Г.В. Федорович, А.Л. Петрухин
Расчет теплового состояния организма и определение комфортных микроклиматических условий труда.
Ваши комментарии, отзывы и мнения о работе калькулятора можете оставлять на нашем форуме в разделе "Ваше мнение".
Принципы работы калькулятора "НТМ-Термо" подробно раскрываются в нижеприведенном руководстве.
Порядок расчета теплового состояния организма и определение комфортных климатических условий труда.
1.1. Назначение калькулятора: - контроль состояния условий труда работника на соответствие действующим санитарным правилам и нормам, гигиеническим - установление приоритетности проведения профилактических мероприятий и оценка их эффективности; - составления санитарно-гигиенической характеристики условий труда работника; - анализа связи изменений состояния здоровья работника с условиями его труда (при проведении периодических медицинских осмотров, специального обследования для уточнения диагноза); - расследования случаев профессиональных заболеваний, отравлений и иных нарушений здоровья, связанных с работой.
1.2. Калькулятор может быть использован: - органами и учреждениями Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека при осуществлении контроля за выполнением санитарных правил и норм, гигиенических нормативов на рабочих местах и проведении социально-гигиенического мониторинга; - организациями, аккредитованными на проведение работ по оценке условий труда; - центрами профпатологии и медицины труда, поликлиниками и другими лечебно-профилактическими учреждениями, проводящими медицинское обслуживание работников; - работодателями и работниками для информации об условиях труда на рабочих местах; - органами социального и медицинского страхования.
2.1. Аксиоматика. Ниже формулируются основные принципы гигиенической оценки параметров микроклимата и их связь с критериями теплового состояния человека [1]. Вклад процессов в организме и в окружающей среде в теплообмен на границе между ними может быть описан только в тех терминах, которые присущи самим процессам теплообмена – температуры среды и поверхности кожи, скорость испарения влаги с поверхности и т.п. Не следует использовать иные параметры, кроме тех, которые могут быть выражены через рутинные термодинамические переменные. Реакция организма может быть ответом только на ту информацию, которую он получает от своих рецепторов температуры и только из тех мест(с поверхности кожи), где эти рецепторы имеются. Сами по себе определения потоков тепла и условия теплового баланса не содержит оценок параметров микроклимата. Категории оценки вносятся в процедуру анализа дополнительно к балансовым соображениям. Следует учитывать, что приспособительные механизмы организма весьма эффективны и достаточно долго могут поддерживать тепловой баланс в широком диапазоне изменений внешних условий. Ощущения комфорта или дискомфорта возникают в результате меньшего или большего напряжения этих механизмов. Количественные оценки степени напряженности приспособительных механизмов могут основываться лишь на тех параметрах и описываться в тех терминах, которые описывают сами процессы теплообмена. Таким образом, значение балансных соотношений для вырабатываемого и теряемого организмом тепла состоит в том, что только параметры, входящие в эти соотношения могут использоваться для сопоставления с субъективными оценками микроклимата.
2.2. Энергозатраты: выделение и потери энергии.Активность человека характеризуется несколькими видами выделяемой мощности [2], [3]:
- Скорость выделения суммарного метаболического тепла Wпол – полное энерговыделение за счет всех источников – химических процессов и мышечной деятельности.
- Скорость выделения метаболического тепла основного (фонового) обмена веществ в организме Wo ( ≈ 90 Вт у взрослого человека).
- Скорость выделения дополнительного тепла, связанного с производимой работой Wдоп. Очевидно, что Wдоп = Wпол – Wo
- Механическая мощность, развиваемая мышцами Wмех. Последние две величины связаны между собой коэффициентом полезного действия мышц h = Wмех / Wдоп. Несмотря на некоторую условность введения этого коэффициента (он меняется от человека к человеку, зависит от вида механической работы, общего состояния организма и пр.), его целесообразно использовать в расчетах, при этом можно считать его равным ≈ 0,2 . Оценку тепла Wтеп, выделяемого при определенном уровне мышечной активности, можно получить из вполне очевидных соотношений
Wтеп = Wo+ Wдоп-Wмех = Wo+(1-h)* Wдоп. (1)
Именно эта величина входит в уравнения теплового баланса, в то время как в нормативных документах для характеристики категории работ по уровню энергозатрат (см.ниже п.2.3) используется величина Wпол.
2.3. Категории работ по уровню энергозатрат.
Категории работ разграничиваются на основе интенсивности энергозатрат организма Wпол (единица измерения - Вт):
- К категории Iа относятся работы с интенсивностью энергозатрат до 139 Вт, производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением (ряд профессий на предприятиях точного приборо- и машиностроения, на часовом, швейном производствах, в сфере управления и т. п.).
- К категории Iб относятся работы с интенсивностью энергозатрат140-174 Вт, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением (ряд профессий в полиграфической промышленности, на предприятиях связи, контролеры, мастера в различных видах производства и т. п.).
- К категории IIа относятся работы с интенсивностью энергозатрат 175-232 Вт, связанные с постоянной ходьбой, перемещением мелких (до 1 кг) изделий или предметов в положении стоя или сидя и требующие определенного физического напряжения (ряд профессий в механосборочных цехах машиностроительных предприятий, в прядильно-ткацком производстве и т. п.).
- К категории IIб относятся работы с интенсивностью энергозатрат 233-290 Вт, связанные с ходьбой, перемещением и переноской тяжестей до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением (ряд профессий в механизированных литейных, прокатных, кузнечных, термических, сварочных цехах машиностроительных и металлургических предприятий и т. п.).
