ISO 8996:2021

Ergonomics of the thermal environment — Determination of metabolic rate

This document specifies different methods for the determination of metabolic rate in the context of ergonomics of the thermal working environment. It can also be used for other applications, e.g. the assessment of working practices, the energetic cost of specific jobs or sport activities and the total energy cost of an activity. The methods are classified in four levels of increasing accuracy: level 1, Screening, with a table giving examples of activities with low, moderate and high metabolic rates; level 2, Observation, where the metabolic rate is estimated by a time and motion study; level 3, Analysis, where the metabolic rate is estimated from heart rate recordings or accelerometers measurements; and level 4, Expertise, where more sophisticated techniques are described. The procedure to put into practice these methods is presented and the uncertainties are discussed.

Ergonomie de l'environnement thermique — Détermination du métabolisme énergétique

Le présent document spécifie différentes méthodes visant à déterminer le métabolisme énergétique dans le domaine de l’ergonomie de l’environnement de travail thermique. Il peut cependant être également utilisé en vue d’autres applications, par exemple l’évaluation des pratiques de travail, le coût énergétique de travaux ou d’activités sportives spécifiques et le coût énergétique global d’une activité. Les méthodes sont classées en quatre niveaux de précision croissante: niveau 1, Typologies, avec un tableau donnant des exemples d’activités avec métabolismes énergétiques faibles, modérés et élevés; niveau 2, Observation, où le métabolisme énergétique est estimé par une étude des temps et des mouvements; niveau 3, Analyse, où le métabolisme énergétique est estimé à partir d’enregistrements de la fréquence cardiaque ou de mesures d’accéléromètres; et niveau 4, Expertise, où des techniques plus sophistiquées sont décrites. Le mode opératoire pour mettre en pratique ces méthodes est indiqué et les incertitudes sont examinées.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 12-Dec-2021
• ICS: 13.180 - Ergonomics
• Technical Committee: ISO/TC 159/SC 5 - Ergonomics of the physical environment
• Drafting Committee: ISO/TC 159/SC 5/WG 1 - Thermal environments
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 13-Dec-2021
• Due Date: 24-Aug-2021
• Completion Date: 13-Dec-2021

Relations

• Revises: ISO 8996:2004 - Ergonomics of the thermal environment — Determination of metabolic rate
• Effective Date: 02-Sep-2017

