Методические рекомендации по расчету теплоизоляции комплекта индивидуальных средств защиты работающих от охлаждения и времени допустимого пребывания на холоде (утв. Департаментом госсанэпиднадзора Минздрава РФ 25 октября 2001 г. N 11-0/279-09)

                          I  = (T  - T )/q                            (1)

                           k     k    b   п

2.1. Расчет средней величины "сухого" теплового потока, необходимого для определения должной теплоизоляции комплекта СИЗ

 

Величина g_п вычисляется в соответствии с уравнением теплового баланса:

 

                 g  = g     + g     = g  - W - g

                  п    конв.   рад.    м        к.дых.

 

               - g         - g       +- дельта g                      (5)

                  исп.дых.    исп.к.            т.с.

 

 

где:

     W            - эффективная мощность механической работы, Вт/м2;

     g            - теплопотери конвекцией при дыхании, Вт/м2;

      к.дых.

     g            - теплопотери испарением влаги при дыхании, Вт/м2;

      исп.дых.

     g            - потери   тепла   испарением влаги с поверхности тела,

      исп.к.        Вт/м2;

     Дельта g     - изменение теплосодержания в организме, Вт/м2.

             т.с.

 

Изменение теплосодержания в организме представляет собой разность между величиной g_м и суммой теплопотерь организма. Величина g(к.дых.) может быть определена по формуле 6 (4):

 

                g       = 0,0014 х g (Т     - Т ),                    (6)

                 к.дых.             м  выд.    в

 

где

 

Т - температура выдыхаемого воздуха, °С, вычисляемая по выд. формуле 7 (4):

 

                   Т     = 29 + 0,2 х Т , °С,                         (7)

                    выд.               в

 

Величина g_исп.дых. вычисляется по формуле 8 (4):

 

             g         = 0,0173 x g (Р     - Р ), Вт/м2,              (8)

              исп.дых.             м  выд.    в

 

где

     Р     - давление насыщенного водяного пара при температуре

      выд.   выдыхаемого воздуха (Т_выд.), кПа;

     P     - давление водяного пара в атмосфере, кПа.

      в

 

Теплопотери испарением влаги с поверхности тела, g_исп.к., могут быть определены по формуле 9:

 

              g       = w x (Р      - Р )/R   , Вт/м2,                (9)

               исп.к.         нас.к    в   сум

 

где

     w - доля увлажненного участка тела,   участвующего    в  теплообмене

         испарением, безразмерная величина.

 

Величина W в условиях некоторого охлаждения принимается равной 0,06; в условиях теплового комфорта может быть определена как равная 0,001 x g_м.

Р_нас.к - давление насыщенного водяного пара при температуре кожи, кПа. Оно может быть определено либо по психометрическим таблицам, либо по формуле 10 (4):

 

                            18,6686 - 4030,183/(T  + 235)

                                                 к

          Р      = 0,1333  е                                         (10)

           нас.к

 

R_сум - суммарное сопротивление одежды испарению влаги, м2 x кПа/Вт, которое может быть определено из выражения:

 

                            R    = R  + R  ,

                             сум    в    од

 

где

     R  - сопротивление испарению   влаги   слоя  воздуха, прилегающего к

      в   поверхности одежды;

    R   - сопротивление  испарению   влаги   пакета   материалов одежды и

     од   воздушных прослоек между ними.

 

Величина R_сум с некоторым приближением может быть определена из формулы 11:

 

                        R    = 0,18 х (I  - I )                      (11)

                         сум            к    в

 

В том случае, когда для изготовления одежды используются паропроницаемые материалы, то расчет потерь тепла испарением с поверхности тела человека может быть осуществлен по формуле 12:

 

           g       = (8,816 + 0,390 х g )/S - g        ,             (12)

            исп.к.                     м       исп.дых.

 

где

     S - площадь поверхности тела обнаженного человека, м2 (по Д'Буа).

 

Пример расчета средней величины g_п необходимого для определения должной теплоизоляции комплекта СИЗ (I_к)

 

Следует определить должную величину g_п, применительно к человеку, выполняющему физическую работу с энерготратами 130 Вт/м2 при температуре воздуха -10°С, при условии сохранения теплового баланса (то есть Дельта g_т.с. = 0).

Для этой цели выполняются следующие этапы расчета:

- по формуле 7 определяется температура выдыхаемого воздуха:

 

                   Т     = 29 + 0,2 х (-10)= 27 °С;

                    выд.

 

- по формуле 6 рассчитываются потери тепла дыханием за счет конвекции:

 

            g       = 0,0014 х 130(27 - (-10)) = 6,73 Вт/м2;

             к.дых.

