Mikroklimat w środowisku pracy: Wyznaczanie obciążenia termicznego i komfortu cieplnego

Czym jest mikroklimat termiczny? 

Zrozumienie koncepcji mikroklimatu termicznego ma kluczowe znaczenie w dziedzinie komfortu w środowisku pracy. Obejmuje ono parametry środowiskowe wpływające na wymianę cieplną między osobami a ich otoczeniem w zamkniętych przestrzeniach, ostatecznie kształtując to, co nazywamy "komfortem termicznym". Czynniki mikroklimatu, podobnie jak charakter wykonywanej pracy, odgrywają kluczową rolę w odczuwaniu komfortu lub jego braku.

Mikroklimat w środowisku pracy odnosi się do warunków zlokalizowanych w ograniczonej przestrzeni. Obejmuje on unikalną kombinację temperatury, wilgotności, prędkości przepływu powietrza oraz innych czynników środowiskowych, które bezpośrednio oddziałują na komfort termiczny i samopoczucie osób przebywających w danym miejscu. Na warunki te wpływają takie czynniki jak projekt budynku oraz jego wyposażenie, obecność i sprawność instalacji HVAC, a także otoczenie zewnętrzne.

Zrozumienie i skuteczne zarządzanie mikroklimatem ma kluczowe znaczenie dla tworzenia komfortowego środowiska pracy, co bezpośrednio wpływa na zdrowie, bezpieczeństwo i wydajność pracowników.

Rodzaje mikroklimatu w środowisku pracy

Wyróżniamy trzy główne typy mikroklimatu:

• Środowisko zimne
• Środowisko umiarkowane
• Środowisko gorące

Mikroklimat zimny niesie ze sobą ryzyko ogólnego wychłodzenia organizmu oraz znacznego ochłodzenia kończyn, a nawet ryzyko odmrożeń. Mikroklimat umiarkowany może prowadzić do odczuwania lokalnego dyskomfortu, często wynikającego z przeciągów lub dużych zmian temperatury w pomieszczeniu. Natomiast mikroklimat gorący może stwarzać zagrożenia takie jak hipertermia (przegrzanie organizmu), odwodnienie czy oparzenia.

Mikroklimat jako zagrożenie w środowisku pracy

Mikroklimat gorący lub zimny jest jednym z najczęściej występujących zagrożeń w środowisku pracy. Według danych Głównego Urzędu Statystycznego z roku 2022, zagrożenie wynikające z niekorzystnego mikroklimatu (zarówno gorącego, jak i zimnego) było trzecim najczęstszym czynnikiem ryzyka w miejscu pracy.

Procent zatrudnionych w warunkach zagrożenia związanego ze środowiskiem pracy. Źródło: stat.gov.pl/obszary-tematyczne/rynek-pracy/warunki-pracy-wypadki-przy-pracy/

Aby dokładnie ocenić warunki mikroklimatu konieczne jest określenie poniższych wskaźników:

1. Wskaźnik obciążenia termicznego WBGT

Ocena obciążenia cieplnego w środowiskach pracy wyznaczana jest za pomocą wskaźnika WBGT (Wet-bulb globe temperature) . Jest to pochodna mieszanki czynników środowiskowych, w tym naturalnej temperatury termometru mokrego (Tnw), temperatury termometru kulistego (Tg), a w niektórych przypadkach temperatury powietrza (Ta). Wzór dostosowany do osoby ubranej w standardowy bawełniany strój roboczy (Icl = 0,6 i im = 0,38) jest następujący:

Dla środowiska wewnętrznego i zewnętrznego bez promieniowania słonecznego:

WBGTindoor = 0,7 Tnw + 0,3 Tg

Dla środowiska zewnętrznego pod wpływem promieniowania słonecznego:

WBGToutdoor = 0,7 Tnw + 0,2 Tg + 0,1 Ta

Obliczenia te stanowią istotne narzędzie oceny informujące o konieczności podjęcia działań mających na celu złagodzenie ryzyka stresu termicznego. Niezbędne jest opracowanie wyników pod kątem wstępnie zdefiniowanych progów, określonych w normach. Jeśli progi te zostaną przekroczone konieczne jest podjęcie natychmiastowych działań, np:

• Wdrożenie bezpośrednich środków mających na celu zmniejszenie stresu termicznego w miejscu pracy
• Przeprowadzenie dokładnej analizy panujących warunków stresu termicznego, np. wyznaczenie obciążenia termicznego.