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 8996
Third edition
2021-12
Ergonomics of the thermal
environment — Determination of
metabolic rate
Ergonomie de l'environnement thermique — Détermination du
métabolisme énergétique
Reference number
© ISO 2021
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Email: [e-mail]
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 The units . 1
5 The four levels of methods for estimating the metabolic rate . 1
6 Level 1, Screening: classification of metabolic rate by categories .3
7 Level 2, Observation .3
7.1 E valuation of metabolic rate for a given activity . 3
7.2 E valuation of the mean metabolic rate over a given period of time . 4
7.3 Accuracy . 4
8 Level 3, Analysis. 4
8.1 E valuation of metabolic rate using heart rate . 4
8.1.1 Principle of the method . 4
8.1.2 Determination of the (HR–M) relationship for purely dynamic muscular
work . 5
8.1.3 E valuation of the metabolic rate as a function of HR in real situations . 6
8.2 E valuation of metabolic rate by accelerometry. 7
9 Level 4, Expertise . 8
9.1 E valuation of metabolic rate by measurement of oxygen consumption rate . 8
9.1.1 Partial and integral method . 8
9.1.2 Evaluation of metabolic rate from oxygen consumption rate. 10
9.1.3 E valuation of oxygen uptake . 11
9.1.4 Calculation of metabolic rate . . 13
9.2 E valuation of metabolic rate by the doubly labelled water method for long term
measurements.13
9.3 E valuation of metabolic rate by direct calorimetry — Principle . 14
Annex A (informative) Evaluation of the metabolic rate at level 1, Screening .15
Annex B (informative) Evaluation of the metabolic rate at level 2, Observation .17
Annex C (informative) Evaluation of the metabolic rate at level 3, Analysis .21
Annex D (informative) Evaluation of the metabolic rate at level 4, Expertise .23
Annex E (normative) Correction of the heart rate measurements for thermal effects .25
Bibliography .27
iii
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 technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 159, Ergonomics, Subcommittee
SC 5, Ergonomics of the physical environment, in collaboration with the European Committee for
Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 122, Ergonomics, in accordance with the
Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 8996:2004), which has been technically
revised.
The main changes to the previous edition are as follows:
— The metabolic rate associated with a given task and estimated using the methods described in this
document is expressed in watts.
— At level 1, Screening, the method classifying metabolic rate according to occupation has been
removed, and revised procedures are provided for the evaluation of metabolic rate for given
activities (level 2, Observation) and when using heart rate (level 3, Analysis).
— The accuracy of the methods for estimating the metabolic rate has been reevaluated in light of
the recent literature and consequently the integral method is no longer recommended at level 4,
Expertise.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
The metabolic rate, as a conversion of chemical into mechanical and thermal energy, measures the
energetic cost of muscular load and gives a quantitative estimate of the activity. Metabolic rate is an
important determinant of the comfort or the strain resulting from exposure to a thermal environment.
In particular, in hot climates, the high levels of metabolic heat production associated with muscular
work aggravate heat stress, as large amounts of heat need to be dissipated, mostly by sweat evaporation.
On the contrary, in cold environments, high levels of metabolic heat production help to compensate for
excessive heat losses through the skin and therefore reduce the cold strain.
The estimations, tables and other data included in this document concern the general working
population. Corrections can be needed when dealing with special populations, including children, aged
persons or people with physical disabilities. Personal characteristics, such as body mass, may be used if
the body is moved due to walking or climbing (Annex B). Gender, age and body mass are considered in
Annex C for the evaluation of the metabolic rate from heart rate.
v
INTERNATIONAL STANDARD ISO 8996:2021(E)
Ergonomics of the thermal environment — Determination
of metabolic rate
1 Scope
This document specifies different methods for the determination of metabolic rate in the context of
ergonomics of the thermal working environment. It can also be used for other applications, e.g. the
assessment of working practices, the energetic cost of specific jobs or sport activities and the total
energy cost of an activity. The methods are classified in four levels of increasing accuracy: level 1,
Screening, with a table giving examples of activities with low, moderate and high metabolic rates; level
2, Observation, where the metabolic rate is estimated by a time and motion study; level 3, Analysis,
where the metabolic rate is estimated from heart rate recordings or accelerometers measurements;
and level 4, Expertise, where more sophisticated techniques are described. The procedure to put into
practice these methods is presented and the uncertainties are discussed.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
4 The units
The metabolic rate associated with a given task and estimated using the methods described in this
document shall be expressed in watts.
If the task does not involve displacements, the metabolic rate will not vary as a function of the size and
the weight of the subject. If it involves displacements, then the weight of the person shall be taken into
account (see Annex B).
As the heat associated to this metabolic rate and produced inside the body leaves it essentially through
−2
the skin, thermophysiologists usually express the metabolic rate per unit of body surface area in W⋅m
and the estimations of thermal comfort and thermal constraints described in ISO 7243, ISO 7730,
−2
ISO 7933 and ISO 11079 are done using metabolic rates in W⋅m .
5 The four levels of methods for estimating the metabolic rate
The mechanical efficiency of muscular work – called the ‘useful work’ – is low. In most types of industrial
work, it is so small (a few per cent) that it is assumed to be nil. This means that the energy spent while
working is assumed to be completely transformed into heat. For the purposes of this document, the
metabolic rate is assumed to be equal to the rate of heat production.
Table 1 lists the different approaches presented in this document for determining the metabolic rate.
These approaches are structured following the philosophy exposed in ISO 15265 regarding the
assessment of exposure. Four levels are considered:
— Level 1, Screening: a method simple and easy to use is presented to quickly classify as light, moderate,
high or very high the mean workload according to the kind of activity.
— Level 2, Observation: a time and motion study is presented for people with full knowledge of the
working conditions but without necessarily a training in ergonomics, to characterize, on average, a
working situation at a specific time:
A procedure is described to successively record the activities with time, estimate the metabolic
rate of each activity using formulae and data presented in Annex B and compute the time-weighted
average metabolic rate.
— Level 3, Analysis: one method is addressed to people trained in occupational health and ergonomics
of the thermal environment. The metabolic rate is evaluated from heart rate recordings over a
representative period. This method for the indirect evaluation of metabolic rate is based on its
relationship with heart rate under defined conditions. Another method at this level is based on the
use of accelerometery to record body movement.
— Level 4, Expertise: three methods are presented. They require very specific measurements made by
experts:
— Method 4A: the oxygen consumption measured over short periods (10 min to 20 min);
— Method 4B: the so-called doubly labelled water method aiming at characterizing the average
metabolic rate over much longer periods (1 week to 2 weeks);
— Method 4C: a direct calorimetry method.
Table 1 — Levels for the evaluation of the metabolic rate
Level Method Uncertainty Inspection of the work place
1 Rough information
Classification according to
Not required
activity
Screening Very great risk of error
2 High error risk
Time and motion study Required
Observation Uncertainty: ± 20 %
3A: Heart rate measure-
Medium error risk
ment under defined condi-
Study required to determine a rep-
Uncertainty: ± 10 to 15 %
tions
resentative period
Analysis
3B: Accelerometry High risk of error
4A: Measurement of oxygen Errors within the limits of
Time and motion study necessary
consumption the accuracy of the meas-
urement or of the time and
motion study, if assumptions Inspection of work place not re-
4B: Doubly labelled water
(9.1.1, 9.1.4) are met quired, but leisure activities shall
method
4 be evaluated.
Uncertainty: ± 5 %
Expertise
Errors within the limits of
the accuracy of the meas-
Inspection of work place not
urement or of the time and
4C: Direct calorimetry
required.
motion study
Uncertainty: ± 5 %
The uncertainty of each method is provided in Table 1 as coefficient of variation (CV), i.e. the percentage
ratio of the standard deviation to the mean, and should be understood as indicative values, which can
increase due to non-controlled influences discussed as follows. The accuracy at each level is discussed
in describing the methods in Clauses 6 to 9. It increases from level 1 to level 4 and, as far as possible, the
most accurate method should be used.
Attention should be drawn to various sources of variations:
— For a person trained in the activity, the variation is about 5 % under laboratory conditions.
— Under field conditions, i.e. when the activity to be measured is not exactly the same from test to test,
a variation of up to 20 % can be expected.