- К категории III относятся работы с интенсивностью энергозатрат более 290 Вт, связанные с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей и требующие больших физических усилий (ряд профессий в кузнечных цехах с ручной ковкой, литейных цехах с ручной набивкой и заливкой опок машиностроительных и металлургических предприятий и т.п.).
Организм может регулировать (в определенных пределах) интенсивность теплопотерь по различным каналам и «включать» их в различных комбинациях, в зависимости от ситуации: интенсивности работы, параметров внешней среды, степени теплоизолированности тела и пр. (подробнее см. [1]).
Легочный теплообмен. Подробно физиология дыхания описана во многих работах (см.напр.[4]). Тепло- и влагообмен при дыхании, это сложный процесс в котором вдыхаемый воздух увлажняется и согревается (или охлаждается) в верхних дыхательных путях, а выдыхаемый - осушается и охлаждается (или нагревается). Процесс почти циклический. Теплопотери при дыхании обусловлены отступлениями от цикличности - парциальное давление водяного пара в выдыхаемом воздухе больше, чем во вдыхаемом, на это тратится скрытая теплота парообразования.При расчетах следует использовать множественную линейную регрессионную зависимость скорости потери влаги при дыхании от метеопараметров (температуры воздуха и его влажности), а также от физиологических характеристик организма (частоты дыхания, величины дыхательного объема), полученную в работе [5]. Пересчет к параметрам, непосредственно входящим в балансные уравнения проведен в книге [1]. Зависимость теплопотерь при дыхании Wлег от интенсивности мышечной деятельности и параметров воздуха – температуры ta и абсолютной влажности aa определяется формулой:
Wлег = Wp*γ(ω)*[1- ta/tp- aa/ap- γ(ω)/γp] (2)
Здесь индексом р отмечены характерные для легочного теплообмена величины, определяющие теплопотери: Wp = 31 Вт, tp= 164 °С ,ap = 56 г/м3, γp =12 . Через ω обозначена доля дополнительного энерговыделения, обусловленного мышечной активностью: ω = Wдоп/Wo , а функция γ(ω) = 1 + ω*(0,5 + ω) интерполирует увеличение скорости легочной вентиляции с ростом мышечной активности. Величину Wлег следует вычесть из тепловой мощности Wтеп при расчетах потерь тепла с поверхности тела. За счет теплообмена на границе кожа - внутренняя поверхность одежды должна отводиться мощность Wпол – Wлег. Пересчитывая мощность на единицу поверхности тела, получим плотность теплового потокаJко = (Wтеп – Wлег)/S (3)
Здесь S ≈ 2 м2 – площадь поверхности тела взрослого человека. Поток c плотностью Jко должен обеспечиваться за счет кондуктивного теплообмена кожа-одежда. Кондуктивный теплообмен кожа-одежда. Поток Jко тепла через одежду определяется разностью температур кожи tк и поверхностью одежды tп и термосопротивлением одежды Iclo :Jко= (tк - tп ) / Iclo (4)
В гигиенических исследованиях величину термосопротивления одежды принято выражать в безразмерных единицах Clo. Связь величин Iclo и Clo задается соотношениемIclo = ι*Clo (5)
где ι = 0,155 °С*м2/ Вт – коэффициент пересчета условных единиц Clo в реальное термосопротивление одежды. Теплопотери с поверхности одежды. На поверхности одежды действуют кондуктивный и радиационный каналы теплообмена. Кондуктивный теплообмен с окружающей средой, пропорционален разности температур поверхности одежды и воздуха:Jконд= hс* (tп - tа ) (6)
Здесь величина hс - коэффициент теплоотдачи с поверхности одежды. Он зависит от скорости Va движения воздуха вблизи поверхности одежды. Эту величину можно определять по формуле [5] :hc = max{2,38*| tc – ta |0,25; 12,1*Va0,5} (7)
здесь величина скорости воздуха Va подставляется в единицах м/с. Другой канал теплообмена на поверхности одежды - теплообмен за счет излучения и поглощения лучистой энергии. Если плотность падающего на поверхность потока лучистой энергии представить в виде σ*Трад4 (здесь ω = 5,67*10-8 Вт*м-2К-4 – постоянная Стефана-Больцмана, Трад – радиационная температура (по шкале Кельвина) падающего излучения), то поток тепла с поверхности одежды будет иметь видJрад= εпо* σ*( Тп4 - Трад4) (8)
Здесь величина εпо – степень нечерноты поверхности одежды (для теплового излучения). Теплопотери, обусловленные испарением пота. Скорость испарения с единицы поверхности пропорциональна отношению (Рнас – Рпар) / Р, где Р – давление воздуха, Рнас – парциальное давление водяных паров в состоянии насыщения при температуре поверхности, Рпар – реальное парциальное давление водяного пара в воздухе в зависимости от его температуры и влагосодержания [6]. Использование общих соотношений между давлением водяных паров и их температурой, позволяет выразить скорость испарения влаги через непосредственно измеряемые величины – температуры поверхности одежды и воздуха и относительную влажность воздуха над поверхностью. Соответствующие расчеты приведены в книге [1], их результат для интенсивности (с единицы поверхности одежды) потока тепла, теряемого на испарение пота, имеет вид:Wпот= Kк*S*{1 – RH*exp[ (tв - tк)/ to ]} (9)
Здесь коэффициент Кк = 1,25*103 Вт/м2. S – площадь поверхности с которой происходит испарение, RH – относительная влажность воздуха, tв и tк –температуры воздуха и кожи, to≈ 16,7 °С – характерный масштаб температуры. Простейшие оценки показывают, что если содержимое фигурных скобок в формуле (9) не слишком отличается от единицы (реально это так вдали от точки росы), то скорость теплопотерь при испарении влаги может достигать величин до 1 кВт с 1 м2 поверхности. Такой скорости теплопотерь с избытком хватает для компенсации любого тепловыделения. Теплообмен наиболее эффективен в случае, когда основное испарение происходит на поверхности одежды. Предполагая, что человек одет «подходящим образом», можно считать, что теплопотери Wпот , сопровождающие испарение пота на поверхности одежды, пропорциональны скорости Q потовыделения. Если скорость Q определяется в единицах г/час, для пересчета в величины теплопотерь (в единицах Вт), следует использовать коэффициент пересчетаr ≈ 0,7*Вт*час/г (10)
Величину Jпот = Wпот /S следует добавить к потоку тепла с поверхности одежды. Суммарная система балансных уравнений, включающая основные составляющие теплообмена организма с окружающей средой, имеет вид:Jко = (Wтеп – Wлег)/S= Jконд + Jрад +Jпот (11)
2.5. Физиологические характеристики теплового состояния организма.
