Ocena klimatycznych warunków pracy górników

Słowa kluczowe

Klimat-komfort cieplny-dyskomfort cieplny-klimatyczne warunki pracy

Streszczenie

W referacie podano metodę oceny warunków klimatycznych w kopalni w oparciu o wskaźnik dyskomfortu cieplnego
. Wskaźnik dyskomfortu cieplnego jest liczbą bezwy­miarową, zależną jednocześnie od wielu czynników, do jakich trzeba zaliczyć: parametry mikroklimatu, wydatek energetyczny pracownika, ubiór, aklimatyzację. Zaproponowano podział warunków klimatycznych w miejscach pracy, ze względu na bezpieczeństwo termiczne organizmu, na: komfortowe warunki klimatyczne (
= 0), niebezpieczne warunki klimatyczne (
≥ 1), bezpieczne warunki klimatyczne (0 <
< 1). Warunki klimatyczne bezpieczne podzielono na korzystne, zadowalające, trudne i bardzo trudne. Przedstawiono graficzny (nomogramy) i komputerowy sposób wyznaczania wskaźnika dyskomfortu ciepl­nego.

1. Klimatyczne warunki pracy

Klimatyczne warunki pracy w przodkach górniczych lub innych środowiskach zależą od parametrów fizycznych powietrza i otoczenia, czyli od mikroklimatu, a także od rodzaju i intensywności pracy pracowników, ich aklimatyzacji oraz oporu cieplnego odzieży.

Do parametrów fizycznych powietrza należą: temperatura, wilgotność i prędkość przepływu powietrza. Parametrem otoczenia jest średnia temperatura promieniowania cieplnego powie­rzchni środowiska. W przodku górniczym będą to powierzchnie skał, obudowy, maszyn i urządzeń. Ponieważ w przodkach górniczych temperatury powierzchni otaczających ścian są równe temperaturze powietrza lub niewiele się od niej różnią, przyjęto, że średnia temperatura promieniowania otoczenia jest w tych środowiskach równa temperaturze po­wietrza.

Pracę, jej rodzaj i intensywność, wyrazić można wielkością zwaną wydatkiem energetycznym pracownika. Wydatek energetyczny jest to ilość ciepła metabolizmu, które organizm ludzki musi wydzielić do środowiska (powietrza i otaczających powierzchni), aby utrzymać stałą temperaturę wewnętrzną ciała. W literaturze (Fanger 1974; Spioch 1993) są podane wydatki energetyczne pracowników, również górników, wykonujących różnego rodzaju prace fizyczne. Według normy PN-85/N-08011 przyjęto średnie wartości wydatków energetycznych w zależności od ciężkości pracy:

M = 65 W/m² - odpoczynek,

M = 100 W/m² - praca lekka,

M = 165 W/m² - praca umiarkowana,

M = 230 W/m² - praca ciężka.

Tabela 1 przedstawia wielkości wydatków energetycznych odpowiadających niektórym pracom wg normy PN- 85/N-08011. Wydatki energetyczne podane są w watach na metr kwadratowy powierzchni ciała ludzkiego. Za średnią powierzchnię ciała dorosłego człowieka przyjmuje się wielkość 1,8 m².

Tabela 1. Klasyfikacja poziomów metabolizmu - wydatków energetycznych, wg PN-85/N-08011

Rodzaj pracy	Zakres przyrostu metabolizmu i wydatku energetycznego w odniesieniu do jednostki powierzchni skóry M [W/m.^2]	Wartość średnia przyrostu metabolizmu (wydatku energetycznego) M [W/m^2]	Przykłady
Wypoczynek	M < 65	65	Wypoczynek
Praca lekka	65 < M < 130	100	Pozycja siedząca - lekka praca ręczna Pozycja stojąca - frezowanie, skręcanie drobnej armatury, chodzenie z prędkością 3,5 km/h
Praca umiarkowana	130 < M < 200	165	Praca wykonywana dłońmi i rękoma z napięciem mięśni - manewrowanie ciężarówką, łączenie pojazdów, tynkowanie, manipulowanie materiałami o średnim ciężarze, popychanie i ciągnięcie lekkich wózków, chodzenie z prędkością 3,5÷5,5 km/h
Praca ciężka	200 < M < 260	230	Intensywna praca rąk i korpusu - transportowanie ciężkich materiałów, struganie , piłowanie, kopanie, szuflowanie, chodzenie z prędkością 5,5÷7,0 km/h
Praca bardzo ciężka	M > 260	290	Bardzo intensywna praca wykonywana w tempie bliskim maksymalnemu