— In cold conditions, an increase of up to 400 W can be observed when shivering occurs.
— Heavy clothing can also increase the metabolic rate by 20 % or more, by increasing the weight
carried by the subject and decreasing the subject's ease of movement.
The accuracy depends also upon the following:
— The representativeness of the time period observed.
— The possible disturbance of the normal activity by the observer and/or the procedure. In this
regard, the method based on heart rate recordings appears to be one that interferes the least with
the activity.
— The number of measurements: repetition is one method to reduce random measurement error.
Based on the CV of an unbiased estimate, the formula (actual CV/requested CV) approximates
the required number of repetitions (Vogt et al., 1976). This implies that in order to achieve a 10 %
uncertainty level, two measurements would be necessary with a method actually providing 14 %,
while four repetitions would be needed with 20 % uncertainty, and nine with 30 %. Of course,
this improvement will only work if no systematic errors are inherent. It is recommended that the
metabolic rate from all the samples is evaluated and the mean value adopted as the metabolic rate
of the condition studied.
6 Level 1, Screening: classification of metabolic rate by categories
The metabolic rate can be estimated approximately using the classification given in Annex A. Table A.1
defines five classes of metabolic rate: resting, low, moderate, high and very high. For each class, a range
of metabolic rate values is given as well as a number of examples. These activities are supposed to
include short rest pauses.
An inspection of the work place is not necessary.
The examples given in Table A.1 illustrate the classification.
As the method provides only a rough estimate of the metabolic rate with considerable possibilities
for error, it should only be used for classification purposes without interpolation between the four
categories.
7 Level 2, Observation
7.1 Evaluation of metabolic rate for a given activity
Annex B gives mean values or formulae for estimating the metabolic rate in watts in the following cases:
— at rest;
— for activities with displacements:
−1
— when walking with or without load at < 6 km⋅h ;
−1
— when running with or without load at ≥ 6 km⋅h ;
— when going up or down stairs and ladders;
— for activities without displacement
— when lifting or lowering loads without displacement;
— from the observation of the body segment involved in the work: both hands, one arm, two arms,
the entire body, taking into account the body posture: sitting, kneeling, crouching, standing,
standing stooped;
7.2 E valuation of the mean metabolic rate over a given period of time
To evaluate the average metabolic rate over a given period of time, it is necessary to carry out a detailed
study of the work. This involves:
— determining the list of activities performed during this period of time;
— estimating the metabolic rate for each of these activities, taking account of their characteristics
and using the data in Annex B, e.g. speed of displacement, heights climbed, weights manipulated,
number of actions carried out;
— determining the time spent at each activity over the whole period of time considered.
The time-weighted average metabolic rate for the time period can then be evaluated using Formula (1):
n
M= Mt (1)
ii
∑
T
i=1
where
M is the average metabolic rate for the work cycle, W;
M is the metabolic rate for activity i, W;
i
t is the duration of activity i, min;
i
T is the total duration, min, of the period of time considered, and is equal to the sum of the partial
durations t .
i
The procedure of this time and activity evaluation is further described in Annex B.
The time and duration of the study shall be representative of the activity in all its possible variations:
the duration may be rather short if the work cycle is short and repetitive, and very long when the
activities change permanently.
7.3 Accuracy
The accuracy of the time and activity procedure depends upon the accuracy of the formulas used (see
Annex B), but mostly upon the level of training of the observers and their knowledge of the working
conditions: the possibility for errors is high.
8 Level 3, Analysis
8.1 E valuation of metabolic rate using heart rate
8.1.1 Principle of the method
In the case of pure dynamic work using major muscle groups, with no static muscular, thermal and
mental loads, the metabolic rate may be estimated by measuring the heart rate while working. Under
such conditions, a linear relationship exists between the metabolic rate and the heart rate. If the above-
mentioned restrictions are taken into account, this method can be more accurate than the level 1 and
level 2 methods of evaluation (see Table 1) and is considerably less complex than the methods listed in
level 4. In that case, the relationship between heart rate and metabolic rate is shown in Formula (2):
M = a + b HR (2)
where
M is the metabolic rate, W;
HR is the heart rate measured, beats⋅per min;
a and b are coefficients
The heart rate may be recorded continuously, for example by the use of telemetric equipment, or, with a
reduction in accuracy, measured manually by counting the arterial pulse rate.
The mean heart rate may be computed over fixed time intervals, for example 1 min, over a given period
of time or over the whole shift time.
The accuracy of this estimation of the metabolic rate depends upon:
— the accuracy and validity of the relation in Formula (2);
— the magnitude of the HR components not linked to the dynamic muscular load.
8.1.2 Determination of the (HR–M) relationship for purely dynamic muscular work
The (HR–M) relation can be determined by different methods of decreasing accuracy:
a) The most accurate method consists of recording the heart rate and corresponding oxygen
consumption at different effort levels during a cardiac stress test, for example on an ergometer or
a treadmill in a thermically neutral environment. The (HR−M) relation can be used provided the
durations of the efforts at each level are such that stable HR and oxygen consumption values are
reached.
Studies showed that when the cardiac test consists of manual crank efforts, instead of cycling on
a bicycle or walking on a treadmill the metabolic rate for the same HR value is 23 % to 30 % lower
and the validity of (HR−M) will be limited to activities involving only the upper body and limbs.
Conversely, the (HR–M) relation derived from tests on an ergometer or treadmill will mainly be
valid for activities involving the lower limbs and the entire body.
This method of determination of the (HR–M) relationship is very strenuous and may only be
performed in a medical environment.
b) A simpler procedure consists of recording the stable heart rate during a few dynamic efforts whose
metabolic rates are known. The step-test method is an example of such a procedure, as well as the
use of the Astrand-Rythming nomogram. The accuracy is then reduced as the oxygen consumption
is not measured.
When such step test or full cardiac stress tests are used, the (HR−M) relation characterizes the
subject at the time of the test and obviously takes into account his or her fitness and health status
at this time.
c) When the methods in a) and b) cannot be used, (HR–M) can be derived from evaluations of:
−1
— the heart rate at rest under neutral thermal conditions, HR , beats⋅min ;
— the metabolic rate at rest, M , W;
— the maximum working capacity (MWC), W;
— the maximum heart rate HR , beats⋅per min;
max
— the increase in heart rate per unit of metabolic rate: RM = (HR − HR )/(MWC − M ).
max 0 0
The (HR−M) relation is then given by Formula (3):
M = M + (HR − HR )/RM (3)
0 0
The accuracy of this relation is a function of the validity of the measurements or estimations of
HR , M , HR and MWC. Annex C proposes formulae for estimating these four parameters as a
0 0 max
function of the sex, age, lean weight and height of an “average” person of “average” fitness.
d) An even simpler method is to use direct evaluations of the (HR–M) relationship such as provided
in Table C.1 for women and men with ages ranging from 20 years to 65 years and body masses
ranging from 40 kg to 110 kg. The precision is then further reduced.
8.1.3 Evaluation of the metabolic rate as a function of HR in real situations
In any given situation, the heart rate at a given time can be regarded as the sum of several components,
as shown in Formula (4):
HR = HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR (4)
0 M S T N ε
where
HR is the heart rate, in beats per minute, at rest under neutral thermal conditions;
∆HR is the increase in heart rate, in beats per minute, due to dynamic muscular load, under neutral
M
thermal conditions;
∆HR is the increase in heart rate, in beats per minute, due to static muscular work (this component
S
depends on the relationship between the force used and the maximum voluntary force of the
working muscle group);
∆HR is the increase in heart rate, in beats per minute, due to heat stress (the thermal component
T
is discussed in ISO 9886);
∆HR is the increase in heart rate, in beats per minute, due to mental load;
N
∆HR is the change in heart rate, in beats per minute, due to other factors, for example respiratory
ε
effects, circadian rhythms, dehydration.
When these evaluations made using this model are compared with data recorded in the field, differences
will usually be observed due to the factors listed in Clause 5 and the following factors.
— The fact that the work is performed in a hot environment that can lead to a significant increase
of HR: the error on the evaluation of M can then rise dramatically (Bröde and Kampmann, 2019).
To eliminate or at least reduce the resulting error, the HR recordings should be made in a neutral
environment, that is, in thermal conditions in which the core temperature does not increase and