Используются обобщенные данные об изменениях физиологических показателей при мышечной деятельности, приведенные в книге [5]. Для обеспечения нормального теплового состояния организма должны соблюдаться определенные соотношения между интенсивностью мышечной деятельности (определяемой, например, по величине механической мощности Wмех или по, однозначно связанной с ней соотношением (1), величине полного энерговыделенияWпол) и такими физиологическими реакциями организма как величина влагопотерь и средневзвешенная температура кожи (СВТК). Различают два режима работы систем терморегуляции. Один из них «естественен» для организма, при этом человек чувствует себя комфортно. Внешние условия, обеспечивающие такое состояние определяются как оптимальные. Для обеспечения нормального температурного режима при неоптимальных внешних условиях регулирующие системы организма начинают работать с некоторым напряжением своих возможностей. Тем не менее, если внешние условия не слишком отличаются от оптимальных, напряжения терморегулирующих систем достаточно для поддержания теплового баланса. Конкретизация этого качественного описания теплового состояния организма приведена ниже.
Показатели теплового состояния человека, положенные в основу выработки требований к параметрам оптимального микроклимата.
Таблица 1.
| Характер работы | Расход энергии Wпол, Вт | Влагопотери, Q, г/час | СВТК, °С |
| Легкая, категория Ia | до 139 | 40-60 | 32,2 – 34,4 |
| Легкая, категория I б | 140-174 | 61-100 | 32,0 – 34,1 |
| Средняя, категория IIа | 175-232 | 80-150 | 31,2 – 33,0 |
| Средняя, категория IIб | 233-290 | 100-190 | 30,1 – 32,8 |
| Тяжелая, категория III | 291 – 340 | 120-250 | 29,1 – 31,0 |
Разбросы величин влагопотерь и СВТК обусловлены тем, что они отнесены к диапазону расходуемой энергии.
Рис.1. Скорость влагопотерь, соответствующая комфортному состоянию организма (средняя линия) и допустимому напряжению систем терморегуляции (крайние линии).
На рис.1 данные табл.1 по влагопотерям организма приведены в графическом виде. Внутри прямоугольников, согласно данным табл.1, показатели теплового состояния человека соответствуют комфортным. Границы допустимых напряжений системы терморегуляции определяются верхней и нижней прямыми на плоскости (W,Q). Вне границ, определенных этими линиями системы терморегуляции перенапряжены и начинается перегрев или переохлаждение организма. Для расчетов можно использовать интерполяцию зависимости величины влагопотерь Q от энергозатрат W видаQ = k*Wпол (12)
где коэффициент k равен 0,374 для нижней границы допустимых значений, 0,56 для оптимальных и 0,87 для верхней границы допустимых значений. Пересчет к энергии, уходящей на испарение пота дает аналогичную формулуWпот = K*Wпол (13)
где коэффициент K = r*k равен 0,26 для нижней границы допустимых значений, 0,39 для оптимальных и 0,61 для верхней границы допустимых значений. Аналогичные графики для средневзвешенной температуры кожи tк в зависимости от энергозатрат Wпол приведены на рис.2.
Рис.2. Средневзвешенная температура кожи, соответствующая комфортному состоянию организма (средняя линия) и допустимому напряжению систем терморегуляции (крайние линии).
Видно, что в отличие от скорости влагопотерь, растущей с энергозатратами, температура кожи спадает с ростом Wпол. Это вполне ожидаемо, т.к. чем больше производство тепла, тем интенсивнее должен быть его отвод из внутренних частей организма к поверхности. Для этого (при постоянстве температуры внутренних органов) требуется уменьшение температуры кожи. Для расчетов можно использовать интерполяцию зависимости величины СВТК от энергозатрат Wпол видаtк= t1*(1 – Wпол/W1) (14)
где масштаб температуры t1 равен 33,1 °С для нижней границы допустимых значений, 35,4 °С для оптимальных и 36,5 °С для верхней границы допустимых значений. Для масштаба мощности W1 соответствующие значения равны 2739 Вт, 2185 Вт и 3094 Вт соответственно. Если регулирующих возможностей систем поддержания теплового баланса недостаточно, начинает меняться энтальпия (теплосодержане) организма. Это приводит к дискомфорту, а при больших вариациях энтальпии – к профессионально обусловленным нарушениям здоровья. Для нагревающего микроклимата соотношение между избытком энтальпии и классом условий труда, а также с описательной оценкой риска перегрева организма представлено в табл.2.Таблица 2.
