Między człowiekiem a środowiskiem zachodzi nieustanna wymiana ciepła (Rys. 1) . Odbywa się ona czterema drogami: przez przewodzenie, konwekcję, promieniowanie oraz odparowywanie potu. Tego rodzaju przepływy ciepła zależą od pewnej liczby charakterystyk fizycznych otoczenia. Są to: temperatura powietrza, średnia temperatura promieniowania, ciśnienie pary wodnej i prędkość ruchu powietrza. Ponieważ do prawidłowego działania wszystkich funkcji organizmu jest konieczne utrzymanie stałej ciepłoty ciała (homeotermii), dlatego muszą istnieć odpowiednie mechanizmy, które pozwalają organizmowi wytworzyć niezbędną ilość ciepła lub też odprowadzić jego nadmiar. Mechanizmy te, uruchamiane za pomocą niezależnego mechanizmu termoregulacji, nie zawsze mogą podołać obciążeniom termicznym, na jakie narażony jest organizm ze strony środowiska. Konsekwencją takiego stanu jest nieuchronny wzrost temperatury wnętrza ciała w środowisku gorącym lub jej spadek w środowisku zimnym.


Rys. 1  Wymiana ciepła między człowiekiem, a środowiskiem

Podstawowym mechanizmem wytwarzania ciepła w organizmie jest proces przemiany, zwany metabolizmemzachodzący w każdej komórce organizmu. Zawartość ciepła w organizmie znacznie wzrasta podczas pracy fizycznej. Może stać się od kilku do kilkunastu razy większa od poziomu przemian podstawowych, związanych z podstawowymi procesami życiowymi (oddychanie, trawienie, kontrola funkcjonowania organizmu, utrzymanie pozycji ciała). Duża część ciepła musi zostać usunięta z organizmu przez przemieszczenie go z wnętrza ciała w kierunku skóry, a tylko niewielka jego ilość zostaje tracona z organizmu w wyniku oddychania [7]

Trzecią składową wpływającą na wymianę ciepła z otoczeniem jest odzież. W warunkach środowiska umiarkowanego i zimnego stanowi ona ochronę przed startami ciepła, przez co odciąża mechanizmy termoregulacyjne wytwarzając sztuczny klimat wokół ciała człowieka. Odzież zawsze stanowi barierę na drodze wymiany ciepła między organizmem a otoczeniem. W niektórych jednak warunkach, gdy tkaniny ją tworzące są nieprzepuszczalne dla powietrza i pary wodnej, stanowi dodatkowe obciążenie cieplne dla organizmu. Odzież noszona przez użytkownika będzie modyfikowała wymianę ciepła z otoczeniem na drodze konwekcji i promieniowania, ale też będzie wpływać na transport pary wodnej przez swą powierzchnię. Duże znaczenie dla własności higienicznych odzieży ma efekt pompowania, czyli wentylacji wewnętrznej w przestrzeni pod odzieżą, który modyfikuje izolacyjność cieplną odzieży i przepuszczalność pary wodnej przez odzież [3].

Opisane fizjologiczne procesy dostosowania organizmu przedstawiono na foliogramach (Rys. 2) i (Rys. 3) .


Rys. 2. Zasadnicze dostosowanie fizjologiczne organizmu obserwowane w środowisku gorącym


Rys. 3. Układ wydzielania potu i przewodzenia fizjologicznego

Organizm, podporządkowany prawu zachowania stałej ciepłoty, nie może oczywiście sprostać każdym obciążeniom pracy i środowiska. Wzrost tętna, który musi zrównoważyć zmniejszenie ciśnienia żylnego, związane ze zwiększonym przemieszczaniem krwi od wnętrza ku powierzchni ciała w wyniku rozszerzenia naczyń krwionośnych skóry, nie może przekroczyć 140 uderzeń/minutę. Ilość wydzielonego potu nie może wzrastać nieograniczenie - przyjmuje się, że maksymalna ilość potu w ciągu 8 godzin pracy nie przekracza 4 litrów. Wreszcie, temperatura wnętrza ciała może wzrosnąć zaledwie o 1 °C, tzn. może osiągnąć 38 °C.

Warunek zachowania homeotermii narzuca konieczność ograniczenia czasu przebywania człowieka w gorącym środowisku pracy. Wzrost tętna, maksymalny wydatek potowy oraz wzrost temperatury wnętrza ciała są czułymi wskaźnikami obciążenia cieplnego organizmu i wyznaczają granice tolerancji niekorzystnego wpływu środowiska i pracy na organizm człowieka.