Odzież reprezentuje parametr zwany oporem cieplnym odzieży I_cl, określany w jed­nostkach [clo]. Według normy PN-85/N-08011 opór cieplny odzieży przyjmuje następujące wartości:

I_cl = 0 - człowiek nie ubrany,

I_cl = 0,6 clo - koszula z krótkimi rękawami, długie spodnie,

I_cl = 1 clo - koszula flanelowa z długimi rękawami, długie spodnie, bluza robocza.

W analizie warunków klimatycznych pracy rozróżnia się pojęcia: pracownik niezaaklimatyzowany i zaaklimatyzowany. Przyjmuje się, że pracownikiem zaaklimatyzowanym jest taki człowiek, który pracuje w danym ciepłym mikroklimacie środowiska około 2 tygodni.

Klimatyczne warunki pracy zależne od wyżej przedstawionych parametrów pod­stawowych środowiska, pracy człowieka, odzieży itp., określają wskaźniki. Do naj­ważniejszych stosowanych dotychczas wskaźników warunków klimatycznych należą HSI (Heat Stress Index) wg Beldinga-Hatcha, P4SR (Predicted 4-th Sweat Rates) wg McArdlego (Belding, Hatch 1955; Wenzel, Piekarski 1984) oraz wartości odniesienia wskaźnika WBGT według normy PN-85/N-08011. Dwa pierwsze wskaźniki określają stan obciążenia termicznego organizmu ludzkiego, czyli klimatyczne warunki pracy człowieka, ze względu na ilość wydzielonego potu. Wartości odniesienia wskaźnika WBGT są wartościami granicznymi dla danego mikroklimatu, rodzaju pracy człowieka. ubioru i aklimatyzacji, których osiągnięcie lub przekroczenie może spowodować wzrost temperatury wewnętrznej ciała ludzkiego powyżej 38°C, co jest dla człowieka nie­bezpieczne. W tabeli 2 zamieszczono wartości odniesienia wskaźnika WBGT wg normy PN-85/N-08011, dla ludzi ubranych (I_cl = 0,6 clo) w zależności od wydatku energetycznego i aklimatyzacji. Dla ludzi nie ubranych (I_cl = 0), wartości odniesienia wskaźnika WBGT należy powiększyć o 2°C. Wskaźnikiem warunków klimatycznych jest również wskaźnik dyskomfortu cieplnego (Drenda 1993; Drenda 1996) oparty na wynikach pracy Fangera nad komfortem cieplnym (Fanger 1974) oraz uwzględniający wartości odniesienia wskaźnika WBGT.

Tabela 2. Wartości odniesienia wskaźnika obciążenia termicznego WBGT dla ludzi ubranych I_cl = 0,6 clo (koszula z krótkimi rękawami, spodnie) w zależności od rodzaju pracy i stopnia aklimatyzacji

Rodzaj pracy	Przyrost metabolizmu w odniesieniu do powierzchni skóry M [M/m^2]	Wartość odniesienia WBGT
				osoba zaaklimatyzowana w środowisku gorącym WBGT [°C]		osoba nie zaaklimatyzowana w środowisku gorącym WBGT [°C]
Odpoczynek	M ≤ 65	33			32
Praca lekka	65 < M < 130	30			29
Praca umiarkowana	130 < M < 200	28			26
Praca ciężka	200 < M < 260	Ruch powietrza		Ruch powietrza
				nieodczuwalny	odczuwalny	nieodczuwalny	odczuwalny
				25	26	22	23
Praca bardzo ciężka	M > 260	23	25	18	20

W przypadku innego zestawu odzieży wartości odniesienia wskaźnika WBGT ulegają zmianie:

1) szorty (I_cl = 0) +2°C,

2) marynarka (I_cl = 1 clo) -2°C.