Włączając oceny WBGT do procedur operacyjnych, organizacje zapewniają proaktywne zarządzanie stresem termicznym, chroniąc zdrowie i produktywność osób pracujących w środowiskach gorących.

Do wyznaczania wskaźnika obciążenia termicznego WBGT można posłużyć się przyrządem, który mierzy:

• Temperaturę termometru mokrego wentylacji naturalnej (Tnw)
• Temperaturę termometru kulowego (Tg)
• Temperaturę powietrza (Ta) - jeśli pomiar jest wykonywany w obecności promieniowania słonecznego

2. Przewidywane przeciętne odczucie PMV i przewidywany odsetek osób niezadowolonych PPD

Wskaźnik PMV (ang. predicted mean vote) wykorzystuje się do oceny poszczególnych warunków termicznych w miejscu pracy.

Opisany w normie EN ISO 7730, indeks PMV uwzględnia wiele zmiennych, takich jak: 

• Tempo metabolizmu organizmu człowieka
• Izolacyjność cieplna stosowanej odzieży 
• Temperatura powietrza (otoczenia) 
• Temperatura radiacyjna 
• Prędkość przepływu powietrza 
• Wilgotność względna powietrza

Wśród wskaźników zaprojektowanych w celu uwzględnienia tych złożonych czynników, indeks PMV wyróżnia się dokładnością w ocenie wzajemnego oddziaływania zmiennych fizycznych i fizjologicznych. Pochodzący z równania bilansu cieplnego, wskaźnik PMV koreluje ze skalą dobrostanu psychofizycznego, oferując wgląd w odczucia termiczne doświadczane przez osoby we wspólnym środowisku.

Z indeksu PMV wyłania się PPD (przewidywany odsetek niezadowolonych), określający ilościowo odsetek osób odczuwających dyskomfort termiczny w określonych warunkach.

Wytyczne określone w normie ISO 7730 zalecają stosowanie wskaźnika PMV w określonych zakresach zmiennych wpływających na równowagę termiczną. Parametry te obejmują wydatek energetyczny, izolację odzieży, temperaturę termometru mokrego, średnią temperaturę promieniowania, prędkość powietrza i ciśnienie cząstkowe pary wodnej.

Idealny do oceny środowisk o umiarkowanym mikroklimacie, takich jak domy, szkoły, biura i placówki opieki zdrowotnej, wskaźnik PMV służy jako cenne narzędzie do identyfikacji subtelnych stopni dyskomfortu termicznego wśród użytkowników.

Norma ISO 7730 określa wartości PMV w zakresie od +0,5 do -0,5 dla osiągnięcia komfortu cieplnego, co odpowiada PPD poniżej 10%. Aby dokładnie obliczyć wskaźniki PMV i PPD niezbędna jest znajomość tempa metabolizmu (straty energii) i izolacyjności cieplnej odzieży.

Tempo metabolizmu, wyrażane w jednostkach kcal/h lub MET, reprezentuje energię wydatkowaną przez osobę w czasie pracy. Tymczasem izolacyjność cieplna odzieży, wyrażona w CLO, oznacza izolację zapewnioną przez odzież.

Do wyznaczania wskaźników PMV i PPD służą urządzenia, które mierzą:

• Temperaturę termometru kulowego (Tg),
• Temperaturę i wilgotność względnej powietrza (Ta, RH)
• Prędkość powietrza za pomocą sondy wielokierunkowej (Va)

W celu precyzyjnego pomiaru i zastosowania wskaźników PMV i PPD zaleca się przestrzeganie norm takich jak ISO 7726 i ISO 7730. Standardy te zapewniają znormalizowaną metodologię oceny, ułatwiając podejmowanie świadomych decyzji w zakresie optymalizacji komfortu termicznego w różnych środowiskach.

