ГОСТ Р ИСО 11079-2015. Национальный стандарт Российской Федерации. Эргономика термальной среды. Определение холодового стресса и его интерпретация на основе показателей требуемой термоизоляции одежды и локального охлаждающего воздействия

5. Общее охлаждение

5.1 Краткий обзор

В данном разделе приведено общее уравнение теплового баланса тела. Определяющие факторы в этом уравнении - тепловые свойства одежды, генерация тепла телом человека и физические характеристики окружающей среды. Приведено уравнение для определения требуемой термоизоляции одежды (IREQ), обеспечивающей поддержание теплового баланса на основе конкретных критериев физиологического напряжения. Далее IREQ сопоставляют с защитой (термоизоляцией), обеспечиваемой рабочей одеждой. Если термоизоляция применяемого комплекта одежды меньше, чем требуется, вычисляют безопасную продолжительность пребывания в холодной среде (D_lim) на основе допустимых уровней охлаждения тела. Формулы, коэффициенты и критерии приведены в приложениях A и B.

Метод состоит из следующих этапов, схематично представленных на рисунке 1:

- измерение тепловых параметров окружающей среды;

- определение уровня активности (скорость метаболизма) человека;

- вычисление значения IREQ;

- сравнение значения IREQ с текущей термоизоляцией, обеспечиваемой используемой одеждой;

- анализ условий для обеспечения теплового баланса и вычисление рекомендуемой максимальной продолжительности пребывания в холодной среде (D_lim).

5.2 Определение требуемой термоизоляции одежды IREQ

Коэффициент требуемой термоизоляции одежды IREQ - результирующий коэффициент термоизоляции одежды, требуемой в фактических условиях окружающей среды для поддержания теплового равновесия тела с приемлемым уровнем температуры тела и кожи.

IREQ является:

a) мерой холодового стресса, вызванного воздействием температуры воздуха, средней радиационной температуры, относительной влажности и скорости воздуха для определенных уровней скорости обмена веществ (метаболизма);

b) методом анализа воздействия тепловой среды и скорости обмена веществ человеческого тела;

c) методом определения требований к термоизоляции одежды и последующего выбора одежды для использования в реальных условиях;

d) методом анализа изменений параметров теплового баланса для улучшения планирования рабочего времени и режимов работы в холодных условиях.

5.3 Обоснование формулы для IREQ

5.3.1 Общее уравнение теплового баланса

Вычисление IREQ основано на рациональном анализе теплообмена человека с окружающей средой. Следующие пункты охватывают общие принципы вычисления различных показателей, влияющих на IREQ.

Общее уравнение теплового баланса [уравнение (1)] имеет вид:

M - W = E_res + C_res + E + K + R + C + S, (1)

где левая сторона уравнения отражает генерацию внутреннего тепла, а правая сторона - сумму теплопотерь от теплообмена через дыхательные пути, теплообмена на поверхности кожи и тепла, накапливающегося в теле человека. Переменные уравнения (1) определены ниже. Значения символов приведены в 3.2.

ГОСТ Р ИСО 11079-2015. Национальный стандарт Российской Федерации. Эргономика термальной среды. Определение холодового стресса и его интерпретация на основе показателей требуемой термоизоляции одежды и локального охлаждающего воздействия

Рисунок 1 - Процедура для оценки холода окружающей среды

5.3.2 Скорость метаболизма

M является скоростью метаболизма, которая может быть определена в соответствии со стандартом ИСО 8996.

5.3.3 Эффективная механическая мощность

W - эффективная механическая мощность. В большинстве случаев в условиях производства она мала и ей можно пренебречь. Также см. ИСО 8996.

5.3.4 Теплообмен через дыхательные пути

Теплопотери через дыхательные пути происходят за счет нагрева и насыщения влагой вдыхаемого воздуха, и являются суммой теплопотерь за счет конвекции (C_res) и испарения (E_res), определяемых, соответственно, по формулам:

C_res = c_pV(t_ex - t_a)/A_Du, (2)

E_res = c_eV(W_ex - W_a)/A_Du. (3)

5.3.5 Теплообмен за счет испарения

Теплообмен за счет испарения E определяют по формуле

E = (p_sk - p_a)/R_e,T. (4)

5.3.6 Теплообмен за счет теплопроводности

Теплообмен за счет теплопроводности K зависит от площади частей тела, находящихся в прямом контакте с внешними поверхностями. Несмотря на то, что такой теплообмен может иметь существенное значение для обеспечения локального теплового баланса, общие теплопотери за счет теплопроводности обычно достаточно малы и могут быть учтены в уравнениях для теплообмена за счет конвекции и излучения.