Współzależność między człowiekiem a środowiskiem w zakresie wymiany ciepła ujęta jest ilościowo w równaniu bilansu cieplnego człowieka (Rys. 4) :


Rys. 4 Równanie bilansu cieplnego człowieka  


(1)    S = M - W - R - K - C - E - Res    

gdzie:
S - akumulacja/straty ciepła
M - metabolizm energetyczny
W - praca zewnętrzna
K, C, R - wymiana ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania
Res - straty ciepła przy oddychaniu
E - wymiana ciepła na drodze odparowywania potu.

Opisane zależności zilustrowano na foliogramie (Rys. 5)



Rys. 5. Parametry fizyczne charakteryzujace człowieka i środowisko termiczne

W dotychczasowych rozważaniach o stabilności termicznej człowieka pominięto wpływ odzieży. Ubranie stanowi jednak barierę pomiędzy powierzchnią skóry a otoczeniem, która oddziałuje zarówno na wymianę ciepła przez konwekcję i promieniowanie, jak i na wymianę ciepła przez odparowywanie. Trzeba wyraźnie wskazać, że wpływ ubrania na wymianę ciepła jest bardzo złożony. Należy wprowadzić wiele uproszczeń uśredniających oraz pewne przybliżenia. Praktycznie do bilansu cieplnego człowieka wnosi się czynniki korekcyjne:

(2)  


dla wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie
oraz

(3)  

jako czynnik redukujący wymianę ciepła przez odparowywanie,
gdzie:
I_cl- izolacja cieplna ubrania
h_c i h_r - współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie.
Obliczenie bilansu cieplnego (1) z uwzględnieniem korekcji (2) umożliwia wyliczenie obciążenia termicznego. Obliczenie to, przeprowadzone przy założeniu braku potu, a więc przy założeniu minimalnej wilgotności skóry, daje:

(4)S = H + R + K + C + E + Res

gdzie:  H - obciążenie cieple netto.

Gdy bilans cieplny jest dodatni, mamy do czynienia ze środowiskiem gorącym, wymagającym uruchomienia mechanizmów walki z gorącem. Gdy bilans cieplny jest ujemny, mamy do czynienia ze środowiskiem chłodnym, wymagającym uruchomienia mechanizmów walki z zimnem. Natomiast bilans cieplny jest równy zeru w środowisku neutralnym.

W środowisku neutralnym ilość ciepła, które jest wytwarzane przez przemianę w spoczynku lub podczas wykonywania określonej czynności, zostaje rozproszona w taki sposób, że temperatura wnętrza ciała, bez udziału niezależnego mechanizmu termoregulacji, utrzymuje się na stałym poziomie. Z tego względu w środowisku tym wszyscy ludzie, bez względu na płeć, wiek i aklimatyzację, czują się jednakowo dobrze.

Zupełnie odmiennie jest w środowisku gorącym. Ilość ciepła wytwarzanego ulega wprawdzie rozproszeniu w stopniu umożliwiającym utrzymanie temperatury wnętrza ciała na stałym poziomie, lecz muszą zostać włączone mechanizmy autonomicznej termoregulacji. W krańcowym przypadku ilość zgromadzonego ciepła nie może zostać rozproszona i temperatura wnętrza ciała zaczyna się stopniowo podnosić.

Sprawność mechanizmów utrzymujących stałą ciepłotę ciała zależy od ogólnej kondycji człowieka, przede wszystkim zaś od jego wydolności krążeniowej, ilości gruczołów potowych, aklimatyzacji, a więc czynników zależnych od wieku, płci, wagi ciała oraz wytrenowania [9].

Współzależność między funkcją przenoszenia tlenu a funkcją przenoszenia ciepła powoduje u człowieka, w gorącym środowisku pracy, zmiany aktywności psychosensomotorycznej. Obserwuje się spadek wydolności pracy i wskaźnika dokładności wykonywania zadań (błąd, przeoczenie), [9]. Wynika stąd konieczność klasyfikacji stanowisk pracy zarówno ze względu na stopień uciążliwości fizycznej i termicznej, jak również wymagań dotyczących precyzji wykonywanej pracy. Szczególnie wymagające - z tego punktu widzenia - stanowiska pracy są dostępne tylko dla organizmów zaaklimatyzowanych, wytrenowanych i mających duże zdolności adaptacyjne.


