Temat : Pojęcie klimatu i warunki jego określania w warunkach górniczych
1. WSTĘP.
Mikroklimat środowiska jest określany poprzez zespół parametrów fizycznych powietrza i otoczenia mających wpływ na samopoczucie przebywającego w nim człowieka. Do podstawowych parametrów fizycznych powietrza należą:
- temperatura,
- wilgotność,
- prędkość przepływu.
Parametrem otoczenia, a więc powierzchni skał otaczających dane wyrobisko, jest średnia temperatura promieniowania otoczenia.
Każdy z wymienionych powyżej parametrów powietrza i otoczenia posiada istotny wpływ na klimat w środowisku pracy, dlatego dla prawidłowego jego oznaczenia należy analizować sumaryczny wpływ kilku lub wszystkich jego parametrów. Do tego celu służą wskaźniki mikroklimatu, których wyznaczono dotychczas bardzo wiele, a do najważniejszych należą:
- temperatura efektywna amerykańska i belgijska,
- temperatura zastępcza francuska,
- wskaźnik WBGT,
- temperatura zastępcza komfortu wg. Cuprum,
- wartość katastopni.
Szerszym pojęciem od mikroklimatu są tzw. klimatyczne warunki pracy panujące w danym środowisku. Mówimy o dobrych, złych, trudnych lub niebezpiecznych warunkach klimatycznych. W celu scharakteryzowania warunków klimatycznych w danym miejscu pracy należy oprócz mikroklimatu uwzględnić wydatek energetyczny organizmu ludzkiego. Wydatek energetyczny pracownika zależy przede wszystkim od rodzaju i intensywności pracy i jest przedstawiany w formie liczbowej w [kcal/h] lub w [W/m2] powierzchni ciała ludzkiego. Do określenia klimatycznych warunków pracy ludzi służą wskaźniki obejmujące mikroklimat i wydatek energetyczny pracownika. Do najważniejszych z nich należą:
- wskaźnik obciążenia termicznego Beldinga i Hatcha (HSI),
- wskaźnik obciążenia termicznego organizmu wg. Mc Ardlego (P4SR),
- wartość odniesienia wskaźnika WBGT.
Ważną grupę wskaźników stanowią parametry samego organizmu zwane wskaźnikami fizjologicznymi. Wskaźniki te określają stopień wydolności fizycznej oraz stan bezpieczeństwa cieplnego organizmu. Do wskaźników tych należą:
- temperatura wewnętrzna organizmu mierzona w odbytnicy,
- częstotliwość uderzeń serca,
- ilość wydzielanego potu w jednostce czasu,
- temperatura powierzchni skóry.
Warunki klimatyczne w środowisku o danym mikroklimacie będą odczuwane przez różnych ludzi w różny sposób, głównie ze względu na rodzaj czynności, jakie wykonują. Człowiek wykonujący ciężką pracę określi warunki klimatyczne danego środowiska jako trudne, człowiek odpoczywający przebywający w tym samym miejscu - jako przyjemne. Warunki klimatyczne panujące w tym samym środowisku, w którym istnieje stały, niezmienny mikroklimat, w odczuciu tych dwóch pracowników będą różne.
Warunki pracy to pojęcie jeszcze bardziej ogólne, uwzględniające warunki klimatyczne, a także takie właściwości środowiska, jak: skład atmosfery, zapylenie, hałas, wibracje itp.
Analizując wpływ wyżej wymienionych czynników na samopoczucie pracowników w danym środowisku, możemy wprowadzić pojęcia komfortu i dyskomfortu pracy, w ogólnym szerokim znaczeniu oraz komfortu cieplnego i dyskomfortu cieplnego pracy w odniesieniu do klimatycznych warunków pracy.
Człowiek powinien pracować w warunkach komfortu cieplnego, w których odczuwałby stan zadowolenia z parametrów cieplnych środowiska. Praca w warunkach dyskomfortu cieplnego jest dopuszczalna dzięki bardzo dużym możliwościom termoregulacyjnym organizmu ludzkiego. Istnieje jednak pewna granica dyskomfortu określona jako dyskomfort 100-procentowy, powyżej którego praca jest niebezpieczna dla zdrowia i powinna być zabroniona.
W nieniejszej pracy, w celu określenia stanu dyskomfortu cieplnego odczuwanego przez pracownika w danym środowisku, wprowadzono wielkość zwaną wskaźnikiem dyskomfortu cieplnego pracownika ”d”. Wskaźnik dyskomfortu jest wielkością bezwymiarową lub procentową. Określa on, w jakim stopniu klimatyczne warunki pracy w danym środowisku różnią się od warunków komfortowych oraz warunków dopuszczalnych pod względem bezpieczeństwa termicznego człowieka.
2. WYMIANA CIEPŁA POMIĘDZY CZŁOWIEKIEM A OTOCZENIEM -
RÓWNOWAGA TERMICZNA ORGANIZMU LUDZKIEGO.
2.1. CIEPŁO METABOLICZNE - WYDATEK ENERGETYCZNY PRACOWNIKA.
Organizm człowieka, wskutek procesów przemiany materii, wytwarza ciepło zwane ciepłem metabolicznym. Wielkość wytworzonego ciepła metatabolicznego w jednostce czasu nazywamy przyrostem metabolizmu ”QM”. Zgodnie z i zasadą termodynamiki:
QM = Q + L [W]
gdzie: QM - ciepło metaboliczne czlowieka [W],
Q - ciepło wewnętrzne (wydatek energetyczny) [W],
L - ciepło zużyte na wykonywanie pracy [W].