5.3.7 Теплообмен за счет излучения

Теплообмен за счет излучения R между поверхностью одежды, включая обнаженную кожу, и окружающей средой определяют по формуле

. (5)

5.3.8 Теплообмен за счет конвекции

Теплообмен за счет конвекции C между поверхностью одежды, включая обнаженную кожу, и окружающей средой определяют по формуле

C = f_cl·h_c·(t_cl - t_a). (6)

5.3.9 Теплообмен через одежду

Теплообмен через одежду происходит за счет теплопроводности, конвекции, излучения и переноса испарений пота. Влияние одежды на теплообмен за счет испарения описывает уравнение (4). Влияние одежды на сухой теплообмен, не учитывающий испарения, зависит от термоизоляции комплекта одежды и температурного градиента поверхности кожи, контактирующей с одеждой. Сухой тепловой поток к поверхности одежды равен тепловому потоку между поверхностью одежды и окружающей средой. Поэтому теплообмен через одежду характеризуется результирующим коэффициентом термоизоляции одежды:

. (7)

5.4 Вычисление IREQ

На основе уравнений (1) - (7) в установившемся состоянии и гипотезы относительно теплового потока за счет теплопроводности, значение коэффициента требуемой термоизоляции одежды IREQ вычисляют по формуле (8):

. (8)

Уравнения (7) и (8) отражают сухой теплообмен на поверхности одежды в условиях теплового баланса тела, и отражает связь между I_cl,r и IREQ. Значение I_cl,r - это значение коэффициента термоизоляции одежды, скорректированное с учетом влияния проникновения ветра и уровня активности человека, а также воздухопроницаемости внешнего слоя одежды. Значение IREQ - это значение коэффициента термоизоляции, требуемой для поддержания теплового баланса тела.

Уравнение (8) содержит два неизвестных (IREQ и t_cl). Поэтому оно может быть преобразовано относительно t_cl следующим образом

. (9)

Этим выражением заменяют t_cl в уравнении (8), где формулы для R и C содержат t_cl [см. формулы (5) и (6)]. Затем значение IREQ, которое удовлетворяет уравнению (8), вычисляют методом последовательных итераций. Для этой цели в приложении F приведена ссылка на компьютерную программу. Показатель IREQ выражают в м²·К/Вт, но он также может быть выражен в кло <1>.

--------------------------------

<1> 1 кло = 0,155 м²·К/Вт.

5.5 Интерпретация IREQ

5.5.1 IREQ как индекс холода

Показатель IREQ является мерой термального стресса, возникающего под влиянием генерации телом человека внутреннего тепла и теплообмена с окружающей средой. Чем больше охлаждающее воздействие среды, тем выше значение IREQ при любом заданном уровне активности. При любом заданном сочетании окружающих климатических условий холодовой стресс, и тем самым IREQ, уменьшаются при возрастании физической активности, поскольку в таком случае для сохранения теплового баланса требуется дополнительное рассеивание метаболического тепла.

5.5.2 IREQ и физиологическое напряжение

Тепловое равновесие может быть достигнуто на различных уровнях терморегуляции, определенных для заданных значений средней температуры кожи, потоотделения (увлажненности кожи) и допустимого изменения температуры тела.

IREQ определяют на следующих двух уровнях физиологического напряжения:

a) IREQ_min определяет минимальное значение коэффициента термоизоляции, требуемой для поддержания теплового баланса тела на нижнем уровне средней температуры тела. Минимальное значение IREQ характеризует некоторое охлаждение тела, в особенности периферийных частей тела. При длительном пребывании на холоде охлаждение конечностей может стать ограничивающим фактором для продолжительности пребывания в холодной среде.

b) IREQ_neutral определяют как значение коэффициента термоизоляции, требуемой для обеспечения условий теплового комфорта человека, т.е. теплового баланса тела, поддерживаемого на нормальном уровне средней температуры тела. Этот уровень означает отсутствие или минимальное охлаждение человеческого тела.

Соответствующие физиологические критерии приведены в приложении B.

5.5.3 IREQ и термоизоляция одежды

Значение IREQ - результирующее значение коэффициента термоизоляции одежды, которая требуется для реальных условий. Оно может служить основой для оценки защиты, обеспечиваемой используемой одеждой, или в качестве ориентира для подбора соответствующей одежды. Значение IREQ сравнивают с результирующей величиной термоизоляции выбранного комплекта одежды. Детальное описание такого сопоставления приведено в 5.6.

5.5.4 IREQ и планирование условий и режима физической активности

Любой из параметров уравнения теплового баланса может быть изменен, а рассчитанное значение IREQ укажет на относительную значимость этого конкретного параметра.

