Ocena cieplnych warunków pracy w wyrobiskach kopalnianych

l. Uwagi ogólne o bilansie cieplnym organizmu człowieka

Z punktu widzenia komfortu cieplnego środowisko kopalniane charakteryzuje przede wszystkim stan powietrza. W celu określenia tego stanu wyznacza się, zwykle drogą pomiaru: temperaturę na termometrze suchym T_a, temperaturę na termometrze wilgotnym T_m, prędkość przepływu w oraz ciśnienie barometryczne p. Na podstawie wartości pomierzonych parametrów oblicza się: gęstość ρ, wilgotność właściwą x_a, prężność pary wodnej e_a, prężność pary wodnej w stanie nasycenia e_s, wilgotność względną ϕ, entalpię właściwą h i ciepło powietrza Σ. W obliczeniach wykorzystuje się tablice psychrometryczne, wykresy R. Molliera lub W. H. Carriera oraz zestawienie stałych psychrometrycznych powietrza.

Całokształt procesów biochemicznych i towarzyszących im przemian energetycznych, zachodzących w komórkach organizmów żywych nazywa się metabołizmem (przemianą materii). Energia chemiczna zawarta w substancji komórek odnawiana jest drogą przyswajania pokarmu. Bilansem wymiany materii i energii między osobnikiem a otoczeniem, a więc ogólną jakościową i ilościową przemianą metaboliczną, zajmuje się fizjologia. Fizjologia ogólna jakościowa określa skład pokarmu niezbędny do wyrównywania strat zachodzących w żywej substancji w procesach metabolicznych. Fizjologia ogólna ilościowa zajmuje się określeniem ilości energii, którą należy dostarczyć w pokarmie do organizmu w różnych warunkach. Jednym z warunków stanu równowagi cieplnej organizmu jest wyrównywanie ubytków energii przez pobrany pokarm. Parametry charakteryzujące przemianę metaboliczną pod względem ilościowym, w stanie równowagi, zależą od czynników stałych (wzrostu, wagi, płci, wieku osobnika) i zmiennych (natężenia wykonywanej pracy, regulacji ciepłoty ciała w kontakcie z otoczeniem, przetwarzania pobranego pokarmu). Efekt energetyczny przemiany metabolicznej odnosi się do 1 kg wagi człowieka lub do 1 m² powierzchni zewnętrznej organizmu. Pole powierzchni zewnętrznej ciała olicza się za pomocą wzoru empirycznego DuBoisa:

, m²

gdzie:

m - masa ciała człowieka, kg,

h - jego wysokość, m.

Po całkowitym wyłączeniu czynników zmiennych otrzymuje się przemianę podstawową (zwaną też przemianą spoczynkową). Jej efekt energetyczny u dorosłego człowieka wynosi około 1 W/kg wagi ciała. Gdy mięśnie osobnika pracują, przemiana metaboliczna jest wyższa od podstawowej. Samo utrzymywanie pozycji pionowej, wymagające stałej skoordynowanej pracy ruchowej mięśni, podwyższa przemianę o ok. 0,5 W/kg wagi. Lekkie zajęcia domowe lub zawodowe podwyższają ją o dalsze 0,5-1 W/kg. Zatem łącznie człowiek nie wykonujący pracy fizycznej zużywa 2-2,5 W/kg, co przy masie ciała 70 kg daje 12 000-15 000 kJ na dobę. Praca fizyczna podwyższa przemianę metaboliczną średnio o dalsze 2-2.5 W/kg. Podczas intensywnego krótkotrwałego (minutowego) wysiłku u osoby wykonującej bardzo ciężką pracę lub sportowca biorącego udział w zawodach przemiana może nawet dziesięciokrotnie przewyższać spoczynkowy poziom metabolizmu. Wszelkie rodzaje energii przetwarzanej w organizmie zamieniają się ostatecznie w ciepło.

Klimatem pomieszczenia (wyrobiska) nazywa się wartości liczbowe tych parametrów pomieszczenia, które mają wpływ na ilość ciepła wymienianego między organizmem ludzkim a otoczeniem oraz na sposób oddychania człowieka. Ilość ciepła przekazywana z organizmu do otoczenia nazywa się stratami cieplnymi. W celu scharakteryzowania środowiska używa się pojęcia mikroklimatu, czyli stanu warunków klimatycznych występujących w sposób naturalny lub wytworzonych sztucznie w niewielkiej przestrzeni otwartej, w pomieszczeniu lub jego części. Mikroklimat pomieszczenia ukształtowany jest przez oddziaływanie: średniej temperatury powietrza, zawartości wilgoci w powietrzu, ruchu powietrza, temperatury otaczających przedmiotów, a w pomieszczeniach znajdujących się na powierzchni takżc stopnia nasłonecznienia.