Komfort cieplny


Projektując warunki środowiska termicznego na stanowiskach pracy należy dążyć do osiągnięcia optymalnego samopoczucia pracowników - komfortu cieplnego. Odczucia cieplne człowieka odnoszą się głównie do równowagi cieplnej całego ciała. Na równowagę wpływa aktywność fizyczna człowieka, odzież, jaką ma na sobie, jak również parametry otoczenia: temperatura powietrza, średnia temperatura promieniowania, prędkość przepływu powietrza i wilgotność powietrza


Rys. 6

Po przeprowadzeniu oceny lub pomiarów powyższych czynników można na podstawie aktualnego stanu wiedzy [2, 11 ] przewidzieć wrażenia cieplne człowieka, wyrażone w 7-stopniowej skali wrażeń cieplnych r, jako: gorące (+3), ciepłe (+2), lekko ciepłe (+1), neutralne (0), lekko chłodne (-1), chłodne (-2), zimne (-3), obliczając wskaźnik PMV (przewidywana ocena średnia) i związany z nim wskaźnik PPD (przewidywany procent osób niezadowolonych).

Na podstawie wskaźników PMV i PPD proponuje się określenie granic komfortu cieplnego jako zadawalających dla 80% ludzi, co odpowiada wartości wskaźnika PMV zawartej w granicach - 0,5 < PMV < + 0,5.

Wskaźnik PMV wykorzystywany jest również do klasyfikacji środowisk termicznych gorących i zimnych


Rys. 7

Analizie warunków, jakie należy spełnić, aby zapewnić komfort cieplny, jak również sposobom jego ścisłej definicji poświęcono w piśmiennictwie wiele uwagi [9]. Warunki komfortu cieplnego stwarzają jednakowe i najkorzystniejsze warunki pracy, dostępne dla ogółu pracowników bez ograniczeń związanych z wiekiem i płcią. Niepotrzebna jest aklimatyzacja pracownika, możliwa jest praca całozmianowa, mogą być także wykonywane prace wymagające wyjątkowej precyzji i uwagi. W ostatnich latach komfort cieplny jest swoistego rodzaju „produktem”, który się wytwarza, sprzedaje i na który istnieje wzrastający popyt.

Według Fangera [2] w ustalonych warunkach otoczenia podstawowymi warunkami komfortu cieplnego człowieka są:
■zrównoważony bilans cieplny
■pot wydzielany w granicach przewidzianych dla komfortu
■średnia ważona temperatura skóry w granicach przewidzianych dla komfortu

(5)  

gdzie:
H - wewnętrzna produkcja ciepła człowieka
R - przekaz ciepła przez promieniowanie z powierzchni odzieży
C - przekaz ciepła na drodze konwekcji z powierzchni odzieży
K - przekaz ciepła od powierzchni skóry do wewnętrznej powierzchni odzieży
E - straty ciepła przez odparowanie potu z powierzchni skóry
E_d - straty ciepła na skutek dyfuzji pary wodnej przez skórę
E_r (Res) - straty ciepła na parowanie z dróg oddechowych
C_r - straty ciepła przez konwekcję z dróg oddechowych.

Jak zostało wcześniej powiedziane, ciepło jest wytwarzane we wnętrzu ciała a tracone z powierzchni skóry. Następnie jest transportowane przez odzież i wymieniane z otoczeniem. Logiczne rozważania, rozsądne założenia i przegląd piśmiennictwa doprowadziły do równań dających się rozwiązać względem sześciu podstawowych parametrów (t_a, t_r, p_a,v, Clo, M).

Niezadowolenie może być powodowane przez dyskomfort zimna lub gorąca odczuwanego całym ciałem. W tym przypadku granice komfortu mogą być wyrażone wskaźnikami PMV lub PPD.

Wskaźnik PPD dostarcza informacji o komforcie cieplnym lub niezadowoleniu przez przewidywanie odsetka osób, które przypuszczalnie będą odczuwały gorąco lub zimno danych warunkach środowiskowych. Wskaźnik PPD można wyliczyć ze wskaźnika PMV

Niezadowolenie może też być powodowane przez lokalny dyskomfort cieplny, którego przyczyną jest niechciane, lokalne chłodzenie lub grzanie ciała. Do najbardziej powszechnych czynników lokalnego dyskomfortu należą:

- asymetria temperatury promieniowania (zimne lub gorące powierzchnie);
- przeciąg, który jest definiowany jako lokalne chłodzenie powodowane przez ruch powietrza; - różnica temperatury powietrza w pionie lub
- zimne lub gorące podłogi.



Środowisko gorące


Powyżej strefy komfortu cieplnego (PMV >= +2), w zakresie pola wysokiej temperatury powietrza i promieniowania, rozciąga się obszar warunków klimatycznych, dla których równanie bilansu cieplnego, obliczone wyłącznie na podstawie wymiany konwekcyjnej i przez promieniowanie, ma wartość dodatnią. Warunki te będą dalej określane jako środowisko gorące, warunki stresu cieplnego lub, biorąc pod uwagę obciążenie ustroju w tych warunkach, dyskomfort gorący ogólny.

