4. Производственный микроклимат и его влияние на организм человека

4.1. Характеристика системы «микроклимат – человек»

В процессе труда в производственном помещении человек находится под влиянием определенных метеорологических условий или микроклимата (климата внутренней среды этих помещений). К основным нормируемым показателям микроклимата воздуха рабочей зоны относятся температура (t, °С), относительная влажность (φ, %), скорость движения воздуха (V, м/с), давление и состав атмосферного воздуха. В нормальных условиях химический состав чистого воздуха в % по объему следующий: азот ≈ 78,08; кислород ≈ 20,94; аргон, неон и другие инертные газы ≈ 0,94; углекислый газ ≈ 0,03; прочие газы ≈ 0,01. В воз­духе могут находиться вредные вещества различного происхождения в виде газов, паров, аэрозолей, в том числе радиоактивные.

Существенное влияние на параметры микроклимата и состояние человеческого организма оказывает интенсивность теплового излучения (I, Вт/м2) различных нагретых поверхностей, если температура которых превышает температуру в производственном помещении.

Относительная влажность воздуха представляет собой отношение фактического количества паров воды в воздухе при данной температуре D (г/м³) к количеству водяного пара, насыщающего воздух при этой температуре, D₀ (г/м³): φ = (D/D₀) · 100 %. Если в производственном помещении находятся различные источники тепла, температура которых превышает температуру человеческого тела, то тепло от них самопроизвольно переходит к менее нагретому телу, т. е. к человеку. Известно, что различают три принципиально разных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц (атомов, молекул или электронов), непосредственно соприкасающихся друг с другом. Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Тепловое излучение - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным.

Тепло, поступающее в производственное помещение от различных источников, влияет на температуру воздуха в нем. В производственных помещениях с большим тепловыделением приблизительно 2/3 тепла поступает за счет излучения, а практически все остальное количество приходится на долю конвекции. Количество тепла, переданного окружающему воздуху конвекцией (Q _к, Вт), при непрерывном процессе теплоотдачи может быть рассчитано по закону теплоотдачи Ньютона, который для непрерывного процесса теплоотдачи записывается в вид

Q _к = αS(T – T_В), (4.1)

где α – коэффициент конвекции, Вт/(м² · град); S – площадь теплопередачи, м³;

T и T_В – температура источника и окружающего воздуха, K.

Источником теплового излучения как в производственных условиях, так и при экстремальных воздействиях является расплавленный или нагретый металл, открытое пламя, нагретые поверхности оборудования. Количество тепла, переданного посредством излучения (Q _и , Дж) от более нагретого тела с температурой T ₁ K к менее нагретому телу с температурой T ₂ K, определяется по уравнению Стефана – Больцмана:

Q _и = C _пр ε F ₁ ψ_{1 – 2} {( T ₁ / 100 ⁴) – (T ₂ / 100 ⁴)}, (4.2)

где C _пр – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м² · К⁴); ε – степень черноты окружающих предметов; F ₁ – площадь поверхности, излучающий лучистый поток, м²; ψ_{1 – 2} – коэффициент облучаемости, зависящий от расположения и размеров поверхностей F ₁ и F ₂ и показывающий долю лучистого потока, приходящегося на поверхность F ₂ от всего потока, излучаемого поверхностью F ₁ ; T ₁ – средняя температура поверхности тела и одежды человека, К; T ₁ – средняя температура окружающих поверхностей, К,

при значениях параметров, приведенных ниже (см. раздел 12).

Человек в процессе труда постоянно находится в состоянии теплового взаимодействия с окружающей средой. Для нормального протекания физиологических процессов в организме человека требуется поддержание практически постоянной температуры его внутренних органов (приблизительно 36,6°С). Способность человеческого организма к поддержанию постоянной температуры носит название терморегуляции. Терморегуляция достигается отводом выделяемого организмом тепла в процессе жизнедеятельности в окружающее пространство.

Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени его физического напряжения и параметров микроклимата в производственном помещении и составляет в состоянии покоя 85 Вт, возрастая до 500 Вт при тяжелой физической работе.

