Лекція № 10. Мікроклімат робочої зони. Вплив параметрів мікроклімату

На організм людини. Нормування, нормалізація параметрів мікроклімату робочої зони

План лекції

Метеорологічні умови виробничих приміщень (робочої зони) визначаються сукупністю параметрів – температури (t ,⁰С), відносної вологості (φ, %), швидкості руху повітря (V, м/с), атмосферного тиску (Р, мм. рт. ст.), інтенсивності теплового випромінювання (Е, Вт/м²). Сукупність цих величин, характерних для конкретних виробничих умов, називається мікрокліматом.

Параметри, що визначають метеорологічні умови на кожному робочому місці, як окремо, так і в різних сполученнях, впливають на функціональну діяльність людини, її самопочуття, здоров'я і є одними з найважливіших показників санітарно-гігієнічних умов праці. Так, збільшення швидкості руху повітря зменшує несприятливий вплив високих але збільшує вплив низьких температур. Збільшення відносної вологості повітря вище нормативних значень збільшує негативну дію як зниженої, так і підвищеної температури.

Таким чином, сполучення різних значень параметрів мікроклімату робочої зони створює ряд метеорологічних умов, що по-різному позначаються на фізіологічних процесах протікання життєвих функцій організму людини.

Терморегуляція організму людини

Визначення допустимого рівня тих або інших параметрів мікроклімату робочої зони здійснюють виходячи з терморегуляції організму людини, яка знаходиться у взаємозв'язку з його енергетичними витратами при виконанні тієї чи іншої роботи, що відрізняється ступенем важкості.

Терморегуляцією називається здатність організму людини регулювати теплообмін з навколишнім середовищем і зберігати температуру тіла на постійному рівні t⁰ = 36,6 (± 0,5 ⁰С) незалежно від зовнішніх метеорологічних умов і важкості виконуваної роботи.

Таким чином, терморегуляція організму людини здійснює баланс між виробництвом тепла в організмі й витратою теплової енергії на роботу й життєдіяльність, тим самим забезпечуючи підтримку постійної температури тіла людини.

Контроль за терморегуляцією виконує центральна нервова система, яка забезпечує рівновагу між кількістю тепла, що безупинно утворюється в організмі в результаті хімічного обміну речовин внаслідок окислювально-відновних реакцій, і його надлишками, що віддаються безупинно в навколишнє середовище.

Існує два види терморегуляції: хімічна й фізична. Хімічна є терморегуляцією теплотворення, а фізична – теплообміну організму людини з навколишнім середовищем.

Хімічна терморегуляція реалізується зміною активності обміну речовин (ослабленням при загрозі перегрівання і посиленням – при охолодженні).

Фізична терморегуляція є терморегуляцією теплообміну організму людини з навколишнім середовищем. Вона здійснюється шляхом теплообміну тіла людини з навколишнім середовищем (передачею або сприйняттям тепла) наступними шляхами:

а) випромінюванням в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні частот, що відбувається в напрямку предметів з більш низькою температурою;

б) конвекцією – нагріванням шару повітря, який безпосередньо знаходиться біля поверхні тіла людини. Ця частина фізичної терморегуляції складається з конвекції біля відкритих і закритих частин тіла. В останньому разі конвекція протікає завдяки теплопровідності одягу;

в) тепломасопередачею (випаром вологи з поверхні тіла);

г) підігрівом видихуваного повітря.

У стані спокою при температурі повітря 20⁰ С випромінювання в інфрачервоному діапазоні частот складає 50...65 %, випарювання вологи – 20...22 %, конвекція повітря – 12...15 %, підігрів вдихуваного повітря – 5...7 % від загальної передачі тепла організмом людини в навколишнє середовище. Причому, при температурі повітря навколишнього середовища вище температури тіла людини процес тепловіддачі конвекцією і випромінюванням заміняється процесом теплосприйняття. Таким чином, у цих умовах основним шляхом віддачі тепла організмом в навколишнє середовище є випар вологи.

Розглянемо суть кожної складової процесу терморегуляції.

