Тепловой стресс возникает, когда окружающая среда человека (температура воздуха, температура излучения, влажность и скорость движения воздуха), одежда и деятельность взаимодействуют, вызывая тенденцию к повышению температуры тела. Затем система терморегуляции тела реагирует, чтобы увеличить потерю тепла. Эта реакция может быть мощной и эффективной, но она также может вызывать напряжение в теле, что приводит к дискомфорту и, в конечном итоге, к тепловому заболеванию и даже к смерти. Поэтому важно оценить жаркую среду, чтобы обеспечить здоровье и безопасность работников.

Индексы теплового стресса предоставляют инструменты для оценки жаркой среды и прогнозирования вероятной тепловой нагрузки на организм. Предельные значения, основанные на индексах теплового стресса, укажут, когда эта деформация может стать неприемлемой.

Механизмы теплового стресса в целом понятны, и методы работы в жарких условиях хорошо известны. К ним относятся знание предупредительных признаков теплового стресса, программы акклиматизации и замена воды. Однако жертв по-прежнему много, и эти уроки, похоже, придется выучить заново.

В 1964 году Лейтхед и Линд описали обширное исследование и пришли к выводу, что тепловые расстройства возникают по одной или нескольким из следующих трех причин:

1. наличие таких факторов, как обезвоживание или отсутствие акклиматизации
2. отсутствие надлежащего понимания опасностей жары как со стороны надзорного органа, так и со стороны лиц, подвергающихся риску
3. случайные или непредвиденные обстоятельства, приводящие к воздействию очень высокого теплового стресса.

Они пришли к выводу, что многие смерти могут быть связаны с пренебрежением и невнимательностью, и что даже когда расстройства действительно возникают, многое можно сделать, если имеются все требования для правильного и быстрого восстановительного лечения.

Индексы теплового стресса

Индекс теплового стресса представляет собой единое число, которое объединяет влияние шести основных параметров в любой тепловой среде человека, так что его значение будет варьироваться в зависимости от тепловой нагрузки, которую испытывает человек, подвергающийся воздействию горячей среды. Значение индекса (измеренное или рассчитанное) может быть использовано при проектировании или в рабочей практике для установления безопасных пределов. Было проведено множество исследований по определению окончательного индекса теплового стресса, и ведутся дискуссии о том, какой из них лучше. Например, Goldman (1988) представляет 32 индекса теплового стресса, и, вероятно, во всем мире используется как минимум вдвое больше этого числа. Многие индексы не учитывают все шесть основных параметров, хотя все они должны учитываться при применении. Использование индексов будет зависеть от индивидуальных контекстов, отсюда и создание такого большого количества индексов. Некоторые индексы теоретически неадекватны, но могут быть оправданы для конкретных приложений на основе опыта в конкретной отрасли.

Керслейк (1972) отмечает: «Возможно, самоочевидно, что способ, которым должны сочетаться факторы окружающей среды, должен зависеть от свойств субъекта, подвергающегося их воздействию, но ни один из используемых в настоящее время индексов теплового стресса формально не допускает этого. ». Недавний всплеск стандартизации (например, ISO 7933 (1989b) и ISO 7243 (1989a)) привел к необходимости принятия аналогичных индексов во всем мире. Однако необходимо будет приобрести опыт использования любого нового индекса.

Большинство индексов теплового стресса прямо или косвенно учитывают, что основная нагрузка на организм связана с потоотделением. Например, чем больше потоотделения требуется для поддержания теплового баланса и внутренней температуры тела, тем больше нагрузка на организм. Чтобы индекс теплового стресса отражал тепловую среду человека и прогнозировал тепловую нагрузку, необходим механизм для оценки способности потеющего человека терять тепло в жаркой среде.

Индекс, связанный с испарением пота в окружающую среду, полезен, когда люди поддерживают внутреннюю температуру тела в основном за счет потоотделения. Обычно говорят, что эти условия находятся в предписывающая зона (ВОЗ, 1969 г.). Следовательно, глубокая температура тела остается относительно постоянной, в то время как частота сердечных сокращений и скорость потоотделения увеличиваются при тепловом стрессе. На верхней границе прескриптивной зоны (УЛПЗ) терморегуляция недостаточна для поддержания теплового баланса, и температура тела повышается. Это называется экологически чистая зона (ВОЗ, 1969 г.). В этой зоне накопление тепла связано с повышением внутренней температуры тела и может использоваться в качестве показателя для определения допустимого времени воздействия (например, на основе прогнозируемого предела безопасности для «внутренней» температуры 38 °C; см. рис. 1).