these thermal HR components do not exist. If it is not possible, the heart rate measurements shall be
corrected for thermal effects by the procedure described in Annex E.
— The fact that the work performed by the subject is not purely dynamic and that the HR components
due to, for example, static work, stress and mental load can be important. As these components
cannot be evaluated and subtracted, the estimated M value will be an overestimation of the true
energy expenditure. In a cold environment, this overestimation will result in an underestimation of
the risk for the people exposed, while in the case of heat stress (even after the mandatory correction
for the heat component of HR) it will lead to a prediction of a greater risk and therefore result in an
increased protection of the people.
— The fitness of the subject influences strongly his or her MWC and therefore the (HR–M) relation.
The MWC can vary from the average roughly by +40 % for fit people (percentile 95 of the working
population) to −40 % for unfit people (percentile 5 %) (Kaminsky, 2015).
— The individual determination of MWC during a cardiac stress test helps to maintain the intended
level of accuracy in field situations concerning populations different from the average person (Arab
et al., 2020).
In any case, it should be noted that the HR values, including all the possible components, as well as the
metabolic rates estimated from them, reflect the global strain of the person and therefore can be used
to estimate the strenuousness of the task or job for that person.
8.2 Evaluation of metabolic rate by accelerometry
The increase of metabolic rate above resting is typically linked to an increased rate of body movement.
This increase in movement can be assessed using accelerometers that can be placed on the trunk (e.g.
step counters) or on a number of body locations, allowing additional assessment of movement of arm
and legs. Due to the increasing focus on physical activity and health, the use of accelerometers for the
determination of total daily energy expenditure (TEE) or activity-based energy expenditure (AEE) has
grown dramatically over the last 10 years. In part this was stimulated by the incorporation of such
devices in small fitness monitoring devices, often linked to mobile phone apps, the widespread use of
simple pedometers for personal activity monitoring, and the increased use of research-based systems
for tracking activity and metabolic rate.
Due to the proprietary nature of many of these devices, in most cases the underlying calculations to get
from accelerometry data to energy expenditure are not publicly available.
Research-based systems are using a range of technologies, with a move from using piezoelectric
sensors, that are unable to detect the field of gravity and thus cannot identify the body position, to
piezo-resistive and capacitive sensors, which do measure the gravitational field, and thus are able to
identify posture (standing, sitting or lying). Some systems use single accelerometers, while others use
multiaxial systems or even several sensors placed on different body parts. Systems vary in sampling
frequency, mass (8 g to 200 g), sensor location(s) on the body and dynamic range (a range of −6 g to
+6 g has been recommended). Several research systems use additional information, either static
information on the person (body mass, height, age, gender) and dynamic measurements (heart rate,
skin temperature, surface-based core temperature estimate, galvanic skin response, heat flux), though
the latter do not necessarily lead to improved predictions of energy expenditure.
A multitude of research systems has been validated against doubly labelled water measurements (see
9.2) over several days (Plasqui et al., 2013; Plasqui and Westerterp, 2007). Correlations of accelerometer
outcomes (step counts, activity levels, AEE, TEE) and doubly labelled water measurements obtained
showed large variations between studies and equipment types, with correlations ranging from non-
significant to 0,91. While mean differences at group level between doubly labelled water and TEE or
AEE were often small, variability was quite large. Though some systems can be used effectively for
longer-term metabolic rate estimations, less information is available on using such systems for short
work periods. In addition, the work type is important as, for example, sitting hand or arm work is not
detected as activity by most systems.
The accuracy of the evaluation using accelerometers is highly dependent upon the material used and
the method appears to be more appropriate for long-term than short-term evaluation.
9 Level 4, Expertise
9.1 Evaluation of metabolic rate by measurement of oxygen consumption rate
9.1.1 Partial and integral method
The metabolic rate has traditionally been evaluated by two main methods:
— the partial method, to be used for light and moderately heavy work;
— the integral method, to be used for heavy work of short duration.
The use of the partial method is justified under the following assumption:
— In the case of light and moderate work, the oxygen uptake reaches a steady state equal to the oxygen
requirement after a short period of work (Figure 1).
— This assumption holds as long as body temperature will not change, additional types of muscle
fibres are not recruited during work or lactic acidosis will occur.
Otherwise, a slow component of oxygen uptake will show up (e.g. Gaesser and Poole, 1996; Barstow and
Molé, 1991; see Figure 2) and by this the value of the energetic equivalent (EE) to be used to estimate
metabolic rates (see 9.1.2 and 9.1.4) can be dubious, and in total lead to an overestimation of metabolic
rates, whereas oxygen uptake rate will be measured correctly.
When a “slow component” is present (Figure 2), there will be no steady state in the measured oxygen
uptake at a constant work rate for some time, and the value therefore can depend on the time of the
measurement. Thus, the slow component can lead to an overestimation of metabolic rates as well as
oxygen uptake rates for a given workload.
−1
An increase of body temperature can be observed well below an oxygen uptake of 1 l O ⋅min and
will lead to an increased oxygen uptake due to the Q -effect. Q is defined as “ratio of the rate of
10 10
a physiological process at a particular temperature to the rate at a temperature 10 °C lower” and
increases oxygen uptake by 7 % per degree rise in core temperature with typical Q = 2.
Figure 1 shows the procedure to be followed when using the partial method.
Since the steady state is only reached after 3 min to 5 min, the collection of expired air starts after
about 5 min (preliminary period), without interrupting the work. The work continues for 5 min to
10 min (measurement period). Air collection can be either complete (e.g. with a Douglas bag) or by
regular sampling (e.g. with a gas meter). It is stopped when sufficient expired air has been sampled or,
for example, when workload changes.
Key
X time, min 4 preliminary period
Y oxygen uptake rate, l/min 5 measurement period
1 oxygen uptake rate required 6 work period
2 increase in oxygen uptake rate due to work 7 oxygen deficit
3 resting rate of oxygen uptake
Figure 1 — Measurement of metabolic rate using the partial method
Key
X time, min 4 preliminary period
Y oxygen uptake rate, l/min 5 measurement period
1 oxygen uptake rate required 6 work period
2 increase in oxygen uptake rate due to work 7 oxygen deficit until start of measurement
3 resting rate of oxygen uptake
Figure 2 — Measurement of metabolic rate using the partial method for high oxygen uptake
rates: slow component at a constant workload
It is necessary to record the course of the work (time and motion study) and the frequency of repeated
activities for further evaluation of the results and for comparison of the metabolic rate with data in the
literature. Examples of the calculation of metabolic rate are given in Annex D.
−1
For oxygen uptake rates above 1 l O ⋅min , the integral method was recommended. In the case of
heavy work, the oxygen requirement is above the long-term limit of aerobic power; in the case of very
heavy work it can be above the maximum aerobic power. During heavy work, the oxygen uptake cannot
satisfy the oxygen requirement. The oxygen deficit is balanced after work has ceased with the oxygen
uptake rate slowly returning to the resting value. The total excess above resting rate is called excess
post-exercise oxygen consumption (EPOC) (Gaesser and Brooks, 1984), formerly O debt or afterburn.
The integral method was based on the assumption that the O -deficit is balanced by EPOC, but there is
evidence that the O deficit is usually exceeded by the EPOC. So EPOC can amount for 10 l O to 20 l O
2 2 2
and the duration of EPOC can last from 30 min to 40 min (Smith and McNaughton, 1993). The ratio of
EPOC to O -deficit can reach a value of 4 for hard work (Gore and Withers, 1990).
Given the considerations above, the application of the integral method is no longer recommended.
9.1.2 Evaluation of metabolic rate from oxygen consumption rate
Since very small amounts of oxygen can be stored in the human body, it is continuously taken up from
the atmosphere by respiration. Muscles can work for a short time without being directly provided
with oxygen (anaerobic work) but for longer periods of work oxidative metabolism is the major energy
source.
The metabolic rate can be evaluated, therefore, by measuring oxygen consumption rate. The EE of
oxygen is used to convert oxygen consumption rate into metabolic rate.
The EE depends on the type of metabolism that is indicated by the respiratory quotient (RQ). In the
−1
evaluation of the metabolic rate, the use of a mean RQ of 0,85 and thereby of an EE of 5,68 W⋅h⋅l O is
often sufficient. In that case, measurement of the carbon dioxide production rate is not required. The
maximum possible error is ± 3,5 %, but generally the error will not exceed 1 %.
The metabolic rate can be evaluated from Formulae (5) to (7):