Wspólne (łączne) oddziaływanie tych czynników na organizm ludzki nazywa się cieplnymi warunkami pracy. Człowiek może przebywać i pracować w rozmaitych warunkach, charakteryzujących się różnymi wartościami podanych wyżej wielkości fizycznych. Najkorzystniejszy mikroklimat tworzy taki stan parametrów powietrza w pomieszczeniu, w którym samopoczucie człowieka jest dobre, a gospodarka cieplna jego organizmu przebiega najekonomiczniej. Stan ten osiąga się w różnych kombinacjach wzajemnych temperatury, wilgotności względnej oraz prędkości przepływu powietrza i nazywa się stanem komfortu cieplnego. W stanie komfortu cieplnego człowiek nie wymaga ani chłodniejszych, ani cieplejszych warunków otoczenia.

Z uwagi na różnice biologiczne nie ma możliwości uzyskania dobrego samopoczucia czy zadowolenia z warunków cieplnych otoczenia przez wszystkich ludzi przebywających w miejscu o danym mikroklimacie. Z tego powodu niekiedy za optymalny mikroklimat uważa się stan, w którym możliwie duży odsetek pracujących (np. 80 lub 90%) akceptuje panujące warunki cieplne.

W niektórych przypadkach naturalnych warunków pewnych stref klimatycznych, pomieszczeń zakładów produkcyjnych, a także stanowisk pracy może nastąpić naruszenie procesu odprowadzenia ciepła z organizmu do otoczenia. Stan taki, zwany dyskomfortem, może powstać wtedy, gdy produkcja ciepła przemian metabolicznych różni się od ilości ciepła, jaka w danych warunkach może być odprowadzana do otoczenia. Wyróżnia się dyskomfort

"gorący" i "zimny". W tej pracy rozważa się zagadnienia dyskomfortu "gorącego". Kształtowanie się mikroklimatu w zakładach produkcyjnych związane jest głównie ze stosowanymi procesami technologicznymi. Zależy zatem od rodzaju przemysłu i ma także związek z porą roku. Wraz ze schodzeniem eksploatacji kopalin na coraz niższe poziomy narastają trudności w utrzymaniu zadowalających cieplnych warunków pracy. Wówczas stosuje się urządzenia zapewniające intensywne przewietrzanie lub klimatyzację (kondycjonowanie powietrza), czyli regulację wartości parametrów wpływających na stan cieplnych warunków pracy. Klimatyzacja kopalń należy do klimatyzacji przemysłowych, zajmujących się zapewnieniem komfortu pracy w pomieszczeniach, w których odbywają się procesy technologiczne. Potrzeba poprawy komfortu pracy może wystąpić w przypadku konieczności zapewnienia odpowiednio wydajnej pracy [15]. Wyniki badań P. O. Fangera [12] nad zależnością między zdolnością do wykonywania pracy a warunkami cieplnymi potwierdzają wyraźną tendencję ujemną zarówno w przypadku "zimnego", jak i "gorącego" dyskomfortu.

Stanem równowagi cieplnej organizmu ludzkiego nazywa się stan, w którym w ciele nie gromadzi się ciepło. Uzyskanie tego stanu w kontakcie organizmu z otoczeniem jest warunkiem koniecznym do odczuwania komfortu cieplnego. Organizm człowieka ma możliwość uzyskania równowagi cieplnej w szerokim przedziale parametrów fizycznych pomieszczenia, pod wpływem układu termoregulacji organizmu, nawet w przypadku braku komfortu cieplnego. Na wymianę ciepła ma wpływ temperatura skóry ciała człowieka T_sk, która może być niższa, a nawet znacznie niższa, od temperatury wewnętrznej ciała. Pomiary R. P. Clarka [6] wykonane w komorze klimatycznej wykazały, że przy temperaturze otoczenia równej około 11°C temperatura skóry T_sk człowieka bez ubioru wynosi od 26 do 34°C. Przy temperaturze wilgotnej otoczenia 31°C i prędkości przepływu powietrza w = 1 m/s jest równa od 32 do 34°C. Przy nasłonecznieniu temperatura skóry podnosi się o 5 do 6°C. Średnią wartość temperatury skóry T_sk definiuje się jako średnią ważoną lokalnych temperatur pomierzonych w określonych punktach ciała.

