ISO 11079:2007
(Main)Ergonomics of the thermal environment — Determination and interpretation of cold stress when using required clothing insulation (IREQ) and local cooling effects
Ergonomics of the thermal environment — Determination and interpretation of cold stress when using required clothing insulation (IREQ) and local cooling effects
ISO 11079:2007specifies methods and strategies for assessing the thermal stress associated with exposure to cold environments. These methods apply to continuous, intermittent as well as occasional exposure and type of work, indoors and outdoors. They are not applicable to specific effects associated with certain meteorological phenomena (e.g. precipitation), which are assessed by other methods.
Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination et interprétation de la contrainte liée au froid en utilisant l'isolement thermique requis du vêtement (IREQ) et les effets du refroidissement local
L'ISO 11079:2007 expose des méthodes et des stratégies ayant pour but d'évaluer la contrainte thermique associée à l'exposition aux environnements froids. Ces méthodes s'appliquent aux expositions et aux types de travaux continus, intermittents et occasionnels, aussi bien en intérieur qu'à l'extérieur. Elles ne sont pas applicables aux effets spécifiques liés à certains phénomènes météorologiques (des précipitations, par exemple), qui sont évalués par d'autres méthodes.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11079
First edition
2007-12-15
Ergonomics of the thermal
environment — Determination and
interpretation of cold stress when using
required clothing insulation (IREQ) and
local cooling effects
Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination et
interprétation de la contrainte liée au froid en utilisant l'isolement
thermique requis du vêtement (IREQ) et les effets du refroidissement
local
Reference number
ISO 11079:2007(E)
©
ISO 2007
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ISO 11079:2007(E)
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols. 2
4 Principles of methods for evaluation. 4
5 General cooling. 4
6 Local cooling. 10
7 Practical assessment of cold environments and interpretation. 11
Annex A (normative) Computation of thermal balance. 13
Annex B (informative) Physiological criteria in cold exposure . 16
Annex C (informative) Metabolic rate and thermal properties of clothing . 18
Annex D (informative) Determination of wind cooling . 21
Annex E (informative) Examples of evaluation of IREQ . 23
Annex F (informative) Computer program for calculating IREQ . 33
Bibliography . 34
© ISO 2007 – All rights reserved iii
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ISO 11079:2007(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
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International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
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rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 11079 was prepared by Technical Committee ISO/TC 159, Ergonomics, Subcommittee SC 5,
Ergonomics of the physical environment.
This first edition of ISO 11079 cancels and replaces the ISO/TR 11079:1993, of which it constitutes a
technical revision.
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ISO 11079:2007(E)
Introduction
Wind chill is commonly encountered in cold climates, but it is low temperatures that first of all endanger body
heat balance. By proper adjustment of clothing, human beings can often control and regulate body heat loss,
to balance a change in the ambient climate. The method presented here is based therefore on the evaluation
of the clothing insulation required to maintain the thermal balance of the body in equilibrium. The heat balance
equation used takes into account the most recent scientific findings concerning heat exchanges at the surface
of the skin as well as the clothing.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11079:2007(E)
Ergonomics of the thermal environment — Determination and
interpretation of cold stress when using required clothing
insulation (IREQ) and local cooling effects
1 Scope
This International Standard specifies methods and strategies for assessing the thermal stress associated with
exposure to cold environments. These methods apply to continuous, intermittent as well as occasional
exposure and type of work, indoors and outdoors. They are not applicable to specific effects associated with
certain meteorological phenomena (e.g. precipitation), which are assessed by other methods.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 7726, Ergonomics of the thermal environment — Instruments for measuring physical quantities
ISO 8996, Ergonomics of the thermal environment — Determination of metabolic rate
ISO 9237, Textiles — Determination of permeability of fabrics to air
ISO 9920, Ergonomics of the thermal environment — Estimation of thermal insulation and water vapour
resistance of a clothing ensemble
ISO 13731, Ergonomics of the thermal environment — Vocabulary and symbols
ISO 13732-3, Ergonomics of the thermal environment — Methods for the assessment of human responses to
contact with surfaces — Part 3: Cold surfaces
ISO 15831, Clothing — Physiological effects — Measurement of thermal insulation by means of a thermal
manikin
EN 511, Protective gloves against cold
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ISO 11079:2007(E)
3 Terms, definitions and symbols
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13731 and the following terms,
definitions and symbols apply.