V
CO
RQ= (5)

V
O
EE = (0,23RQ + 0,77)5,88 (6)

MV=×EE (7)
O
where
RQ is the respiratory quotient;
 −1
V is the oxygen consumption rate, l O ⋅h ;
O 2
 −1
V
is the carbon dioxide production rate, l CO ⋅h ;
CO 2
−1
EE is the energetic equivalent, in watt hours per litre of oxygen (W⋅h⋅l O );
M is the metabolic rate, W.
9.1.3 Evaluation of oxygen uptake
9.1.3.1 General
The procedure for determining the oxygen uptake is described in the following subclauses.
9.1.3.2 Calculation of the STPD reduction factor
The evaluation of the oxygen uptake requires the following data to be measured or recorded:
a) the method of measurement;
b) the duration of the measurement: partial method or integral method as described in 9.1.1;
c) the atmospheric pressure;
d) the volume of air expired;
e) the temperature of the expired air;
f) the fraction of oxygen in the expired air;
g) the fraction of carbon dioxide in the expired air if evaluation of RQ is required.
The gas volume shall be related to θ = 0 °C, p = 101,3 kPa (normal atmospheric pressure) for a dry
gas (i.e. STPD conditions: standard temperature and pressure, dry). As the collected air is saturated
with water vapour (the saturation pressure of which is a function of temperature) and its temperature
is determined by ambient temperature (ATPS conditions: atmospheric temperature and pressure,
saturated), the reduction factor f can be calculated from Formula (8) using the partial pressure of water
vapour (see Table 2).
273×−pp
()
a,ex
f = (8)
273+θ ×101,3
()
where
f is the STPD reduction factor;
p is the measured atmospheric pressure, kPa;
θ is the temperature of the expired air, °C, measured in the gas meter or assumed the ambient
temperature when a Douglas bag is used;
p is the water vapour partial pressure of the expired air, kPa, estimated as saturated water va-
a,ex
pour pressure corresponding to the temperature θ (see Table 2).
Table 2 — Saturated water vapour pressure (in kPa) for temperatures between 10 °C and 37 °C
(1 °C steps)
Temperature
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
°C
10 1,23 1,31 1,40 1,50 1,60 1,70 1,82 1,94 2,06 2,20
20 2,34 2,49 2,64 2,81 2,98 3,17 3,36 3,56 3,78 4,00
30 4,24 4,49 4,75 5,03 5,32 5,62 5,94 6,27 – –
If the collected expired air is heated up by the environment to a temperature in excess of 37 °C, the
saturated water vapour pressure of 6,27 kPa at the temperature of 37 °C shall be used.
9.1.3.3 Calculation of the expired volume at STPD
Calculation of the expired volume at STPD is made using Formula (9).
V = V ⋅ f (9)
exSTPD exATPS
where
V is the expired volume, l, at STPD;
exSTPD
V is the expired volume, l, at ATPS;
exATPS
f is as defined in 9.1.3.2.
9.1.3.4 Calculation of the volume flow rate
Calculation of the volume flow rate is made using Formula (10).
V
exSTPD

V = (10)
ex
t
where
−1

is the volume flow rate, l⋅h ;
V
ex
t is the test duration, h, i.e. the main period for the partial method.
9.1.3.5 Calculation of oxygen consumption rate
Calculation of the oxygen consumption rate is made using Formula (11).
 
V = V · (0,209 − F) (11)
O2 ex O2
where
 −1
V is the oxygen consumption rate, l O ⋅h ;
O2 2
F is the fraction of oxygen in the expired air.
O2
9.1.3.6 Calculation of carbon dioxide production rate
Calculation of the carbon dioxide production rate is made using Formula (12).
 
V = V ⋅ (F − 0,000 4) (12)
C02 ex CO2
where
 −1
V is the carbon dioxide production rate, l CO ⋅h ;
C02
F is the fraction of carbon dioxide in the expired air.
CO2
9.1.3.7 The effect of contraction of the expired volume
The inspired and expired volumes are not equal if RQ is not equal to 1. Contraction can be taken into
account using Formulae (13) and (14):
 