Теплопередача от организма человека в окружающую среду происходит следующими путями: в результате теплопроводности через одежду (Q _т); конвекции тела (Q _к); излучения на окружающие поверхности (Q _и); испарения влаги с поверхности кожи (Q _исп); за счет нагрева выдыхаемого воздуха (Q _вв), то есть:

Q _общ = Q _т + Q _к + Q _и + Q _исп + Q _вв . (4.3)

Уравнение (4.3) есть уравнение теплового баланса. Вклад перечисленных выше путей передачи тепла непостоянен и зависит от параметров микроклимата в производственном помещении, а также от температуры окружающих человека поверхностей (стен, потолка, оборудования и др.). Если температура этих поверхностей ниже температуры человеческого тела, то теплообмен излучением идет от организма человека к холодным поверхностям. В противном случае теплообмен осуществляется в обратном направлении – от нагретых поверхностей к человеку. Теплоотдача конвекцией зависит от температуры воздуха в помещении и скорости его движения на рабочем месте, а отдача теплоты путем испарения - от относительной влажности и скорости движения воздуха. Основную долю в процессе отвода тепла от организма человека (порядка 90% общего количества тепла) вносят излучение, конвекция и испарение.

Нормальное тепловое самочувствие человека при выполнении им работы любой категории тяжести достигается при соблюдении теплового баланса, уравнение которого приведено выше. Рассмотрим, как влияют основные параметры микроклимата на теплоотдачу от организма человека в окружающую среду.

Влияние температуры окружающего воздуха на человеческий организм связано в первую очередь с сужением или расширением кровеносных сосудов кожи. Под действием низких температур воздуха кровеносные сосуды кожи сужаются, в результате чего замедляется поток крови к поверхности тела и снижается теплоотдача от поверхности тела за счет конвекции и излучения. При высоких температурах окружающего воздуха наблюдается обратная картина: за счет расширения кровеносных сосудов кожи и увеличения притока крови существенно увеличивается теплоотдача в окружающую среду.

Повышенная влажность (φ > 85%) затрудняет теплообмен между организмом человека и внешней средой вследствие уменьшения испарения влаги с поверхности кожи, а низкая влажность (φ < 20%) приводит к пересыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Движение воздуха в производственном помещении улучшает теплообмен между телом человека и внешней средой, но излишняя скорость движения воздуха (сквозняки) повышает вероятность возникновения простудных заболеваний.

Постоянное отклонение от нормальных параметров микроклимата приводит к перегреву или переохлаждению человеческого организма и связанным с ними негативным последствиям: при перегреве - к обильному потоотделению, учащению пульса и дыхания, резкой слабости, головокружению, появлению судорог, а в тяжелых случаях - возникновению теплового удара. При переохлаждении возникают простудные заболевания, хронические воспаления суставов, мышц и др.

Температура тела человека характеризует процесс терморегуляции организма. Она зависит от скорости потери теплоты, которая, в свою очередь, зависит от температуры и влажности воздуха, скорости его движения, наличия тепловых излучений и теплозащитных свойств одежды. Выполнение работ средней тяжести и тяжелых (категорий IIб и III) сопровождается повышением температуры тела на 0,3...0,5 °С. При повышении температуры тела на 1 °С начинает ухудшаться самочувствие, появляются вялость, раздражительность, учащаются пульс и дыхание, снижается внимательность, растет вероятность несчастных случаев. При температуре 39 °С человек может упасть в обморок.

Температура кожного покрова человека, находящегося в состоянии покоя в комфортных условиях, находится в пределах 32...34 °С. С повышением температуры воздуха она также растет до 35 °С, после чего возникает потоотделение, ограничивающее дальнейшее увеличение температуры кожи, хотя в отдельных случаях (особенно при высокой влажности воздуха) она может достигать 36...37 "С. Установлено, что при разности температур на центральных и периферических участках поверхности тела менее 1,8 °С человек ощущает жару; 3...5 °С — комфорт; более 6 °С — холод. При увеличении температуры воздуха также уменьшается разница между температурой кожи на открытых и закрытых участках тела.

Теплоощущения человека чаще всего оценивают по пяти- или семибалльной шкале: по пятибалльной — «холодно», «прохладно», «комфорт», «тепло», «жарко»;

по семибалльной — «очень холодно», «холодно», «прохладно», «комфорт», «тепло», «жарко», «очень жарко».

Эти ощущения человека зависят также от термического сопротивления R_Т, его одежды, представляющего собой отношение толщины слоя одежды (толщина хлопковых тканей колеблется в пределах 0,10...0,22 мм, а шелковых — 0,043...0,07 мм) к коэффициенту теплопроводности материала , из которого она сделана. Для натурального шелка  = 0,043...0,053 Вт/(м · К), шерстяной ткани — 0,052, льняной ткани — 0,088, кожи — 0,15, для капрона  = 0,24 Вт//(м · К).

Для исключения перечисленных выше негативных последствий необходимо правильно выбирать параметры микроклимата в производственных помещениях.