3.1 Terms and definitions
3.1.1
cold stress
climatic conditions under which the body heat exchange is just equal to or too large for heat balance at the
expense of significant and sometimes uncompensable physiological strain (heat debt)
3.1.2
heat stress
climatic conditions under which the body heat exchange is just equal to or too small for heat balance at the
expense of significant and sometimes uncompensable physiological strain (heat storage)
3.1.3
IREQ
required clothing insulation for the preservation of body heat balance at defined levels of physiological strain
3.1.4
thermoneutral zone
temperature interval within which the body maintains heat balance exclusively by vasomotor reactions
3.1.5
wind chill temperature
temperature related to the cooling effect on a local skin segment
3.2 Symbols
2
A Dubois body surface area, m
Du
-2 −1
ap air permeability, l ⋅ m ⋅ s
−2
C convective heat flow (exchange), W ⋅ m
−1
c water latent heat of vaporization, J ⋅ kg
e
−1 −1
c specific heat of dry air at constant pressure, J ⋅ kg ⋅ K
p
−2
C respiratory convective heat flow (loss), W ⋅ m
res
D duration limited exposure, h
lim
D recovery time, h
rec
−2
E evaporative heat flow (exchange) at the skin, W ⋅ m
−2
E respiratory evaporative heat flow (loss), W ⋅ m
res
f clothing area factor, dimensionless
cl
−2 −1
h convective heat transfer coefficient, W ⋅ m ⋅ K
c
−2 −1
h radiative heat transfer coefficient, W ⋅ m ⋅ K
r
2 −1
I boundary layer thermal insulation, m ⋅ K ⋅ W
a
2 −1
I resultant boundary layer thermal insulation, m ⋅ K ⋅ W
a,r
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ISO 11079:2007(E)
2 −1
I basic clothing insulation, m ⋅ K ⋅ W
cl
2 −1
I resultant clothing insulation, m ⋅ K ⋅ W
cl,r
2 −1
I basic total insulation, m ⋅ K ⋅ W
T
2 −1
I resultant total insulation, m ⋅ K ⋅ W
T,r
i moisture permeability index, dimensionless
m
2 −1
IREQ required clothing insulation, m ⋅ K ⋅ W
2 −1
IREQ minimal required clothing insulation, m ⋅ K ⋅ W
min
2 −1
IREQ neutral required clothing insulation, m ⋅ K ⋅ W
neutral
−2
K conductive heat flow (exchange), W ⋅ m
−2
M metabolic rate, W ⋅ m
p water vapour partial pressure, kPa
a
p saturated water vapour pressure at expired air temperature, kPa
ex
p water vapour pressure at skin temperature, kPa
sk
p saturated water vapour pressure at the skin surface, kPa
sk,s
−2
Q body heat gain or loss, kJ ⋅ m
−2
Q limit value for Q, kJ ⋅ m
lim
−2
R radiative heat flow (exchange), W ⋅ m
2 −1
R total evaporative resistance of clothing and boundary air layer, m ⋅ kPa ⋅ W
e,T
−2
S body heat storage rate, W ⋅ m
t air temperature, °C
a
t clothing surface temperature, °C
cl
t expired air temperature, °C
ex
t operative temperature, °C
o
t radiant temperature
r
t local skin temperature, °C
sk
t mean skin temperature, °C
sk
t wind chill temperature, °C
WC
−1
V respiratory ventilation rate, kg air ⋅ s
−1
v wind speed measured 10 m above ground level, m ⋅ s
10
−1
v air velocity, m ⋅ s
a
−1
v walking speed, m ⋅ s
w
−2
W effective mechanical power, W ⋅ m
w skin wettedness, dimensionless
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W humidity ratio of inhaled air, kg water/kg dry air
a
W humidity ratio of exhaled air, kg water/kg dry air
ex
σ Stefan-Boltzmann constant
ε emissivity of clothing surface, dimensionless
cl
4 Principles of methods for evaluation
Cold stress is evaluated in terms of both general cooling of the body and local cooling of particular parts of the
body (e.g. extremities and face). The following types of cold stress are identified.
a) General cooling
For general cooling, an analytical method is presented in Clause 5 for the evaluation and interpretation of
the thermal stress. It is based on a calculation of the body heat exchange, the required clothing insulation
(IREQ) for the maintenance of thermal equilibrium and the insulation provided by clothing ensemble in
use or anticipated to be used.
b) Local cooling
1) convective cooling (wind chill)
2) conductive cooling
3) extremity cooling
4) airway cooling
For local cooling, methods are proposed in Clause 6. Criteria and limit values are also given in Clause 6
and Annex B.
In the following sections, the main steps of evaluation are described.
5 General cooling
5.1 Overview
A general equation for body heat balance is defined. In this equation clothing thermal properties, body heat
production and physical characteristics of the environment are the determinant factors. The equation is solved
for the required clothing insulation (IREQ) for maintained heat balance under specified criteria of physiological
strain. IREQ is subsequently compared with the protection (insulation) offered by the worker's clothing. If worn
insulation is less than required, a duration limited exposure (D ) is calculated on the basis of acceptable
lim
levels of body cooling. Detailed formulas, coefficients and criteria are proposed in Annexes A and B.
The method involves the following steps, outlined schematically in Figure 1:
⎯ measurements of the thermal parameters of the environment;
⎯ determination of activity level (metabolic rate);
⎯ calculation of IREQ;
⎯ comparison of IREQ with resultant insulation provided by clothing in use;
⎯ evaluation of the conditions for thermal balance and calculation of the recommended maximal exposure
time (D ).
lim
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Figure 1 — Procedure for evaluation of cold environments
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ISO 11079:2007(E)
5.2 Definition of required clothing insulation, IREQ
IREQ is the resultant clothing insulation required in the actual environmental conditions to maintain the body in
a state of thermal equilibrium at acceptable levels of body and skin temperatures.
IREQ is
a) a measure of cold stress integrating the effects of air temperature, mean radiant temperature, relative
humidity and air velocity for defined levels of metabolic rate,
b) a method for the analysis of effects of the thermal environment and metabolic rate on the human body,
c) a method for specification of clothing insulation requirements and the subsequent selection of clothing to
be used under the actual conditions, and
d) a method for evaluation of changes in heat balance parameters as measures for improvement of design
and planning of work time and work regimes under cold conditions.
5.3 Derivation of IREQ
5.3.1 General heat balance equation
Calculation of IREQ is based on a rational analysis of a human being's heat exchange with the environment.
The following subclauses review the general principles for calculation of the various factors affecting IREQ.
The general heat balance equation [Equation (1)] is as follows:
M−=WE +C +E+K+R+C+S (1)
res res
where the left-hand side of the equation represents the internal heat production, which is balanced by the
right-hand side which represents the sum of heat exchanges in the respiratory tract, heat exchanges on the
skin and the heat storage accumulating in the body. Variables of Equation (1) are defined in the following. For
the meaning of symbols, see also 3.2.
5.3.2 Metabolic rate
M is the metabolic rate and is evaluated in accordance with ISO 8996.
5.3.3 Effective mechanical power
W is the effective mechanical power. In most industrial situations this is small and can be neglected. See also
information in ISO 8996.
5.3.4 Respiratory heat exchange
Heat is lost from the respiratory tract by warming and saturating inspired air, and is the sum of convective heat
loss (C ) and evaporative heat loss (E ), determined, respectively, by
res res
Cc=⋅V()t −t/A (2)
res p ex a Du
E =⋅cV()W−W/A (3)
res e ex a Du
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ISO 11079:2007(E)
5.3.5 Evaporative heat exchange
The evaporative heat exchange, E, is defined by
Ep=−()p/R (4)
sk a e,T
5.3.6 Conductive heat exchange
Conductive heat exchange, K, is related to the area of body parts in direct contact with external surfaces.