Вредное воздействие избытка энтальпии организма на здоровье работников.
| Добавочная энтальпия, ΔН (кДж/кг) | Класс условий труда | Риск перегревания организма |
| 0,00-0,87 | 1 | отсутствует |
| 0,88-2,6 | 2 | малый |
| 2,61-2,75 | 3,1 | умеренный |
| 2,76-3,30 | 3,2 | высокий |
| 3,31-4,00 | 3,3 | очень высокий |
| 4,01-5,50 | 3,4 | чрезвычайно высокий |
| выше 5,50 | 4 | критический |
Аналогично, растет вредное воздействие микроклиматических условий при переохлаждении организма. Для охлаждающего микроклимата соотношение между дефицитом энтальпии и классом условий труда представлено в табл.3.
Таблица 3.
Вредное воздействие дефицита энтальпии организма на здоровье работников
| Дефицит энтальпии, ΔН (кДж/кг) | Класс условий труда |
| 0,86 | 1 |
| 2,72 | 2 |
| 3,75 | 3,1 |
| 4,25 | 3,2 |
| 5,2 | 3,3 |
| 6,2 | 3,4 |
| > 6,2 | 4 |
Качественная оценка риска совпадает с данными таблицы 2 при соответствующих классах условий труда. Данные, приведенные в таблицах 1 – 3, вместе с описанными выше алгоритмами расчета теплообмена организма с внешней средой, являются основанием для вынесения суждений об условиях труда по результатам измерений реальных микроклиматических параметров производственной среды.
3. Контролируемые показатели микроклимата.
Из соотношений, приведенных выше в п.2.4 следует, что при исследованиях теплового состояния человека должны быть измерены следующие параметры микроклимата:
- температура воздуха Та ;
- относительная влажность воздуха RH;
- скорость движения воздуха Va;
- интенсивность теплового облучения IR;
Относительная роль перечисленных параметров неодинакова. Температура воздуха непосредственно входит в уравнения теплового баланса. Характерный масштаб вариаций температуры, судя по данным, приведенным в табл.1, составляет несколько десятых долей градуса. Это соответствует относительной неопределенности ≈ 10-3( 0,1 % ) и задает допустимую погрешность измерительной аппаратуры. Относительная влажность воздуха RH определяет величину легочныхтеплопотерь. Эта величина составляет незначительную долю (не более 25%) от теплоотдачи по каналу кондуктивныхтеплопотерь, согласно формуле (2) относительная величина слагаемого пропорционального влажности воздуха составляет не более 20% от величины остальных слагаемых. Эти обстоятельства определяют невысокие требования к измерителям относительной влажности воздуха. Погрешность 5 – 10 % вполне допустима для измерения относительной влажности. Скорость движения воздуханепосредственно определяет коэффициент теплоотдачи с поверхности одежды согласно формуле (7). Так как неопределенность разницы температур воздуха и поверхности одежды может составлять единицы процентов, то соответственно, требования ≈ 5-10% к относительной погрешности измерения скорости обеспечивают вполне достаточную строгость измерений. Оценка интенсивности теплового облучения вносит наибольшую неопределенность в расчеты влияния микроклимата на тепловое состояние организма работника. Наиболее надежным способом измерения этой величины является использование шарового термометра.
3.1. Измерение эффективной величины теплового облучения.Поток тепла, обусловленный инфракрасным излучением, является векторной величиной. Соответственно, датчики, применяемые в измерительных приборах, могут быть либо направленного действия, либо изотропные. Практически все приборы, использующиеся в отечественной практике санитарно-гигиенического контроля, представляют собой ИК-радиометры с ограниченным углом зрения. Эти приборы с датчиками направленного действия можно использовать для измерения потоков теплового излучения от источников с небольшими угловыми размерами, полностью попадающих в поле зрения радиометра. В случае источника больших размеров, или если источников несколько и облучение происходит с нескольких направлений, обработка результатов измерения представляет собой нетривиальную задачу, не всегда имеющую корректное решение [8]. Задача практически не решаема для нестационарных (например, движущихся) источников. Шаровой термометр (сфера Вернона) представляет собой прибор с изотропной чувствительностью, наиболее подходящий для измерения интегрального (всесторннего) теплового облучения. Соответствующий алгоритм пересчета результатов измерения температуры в интегральное тепловое облучение изложен в [9]. В основе такого пересчета лежит уравнение баланса тепловых потоков для сферы
J1= ε*σ*Tg4+hg*(Tg-Ta ) (15)
здесь введено обозначение J1= εσTr4 для потока падающего на сферу ИК-излучения. Нагрев или охлаждение организма за счет теплового облучения определяется разностью между падающим излучением и собственным излучением с поверхности одежды J1= ε*σ*Tc4 . В этом определении через Tc обозначена температура (абсолютная) поверхности одежды. Разница ΔJ= J1- J2 определяет скорость нагрева или охлаждения организма, она зависит от температуры одежды Тс, воздуха Та и показания шарового термометра Tg формулой: атуры в интегральное тепловое облучение изложен в [9]. В основе такого пересчета лежит уравнение баланса тепловых потоков для сферыΔJ = ε*σ*(Tg4-Tc4)+hc*(Tg-Ta )(16)
Эту величину и следует использовать при оценках теплового состояния организма. Соотношение (16) определяет тепловое воздействие ИК-излучения через хорошо измеряемые температуры сферы Тg и воздуха Та , однако в него входит и температура поверхности одежды Тс измерение которой гораздо сложнее: ее необходимо измерять в нескольких местах одежды с последующим усреднением результатов. Несколько теряя в точности, можно заменить температуру Тс в (16) на температуру воздуха Та. Это приводит к существенному упрощению процедуры контроля параметров микроклимата. Результат такой замены имеет смысл эффективного потока теплового облучения, именно он подлежит гигиеническому нормированию.ΔJ = ε*σ*(Tg4-Ta4)+hc*(Tg-Ta ) (17)
Характерные в гигиенических исследованиях значения температур и потоков теплового излучения приведены в таблице 4. При расчетах предполагалось, что скорость движения воздуха равна 0,25 м/с. Таблица 4.
