĚŘENÍ SRDEČNÍ FREKVENCE ZA DEFINOVANÝCH PODMÍNEK NENÍ TŘEBA III MĚŘENÍ SPOTŘEBY KYSLÍKU RIZIKO CHYB JEN V MEZÍCH PŘESNOSTI MĚŘENÍ A ČASOVÉ STUDIE JE TŘEBA ČASOVÁ STUDIE 8 Bazálni metabolismus: - muž 44 W/m2 - žena 41 W/m2 Energetický výdej M podle činnosti činnost metabolismus Mechanická účinnost W/m2 met - Bazálni metabolismus 45 0,8 0 Sezení, odpočívání 58 0 Stání, odpočívání 65 1,1 0 Běžná kancelářská práce 75 1,3 0 Lehká práce na strojích 150 2,6 0,1 Těžká manuální práce 250 4,3 0,1 Chůze po rovině 4km/h 140 2,4 0 Chůze po rovině 6km/h 200 3,5 0 Chůze se stoupáním 5% (4 km.h-1) 200 3,5 0 Chůze se stoupáním 5% (4 km.h-1) 340 5,7 0,2 -a— 600 500 400 300 200 100 0 Metabolické teplo při různých činnostech (W/m2) t N 3 >^h 03 > Prof. M. Jokl Ch > O Oh 03 Ch 03 Ch a 03 tz> Oh Vh >^h 03 -O Vh ^03 > 03 03 03 > 03 T3 O Vh Oh •^h 3 >^h ^03 a O 10 Hodnota metabolismu (met) Maximální výkon člověka Zdravý muž (20 let) může dosáhnout maxima M - 12 met. S e stoupajícím věkem tato hodnota klesá. Ve věku 70 let je maximum M - 7 met. Pro ženy platí hodnoty o zhruba 30 % nižší. M= 12 = 12.58= 686 W/m2 Pro standardní osobu M - 1295 W Max. mechanická práce L. Armstrong W = 500W 12 6 Faktory ovlivňující tepelný výkon • Vnitřní prostředí -> - Teplota vzduchu - Radiační teplota Operativní Efektivní - Vlhkost vzduchu / teplota teplota - Rychlost proudění vzduchu a jeho turbulence • Osobní faktory - Hodnota metabolismu (fyzická aktivita) - oblečení • Doplňující faktory - Jídlo a pití - Aklimatizace - Aklimace - Tělesná postava - Věk a pohlaví Lada Centnerová 13 Vstupní veličiny subjektu ■ Hmotnost m, výška h —>■ povrch těla ADU (m2) ■ energetický výdej M (W/m2) ^^^^^^ ■ vnější práce W(W/m2) ■ tepelná izolace oděvu /c/0 (m2K/W) ■ difúzni odpor oděvu Rt (m2Pa/W) Vstupní veličiny prostředí • teplota vzduchu ta (°C) • vlhkost vzduchu - parciálni tlak vodní páry p (Pa) • teplota stěn (radiační teplota) tľ (°C) • rychlost proudění vzduchu V (m/s) 14 7 Vstupní veličiny výměny tepla • střední teplota kůže tsk (°C) • relativní rychlost proudění vzduchu Vgr (m/s) • součinitel přestupu tepla konvekcí hc (W/m2K) • součinitel přestupu tepla sáláním hr (W/m2K) • maximálni intenzita pocení Emgx (W/m2Pa) 15 Tepelná izolace oděvu (clo) í 0,5 0,6 -1,2 1,3-1,7 1.ů - 2,4 2.6-3,4 > 3,5 8 Energetický výdej pro jeden pracovní cyklus složený z více činností M.... průměrný energetický výdej pracovního cyklu Mt ... energetický výdej při i-té činnosti (W/m2) (W/m2) tt.....doba trvání i-té činnosti (s) T.....doba trvání pracovního cyklu (s) standardní osoba muž: h=l,7m, m=70kg, A=l,8m2, věk 35 let žena: h=l ,6m, m=60kg, A=l,6m2, věk 35 let 17 Hodnocení tepelné zátěže podle fyziologických měření Odpověď organismu na pobyt v teplém nebo chladném prostředí 1. TEPLOTA TĚLESNÉHO JÁDRA jícen, konečník, zažívací trakt, ústa, bubínek, zevní zvukovod 2. TEPLOTA KŮŽE průměrná teplota na celém povrchu těla = vážený průměr souboru místních teplot 3. SRDEČNÍ FREKVENCE Měření srdeční frekvence za definovaných podmínek 4. ZTRÁTA TĚLESNÉ HMOTNOSTI Úbytek hmotnosti následkem pocení 9 Mezní hodnoty fyziologických měření Gradient teploty At = max. 1 K/hodina Max. teplota tělesného jádra řy = 36 -39 °C Teplota kůže na čele tsk = 17-45 V Tepelná srdeční reaktivita AHRt = max. 33 /min.K (zvýšení teploty o jádra o 1 °C —> nárůst 33 tepů/min.) Na pracovišti AHRt = 185 - 0,65.věk Ztráta tělesné hmotnosti Am = 800 až 1300 g/h (standardní osoba) 19 Teplota kůže v prostředí Měření teploty kůže - referenční body START 10 min 20 min 45 min -► 0 km 5 km 10 km 23 km 30°C Měřený energetický výdej za 45 minut 450 kcal (523W) Sledovaná osoba: muž, 27 let, 86kg, 1,9m, plocha těla 2,136m2 Vypočtený průměrný energetický výdej vztažený k m2 plochy 20°C tělesného povrchu činil 326 W/m2. 