Although it may be of significant importance for local heat balance, conductive heat exchange is mostly small
and can be accounted for by the expressions for convective and radiation heat exchange.
5.3.7 Radiative heat exchange
The radiative heat exchange, R, between the clothing surface including uncovered skin and the environment is
defined by
R=⋅fh⋅−()t t (5)
cl r cl r
5.3.8 Convective heat exchange
The convective heat exchange, C, between the clothing surface including uncovered skin and the environment
is defined by
Cf=⋅h⋅−()t t (6)
cl c cl a
5.3.9 Heat exchange through clothing
Heat exchange through clothing takes place by conduction, convection and radiation and by the transfer of
evaporated sweat. The effect of clothing on latent heat exchange is accounted for by Equation (4). The effect
of clothing on dry heat exchange is determined by the thermal insulation of the clothing ensemble and the
skin-to-clothing surface temperature gradient. Dry heat flow to the clothing surface is equivalent to the heat
transfer between the clothing surface and the environment. Heat exchange through clothing, therefore, is
expressed by the resultant, thermal insulation of clothing:
tt−
sk cl
= R+CM=−W−−−E C E−S (7)
res res
I
cl,r
5.4 Calculation of IREQ
On the basis of Equations (1) to (7), in steady state and using the hypothesis made concerning heat flow by
conduction, the required clothing insulation, IREQ, is calculated on the basis Equation (8):
tt−
sk cl
IREQ= (8)
R+ C
Equations (7) and (8) express the dry heat exchange at the clothing surface when the body is in thermal
equilibrium and state the relationship between I and IREQ. I is the value of clothing insulation corrected
cl,r cl,r
for the effects of wind penetration and activity, taking into account the air permeability of the outer garment
layer. IREQ is the thermal insulation required for the maintenance of thermal equilibrium.
Equation (8) contains two unknown variables (IREQ and t ). Therefore, Equation (8) is solved for t as follows
cl cl
tt= −IREQ⋅(M−W−−−E C E) (9)
cl sk res res
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ISO 11079:2007(E)
This expression replaces t in the computation formulas for the variables in Equation (8), where the formulas
cl
for R and C contain t [see Equations (5) and (6)]. The value of IREQ that satisfies Equation (8) is then
cl
calculated by iteration. A computer program is referenced in Annex F for this purpose. IREQ is expressed in
2 −1 1)
square metre degrees Kelvin per watt (m ⋅ K ⋅ W ). It may also be expressed in clo .
5.5 Interpretation of IREQ
5.5.1 IREQ as a cold index
IREQ is a measure of the thermal stress presented by the combined effects of internal heat production and
heat exchange with the environment. The greater the cooling power of the environment, the higher the value
of IREQ at any given activity level. At any given set of climatic conditions, cold stress and thereby IREQ is
reduced with increasing activity due to the extra demand for dissipation of metabolic heat.
5.5.2 IREQ and physiological strain
Thermal equilibrium can be achieved at different levels of thermoregulatory strain, defined in terms of values
for mean skin temperature, sweating (skin wettedness) and change in body temperature.
IREQ is defined at the following two levels of physiological strain.
a) IREQ defines a minimal thermal insulation required to maintain body thermal equilibrium at a
min
subnormal level of mean body temperature. The minimal IREQ represents some body cooling, in
particular of peripheral parts of the body. With prolonged exposures extremity cooling may become a
limiting factor for duration of exposure.
b) IREQ is defined as the thermal insulation required to provide conditions of thermal neutrality, i.e.
neutral
thermal equilibrium maintained at a normal level of mean body temperature. This level represents none or
minimal cooling of the human body.
The relevant physiological criteria are presented in Annex B.
5.5.3 IREQ and clothing insulation
IREQ is a resultant clothing insulation value that is required for the actual conditions. It may, therefore, serve
as a basis for the evaluation of the protection provided by clothing in use or as a guideline for the selection of
appropriate clothing. The IREQ value is compared with the resultant insulation value of the selected clothing
ensembles. This evaluation is described in 5.6.
5.5.4 IREQ and design of work
Any of the parameters of the heat balance equation can be changed and the calculated value of IREQ will
indicate the relative importance of this particular factor.
5.6 Comparison of IREQ and selected clothing insulation
The primary purpose of the IREQ method is to analyse whether or not the selected clothing provides
insulation that is sufficient to establish a defined level of heat balance. The most commonly reported insulation
value of a clothing ensemble is its basic insulation value, I (see ISO 9920). In order to use this information
cl
for a comparison with IREQ, the value must be corrected for several factors. The corrected value, I , is not
cl,r
readily available, as it depends on the user conditions. Therefore it needs to be determined on the basis of
available information for the actual clothing (basic insulation, air permeability) wind and activity level.
2 −1
1) 1 clo = 0,155 m ⋅ K ⋅ W .
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ISO 11079:2007(E)
Values for basic insulation of clothing ensembles and air permeability shall be determined in accordance with
ISO 9920. Examples of values are provided in Annex C. The final correction algorithms are given in Annex A.
I is compared with the calculated IREQ for the given conditions and criteria. The following interpretation is
cl,r
made:
I > IREQ warm, overheating zone — clothing insulation shall be reduced
cl,r neutral
IREQ u I u IREQ neutral, regulatory zone — no action required
min cl,r neutral
I < IREQ cold, cooling zone — clothing insulation shall be increased
cl,r min
or D calculated (see 5.7).
lim
The interval between IREQ and IREQ may be regarded as a clothing regulatory zone, in which each
min neutral
individual chooses the appropriate protection level. With insulation values lower than IREQ there is a risk of
min
progressive body cooling. With values higher than IREQ conditions will be considered warm and
neutral
overheating can occur. In the final evaluation, the result can also be presented in terms of basic insulation
needed for the given conditions (see Annex E).