 

- используя формулы 8 и 7, рассчитываются потери тепла за счет испарения влаги с верхних дыхательных путей:

 

         g         = 0,0173 х 130 х (3,56 - 0,285) = 7,37 Вт/м2;

          исп.дых.

 

- из формулы 12 определяется величина q_исп.к.:

 

         g       = (8,816 + 0,390 х 130)/1,8 - 7,37 = 25,7 Вт/м2;

          исп.к.

 

- по уравнению 5 рассчитывается величина g_п при условии, что эффективная мощность механической работы (W) равна 0:

 

               g  = 130 - 0 - 6,75 - 7,37 - 25,7 = 90,2 Вт/м2.

                п

 

Если для изготовления одежды предполагается использовать паропроницаемые материалы (индекс паропроницаемости пакета материалов составляет 0,30 и более), то должная величина g_п (в диапазоне температур воздуха до -10°С) может быть ориентировочно определена также из формулы 13:

 

   g  = 46,1 + 21,9((g  - 64,4)/32,2) = 46,1 + 21,9((130 - 64,4)/32,2) =

    п                 м

 

                             = 90,7 Вт/м2.

 

В случае необходимости регламентации времени пребывания на холоде величина g_п, рассчитанная для случая сохранения теплового комфорта (см. выше), может быть увеличена в соответствии с допускаемой степенью охлаждения человека и продолжительностью его пребывания на холоде. Согласно (3) величина дефицита тепла в организме (Д) не должна превышать 52 Вт х ч/м2. При данной степени охлаждения человек оценивает свои теплоощущения как "прохладно".

Таким образом, величина g_п, используемая для вычисления теплоизоляции, может быть определена с учетом планируемого времени непрерывного пребывания на холоде (тау, час):

 

                       g  = g     + Д/тау, Bт/м2,

                        п    п.к.

 

где:

     q    - величина  теплового потока при условии сохранения   теплового

      п.к   комфорта.

 

Если время непрерывного пребывания на холоде будет ограничено, например, тремя часами, то для расчета теплоизоляции комплекта и величину q_п следует принять равной 108 Вт/м2 (90,7 + 52/3).

2.2. Пример расчета должной величины теплоизоляции комплекта СИЗ (I_к)

 

Согласно формуле 1 помимо сведений о величине теплового потока для расчета теплоизоляции комплекта, необходимы данные о средневзвешенной температуре кожи (Т_к). Ее значение выбирается в соответствии с допускаемой степенью охлаждения организма (Табл.1). При этом Т_к не должна быть ниже, чем это вытекает из формулы 3.

Таким образом, величину теплоизоляции комплекта СИЗ, необходимую для обеспечения теплового комфорта в течение длительного времени, следует рассчитывать при уровне энерготрат 130 Вт/м2 из значений g_п.к. и Т_к, равных соответственно 90,7 Вт/м2 и 31,5°С (формула 2):

I_к = (31,5 - (-10))/90,7 = 0,458°С х м2Вт (2,95 кло) (1 кло = 0,155°С х м2/Вт), а величину I_к, необходимую для защиты от охлаждения в течение времени не более трех часов, - исходя из величин g_п и Т_к, равных соответственно 108 Вт/м2 и 28,7°С:

I_к = (28,7 - (-10))/108 = 0,358°С х м2/Вт (2,13 кло).

Однако поскольку в условиях воздействия ветра и в процессе выполнения физической работы теплоизоляция комплекта снижается, то должна быть введена соответствующая поправка в величину I_к, которая определяется в соответствии с формулой 14 (5):

 

                       С =(0,02 х B + 2) х V + 5,                    (14)

 

где:

     В - воздухопроницаемость    внешнего   слоя   одежды, измеренная при

         перепаде давления 49 Па, дм3/м2 х с;

     V - скорость ветра, м/с;

     С - снижение теплоизоляции в %.

 

Если, например, предполагается эксплуатировать СИЗ в климатическом регионе, где наиболее вероятная скорость ветра в зимние месяцы составляет 5,6 м/с, а в качестве внешнего слоя планируется использовать материал, имеющий воздухопроницаемость 10 дм3/м2 х с, то теплоизоляция комплекта должна снизиться на 20,3% (формула 14). Должная величина теплоизоляции комплекта в этом случае с учетом поправки на ветер определяется по формуле 15:

 

         I     = (I  х 100)/(100 - (0,07 х B + 2) х V + 5)           (15)

          к.в.     к

 

Сказанное означает, что, если СИЗ предполагается эксплуатировать в условиях воздействия ветра, то величина их теплоизоляции должна быть увеличена в соответствии с формулой 15. Для данного случая величина теплоизоляции комплекта с учетом поправки на ветер и воздухопроницаемость внешнего слоя, движение человека (l_к.в.), при условии сохранения теплового комфорта должна быть равной 0,572°С х м2/Вт, а при допущении указанного выше охлаждения - 0,447°С х м2/Вт.