Podstawą do sformułowania bilansu ciepła ciała jest pierwsza zasada termodynamiki, zastosowana do organizmu człowieka jako otwartego układu termodynamicznego. Zasadę tę wyrazili J. L. Monteith [20] i M. J. McPherson [18] w postaci sumy składników mających wymiar gęstości strumienia energii W/m² (czyli odniesionych do jednostki pola powierzchni ciała i do jednostki czasu), przy czym dodatnie znaki przypisywane są wartościom składników związanych z odprowadzeniem ciepła z organizmu człowieka:

M = B + C + R + E + A (2)

gdzie:

M - gęstość całkowitego strumienia ciepła metabolizmu, W/m²,

B - gęstość strumienia ciepła wymienionego z otoczeniem drogą oddychania, W/m²,

C - gęstość strumienia ciepła odbieranego z ciała człowieka drogą konwekcji, W/m²,

R - gęstość strumienia ciepła wymienianego między organizmem człowieka a otoczeniem drogą promieniowania, W/m²,

E - gęstość strumienia entalpii odbierana z ciała drogą parowania potu, W/m²,

A - gęstość strumienia ciepła gromadzonego w organizmie, W/m².

Współdziałanie mechanizmów fizykochemicznych i fizjologicznych kształtujących procesy produkcji ciepła w organizmie i wymiany z otoczeniem zapewnia praktyczną stałość temperatury wewnętrznej organizmu w różnorodnych warunkach otoczenia.

3. Modele i wskaźniki komfortu ciepła

Katatermometr i zdolność chłodnicza otoczenia (kata cooling power).

Katatermotnetr Hilla jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru natężenia chłodzenia

organizmu człowieka w danym otoczeniu. Przyrząd ten w przybliżony sposób modeluje proces wymiany ciepła między organizmem ludzkim a otoczeniem. Katatermometr jest termometrem alkoholowym z oznaczonymi temperaturami 35 i 38°C. Średnia wartość tych temperatur wynosi 36,5°C. Twórca katatermometru uważał, że wartość ta jest równa normalnej temperaturze wewnętrznej ciała ludzkiego. Obniżanie temperatury następuje przede wszystkim na skutek wymiany ciepła przez konwekcję, promieniowanie oraz przewodnictwo cieplne. W celu uwzględnienia ochłodzenia spowodowanego parowaniem potu zbiorniczek z alkoholem owija się zwilżonym w wodzie i dokładnie wyciśniętym muślinem. Ilość ciepła oddawana przez katatermometr do otoczenia podczas opadania alkoholu w granicach skali dla danego przyrządu jest wielkością stałą. Ta ilość ciepła, odprowadzona z 1 cm² zbiorniczka z alkoholem, nazywa się stałą katatermometru. Jej wartość, wyznaczona przez wzorcowanie przyrządu, wynosi około 400 do 500 mcal/(cm²s). Natężenie chłodzenia K wyrażone w katastopniach, czyli w mcal/(cm²s), oblicza się dzieląc stałą katatermometru F przez czas opadania alkoholu:

[mcal/(cm²s)] ( 14)

3. Modele i wskaźniki komfortu ciepła

Katatermometr i zdolność chłodnicza otoczenia (kata cooling power).

Katatermotnetr Hilla jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru natężenia chłodzenia