11 Rozložení povrchové teploty ,rc - 30 - 20 - 10 )°C 24 Rozložení povrchové teploty Rozložení povrchové teploty KM M 26,6°C - 20 j 7 10 Iľ ■i I- 0 -02°C Teplota okolí 426 SRDEČNÍ FREKVENCE HR = HR0 + AHRm +AHRS + AHRt + AHRn + AHRE HR0 klidová hodnota s.f. při M = 58 W/m2 AHRM ... zvýšení s.f. způsobené dynamickým svalovým zatížením AHRS ... zvýšení s.f. způsobené statickou svalovou prací AHRt... zvýšení s.f. způsobené tepelnou zátěží AHRn ... zvýšení s.f. způsobené mentální zátěží AHRe ... reziduálni složka s.f. (např. vlivy dýchání) Odhad Mdle srdeční frekvence M = 4.HR-255 27 ZTRÁTA TĚLESNÉ HMOTNOSTI (následkem pocení) ňmg = ňmsw + ňmres + ňm0 + ňmwat + ňmsol + ňmcl0 Am ztráta hmotnosti v důsledku: .. ztráty potu během časového intervalu Amres ... ztráty potu odpařování v dýchacím ústrojí ňm0.. rozdílu mezi hmotností C02 a 02 Amwat ... příjmu a vylučování (moč) vody Amsol .. příjmu (potrava) a vylučování (stolice) pevných látek Amclo .. změny hmotnosti oblečení v důsledku změn v oblečení a akumulace potu v oděvu 28 Měření spotřeby kyslíku PARCIÁLNÍ METODA Měření spotřeby kyslíku INTEGRÁLNÍ METODA 3,0 m 2 0,25^ UJ > < UJ 5 O Lj q; o ľJ > z S- LU > 5 = M C/) < Ij CD Q -03- < ........potreba kyslíku Tmax. aerobní výkon kyslíkový dll] vyrovnání ky H 5LÍK0VÉH0 DLUHl práce zotavení - - měření cas min Reakce lidského těla na prostředí produkce = výdej + akumulace Tepelná bilance člověka hypotermie neutrální pásmo mokré pocení hypertermie produkce < výdej 5<0 produkce = výdej 5 = 0 w < 30% produkce = výdej 5 = 0 w > 30% produkce > výdej 5>0 w ... vlhkost kůže (%) je definovaná jako odpovídající podíl povrchu kůže, který lze pokládat za úplně mokrý. Za optimálních podmínek vodní páru pohltí okolní vzduch a pokožka zůstává suchá. 31 Tepelná bilance v horkém prostředí tepelná rovnováha pň suchém pocení Pro zachování tepelné pohody udává Fanger vztah pro maximální tepelný tok odpařováním potu: ,42-[m(1-//)-58] tepelná rovnováha pň mokrém pocení mokré pocení nestačí k odvodu tepla do okolí —► akumulace tepla v těle Časově omezený pobyt v prostředí. 32 Tepelná bilance v horkém prostředí Výpočet požadované intenzity pocení -W-C -E -K- res res j, _Psk~Pa ĽL — - max D E max ■ ■ ■ maximální intenzita pocení (W/m2) E max ■ ■ ■ maximální intenzita pocení pro teplotu kůže 35°C (W/m2) p " k ... tlak nasycené vodní páry při teplotě kůže (kPa) pa ... tlak vodní páry v okolním prostředí (kPa) Rt ... celkový odpařovací odpor oděvu (m2kPa/W) w ... vlhkost kůže při 35°C SW ... tepelný tok odpařováním potu (W/m2) 33 Tepelná bilance v horkém prostředí Výpočet požadované intenzity pocení Aktuální stav vlhkosti kůže při různých hodnotách w: w = 20-30% elektrický odpor kůže na čele, dlaních a trupu prudce klesá, kůže (s výjimkou podpaždí) však zůstává na pohmat prakticky suchá, v klidu začíná být pociťován diskomfort w = 30-40% hmatné, ale sotva viditelné ovlhčení čela, dlaní, bňcha a beder. Oděv