3. Średnia temperatura promieniowania Tr

W zrozumieniu komfortu cieplnego kluczową rolę odgrywa średnia temperatura promieniowania (Tr).  Jest to jednolita temperatura wyobrażonego pomieszczenia, w której ciepło promieniowania z ciała ludzkiego jest takie samo jak w przypadku wymiany ciepła promieniowania w rzeczywistym, niejednorodnym środowisku. 

Pomiar średniej temperatury promieniowania obejmuje wykrycie kilku kluczowych czynników, w tym temperatury termometru kulowego, temperatury powietrza i prędkości powietrza w pobliżu termometru kulowego. Integrując te zmienne, można uzyskać dokładną ocenę Tr, zapewniając cenny obraz wpływu środowiska termicznego na osoby na różnych stanowiskach pracy.

To kompleksowe podejście do oceny średniej temperatury promieniowania przyczynia się do lepszego zrozumienia komfortu termicznego, ułatwiając podejmowanie świadomych decyzji w tworzeniu środowisk sprzyjających dobremu samopoczuciu i produktywności.

W odróżnieniu od temperatury powietrza, średnia temperatura promieniowania (Tr) oferuje bardziej szczegółowe zrozumienie warunków termicznych w przestrzeni.

Sonda temperatury - poczerniona kula model TP3276.2 marki Senseca

Średnią temperaturę promieniowania można zmierzyć za pomocą termometru kulowego - specjalnej sondy z miedzianą kulą pokrytą matową czernią o emisyjności (εg) 0,95, zgodnie z normą ISO 7726. Wyposażony w czujnik Pt100, termometr kulisty dokładnie mierzy temperaturę Tr, która może znacznie przekraczać temperaturę powietrza na stanowisku pracy.

4. Intensywność turbulencji TU i współczynnik przeciągu DR

Lokalna intensywność turbulencji, wyrażona w procentach, jest definiowana jako stosunek  lokalnego odchylenia standardowego prędkości powietrza do lokalnej średniej prędkości powietrza (ISO 7726):

gdzie:

v_a - średnia miejscowa prędkość powietrza [m/s]

SD - odchylenie standardowe prędkości miejscowej

gdzie:

v_ai - prędkość powietrza w momencie “i” w czasie pomiaru.

Na podstawie obliczeń turbulencji, znając średnie wartości lokalnej prędkości wiatru i temperatury otoczenia, uzyskuje się współczynnik przeciągu DR, zgodnie z normą ISO 7730:

Dyskomfort związany z przepływem powietrza jest definiowany jako niepożądane miejscowe ochłodzenie ciała spowodowane ruchem powietrza.

Wskaźnik DR wskazuje odsetek osób, które są niezadowolone z powodu prądu powietrza.

Wskaźnik DR jest obliczany, gdy temperatura wynosi od 20 do 26°C, a średnia prędkość powietrza jest mniejsza niż 0,5 m/s.

Do pomiaru intensywności turbulencji i wskaźnika przeciągu należy posłużyć się sondą wszechkierunkową prędkości powietrza o zakresie od min. 0,05 m/s.

Sonda wszechkierunkowa do pomiaru prędkości powietrza, model AP3203 marki Senseca

Aby obliczyć intensywność turbulencji TU i współczynnik przeciągu DR, należy odnieść się do norm:

• ISO 7726
• ISO 7730

Zrozumienie i badanie powyższych wskaźników ma kluczowe znaczenie dla tworzenia środowisk pracy, w których komfort i dobre samopoczucie pracowników traktowane są priorytetowo. Wykorzystując wyniki uzyskane z oceny mikroklimatu termicznego, pracodawcy mogą wdrożyć środki w celu optymalizacji warunków, zwiększając w ten sposób produktywność oraz zadowolenie pracowników.

Bibliografia:

1. PN-ISO 7726:2001 Ergonomia środowiska termicznego -- Przyrządy do pomiaru wielkości fizycznych
2. PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego -- Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów miejscowego komfortu termicznego
3. Główny Urząd Statystyczny, Warunki pracy w 2022 r., http://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/rynek-pracy/warunki-pracy-wypadki-przy-pracy/
4. Karta katalogowa i instrukcja obsługi miernika HD32.3TC marki Senseca

Artykuł opracował Piotr Pacześny