5.6 Сопоставление IREQ с термоизоляцией выбранного комплекта одежды

Основная цель метода IREQ состоит в том, чтобы проанализировать, обеспечивает ли выбранная одежда ту степень термоизоляции, которая достаточна для обеспечения определенного уровня теплового баланса. Наиболее часто используемое значение коэффициента термоизоляции комплекта одежды - значение базового коэффициента термоизоляции I_cl (см. ИСО 9920). Чтобы использовать эту информацию для сравнения с IREQ, это значение должно быть скорректировано с учетом нескольких факторов. Скорректированное значение I_cl,r нельзя получить из справочной информации, поскольку оно зависит от условий использования. Поэтому оно должно быть определено на основе доступной информации о конкретной одежде (базовая термоизоляция, воздухопроницаемость), скорости ветра и уровне физической активности.

Значения базового коэффициента термоизоляции комплекта одежды и воздухопроницаемости должны быть определены в соответствии с ИСО 9920. Примеры значений приведены в приложении C. Заключительные корректирующие алгоритмы приведены в приложении A.

Значение I_cl,r сравнивают с рассчитанным значением IREQ для заданных условий и критериев. Для дальнейшей интерпретации используют следующие неравенства:

I_cl,r > IREQ_neutral	-	ощущение избыточного тепла, зона перегрева (термоизоляция одежды должна быть уменьшена);
IREQ_min <= I_cl,r <= IREQ_neutral	-	нейтральные ощущения, зона терморегуляции (не требуется никаких действий);
I_cl,r < IREQ_min	-	ощущения холода, зона охлаждения (термоизоляция одежды должна быть увеличена или необходимо вычислить D_lim (см. 5.7)).

Интервал между IREQ_min и IREQ_neutral можно рассматривать как зону регуляции или выбора соответствующей одежды, в которой каждый человек выбирает необходимый уровень защиты. При значениях коэффициента термоизоляции ниже, чем IREQ_min, существует опасность быстрого переохлаждения тела. При значениях коэффициента термоизоляции выше, чем IREQ_neutral, условия являются слишком теплыми, и может произойти перегрев организма. При определении окончательной оценки результат может быть представлен значением базового коэффициента термоизоляции, необходимой для заданных условий (см. приложение E).

5.7 Определение и вычисление продолжительности безопасного пребывания в холодной среде, D_lim

Если значение скорректированного коэффициента термоизоляции выбранного или используемого комплекта одежды меньше, чем требуемое расчетное значение IREQ, то для предотвращения прогрессирующего переохлаждения тела продолжительность пребывания в холодной среде должна быть ограничена конкретным временем. Определенное сокращение запасов тепла тела (Q) является приемлемым во время пребывания в холодной среде в течение нескольких часов и может быть использовано для вычисления продолжительности безопасного пребывания в холодной среде, если уровень запасов тепла известен.

Продолжительность безопасного пребывания в холодной среде (D_lim), определяют, как рекомендуемое максимальное время пребывания в холодной среде в доступной или выбранной одежде. D_lim и вычисляют по формуле (10):

, (10)

где Q_lim - предельное значение Q (см. приложение B), и S вычисляют по формуле

S = M - W - E_res - C_res - E - R - C. (11)

Поскольку формула (11) содержит неизвестное t_cl, его находят методом последовательных итераций:

. (12)

Выражение (12) аналогично (9), с тем лишь различием, что (9) используют в устойчивом (стационарном) состоянии для вычисления требуемой термоизоляции одежды IREQ, а (12) - в реальных условиях, когда термоизоляция одежды известна.

Значение D_lim должно быть вычислено по IREQ_neutral (по умолчанию) (см. 5.5.2). Могут быть выбраны и другие значения тепловых ощущений [см. 5.5.2, b)]. Если в начале пребывания в холодных условиях рабочий имел определенный недостаток тепла, продолжительность безопасного пребывания в холодной среде должна быть соответственно уменьшена.

После некоторого пребывания человека в условиях охлаждения тела ему необходимо предоставить период восстановления для возобновления нормального теплового баланса тела. Время восстановления (D_rec) вычисляют таким же образом как D_lim, заменяя "холодные условия" условиями пребывания в течение периода восстановления. Другими словами:

D_rec = Q_lim/S, (13)

где S - (положительная) скорость пополнения тепла тела, вычисленная по формуле (11) для условий периода восстановления.

Так как восстановление, как предполагают, начинается, когда тело достигло определенного недостатка тепла, значение Q_lim должно быть тем же самым, что и для вычисления D_rec/D_lim. Вычисление D_rec требует повторного определения, если в течение периода восстановления меняют одежду, так как значение S для разных комплектов одежды различно.

Физиологические критерии, которые необходимо использовать в расчетах, представлены в приложении B, а примеры применения D_lim и D_rec - в приложении E.