zůstává prakticky suchý, pň fyzické aktivitě začíná být pociťován diskomfort w = 50-70% silné, ale sotva viditelné ovlhčení čela, dlaní, bňcha a beder, mírné ovlhčení tváří, zad a prsou, event. horních končetin. Oděv zvlhčen hlavně v pase. Při tělesném klidu značný diskomfort w > 70% silné ovlhčení téměř celého těla, stoupající provlhčení oděvu. Pň fyzické práci značný diskomfort, začíná odkapávání potu 34 Tepelná bilance v horkém prostředí Výpočet požadované intenzity pocení ČSN EN 7993 EEmax ^S=(Emax-E) Krátkodobě únosná tepelná zátěž je kritérium pro stav organismu již za hranicí tepelné rovnováhy, kdy dochází k akumulaci tepla v těle, které nesmi pro aklimatizované i neaklimatizované osoby překročit 180 kJ/m2 (50 Wh/m2). Této hodnotě odpovídá vzestup teploty tělesného jádra o 0,8 K, vzestup teploty kůže o 3,5 K a vzestup srdeční frekvence na max. 150 /min. 35 E > Emax —> S > Smax —> časové omezení expozice Pokud je dosaženo požadované intenzity odpařování, rozdíl Ereq — Emax představuje teplo akumulované v těle, které vede ke zvýšení tělesné teploty. Přípustná doba expozice se stanoví na základě maximální hodnoty akumulace tepla v těle Qmax a ztráty vody Dmax Omezení doby expozice v minutách lze vyjádňt vzorcem: Pokud však předpovídaná intenzita pocení je spojena nadměrnou ztrátou vody, musí být doba expozice omezena maximální ztrátou vody v těle Dmax: 60 -D Maximální ztráta vody v těle je pro neklimatizované osoby stanovena Dmax = 1000 - 1250 Wh/m2pvo neaklimatizované a 1500 - 2000 Wh/m2 pro aklimatizované osoby. Nižší z hodnot je pro stav „ohrožení", vyšší pro stav „nebezpečí". Hodnoty odpovídají ztrátě tekutin Dmax = 2600 — 3250 g/směnu pro neaklimatizované a 3900 - 5200 g/směnu pro aklimatizované osoby. ^ NV 523/2002 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci Třída práce Energetický výdej Optimální teplota Rychlost proudění Intenzita pocení W/m2 °C m/s g/h g/směna I <80 22 0,1-0,2 107 856 Ha 81 - 105 20 0,1-0,2 136 1091 lib 106 - 130 16 0,2 - 0,3 171 1386 lila 131 - 160 12 0,2 - 0,3 256 2045 Illb 161 - 200 12 0,2 - 0,3 359 2649 Práce třídy: lila z hlediska energetického výdeje není celosměnově únosná pro ženy Illb z hlediska energetického výdeje není celosměnově únosná pro muže P 3/1 Příklad - Stanovení energetického výdeje Úlohu řešte ve skupinách po 3 studentech, z každé skupiny vyhotovte protokol, který předložíte k zápočtu. Zvolte si vhodný typ činnosti, kterou jste schopni s dostupnými pomůckami simulovat a stanovte energetický výdej pro tuto zvolenou činnost: Klasifikací dle druhu činnosti dle tab. A.l. ČSN EN 28 996 Klasifikací podle povolání dle tab. B Klasifikací podle polohy a pohybu těla a druhu práce dle tab. D.l až D3 ČSN EN 28 996 Měřením srdeční frekvence v klidu a pň činnosti parciální metodou podle vztahu M = 4.HR-255 [W/m2]. Určete také max.hodnotu srdeční frekvence, jaké může být pokusná osoba vystavena dle vztahu HR=185-0,65.věk. Stanovte tepelný odpor oděvu pň měření a určete tělesný povrch měřené osoby. Určete teplotu vzduchu pň měření. Zatňďte činnost do tfídy práce dle tab. č. 1 NV 523/2002 Sb. a uveďte průměrný energetický výdej podle této tfídy. Stanovte průměrnou teplotu kůže v klidu a pň činnosti pro 4 měřící body dle tab. 1 ČSN ISO 9886. 38 Pohodlnost patří k největším nepřátelům člověka. Bez úsilí nedosáhneš ničeho Srí Maháprabhudží