V = V [0,265(1 − F − F ) − F] (13)
O2 CO2 O2
02 ex
  −3
V = V [F − (1 – F − F ) 0,380 × 10 ] (14)
C02 ex CO2 O2 CO2
9.1.4 Calculation of metabolic rate
The metabolic rate is evaluated with the partial method from the oxygen uptake and the EE using
Formula (7).
If a slow component shows up, the exact value of the EE can be unknown due to the effects listed in
9.1.1 and the application of Formula (7), and subsequently the calculation of metabolic rate is not
recommended.
9.2 Evaluation of metabolic rate by the doubly labelled water method for long term
measurements
This subclause describes only the principle of the method and refers to the literature (Black et al., 1996)
for detailed descriptions.
After collection of a baseline urine sample, the subject drinks an accurately weighed oral loading dose
2 18
of H O.
Deuterium ( H) labels the body water pool and its rate of disappearance from the body (k ) provides a
measure of water turnover (r ).
H2O
The O labels both the water and bicarbonate pools which are in rapid equilibrium through the
carbonic anhydrase reaction.
The rate of disappearance of O (k ) provides a measure of the combined turnover of water and
bicarbonate (r + r ). Therefore, bicarbonate turnover (i.e. the subject's carbon dioxide production
H2O CO2
rate) can be calculated as the difference between the two rate constants (k − k ).
18 2
Carbon dioxide production rate can be converted to energy expenditure using classical indirect
2 18
calorimetric calculations. The initial dilution of the isotopes provides a measure of the H and O
spaces, which are useful in calculating body composition.
The method requires the measurements to be made over at least two biological half-lives of the isotopes:
in children, the minimum test duration is about 6 days, in normal adults it is about 12 days to 14 days
and in the elderly it can be longer.
The doubly labelled water method has been cross-validated against whole-body calorimetry and
intake/balance procedures in a number of stu
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 8996
Troisième édition
2021-12
Ergonomie de l'environnement
thermique — Détermination du
métabolisme énergétique
Ergonomics of the thermal environment — Determination of
metabolic rate
Numéro de référence
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
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E-mail: [e-mail]
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Les unités . 1
5 Les quatre niveaux des méthodes d’estimation du métabolisme énergétique .1
6 Niveau 1, Typologies: classification du métabolisme énergétique par catégories .3
7 Niveau 2, Observation.4
7.1 Évaluation du métabolisme énergétique pour une activité donnée . 4
7.2 Évaluation du métabolisme énergétique moyen sur une période donnée . 4
7.3 Précision . . . 5
9 Niveau 3, Analyse . 5
9.1 Évaluation du métabolisme énergétique à partir de la fréquence cardiaque . 5
9.1.1 Principe de la méthode . 5
9.1.2 Détermination de la relation (HR–M) pour un travail musculaire purement
dynamique . 5
9.1.3 Évaluation du métabolisme énergétique en fonction de la fréquence
cardiaque en situation réelle . 6
9.2 Évaluation du métabolisme énergétique par accélérométrie . 7
10 Niveau 4, Expertise .8
10.1 Évaluation du métabolisme énergétique à partir du mesurage de la consommation
d’oxygène . 8
10.1.1 Méthode partielle et méthode intégrale . 8
10.1.2 Évaluation du métabolisme énergétique à partir de la consommation
d’oxygène . 11
10.1.3 Évaluation de la consommation d’oxygène . 11
10.1.4 Calcul du métabolisme énergétique . 13
10.2 Évaluation du métabolisme énergétique avec la méthode de l’eau doublement
marquée pour les mesurages à long terme . 14
10.3 Évaluation du métabolisme énergétique avec la méthode calorimétrique
directe — Principe . 14
Annexe A (informative) Évaluation du métabolisme énergétique au niveau 1, Typologies .15
Annexe B (informative) Évaluation du métabolisme énergétique au niveau 2, Observation .17
Annexe C (informative) Évaluation du métabolisme énergétique au niveau 3, Analyse .21
Annexe D (informative) Évaluation du métabolisme énergétique au niveau 4, Expertise .23
Annexe E (normative) Correction des mesures de la fréquence cardiaque pour tenir compte
des effets thermiques .25
Bibliographie .27
iii
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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L'attention est attirée 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 159, Ergonomie, sous-comité
SC 5, Ergonomie de l’environnement physique, en collaboration avec le comité technique CEN/TC 122,
Ergonomie, du Comité européen de normalisation (CEN) conformément à l’Accord de coopération
technique entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 8996:2004), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— le métabolisme énergétique associé à une tâche donnée et estimé selon les méthodes décrites dans
le présent document est exprimé en watts;
— au niveau 1, Typologies, la méthode de classification du métabolisme énergétique selon la profession
a été supprimée, et des procédures révisées sont fournies pour l’évaluation du métabolisme
énergétique pour des activités données (niveau 2, Observation), et lors de l’utilisation de la fréquence
cardiaque (niveau 3, Analyse);
— la précision des méthodes d’estimation du métabolisme énergétique a été réévaluée à la lumière de
la littérature récente et, par conséquent, la méthode intégrale n’est plus recommandée au niveau 4,
Expertise.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
Introduction
Le métabolisme énergétique, transformation d’énergie chimique en énergie thermique et en énergie
mécanique, mesure le coût énergétique de la charge musculaire et donne une estimation quantitative
de l’activité. Le métabolisme énergétique représente un facteur important pour déterminer le confort
ou la contrainte résultant de l’exposition à un environnement thermique. Dans les climats chauds
notamment, les niveaux élevés de production de chaleur métabolique, associés au travail musculaire,
aggravent la contrainte thermique dans la mesure où de grandes quantités de chaleur doivent être
dissipées, principalement par évaporation de la sueur. Au contraire, dans les environnements froids,
les niveaux élevés de production de chaleur métabolique aident à compenser les pertes excessives de
chaleur à travers la peau et donc à réduire la contrainte du froid.
Les estimations, les tableaux et d’autres données figurant dans le présent document concernent la
population active générale. Des corrections peuvent être nécessaires lorsqu’il s’agit de populations
particulières, notamment les enfants, les personnes âgées ou les personnes présentant un handicap
physique. Les caractéristiques personnelles, telles que la masse corporelle, peuvent être utilisées si le
corps se déplace en marchant ou en grimpant (Annexe B). Le sexe, l’âge et la masse corporelle sont
pris en compte dans l’Annexe C pour l’évaluation du métabolisme énergétique à partir de la fréquence
cardiaque.
v
NORME INTERNATIONALE ISO 8996:2021(F)
Ergonomie de l'environnement thermique —
Détermination du métabolisme énergétique
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie différentes méthodes visant à déterminer le métabolisme énergétique
dans le domaine de l’ergonomie de l’environnement de travail thermique. Il peut cependant être
également utilisé en vue d’autres applications, par exemple l’évaluation des pratiques de travail, le
coût énergétique de travaux ou d’activités sportives spécifiques et le coût énergétique global d’une
activité. Les méthodes sont classées en quatre niveaux de précision croissante: niveau 1, Typologies,
avec un tableau donnant des exemples d’activités avec métabolismes énergétiques faibles, modérés et
élevés; niveau 2, Observation, où le métabolisme énergétique est estimé par une étude des temps et des
mouvements; niveau 3, Analyse, où le métabolisme énergétique est estimé à partir d’enregistrements
de la fréquence cardiaque ou de mesures d’accéléromètres; et niveau 4, Expertise, où des techniques
plus sophistiquées sont décrites. Le mode opératoire pour mettre en pratique ces méthodes est indiqué
et les incertitudes sont examinées.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
4 Les unités
Le métabolisme énergétique associé à une tâche donnée et estimé selon les méthodes décrites dans le
présent document doit être exprimé en watts.
Si la tâche n’implique pas de déplacements, le métabolisme énergétique ne varie pas en fonction de la
taille et du poids du sujet. Si elle implique des déplacements, le poids de la personne doit être pris en
compte (voir Annexe B).
Comme la chaleur associée au métabolisme énergétique et produite à l’intérieur du corps sort
essentiellement par la peau, les thermophysiologistes expriment généralement le métabolisme
−2