organizmu człowieka w danym otoczeniu. Przyrząd ten w przybliżony sposób modeluje proces wymiany ciepła między organizmem ludzkim a otoczeniem. Katatermometr jest termometrem alkoholowym z oznaczonymi temperaturami 35 i 38°C. Średnia wartość tych temperatur wynosi 36,5°C. Twórca katatermometru uważał, że wartość ta jest równa normalnej temperaturze wewnętrznej ciała ludzkiego. Obniżanie temperatury następuje przede wszystkim na skutek wymiany ciepła przez konwekcję, promieniowanie oraz przewodnictwo cieplne. W celu uwzględnienia ochłodzenia spowodowanego parowaniem potu zbiorniczek z alkoholem owija się zwilżonym w wodzie i dokładnie wyciśniętym muślinem. Ilość ciepła oddawana przez katatermometr do otoczenia podczas opadania alkoholu w granicach skali dla danego przyrządu jest wielkością stałą. Ta ilość ciepła, odprowadzona z 1 cm² zbiorniczka z alkoholem, nazywa się stałą katatermometru. Jej wartość, wyznaczona przez wzorcowanie przyrządu, wynosi około 400 do 500 mcal/(cm²s). Natężenie chłodzenia K wyrażone w katastopniach, czyli w mcal/(cm²s), oblicza się dzieląc stałą katatermometru F przez czas opadania alkoholu:

[mcal/(cm²s)] ( 14)

Natężenie chłodzenia wyznaczone przez pomiar katatermometrem o suchym zbiorniczku z alkoholem wyraża się w katastopniach, czyli w mcal/(cm²s). L. Hill podał związki zachodzące między natężeniem chłodzenia K_s, podanym w katastopniach oraz prędkością w powietrza i jego temperaturą T na termometrze suchym i mokrym. Katatermometr nie jest doskonałym fizycznym modelem wymiany ciepła między organizmem ludzkim a otoczeniem. Przyrząd ten ma znikomą masę i nie uwzględnia pojemności cieplnej ganizmu.

W celu przeliczenia intensywności chłodzenia wyrażonej w mcal/(cm²s) na W/m² liczbę katastopni należy pomnożyć przez stałą 41,868 (W/m²)/(mcal/cm²s). Podane wyżej wzory wyrażone są, ze względu na panującą u nas tradycję, w katastopniach (tj. w mcal/cm²s).

W celu przeliczenia ich na jednostki układu SI (tj. na W/m²) współczynniki występujące w tych równaniach należy pomnożyć przez podaną stałą.

W górnictwie złota Republiki Południowej Afryki intensywność chłodzenia ciała ludzkiego w środowisku pracy mierzono za pomocą katatermometru (kata cooling power).

Obecnie w zasadzie zrezygnowano z korzystania z wyników pomiarów wykonanych za pomocą tego przyrządu, stosując wzory empiryczne D. Mitchella i A. Whilliera [19], które, podobnie jak formuła W. S. Weeksa [30], mają składniki zależne od różnicy temperatur i od różnicy prężności pary wodnej. Jednak w pracy tej zakłada się, że temperatura skóry ciała jest stała. Przyjmuje się także pełne zawilgocenie powierzchni ciała.

Amerykańska temperatura efektywna ATE jest to liczba równa temperaturze nieruchomego i nasyconego wilgocią powietrza o takiej samej zdolności chłodzącej organizm ludzki jaką ma powietrze o zadanej temperaturze T_a [°C], wilgotności względnej ϕ oraz przy prędkości przepływu w [m/s]. Na podstawie dużej liczby doświadczeń C. P. Yaglou i F. C. Houghten [12] określili wartości temperatur efektywnych. Badane osoby przechodziły najpierw w jednym, a następnie w drugim kierunku między dwoma pomieszczeniami o różnej wilgotności powietrza dopóty, dopóki nie uznały temperatur w obu pomieszczeniach za równe sobie. Wyniki badań ujęte zostały w nomogram, którego fragment odpowiadający wysokim temperaturom powietrza przedstawia rysunek 4.

Na lewej pionowej skali naniesione zostały wskazania termometru suchego, na prawej zaś wartości temperatury wilgotnej. Poszczególne linie pęku odnoszą się do stałej prędkości powietrza. Linie przecinające pęk odpowiadają takim samym wartościom temperatury efektywnej. Ze wzrostem wilgotności powietrza temperatura efektywna zwiększa się, czyli przy niskich temperaturach odczucie chłodu zmniejsza się, a przy wysokich odczucie ciepła narasta. Można to wyjaśnić tym, że chociaż ze wzrostem wilgotności powietrza rośnie strata ciepła przez przewodzenie, to jest ona z nadmiarem skompensowana niższą stratą ciepła odprowadzonego drogą odparowania, które w powietrzu nieruchomym, o umiarkowanej lub wysokiej temperaturze odgrywa istotną rolę. Temperaturę efektywną panującą w danym środowisku można wyznaczyć jedynie pośrednio, przez pomiar temperatur na termometrze suchym i na termometrze wilgotnym oraz prędkości powietrza i naniesienie tych wartości na nomogram. Nomogram nie uwzględnia wpływu ciepła wymienionego przez organizm drogą promieniowania. Przygotowane zostały nomogramy ATE dla ludzi ubranych w szorty lub kombinezony, a także opracowano poprawki, które pozwalają uwzględnić wpływ promieniowania. Przydatność temperatury efektywnej jako uniwersalnego