Рис. 1. Расчетное распределение воды во внеклеточном компартменте (ECW) и внутриклеточном компартменте (ICW) до и после 2-часовой дегидратации при физической нагрузке при комнатной температуре 30°C.

Индексы теплового стресса удобно классифицировать как рациональный, эмпирический or направлять. Рациональные индексы основаны на расчетах с использованием уравнения теплового баланса; эмпирические индексы основаны на установлении уравнений физиологических реакций людей (например, потери пота); а прямые индексы основаны на измерении (обычно температуры) приборами, используемыми для имитации реакции человеческого тела. Наиболее важные и широко используемые индексы теплового стресса описаны ниже.

Рациональные индексы

Индекс теплового стресса (HSI)

Индекс теплового стресса – это отношение испарения, необходимого для поддержания теплового баланса (E_REQ) к максимальному испарению, которого можно было бы достичь в окружающей среде (E_Макс), выраженное в процентах (Белдинг и Хэтч, 1955). Уравнения представлены в таблице 1.

Таблица 1. Уравнения, используемые для расчета индекса теплового стресса (HSI) и допустимого времени воздействия (AET)

где: M = метаболическая мощность; = температура воздуха; = температура излучения; = парциальное давление пара;  v = скорость воздуха 

Ассоциация HSI в качестве индекса, таким образом, связан с напряжением, главным образом с точки зрения потоотделения тела, для значений от 0 до 100. HSI = 100, требуемое испарение является максимальным, которого можно достичь, и, таким образом, представляет собой верхний предел нормативной зоны. За HSI>100, имеет место запасание тепла телом, и допустимое время воздействия рассчитывается исходя из повышения внутренней температуры на 1.8 ºC (накопление тепла 264 кДж). За HSI0 наблюдается легкое переохлаждение — например, когда рабочие восстанавливаются после теплового перенапряжения (см. табл. 2).

Таблица 2. Интерпретация значений индекса теплового стресса (HSI)

Верхний предел 390 Вт/м² назначен на E_Макс (скорость потоотделения 1 л/ч, принятая за максимальную скорость потоотделения, поддерживаемая в течение 8 ч). Делаются простые предположения о влиянии одежды (рубашки с длинными рукавами и брюк), и предполагается, что температура кожи постоянна и составляет 35ºC.

Индекс термического напряжения (ITS)

Дживони (Givoni, 1963, 1976) представил индекс теплового стресса, который представлял собой улучшенную версию индекса теплового стресса. Важным улучшением является признание того, что не весь пот испаряется. (См. «I. Индекс теплового напряжения» в Практический пример: тепловые индексы.)

Требуемая скорость потоотделения

Дальнейшим теоретическим и практическим развитием HSI и ITS стала необходимая скорость потоотделения (SW_REQ) индекс (Фогт и др., 1981). Этот индекс рассчитывал потоотделение, необходимое для теплового баланса, из улучшенного уравнения теплового баланса, но, что наиболее важно, также обеспечивал практический метод интерпретации расчетов путем сравнения того, что требуется, с тем, что физиологически возможно и приемлемо для человека.

Обширные обсуждения, лабораторные и промышленные оценки (CEC 1988) этого индекса привели к тому, что он был принят в качестве международного стандарта ISO 7933 (1989b). Различия между наблюдаемой и прогнозируемой реакцией рабочих привели к включению предостерегающих примечаний относительно методов оценки обезвоживания и теплопередачи при испарении через одежду в ее принятие в качестве предлагаемого европейского стандарта (prEN-12515). (См. «II. Требуемая скорость потоотделения» в Практический пример: тепловые индексы.)

Интерпретация ПО_REQ

Эталонные значения — с точки зрения того, что приемлемо или чего люди могут достичь, — используются для практической интерпретации расчетных значений (см. таблицу 3).