4.2. Оптимальные и допустимые микроклиматические условия

Факторы, влияющие на микроклимат, можно разделить на две группы: нерегулируемые (комплекс климатообразующих факторов данной местности) и регулируемые (особенности и качество строительства зданий и сооружений, интенсивность теплового излучения от нагревательных приборов, кратность воздухообмена, количество людей в помещении и др.). Для поддержания параметров воздушной среды рабочих зон в пределах гигиенических норм решающее значение принадлежит факторам второй группы.

В ГОСТ 12.1.005 установлены оптимальные и допустимые микроклиматические условия. При длительном и систематическом пребывании человека в оптимальных микроклиматических условиях сохраняется нормальное функциональное и тепловое состояние организма без напряжения механизмов терморегуляции. При этом ощущается тепловой комфорт (состояние удовлетворения внешней средой), обеспечивается высокий уровень работоспособности. Такие условия предпочтительны на рабочих местах.

Допустимые микроклиматические условия при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма и напряжение механизмов терморегуляции, не выходящие за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом не нарушается состояние здоровья, но возможны дискомфортные теплоощущения, ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.

В соответствии с этим ГОСТом различают холодный и переходный периоды года (со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +10°С), а также теплый период года (с температурой + 10°С и выше). Все категории выполняемых работ подразделяются на: легкие (энергозатраты до 172 Вт), средней тяжести (энергозатраты до 172-293 Вт) и тяжелые (энергозатраты более 293 Вт). По количеству избыточного тепла все производственные помещения делятся на помещения с незначительными избытками явной теплоты (Q < 23,2Дж/м3-с) и помещения со значительным избытком явной теплоты (Q > 23,2Дж/м3-с). Производственные помещения с незначительными избытками явной теплоты относятся к "холодным цехам", а со значительными - к "горячим". При постоянном тепловом облучении человеческого организма наступают нарушения в деятельности его основных систем и в первую очередь сердечно-сосудистой и нервной систем. Предельно допустимый уровень (нормируемое значение) интенсивности теплового излучения при облучении поверхности тела: 50% и более - 35,0 Вт/м²; от 25 до 50% - 70,0 Вт/м²; не более 25% - 100 Вт/м².

В качестве примера определим оптимальные и допустимые параметры микроклимата на постоянных рабочих местах исходя из следующих показателей: категория работ - тяжелая, период года - холодный, помещения - с незначительным избытком явной теплоты. Явная теплота - это теплота, поступающая в производственное помещение от оборудования, отопительных приборов, солнечного нагрева, людей и других источников воздействия на температуру воздуха в этом помещении, Таблица 4.1.

По ГОСТу 12.1.005 находим следующие параметры микроклимата:

Таблица 4.1.

Параметр	Величина параметра
	Оптимальная	Допустимая
Температура воздуха, °С 16 – 18 Относительная влажность воздуха, % 40 – 60 Скорость движения воздуха, м/с Не более 0,3		13 – 19 Не более 75 Не более 0,5

4.3. Поддержание нормальных параметров микроклимата

Для поддержания нормальных параметров микроклимата в рабочей зоне применяют следующие основные мероприятия: механизацию и автоматизацию технологических процессов, защиту от источников теплового излучения, устройство систем вентиляции, кондиционирования воздуха и отопления.

Кроме того, важное значение имеет правильная организация труда и отдыха работников, выполняющих трудоемкие работы или работы в горячих цехах. Для этих категорий работников устраивают специальные места отдыха в помещениях с нормальной температурой, оснащенных системой вентиляции и снабжения питьевой водой.

Рассмотрим более подробно перечисленные мероприятия. Механизация и автоматизация производственного процесса позволяют либо резко снизить трудовую нагрузку на работающих (массу поднимаемого и перемещаемого вручную груза, расстояние перемещения груза, уменьшить переходы, обусловленные технологическим процессом, и др.), либо вовсе убрать человека из производственной среды, переложив его трудовые функции на автоматизированные машины и оборудование. Однако автоматизация технологических процессов требует значительных экономических затрат, что затрудняет внедрение указанных мероприятий в производственную практику.

Для защиты от теплового излучения используют различные теплоизолирующие материалы, устраивают теплозащитные экраны и специальные системы вентиляции (воздушное душирование). Перечисленные выше средства защиты носят обобщающее понятие теплозащитных средств. Теплозащитные средства должны обеспечивать тепловую облученность на рабочих местах не более 350 Вт/м² и температуру поверхности оборудования не выше 35°С при температуре внутри источника тепла до 100°С и не выше 45°С - при температуре внутри источника тепла выше 100°С.