2.3. Расчет теплоизоляции комплекта СИЗ для различных климатических регионов и времени допустимого пребывания на холоде

 

В таблице 2 применительно к метеорологическим условиям различных климатических регионов приведены должные величины теплоизоляции комплекта с учетом его воздухопроницаемости и скорости ветра.

Величины теплоизоляции рассчитаны исходя из следующих данных:

- энерготраты человека 130 Вт/м;

- продолжительность непрерывного пребывания на холоде не более трех часов (до появления теплоощущений "прохладно");

- средневзвешенная температура кожи 28,7°С;

- дефицит тепла в организме 52 Вт х ч/м2.

Поскольку метеорологические условия могут изменяться и в каждом климатическом регионе, то ниже излагается методика расчета времени допустимого пребывания человека при различной температуре воздуха в различных климатических регионах.

Согласно изложенной выше методике рассчитывается величина теплового потока применительно к различному уровню энерготрат человека и температуре воздуха при условии сохранения теплового комфорта (g_п.к) (табл.3) с учетом теплоизоляции комплекта, предназначаемого для эксплуатации в различных климатических регионах (табл.2, гр.4).

 

Таблица 2

 

Требования к теплоизоляции комплекта одежды для защиты от холода

 

Климатичес- кий регион (пояс)	Средняя темпера- тура воздуха, °С	Наиболее вероят- ная скорость ветра, м/с	Должная теплоизо- ляция комплек- та, I_к, °С х м2/Вт*	Теплоизоляция комплекта с учетом воздействия ветра и движения человека, I_к.в., °С х м2/Вт**
				Воздухопроницаемость внешнего слоя одежды, дм3/м2 х с
				10	20	30	40
1	2	3	4	5	6	7	8
I A( особый)	-25	6,8	0,513	0,669	0,714	0,764	0,823
I Б (IV)	-41	1,3	0,681	0,744	0,752	0,759	0,767
ll (lll)	-18	3,6	0,442	0,518	0,534	0,551	0,569
III (II)	-9,7	5,6	0,360	0,451	0,474	0,500	0,528

 

-----------------------------

* В графе 4 приведены величины теплоизоляции, необходимые для обеспечения должной защиты от охлаждения в реальных условиях эксплуатации комплекта одежды (гр.1 - 3).

** В графах 5 - 8 представлена величина теплоизоляции, которую должен иметь комплект в исходном состоянии (определение на человеке, находящемся в положении стоя в относительно спокойном воздухе), I_к.в.

 

Таблица 3

 

Комфортный уровень теплового потока (g_п.к., Вт/м2) при различных температуре воздуха и интенсивности физической работы

 

Температура воздуха, °С	Энерготраты, Вт/м2 (категория работ)
	88 (Iб)	113 (IIа)	145 (IIб)
-5	60,1	78,3	102,1
-10	59,6	77,7	101,3
-15	59,1	77,1	100,5
-20	58,6	76,4	99,7
-25	58,2	75,8	98,9
-30	57,7	75,1	98,1
-35	57,2	74,5	97,3
-40	56,7	73,9	96,5

 

Реальная величина теплового потока определяется из формулы 1:

g_п = (Т_к - T_в)/l_к; а средневзвешенная температура кожи - по формуле 3 в соответствии с уровнем энерготрат на выполнение физической работы.

Допустимое время пребывания человека на холоде (в часах) рассчитывается из отношения: Д/(g_п - g_п.к.).

Например, комфортная величина теплового потока (g_п.к.) при температуре воздуха - 10°С и выполнении физической работы с энерготратами 130 Вт/м2 равна 89,5 Вт/м2 (табл.3). При теплоизоляции комплекта, равной 0,360°С х м2/Вт, величина g_п в реальных условиях его эксплуатации (при некотором охлаждении организма) составит:

 

           g  = (Т  - Т )/ I = (28,7 - (-10))/0,360 = 107 Вт/м2.

            п     к    в

 

Следовательно, допустимое время непрерывного пребывания на холоде (при допустимом дефиците 52 Вт х ч/м2) будет равным:

 

                t = 52 Вт х ч/м2/(107 - 89,5) Вт/м2 = 3 ч.

 

В целях обеспечения должной защиты всех областей тела человека от охлаждения теплоизоляция комплекта должна быть распределена в соответствии с коэффициентами, приведенными в таблице 4.