Na stanowiskach pracy w gorącym środowisku istniej możliwość dotknięcia gorącej powierzchni. W normie PN-EN 13732-1:2006 [22] można znaleźć dane dotyczące progów oparzenia, metody oceny ryzyka oparzenia, wytyczne dotyczące środków ochronnych oraz wytyczne dotyczące ustalania granicznych wartości temperatury.

Istnieją również inne przyczyny powstania stresu termicznego gorącego. Brak równowagi bilansu cieplnego może być wywołany, na przykład, zwiększeniem metabolicznej produkcji ciepła, zwiększeniem wilgotności powietrza i zmianą szybkości przepływu powietrza, gdy jego temperatura jest wyższa od średniej temperatury skóry.

Niezależnie od przyczyny powodującej powstanie stresu cieplnego, odpowiedzią termoregulacyjną ze strony organizmu człowieka jest zwiększony dopływ krwi do skóry i rozszerzenie naczyń krwionośnych skóry, a w konsekwencji zwiększenie się temperatury skóry. Gdy temperatura otoczenia przekracza 28 ÷ 32 °C zostaje uruchomiony drugi mechanizm termoregulacyjny - wydzielanie potu. Te zasadnicze dostosowanie fizjologiczne ustroju, obserwowane w środowisku gorącym, zilustrowano na foliogramach (Rys. 2) i (Rys. 3) .

Wzrost temperatury skóry zwiększa wymianę ciepła pomiędzy organizmem a środowiskiem drogą konwekcji i promieniowania, a odparowywanie potu jest najbardziej efektywnym mechanizmem rozpraszania ciepła, zwłaszcza w warunkach, gdy temperatura powietrza otoczenia jest większa od średniej ważonej temperatury skóry.

W środowisku gorącym ilość ciepła wytwarzanego w organizmie i pobieranego z otoczenia, początkowo ulega rozproszeniu w stopniu umożliwiającym utrzymanie temperatury wewnętrznej na stałym poziomie, lecz zostają włączone mechanizmy termoregulacyjne związane z intensywnym przenoszeniem ciepła przez krew z wnętrza ciała do skóry. W przypadku wysokiego obciążenia środowiskiem gorącym i/lub podczas wykonywania wysiłku ilość zgromadzonego ciepła nie może już zostać rozproszona w wyniku działania mechanizmów termoregulacyjnych i wówczas temperatura wewnętrzna osoby eksponowanej zaczyna się stopniowo podnosić [4,8]

Sprawność mechanizmów termoregulacyjnych, utrzymujących stałą ciepłotę ciała zależy od ogólnego stanu zdrowia człowieka, przede wszystkim zaś od jego wydolności fizycznej, , aklimatyzacji, sprawności pocenia, a w tym od czynników zależnych od wieku, płci, masy ciała i wytrenowania [2]

Organizm, podporządkowany prawu zachowania stałej ciepłoty, nie może oczywiście sprostać każdym obciążeniom pracy i środowiska. Wzrost częstości skurczów serca, który musi zrównoważyć zmniejszenie ciśnienia żylnego, związanego ze zwiększonym przemieszczaniem krwi od wnętrza ku powierzchni ciała w wyniku rozszerzenia naczyń krwionośnych skóry, nie powinien przekroczyć pewnego poziomu, bezpiecznego dla osoby eksponowanej na działanie środowisk termicznych, który jest zależny od wieku i poziomu zabezpieczenia medycznego osoby eksponowanej [10, 19]. Ilość wydzielonego potu nie może wzrastać nieograniczenie - przyjmuje się, że maksymalna ilość potu w ciągu 1 godziny pracy nie powinna przekroczyć 1000 gramów u osoby nie zaaklimatyzowanej i o 25 % więcej u zaaklimatyzowanej. Wreszcie, temperatura wnętrza ciała może wzrosnąć zaledwie o 1 °C, tzn. może osiągnąć 38 °C, w warunkach na stanowisku pracy [17,19]

Warunek zachowania homeotermii narzuca konieczność ograniczenia czasu przebywania człowieka w gorącym środowisku pracy. Wzrost częstości skurczów serca, maksymalna szybkość wydzielania potu oraz wzrost temperatury wewnętrznej są czułymi wskaźnikami obciążenia cieplnego organizmu i wyznaczają granice tolerancji niekorzystnego wpływu środowiska termicznego i pracy na organizm człowieka.

Współzależność między funkcją przenoszenia tlenu a funkcją przenoszenia ciepła w gorącym środowisku pracy powoduje u człowieka zmiany aktywności psychosensomotorycznej. Obserwuje się spadek wydolności pracy i wskaźnika dokładności wykonywania zadań (błąd, przeoczenie), [9]. Wynika stąd konieczność klasyfikacji stanowisk pracy zarówno ze względu na stopień uciążliwości fizycznej i termicznej, jak również wymagań dotyczących precyzji wykonywanej pracy. Szczególnie wymagające - z tego punktu widzenia - stanowiska pracy są dostępne tylko dla osób zaaklimatyzowanych, i wytrenowanych, którzy mają duże zdolności adaptacyjne do gorącego środowiska.

