Kulový teploměr a jeho vývoj z hlediska hodnocení tepelné pohody organismu

V důsledku evolučních procesů došlo u člověka k vývoji řady adaptačních mechanismů, umožňujících mu přežití a další vývoj na Zemi. K optimální funkci svého organismu je člověk vybaven schopností udržet si stálost vnitřního prostředí (homeostázu), jejíž nedílnou součástí je i vlastní schopnost termoregulace.

Adekvátní metabolická aktivita člověka probíhá v poměrně úzkém rozmezí teploty tělesného jádra, které si člověk udržuje na základě složitých termoregulačních mechanismů. Vedle dalších zástupců živočišné říše tak člověk patří do skupiny homoiotermních organismů, schopných udržovat stálou vnitřní tělesnou teplotu (teplota tělesného jádra). Tato přísná homoiothermie se vztahuje pouze na teplotu tělesného jádra, což je teplota velkých tělních dutin - dutiny břišní, hrudní a hlavy. Ostatní orgány, zejména kůže, podkoží a končetiny, tvořící tzv. slupku tělní, jsou již méně homoiothermní a jejich teplota se může měnit v závislosti na tepelných podmínkách prostředí v relativně značném rozsahu. Teplota tělesné slupky přitom vykazuje dva gradienty - klesá od vnitřních partií k povrchu těla a gradient kranio-kaudální - klesá od hlavy k akrálním partiím těla. Při tepelném diskomfortu se tepelné rozdíly vyrovnávají.

Obr. 1: Zdroje sálavého tepla v hutním průmyslu

Tepelná pohoda organismu je závislá na metabolické produkci organismu, tepelně-izolačních vlastnostech oděvu a tepelně vlhkostních podmínkách prostředí. Teplo se v těle tvoří v důsledku metabolických pochodů, které probíhají i za naprostého klidu - bazální metabolismus. Při práci se tvorba tepla zvyšuje tím více, čím těžší je vykonávaná práce. Účinnost lidská práce je velmi nízká. Za optimálních podmínek, např. při běhu nebo jízdě na kole, využívá tělo na vlastní práci 25 až 30 % energie, kterou získává spalováním živin, tj. především tuků a cukrů. Za běžných průmyslových podmínek je to ještě méně, jen kolem 3 až 5 %. Zbývající energie se mění na teplo, které musí být z těla odvedeno, aby nedošlo k přehřátí organismu. Pokud je tvorba tepla v rovnováze s množstvím tepla, které je z těla odváděno tzv. suchou výměnou tepla, tj. vedením, prouděním a sáláním, mluvíme o tepelně neutrálním prostředí. To se bude pohybovat u velmi lehké práce, např. práce pokladní nebo sekretářky, v rozmezí 24 až 26 °C, zatímco u velmi těžké práce se bude pohybovat jen kolem 10 °C.

Obr. 2: Nízká hodnota minutového energetického výdeje v administrativních
profesích - třída práce I (< 80 W . m^-2), t_{o opt} = 22 ± 2 °C, Rh 30 - 70%, v_a 0,1-0,2 m.s^-1

Vnímání tepelné pohody je u člověka značně variabilní. Závisí na pohlaví, věku, míře adaptace, avšak je proměnlivé i intraindividuálně např. v souvislosti s biorytmy a zdravotním stavem. Proto má hodnocení mikroklimatických podmínek do jisté míry subjektivní charakter a komplexní posouzení mikroklimatu prostředí by nemělo opomíjet subjektivní dotazníkové metody zejména při hodnocení mikroklimatických podmínek na pracovišti.

Tepelně vlhkostní stav vnitřního prostředí (technické podmínky) vytváří kombinace několika činitelů:

Teplota vzduchu je běžně nejužívanějším ukazatelem tepelného stavu prostředí. Výpovědní hodnota tohoto ukazatele je však značně omezená, neboť subjektivní pocit tepelné pohody bude výrazně ovlivňovat rychlost proudění vzduchu a intenzita sálání. Příznivý vliv sálavé teploty na tepelnou pohodu i při nízké teplotě vzduchu využívá krytalové topení nebo stropní sálavé panely. Naopak negativně budeme vnímat tepelný stav prostředí v případě, kdy teplota vzduchu bude sice vysoká, ale teplota okolních stěn bude nízká. Člověk bude v takovém prostředí ztrácet teplo sáláním, které bude odebíráno jej obklopujícími studenými stěnami.

