Tepeln vlhkostní mikroklima

Transkript

1 Tepeln vlhkostní mikroklima lovk Produkce tepla a jeho výdej do prostedí 1 Produkce tepla a tepelná rovnováha Úel: 1. Stanovení tepelné a vlhkostní produkce lovka pro tepelnou bilanci klimatizované místnosti. 2. Urení limitních podmínek prostedí, které je lovk schopen dlouhodob snášet bez ohrožení zdraví. 3. Urení maximální doby expozice v prostedí, které není snesitelné dlouhodob (stanovení režimu práce a odpoinku). Metody a prostedky: 1. SN ISO 9886 Hodnocení tepelné zátže podle fyziologických mení 2. SN ISO 9886 Ergonomie Stanovení tepelné produkce organismu 3. SN EN 7993 Horká prostedí. Analytické stanovení a interpretace tepelné zátže s použitím výpotu požadované intenzity pocení. 4. Naízení vlády. 523/2002 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zamstnanc pi práci 2 1

2 Rovnice tepelné bilance lovka M W = Cres + Eres + K + C + R + E + S produkce = výdej + akumulace M.. energetický výdej W.. mechanická práce C res výmna citelného tepla dýcháním E res výmna vázaného teplo dýcháním K.. výmna citelného tepla vedením C.. výmna citelného tepla proudním R.. výmna citelného tepla sáláním E.. výmna vázaného tepla odpaováním S.. akumulace tepla v tle W µ = M 3 teplota kže tvar tla velikost tlního povrchu difúzní propustnost kže tlní izolace CITELNÉ TEPLO volná nebo nucená konvekce vedení kontaktem s pevnými povrchy výmna tepla sáláním s okolními plochami vzájemná interakce výsledná vzduchu teplota okolních ploch relativní vlhkost rychlost vzduchu VÁZANÉ TEPLO difúze vodní páry kží mokré pocení odpaování vody z dýchacích cest termoregulaní pochody pro vytvoení rovnováhy fyzikální termoregulace chemická termoregulace mechanická termoregulace 4 2

3 Termoregulaní mechanismy V teplém prostedí: 1. Vazodilatace rozšíení podkožních cév zvýšení prokrvení pokožky zvýšení povrchové teploty 2. Aktivace potních žláz odpaování potu, krátkodob až 4 l/h, dlouhodob 1 l/h 2,4 MJ tepla. 3. Hypertermie pehívání organismu (slabost, bolest hlavy, zrychlený dech) V chladném prostedí: 1. Vazokonstrikce snížení prokrvení pokožky snížení povrchové teploty, postavení chloupk na kži ochrana mezní vrstvy 2. Termogeneze svalový tes, až 10-ti násobné zvýšení tepelné produkce. Vnitní teplota zstává cca 37 C, periferie mohou být chladnjší jak 20 C 3. Hypotermie podchlazení tla (vzestup krevního tlaku a srdení frekvence) 5 Tepelná produkce lovka energetický výdej M Bazální metabolismus teplo je produktem biologických proces (chemická energie potravy) Svalový metabolismus teplo vedlejším produktem fyzické innosti lovka (úinnost lidské práce je nízká) Energetický výdej se vyjaduje jako: Tepelný výkon prmrného (standardního) lovka (W) Tepelný výkon na jednotku plochy tlesného povrchu (W/m 2 ) Tepelný výkon v jednotkách met (1 met odpovídá tepelné produkci sedícího lovka) Hodnoty metabolismu brutto zahrnují i bazální metabolismus. 6 3

4 Složky energetického výdeje M Bazální metabolismus: muž 44 W/m 2 žena 41 W/m 2 Svalový metabolismus: Poloha tla Vsed 10 W/m 2 V klee 20 W/m 2 Ve stoje 25 W/m 2 Druh a rychlost práce Práce rukou 30 W/m 2 Práce obma pažemi 85 W/m 2 Práce trupem 190 W/m 2 7 Metody - stupn pro stanovení M a tepelné bilance organismu STU PE METODA PESNOST PROHLÍDKA PRACOVNÍHO MÍSTA I A KLASIFIKACE PODLE DRUHU INNOSTI B KLASIFIKACE PODLE POVOLÁNÍ HRUBÁ INFORMACE S VELKÝM RIZIKEM CHYBY NENÍ NUTNÁ INFORMACE O TECHNICKÉM ZAÍZENÍ A ORGANIZACI PRÁCE II A POUŽITÍ TABULEK PRO SLOŽKY PRACOVNÍ INNOSTI B POUŽITÍ TABULEK ODHADU PRO JEDNOTLIVÉ INNOSTI VELKÉ RIZIKO CHYB ± 15% JE TEBA ASOVÁ STUDIE C MENÍ SRDENÍ FREKVENCE ZA DEFINOVANÝCH PODMÍNEK NENÍ TEBA III MENÍ SPOTEBY KYSLÍKU RIZIKO CHYB JEN V MEZÍCH PESNOSTI MENÍ A ASOVÉ STUDIE JE TEBA ASOVÁ STUDIE 8 4

