wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników w ścianach

GÓRNICTWO I GEOLOGIA
Tom 8
2013
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
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
144
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.
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
146
Tabela 1
Zakres wykorzystywania modelu PHS
Parametry
temperatura wg termometru suchego
Symbol
Jednostka
Minimum
15
Maksimum
50
ciśnienie cząstkowe pary wodnej
różnica między temperaturą promieniowania
a temperaturą wg termometru suchego
prędkość powietrza
0
4,5
0
60
0
3
wydatek energetyczny
100
450
izolacyjność odzieży
0,1
1,0
Obliczenia numeryczne polegają na obliczaniu wymiany ciepła w czasie ti 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 Swp i temperatury rektalnej tre 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 wmax,
-
maksymalny strumień potu Swmax,
-
uwzględnienie
wyników
badań
nad
zachowaniem
ludzi
czynnych
zawodowo
w określonych warunkach,
-
maksymalna utrata wody Dmax,
-
maksymalna temperatura rektalna tre.
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 wmax oraz maksymalnego strumienia potu Swmax.
Maksymalne zawilgocenie skóry wmax
Wskaźnik maksymalnego zawilgocenia skóry dla osób niezaaklimatyzowanych zakłada
się o wartości 0,85, a dla osób zaaklimatyzowanych – 1,0.
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
148
Maksymalny strumień potu Swmax
Maksymalny strumień potu w zakresie 650÷1000 g/h można określić za pomocą wzoru:
,
(2)
2
albo w zakresie 250÷400 W/m :
(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 (Dmax50) lub 5% masy ciała dla 95% ludności czynnej zawodowo
(Dmax95).
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):
-
tre=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
tre=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
Tabela 2
Zestawienie wyników pomiarowych z wyrobisk eksploatacyjnych
Kopalnia
B-Z
P
Ściana
System przewietrzania/klimatyzacja
1
"U" / Klim.
2
"U" / Klim.
3
"Y" / Klim.
4
"U" / Klim.
5
"Y" / Klim.
6
7
8
9
10
11
"Y" / Klim.
"Y" / Klim.
"Y" / Klim.
"Y" / Klim.
"Y" / Klim.
"Y" / Klim.
Wylot ze ściany
ts , o C
tm, oC
26,8
24
29,8
28,4
27
25
25,8
22,8
28,4
25,8
26
22,4
29
24
27,2
25,6
31
28,8
26,6
26,6
25,2
21,2
24,2
21,8
31,4
28,2
28,4
26,2
31,2
27,8
25,6
23,8
φ, %
79
90
85
78
81
73
66
88
85
86
69
81
78
84
77
86
va, m/s
1,6
2,3
1,15
1,27
2,33
2,6
0,9
2,38
1,58
1,73
2,3
6,25
2,03
2,1
1,2
1,11
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
150
cd. tabeli 2
12
"U" / Klim.
13
"U" / Klim.
J-M
14
"Y" / Klim.
15
"U" / Klim.
16
"Y" / Klim.
B
17
"Y" / Klim.
18
"Y" / Klim.
19
"U" / Brak
20
"U" / Klim.
K
21
"U" / Klim.
22
"U" / Klim.
Wartości średnie
Odchylenie standardowe
28,2
31,8
31,2
31,4
26,6
25,6
26,6
20,4
27,8
23,4
23,6
27,4
2,9
26,8
30,6
28,6
27,8
24,2
23,4
24,4
19
25,6
20,6
23
25,1
2,8
89
92
82
75
82
83
83
88
84
77
95
82,1
6,7
1,15
1,03
4,39
1,43
2,45
2,18
1,98
3,67
2,58
3,2
2,94
2,2
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 Adu=1,94 m2 i maksymalny ubytek wody Dmax95=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 Ar/Adu = 0,77.
Dla statycznego wskaźnika przepuszczalności wilgoci przyjmuje się domyślnie wartość
imst=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 Ap=0,54, a współczynnik
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników...
151
emisyjności odzieży wynosi Fr=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 tre=36,8°C (Wacławik, 2012). Temperaturę średnią skóry domyślnie zakładamy jako
tsk=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/m2, 145 W/m2, 175 W/m2, 200 W/m2. 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<tre<39°C, tj. pracownik jest zaaklimatyzowany i ma pełną
sprawność układu termoregulacji (Wacławik i in., 2012).
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
152
40
Finalna temperatura reaktalna (ekspozycja 450 min), ˚C
39,5
tre >39°C
39
38,5
38<tre <39°C
38
0,5 clo , 115 W/m^2
37,5
0,5 clo , 145 W/m^2
0,5 clo , 175 W/m^2
0,5 clo , 200 W/m^2
tre <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
Finalna temperatura reaktalna (ekspozycja 450 min), ˚C
39,5
tre >39°C
39
38,5
38<tre <39°C
38
1 clo , 115 W/m^2
37,5
1 clo , 145 W/m^2
1 clo , 175 W/m^2
1 clo , 200 W/m^2
tre <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/m2 w 5 wyrobiskach doszło do przekroczenia granicy Dmax95=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
Ubytek wody z organizmu (ekspozycja 450 min) , g
7000
graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu Dmax50=5625 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika
6000
5000
graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu Dmax95=3750 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika
4000
3000
2000
0,5 clo , 115 W/m^2
0,5 clo , 145 W/m^2
1000
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
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
154
8000
Ubytek wody z organizmu (ekspozycja 450 min) , g
7000
graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu Dmax50=5625 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika
6000
5000
graniczna wartość ubytku wody z organizmu dla wariantu Dmax95=3750 [g] dla domyślnie przyjmowanej wagi pracownika
4000
3000
2000
1 clo , 115 W/m^2
1 clo , 145 W/m^2
1000
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/m2,
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/m2. 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/m2 powinien obowiązywać skrócony czas pracy.
Wybrane elementy obciążenia cieplnego pracowników...
155
Rys. 5. Ograniczenie czasu pracy ze względu na warunek Tre<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 Tre<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
N. Szlązak, D. Obracaj, B. Głuch
156
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/m2 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 Dmax95=3750 g dla
izolacyjności odzieży 0,5 clo dochodzi do przekroczenia granicznej wartości ubytku wody
przy wydatku energetycznym 200 W/m2. 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/m2 i 175 W/m2 oraz w jednym przypadku dla 145 W/m2
(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.