Хімічна терморегуляція. Найбільший внесок в енергетичний обмін речовин вносить скорочувальна м'язова активність організму людини, а також теплопродукція печінки, що складає 12...24 % від загальної теплопродукції. Так, якщо в стані спокою організму теплоутворення знаходиться на рівні 111...125 Вт, то при інтенсивній фізичній роботі воно збільшується до 300...400 Вт. При цьому значне посилення теплоутворення в результаті інтенсифікації енергетичного обміну спостерігається при зниженні температури навколишнього середовища нижче оптимальної (18...20 ⁰ С).

При низьких температурах специфічними реакціями хімічної терморегуляції є:

· холодове м'язове тремтіння (при цьому виконання фізичної роботи може і не відбуватися, а вся енергія «скорочення – розслаблення» м'язів переходить у тепло);

· зниження терморегуляторного м'язового тонусу (зменшення скорочувальної активності м'язів при виконанні зовнішньої роботи).

Фізична терморегуляція.

Тепловіддача випромінюванням в ІЧ- діапазоні у виробничих умовах є одним з основних шляхів теплообміну людини з навколишнім середовищем. Спектр випромінювання тепла з поверхні тіла людини знаходиться в ІЧ-частині спектра з довжиною хвилі λ = 2,54...25 мкм. Тепло віддається тілом людини тоді, коли температура навколишніх предметів, стін, полу, стелі, устаткування нижче температури тіла. Якщо температура навколишніх поверхонь складає 32...33 ⁰С, то відбувається не віддача, а сприйняття тепла в ІЧ-частині спектра організмом.

При цьому, інтенсивність теплопередачі шляхом випромінювання знаходиться в безпосередній залежності від ступеня чорноти предметів, тіл, устаткування, до яких передається теплова енергія.

Особливістю розглянутої складової механізму терморегуляції є те, що ІЧ-промені, проходячи через повітря, не нагрівають його. Однак, поглинаючись твердими тілами, промениста енергія переходить у теплову, викликаючи їхнє нагрівання.

Наступною особливістю теплопередачі випромінюванням є те, що з підвищенням температури випромінюючого тіла потужність випромінювання збільшується пропорційно 4-му ступеню його абсолютної температури:

Е = σ · Т⁴, (2.1)

де Е – потужність випромінювання, Вт; σ = 5,67 · 10^-8 Вт·м^-2·К^-4 (постійна Стефана-Больцмана; Т – абсолютна температура тіла, К).

До характерних рис розглянутого процесу теплопередачі відноситься і постійна величина добутку абсолютної температури випромінюючого тіла на довжину хвилі випромінювання з максимальною інтенсивністю:

λ_max· T = C, (2.2)

де С = Const = 2880.

Виходячи з цього, за температурою нагрітого тіла можна орієнтовно визначити довжину хвилі випромінювання з максимальною інтенсивністю та оцінити біологічний ефект впливу ІЧ-випромінювань на людину, розробити відповідні засоби захисту. Необхідність визначення такої довжини хвилі пов'язана з тим, що залежно від значення цього параметра змінюється біологічна дія випромінювання на організм людини. Це пояснюється тим, що ІЧ-випромінювання з різною довжиною хвилі проникають на різну глибину тіла людини і, поглинаючись відповідними тканинами, справляють різну біологічну дію.

ІЧ-промені з короткою довжиною хвилі (до 1,4 мкм) проникають на глибину до декількох сантиметрів, поглинаються кров'ю і водою, які знаходяться в живих тканинах організму людини. Вони також здатні впливати на мозкову тканину, тобто здійснювати внутрішнє нагрівання.

Довгохвильові ІЧ-промені (2...10 мкм) поглинаються верхнім шаром шкіри товщиною до 2-х мм. Особливо активно поглинаються промені з довжиною хвилі 6...10 мкм.

У зв'язку з цим короткохвильове ІЧ-випромінювання має більш загальну шкідливу дію, порівняно з довгохвильовим за рахунок глибшого проникнення в живі тканини тіла людини.