5 Energetický výdej M podle innosti innost Bazální metabolismus metabolismus W/m 2 met 45 0,8 Mechanická úinnost - 0 Sezení, odpoívání Stání, odpoívání 65 1,1 0 Bžná kanceláská práce 75 1,3 0 Lehká práce na strojích 150 2,6 0,1 Tžká manuální práce 250 4,3 0,1 Chze po rovin 4km/h 140 2,4 0 Chze po rovin 6km/h 200 3,5 0 Chze se stoupáním 5% (4 km.h-1) 200 3,5 0 Chze se stoupáním 5% (4 km.h-1) 340 5,7 0, Metabolické teplo pi rzných innostech (W/m 2 ) uklízení vaení Prof. M. Jokl nakupování psaní na kreslení rybaení stolní tenis plavání tenis squash prodava uitel hodiná 10 5

6 Hodnota metabolismu (met) 1,2 met 3,0 met 1,6 met 0,7 met 6,0 met 2,0 met 0,8 met 1,0 met 11 7,0 met Maximální výkon lovka Zdravý muž (20 let) mže dosáhnout maxima M = 12 met. Se stoupajícím vkem tato hodnota klesá. Ve vku 70 let je maximum M = 7 met. Pro ženy platí hodnoty o zhruba 30 % nižší. M = 12 = 12.58= 686 W/m 2 Pro standardní osobu M = 1295 W Max. mechanická práce L. Armstrong W = 500W 12 6

7 Faktory ovlivující tepelný výkon Vnitní prostedí Teplota vzduchu Radianí teplota Operativní Vlhkost vzduchu teplota Rychlost proudní vzduchu a jeho turbulence Osobní faktory Hodnota metabolismu (fyzická aktivita) obleení Doplující faktory Jídlo a pití Aklimatizace Aklimace Tlesná postava Vk a pohlaví Efektivní teplota Lada Centnerová 13 Vstupní veliiny subjektu Hmotnost m, výška hpovrch tla A DU (m 2 ) energetický výdej M (W/m 2 ) vnjší práce W (W/m 2 0,425 ) A = 0,202 m h tepelná izolace odvu I clo (m 2 K/W) difúzní odpor odvu R t (m 2 Pa/W) 0,725 Vstupní veliiny prostedí teplota vzduchu t a ( C) vlhkost vzduchu - parciální tlak vodní páry p (Pa) teplota stn (radianí teplota) t r ( C) rychlost proudní vzduchu v a (m/s) 14 7

8 Vstupní veliiny výmny tepla stední teplota kže t sk ( C) relativní rychlost proudní vzduchu v ar (m/s) souinitel pestupu tepla konvekcí h c (W/m 2 K) souinitel pestupu tepla sáláním h r (W/m 2 K) maximální intenzita pocení E max (W/m 2 Pa) 15 Tepelná izolace odvu (clo) DÁMY PÁNI 16 8

9 Energetický výdej pro jeden pracovní cyklus složený z více inností M. prmrný energetický výdej pracovního cyklu M i energetický výdej pi i-téinnosti (W/m 2 ) (W/m 2 ) t i.. doba trvání i-téinnosti (s) T.. doba trvání pracovního cyklu (s) n 1 M = M i ti T n=1 standardní osoba muž: h=1,7m, m=70kg, A=1,8m 2, vk 35 let žena: h=1,6m, m=60kg, A=1,6m 2, vk 35 let 17 Hodnocení tepelné zátže podle fyziologických mení Odpov organismu na pobyt v teplém nebo chladném prostedí 1. TEPLOTA TLESNÉHO JÁDRA jícen, koneník, zažívací trakt, ústa, bubínek, zevní zvukovod 2. TEPLOTA KŽE prmrná teplota na celém povrchu tla = vážený prmr souboru místních teplot 3. SRDENÍ FREKVENCE Mení srdení frekvence za definovaných podmínek 4. ZTRÁTA TLESNÉ HMOTNOSTI Úbytek hmotnosti následkem pocení 18 9