Natężenie chłodzenia wyznaczone przez pomiar katatermometrem o suchym zbiorniczku z alkoholem wyraża się w katastopniach, czyli w mcal/(cm²s). L. Hill podał związki zachodzące między natężeniem chłodzenia K_s, podanym w katastopniach oraz prędkością w powietrza i jego temperaturą T na termometrze suchym i mokrym. Katatermometr nie jest doskonałym fizycznym modelem wymiany ciepła między organizmem ludzkim a otoczeniem. Przyrząd ten ma znikomą masę i nie uwzględnia pojemności cieplnej ganizmu.

W celu przeliczenia intensywności chłodzenia wyrażonej w mcal/(cm²s) na W/m² liczbę katastopni należy pomnożyć przez stałą 41,868 (W/m²)/(mcal/cm²s). Podane wyżej wzory wyrażone są, ze względu na panującą u nas tradycję, w katastopniach (tj. w mcal/cm²s).

W celu przeliczenia ich na jednostki układu SI (tj. na W/m²) współczynniki występujące w tych równaniach należy pomnożyć przez podaną stałą.

W górnictwie złota Republiki Południowej Afryki intensywność chłodzenia ciała ludzkiego w środowisku pracy mierzono za pomocą katatermometru (kata cooling power).

Obecnie w zasadzie zrezygnowano z korzystania z wyników pomiarów wykonanych za pomocą tego przyrządu, stosując wzory empiryczne D. Mitchella i A. Whilliera [19], które, podobnie jak formuła W. S. Weeksa [30], mają składniki zależne od różnicy temperatur i od różnicy prężności pary wodnej. Jednak w pracy tej zakłada się, że temperatura skóry ciała jest stała. Przyjmuje się także pełne zawilgocenie powierzchni ciała.

Amerykańska temperatura efektywna ATE jest to liczba równa temperaturze nieruchomego i nasyconego wilgocią powietrza o takiej samej zdolności chłodzącej organizm ludzki jaką ma powietrze o zadanej temperaturze T_a [°C], wilgotności względnej ϕ oraz przy prędkości przepływu w [m/s]. Na podstawie dużej liczby doświadczeń C. P. Yaglou i F. C. Houghten [12] określili wartości temperatur efektywnych. Badane osoby przechodziły najpierw w jednym, a następnie w drugim kierunku między dwoma pomieszczeniami o różnej wilgotności powietrza dopóty, dopóki nie uznały temperatur w obu pomieszczeniach za równe sobie. Wyniki badań ujęte zostały w nomogram, którego fragment odpowiadający wysokim temperaturom powietrza przedstawia rysunek 4.

Na lewej pionowej skali naniesione zostały wskazania termometru suchego, na prawej zaś wartości temperatury wilgotnej. Poszczególne linie pęku odnoszą się do stałej prędkości powietrza. Linie przecinające pęk odpowiadają takim samym wartościom temperatury efektywnej. Ze wzrostem wilgotności powietrza temperatura efektywna zwiększa się, czyli przy niskich temperaturach odczucie chłodu zmniejsza się, a przy wysokich odczucie ciepła narasta. Można to wyjaśnić tym, że chociaż ze wzrostem wilgotności powietrza rośnie strata ciepła przez przewodzenie, to jest ona z nadmiarem skompensowana niższą stratą ciepła odprowadzonego drogą odparowania, które w powietrzu nieruchomym, o umiarkowanej lub wysokiej temperaturze odgrywa istotną rolę. Temperaturę efektywną panującą w danym środowisku można wyznaczyć jedynie pośrednio, przez pomiar temperatur na termometrze suchym i na termometrze wilgotnym oraz prędkości powietrza i naniesienie tych wartości na nomogram. Nomogram nie uwzględnia wpływu ciepła wymienionego przez organizm drogą promieniowania. Przygotowane zostały nomogramy ATE dla ludzi ubranych w szorty lub kombinezony, a także opracowano poprawki, które pozwalają uwzględnić wpływ promieniowania. Przydatność temperatury efektywnej jako uniwersalnego