Потоки теплового облучения, соответствующие разнице Δt температур воздуха ta и шарового термометра
|
ta |
10 | 14 | 18 | 22 | 26 | 30 |
| 2 | 24,76 | 25,21 | 25,66 | 26,13 | 26,62 | 27,11 |
| 4 | 49,74 | 50,64 | 51,56 | 52,51 | 53,48 | 54,48 |
| 6 | 74,95 | 76,30 | 77,69 | 79,12 | 80,59 | 82,10 |
| 8 | 100,38 | 102,2 | 104,07 | 105,99 | 107,96 | 109,99 |
| 10 | 126,04 | 128,33 | 130,68 | 133,1 | 135,58 | 138,13 |
| 12 | 151,94 | 154,7 | 157,55 | 160,47 | 163,46 | 166,54 |
| 14 | 178,07 | 181,32 | 184,66 | 188,09 | 191,61 | 195,23 |
| 16 | 204,44 | 208,18 | 212,03 | 215,97 | 220,02 | 224,18 |
| 18 | 231,06 | 235,3 | 239,65 | 244,12 | 248,71 | 253,42 |
| 20 | 257,92 | 262,66 | 267,53 | 272,53 | 277,66 | 282,93 |
ΔJ = [4*Ta3*ε*σ+hc]*(Tg-Ta) (18)
Такая зависимость интенсивности эффективного теплового облучения от разности температур воздуха и шарового термометра вполне согласуется с данными, приведенными в таблице.4. Подбор одежды как средства индивидуальной защиты от неблагоприятного воздействия метеопараметров.
Обоснованные рекомендации по выбору одежды, обеспечивающей комфортную работу в реально существующих производственных условиях, являются важным моментом санитарно-гигиенического исследований при АРМ и производственном контроле. За счет правильного выбора одежды можно существенно улучшить условия труда и снизить профессиональные риски, не меняя производственную среду. Для этого, однако, рекомендации должны быть убедительно обоснованы результатами расчетов теплообмена организма с окружающей средой.
Материалы п.п.2-3 свидетельствуют о том, что два основных канала теплообмена с окружающей средой – радиационный и кондуктивный – определяют тепловое состояние организма (см. напр. выражение (17) для скорости нагрева). Для определения того, от чего должны защищать СИЗ, необходимо оценить относительную роль упомянутых каналов теплообмена.
Для оценок можно использовать соотношение (16), в котором оценивать разность четвертых степеней температуры на разность самих температур (см. выше переход от (17) к (18)). Получим
ΔJ ≈ (4*ε*σ*Tg3+hg)*(Tg-Ta) (19)
Отсюда видно, что роль радиационного теплообмена будет превалировать приTg > (hg ⁄ (4*ε*σ))1⁄3 ≈ 300 °K (20)
Иными словами, при превышении температуры излучения над нормальной комнатной температурой, следует защищаться от излишнего теплового облучения, а при меньших температурах излучения – от перегрева или переохлаждения организма за счет кондуктивного теплообмена.4.2. Спецодежда из теплоотражательной ткани для 'горячих цехов'.
Термозащитная одежда предусматривает защиту рабочих, работающих в горячих цехах, от искр, окалины, брызг расплавленного металла, лучистого тепла. Ассортимент такой спецодежды представлен костюмами, фартуками, рукавицами, комбинезонами. Для изготовления спецодежды применяются льняные и хлопчатобумажные ткани е огнестойкими пропитками. Большинство этих тканей имеет достаточно плотную и гладкую поверхность, с которой легко скатываются искры и брызги расплавленного металла. С целью отражения лучистого тепла применяют нетекстильные материалы с алюминиевым покрытием.
Костюмы для работы в горячих цехах изготавливают по ГОСТ 9402-70 (мужской) и по ГОСТ 9401-70 (женский). Конструкция этих костюмов может быть построена на базе основы конструкции второго и третьего вариантов первой группы изделий спецодежды. Этот вид одежды предназначен для рабочих различных профессий (сталевар, подручный сталевара, крановщик, вальцовщик, котельщик, заливщик, кузнец и др.). Костюм используется при работах в мартеновских, сталеплавильных, прокатных, литейно-котельных и кузнечных цехах, в которых температура на рабочем месте достигает +50°С, а интенсивность облучения лучистым теплом до 18— 20 кал/(см2мин).