5.7 Definition and calculation of duration limited exposure, D
lim
When the corrected value of a selected or used clothing ensemble is less than the calculated required
insulation (IREQ), exposure has to be time limited to prevent progressive body cooling. A certain reduction in
body heat content (Q) is acceptable during an exposure of a few hours and can be used to calculate the
duration of exposure when the rate of heat storage is known.
Duration limited exposure (D ) to cold is defined as the recommended maximum time of exposure with
lim
available or selected clothing. D is calculated using Equation (10):
lim
Q
lim
D = (10)
lim
S
where Q is the limit value of Q (see Annex B) and S is calculated from
lim
SM=−W−E −C −E−R−C (11)
res res
Equation (11) contains unknown t . Therefore, it is solved by mathematical iteration:
cl
tt= −I⋅()M−W−−−E C E−S (12)
cl sk cl,r res res
Equation (12) is similar to Equation (9), the difference being that Equation (9) is used in steady state to
calculate IREQ and Equation (12) in the actual conditions when clothing insulation is known.
D shall be calculated from IREQ (default) (see 5.5.2). Other values for thermal sensation can be
lim neutral
selected [see 5.5.2., b)]. If the worker at the onset of exposure has adopted a certain heat debt, the exposure
time shall be reduced accordingly.
After an exposure with body cooling, a recovery period shall be allowed to restore normal body heat balance.
Recovery time (D ) is calculated in the same way as D , substituting the “cold conditions” with the exposure
rec lim
conditions during the recovery period. In other words:
D = Q /S (13)
rec lim
where S is the rate of body heat storage (positive) calculated from Equation (11) for the exposure conditions
during the recovery period.
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ISO 11079:2007(E)
Since recovery is supposed to start when the body has achieved a certain heat debt, the value of Q shall be
lim
the same when calculating D /D . The calculation of D requires a new determination if clothing is
rec lim rec
changed during the recovery period, as S will change with different clothing.
The physiological criteria to be used are presented in Annex B and examples of the application of D and
lim
D in Annex E.
rec
6 Local cooling
6.1 General
Local cooling of any part of the body with emphasis on hands, feet and head may produce discomfort,
deterioration of manual and physical performance and cold injury. The amount of knowledge on responses to
local cooling is insufficient for the development of a single evaluation method. Several approaches are
proposed and more research work is encouraged on the subject.
The indoor cold environment is relatively easy to modify by engineering techniques. Light, stationary work
makes a person more prone to unpleasant effects of local cooling, caused by for example draught or radiation
heat loss to cold surfaces. Particular attention should be paid to the evaluation of discomfort.
The outdoor cold environment is determined by weather and climate, and protective measures mostly
comprise adjustment of clothing or control of exposure. All types of local cold stress may occur,
simultaneously or independently.
6.2 Convective cooling
The combination of low temperature and wind accelerates heat loss from warm surfaces. Accordingly,
unprotected parts of the body, such as face and sometimes hands, may cool very quickly and reach low
temperatures with considerable risk of injury. Local convective cold stress is evaluated with a general equation
[Equation (14)] for convective and radiative heat loss of a bare skin surface:
R+=Ch⋅()t −t+h⋅(t −t) (14)
rsk r c sk a
The wind chill temperature, t , is a temperature that describes a cooling effect on the skin. It is derived from
WC
Equation (14), which is solved for t for combinations of wind and heat losses.
a
The expression to be used for the evaluation of t is presented in Annex D.
WC
6.3 Conductive cooling
The contact of cold surfaces produces an immediate heat exchange between warm skin and cold surface. The
risk of incurring unpleasant tissue cooling or at worst a local cold injury shall be assessed in accordance with
ISO 13732-3.
6.4 Extremity cooling
Even at thermoneutral conditions the extremities, the hands in particular may suffer unwanted cooling. This
depends to a large extent on the local climatic conditions, local protection and heat input by blood circulation.
The latter factor is much dependent on the overall thermal balance. If the heat balance is negative, as for
example when protective clothing does not match IREQ, extremity blood flow is reduced due to
vasoconstriction. This may reduce heat input to very low levels. Extremities, in particular fingers and toes, will
gradually cool down and reach unacceptably low temperatures.
Extremity cooling is prevented or reduced by putting on adequate protection, e.g. insulative hand and footgear.
Test methods for determination of thermal insulation of hand-wear shall be in accordance with EN 511.
Required insulation for various wear conditions are also given in EN 511.
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ISO 11079:2007(E)
Hand cooling shall be evaluated by the methods and procedures specified in EN 511.
Extremity cooling can also be evaluated by direct skin temperature measurements. Recommended criteria
and temperature levels are given in Annex B.
6.5 Airway cooling
Inhalation of air at low temperatures cools the membranes of the airway walls and can be harmful to the
tissues. Cooling is more pronounced when the ventilated air volume is high (e.g. at high physical activity).
Recommendations for lowest temperatures of inspired air is given in Annex B.
7 Practical assessment of cold environments and interpretation
7.1 General
Procedures for the practical determination of IREQ, D and local cooling effects are d
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11079
Première édition
2007-12-15
Ergonomie des ambiances thermiques —
Détermination et interprétation de la
contrainte liée au froid en utilisant
l'isolement thermique requis du vêtement
(IREQ) et les effets du refroidissement
local
Ergonomics of the thermal environment — Determination and
interpretation of cold stress when using required clothing insulation
(IREQ) and local cooling effects
Numéro de référence
ISO 11079:2007(F)
©
ISO 2007
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ISO 11079:2007(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes, définitions et symboles. 2
4 Principes des méthodes d'évaluation . 4
5 Refroidissement général. 4
6 Refroidissement local. 10
7 Évaluation pratique des environnements froids et interprétation. 12
Annexe A (normative) Calcul de l'équilibre thermique. 14
Annexe B (informative) Critères physiologiques de l'exposition au froid. 17
Annexe C (informative) Métabolisme énergétique et propriétés thermiques du vêtement . 19
Annexe D (informative) Détermination du refroidissement par le vent . 22
Annexe E (informative) Exemples d'évaluation de IREQ. 24
Annexe F (informative) Programme informatique pour le calcul de IREQ . 34
Bibliographie . 35
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ISO 11079:2007(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 11079 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 159, Ergonomie, sous-comité SC 5, Ergonomie
de l'environnement physique.