2. Komfort i dyskomfort cieplny w miejscach pracy

Problem komfortu cieplnego w środowiskach przebywania człowieka (praca i wypoczynek) rozwiązał Fanger. Przedstawił on, w oparciu o bilans cieplny organizmu ludzkiego, równanie komfortu cieplnego, a na jego podstawie, wykresy komfortu cieplnego (Fanger 1974). Na rysunku 1 pokazano krzywą komfortu cieplnego Fangera (krzywa "k") w układzie współ­rzędnych temperatur powietrza mierzonych psychrometrem aspiracyjnym (temperatura ter­mometru suchego t_s i temperatura termometru wilgotnego t_w). Przyjęto następujące założenia: człowiek nie ubrany, wydatek energetyczny M = 165 W/m², prędkość przepływu powietrza w = 1 m/s oraz temperatura powietrza jest równa średniej temperaturze promieniowania otoczenia. Parametrem na wykresie Fangera jest wilgotność względna powietrza
pokazana w postaci izolinii, które zostały potraktowane jako linie proste. Jeżeli parametry mikroklimatu w środowisku pracy wyznaczają na wykresie (rys. 1) punkt B, który leży na krzywej komfortu cieplnego Fangera, to w tym środowisku panuje komfort cieplny. Punkt A natomiast, leżący poza krzywą komfortu cieplnego, wskazuje na dyskomfort cieplny. Środowisko będzie odczuwane jako zbyt ciepłe, gdy punkt A leży na prawo od krzywej komfortu cieplnego lub zbyt chłodne, gdy na lewo.

Rys. 1. Powierzchnie bezpiecznego i niebezpiecznego dyskomfortu cieplnego dla człowieka w układzie współrzędnych (t_s, t_w). Wydatek energetyczny M = 165 W/m², człowiek nie ubrany, nie zaaklimatyzowany, temperatura powietrza równa średniej temperaturze promieniowania otoczenia

Powstaje więc pytanie, jaka jest granica pracy lub przebywania człowieka w danym środowisku pod względem bezpieczeństwa termicznego. Pod uwagę wzięto jedynie środowiska ciepłe, w których możliwości obrony organizmu ludzkiego przed wysoką temperaturą są ograniczone. Odpowiedź na pytanie granicznych warunków klimatycznych dla organizmu człowieka dały wartości odniesienia wskaźnika WBGT, gwarantujące nie przekroczenie temperatury wewnętrznej człowieka 38°C, a więc, według fizjologów, temperatury bezpiecznej (PN-85/N-08011 ).

WBGT jest wskaźnikiem określającym mikroklimat i zależnym od temperatury powietrza, wilgotności, prędkości przepływu i średniej temperatury promieniowania otoczenia. Wskaźnik WBGT wyznaczyć można na podstawie pomiarów dwóch parametrów pośrednich mikro­klimatu, a mianowicie: temperatury naturalnego termometru wilgotnego oraz temperatury czarnej kuli:

(2.1)

gdzie: t_wn - temperatura naturalna termometru wilgotnego,

t_g - temperatura czarnej kuli (termometru globalnego).

Chcąc graficznie przedstawić granicę dyskomfortu cieplnego bezpiecznego dla zdrowia w układzie współrzędnych temperatur psychrometrycznych (t_s, t_w), czyli na wykresie Fangera, przyjęto założenie, że wartości odniesienia wskaźnika WBGT są równe granicznym war­tościom efektywnej temperatury amerykańskiej.

WBGTodniesienia = ETgraniczne (2.2)

gdzie: WBGTodniesienia - wartości odniesienia wskaźnika WBGT,

ETgraniczne - wartości graniczne efektywnej temperatury amerykańskiej.

W warunkach powietrza nasyconego i nieruchomego oraz przy założeniu, że temperatura powietrza jest równa średniej temperaturze promieniowania otoczenia, obydwa powyższe wskaźniki dają tę samą wartość. Z tego też powodu można przyrównać wartości odniesienia wskaźnika WBGT z wartościami granicznymi ET.