miernika komfortu spotkała się z krytyczną oceną. Jeden z zarzutów stwierdza, że niesłusznie wybrano powietrze nasycone wilgocią jako układ porównawczy, gdyż samopoczucie człowieka w powietrzu nasyconym wilgocią nigdy nie jest dobre. Także wpływ wilgotności względnej na odbiór ciepła przez otoczenie jest znacznie mniejszy niżby to wynikało z nomogramu temperatur efektywnych. Na podstawie analizy amerykańskiej temperatury efektywnej R. Bidlot i P. Ledent [12] sugerują, że wpływ na jej wartość mają przede wszystkim temperatura i wilgotność powietrza. Udział temperatury wilgotnej w kształtowaniu warunków klimatycznych mierzonych za pomocą jednostki wyrażonej w °C określono na 0,8, zaś udział temperatury suchej na 0,2. Podobny wykres stosowany jest w górnictwie Republiki Federalnej Niemiec (rys. 5).

W Stanach Zjednoczonych szerokie zastosowanie znalazł wskaźnik WBGT (Wet Bulb Globe Temperature), wprowadzony przez C. P. Yaglou i C. D. Minarda w 1957 r. Wskaźnik ten oparty jest na pomiarze temperatury poczernionego termometru kulistego oraz temperatury wilgotnej za pomocą termometru wilgotnego bez podmuchu (czyli psychrometru Augusta, a nie powszechnie stosowanego psychroaspiratora Assmana) oraz temperatury poczernionego termometru kulistego. Dla pomieszczeń zamkniętych wskaźnik WBGT oblicza się ze wzoru:

[°C] (15)

gdzie:

T_mn - temperatura wilgotna naturalna, czyli temperatura na termometrze wilgotnym bez wymuszonego przepływu powietrza,

T - temperatura poczernionej kuli, °C.

Rys. 5. Nomogram do wyznaczania temperatury efektywnej stosowany w górnictwie niemieckim dołączony do zarządzenia Ministra Pracy i Spraw Socjalnych RFN z dnia 9 czerwca 1983 r.

Przy wykonywaniu pomiaru w pomieszczeniu znajdującym się w kontakcie z otwartą przestrzenią, w której występuje promieniowanie, dodatkowo wykonuje się pomiar temperatury suchej T_a. Wartość wskaźnika oblicza się jako średnią ważoną:

[°C] (16)

Od 1972 r. na podstawie sugestii amerykańskiego Narodowego Instytutu Bezpieczeństwa Pracy i Zdrowia (National Institute of Occupational Safety and Health) WBGT jest stosowany jako wskaźnik charakteryzujący obciążenie cieplne środowiska. W. Turkiewicz [27] przedstawił sugestie dotyczące stosowania wskaźnika WGBT w polskim górnictwie rud miedzi, a zespół pracowników Głównego Instytutu Górnictwa określał korelacje między dokładną i przybliżoną wartością współczynnika WBGT [4], w celu zbadania możliwości zastąpienia nieporęcznych w warunkach kopalnianych termometru kulistego i termometru wilgotnego naturalnego (psychrometru bez podmuchu) przyrządami będącymi na wyposażeniu kopalnianych służb wentylacyjnych [24].

Belgijską temperaturę efektywną zdefiniowano za pomocą zależności:

[°C] (17)

przy czym graniczna wartość BTE, przy której obowiązuje jeszcze wzór (17), nie może być wyższa od 36°C. R. Bidlot uznał [13], że praca jest możliwa, gdy zachodzi

[°C] (18)

Przy belgijskiej temperaturze efektywnej przekraczającej 34°C praca staje się niebezpieczna dla zdrowia, a po osiągnięciu BTE = 35°C wręcz niemożliwa. W latach czterdziestych w górnictwie belgijskim przyjęto graniczną wartość BTE = 31°C. Wartość niższa od 34°C wiąże się z ogólnie trudnymi warunkami panującymi w podziemiach kopalń. Wzór (18) nie uwzględnia prędkości ruchu powietrza. Metoda oceny cieplnych warunków pracy opracowana w Belgii została zastosowana w Afryce Południowej oraz w Holandii.