Fizjologiczna przewodność cieplna jest definiowana za pomocą zależności:

(6)

w której:

h_i- fizjologiczna przewodność cieplna, W·m²·K^-1
h - przewodność cieplna tkanki, W·m^-2·K^-1
C_fl - pojemność cieplna krwi, J·l^-1·K^-1
Q_sk - stopień ukrwienia skóry, l·s^-1·m^-2


W środowisku gorącym ilość ciepła wytwarzanego w organizmie i pobieranego z otoczenia, początkowo ulega rozproszeniu w stopniu umożliwiającym utrzymanie temperatury wewnętrznej na stałym poziomie, lecz zostają włączone mechanizmy termoregulacyjne związane z intensywnym przenoszeniem ciepła przez krew z wnętrza ciała do skóry. W przypadku wysokiego obciążenia środowiskiem gorącym i/lub podczas wykonywania wysiłku ilość zgromadzonego ciepła nie może już zostać rozproszona w wyniku działania mechanizmów termoregulacyjnych i wówczas temperatura wewnętrzna osoby eksponowanej zaczyna się stopniowo podnosić


Widać wyraźnie, że wzrost fizjologicznej przewodności cieplnej praktycznie może być zapewniony przez zwiększenie ukrwienia skóry, wynikające z redystrybucji przepływu przez nią krwi, kosztem obszarów wewnętrznych ciała [10].

Celem obu tych mechanizmów jest utrzymanie homeostazy termicznej w ustroju, a ich działanie powoduje wiele wtórnych zmian czynnościowych ze strony serca oraz różnych narządów i układów. Są to przede wszystkim zmiany w rozmieszczeniu krwi w ustroju, odwodnienie i utrata soli mineralnych. Ponadto, wzrost temperatury ciała wpływa na czynność ośrodkowego układu nerwowego.

Organizm podporządkowany prawu zachowania stałej ciepłoty nie może oczywiście sprostać każdym obciążeniom pracy i środowiska. Działanie środowiska cieplnego należy więc ściśle wiązać z czasem.

Na podstawie aktualnego stanu wiedzy[8, 9, 11, 14, 16] możemy ocenić nie tylko wielkość obciążenia termicznego i jego najwyższą wartość dopuszczalną (NDN), [12] lecz również wyznaczyć czas ekspozycji dopuszczalnej, określić ryzyko oraz podać warunki i wymagany czas odnowy biologicznej organizmu.

W praktyce przemysłowej do tego celu szeroko wykorzystywany jest wskaźnik WBGT (wet bulb globe temperature) opisany w normie ISO 7243 i odpowiadającej jej polskiej normie PN-EN 27243:2005[14]. Uwzględnione są przy tym wszystkie czynniki, które wpływają na obciążenie termiczne: parametry mikroklimatu, obciążenie wysiłkiem fizycznym (wielkość produkcji ciepła metabolicznego), termoizolacyjność odzieży, ruch powietrza oraz zaaklimatyzowanie bądź niezaaklimatyzowanie do środowiska gorącego.



Środowisko zimne


Poniżej strefy komfortu cieplnego (PMV <= -2), w zakresie pola niskiej temperatury zarówno powietrza, jak i promieniowania, rozciąga się obszar warunków klimatycznych, dla których równanie bilansu cieplnego, obliczone wyłącznie na podstawie wymiany konwekcyjnej i przez promieniowanie, ma wartość ujemną. Warunki te będziemy określać dalej jako środowisko zimne, warunki stresu cieplnego lub, biorąc pod wagę obciążenie ustroju w tych warunkach, dyskomfort zimny ogólny.

Powstanie stresu termicznego zimnego może mieć również inne przyczyny. Nierównowagę bilansu cieplnego wywołuje na przykład obniżenie metabolizmu i zmiana szybkości przepływu powietrza, gdy jego temperatura jest niższa od średniej temperatury skóry.

Niezależnie od przyczyny powodującej powstanie stresu termicznego zimnego, odpowiedzią termoregulacyjną ze strony ustroju człowieka jest skurcz naczyń krwionośnych skóry, wywołujący zmniejszenie skórnego przepływu krwi i przewodnictwa cieplnego tkanek powierzchniowych oraz zwiększenie wytwarzania ciepła (Rys. 8) .