Równanie (2.2) pozwoliło wykreślić, w układzie współrzędnych (t_s, t_w), izolinię efektywnej temperatury amerykańskiej ETgran. = 28°C, której wartość jest równa wartości odniesienia wskaźnika WBGT dla ludzi nie ubranych, nie zaaklimatyzowanych i pracy umiarkowanej, (krzywa g - rys. 1). Izolinie ETgran. nazwano krzywymi granicznymi dyskomfortu cieplnego. Wartości granicznej efektywnej temperatury amerykańskiej dobiera się z tabeli 2 znając wydatek energetyczny, opór cieplny odzieży i aklimatyzację pracownika. Przebiegi izolinii efektywnej temperatury amerykańskiej ET są zbliżone do linii prostych (Weuthen 1971; Drenda 1993).

Jak widać na rysunku 1, przebieg izolinii ETgran. jest ograniczony wilgotnością powietrza
= 20%. Dla mniejszych wilgotności granica bezpiecznego dyskomfortu cieplnego została pokazana jako odcinek pionowy odpowiadający stałej temperaturze termometru suchego. Założenie to zostało przyjęte na podstawie badań Wenzla (Wenzel i in. 1989), który wykazał, że w warunkach bardzo małej wilgotności powietrza przyrost temperatury wewnętrznej organizmu człowieka powyżej 38°C może wystąpić przy mniejszych wartościach wskaźnika WBGT niż przyjęte wartości odniesienia.

Na rysunku 1 można rozpatrywać obszary bezpiecznych i niebezpiecznych warunków klimatycznych. Obszar odpowiadający parametrom mikroklimatu, zawarty pomiędzy krzywą komfortu cieplnego Fangera a krzywą (prostą) granicznego dyskomfortu cieplnego, jest obszarem pracy bezpiecznej dla zdrowia. Obszar na prawo od izolinii granicznej temperatury amerykańskiej oznacza dyskomfort gorący, niebezpieczny dla zdrowia. Obszar na lewo od krzywej komfortu Fangera charakteryzuje dyskomfort chłodny.

3. Wskaźnik dyskomfortu cieplnego

W celu przeprowadzenia analizy warunków klimatycznych w środowiskach pracy wpro­wadzono wskaźnik dyskomfortu cieplnego. Na wykresie (rys. 1) zaznaczono punkt A. którego współrzędne odpowiadają parametrom mikroklimatu. Na przecięciu się izolinii (prostej) wilgotności względnej, tej samej na której leży punkt A, z krzywą komfortu cieplnego k, zaznaczono punkt B, natomiast z izolinią efektywnej temperatury amerykańskiej granicznej g, punkt C. Wprowadzono teraz dwa wektory, a mianowicie:

wektor dyskomfortu cieplnego

wektor warunków klimatycznych

Obydwa wektory mają wspólny punkt początkowy (punkt B) oraz wspólny kierunek. Zwroty wektorów
i
są zgodne, gdy punkt A leży na prawo od krzywej komfortu cieplnego, lub przeciwne, gdy punkt A leży na lewo od krzywej komfortu cieplnego.

Współrzędne wektorów
i
wynoszą:

(t_sA - t_sB, t_wA - t_wB) (3.1)

(t_sC - t_sB; t_wC - t_wB) (3.2)

Wskaźnikiem dyskomfortu cieplnego jest stosunek współrzędnych wektorów warunków klimatycznych i dyskomfortu cieplnego.

(3.3)

Jak wynika z definicji wskaźnika dyskomfortu cieplnego (3.3), wskaźnik może przybierać wartości dodatnie, ujemne oraz być równy zeru. Gdy
> 0 punkt A leży na prawo od krzywej komfortu cieplnego. Stan ten odpowiada środowiskom ciepłym. Gdy
= 0. w środowisku występuje komfort cieplny. Punkt A pokrywa się z punktem B. Gdy
< 0, punkt A leży na lewo od krzywej komfortu. Mamy wtedy do czynienia ze środowiskiem chłodnym. Jeżeli punkt A leży na granicznej izolinii dyskomfortu cieplnego, czyli pokrywa się z punktem C, wskaźnik dyskomfortu cieplnego jest równy jedności. Oznacza to granicę bezpiecznej pracy w środowiskach ciepłych.