W górnictwie francuskim obowiązuje następujący wzór szacujący warunki klimatyczne:

[°C] (19)

gdzie:

TR - francuska temperatura wypadkowa.

Norma uznaje warunki pracy za zadowalające przy TR ≤ 28°C. Praca w warunkach 28 ≤ TR ≤ 34 jest uznana za szkodliwą, a po przekroczeniu 34°C za niebezpieczną dla zdrowia.

Spełnienie równania komfortu cieplnego Fangera jest warunkiem zadowalającego komfortu w miejscu pracy. Parametrami zmiennymi są wartości argumentów mikroklimatu powietrza, ciepło przemian metabolicznych, rodzaj odzieży. W celu ułatwienia stosowania wyników tych badań P. O. Fanger przygotował nomogramy dla trzech wydatków energetycznych i odpowiadających pracy lekkiej, o średnim natężeniu wysiłku oraz pracy ciężkiej. Przewidywana ilość wydzielania potu podczas czterogodzinnego ciężkiego wysiłku (Predicted Four Hour Sweat Rate index P4SR) została wprowadzona przez B. McArdle w 1947 r. na podstawie eksperymentów przeprowadzonych na młodych, zdrowych, aklimatyzowanych mężczyznach [12]. Wskaźnik uwzględnia wpływ temperatury, wilgotności, prędkości przepływu powietrza, temperatury promieniowania, produkcji ciepła metabolizmu i sporządzony został dla dwóch rodzajów ubiorów (krótkie spodnie lub kombinezon). Empiryczny nomogram wynikający z tych eksperymentów dał podstawy do opracowania indeksu P4SR. Poprawki korekcyjne dotyczą ubioru oraz metabolizmu. Procedura określenia wartości wskaźnika jest skomplikowana, lecz liczba doświadczeń wskazuje na akuratność metody. Bezpieczna granica próby P4SR dla zdrowego i młodego aklimatyzowanego mężczyzny wynosi 4,5 l. Na podstawie omawianego wskaźnika można określić czas pracy i odpoczynku, a także ocenić wartości pożądanych parametrów klimatycznych środowiska. W przypadku wydzielania znacznych ilości potu może następować naruszenie gospodarki wodno-mineralnej organizmu. Wraz z wydzieleniem 1 litra wody organizm traci 2,5-3 g soli NaCI. W związku z tym napoje zużywane przez pracujących w warunkach dużego obciążenia cieplnego winny zapewnić uzupełnienie zawartości brakujących składników. Zmniejsza to deficyt wody i poprawia zdolność do pracy. Jednak przedziały stężeń wskazane przez medycynę nie mogą być przekraczane.

Wskaźnik obciążenia cieplnego (Heat Stress Index HSI został wprowadzony przez H. S. Beldinga i T. F. Hatcha w 1955 r. w oparciu o fizyczną analizę procesu wymiany ciepła [ 12, 14, 18]. Wyznaczane były wartości strat ciepła przez parowanie dla utrzymania bilansu ciepła E oraz maksymalnej ilości ciepła odprowadzanego przez odparowanie potu z całkowicie wilgotnej skóry E_m,. Stosunek E/E_m, daje przybliżoną wartość wskaźnika odpowiadającego zawilgoceniu skóry ω. Przyjęto pewne uproszczenia do obliczeń, wprowadzone zostały też korekty uwzględniające rodzaj odzieży. Sporządzony nomogram umożliwia obliczenie maksymalnego czasu pracy. Granice bezpieczeństwa w tym przypadku są podane w postaci kombinacji wartości wskaźnika niższej od 1 i odparowania mniejszego od 1 l/godz. Metody P4SR oraz HSI mogą być wykorzystywane do określenia strategii postępowania przy ocenie środowisk cieplnych.

4. Stwierdzenia końcowe i wnioski

W pracy omówiono te metody oceny warunków klimatycznych w środowiskach pracy, które znalazły szersze zastosowanie w górnictwie. W związku ze znaczeniem cieplnych warunków pracy w wielu dziedzinach życia istnieje bogate piśmiennictwo fachowe, normy i przepisy. W niektórych krajach prawne zagadnienia komfortu cieplnego są w dużym stopniu zunifikowane i obowiązują w podobnej postaci w całym przemyśle i w obiektach komunalnych.