Обоснованные рекомендации по выбору одежды, обеспечивающей комфортную работу в реально существующих производственных условиях, являются важным моментом санитарно-гигиенического исследований при АРМ и производственном контроле.
За счет правильного выбора одежды можно существенно улучшить условия труда и снизить профессиональные риски, не меняя производственную среду. Для этого, однако, рекомендации должны быть убедительно обоснованы результатами расчетов теплообмена организма с окружающей средой. В зависимости от целей таких расчетов (требования к параметрам микроклимата, ограничения на энерготраты, расчет термосопротивления одежды и т.п.) должны выбираться алгоритм и последовательность анализа отдельных каналов теплообмена. Использование шарового термометра существенно упрощает и уточняет расчет термосопротивления одежды, обеспечивающей индивидуальную защиту от неблагоприятного воздействия микроклиматических условий.
Если изначально задаваться полными энергозатратамиWпол, для расчетов теплообмена из них следует вычесть механическую мощность Wмех , теплопотери на испарение пота Wпот, и теплопотери при дыхании Wлег . Оставшаяся мощность Wh =Wпол - Wпот- Wлег должна быть отведена через одежду. Соответствующий поток тепла Jзадается формулами:
J = Wh ⁄ S=(ts- tc) ⁄ Iclo (21)
здесь Iclo – термосопротивление одежды, остальные переменные описаны выше.Исследования по физиологии терморегуляции [9] показывают, что для каждого уровня энергозатрат существует физиологически обусловленная оптимальная температура кожи ts, так что, если определить и температуру поверхности одежды tс, то из уравнения (16) можно определить величину термосопротивления одежды Iclo, обеспечивающей оптимальные условия работы с заданными полными энергозатратамиWпол. Для определения tс решается уравнение теплообмена с учетом кондуктивного и радиационного каналов теплоотдачи на поверхности одежды:
J = hc*(Tc-Ta)+ε*σ*(Tc4-Tr4) (22)
В этом соотношении опять появляется радиационная температура теплового излучения Tr,которую можно определить с помощью шарового термометра. Объединяя уравнения (5), (21) и (22) в систему и исключаяиз нее J и Tr, получим уравнениеε*σ*Tc4+hc*Tc = ε*σ*Tg4+hg*Tg+Wh ⁄ S + (hc-hg)*Ta (23)
решая которое определяем температуру Tcповерхности одежды, после чего из (21) определяется Iclo.Коэффициент теплоотдачи hg с поверхности сферы Вернона определяется как конструкцией сферы (ее диаметром), так и метеопараметрами (скоростью движения воздуха, его температурой и пр.). Существует возможность подобрать такую сферу, у которой этот коэффициент будет равен коэффициенту теплоотдачи hсс поверхности одежды. В этом случае в уравнение для определения температуры поверхности одежды Tcтемпература воздуха Tа не входит – для определения Tc достаточно показаний шарового термометра. Это существенно упрощает расчеты термосопротивления одежды, обеспечивающей комфортные условия работы.
В любом случае, использование одежды с правильно рассчитанным термосопротивлением представляет собой пример эффективного подбора средства индивидуальной защиты от неблагоприятного воздействия микроклиматических условий. Пример конкретных расчетов, демонстрирующих насколько таким способом можно улучшить условия труда, приведен в работе [7]. Вполне реально понижение класса вредности на 2-3 балла.
5. Алгоритмы обработки результатов измерений.
5.1. Уравнения, приведенные в п.п.2-4, можно использовать для решения разнообразных задач, связанных с оптимизацией теплообмена организма работника с окружающей средой. Результаты таких расчетов приводят к «размыванию» границы между нагревающим и охлаждающим микроклиматом. Можно показать, что в зависимости от величины энергозатрат, качества одежды и других факторов, работа в среде с одними и теми же микроклиматическими параметрами, может в одних случаях приводить к перегреванию организма, а в других – к переохлаждению. Это обстоятельство иллюстрируется данными таблицы 5.
Таблица 5.
Скорость набора энтальпии dH ⁄ dt (кДж ⁄ кг ⁄ час) при выполнении работы с суммарными энергозатратами Wпол (Вт), выполняемой в одежде с термосопротивлением Clo (у.е.)
| Clo Wпол |
0,1 | 0,4 | 0,7 | 1 | 1,3 | 1,6 | 1,9 | 2,2 | 2,5 |
| 100 | -4,39 | -2,03 | -0,62 | 0,33 | 1,01 | 1,52 | 1,92 | 2,23 | 2,49 |
| 120 | -3,67 | -1,27 | 0,17 | 1,13 | 1,82 | 2,34 | 2,74 | 3,06 | 3,33 |
| 140 | -2,88 | -0,44 | 1,02 | 2,00 | 2,70 | 3,23 | 3,64 | 3,97 | 4,24 |
| 160 | -2,00 | 0,48 | 1,97 | 2,97 | 3,68 | 4,22 | 4,64 | 4,97 | 5,25 |
| 180 | -0,98 | 1,54 | 3,05 | 4,06 | 4,79 | 5,33 | 5,76 | 6,10 | 6,38 |
| 200 | 0,20 | 2,75 | 4,29 | 5,32 | 6,06 | 6,61 | 7,05 | 7,39 | 7,68 |
| 220 | 1,58 | 4,18 | 5,74 | 6,79 | 7,54 | 8,10 | 8,54 | 8,89 | 9,18 |
| 240 | 3,23 | 5,86 | 7,45 | 8,51 | 9,28 | 9,85 | 10,30 | 10,65 | 10,95 |
| 260 | 5,19 | 7,87 | 9,48 | 10,56 | 11,33 | 11,92 | 12,37 | 12,73 | 13,03 |
| 280 | 7,54 | 10,26 | 11,90 | 12,99 | 13,78 | 14,37 | 14,83 | 15,20 | 15,50 |
| 300 | 10,35 | 13,11 | 14,77 | 15,88 | 16,68 | 17,28 | 17,75 | 18,12 | 18,43 |
При построении этой таблицы принимались следующие параметры среды: температура воздуха ta = 20°C, температура шарового термометра tg = 23 oC, относительная влажность воздуха RH = 50%, скорость движения воздуха Va = 0,25 м/с, коэффициент поглощения теплового излучения поверхностью одежды ε = 0,3, вес работника 75 кг.