Під впливом ІЧ-випромінювань може підвищуватися температура тіла людини, її артеріальний тиск, спостерігатися ушкодження шкірного покриву, тепловий удар. Тривалий вплив ІЧ-променів в області очей, особливо в короткохвильовій частині діапазону, може викликати ураження кришталика й розвиток інфрачервоної катаракти (спостерігається в сталеварів, кочегарів, склодувів). Особливо відчутний негативний вплив ІЧ-випромінювань при дії на область шиї, верхню половину тулуба.

Захист від теплового випромінювання полягає в застосуванні спеціального одягу з матеріалів, що відбивають ІЧ-випромінювання, екранів, заснованих на ефектах відбиття чи поглинання (наприклад, тепловідвідних екранів з циркуляцією охолоджувальної рідини).

Терморегуляція конвекцією – віддача тепла з поверхні тіла людини шляхом підігріву й циркуляції шарів повітря, що розташовані біля відкритих частин його тіла. Циркуляція повітря відбувається в результаті зміни його питомої маси при нагріванні та заміщення цього повітря шарами з більш низькою температурою. Інтенсивність цього процесу теплообміну біля частин тіла людини, закритих одягом, залежить від його теплопровідності. Ця складова механізму тепловіддачі функціонує при температурі повітря нижче температури тіла людини. У противному разі спостерігається процес теплосприйняття.

Підвищення температури навколишнього середовища знижує інтенсивність віддачі тепла конвекцією і шляхом ІЧ-випромінювань, а при t⁰_{повітря} = 32...33 ⁰С основним шляхом віддачі тепла організмом є випар вологи.

В основі процесу віддачі тепла шляхом випару вологи лежить процес теполомасообміну – випромінювання енергії в навколишнє середовище при розриві молекулярних зв'язків у шарі вологи, який знаходиться на поверхні тіла людини.

Для нормальної роботи цієї складової фізичного механізму терморегуляції необхідне виконання умови випару вологи, що залежить від співвідношення температури, відносної вологості й швидкості руху повітря. Так, в умовах високих температур, при відносній вологості повітря φ = 75...80 % може бути порушена терморегуляція через слабкий випар вологи з поверхні тіла людини. Внаслідок цього може відбутися перегрів організму, який викликає підвищення температури тіла людини, рясне потовиділення, головний біль і т. п.

При нормальній температурі повітря організмом людини випаровується в добу до 1 л води. При значному підвищенні температури навколишнього середовища виділення вологи може досягати 5...6 л за зміну, а при виконанні важкої м'язової роботи доходити до 10...12 л. Величина вологовиділення залежить від температури повітря, швидкості його руху, відносної вологості, теплозахисних властивостей одягу, рівня м'язової активності людини.

Інтенсивне виділення вологи при дії високих температур призводить до зневоднювання організму, втрати мінеральних солей і водорозчинних вітамінів (С, В₁, B₂).

Втрата мінеральних солей викликає зниження водоутримання і діяльності шлункової секреції, появу судорог. Втрата вітамінів С, В₁, B₂ веде до розвитку вітамінного дефіциту. При тривалому впливі високих температур може спостерігатися збільшення частоти серцевих скорочень, зниження артеріального тиску.

Виробничі процеси, виконувані при зниженій температурі повітря, можуть стати причиною охолодження й переохолодження організму, якщо спецодяг та умови праці не відповідають гігієнічним вимогам. При охолодженні знижується тепловіддача і посилюється теплопродукція організму. При значному охолодженні різко збільшується споживання кисню. При цьому приріст обмінних процесів в організмі, що складає при нормальній температурі повітря ~ 10 % на 1 ⁰С, в умовах низьких температур може зростати в три рази.

При тривалому охолодженні може спостерігатися підвищення артеріального тиску, поява холодових травм (невралгія нервів, простудні захворювання, обмороження).

Посилення процесу охолодження спостерігається при сполученні низької температури, високої відносної вологості і рухливості повітря. Це викликається тим, що вологе повітря краще проводить тепло, а його рухливість збільшує тепловіддачу конвекцією.