Таблица 3. Справочные значения для критериев термического напряжения и деформации (ISO 7933, 1989b)

Во-первых, прогноз влажности кожи (W_p), скорость испарения (E_p) и потоотделение (SW_p) сделаны. По существу, если то, что рассчитано в соответствии с требованиями, может быть достигнуто, то это прогнозируемые значения (например, SW_p = ЮЗ_REQ). Если они не могут быть достигнуты, можно взять максимальные значения (например, SW_p=ЮЗ_Макс). Более подробная информация представлена ​​в блок-схеме принятия решений (см. рис. 2).

Рисунок 2. Блок-схема принятия решений для  (требуемая скорость потоотделения).

Если требуемая скорость потоотделения может быть достигнута человеком и это не вызовет неприемлемой потери воды, то нет предела из-за воздействия тепла в течение 8-часовой смены. Если нет, воздействия, ограниченные по продолжительности (ДЛЕ) рассчитываются из следующего:

После появления E_p = E_REQ и SW_p = D_Макс/8, тогда ДЛЕ = 480 минут и SW_REQ может использоваться как показатель теплового стресса. Если вышеперечисленное не устраивает, то:

ДЛЭ1 = 60Q_Макс/( E_REQ –E_p)

ДЛЭ2 = 60D_Макс/SW_p

ДЛЭ меньше из ДЛЭ1 и ДЛЭ2. Более подробные сведения приведены в ISO 7933 (1989b).

Другие рациональные показатели

Ассоциация SW_REQ индекс и ISO 7933 (1989 г.) представляют собой наиболее совершенный рациональный метод, основанный на уравнении теплового баланса, и они являются крупными достижениями. С этим подходом можно сделать больше разработок; однако альтернативным подходом является использование тепловой модели. По сути, Новая эффективная температура (ET*) и Стандартная эффективная температура (SET) представляют собой показатели, основанные на двухузловой модели терморегуляции человека (Nishi and Gagge, 1977). Дживони и Голдман (1972, 1973) также предложили модели эмпирического прогнозирования для оценки теплового стресса.

Эмпирические показатели

Эффективная температура и скорректированная эффективная температура

Индекс эффективной температуры (Хоутон и Яглоу, 1923 г.) был первоначально создан для определения относительного влияния температуры и влажности воздуха на комфорт. Трое испытуемых определяли, какая из двух климатических камер теплее, проходя между ними. По различным сочетаниям температуры и влажности воздуха (а позже и других параметров) были определены линии равной комфортности. Были сделаны немедленные оттиски, поэтому временная реакция была записана. Это привело к переоценке влияния влажности при низких температурах и недооценке его при высоких температурах (по сравнению со стационарными откликами). Хотя изначально это был индекс комфорта, использование температуры черного шара вместо температуры сухого термометра в номограммах ET позволило получить скорректированную эффективную температуру (CET) (Бедфорд, 1940). Исследование, проведенное Макферсоном (1960), показало, что СЕТ предсказывает физиологические эффекты повышения средней радиационной температуры. ET и CET в настоящее время редко используются в качестве индексов комфорта, но использовались в качестве индексов теплового стресса. Бедфорд (1940) предложил CET в качестве показателя тепла с верхним пределом 34ºC для «разумной эффективности» и 38.6ºC для переносимости. Однако дальнейшее исследование показало, что ET имеет серьезные недостатки для использования в качестве индекса теплового стресса, что привело к индексу прогнозируемой четырехчасовой скорости потоотделения (P4SR).

Прогнозируемый уровень потоотделения за четыре часа

Индекс прогнозируемой четырехчасовой нормы потоотделения (P4SR) был установлен в Лондоне McArdle et al. (1947) и оценены в Сингапуре за 7 лет работы, обобщенной Макферсоном (1960). Это количество пота, выделяемого здоровыми, акклиматизированными молодыми людьми, подвергавшимися воздействию окружающей среды в течение 4 часов при заряжании орудий боеприпасами во время морского боя. Единственное число (значение индекса), которое обобщает влияние шести основных параметров, представляет собой количество пота в конкретной популяции, но его следует использовать как значение индекса, а не как показатель количества пота в отдельной группе людей. интерес.

Было признано, что за пределами предписывающей зоны (например, P4SR>5 л) уровень потоотделения не был хорошим показателем напряжения. Номограммы P4SR (рис. 3) были скорректированы, чтобы учесть это. P4SR оказался полезным в тех условиях, для которых он был получен; однако влияние одежды чрезмерно упрощено, и это наиболее полезно в качестве индекса накопления тепла. Макардл и др. (1947) предложили P4SR 4.5 л в качестве предела, при котором не происходит инвалидизации здоровых, акклиматизированных молодых людей.