Rys. 8

Oba te mechanizmy mają na celu utrzymanie homeostazy termicznej ustroju, a ich działanie powoduje wiele wtórnych zmian czynnościowych ze strony różnych narządów i układów. Należą do nich przede wszystkim zmiany w objętości i rozmieszczeniu płynów ustrojowych, w czynnościach nerek i inne.

Organizm, podporządkowany prawu zachowania stałej ciepłoty, nie może oczywiście sprostać każdym obciążeniom ze strony środowiska. Podobnie jak w przypadku środowiska gorącego, skutki działania środowiska zimnego należy ściśle wiązać z czasem jego oddziaływania, a temperatura skóry, spadek temperatury wnętrza ciała i ubytek ciepła są czułymi wskaźnikami ujemnego obciążenia termicznego organizmu i wyznaczają granice tolerancji niekorzystnego wpływu środowiska na organizm człowieka.

Zimny stres miejscowy jest oceniany za pomocą wskaźnika siły chłodzącej powietrza WCI (wind chill index). Oznaczenie wskaźnika WCI jest konieczne do oceny miejscowego chłodzenia ciała, np. powierzchni twarzy, rąk. Wraz ze wzrostem wartości tego wskaźnika rośnie niebezpieczeństwo (ryzyko) odmrożenia.

Środowisko zimne powoduje również chłodzenie całego ciała, czyli hipotermię, i dlatego w tym mikroklimacie należy stosować odzież ciepłochronną. Wymaganą ciepłochronność odzieży IREQ (required clothing insulation) określa się w jednostkach clo, w zależności od szybkości metabolicznej produkcji ciepła i parametrów środowiska zewnętrznego. Zastosowanie wymaganej ciepłochronności odzieży ma zapobiegać hipotermii i obniżeniu wewnętrznej temperatury ciała nie więcej niż o 1,0 °C, czyli do 36,0 °C [8, 9, 11, 15].

Na koniec warto zauważyć, że do oceny ryzyka związanego z obciążeniem cieplnym, do oznaczania najwyższego dopuszczalnego obciążenia organizmu (NDN) [12] środowiskiem zimnym i gorącym oraz do skorzystania z postanowień wszystkich normatywów higienicznych dotyczących oceny stresu zimnego [15], gorącego [14, 16], bądź wyznaczania strefy komfortu cieplnego [13], wymagana jest metaboliczna produkcja ciepła [8] i wartość izolacyjności cieplnej odzieży, na równi z parametrami fizycznymi środowiska.

W szczególnych przypadkach, odzież ochronna (przewidziana do stosowania w temperaturze powietrza –50 ^oC) powinna wykazywać zgodność z dyrektywą (89/686/EWG) [1] oraz posiadać znak bezpieczeństwa (CE) uzyskany na podstawie testowania, zgodnie z normami Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN) dotyczącymi środków ochrony indywidualnej (odnosi się to między innymi do obowiązku oceny izolacyjności cieplnej odzieży na manekinie termicznym).

Izolacyjność cieplną odzieży wyznacza się w wyniku bezpośrednich pomiarów strat ciepła i temperatury na powierzchni manekina ubranego w badaną odzież. Podstawową zasadą konstrukcji manekinów termicznych, wykorzystywanych do badań izolacyjności cieplnej odzieży, jest ich zdolność do uzyskania i utrzymania temperatury powierzchniowej na poziomie temperatury skóry człowieka, w warunkach komfortu cieplnego, przy ustalonej aktywności.

Manekin umieszcza się w komorze klimatycznej w temperaturze niższej od komfortowej o ok. 20 °C i czeka na uzyskanie równowagi cieplnej z otoczeniem, czyli środowiskiem w komorze klimatycznej, scharakteryzowanym temperaturą powietrza (Ta). Gdy manekin uzyska równowagę cieplną z otoczeniem, tzn. gdy ustali się temperatura powierzchni manekina Tpm i jego straty ciepła H, wówczas określa się izolacyjność odzieży (IT) na podstawie zależności:

IT = Tpm - Ta /H (3)

Według postanowień normy PN-EN ISO 9920 (U) [18], manekin stosowany w badaniach izolacyjności cieplnej odzieży powinien mieć wymiary standardowego człowieka i powinien być umieszczany w komorze klimatycznej w pozycji stojącej

Stres zimna jest określany w dwóch zakresach jako chłodzenie ogólne, obejmujące całe ciało oraz chłodzenie lokalne dotyczące szczególnych części ciała tzn. kończyn i twarzy.
Środowisko zimne może powodować wychłodzenie całego ciała, czyli hipotermię, i dlatego w takim środowisku termicznym należy stosować odzież ciepłochronną.
Aby wyznaczyć poziom ogólnego chłodzenia ciała opracowano analityczną metodę, która jest określona w normie PN-EN ISO 11079:2008 [15]. Metoda ta jest oparta na obliczeniu wymiany ciepła między ciałem i otoczeniem. W celu utrzymania równowagi cielnej ciała metoda wyznacza wymaganą izolacyjność cieplną odzieży (IREQ), jaka powinna być zapewniona osobie eksponowanej na zimne środowisko o określonych parametrach.