énergétique par unité de surface corporelle en W⋅m , et les estimations du confort thermique et des
contraintes thermiques décrites dans l’ISO 7243, l’ISO 7730, l’ISO 7933 et l’ISO 11079 sont faites en
−2
utilisant le métabolisme énergétique en W⋅m .
5 Les quatre niveaux des méthodes d’estimation du métabolisme énergétique
Le rendement mécanique du travail musculaire – appelé «travail utile» – est faible. Dans la plupart
des activités industrielles, il est si faible (quelques pourcents) qu’il est présumé nul. Cela signifie que
l’énergie dépensée au travail est présumée être complètement transformée en chaleur. Pour les besoins
du présent document, le métabolisme énergétique est considéré comme étant égal à la production de
chaleur métabolique.
Le Tableau 1 indique les différentes méthodes décrites dans le présent document pour déterminer le
métabolisme énergétique.
Ces méthodes sont structurées selon la philosophie décrite dans l’ISO 15265 concernant l’évaluation de
l’exposition. Les quatre niveaux suivants sont considérés:
— niveau 1, Typologies: une méthode simple et facile à utiliser pour classer rapidement comme légère,
modérée, élevée ou très élevée la charge de travail moyenne selon le type d’activité;
— niveau 2, Observation: une étude des temps et des mouvements destinée à des personnes ayant une
parfaite connaissance des conditions de travail mais n’ayant pas nécessairement reçu une formation
en ergonomie, pour caractériser en moyenne une situation de travail à un moment donné.
Un mode opératoire décrit la manière d’enregistrer successivement les activités au cours du temps,
d’estimer le métabolisme énergétique de chaque activité en utilisant les formules et les données
présentées à l’Annexe B, et de calculer le métabolisme moyen pondéré en fonction du temps;
— niveau 3, Analyse: une méthode destinée aux personnes formées à l’hygiène du travail et à l’ergonomie
de l’environnement thermique. Le métabolisme énergétique est évalué à partir de mesures de la
fréquence cardiaque sur une période représentative. Cette méthode, qui permet une évaluation
indirecte du métabolisme énergétique, est fondée sur sa relation avec la fréquence cardiaque dans
des conditions définies. Une autre méthode à ce niveau est basée sur l’utilisation de l’accélérométrie
pour enregistrer les mouvements du corps;
— niveau 4, Expertise: trois méthodes sont présentées. Elles nécessitent des mesurages très spécifiques
réalisés par des experts:
— méthode 4A: mesurage de la consommation d’oxygène sur de courtes périodes (10 min à 20 min);
— méthode 4B: la méthode dite méthode de l’eau doublement marquée, destinée à déterminer le
métabolisme moyen sur des périodes beaucoup plus longues (1 semaine à 2 semaines);
— méthode 4C: la méthode calorimétrique directe.
Tableau 1 — Niveaux d’évaluation du métabolisme énergétique
Niveau Méthode Incertitude Étude du poste de travail
1 Information grossière
Classification en fonction
Pas exigée
de l’activité
Typologies Risque d’erreur très important
2 Risque d’erreur élevé
Étude des temps et des
Exigée
mouvements
Observation Incertitude: ±20 %
3A: Mesurage de la fré-
Risque d’erreur modéré
Étude requise pour
quence cardiaque dans
déterminer une période
Incertitude: ±10 % à 15 %
des conditions définies
Analyse
représentative
3B: Accélérométrie Risque d’erreur élevé
4A: Mesurage de la Erreurs dans les limites de précision Étude des temps et des
consommation d’oxygène de la mesure ou de l’étude des temps mouvements nécessaire
et des mouvements, si les hypo-
Étude du poste de travail pas
4B: Méthode de l’eau thèses (9.1.1, 9.1.4) se vérifient.
exigée, mais les activités de
4 doublement marquée
loisirs doivent être évaluées
Incertitude: ±5 %
Expertise
Erreurs dans les limites de précision
de la mesure ou de l’étude des temps
Étude du poste de travail pas
4C: Calorimétrie directe
et des mouvements
exigée
Incertitude: ±5 %
L’incertitude de chaque méthode est indiquée dans le Tableau 1 sous forme de coefficient de
variation (CV), c’est-à-dire le rapport en pourcentage de l’écart-type à la moyenne, et il convient de
considérer ces valeurs comme des valeurs indicatives, qui peuvent augmenter en raison des influences
non maîtrisées examinées comme suit. La précision à chaque niveau est examinée lors de la description
des méthodes dans les Articles 6 à 9. Elle augmente du niveau 1 au niveau 4, et il convient d’utiliser
autant que possible le mesurage le plus précis.
Il convient d’attirer l’attention sur différentes sources de variations:
— pour une personne habituée à l’activité, la variation est d’environ 5 % dans des conditions de
laboratoire;
— sur le terrain, c’est-à-dire lorsque l’activité à mesurer n’est pas exactement la même d’un essai à
l’autre, une variation pouvant aller jusqu’à 20 % peut être attendue;
— dans des conditions froides, une augmentation pouvant aller jusqu’à 400 W peut être observée en
présence de frissons;
— des vêtements lourds peuvent augmenter également le métabolisme énergétique de 20 % ou plus en
accroissant le poids porté par le sujet et en réduisant sa liberté de mouvement.
La précision dépend également des éléments suivants:
— la représentativité de la période observée;
— la perturbation éventuelle de l’activité normale par l’observateur et/ou le mode opératoire. À cet
égard, la méthode basée sur des mesures de la fréquence cardiaque semble être celle qui interfère
le moins avec l’activité;
— le nombre de mesurages: la répétition est l’une des méthodes permettant de réduire l’erreur de
mesure aléatoire. Sur la base du CV d’une estimation non biaisée, la formule (CV réel/CV demandé)
permet de calculer approximativement le nombre de répétitions requis (Vogt et al., 1976). Cela
implique que pour atteindre le niveau d’incertitude de 10 %, deux mesurages seraient nécessaires
avec une méthode permettant d’obtenir effectivement 14 %, tandis que quatre répétitions seraient
nécessaires avec une incertitude de 20 %, et neuf avec 30 %. Bien entendu, cette amélioration
ne fonctionne que si aucune erreur systématique n’est inhérente. Il est recommandé d’évaluer
le métabolisme énergétique de tous les échantillons et d’adopter la valeur moyenne comme
métabolisme énergétique de la condition étudiée.
6 Niveau 1, Typologies: classification du métabolisme énergétique par
catégories
Le métabolisme peut être estimé approximativement au moyen de la classification donnée à l’Annexe A.
Le Tableau A.1 définit cinq classes de métabolisme: repos, métabolisme faible, moyen, élevé et très
élevé. Pour chaque classe sont indiqués une plage de valeurs du métabolisme ainsi qu’un certain nombre
d’exemples. Ces activités sont présumées comporter de courtes périodes de repos.
Une étude du poste de travail n’est pas nécessaire.
Les exemples donnés dans le Tableau A.1 illustrent cette classification.
La méthode ne fournissant qu’une estimation grossière du métabolisme énergétique avec des risques
d’erreur considérables, il convient de ne l’utiliser qu’à des fins de classification sans interpolation entre
les quatre catégories.
7 Niveau 2, Observation
7.1 Évaluation du métabolisme énergétique pour une activité donnée
L’Annexe B donne les valeurs moyennes ou les formules pour estimer le métabolisme énergétique en
watts dans les cas suivants:
— au repos;
— pour les activités avec déplacement:
−1
— en marchant avec ou sans charge à < 6 km⋅h ;
−1
— en courant avec ou sans charge à ≥ 6 km⋅h ;
— en montant ou en descendant des escaliers et des échelles;
— pour les activités sans déplacement:
— en soulevant ou en abaissant des charges sans déplacement;
— à partir de l’observation de la partie du corps impliquée dans le travail: les deux mains, un bras,
deux bras, le corps entier, en prenant en compte la posture du sujet: assis, agenouillé, accroupi,
debout, debout penché.
7.2 Évaluation du métabolisme énergétique moyen sur une période donnée
Pour évaluer le métabolisme énergétique moyen sur une période donnée, il est nécessaire de réaliser
une étude détaillée du travail. Cela implique:
— de déterminer la liste des activités effectuées pendant cette période;
— d’estimer le métabolisme énergétique pour chacune de ces activités en tenant compte de leurs
caractéristiques et en utilisant les données de l’Annexe B, par exemple la vitesse de déplacement, les
dénivelés associés au déplacement, les charges manipulées et le nombre d’actions effectuées;
— de déterminer le temps consacré à chaque activité sur l’ensemble de la période considérée.
Le métabolisme moyen pondéré en fonction du temps pour la période considérée peut alors être évalué
à l’aide de la Formule (1):
n
M= Mt (1)
ii
∑
T
i=1
où
M est le métabolisme moyen pour le cycle de travail, en W;
M est le métabolisme de l’activité i, en W;
i
t est la durée de l’activité i, en min;
i
T est la durée totale, en min, de la période considérée, et elle est égale à la somme des durées
partielles t .
i
Le mode opératoire de cette évaluation des temps et des activités est décrit plus en détail à l’Annexe B.