Рисунок 3. Номограмма для прогноза «прогнозируемой 4-часовой скорости потоотделения» (P4SR).

Прогноз сердечного ритма как индекс

Fuller и Brouha (1966) предложили простой индекс, основанный на предсказании частоты сердечных сокращений (ЧСС) в ударах в минуту. Зависимость, изначально сформулированная со скоростью метаболизма в БТЕ/ч и парциальным давлением паров в мм рт.ст., обеспечивала простой прогноз частоты сердечных сокращений по (T + p), следовательно T + p индекса.

Дживони и Голдман (1973) также приводят уравнения для изменения частоты сердечных сокращений во времени, а также поправки на степень акклиматизации испытуемых, которые приведены в Тематическое исследование "Индексы тепла" под «IV. Частота сердцебиения".

Способ работы и восстановления ЧСС описан NIOSH (1986) (из Brouha 1960 и Fuller and Smith 1980, 1981). Температура тела и частота пульса измеряются во время восстановления после рабочего цикла или в определенное время в течение рабочего дня. В конце рабочего цикла рабочий садится на табурет, измеряется оральная температура и регистрируются следующие три частоты пульса:

P₁— частота пульса подсчитывается от 30 секунд до 1 минуты

P₂— частота пульса подсчитывается от 1.5 до 2 мин.

P₃— частота пульса подсчитывается от 2.5 до 3 мин.

Окончательным критерием с точки зрения теплового напряжения является температура полости рта 37.5 ºC.

If P₃≤90 ударов в минуту и P₃–P₁ = 10 ударов в минуту, это указывает на высокий уровень работы, но небольшое повышение температуры тела. Если P₃>90 ударов в минуту и P₃–P₁10 ударов в минуту, стресс (тепло + работа) слишком высок, и необходимы действия по изменению дизайна работы.

Фогт и др. (1981) и ISO 9886 (1992) предлагают модель (таблица 4), использующую частоту сердечных сокращений для оценки температурных условий:

Таблица 4. Модель, использующая частоту сердечных сокращений для оценки теплового стресса

На основании Vogt et al. (1981) и ИСО 9886 (1992).

Компонент термической деформации (возможный индекс теплового напряжения) можно рассчитать по формуле:

HR_t = HR_r–HR₀

в котором HR_r частота сердечных сокращений после выздоровления и HR₀ это частота сердечных сокращений в состоянии покоя в термически нейтральной среде.

Индексы прямого теплового стресса

Индекс температуры влажного шарика земного шара

Индекс температуры по влажному термометру (WBGT) на сегодняшний день является наиболее широко используемым во всем мире. Он был разработан ВМС США при расследовании тепловых потерь во время тренировок (Яглоу и Минард, 1957) как приближение к более громоздкому методу скорректированной эффективной температуры (CET), модифицированному для учета способности поглощения солнечного света зеленой военной одеждой.

Предельные значения WBGT использовались для указания того, когда новобранцы могут тренироваться. Было обнаружено, что потери тепла и время, потерянное из-за прекращения тренировок в жару, были уменьшены за счет использования индекса WBGT вместо одной только температуры воздуха. Индекс WBGT был принят NIOSH (1972 г.), ACGIH (1990 г.) и ISO 7243 (1989a) и предлагается до сих пор. ISO 7243 (1989a), основанный на показателе WBGT, предлагает метод, который легко использовать в жарких условиях для обеспечения «быстрой» диагностики. Спецификация измерительных приборов приведена в стандарте, как и предельные значения WBGT для акклиматизированных или неакклиматизированных лиц (см. таблицу 5). Например, для отдыхающего акклиматизированного человека в 0.6 clo предельное значение составляет 33ºC WBGT. Пределы, указанные в ISO 7243 (1989a) и NIOSH 1972, почти идентичны. Расчет индекса WBGT приведен в разделе V сопроводительного документа. Тематическое исследование: тепловые индексы.

Таблица 5. Эталонные значения WBGT из ISO 7243 (1989a)

Примечание: Приведенные значения были установлены с учетом максимальной ректальной температуры 38°C для соответствующих лиц.