Основным показателем, характеризующим эффективность теплоизоляционных материалов, является низкий коэффициент теплопроводности, который составляет для большинства из них 0,025…0,2 Вт/м·К.

Для теплоизоляции используют различные материалы, например, асбестовую ткань и картон, специальные бетон и кирпич, минеральную и шлаковую вату, стеклоткань, углеродный войлок и др. Так, в качестве теплоизоляционных материалов для трубопроводов пара и горячей воды, а также для трубопроводов холодоснабжения, используемых в промышленных холодильниках, могут быть использованы материалы из минеральной ваты.

Теплозащитные экраны используют для локализации источников теплового излучения, снижения облученности на рабочих местах, а также для снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место. Часть теплового излучения экраны отражают, а часть поглощают.

Для количественной характеристики защитного действия экрана используют следующие показатели: кратность ослабления теплового потока (m), а также эффективность действия экрана (η_э). Показатель m определяет, во сколько раз первоначальный тепловой поток на рабочем месте превышал тепловой поток на рабочем месте после установки экрана, а показатель η_э - какая часть из первоначального теплового потока доходит до рабочего места, защищенного экраном. Эффективность % для большинства экранов лежит в пределах 50…98,8%.

Различают теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие экраны. Теплоотражающие экраны изготавливаются из алюминия или стали, а также фольги или сетки на их основе. Теплопоглощающие экраны представляют собой конструкции из огнеупорного кирпича (типа шамота), асбестового картона или стекла (прозрачные экраны). Теплоотводящие экраны - это полые конструкции, охлаждаемые изнутри водой.

Своеобразным теплоотводящим прозрачным экраном служит так называемая водяная завеса, которую устраивают у технологических отверстий промышленных печей и через которую вводят внутрь печей инструменты, обрабатываемые материалы, заготовки и др.

4.4. Обоснование системы отопления

Произведем расчет системы отопления для обеспечения температурного режима на рабочем месте.

1. Расчет по методу теплового баланса.

Теплота, выделяемая батареей системы отопления в окружающую среду

Q_Бат = m ∙ c_ТН (T_ТН – T_ОС ) , (4.4)

где m – масса теплоносителя (горячей воды); m = v ∙ τ , v – скорость расхода, τ – длительность подачи, T_ТН и T_ОС - соответственно температура теплоносителя и окружающей среды.

Количество теплоты, необходимой для прогрева помещения от наружной T_нар до требуемой температуры T_тр

Q_Бат = (ρ_возд V_пом c_{p возд} + ρ_стен V_ст c_ТН ) ∙ (T_тр – T_нар ). (4.5)

С учетом потерь (k_пот) определим время τ достижения теплового равновесия в помещении

τ = Q_пом / (k _пот ∙ v ∙ c_ТН (T_ТН – T_тр ). (4.6)

При V_пом = 60 м ³; V_ст = 5 м ³; ρ_возд =1,3 кг ∙ м ^{– 3} ; ρ_ст =1,8 ·10 ³ кг ∙ м ^{– 3}; c_{p возд} =1 кДж/(кг∙ К); c_ст = 1 кДж / (кг ∙ К) ; c_ТН = 4 кДж / (кг ∙ К) ; T_ТН = 343 К ; T_тр = 293 К ; T_нар = 273 К ; v = 1 кг / мин ; k _пот = 0,5 получим, что τ = 25 часов.

2. Расчет по мощности конвективного и теплопроводного потоков.

Мощность, передаваемая батареей с учетом конвективного и теплопроводного потоков по закону Ньютона

N _Бат = N _к + N_Теп = (α _к + α _т) ∙ F _эф ∙ (T_ТН – T_нар) , (4.7)

где α _к , α _т – коэффициенты передачи путем конвекции и теплопроводности, Вт/(м²К), причем для воздуха примем, что α _к = 4; α _т = 10 Вт/(м²К); F _эф – эффективная площадь батареи. Причем считаем, что десятисекционная батарея имеет площадь 2 м ².

На основании зависимости теплового баланса k _пот ∙ τ ₁ ∙ N _Бат = Q_пом время прогрева помещения до требуемой температуры T_тр (293 К) найдем из соотношения

τ₁ = Q_пом / (k _пот (α _к + α _т) ∙ F _эф (T_ТН – T_тр )). (4.8)

В результате подстановки конкретных значений, см. п.1, получим τ₁ = 1,8 суток.