Wymaganą izolacyjność odzieży IREQ (required clothing insulation) określa się w jednostkach clo, w zależności od szybkości metabolicznej produkcji ciepła i parametrów środowiska termicznego. Zastosowanie wymaganej izolacyjności odzieży ma zapobiegać hipotermii i obniżeniu wewnętrznej temperatury ciała nie więcej niż o 1,0 °C, czyli do 36,0 °C [8, 9,11,15].
Lokalne chłodzenie każdej części ciała, w tym rąk, stóp i głowy, może wywołać dyskomfort, pogorszenie zdolności do pracy fizycznej i umysłowej lub uszkodzenia ciała. Aktualny stan wiedzy jest niewystarczający do opracowania pojedynczej metody oceny, dlatego zaproponowano kilka metod szczegółowych.
Środowisko termiczne w pomieszczeniach jest stosunkowo łatwe do modyfikacji za pomocą technik inżynieryjnych. Osoba wykonująca lekką, stacjonarną pracę jest wrażliwa na nieprzyjemne efekty lokalnego chłodzenia, powodowane przez przeciąg lub radiacyjne straty ciepła w kierunku zimnych powierzchni. W takich przypadkach szczególnie ważna jest ocena dyskomfortu cieplnego.


Zimne środowisko na otwartej przestrzeni jest wyznaczane przez stan pogody i klimat, a także środki ochronne, do których należą odzież ciepłochronna i kontrola ekspozycji.


Wyróżniamy następujące typy lokalnego chłodzenia [15]:

- chłodzenie konwekcyjne (chłodzenie wiatrem);
- chłodzenie przez przewodzenie;
- chłodzenie kończyn oraz
- chłodzenie dróg oddechowych.

Wdychanie powietrza o niskiej temperaturze powoduje wychłodzenie błon ścian dróg oddechowych i może być szkodliwe dla tkanki. Chłodzenie takie jest silniejsze, gdy wdychane są duże porcje powietrza, np. podczas wykonywania ciężkiej pracy fizycznej. Norma PN-EN ISO 11079:2008 [15] podaje zalecenia odnoszące się do zabezpieczania organizmu przed skutkami wdychania zimnego powietrza.

Wszystkie typy lokalnego stresu zimna mogą wystąpić równocześnie lub niezależnie od siebie.

Na otwartej przestrzeni ruch powietrza wywoduje efekt chłodzenia skóry. Ten efekt może być wyrażony za pomocą temperatury chłodzenia wiatrem (wind chill temperature, t_WC).

Kontakt z zimnymi powierzchniami wywołuje natychmiastowa wymianę ciepła między skórą i zimną powierzchnią. Ryzyko powstania nieprzyjemnego chłodzenia tkanki lub uszkodzeń spowodowanych chłodem może być ocenione zgodnie z normą PN-EN ISO 13732-3:2009 [20]..


Zapobieganie chłodzeniu kończyn lub jego zmniejszenie przez zastosowanie odpowiednich ochron tzn. rękawic lub obuwia. Metoda określająca izolacyjność cieplną rękawic jest opisana w normie PN-EN 511:2006 [21]..


Środowiska termiczne niejednorodne i o parametrach zmiennych w czasie

W dotychczasowych rozważaniach założono a priori stałość parametrów fizycznych charakteryzujących środowisko cieplne pracy zarówno w czasie, jak i w przestrzeni. W praktyce nie występują tak idealne warunki. Człowiek może się czuć ogólnie termicznie neutralny, lecz lokalnie może odczuwać dyskomfort w części ciała (może być za zimno lub za gorąco). Przyczyną tego lokalnego dyskomfortu będzie np. nadmierne promieniowanie z jednego kierunku, lokalne konwekcyjne chłodzenie (przeciągi), kontakt z gorącą lub zimną powierzchnią, wreszcie pionowy gradient temperatury.

Również poziom przemiany na ogół jest zmienny w czasie, tak, jak zmienia się wydatek energetyczny, czyli wielkość obciążenia pracą fizyczną zgodnie z wymaganiami wykonywanej pracy [6].

Dynamika zmian środowiska i pracy prowadzi do zmiennych obciążeń organizmu człowieka. W zakresie prawidłowej oceny zagrożenia (ryzyka) musi to pozostawić ślad w postaci konieczności analizowania uśrednionych wartości obciążenia. Zwiększa to znacznie liczbę niezbędnych pomiarów, które dodatkowo, przy dużej niejednorodności środowiska, powinny być prowadzone na wysokości głowy, piersi i nóg pracownika.