Простота индекса и его использование влиятельными органами привели к его широкому распространению. Как и все прямые индексы, он имеет ограничения при использовании для имитации реакции человека, и его следует использовать с осторожностью в практических приложениях. Можно купить портативные приборы, определяющие индекс WBGT (например, Olesen 1985).

Предел физиологического теплового воздействия (PHEL)

Dasler (1974, 1977) приводит предельные значения WBGT, основанные на предсказании превышения любых двух физиологических пределов (на основании экспериментальных данных) недопустимого напряжения. Пределы устанавливаются:

ФЕЛ=(17.25 × 10⁸-12.97M× 10⁶+18.61M² × 10³) ×ВБГТ^-5.36

Таким образом, в этом индексе используется прямой индекс WBGT в экологически ориентированной зоне (см. рис. 4), где может происходить аккумулирование тепла.

Индекс температуры влажного земного шара (WGT)

Температуру влажного черного шара подходящего размера можно использовать как показатель теплового стресса. Принцип заключается в том, что на него влияет как сухой, так и испарительный теплообмен, как и потеющий человек, и затем температуру можно использовать с опытом в качестве индекса теплового стресса. Олесен (1985) описывает WGT как температуру черного шара диаметром 2.5 дюйма (63.5 мм), покрытого влажной черной тканью. Температуру считывают, когда равновесие достигается примерно через 10-15 минут воздействия. NIOSH (1986) описывает Botsball (Botsford 1971) как самый простой и легко читаемый инструмент. Это 3-дюймовая (76.2 мм) медная сфера, покрытая черной тканью, сохраняющая 100% влажность из резервуара с самоподпитывающейся водой. Чувствительный элемент термометра расположен в центре сферы, а температура считывается на циферблате (с цветовой кодировкой).

Простое уравнение, связывающее WGT с WBGT:

ВБГТ = WGT + 2 ºС

для условий умеренного лучистого тепла и влажности (NIOSH 1986), но, конечно, это соотношение не может сохраняться в широком диапазоне условий.

Оксфордский индекс

Линд (1957) предложил простой, прямой индекс, используемый для теплового воздействия, ограниченного хранением, и основанный на взвешенном суммировании температуры влажного термометра при аспирации (T_wb) и температура сухого термометра (T_db):

WD = 0.85 T_wb + 0.15 T_db

Допустимое время воздействия для горноспасательных бригад было основано на этом показателе. Он широко применим, но не подходит там, где имеется значительное тепловое излучение.

Методы работы в жаркой среде

NIOSH (1986) дает исчерпывающее описание методов работы в жарких условиях, включая профилактическую медицинскую практику. Предложение по медицинскому наблюдению за лицами, подвергающимися воздействию горячей или холодной окружающей среды, содержится в ISO CD 12894 (1993). Всегда следует помнить, что это основное право человека, которое было подтверждено в 1985 г. Хельсинкская декларация, что, когда это возможно, люди могут выйти из любой экстремальной среды без необходимости объяснения. Там, где воздействие действительно имеет место, определенные методы работы значительно повысят безопасность.

Разумный принцип экологической эргономики и промышленной гигиены состоит в том, что, по возможности, экологический стресс должен быть уменьшен в источнике. NIOSH (1986) делит методы контроля на пять типов. Они представлены в таблице 6.

Таблица 6. Методы работы в жарких условиях

Источник: НИОТШ, 1986 г.

Было проведено большое количество военных исследований так называемой одежды для защиты от ядерного, биологического и химического оружия. В жарких условиях невозможно снять одежду, и здесь очень важны методы работы. Аналогичная проблема возникает у работников атомных электростанций. Методы быстрого охлаждения рабочих, чтобы они могли снова работать, включают протирание внешней поверхности одежды водой и обдувание ее сухим воздухом. Другие методы включают активные охлаждающие устройства и методы охлаждения локальных участков тела. Перенос технологии военной одежды в промышленные условия является новым нововведением, но многое известно, и соответствующие методы работы могут значительно снизить риск.

Таблица 7. Уравнения, использованные при расчете индекса и методе оценки по ISO 7933 (1989b)

для естественной конвекции

or  , для приближения или когда значения выходят за пределы, для которых было получено уравнение.