4.5. Определение характеристик систем вентиляции и кондиционирования

Под характеристиками систем вентиляции и кондиционирования будем понимать их производительность по воздуху, по холоду и по теплу, а также кратность воздухообмена и косвенный показатель – время работы системы для достижения требуемого эффекта. Они определяются в процессе проектирования систем.

Кратность воздухообмена определяет условие удаления из помещения избыток тепла, влаги и примесей для их разбавления до допустимых концентраций. Масса приточного воздуха М _пр , поданного для ассимиляции тепла, выделяемого в помещении в течение 1 часа

М _пр = Q_пом / ( c_р ∙ (T_вн – T_прит )) . (4.9)

При условии, что c_{p возд} = 1 кДж / (кг ∙ К), T_вн = 293 К , T_прит = 288 К и Q_изб = 1000 кДж получим: М _пр = 200 кг. Если V_пом = 60 м³, то кратность воздухообмена k =V₁ / V_пом ≈ 3.

Приход приточного воздуха w (м ³/ час) для разбавления газо- и парообразных примесей до ПДК

w = М _г / (ПДК – n _прит), (4.10)

где М _г – массовая скорость выделения вредного газа, г / час; ПДК и n _прит – предельно-допустимая концентрация и концентрация в приточном воздухе вредного газа. Например, относительно углекислого газа, ПДК СО ₂ = 50 г / м³, n _прит = 0, М _г = 1000 г/час, требуемый приход воздуха w = 20 м ³/ час.

4.6. Аэроионизация

Воздух характеризуется ионным составом.

Ионизация воздуха – процесс превращения нейт­ральных атомов и молекул воздушной среды в электри­чески заряженные частицы (ионы). Ионы в воздухе могут образовываться вследствие естественной, техно­логической и искусственной ионизации. Естественная ионизация происходит в результате воздействия на воздушную среду космических излуче­ний и частиц, выбрасываемых радиоактивными веще­ствами при их распаде. Естественное ионообразование происходит повсеместно и постоянно во времени. Технологическая ионизация происходит при воздей­ствии на воздушную среду радиоактивного, рентгено­вского и ультрафиолетового излучения, термоэмиссии, фотоэффекта и других ионизирующих факторов, обус­ловленных технологическими процессами. Образовав­шиеся при этом ионы распространяются в основном в непосредственной близости от технологической уста­новки. Искусственная ионизация осуществляется специаль­ными устройствами – ионизаторами. Ионизаторы обес­печивают в ограниченном объеме воздушной среды за­данную концентрацию ионов определенной полярности. Характеристиками ионов являются подвижность и заряд. Подвижность ионов выражается коэффициентом пропорциональности «К» (см/сек) • (см/В) между скоро­стью ионов и напряженностью электрического поля, воз­действующего на ион. Подвижность ионов зависит от их массы: чем больше масса, тем меньше скорость переме­щения иона в электрическом поле. По подвижности весь спектр ионов условно делят на пять диапазонов: легкие К > 1,0; средние 1,0 > К > 0,01; тяжелые 0,01 > К > 0,001; ионы Ланжевена 0,001 > К > 0,0002; сверхтяжелые ионы 0,0002 > К. Каждый ион имеет положительный или отрицатель­ный электрический заряд (полярность). Наряду с возникновением происходит непрерывное исчезновение ионов. Факторами, определяющими ис­чезновение легких ионов, являются: рекомбинация двух легких ионов разных полярностей; адсорбция легких ионов на незаряженных ядрах конденсации; рекомбина­ция легкого и тяжелого ионов зарядами противополож­ных знаков и др.

В зависимости от соотношения процессов ионизации и деионизации устанавливается определенная степень ионизированности воздуха. Степень ионизированности воздушной среды определяется количеством ионов каж­дой полярности в одном кубическом сантиметре возду­ха. Определение количества ионов и их полярности осу­ществляется счетчиками ионов. По результатам измерения рассчитывается показатель полярности. Показателем полярности П является отношение разности числа ионов положительной п₊ и отрицательной п_- полярности к их сумме, т. е. .

Показатель полярности может изменяться от + 1 до – 1. При равенстве количества ионов положительного и отрицательного знака П = 0.

Санитарно-гигиенические нормы регламентируют количество только легких ионов. Минимально необходимый и максимально допустимый уровни определяют интервал концентраций ионов во вдыхаемом воздухе названных помещений: минимально необходимый – 600; оптимальный – до 3000; максимальный 50000 (отрицательных ионов / см ^{– 3} ).