Видно, что при выполнении даже достаточно тяжелой работы ( с энергозатратами до 200 Вт) в легкой одежде организм может переохлаждаться (dH ⁄ dt < 0), т.е. этот микроклимат будет охлаждающим, но при выполнении работы в одежде с большим термосопротивлением ( Clo > 1) может наблюдаться перегрев организма (dH ⁄ dt > 0), т.е. тот же микроклимат следует признать нагревающим.
5.2. Расчет теплового баланса можно использовать для подбора одежды, обеспечивающей комфортные, или, по крайней мере, допустимые условия выполнения работы. В качестве примера результатов такого расчета можно привести данные, содержащиеся в таблице 6.
При расчетах предполагалось, что тепловое облучение приводит к тому, что температура шарового термометра на 2,5°C больше температуры воздуха. Относительная влажность воздуха принималась равной 35%, скорость движения воздуха Va = 0,25 м/с, степень нечерноты поверхности одежды в ИК-области спектра ε ≈ 0,2.
Таблица 6.
Термосопротивление (Clo) одежды, обеспечивающей оптимальные и допустимые условия работы с заданными энергозатратами W (Вт) при заданной температуре воздуха ta (°C)
|
ta |
16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 |
| 100 | 2,06 | 1,7 | 1,36 | 1,05 | 0,76 | 0,49 |
| 1,66 | 1,31 | 0,99 | 0,69 | 0,41 | 0,16 | |
| 1,3 | 0,97 | 0,66 | 0,37 | 0,11 | <0 | |
| 120 | 1,7 | 1,39 | 1,1 | 0,83 | 0,58 | 0,34 |
| 1,31 | 1,01 | 0,74 | 0,48 | 0,24 | 0,02 | |
| 1 | 0,71 | 0,45 | 0,2 | <0 | <0 | |
| 140 | 1,41 | 1,13 | 0,88 | 0,64 | 0,42 | 0,21 |
| 1,04 | 0,78 | 0,53 | 0,31 | 0,1 | <0 | |
| 0,76 | 0,5 | 0,27 | 0,06 | <0 | <0 | |
| 160 | 1,18 | 0,92 | 0,69 | 0,48 | 0,28 | 0,1 |
| 0,82 | 0,58 | 0,36 | 0,16; | <0 | <0 | |
| 0,56 | 0,34 | 0,13 | <0 | <0 | <0 | |
| 180 | 0,97 | 0,74 | 0,53 | 0,34 | 0,16 | <0 |
| 0,63 | 0,41 | 0,22 | 0,04 | <0 | <0 | |
| 0,4 | 0,19 | 0,01 | <0 | <0 | <0 | |
| 200 | 0,79 | 0,58 | 0,38 | 0,21 | 0,05 | <0 |
| 0,46 | 0,26 | 0,09 | <0 | <0 | <0 | |
| 0,25 | 0,07 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| 220 | 0,62 | 0,43 | 0,25 | 0,1 | <0 | <0 |
| 0,31 | 0,13 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| 0,12 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| 240 | 0.46 | 0.29 | 0.13 | <0 | <0 | <0 |
| 0.17 | 0,01 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| 0 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| 260 | 0.32 | 0.16 | <0 | <0 | <0 | <0 |
| 0,04 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| 280 | 0.18 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 |
| <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | |
| <0 | <0 | <0 | <0 | <0 | <0 |
В таблице 6 каждому сочетанию параметров {W,ta} соответствуют три значения термосопротивления одежды. Среднее значение соответствует оптимальному состоянию организма: оптимальной температуре кожи и оптимальному потовыделению (см. выше п.п.2-4). Крайние значения Clo соответствуют допустимому напряжению терморегулирующих систем организма: верхнее – минимальным температурам кожи и потовыделению, нижнее – максимальным значениям этих параметров.
Способ интерпретации этих результатов можно проиллюстрировать на примере работы с энергзатратами 100 Вт при температуре 16°С (верхняя левая триада в таблице). Условия труда в одежде с термосопротивлением от 2,06 Clo до 1,3 Clo допустимы, причем если Clo близко к 1,7 условия будут оптимальными. Отрицательные термосопротивления невозможны для обычной одежды, поэтому соответствующие ячейки в таблице 5 следует интерпретировать как «сужение» интервалов возможного термосопротивления одежды. Например, при работе с энергзатратами 100 Вт при температуре 26°С (верхняя правая триада в таблице) допустимые условия ограничены сопротивлениями одежды от 0,49 до 0 (отсутствие одежды), причем одежда с Clo = 0,16 создает оптимальные условия труда.