Cette première édition de l'ISO 11079 annule et remplace l'ISO/TR 11079:1993, qui a fait l'objet d'une révision
technique.
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ISO 11079:2007(F)
Introduction
Bien que le refroidissement par le vent soit un phénomène courant dans les climats froids, les basses
températures mettent avant tout en danger l'équilibre thermique du corps. En choisissant correctement ses
vêtements, l'homme parvient souvent à contrôler et réguler les pertes thermiques corporelles afin de
compenser la variation du climat ambiant. Par conséquent, la méthode exposée dans le présent document est
basée sur l'évaluation de l'isolement des vêtements qui est requise pour maintenir le bilan thermique du corps
à l'équilibre. L'équation de bilan thermique utilisée prend en compte les toutes dernières découvertes
scientifiques relatives aux échanges de chaleur existant à la surface de la peau ainsi qu'au niveau des
vêtements.
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NORME INTERNATIONALE ISO 11079:2007(F)
Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination et
interprétation de la contrainte liée au froid en utilisant
l'isolement thermique requis du vêtement (IREQ) et les effets du
refroidissement local
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale expose des méthodes et des stratégies ayant pour but d'évaluer la
contrainte thermique associée à l'exposition aux environnements froids. Ces méthodes s'appliquent aux
expositions et aux types de travaux continus, intermittents et occasionnels, aussi bien en intérieur qu'à
l'extérieur. Elles ne sont pas applicables aux effets spécifiques liés à certains phénomènes météorologiques
(des précipitations, par exemple), qui sont évalués par d'autres méthodes.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 7726, Ergonomie des ambiances thermiques — Appareils de mesure des grandeurs physiques
ISO 8996, Ergonomie de l'environnement thermique — Détermination du métabolisme énergétique
ISO 9237, Textiles — Détermination de la perméabilité à l'air des étoffes
ISO 9920, Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination de l'isolement thermique et de la
résistance à l'évaporation d'une tenue vestimentaire
ISO 13731, Ergonomie des ambiances thermiques — Vocabulaire et symboles
ISO 13732-3, Ergonomie des ambiances thermiques — Méthodes d'évaluation de la réponse humaine au
contact avec des surfaces — Partie 3: Surfaces froides
ISO 15831, Vêtements — Effets physiologiques — Mesurage de l'isolation thermique à l'aide d'un mannequin
thermique
EN 511, Gants de protection contre le froid
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ISO 11079:2007(F)
3 Termes, définitions et symboles
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 13731, ainsi que les
termes, définitions et symboles suivants, s'appliquent.
3.1 Termes et définitions
3.1.1
contrainte liée au froid
conditions climatiques dans lesquelles l'échange thermique corporel est juste égal ou trop élevé pour établir
l'équilibre thermique au prix d'une astreinte physiologique importante et parfois non compensable (perte de
chaleur)
3.1.2
contrainte liée à la chaleur
conditions climatiques dans lesquelles l'échange thermique corporel est juste égal ou trop faible pour établir
l'équilibre thermique au prix d'une astreinte physiologique importante et parfois non compensable
(accumulation de chaleur)
3.1.3
IREQ
isolement thermique d'un vêtement, requis pour maintenir l'équilibre thermique du corps aux niveaux d'une
astreinte physiologique définis
3.1.4
zone neutre
plage de températures dans laquelle le corps maintient l'équilibre thermique uniquement par des réactions
vasomotrices
3.1.5
température de refroidissement par le vent
température associée à l'effet de refroidissement sur une surface cutanée locale
3.2 Symboles
2
A Surface du corps selon Dubois, m
Du
−2 −1
ap Perméabilité à l'air, l ⋅ m ⋅ s
−2
C Flux de chaleur par convection (échange), W ⋅ m
−1
c Chaleur latente d'évaporation de l'eau, J ⋅ kg
e
−1 −1
c Chaleur massique de l'air sec à pression constante, J ⋅ kg ⋅ K
p
−2
C Flux de chaleur par convection respiratoire (perte), W ⋅ m
res
D Durée d'exposition admissible, h
lim
D Temps de récupération, h
rec
−2
E Flux de chaleur (échange thermique) par évaporation au niveau de la peau, W ⋅ m
−2
E Flux de chaleur par évaporation respiratoire (perte), W ⋅ m
res
f Facteur de surface du vêtement, sans dimension
cl
−2 −1
h Coefficient de transfert de chaleur par convection, W ⋅ m ⋅ K
c
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−2 −1
h Coefficient de transfert de chaleur par rayonnement, W ⋅ m ⋅ K
r
2 −1
I Isolement thermique de la couche limite d'air, m ⋅ K ⋅ W
a
2 −1
I Isolement thermique de la couche limite d'air résultant, m ⋅ K ⋅ W
a,r
2 −1
I Isolement thermique intrinsèque du vêtement, m ⋅ K ⋅ W
cl
2 −1
I Isolement thermique vestimentaire résultant, m ⋅ K ⋅ W
cl,r
2 −1
I Isolement thermique intrinsèque total, m ⋅ K ⋅ W
T
2 −1
I Isolement thermique total résultant, m ⋅ K ⋅ W
T,r
i Indice de perméabilité à l'humidité, sans dimension
m
2 −1
IREQ Isolement thermique requis du vêtement, m ⋅ K ⋅ W
2 −1
IREQ Isolement thermique vestimentaire minimal requis, m ⋅ K ⋅ W
min
2 −1
IREQ Isolement thermique vestimentaire neutre requis, m ⋅ K ⋅ W
neutral
−2
K Flux de chaleur par conduction (échange), W ⋅ m
−2
M Métabolisme énergétique, W ⋅ m
p Pression partielle de vapeur d'eau, kPa