Analizę warunków klimatycznych w środowiskach pracy ze względu na wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego można przeprowadzić następująco:

< 0 środowisko chłodne,

= 0 komfort cieplny,

> 0 środowisko ciepłe,

0 <
< 1 dyskomfort cieplny bezpieczny dla zdrowia,

≥ 1 dyskomfort cieplny niebezpieczny dla zdrowia - praca w takich środowiskach powinna być zabroniona.

Przedział wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego (0÷1), charakteryzujący warunki bezpieczne dla zdrowia, został podzielony na mniejsze części, aby precyzyjniej ocenić środowiska ciepłe, w których praca jest dozwolona. Wprowadzono więc następujący podział:

0 <
< 0,2 - korzystne warunki klimatyczne,

0,2 ≤
< 0,5 - zadowalające warunki klimatyczne,

0,5 ≤
< 0,8 - trudne warunki klimatyczne,

0,8 ≤
< 1 - bardzo trudne warunki klimatyczne.

Człowiek powinien pracować w warunkach komfortu cieplnego. Jeżeli tego stanu nie da się zapewnić, dążyć należy do tego, aby warunki klimatyczne były co najmniej zadowalające. Z tego też powodu w środowiskach, w których występują trudne i bardzo trudne warunki klimatyczne, czyli wskaźnik dyskomfortu cieplnego jest większy od 0,5, należy stosować środki poprawy warunków klimatycznych.

Wskaźnik dyskomfortu cieplnego zależy w dużym stopniu od wydatku energetycznego pracownika, czyli od rodzaju i intensywności pracy. Warunki klimatyczne w przodku o stałym mikroklimacie dla ludzi wykonujących różnego rodzaju prace będą inne, gdyż inna będzie wartość wskaźnika dyskomfortu cieplnego. Znajomość średniego wydatku energetycznego ludzi pracujących w przodku jest bardzo ważnym parametrem dla prawidłowej oceny warunków klimatycznych i bezpieczeństwa termicznego człowieka.

4. Wyznaczenie wskaźnika dyskomfortu cieplnego

Wskaźnik dyskomfortu cieplnego charakteryzujący warunki klimatyczne zależy od wielu parametrów. Dla jego wyznaczenia wykonano nomogramy (Drenda 1993) oraz program komputerowy o nazwie WDC - wskaźnik dyskomfortu cieplnego (Drenda, Gumiński 1995). Nomogramy pozwalają odczytać wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego dla ludzi nie ubranych oraz środowisk, w których temperatura powietrza jest równa średniej temperaturze promieniowania. Sporządzone są one dla stałych wilgotności względnych powietrza
. W niniejszym referacie zamieszczono trzy nomogramy dla wilgotności
= 60%,
= 80% i
= 100%. Takie wilgotności powietrza są najczęściej spotykane w kopalniach węgla.

Nomogram (rys. 3) składa się z czterech części podobnych do czterech ćwiartek układu współ­rzędnych. W ćwiartce I zamieszczony jest wykres (i, x) Molliera, z którego na podstawie pomierzonych wartości temperatury suchej i wilgotnej powietrza możemy określić wilgotność względną
i wybrać odpowiedni nomogram. W ćwiartce II przedstawione są

izolinie prędkości powietrza w przedziale od 0 do 3 m/s. Na osi poziomej znajduje się temperatura efektywna amerykańska, którą dodatkowo z tego nomogramu można wyznaczyć. Trzecia ćwiartka zawiera izolinie wydatku energetycznego człowieka, dla odpoczynku (65 W/m²), pracy lekkiej (100 W/ m²), umiarkowanej (165 W/ m²) i ciężkiej (230 W/ m²). Izolinie wydatku energetycznego wyznaczone są dla ludzi nie zaaklimatyzowanych (linie ciągłe) i zaaklimatyzowanych (linie przerywane). W czwartej ćwiartce na osi poziomej znajdują się wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego.