С ростом энергозатрат допустимые термосопротивления одежды уменьшаются, например, при W = 200 Вт и ta = 16°C допустимы термосопротивления в диапазоне от 0,25 до 0,79 Clo (оптимально 0,46 Clo). При температуре воздуха 26°С невозможно подобрать одежду для создания допустимых условий труда. Такой микроклимат можно назвать абсолютно нагревающим для работы с энергозатратами 200 Вт. При ta = 22°С одежда с термосопротивлением до ≈ 0,2 Clo обеспечивает допустимые условия труда, однако невозможно обеспечить оптимальные условия только за счет подбора термосопротивления одежды.
5.3. Выполнение работы при низких температурах воздуха может быть оптимизировано за счет использования обогревателей с инфракрасным излучением. Подбор необходимых величин теплового облучения также можно производить на основе балансных соотношений п.3.4. Результаты соответствующих расчетов приведены в таблице 7. При расчетах предполагалось: температура воздуха 12,5°С ; относительная влажность воздуха RH = 35%; скорость движения воздуха Va = 0,25 м/с; степень нечерноты поверхности одежды в ИК-области спектра ε ≈ 0,4.
Структуры данных в ячейках табл.6 и табл.5. аналогичны.
Представленные данные свидетельствуют о том, что при небольших энергозатратах (например, при W = 100 Вт) тепловое облучение легко одетого человека (Clo ≈ 0,4) должно быть на уровне 320 Вт/м2, однако, если термосопротивление одежды достаточно велико (Clo ≈ 2,4), дополнительного облучения практически не требуется. Для работы с большими энергозатратами (например, при W = 200 Вт) дополнительный обогрев (на уровне 170 Вт/м2) требуется только для легко одетых работников, но уже при термосопротивлении одежды Clo ≈ 1, оптимальным будет отсутствие дополнительного теплового облучения. Отрицательные результаты расчетов теплового облучения при больших энергозатратах свидетельствуют о необходимости дополнительного охлаждения. Например, если W = 300 Вт, только легкая одежда (с Clo < 0,5) может обеспечить допустимые (но не оптимальные) условия труда. Для одежды с большим термосопротивлением работа с W = 300 Вт будет приводить к недопустимому перегреву организма. Единственная возможная защита от перегрева в этом случае – ограничение времени работы, с тем, чтобы дополнительная энтальпия не превышала допустимых величин (см. выше п.2.5).
Таблица 7.
| Интенсивность теплового облучения (Вт/м2), необходимая для поддержания теплового баланса при совершении работы с энергозатратами W (Вт) в одежде с термосопротивлением Сlo | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Clo |
0,4 | 0,8 | 1,2 | 1,6 | 2,0 | 2,4 |
| W (Вт) | ||||||
| 100 | 380,33 | 318,97 | 258,11 | 197,76 | 137,89 | 78,51 |
| 319,01 | 257,93 | 197,35 | 137,27 | 77,67 | 18,54 | |
| 263,54 | 202,78 | 142,52 | 82,75 | 23,45 | < 0 | |
| 120 | 360,7 | 289,19 | 218,37 | 148,22 | 78,73 | 9,88 |
| 292,07 | 220,9 | 150,42 | 80,6 | 11,43 | < 0 | |
| 235,19 | 164,38 | 94,24 | 24,77 | < 0 | < 0 | |
| 140 | 340,74 | 259,01 | 178,19 | 98,23 | 19,13 | < 0 |
| 264,8 | 183,49 | 103,06 | 23,5 | < 0 | < 0 | |
| 206,5 | 125,58 | 45,53 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 160 | 319,54< 0 | 227,23 | 136,05 | 45,99 | < 0 | < 0 |
| 236,3 | 144,48 | 53,78 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 176,58 | 85,17 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 180 | 295,92 | 192,25 | 90,01 | < 0 | < 0 | < 0 |
| 205,4 | 102,3 | 0,61 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 144,25 | 41,59 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 200 | 268,39 | 152,11 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 |
| 170,6 | 54,98 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 108,02 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 220 | 235,2 | 104,48 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 |
| 130,16 | 0,22 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 66,15 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 240 | 194,31 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 |
| 82,05 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 16,6 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 260 | 143,39 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 |
| 23,95 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| < 0 | <0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 280 | 79,87 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 |
| < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| 300 | 0,89 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 |
| < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
| < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | < 0 | |
6. Литература
1. Тимофеева Е.И., Федорович Г.В. Экологический мониторинг параметров микроклимата. М., НТМ-Защита, 2007, 212 с.
2. Иванов К.П. и др. Физиология терморегуляции. Л, Наука, 1984, 470 с.
3. Кричагин В.И. Принципы объективной оценки теплового состояния организма. - В кн. Авиационная и космическая медицина (под ред. Парина В.В.).-М. 1963. с. 310-314.
4. Бреслав И.С., Исаев Г.Г. (ред). Физиология дыхания – СПб, Наука, 1994, 680 с.
5. Ergonomics of the thermal environment – Analitical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria” ISO 7730:2005(E).
6. Хирс Д., Паунд Г., Испарение и конденсация, (пер. с англ.), ИИЛ, М., 1966.
7. Федорович Г.В. Параметры микроклимата, обеспечивающие комфортные условия труда. // БиОТ - 2010 - №1 – стр.75
