4-3. Ocena obciążenia pracą fizyczną dynamiczną na stanowisku pracy

4-3.3.3.1. Metoda kalorymetrii bezpośredniej

Wydatek energetyczny człowieka podczas wysiłku można ocenić na podstawie pomiaru ilości ciepła wytwarzanego w organizmie metodą kalorymetrii bezpośredniej, wykonywanego w specjalnych kamerach kalorymetrycznych. Metoda ta ze względów oczywistych nie nadaje się do stosowania na stanowiskach pracy.

 

4-3.3.3.2. Metoda kalorymetrii pośredniej

Inną powszechniej obecnie stosowaną metodą jest kalorymetria pośrednia. Zasada kalorymetrii pośredniej opiera się na zależności między ilością pobieranego przez organizm tlenu w jednostce czasu a ilością energii uwolnionej w procesach metabolicznych.

Kalorymetria pośrednia jest szczególnie przydatna podczas wysiłków, w których przeważają procesy tlenowe (aerobowe). Ilość energii uzyskana w procesach metabolicznych, przy użyciu 1 litra tlenu jest różna, w zależności od rodzaju spalanej substancji, np. podczas spalania glukozy - 21,1 kJ, tłuszczów zaś - 19,6 kJ. Tak więc, wielkość równoważnika energetycznego 1 litra tlenu (niezbędna do przeliczenia ilości tlenu pobieranego podczas pracy na wielkość wydatku energetycznego) waha się od 19,6 do 21,1 kJ. Do wyboru odpowiedniego równoważnika konieczne jest określenie wielkości ilorazu oddechowego, czyli stosunku ilości wydalanego dwutlenku węgla do ilości pobranego w tym samym czasie tlenu. Tak więc, ocena wydatku energetycznego tą metodą sprowadza się do pomiaru objętości pobieranego przez organizm tlenu i wydalonego dwutlenku węgla, wyliczeniu ilorazu oddechowego i pomnożeniu objętości pobranego tlenu przez odpowiedni równoważnik energetyczny, którego wartości są podawane w tabelach, w wielu podręcznikach z tej dziedziny.

Metoda ta polecana jest również w normie PN-EN ISO 8996: 2005 (U). Ergonomia środowiska termicznego – Określenie tempa metabolizmu. 

 

4-3.3.3.2.1. Metoda oparta na pomiarze wentylacji płuc

Oznaczenie wydatku energetycznego na stanowiskach pracy klasyczną metodą kalorymetrii pośredniej wymaga odpowiedniej aparatury, doświadczenia osób wykonujących pomiar i w rzeczywistych warunkach, na stanowiskach pracy nie zawsze jest możliwe. W praktyce przemysłowej do pomiaru wydatku energetycznego często stosuje się metodę opartą na wynikach pomiaru objętości wydychanego (lub wdychanego) powietrza, czyli wentylacji płuc  (4-3. slajd 6).

4-3. slajd 6 

Pomiędzy wielkością zużycia tlenu podczas wysiłku i wielkością minutowej wentylacji istnieje wysoki współczynnik korelacji i prawie liniowa zależność. Na podstawie zależności między wentylacją a zużyciem tlenu można obliczyć przybliżoną wartość wydatku energetycznego, posługując się równaniem Datta-Ramanathana  (4-3. slajd 7):

E = 0,21 · V _E(STPD)

gdzie:

E = wydatek energii, w kJ/min,
V _E(STPD) = wentylacja płuc, w l/min w warunkach STPD (objętość gazu suchego w temperaturze 0 ^oC i ciśnieniu atmosferycznym 101,3 kPa).

4-3. slajd 7

 

4-3.3.3.2.2. Pomiar wydatku energetycznego przy użyciu miernika MWE

Pomiar wydatku energetycznego, dokonany opracowanym w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy miernikiem MWE, oparty jest na opisanej wcześniej zależności liniowej i wysokim współczynniku korelacji pomiędzy wielkością wentylacji płuc, pobieraniem tlenu i wydatkiem energetycznym  (4-3. slajd 8).

4-3. slajd 8 

Miernik wydatku energetycznego MWE jest przenośnym, lekkim, o małych wymiarach aparatem umożliwiającym dokonanie pomiaru wydatkowanej energii w czasie wykonywania pracy fizycznej dynamicznej na stanowisku roboczym  (4-3. slajd 9) to znaczy w sytuacji, w której utrudnione jest bezpośrednie określanie ilości pobieranego tlenu i wydalanego dwutlenku węgla. Ponadto miernik MWE, ze względu na łatwość obsługi przeznaczony jest do powszechnego stosowania w zakładach pracy przez przeszkolone osoby.

4-3. slajd 9

Zasada działania 

Za pomocą miernika MWE dokonuje się pomiaru wentylacji minutowej płuc podczas wykonywania wysiłku. W tym celu zakłada się na twarz dokładnie dopasowaną półmaskę, z wmontowanym przepływomierzem turbinowym połączonym z miernikiem. Wdech osoby badanej powoduje uruchomienie turbiny. Obroty turbiny są zliczane i dają wartość przepływu powietrza. Zmierzona wartość przepływu przeliczana jest na objętość gazu w warunkach STPD. Miernik automatycznie wprowadza niezbędne dla takiego przeliczenia dane dotyczące temperatury otoczenia oraz współczynnik dla ciśnienia atmosferycznego uśrednionego na obszar Polski.

Do wyliczeń wprowadzono również współczynnik korekcyjny, który weryfikuje wyniki z pomiaru wentylacji minutowej płuc do wyników uzyskanych w klasycznej metodzie obliczania wydatku energetycznego z bezpośredniego pomiaru pobieranie tlenu  (4-3. slajd 10).