Powiązanie człowieka ze środowiskiem cieplnym pracy ma charakter złożony ze względu na występowanie licznych wzajemnie na siebie oddziałujących czynników. Dokładne poznanie charakteru, dynamiki i wielkości tych oddziaływań stanowi jednak niezbędną podstawę do rzetelnie prowadzonej pracy w zakresie ochrony człowieka przed skutkami obciążeń występujących przy pracy tak w zimnym, jak i gorącym klimacie. Optymalizacja przemysłowego środowiska cieplnego pracy, w celu zmniejszenia do minimum jego niekorzystnego wpływu na organizm człowieka, oznacza jednoczesną poprawę zdrowia, bezpieczeństwa i wydajności pracy. Jest więc działaniem niezbędnym z punktu widzenia humanitarnego i utylitarnego.

[1]   Dyrektywa Rady 89/686/EWG w sprawie ujednolicenia przepisów prawnych państw członkowskich  dotyczących środków ochrony indywidualnej.

[2]   Fanger P. O.: Komfort cieplny. Warszawa, Arkady 1974.

[3]   Holmer I. Protective clothing and heat stress. Ergonomics 38 (1): 166-182, 1995.

[4]   Kaciuba H. Termoregulacja. W: Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 2001.

[5]    Kaciuba-Uściłko H., Kruk B.: Termoregulacja i wpływ warunków środowiska termicznego na organizm człowieka. W: Wprowadzenie do fizjologii klinicznej. Red. S. Kozłowski, K. Nazar. Warszawa, PZWL 1999.

[6]   Koradecka D., Bugajska J.: Ocena wielkości obciążenia pracą fizyczną na stanowiskach roboczych. CIOP, Warszawa, 1998.

[7]   Kozłowski S., Nazar K., Kaciuba-Usciłko H. Fizjologia wysiłków fizycznych. W: Wprowadzenie do fizjologii  klinicznej. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 1999

[8]   Marszałek A., Sołtyński K., Spioch F.: Mikroklimat gorący i zimny. W: Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. nauk. D. Koradecka. T. 1. Warszawa, CIOP 1999.

[9]   Parsons K. C.: Human thermal environments. Taylor & Francis, London and New York, 2003.

[10]   Cardiovascular adjustment to thermal stress. Ed. J.T. Shepard, F.M. Abboud. Washington D.C. American  Physiological Society. Sec. II, vol. III, part 2: 967-1027, 1983.

[11]   Sołtyński K.: Mikroklimat. W: Czynniki szkodliwe w środowisku pracy. Warszawa, CIOP 1999.

[12]   Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. Dz.U. nr 217, poz. 1833, ze zm. 2009 (Dzu 105, poz. 8730) i 2011 (DzU 274 poz. 1621).

[13]   PN-EN ISO 7730:2006. Ergonomia środowiska termicznego – Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego (oryg).

[14]   PN-EN 27243:2005 Środowiska gorące. Ocena obciążeń termicznych działających na człowieka pracującego, z wykorzystaniem wskaźnika WBGT (oryg.).
[15]   PN-EN ISO 11079:2008. Ergonomia środowiska termicznego –Wyznaczanie i interpretacja stresu termicznego wynikającego z ekspozycji na środowisko zimne z uwzględnieniem wymaganej izolacyjności cieplnej odzieży (IREQ) oraz wpływu chłodzenia miejscowego (oryg.).

[16]   PN-EN ISO 7933:2005. Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja stresu cieplnego z wykorzystaniem obliczeń przewidywanego obciążenia termicznego (oryg.).

[17]   PN-EN ISO 9886:2005. Ergonomia. Ocena obciążenia termicznego na podstawie pomiarów fizjologicznych  (oryg.).

[18]   PN-EN ISO 9920:2008. Ergonomia środowiska termicznego. Szacowanie izolacyjności cieplnej i oporu pary wodnej zestawów odzieży.

[19] PN-EN ISO 12894:2002. Ergonomia środowiska termicznego. Opieka medyczna nad ludźmi eksponowanymi na ekstremalne środowiska gorące i zimne (oryg.).

[20]   PN-EN ISO 13732-3:2006. Ergonomia środowiska termicznego Metody oceny reakcji człowieka na dotknięcie powierzchni – Część 3: Powierzchnie zimne (oryg.).

[21]   PN-EN 511:2006. Rękawice chroniące przed zimnem (oryg.).

[22]   PN-EN 13732-1:2006. Ergonomia środowiska termicznego Metody oceny reakcji człowieka na dotknięcie powierzchni – Część 1: Powierzchnie gorące (oryg.).