 

Таблица 4

 

Коэффициенты для распределения теплоизоляции комплекта одежды по поверхности тела человека

 

Область тела (номер)	Теплоизоляция комплекта (верхняя граница), °С х м2/Вт
	0,556(12)*	0,792 (24)*	>0,792 (>24)*
Голова (1)	0,50	0,49	0,39
Туловище (2)	1,26	1,31	1,45
Плечо и предплечье (3)	1,13	1,24	1,23
Кисть (4)	0,74	0,66	0,55
Бедро и ягодицы (5)	1,13	1,08	1,07
Голень (6)	0,90	0,81	0,86
Стопа (7)	0,83	0,77	0,59

 

-----------------------------

* В скобках указана средневзвешенная толщина пакета материалов комплекта дельта, мм.

 

Например, для III климатического региона следует изготовить комплект, имеющий теплоизоляцию 0,474°С х м2/Вт. Исходя из указанной средней величины теплоизоляции комплекта, ее распределение следует осуществлять в соответствии с коэффициентами (к), приведенными в графе 2 таблицы 4 (I_к х к).

Применительно к I_к, равной 0,474°С х м2/Вт, ниже приведены значения теплоизоляции комплекта на различных участках поверхности тела:

 

Область тела	Теплоизоляция, °С х м2/Вт
Голова	0,224
Туловище	0,563
Плечо и предплечье	0,505
Кисть	0,331
Бедро и ягодицы	0,505
Голень	0,402
Стопа	0,371

 

В целях решения практической задачи создания комплекта одежды для защиты от холода в воздушной среде может быть использовано регрессионное уравнение, отражающее взаимосвязь его теплоизоляции (при условии использования комбинезона или куртки и брюк) со средневзвешенной его толщиной. Последняя представляет собой среднюю толщину пакета материалов комплекта, определенную с учетом удельной площади различных областей тела человека.

 

                                                      2

            I  = 0,126 + 0,044 х d - 0,000678 х дельта ,             (16)

             к

 

где дельта - средневзвешенная толщина пакета материалов комплекта, измеренная при давлении 2 г х с/см2 (196 Па). Учитывается также толщина слоев одежды, поддеваемой под верхний комплект.

Определение толщины пакета материалов комплекта на различных его участках осуществляется в соответствии с коэффициентами, приведенными в таблице 4.

Например, следует изготовить комплект СИЗ для третьего климатического региона. При этом в качестве верха использован материал, имеющий воздухопроницаемость 20 дм3/м2 х с. Согласно таблице 2 такой комплект должен иметь теплоизоляцию, измеренную в относительно спокойном воздухе, равную 0,474°С х м2/Вт. В соответствии с уравнением 16 средневзвешенная толщина такого комплекта должна составить 9,3 мм. Используя коэффициенты (табл.4) определяем, что пакет материалов должен иметь толщину в области головы - 4,65 мм; туловища - 11,72 мм; плеча и предплечья - 10,51 мм, кисти - 6,88 мм; бедра и ягодиц - 10,51 мм; голени - 8,37 мм.

В таблицах 5 - 8 приведена допустимая продолжительность пребывания работающих на холоде в различных климатических регионах при условии обеспечения их соответствующей одеждой.

1. Афанасьева Р.Ф. Некоторые способы поддержания температурного гомеостаза в условиях воздействия на человека холодового фактора. В кн.: Теоретические и практические проблемы терморегуляции. Отв. ред. Ф.Ф.Султанов. Ашхабад, 1982. - С.143 - 152.

2. ГОСТ Р 12.4.185-99 ССБТ "Средства индивидуальной защиты от пониженных температур. Методы определения теплоизоляции комплекта".

3. Методические рекомендации N 5168-90 МЗ СССР "Оценка теплового состояния человека с целью обоснования гигиенических требований к микроклимату рабочих мест и мерам профилактики охлаждения и перегревания".

4. ISO/CD 11079 Revision 2000-11-17 Ergonomics of the Thermal Environment - Determination and Interpretation of Cold Stress when Using Required Clothing Insulation (IREQ) and Local Cooling Effects.

5. Афанасьева Р.Ф. Гигиенические основы проектирования одежды для защиты от холода // М. "Легкая индустрия", 1977. - 132 с.

5.1. Основные требования к манекену

 

5.2. Описание

 

5.3. Выбор комплекта одежды для испытания

 

5.4. Подготовка исследуемого комплекта одежды

 

5.5. Методика

 

5.6. Расчет результатов испытаний

 

(не приводится)

5.8. Повторность и воспроизводимость