a
p Pression saturée de vapeur d'eau à la température de l'air expiré, kPa
ex
p Pression de vapeur d'eau à la température de la peau, kPa
sk
p Pression saturée de vapeur d’eau à la surface de la peau, kPa
sk,s
−2
Q Perte ou gain de chaleur corporelle, kJ ⋅ m
−2
Q Valeur limite de Q, kJ ⋅ m
lim
−2
R Flux de chaleur par rayonnement (échange), W ⋅ m
2 −1
R Résistance évaporatoire totale du vêtement et de la couche limite d'air, m ⋅ kPa ⋅ W
e,T
−2
S Débit d'accumulation de chaleur dans le corps, W ⋅ m
t Température de l'air, °C
a
t Température de la surface externe du vêtement, °C
cl
t Température de l'air expiré, °C
ex
t Température opérative, °C
o
t Température de rayonnement
r
t Température cutanée locale, °C
sk
t Température cutanée moyenne, °C
sk
t Température de refroidissement par le vent, °C
WC
−1
V Débit de ventilation respiratoire, kg air ⋅ s
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−1
v Vitesse du vent mesurée à 10 m au-dessus du sol, m ⋅ s
10
−1
v Vitesse de l'air, m ⋅ s
a
−1
v Vitesse de marche à pied, m ⋅ s
w
−2
W Puissance mécanique utile, W ⋅ m
w Mouillure cutanée, sans dimension
W Rapport d'humidité de l'air inspiré, kg d'eau/kg d'air sec
a
W Rapport d'humidité de l'air expiré, kg d'eau/kg d'air sec
ex
σ Constante de Stefan-Boltzmann
ε Surface d'émissivité du vêtement, sans dimension
cl
4 Principes des méthodes d'évaluation
La contrainte liée au froid est évaluée à la fois en termes de refroidissement général du corps et de
refroidissement local de parties spécifiques du corps (les extrémités et le visage, par exemple). Les types
suivants de contrainte liée au froid sont identifiés:
a) Refroidissement général
Pour le refroidissement général, l'Article 5 décrit une méthode analytique qui permet d'évaluer et
d'interpréter la contrainte thermique. Cette méthode est basée sur le calcul de l'échange thermique
corporel, sur l'isolement thermique requis du vêtement (IREQ) destiné à maintenir l'équilibre thermique, et
sur l'isolement thermique assuré par l'ensemble vestimentaire utilisé ou dont l'usage est prévu.
b) Refroidissement local
1) refroidissement par convection (refroidissement par le vent)
2) refroidissement par conduction
3) refroidissement des extrémités
4) refroidissement des voies respiratoires
Pour le refroidissement local, des méthodes sont proposées à l'Article 6. L'Article 6 et l'Annexe B
indiquent également les critères physiologiques et les valeurs limites.
Les sections suivantes décrivent les principales étapes de l'évaluation.
5 Refroidissement général
5.1 Aperçu général
L'équilibre thermique corporel est défini par une équation générale dont les facteurs déterminants sont les
propriétés thermiques du vêtement, la production de chaleur corporelle et les caractéristiques physiques de
l'environnement. L'équation est résolue pour l'isolement thermique requis du vêtement (IREQ) qui permet de
maintenir l'équilibre thermique en respectant les critères d'astreinte physiologique spécifiés. La valeur IREQ
est ensuite comparée à la protection (isolement thermique) obtenue avec le vêtement du travailleur. Si
l'isolement thermique du vêtement porté est inférieur à la valeur prescrite, une durée d'exposition
admissible (D ) est calculée à partir des niveaux acceptables de refroidissement corporel. Les
lim
Annexes A et B proposent des formules détaillées ainsi que des coefficients et des critères.
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La méthode implique l'exécution de la procédure suivante qui est schématiquement représentée sur la
Figure 1:
⎯ mesurer les paramètres thermiques de l'environnement;
⎯ déterminer le niveau d'activité (métabolisme énergétique);
⎯ calculer la valeur IREQ;
⎯ comparer la valeur IREQ à l'isolement thermique résultant obtenu avec le vêtement actuellement utilisé;
⎯ évaluer les conditions d'équilibre thermique et calculer la durée d'exposition admissible
recommandée (D ).
lim
5.2 Définition de l'isolement thermique requis, IREQ
Par définition, IREQ est l'isolement thermique résultant d'un vêtement, requis dans les conditions ambiantes
réelles afin de maintenir le corps dans un état d'équilibre thermique à des niveaux acceptables de
température du corps et de température cutanée.
IREQ est
a) une grandeur de mesure de la contrainte liée au froid, qui tient compte des effets de la température de
l'air, de la température moyenne de rayonnement, de l'humidité relative et de la vitesse de l'air pour des
niveaux définis de métabolisme énergétique,
b) une méthode qui permet d'analyser les effets de l'environnement thermique et du métabolisme
énergétique sur le corps humain,
c) une méthode qui permet de définir les exigences relatives à l'isolement thermique du vêtement et de
choisir ensuite le vêtement à utiliser dans les conditions réelles, et
d) une méthode qui permet d'évaluer les variations des paramètres de l'équilibre thermique comme les
mesures destinées à apporter des améliorations à la conception et de planifier la durée et les régimes de
travail dans des conditions froides.
5.3 Paramètre de calcul de l'indicateur IREQ
5.3.1 Équation générale d'équilibre thermique
Le calcul de la valeur IREQ est basé sur l'analyse rationnelle de l'échange de chaleur entre l'homme et son
environnement. Les paragraphes suivants examinent les principes généraux qui permettent de calculer les
différents paramètres de calcul de la valeur IREQ.