Energia cieplna zużytkowana na pracę mechaniczną L stanowi małą część całkowitego ciepła metabolizmu QM.Dla pracy bardzo ciężkiej dochodzi max. do 20%, natomiast w stanie wypoczynku przyjmuje się ją równą zeru. Stosunek ciepła zużytego na pracę mechaniczną do ciepła metabolizmu nazywa się sprawnością ruchową pracownika:
[%]
gdzie: h - sprawność ruchowa pracownika, czyli wsp. sprawności mech. [%].
Ciepło wewnętrzne organizmu zwane również wydatkiem energetycznym równa się więc:
[W]
Bardzo często przyrost metabolizmu człowieka lub wydatek energetyczny wyraża się w stosunku do powierzchni ciała ludzkiego, czyli:
[W/m2]
gdzie: ADu - pole powierzchni ciała ludzkiego, przyjmuje się ADu = 1,8[m2],
W zależności od wielkości wydatku energetycznego dokonuje się klasyfikacji pracy na: lekką, umiarkowaną i ciężką (patrz tab1.) na podstawie normy PN-85/N-08011.
TAB. 1
Klasyfikacja poziomów metabolizmu (wydatków energetycznych) wg PN-85/N-08011
Klasa
Zakres przyrostu metabolizmu w odniesieniu do jednostki pow. skóry
M
Wartość średnia przyrostu metabolizmu
(wydatku energetycznego)
Mśr
Przykłady
Wypoczynek
M < 65
65
Praca
lekka
65 < M < 130
100
Pozycja siedząca - lekka praca ręczna
Pozycja stojąca - frezowanie, chodzenie z pr. 3.5 km/h
umiarkowana
130 < M < 200
165
Praca wyk. dłońmi i rękoma z napięciem mięśni:
- manewrowanie ciężarówką
- łączenie pojazdów, tynkowanie
- chodzenie z pr. 3.5 do 5.5 km/h
ciężka
200 < M < 260
230
intensywna praca rąk i korpusu:
- transportowanie ciężkich materiałów
- struganie, piłowanie, kopanie, szuflowanie
- chodzenie z pr. 5.5 do 7.0 km/h
bardzo ciężka
M > 260
290
Bardzo intensywna praca wykonywana w tempie bliskim maksymalnemu
2.2. BILANS CIEPLNY ORGANIZMU LUDZKIEGO:
Człowiek należy do istot stałocieplnych, tj. utrzymujących stałą temp. ustroju, co powoduje, że każdy nadmiar wytworzonego w organizmie ciepła jest z niego wydalany dzięki mechanizmowi termoregulacji. Wytwarzane na skutek procesów metabolicznych ciepło wew. organizmu musi być z niego wydalone, aby utrzymać stałą temp. rektalną (wewnętrzną). Na sposób i wielkość wydzielania ciepła z organizmu do otoczenia poważny wpływ ma klimat środowiska, co wiąże się również z samopoczuciem człowieka, a więc komfortem i dyskomfortem pracy.
Bilans cieplny organizmu ludzkiego można napisać w postaci równania:
gdzie: Qc - zmiana entalpii ciała ludzkiego,
Q - ilość ciepła wytwarzanego w organizmie (różnica między całk. ciepłem metab. a ciepłem zużytym na pracę mechaniczną),
Qk - Wymiana ciepła przez konwekcję,
Qs - wymiana ciepła przez promieniowanie,
Qp - wymiana ciepła przez przewodzenie,
Qv - utrata ciepła przez parowanie potu,
Qdf - utrata ciepła przez dyfuzyjne parowanie wody przez skórę,
Qjw - jawna utrata ciepła przez oddychanie,
Qut - utajona utrata ciepła przez oddychania.
Znak ”+” oznacza zysk ciepła, znak ”-” utratę ciepła przez organizm w zależności od parametrów mikroklimatu
Przy zrównoważonym bilansie cieplnym wartość Qc = 0.
Przy zmianie entalpii ciała ludzkiego, gdy następuje akumulacja ciepła, wartość Qc jest dodatnia, gdy następuje zmniejszenie ciepła w organizmie, wartość Qc jest ujemna.
2.3. PODSTAWOWE SPOSOBY WYMIANY CIEPŁA MIDZY CZŁOWIEKIEM A OTOCZENIAM:
2.3.1. Przewodzenie ciepła przez odzież:
Przewodzenie ciepła u człowieka występuje pomiędzy ciałem ludzkim a przylegającą do niego odzieżą. Jest więc transportem ciepła wewnętrznego przez odzież do jej powierzchni, z której następnie jest ono oddawane do powietrza lub otoczenia. Odzież posiadająca własciwości izolacyjne zmniejsza prędkość oddawania ciepła od człowieka do otoczenia w środowiskach chłodnych. Wśrodowiskach gorących, gdy robotnicy pracują bez odzieży, przewodzenie ciepła nie występuje.
Przenikanie ciepła ze skóry do zewnętrznej powierzchni odzieży okrywającej ciało można wyrazić następującym wzorem:
[kcal/h]
gdzie: ADu - powierzchnia ciała ludzkiego, przyjmowana 1.8 [m2],
tsk - temperatura powierzchni skóry [oC],
tcl - temperatura powierzchni odzieży [oC],
lcl - opór cieplny odzieży [clo], wielkość tę określającą opór przepływu ciepła przez warstwy odzieży pomiędzy pow. ciała ludzkiego a zew. pow. odzieży podaje się w jednostkach 1 [clo] = 0.155 [m2K/W]
W tab. 2 podana opory cieplne niektórych zestawów odzieży wg. Fangera
TAB. 2
Oporność cieplna różnych zestawów odzieży wg. Fangera
L.p
Różne zestawy odzieży
lcl
[clo]
fcl *
1.
Bez odzieży
0.00
1.00
2.
Jussy_S