Нормування параметрів мікроклімату

Нормування параметрів мікроклімату полягає у встановленні їх оптимальних або допустимих величин стосовно конкретних виробничих умов (табл. 2.1). Воно проводиться з урахуванням таких характеристик: ступеня важкості виконуваної роботи; пори року; кількості надлишкового тепла, що надходить у робочу зону від устаткування (ДСН 3.3.6.042-99. Державні санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень).

Оптимальні умови мікроклімату – таке сполучення параметрів метеорологічних умов на робочому місці, що при тривалому й систематичному впливі на людину забезпечує збереження нормального функціонування організму без перенапруження роботи механізму терморегуляції працюючого.

Допустимі мікрокліматичні умови – сполучення параметрів мікроклімату, що при тривалому й систематичному впливі на людину може викликати минаючі чи такі, що швидко нормалізуються, зміни функціонального і теплового стану організму. При цьому не відбувається порушення здоров'я працюючого, однак можливе додаткове короткочасне напруження в роботі механізму терморегуляції.

За ступенем важкості фізичні роботи поділяють на три категорії. (Категорія робіт – розмежування фізичних робіт за важкістю на основі загальних енерговитрат організму, які вимірюються в ккал/год або Вт).

Таблиця 2.1 ‑ Оптимальні мікрокліматичні умови в робочій зоні виробничих приміщень (ГОСТ 12.1.005-88)

Примітка: Відносна вологість повітря в усіх випадках повинна становити 40…60 %.

Категорія I. Легкі фізичні роботи – роботи, виконувані сидячи, стоячи або пов'язані з ходьбою, які не потребують систематичного напруження і підняття ваги. Енерговитрати при виконанні таких робіт складають до 150 ккал/год (174 Вт).

Ця категорія робіт підрозділяється на дві підгрупи:

Категорія Iа. Роботи з енерговитратами до 120 ккал/год (139 Вт) – це роботи, які виконуються сидячи й супроводжуються незначним фізичним напруженням.

Категорія Iб. Роботи, при виконанні яких енерговитрати складають 121…150 ккал/год (140…174 Вт) – це роботи, які виконуються сидячи, стоячи або пов’язані з ходінням. Вони супроводжуються деяким фізичним напруженням.

Категорія II. Фізичні роботи середньої важкості – види фізичної діяльності людини з витратами енергії у межах 151…250 ккал/год (175…290 Вт).

Категорія IIа. Роботи, що супроводжуються енерговитратами організму людини в межах 151…200 ккал/год (175…232 Вт). Це роботи, пов’язані з постійним ходінням, переміщуванням дрібних (до 1 кГ) виробів або предметів, у положенні стоячи або сидячи і які вимагають певного фізичного напруження.

Категорія IIб. Роботи з енерговитратами 201…250 ккал/год (233…290Вт). Такі роботи пов’язані з ходьбою, переміщуванням чи перенесенням виробів (предметів) масою до 10 кГ і супроводжуються помірним фізичним напруженням.

Категорія Ш. Важкі фізичні роботи – це роботи, пов’язані з постійними пересуваннями, переміщуваннями і перенесенням значних (масою більше 10 кГ) вантажів і які потребують великих фізичних зусиль. Енерговитрати організму людини при цьому становлять вище 250 ккал/год (290 Вт). Ця категорія фізичних робіт не поділяється на підкатегорії.

Виходячи з такого розподілення фізичних робіт, в основі якого лежить інтенсивність енерговитрат організму людини, випливає, що, в принципі, для нормальної роботи механізму терморегуляції при виконанні легкої роботи необхідна більш висока температура навколишнього середовища, ніж при середніх і важких фізичних роботах.

Пора року в охороні праці умовно розділяється на холодний і теплий періоди. Вони розмежовуються середньодобовою температурою t_с.д.= 10 ⁰С. Відповідно до такого розподілу, параметри мікроклімату в теплий період року характеризуються трохи більшими значеннями.