L'équation générale suivante [Équation (1)] définit les conditions d'équilibre thermique:
M−=WE +C +E+K+R+C+S (1)
res res
où le terme de gauche, qui représente la production interne de chaleur, est équilibré par le terme de droite,
qui représente la somme des échanges thermiques dans les voies respiratoires, des échanges thermiques
sur la peau et de la chaleur accumulée dans le corps. Les variables de l'Équation (1) sont définies dans les
paragraphes suivants. Pour la signification des symboles, voir également 3.2.
5.3.2 Métabolisme énergétique
M est le métabolisme énergétique évalué conformément à l'ISO 8996.
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Figure 1 — Mode opératoire pour évaluer les environnements froids
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5.3.3 Puissance mécanique utile
W est la puissance mécanique utile. Dans la plupart des situations industrielles, cette puissance est faible et
négligeable. Voir aussi l'information donnée dans l'ISO 8996.
5.3.4 Échange thermique respiratoire
Les voies respiratoires perdent de la chaleur en réchauffant et en saturant l'air inspiré. La quantité de chaleur
perdue est la somme des pertes de chaleur par convection (C ) et par évaporation (E ), respectivement
res res
déterminées par les équations
Cc=⋅V()t −t/A (2)
res p ex a Du
E =⋅cV()W −W/A (3)
res e ex a Du
5.3.5 Échange thermique par évaporation
L'échange thermique par évaporation, E, est défini par l'équation
Ep=−()p /R (4)
sk a e,T
5.3.6 Échange thermique par conduction
L'échange thermique par conduction (K) dépend de la surface des parties corporelles en contact direct avec
les surfaces externes. Bien que ce paramètre puisse avoir un impact non négligeable sur l'équilibre thermique
local, il est souvent faible et peut être inclus dans les expressions des échanges thermiques par convection et
par rayonnement.
5.3.7 Échange thermique par rayonnement
L'échange thermique par rayonnement (R) entre la surface du vêtement (peau non recouverte incluse) et
l'environnement est défini par l'équation:
R=⋅fh⋅()t−t (5)
cl r cl r
5.3.8 Échange thermique par convection
L'échange thermique par convection (C) entre la surface du vêtement (peau non recouverte incluse) et
l'environnement est défini par l'équation
Cf=⋅h⋅t−t (6)
()
cl c cl a
5.3.9 Échange thermique à travers le vêtement
L'échange de chaleur à travers le vêtement s'effectue par conduction, par convection et par rayonnement,
ainsi que par le transfert de la sueur évaporée. L'Équation (4) tient compte de l'effet du vêtement sur
l'échange de chaleur latente. L'effet du vêtement sur l'échange de chaleur sèche est déterminé par l'isolement
thermique de l'ensemble vestimentaire et par le gradient de température entre les surfaces de la peau et du
vêtement. Le flux de chaleur sèche jusqu'à la surface du vêtement équivaut au transfert de chaleur entre la
surface du vêtement et l'environnement. Par conséquent, l'échange thermique à travers le vêtement peut être
exprimé par l'isolement thermique résultant du vêtement:
tt−
sk cl
= R+CM= −W−−−E C E−S (7)
res res
I
cl,r
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5.4 Calcul de la valeur IREQ
En partant des Équations (1) à (7), à l'état d'équilibre et en utilisant l'hypothèse formulée pour le flux de
chaleur par conduction, l'isolement thermique requis du vêtement IREQ peut être calculé à partir de
l'Équation (8):
tt−
sk cl
IREQ = (8)
R + C
Les Équations (7) et (8) expriment l'échange de chaleur sèche à la surface du vêtement lorsque le corps se
trouve à l'équilibre thermique et indiquent la relation entre I et IREQ. I est la valeur de l'isolation
cl,r cl,r
thermique corrigée pour les effets de la pénétration du vent et de l'activité, en tenant compte de la
perméabilité à l'air de la couche vestimentaire extérieure. IREQ est l'isolement thermique nécessaire pour la
maintenance de l'équilibre thermique.
L'Équation (8) contient deux variables inconnues (IREQ et t ); elle est résolue pour t de la manière suivante:
cl cl
tt= −IREQ⋅()M−W−−−E C E (9)
cl sk res res
Cette expression de t est reportée dans les formules de calcul des variables de l'Équation (8), où les
cl
formules de R et de C contiennent t [voir Équations (5) et (6)]. La valeur IREQ qui satisfait l'Équation (8) est
cl
ensuite calculée par itération. L'Annexe F fournit une référence à un programme informatique, à cet effet. La
2 −1
valeur IREQ est exprimée en mètres carrés degrés Kelvin par watt (m ⋅ K ⋅ W ). Il peut également être
1)
exprimé en clo .
5.5 Interprétation de la valeur IREQ
5.5.1 IREQ utilisé comme indicateur de la contrainte liée au froid
La valeur IREQ permet de quantifier la contrainte thermique engendrée par les effets combinés de la
production interne de chaleur et de l'échange thermique avec l'environnement. Plus la puissance
refroidissante de l'environnement est élevée, plus la valeur IREQ est élevée à un niveau d'activité donné.
Dans un ensemble de conditions climatiques données, la contrainte liée au froid, et de ce fait la valeur IREQ,
diminue lorsque l'activité croît en raison de la demande supplémentaire de dissipation du métabolisme
énergétique.
5.5.2 IREQ et contrainte physiologique
L'équilibre thermique peut être atteint à différents niveaux d'astreinte thermorégulatrice, définis en termes de
valeurs de température cutanée moyenne, de sudation (mouillure cutanée) et de variation de température
corporelle.
L'IREQ est défini à deux niveaux d'astreinte physiologique.
a) IREQ définit l'isolement thermique vestimentaire minimal requis pour maintenir l'équilibre thermique du
min
corps à un niveau hyponormal de la température moyenne du corps. La valeur IREQ minimale représente
un certain refroidissement corporel, en particulier des parties périphériques du corps. En cas d'exposition
prolongée, le refroidissement des extrémités peut devenir un facteur limitant pour la durée d'exposition.
b) IREQ définit l'isolement thermique vestimentaire requis pour créer les conditions de neutralité
neutral
thermique, c'est-à-dire pour maintenir un équilibre thermique à un niveau normal de température
moyenne du corps. Ce niveau représente l'absence de refroidissement ou un refroidissement minimal du
corps humain.