4-3. slajd 10

Wprowadzenie za pomocą klawiatury miernika danych dotyczących masy i wysokości ciała, wieku oraz płci osoby badanej i wykonanie pomiaru umożliwia automatyczne wyliczenie przez miernik MWE wartości wydatku energetycznego netto , tj. ilości energii wydatkowanej przez badaną osobę w pracy oraz wydatku energetycznego brutto z uwzględnieniem podstawowej przemiany materii. Wyniki pomiaru zgodnie z życzeniem podawane są w kcal, kJ lub W/m2.

Badania porównawcze, laboratoryjne oraz terenowe, wykazały dużą zbieżność wyników badań uzyskanych za pomocą miernika i aparatu umożliwiającego pomiar pobierania tlenu i wydalania dwutlenku węgla, zwłaszcza przy ocenie pracy lekkiej, średnio ciężkiej i ciężkiej. Różnice mogą się pojawiać przy pracy bardzo lekkiej lub w spoczynku. Zawyżone w tych okolicznościach wartości wentylacji płuc mogą być skutkiem wpływu innych czynników, głównie emocjonalnych, związanych z wykonywaniem badań. Różnice mogą pojawić się również przy pomiarze wydatku energetycznego podczas pracy bardzo ciężkiej, gdy wielkość wentylacji płuc przekracza 60 litrów na minutę. W tym przypadku jest to spowodowane przekroczeniem granic zależności liniowej między zużyciem tlenu a wentylacją płuc (hyperwentylacja).

Warunki poprawnego wykonania pomiaru (4-3. slajd 11).

Osoba badana powinna być poinformowana co do celu i przebiegu wykonania pomiarów. Warunkiem prawidłowego wykonania pomiaru jest staranne dopasowanie półmaski do twarzy. Należy w tym celu uwzględnić wymiary oraz kształt twarzy i dobrać właściwy rozmiar półmaski. Ponadto należy odpowiednio ściągnąć paski gumowe mocujące półmaskę na twarzy. Pomiar wentylacji płuc przeprowadza się kilkakrotnie przez kilka minut i zawsze po kilku minutach pracy w półmasce, co jest niezbędne do przyzwyczajenia się pracownika do pracy w półmasce oraz unormowania oddechu zakłóconego w pierwszej fazie przez założenie półmaski.

4-3. slajd 11 

Bardzo ważne dla prawidłowego obliczenia wielkości wydatku energetycznego, poza zachowaniem zasad prawidłowego pomiaru, jest ustalenie chronometrażu dnia pracy, polegającego na pomiarze i zapisie czasu trwania poszczególnych czynności roboczych.

Chronometraż powinien być przeprowadzony w dniach o przeciętnym rytmie pracy i obejmować typowe czynności związane z obsługą stanowiska pracy, powtarzające się każdego dnia. W dokumentacji wszystkie rodzaje czynności roboczych, jak również czynności pomocnicze i przerwy w pracy, powinny być pogrupowane w cykle o podobnym obciążeniu pracą. Najlepiej jest, gdy chronometraż pracy opracowany jest wspólnie z pracownikiem, jego przełożonym i pracownikiem służb bhp. Pomiar czasu trwania poszczególnych czynności powinien być wykonywany kilkakrotnie, dla różnych osób i przy różnej intensywności pracy, aby można było uzyskać charakterystyczną, uśrednioną fotografię dnia roboczego na określonym stanowisku.

Często popełnianym błędem podczas ustalania chronometrażu jest nadmierne rozcząstkowanie procesu pracy na krótkotrwałe czynności, zamiast zgrupowanie ich w wyodrębnione, łatwo identyfikowane i powtarzające się cykle. Innym, równie często występującym nieporozumieniem jest dążenie do uwzględniania w dniówce również czynności roboczych, które chociaż charakterystyczne dla danego zawodu, pojawiają się stosunkowo rzadko, np. podczas awarii.

Ocena kosztu energetycznego złożonych operacji roboczych jest obciążona błędem, nawet przy zastosowaniu bezpośredniego pomiaru pobierania tlenu podczas wykonywania pracy. Podczas standardowych, prostych czynności wykonywanych przez tego samego człowieka wyniki powtarzanych pomiarów różnią się przeciętnie o ±5%, a przy złożonych operacjach o ±10%. Wartości wydatku energetycznego zmieniają się również ze względu na technikę pracy, staż, jej intensywność, doświadczenie zawodowe i rodzaj używanych narzędzi.

Dużo trudności nastręcza również oszacowanie wydatku energetycznego podczas całej zmiany roboczej, ponieważ pomiary wiążą się z koniecznością stosowania masek lub ustników do zbierania powietrza wydychanego, co może być uciążliwe dla badanych. Pomiary przeprowadza się więc na ogół w ciągu zaledwie kilku minut, podczas wykonywania podstawowych czynności roboczych, a następnie sumuje się koszt energetyczny tych czynności. Trudności w ocenie czasu wykonywania poszczególnych czynności mogą być źródłem dodatkowego błędu. Zarówno konieczność notowania czasu przez samych badanych, jak i obecność obserwatora są czynnikami, które mogą zakłócać normalny tryb pracy.

Czynnikiem, który należy również uwzględniać przy ocenie kosztu energetycznego pracy, jest środowisko termiczne, w jakim ta praca jest wykonywana. W środowisku termicznym gorącym następuje niewielki wzrost wydatku energetycznego spowodowany wzrostem temperatury ciała. Bardziej wzrasta wydatek energetyczny w środowisku termicznym zimnym, co spowodowane jest pojawieniem się dreszczy, a także noszeniem ciężkiej odzieży.