Korzystanie z nomogramów jest następujące. Znając z pomiarów psychrometrycznych temperatury powietrza t_s i t_w (punkt A, rys. 3), z pierwszej ćwiartki nomogramu odczytujemy wilgotność powietrza
i dobieramy właściwy nomogram. Następnie z punktu A' leżącego na osi temperatury powietrza t_s, poruszając się po odnoszącej poziomej do odpowiedniej izolinii prędkości powietrza, zaznaczamy punkt B. Z punktu B, prowadząc odnoszącą pionową, odczytujemy wartość efektywnej temperatury amerykańskiej na osi poziomej, i idąc dalej w dół, dochodzimy do punktu C na izolinii wydatku energetycznego dla ludzi zaaklimatyzowanych. Wskaźnik dyskomfortu cieplnego odczytujemy w czwartej ćwiartce, prowadząc z punktu C odnoszącą poziomą do przekątnej, punkt D, a następnie odnoszącą pionową do osi poziomej z wartościami wskaźnika dyskomfortu cieplnego, punkt E.

Program WDC pozwala obliczyć wskaźnik dyskomfortu cieplnego wprowadzając nastę­pujące dane: wydatek energetyczny, temperaturę powietrza, temperaturę termometru wilgot­nego, prędkość przepływu powietrza, ciśnienie atmosferyczne. Na ekranie pojawia się zarys nomogramu ograniczony do pojedynczych izolinii. W czwartej ćwiartce tego nomogramu znajdują się wartości wprowadzonych danych oraz wartości obliczonych wskaźników dys­komfortu cieplnego dla ludzi nie zaaklimatyzowanych lub zaaklimatyzowanych. Podczas obliczeń na ekranie pokazuje się tablica, która w zależności od wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego informuje, czy warunki klimatyczne są korzystne, zadowalające, trudne, bardzo trudne i niebezpieczne. W przypadku niebezpiecznych warunków klimatycznych, czyli gdy
≥ 1, słychać sygnał dźwiękowy ostrzegający o niebezpieczeństwie klimatycznym.

5. Zakończenie

Przedstawiony w referacie sposób analizy i oceny warunków klimatycznych powinien znaleźć zastosowanie w praktyce górniczej. Wskaźnik dyskomfortu cieplnego, uwzględniając wszystkie parametry wpływające na bezpieczeństwo termiczne organizmu ludzkiego, w sposób obiektywny charakteryzuje klimatyczne środowisko pracy oraz obciążenie cieplne pracownika. Umożliwia również ocenę poprawy lub pogorszenia warunków klimatycznych podczas zmiany parametrów mikroklimatu lub wydatku energetycznego pracownika. Zmiana liczbowa wskaźnika dyskomfortu cieplnego wyznaczona z obliczeń prognostycznych pozwala wybrać najbardziej efektywny sposób poprawy warunków klimatycznych.

Ważnym wnioskiem, jaki wynika z określenia wskaźnika dyskomfortu cieplnego jest psychologiczna pewność kierownika, sztygara, inżyniera, że wysyła pracowników do bezpiecznego pod względem klimatycznym miejsca pracy, gdy
< 1. W przypadku wartości wskaźnika
większego od 1 nic powinno się wysyłać w to miejsce pra­cowników.

Poprawę warunków klimatycznych w przodkach górniczych lub innych miejscach pracy osiąga się metodami technicznymi i organizacyjnymi. Do technicznych metod należą: chłodzenie, osuszanie i zwiększenie prędkości przepływu powietrza. Organizacyjną metodą poprawy warunków klimatycznych jest wprowadzenie przerw w pracy w każdej godzinie roboczodniówki. Przerwy w pracy, przeznaczone na wypoczynek, obniżają wydatek energetyczny pracownika. Zmniejsza się tym samym wskaźnik dyskomfortu cieplnego, co wskazuje poprawę warunków klimatycznych.

---