____________________________________________________________________________________

Таблица 8. Описание терминов, используемых в ISO 7933 (1989b)

ND = безразмерный.

Методы работы в жаркой среде

NIOSH (1986) дает исчерпывающее описание методов работы в жарких условиях, включая профилактическую медицинскую практику. Предложение по медицинскому наблюдению за лицами, подвергающимися воздействию горячей или холодной окружающей среды, содержится в ISO CD 12894 (1993). Всегда следует помнить, что это основное право человека, которое было подтверждено в 1985 г.Хельсинкская декларация, что, когда это возможно, люди могут выйти из любой экстремальной среды без необходимости объяснения. Там, где воздействие действительно имеет место, определенные методы работы значительно повысят безопасность.

Разумный принцип экологической эргономики и промышленной гигиены состоит в том, что, по возможности, экологический стресс должен быть уменьшен в источнике. NIOSH (1986) делит методы контроля на пять типов. Они представлены в таблице 7. Было проведено большое количество военных исследований так называемой защитной одежды NBC (ядерного, биологического, химического оружия). В жарких условиях невозможно снять одежду, и здесь очень важны методы работы. Аналогичная проблема возникает у работников атомных электростанций. Методы быстрого охлаждения рабочих, чтобы они могли снова работать, включают протирание внешней поверхности одежды водой и обдувание ее сухим воздухом. Другие методы включают активные охлаждающие устройства и методы охлаждения локальных участков тела. Перенос технологии военной одежды в промышленные условия является новым нововведением, но многое известно, и соответствующие методы работы могут значительно снизить риск.

Оценка горячей среды с использованием стандартов ISO

Следующий гипотетический пример демонстрирует, как можно использовать стандарты ISO при оценке жарких сред (Parsons 1993):

Рабочие на сталелитейном заводе выполняют работу в четыре этапа. Они надевают одежду и выполняют легкую работу в течение 1 часа в жарком лучистом помещении. Они отдыхают в течение 1 часа, затем выполняют ту же легкую работу в течение часа, защищаясь от лучистого тепла. Затем они выполняют работу, связанную с умеренным уровнем физической активности, в жаркой лучистой среде в течение 30 минут.

ISO 7243 предоставляет простой метод мониторинга окружающей среды с использованием индекса WBGT. Если рассчитанные уровни WBGT меньше контрольных значений WBGT, указанных в стандарте, то никаких дальнейших действий не требуется. Если уровни превышают контрольные значения (таблица 6), то необходимо снизить нагрузку на рабочих. Это может быть достигнуто с помощью технических средств контроля и методов работы. Дополнительным или альтернативным действием является проведение аналитической оценки в соответствии с ISO 7933.

Значения WBGT для работы представлены в таблице 9 и были измерены в соответствии со спецификациями, приведенными в ISO 7243 и ISO 7726. Окружающие и личные факторы, относящиеся к четырем этапам работы, представлены в таблице 10.

Таблица 9. Значения WBGT (°C) для четырех рабочих фаз

Таблица 10. Основные данные для аналитической оценки с использованием ISO 7933

Видно, что для части работы значения WBGT превышают эталонные значения. Делается вывод о необходимости более детального анализа.

Метод аналитической оценки, представленный в ISO 7933, был выполнен с использованием данных, представленных в таблице 10, и компьютерной программы, указанной в приложении к стандарту. Результаты для акклиматизированных рабочих по уровню тревоги представлены в таблице 11.

Таблица 11. Аналитическая оценка с использованием ISO 7933

Таким образом, общая оценка предсказывает, что неакклиматизированные рабочие, пригодные для работы, могут выполнять 8-часовую смену, не подвергаясь неприемлемому (тепловому) физиологическому напряжению. Если требуется большая точность или необходимо оценить отдельных рабочих, то ISO 8996 и ISO 9920 предоставят подробную информацию о метаболическом производстве тепла и изоляции одежды. ISO 9886 описывает методы измерения физиологической нагрузки на рабочих и может использоваться для проектирования и оценки условий труда для конкретных рабочих. В этом примере интерес представляют средняя температура кожи, внутренняя температура тела, частота сердечных сокращений и потеря массы тела. ISO CD 12894 содержит руководство по медицинскому наблюдению за расследованием.

Назад