За кількістю надлишкового тепла, що надходить у робочу зону від устаткування і впливає на зміну температури в робочій зоні, виробничі приміщення підрозділяються на холодні (рівень надлишкового тепла до 20 ккал/год на 1 м³ приміщення) і гарячі – рівень надлишкового тепла вище 20 ккал/год на 1 м³. У цих випадках виконується нормування параметрів мікроклімату з урахуванням і температури тепловипромінюючих поверхонь.

У принципі, теплове опромінення працюючих не повинне перевищувати 35 Вт/м³. При більш високих рівнях опромінення повинні застосовуватися відповідні засоби захисту працюючих.

Контроль параметрів мікроклімату

Контроль параметрів мікроклімату здійснюється рядом вимірювальних засобів: температура повітря – термометром; відносна вологість повітря – психрометром (наприклад, аспіраційним психрометром Ассмана, рис. 2.1); швидкість руху повітря – анемометрами (наприклад, крильчатим чи чашковим, рис. 2.2), інтенсивність теплового випромінювання – актинометром або через температуру поверхні обладнання, що вимірюють дистанційно (рис. 2.3), барометричний тиск – барометром, наприклад анероїдним (рис. 2.4).

Відповідно до СН 4088-86, вимірювальні прилади, використовувані для контролю параметрів мікроклімату, повинні характеризуватися такою величиною похибки виміру (не нижче зазначених):

1) При вимірі температури повітря й контролю температури повітря при визначенні відносної вологості повітря – 0,2 С ;

2) При вимірі швидкості поширення повітря: 0,05 % у діапазоні 0...0,5 м/с, та 0,1 % при швидкості поширення повітря > 0,5 м/с.

3) При вимірі інтенсивності теплового випромінювання від устаткування: 5,0 Вт/м² у діапазоні 10...350 Вт/м², та 5,0 Вт/м² при інтенсивності теплового випромінювання від устаткування > 350 Вт/м².

Принцип виміру температури повітря – метод непрямих вимірів, що полягає в перетворенні градієнта температур у градієнт об'ємного розширення речовини, наприклад ртуті, що знаходиться в термометрі.

Принцип виміру відносної вологості повітря (при використанні психрометра) – метод непрямих вимірів, що полягає в перетворенні градієнта енергетичного уносу при випарі води з «вологого» термометра в градієнт температур «сухого» й «вологого» термометрів, що входять до складу психрометра.

Принцип виміру барометричного тиску – метод непрямих вимірів, що полягає в перетворенні градієнта тиску стовпчика атмосферного повітря в градієнт зміни геометричних розмірів датчика барометра.

Принцип виміру швидкості повітря (при використанні анемометрів) – метод непрямих вимірів, що полягає в перетворенні швидкості обертання датчика анемометра у швидкість прямування повітряного потоку.

Принцип виміру інтенсивності теплового випромінювання (при використанні актинометрів) – метод непрямих вимірів, що полягає в перетворенні градієнта теплового випромінювання від виробничого обладнання у градієнт температур «зачорненого» і стандартного термометрів.

Заходи й засоби захисту працюючих від недопустимихпараметрів мікроклімату

Заходи й засоби захисту працюючих при недопустимих параметрах мікроклімату поділяються на організаційні заходи та технічні колективні та індивідуальні засоби.

До організаційних заходів відносяться автоматизація, дистанційне керування технологічними процесами; кімнати реабілітації; чергування часу роботи й відпочинку, надбавки за роботу в умовах з недопустимими параметрами мікроклімату.

Як технічні колективні засоби захисту застосовують екрани, засновані на принципах відбиття, поглинання, тепловідведення; повітряні, водяні душі, завіси.

До індивідуальних засобів захисту відносяться спецодяг; окуляри з світлофільтрами, що відповідають спектрові ІЧ-випромінювань, який орієнтовно визначається за температурою випромінюючої поверхні (розд. 2.2):

при t_в.пов. < 1800 ⁰С – сині (СС11),

при t_в.пов > 1800 ⁰С – темносині (TC13) та ін.