L'Annexe B expose les critères physiologiques pertinents.
2 −1
1) 1 clo = 0,155 m ⋅ K ⋅ W .
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5.5.3 IREQ et isolement thermique du vêtement
IREQ est une valeur d'isolement thermique vestimentaire résultant qui est requise pour les conditions réelles.
Elle peut donc servir de base pour évaluer la protection donnée par le vêtement utilisé, ou de ligne directrice
pour choisir un vêtement approprié. La valeur IREQ est comparée à la valeur d'isolement thermique résultant
des ensembles vestimentaires choisis. Cette évaluation est décrite en 5.6.
5.5.4 IREQ et conception du travail
Aucun des paramètres de l'équation d'équilibre thermique ne peut être changé et la valeur IREQ indiquera
l'importance relative de ce facteur particulier.
5.6 Comparaison de la valeur IREQ et de l'isolement thermique choisi pour le vêtement
Le principal objectif de la méthode IREQ est de déterminer par l'analyse si le vêtement choisi assure un
isolement thermique suffisant pour établir un niveau d'équilibre thermique défini. La valeur d'isolement
thermique la plus couramment indiquée pour un ensemble vestimentaire est sa valeur d'isolement thermique
intrinsèque, I (voir l'ISO 9920). Pour comparer cette information à la valeur IREQ, plusieurs facteurs doivent
cl
être corrigés. La valeur corrigée, I , n'est pas immédiatement disponible car elle dépend des conditions
cl,r
d'utilisation. Elle doit donc être déterminée à partir des informations disponibles pour le vêtement réel
(isolement thermique intrinsèque et perméabilité à l'air), le vent et le niveau d'activité.
Les valeurs d'isolement thermique intrinsèque des ensembles vestimentaires et de perméabilité à l'air doivent
être déterminées conformément à l'ISO 9920. L'Annexe C donne des exemples de valeurs et l'Annexe A
fournit des algorithmes de correction finale.
La valeur I est comparée à la valeur IREQ calculée pour les conditions et les critères indiqués. Les
cl,r
interprétations suivantes sont faites:
I > IREQ zone chaude ou surchauffée — l'isolement thermique du vêtement
cl,r neutral
doit être réduit;
IREQ u I u IREQ zone neutre, thermiquement régulée — aucune action n'est requise;
min cl,r neutral
I < IREQ zone froide ou refroidie — l'isolement thermique du vêtement doit
cl,r min
être augmenté ou une valeur D doit être calculée (voir 5.7).
lim
L'intervalle entre IREQ et IREQ peut être considéré comme une zone régulée du vêtement dans
min neutral
laquelle chaque personne choisit le niveau de protection approprié. Si les valeurs d'isolement thermique sont
inférieures à IREQ , il existe un risque de refroidissement progressif du corps. Si les valeurs sont
min
supérieures à IREQ , l'environnement sera considéré chaud et l'apport calorifique pourra devenir excessif.
neutral
Pour l'évaluation finale, le résultat peut être présenté en termes d'isolement thermique intrinsèque nécessaire
dans les conditions spécifiées (Annexe E).
5.7 Définition et calcul de la durée d'exposition admissible, D
lim
Lorsque la valeur corrigée de l'ensemble vestimentaire choisi ou utilisé est inférieure à l'isolement thermique
requis calculé (IREQ), l'exposition doit être limitée dans le temps afin d'éviter un refroidissement progressif du
corps. Une réduction de la quantité de chaleur corporelle (Q) est acceptable pour une exposition de quelques
heures et peut servir à calculer la durée d'exposition lorsque le débit d'accumulation de chaleur est connu.
Par définition, la durée d'exposition admissible (D ) au froid est la durée d'exposition maximale
lim
recommandée pour le vêtement disponible ou choisi. La valeur D est calculée à l'aide de l'Équation (10):
lim
Q
lim
D = (10)
lim
S
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où Q est la valeur limite de Q (voir Annexe B) et S est calculé à partir de l'équation
lim
SM=−W−E −C −E−R−C (11)
res res
L'Équation (11) contient l'inconnue t . Elle est donc résolue par itération mathématique:
cl
tt= −I ⋅M−W−−−E C E−S (12)
()
cl sk cl,r res res
L'Équation (12) est similaire à l'Équation (9), la différence étant que l'Équation (9) est utilisée à l'état
d'équilibre pour calculer IREQ et que l'Équation (12) est utilisée dans des conditions réelles lorsque
l'isolement thermique du vêtement est connu.
La valeur D doit être calculée à partir de la valeur IREQ (par défaut) (voir 5.5.2). D'autres valeurs de
lim neutral
sensation thermique peuvent être choisies [voir 5.5.2 b)]. Au début de l'exposition, si le travailleur a adopté un
rythme de déperdition thermique spécifique, la durée d'exposition doit être réduite en conséquence.
À l'issue d'une exposition engendrant un refroidissement du corps, une période de récupération destinée à
rétablir l'équilibre thermique normal du corps doit être prévue. Le temps de récupération (D ) est calculé de
rec
la même manière que D , en remplaçant les «conditions froides» par les conditions d'exposition pendant la
lim
période de récupération, c'est-à-dire
D =QS/ (13)
rec lim
où S est le débit d'accumulation de chaleur (positif) calculé à partir de l'Équation (11) pour les conditions
d'exposition pendant la période de récupération.
Comme la récupération est censée débuter lorsque le corps a atteint une valeur de déperdition thermique
spécifique, la valeur de Q doit être identique à celle calculée pour D /D . En cas de changement de
lim rec lim
vêtement pen
...
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