10 Mezní hodnoty fyziologických mení Gradient teploty t = max. 1K/hodina Max. teplota tlesného jádra t j = C Teplota kže na ele t sk = C Tepelná srdení reaktivita HR t = max. 33 /min.k (zvýšení teploty o jádra o 1 C nárst 33 tep/min.) Na pracovišti HR t = 185 0,65.vk Ztráta tlesné hmotnosti m = 800 až 1300 g/h (standardní osoba) 19 Teplota kže v prostedí chladném teplém 20 10

11 Mení teploty kže referenní body 21 START 10 min 20 min 45 min 0 km 5 km 10 km 23 km 35 C 30 C 20 C Prmrná rychlost 30,1 km/hod. Vnitní teplota vzduchu v posilovn 21 o C Mený energetický výdej za 45 minut 450 kcal (523W) Sledovaná osoba: muž, 27 let, 86kg, 1,9m, plocha tla 2,136m 2 Vypotený prmrný energetický výdej vztažený k m2 plochy 22 tlesného povrchu inil 326 W/m 2. 11

12 23 Rozložení povrchové teploty Teplota okolí 8 C 24 12

13 Rozložení povrchové teploty Teplota okolí 4 C 25 Rozložení povrchové teploty Teplota okolí 4 C 26 13

14 SRDENÍ FREKVENCE HR = HR 0 +HR m +HR s +HR t +HR n + HR E HR 0... klidová hodnota s.f. pi M = 58 W/m 2 HR M zvýšení s.f. zpsobené dynamickým svalovým zatížením HR s zvýšení s.f. zpsobené statickou svalovou prací HR t zvýšení s.f. zpsobené tepelnou zátží HR n zvýšení s.f. zpsobené mentální zátží HR e reziduální složka s.f. (nap. vlivy dýchání) Odhad M dle srdení frekvence M = 4.HR ZTRÁTA TLESNÉ HMOTNOSTI (následkem pocení) m g =m sw +m res +m o +m wat +m sol +m clo m... ztráta hmotnosti v dsledku: m sw ztráty potu bhem asového intervalu m res ztráty potu odpaování v dýchacím ústrojí m o.. rozdílu mezi hmotností CO 2 a O 2 m wat píjmu a vyluování (mo) vody m sol píjmu (potrava) a vyluování (stolice) pevných látek m clo zmny hmotnosti obleení v dsledku zmn v obleení a akumulace potu v odvu 28 14

15 Mení spoteby kyslíku PARCIÁLNÍ METODA 29 Mení spoteby kyslíku INTEGRÁLNÍ METODA 30 15

16 Reakce lidského tla na prostedí produkce = výdej + akumulace Tepelná bilance lovka hypotermie neutrální pásmo mokré pocení hypertermie produkce < výdej S < 0 produkce = výdej S = 0 w < 30% produkce = výdej S = 0 w > 30% produkce > výdej S > 0 w vlhkost kže (%) je definovaná jako odpovídající podíl povrchu kže, který lze pokládat za úpln mokrý. Za optimálních podmínek vodní páru pohltí okolní vzduch a pokožka zstává suchá. 31 Tepelná bilance v horkém prostedí když: E << E max S = 0 E < E max S = 0 E > E max S = (E max - E) tepelná rovnováha pi suchém pocení Pro zachování tepelné pohody udává Fanger vztah pro maximální tepelný tok odpaováním potu: SW max [ M ( 1 ) 58] = 0,42 µ tepelná rovnováha pi mokrém pocení mokré pocení nestaí k odvodu tepla do okolíakumulace tepla v tle asov omezený pobyt v prostedí

17 Tepelná bilance v horkém prostedí Výpoet požadované intenzity pocení E = M W C res E res K C R E max = p " sk R T p a E max,35 ( ) = h c 5622 p a E w35 = 100 E 35 max,35 E max maximální intenzita pocení (W/m 2 ) E max maximální intenzita pocení pro teplotu kže 35 C (W/m 2 ) p sk tlak nasycené vodní páry pi teplot kže (kpa) tlak vodní páry v okolním prostedí (kpa) p a R t celkový odpaovací odpor odvu (m 2 kpa/w) w vlhkost kže pi 35 C SW tepelný tok odpaováním potu (W/m 2 ) 33 Tepelná bilance v horkém prostedí Výpoet požadované intenzity pocení Aktuální stav vlhkosti kže pi rzných hodnotách w: w = 20-30% elektrický odpor kže na ele, dlaních a trupu prudce klesá, kže (s výjimkou podpaždí) však zstává na pohmat prakticky suchá, v klidu zaíná být pociován diskomfort w = 30-40% hmatné, ale sotva viditelné ovlheníela, dlaní, bicha a beder. Odv zstává prakticky suchý, pi fyzické aktivit zaíná být pociován diskomfort w = 50-70% silné, ale sotva viditelné ovlheníela, dlaní, bicha a beder, mírné ovlhení tváí, zad a prsou, event. horních konetin. Odv zvlhen hlavn v pase. Pi tlesném klidu znaný diskomfort w > 70% silné ovlhení tém celého tla, stoupající provlhení odvu. Pi fyzické práci znaný diskomfort, zaíná odkapávání potu 34 17