Obr. 3: Teoretické aspekty hodnocení stereoteplot

Výsledný vliv obou složek, teploty vzduchu a radiační teploty vyjadřuje výsledná teplota kulového teploměru (t_g). Kulový teploměr je v ČR používán v modifikaci dle Jokla. Jedná se o černou (nejlépe pohlcuje radiační záření) kouli (imituje povrch těla) z tenkého měděného plechu, v jejímž středu je umístěn rtuťový teploměr. Koule musí být izolována od podstavce i teploměru. Joklova modifikace spočívá v tom, že koule je obalena vrstvou pěnového polystyrenu, který snižuje odraz tepelných paprsků od povrchu koule lépe než černý nátěr. Poněkud to však prodlužuje nutnou dobu k ustálení teploty.

Teplota kulového teploměru tedy hodnotí teplotu vzduchu a sálavou teplotu, nebere v úvahu vlhkost vzduchu a pouze minimálně rychlost proudění vzduchu. Proto se v současné legislativě prosadil pojem operativní teplota.

Operativní teplota t_o (°C) je vypočtená hodnota. Je to jednotná teplota uzavřeného černého prostoru, ve kterém by tělo sdílelo radiací a konvekcí stejně tepla jako ve skutečně teplotně nehomogenním prostředí. Při známé střední radiační teplotě t_r (°C) a teplotě vzduchu t_a (°C) se určí ze vztahu:

t_o = t_r + A (t_a - t_r),

kde A je funkcí rychlosti proudění vzduchu. Pro rychlost proudění v rozsahu 0,2 až 1,0 m.s^-1 činí 0,5 až 1,0 (příloha č. 1 nařízení vlády č. 178/2001 Sb.). Při rychlostech vzduchu < 0,2 m . s^-1 lze operativní teplotu nahradit výslednou teplotou kulového teploměru.

Obr. 4: Měření stereoteploměrem v pracovním prostředí nebo vnitřním prostředí budov

Radiační teplota může být změřena pomocí radiometrů, což jsou přístroje, které měří tepelný rozdíl mezi dvěma ploškami, absolutně černou- pohlcující tepelné záření a absolutně lesklou, odrážejí tepelné záření. V praxi může být střední radiační teplota vypočítána z výsledné teploty kulového teploměru a suché teploty vzduchu podle vztahu:

Nařízení vlády č. 178/2001 Sb. ve znění nařízení vlády č. 441/2004 Sb. stanovuje minimální, optimální a maximální hodnoty t_o, rychlost proudění vzduchu a relativní vlhkost vzduchu, které musí být dodrženy na pracovištích v závislosti na minutovém energetickém výdeji M (W.m^-2).

Obr. 5: Stereoteploměr Jokl - Jirák

Ani výsledná teplota kulového teploměru však ve standardním provedení není schopna vyřešit problém nerovnoměrného tepelného prostředí, je-li člověk vystaven jednostrannému tepelnému nebo chladovému sálání. Současná legislativa řeší tento problém tím, že na pracovištích s nízkým energetickým výdejem (třída I a IIa), musí být dodrženy ještě tyto podmínky:

• rozdíl teplot vzduchu mezi úrovni hlavy a kotníků nesmí být větší než 3 °C,
• asymetrie radiační teploty od oken nebo jiných chladných svislých povrchů nesmí být větší než 10 °C,
• asymetrie radiační teploty od teplého stropu nebo jiných vodorovných povrchů nesmí být větší než 5 °C,
• intenzita osálání hlavy nesmí být větší než 200 W.m^-2

Přitom intenzitu osálání (I) lze vypočítat pro známou radiační teplotu ze vztahu:

Nerovnoměrné tepelné prostředí vysoce ovlivňuje tepelnou pohodu člověka a nepřímo i jeho pracovní výkonnost. Řešení tohoto problému může přinést nový přístroj, schopný diferenciace stereoteplot. Patentovaný český přístroj - stereoteploměr Jokl - Jirák umožňuje vyhodnotit všesměrové působení sálání a proudění a jeho nerovnoměrnosti v prostoru. Tento přístroj bere v úvahu nejen tepelnou radiaci, ale i konvekci. V současné době probíhá v klimatické komoře Zdravotního ústavu v Ostravě výzkum na skupině dobrovolníků. Jeho cílem je vypracovat optimální a přípustné hodnoty stereoteplot pro vnitřní prostředí.

Obr. 6.: Prof. Jirák (vlevo) a prof. Jokl (uprostřed) při práci
v klimatické komoře Zdravotního ústavu se sídlem v Ostravě

Velké uplatnění tak může přinést při návrhu technických opatření ke snížení nerovnoměrnosti tepelné zátěže organismu především u pracovníků hutních provozů (např. umístění vzduchové sprchy), ale i v typických kancelářských místnostech a indooru v letním období, kdy nevhodné umístění ventilátorů může navodit značný diskomfort zvýšením rychlosti vzduchu a v konečném důsledku může vést až ke zdravotním potížím.