Ze względu na swoją istotę i specyfikę warunki pracy w kopalniach stanowią wyjątkową i samodzielną płaszczyznę badań i rozwiązań, co wynika z nienaturalności i uciążliwości środowiska w porównaniu z warunkami panującymi na powierzchni. Jednak ze względu na rozległość kopalni jako miejsca pracy oraz na czynniki ekonomiczne i techniczne możliwe jest zapewnienie górnikom warunków pracy jedynie na poziomie minimum wymagań.

Rozporządzenie Ministra Przemysłu i Handlu z dnia 14 kwietnia 1995 r., Dziennik Ustaw nr 67 rozdz. 4, § 270 stanowi, że należy ograniczyć czas pracy w przodku, jeśli temperatura powietrza mierzona termometrem suchym jest większa od 28°C, a nic przekracza 33°C lub gdy natężenie chłodzenia jest mniejsze od 11 katastopni wilgotnych. W razie przekroczenia temperatury 33°C dozwolona jest tylko akcja ratownicza.

Niektóre metody analizy cieplnych warunków pracy nie są ze sobą spójne. Na przykład w pracach [18] i [26] prowadzi się bilans cieplny ciała człowieka wykonującego pracę w środowisku o określonych parametrach. Jednak w monografii [18] przyjmuje się, że temperatura skóry ciała dostosowuje się do metabolizmu i do warunków wymiany ciepła. Natomiast w pracy [26] zakłada się, że wielkość ta jest stała i równa T_sk = 35°C. Różnice założeń są przyczyną rozbieżności uzyskanych wyników. Według pracy [26] należy akceptować niektóre warunki klimatyczne przy wysokiej temperaturze, dużej wilgotności i małej prędkości przepływu powietrza (tablice podane w [26]). Wyniki obliczeń prowadzone metodą opisaną w pracy [18] wykluczają możliwość uznania tych warunków za zadowalające.

Porównując warunki panujące w środowiskach o granicznych wartościach temperatur 28 i 33°C z tymi, które wynikają z analizowanych temperatur efektywnych, wskaźnika WBGT, temperatur francuskiej i belgijskiej, metodyki stosowanej w kopalniach złota Republiki Południowej Afryki (kata cooling power) oraz sposobu proponowanego wyżej w punkcie 2 tej pracy należy stwierdzić, że polskie przepisy stawiają bardziej rygorystyczne wymagania niż inne normy, co dotyczy przede wszystkim warunków o umiarkowanej temperaturze, wilgotności i prędkości przepływu. Jednak polski przepis dopuszcza pracę, co prawda w skróconym okresie, przy wysokich temperaturach, bardzo dużych wilgotnościach powietrza i niewielkich prędkościach przepływu powietrza, zaś metoda omówiona w [18], a także niektóre inne normy ją wykluczają. Przy gęstości strumienia metabolizmu M = 160 W/m² ograniczenia te ilustruje tabela 1. Dla wyższej wartości metabolizmu ich zakres może być nieco inny.

Normy cieplnych warunków pracy w polskich kopalniach mogą być opracowane na podstawie międzynarodowej normy dotyczącej wskaźnika WBGT, przyjętej i opublikowanej przez Polski Komitet Normalizacji, lub w oparciu o temperaturę efektywną, w wersji przyjętej w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej lub w Niemczech. Przepisy powinny charakteryzować się większą precyzją i rozstrzygnąć wiele zagadnień bardziej szczegółowo niż dotychczasowe uregulowania. Na przykład konieczne jest ustalenie:

- jak długo w czasie roboczej zmiany powinien przebywać pracownik w danych warunkach, by nabywał prawo do skróconej dniówki,

- jakie warunki cieplne są dopuszczalne w kabinie operatora oraz w wyrobisku w przypadku "klimatyzacji stanowiskowej",

- jakie warunki cieplne są dozwolone na drodze zużytego powietrza za wyparną chłodnią wody,

- jak należy wykonać pomiar parametrów charakteryzujących cieplne warunki pracy, w celu sprawdzenia zgodności tych warunków z przepisami.

Niniejsze opracowanie stanowi skróconą wersję analizy warunków klimatycznych w świetle badań nad wymianą ciepła między ciałem pracownika a otoczeniem, wykonane przy założeniu umiarkowanego obciążenia ciepłem przemian metabolicznych M = 160 W/m² .

---