18 Tepelná bilance v horkém prostedí E < E max S = 0 Výpoet požadované intenzity pocení SN EN 7993 Maximální vlhkost kže pro neklimatizovanou osobu je stanovena dle SN EN na 85%, pro aklimatizovanou 100%. Tím je dána maximální intenzita pocení pro neklimatizované osoby W/m 2, pro aklimatizované W/m2, což odpovídá ztrát potu standardní osoby g/h pro osoby neklimatizované, g/h pro osoby aklimatizované. E > E max S = (E max - E) Krátkodob únosná tepelná zátž je kritérium pro stav organismu již za hranicí tepelné rovnováhy, kdy dochází k akumulaci tepla v tle, které nesmi pro aklimatizované i neaklimatizované osoby pekroit 180 kj/m 2 (50 Wh/m 2 ). Této hodnot odpovídá vzestup teploty tlesného jádra o 0,8 K, vzestup teploty kže o 3,5 K a vzestup srdení frekvence na max. 150 /min. 35 E > E max S > S max asové omezení expozice Pokud je dosaženo požadované intenzity odpaování, rozdíl E req E max pedstavuje teplo akumulované v tle, které vede ke zvýšení tlesné teploty. Pípustná doba expozice se stanoví na základ maximální hodnoty akumulace tepla v tle Q max a ztráty vody D max Omezení doby expozice v minutách lze vyjádit vzorcem: 60 Qmax DLE1 = E E req max Pokud však pedpovídaná intenzita pocení je spojena nadmrnou ztrátou vody, musí být doba expozice omezena maximální ztrátou vody v tle D max : DLE 2 60 D = SW max max Maximální ztráta vody v tle je pro neklimatizované osoby stanovena D max = Wh/m 2 pro neaklimatizované a Wh/m 2 pro aklimatizované osoby. Nižší z hodnot je pro stav ohrožení, vyšší pro stav nebezpeí. Hodnoty odpovídají ztrát tekutin D max = g/smnu pro neaklimatizované a g/smnu pro aklimatizované osoby

19 NV 523/2002 Sb., kterým se mní naízení vlády. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zamstnanc pi práci Tída práce Energetický výdej W/m2 Optimální teplota C Rychlost proudní m/s Intenzita pocení g/h g/smna I ,1 0, IIa ,1 0, IIb ,2-0, IIIa ,2-0, IIIb ,2-0, Práce tídy: IIIa z hlediska energetického výdeje není celosmnov únosná pro ženy IIIb z hlediska energetického výdeje není celosmnov únosná pro muže 37 P 3/1 Píklad Stanovení energetického výdeje Úlohu ešte ve skupinách po 3 studentech, z každé skupiny vyhotovte protokol, který pedložíte k zápotu. Zvolte si vhodný typ innosti, kterou jste schopni s dostupnými pomckami simulovat a stanovte energetický výdej pro tuto zvolenou innost: 1. Klasifikací dle druhu innosti dle tab. A.1. SN EN Klasifikací podle povolání dle tab. B 3. Klasifikací podle polohy a pohybu tla a druhu práce dle tab. D.1 až D3 SN EN Mením srdení frekvence v klidu a pi innosti parciální metodou podle vztahu M = 4.HR-255 [W/m 2 ]. Urete také max.hodnotu srdení frekvence, jaké mže být pokusná osoba vystavena dle vztahu HR=185-0,65.vk. 5. Stanovte tepelný odpor odvu pi mení a urete tlesný povrch mené osoby. Urete teplotu vzduchu pi mení. 6. Zatite innost do tídy práce dle tab..1 NV 523/2002 Sb. a uvete prmrný energetický výdej podle této tídy. 7. Stanovte prmrnou teplotu kže v klidu a pi innosti pro 4 mící body dle 38 tab.1 SN ISO

20 Pohodlnost patí k nejvtším nepátelm lovka. Bez úsilí nedosáhneš nieho Šrí Maháprabhudží 39 20