Le moment et la durée de l’étude doivent être représentatifs de l’activité dans toutes ses variations
possibles: la durée peut être plutôt courte si le cycle de travail est court et répétitif, et très longue
lorsque les activités changent en permanence.
7.3 Précision
La précision du mode opératoire concernant les temps et les activités dépend de la précision des
formules utilisées (voir Annexe B), mais surtout du niveau de formation des observateurs et de leur
connaissance des conditions de travail: le risque d’erreurs est élevé.
9 Niveau 3, Analyse
9.1 Évaluation du métabolisme énergétique à partir de la fréquence cardiaque
9.1.1 Principe de la méthode
Dans le cas d’un travail dynamique pur mettant en jeu des groupes musculaires majeurs, sans travail
musculaire statique, sans charge thermique et sans charge mentale, le métabolisme peut être estimé
en mesurant la fréquence cardiaque pendant le travail. Dans ces conditions, une relation linéaire existe
entre le métabolisme et la fréquence cardiaque. Sous réserve de la prise en compte des restrictions
mentionnées ci-dessus, cette méthode peut être plus précise que les méthodes d’évaluation du niveau 1
et du niveau 2 (voir le Tableau 1) et elle est nettement moins compliquée que les méthodes indiquées
du niveau 4. Dans ce cas, la relation entre la fréquence cardiaque et le métabolisme énergétique est
indiquée dans la Formule (2):
M = a + b HR (2)
où
M est le métabolisme énergétique, en W;
HR est la fréquence cardiaque mesurée, en battements par min;
a et b sont des coefficients.
La fréquence cardiaque peut être enregistrée de façon continue, par exemple par l’utilisation
d’équipements télémétriques ou, avec une diminution de la précision, mesurée manuellement en
comptant les pulsations artérielles.
La fréquence cardiaque moyenne peut être calculée sur des intervalles de temps fixes, par exemple
1 min, sur une période donnée ou sur toute la journée de travail.
La précision de cette estimation du métabolisme énergétique dépend:
— de la précision et de la validité de la relation dans la Formule (2);
— de l’importance des composantes HR non liées au travail musculaire dynamique.
9.1.2 Détermination de la relation (HR–M) pour un travail musculaire purement dynamique
La relation (HR–M) peut être déterminée par différentes méthodes avec une précision décroissante:
a) la méthode la plus précise consiste à enregistrer la fréquence cardiaque et la consommation
d’oxygène correspondante à différents niveaux d’effort lors d’un test d’effort cardiaque, par exemple
sur un ergomètre ou un tapis roulant dans un environnement thermiquement neutre. La relation
(HR−M) peut être utilisée à condition que la durée des efforts à chaque niveau permette d’obtenir
des valeurs stables de fréquence cardiaque et de consommation d’oxygène;
Des études ont montré que lorsque le test cardiaque consiste en des efforts sur manivelle manuelle,
au lieu de pédaler sur un vélo ou de marcher sur un tapis roulant, le métabolisme énergétique pour
la même valeur de HR est inférieur de 23 % à 30 % et la validité de (HR−M) se limite aux activités
impliquant uniquement le haut du corps et les membres supérieurs. À l’inverse, la relation (HR–M)
obtenue à partir de tests sur un ergomètre ou un tapis roulant est principalement valable pour des
activités impliquant les membres inférieurs et le corps entier.
Cette méthode de détermination de la relation (HR–M) est très contraignante et ne peut être
réalisée que dans un environnement médical.
b) un mode opératoire plus simple consiste à enregistrer la fréquence cardiaque stable pendant
quelques efforts dynamiques dont le métabolisme énergétique est connu. La méthode du step-test
en est un exemple, de même que l’utilisation du nomogramme d’Astrand-Rythming. La précision est
alors réduite car la consommation d’oxygène n’est pas mesurée;
Lorsque des step-tests ou des tests d’effort cardiaque complets sont utilisés, la relation (HR−M)
caractérise le sujet au moment du test et tient évidemment compte de sa condition physique et de
son état de santé à ce moment-là.
c) lorsque les méthodes indiquées aux points a) et b) ne peuvent pas être utilisées, la relation (HR–M)
peut être obtenue à partir des évaluations suivantes:
— la fréquence cardiaque au repos dans des conditions thermiques neutres, HR , en
−1
battements⋅min ;
— le métabolisme au repos, M , en W;
— la capacité de travail maximale (MWC) en W;
— la fréquence cardiaque maximale, HR , en battements par min;
max
— l’augmentation de la fréquence cardiaque par unité de métabolisme: RM = (HR − HR )/ (MWC
max 0
− M );
La relation (HR−M) est alors donnée par la Formule (3):
M = M + (HR − HR)/RM (3)
0 0
La précision de cette relation est fonction de la validité des mesures ou des estimations de HR , M ,
0 0
HR et MWC. L’Annexe C propose des formules pour estimer ces quatre paramètres en fonction
max
du sexe, de l’âge, de la masse maigre et de la taille d’une personne «moyenne» de condition physique
«moyenne».
d) une méthode encore plus simple consiste à utiliser des évaluations directes de la relation (HR–M)
comme indiqué dans le Tableau C.1 pour les femmes et les hommes âgés de 20 ans à 65 ans et dont
la masse corporelle est comprise entre 40 kg et 110 kg. La précision est alors encore réduite.
9.1.3 Évaluation du métabolisme énergétique en fonction de la fréquence cardiaque en
situation réelle
Quelle que soit la situation, la fréquence cardiaque à un moment donné peut être considérée comme
étant la somme de plusieurs composantes, comme le montre la Formule (4):
HR = HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR (4)
0 M S T N ε
où
HR est la fréquence cardiaque, en battements par minute, au repos, dans des conditions ther-
miques neutres;
∆HR est l’augmentation de la fréquence cardiaque, en battements par minute, liée au travail mus-
M
culaire dynamique dans des conditions thermiques neutres;
∆HR est l’augmentation de la fréquence cardiaque, en battements par minute, liée au travail mus-
S
culaire statique (cette composante dépend de la relation entre la force exercée et la force
volontaire maximale du groupe musculaire utilisé);
∆HR est l’augmentation de la fréquence cardiaque, en battements par minute, due à la contrainte
T
thermique (la composante thermique est traitée dans l’ISO 9886);
∆HR est l’augmentation de la fréquence cardiaque, en battements par minute, due à la charge
N
mentale;
∆HR est le changement de la fréquence cardiaque, en battements par minute, dû à d’autres facteurs,
ε
par exemple aux effets respiratoires, aux rythmes circadiens, à la déshydratation.
Lorsque les évaluations effectuées à l’aide de ce modèle sont comparées aux données enregistrées sur le
terrain, des différences apparaissent généralement en raison des facteurs énumérés à l’Article 5 et des
facteurs suivants:
— le fait que le travail soit effectué dans un environnement chaud, ce qui peut conduire à une
augmentation significative de la fréquence cardiaque: l’erreur sur l’évaluation de M peut alors
augmenter considérablement (Bröde et Kampmann, 2019). Pour éliminer ou au moins réduire
l’erreur qui en résulte, il convient de procéder aux enregistrements de la fréquence cardiaque
dans un environnement neutre, c’est-à-dire dans des conditions thermiques dans lesquelles la
température corporelle centrale n’augmente pas et ces composantes thermiques de la fréquence
cardiaque n’existent pas. Si cela n’est pas possible, les mesures de la fréquence cardiaque doivent
être corrigées pour tenir compte des effets thermiques selon la procédure décrite à l’Annexe E;
— le fait que le travail effectué par le sujet n’est pas purement dynamique et que les composantes de la
fréquence cardiaque dues, par exemple, au travail statique, au stress et à la charge mentale peuvent
être importantes. Comme ces composantes ne peuvent pas être évaluées et soustraites, la valeur M
estimée est une surestimation de la véritable dépense énergétique. Dans un environnement froid,
cette surestimation entraîne une sous-estimation du risque pour les personnes exposées, tandis
que dans le cas d’une contrainte thermique (même après la correction obligatoire concernant la
composante thermique de la fréquence cardiaque), cela conduit à la prédiction d’un risque plus
élevé, ce qui se traduit par une protection accrue des personnes;
— la condition physique du sujet influence fortement sa capacité de travail maximale (MWC) et donc
la relation (HR–M). La capacité de travail maximale peut varier par rapport à la moyenne d’environ
e
+40 % pour les personnes en bonne condition physique (95 percentile de la population active) à
−40 % pour les personnes en mauvaise condition physique (percentile de 5 %) (Kaminsky, 2015);
— la détermination individuelle de la capacité de travail maximale lors d’un test d’effort cardiaque
contribue à maintenir le niveau de précision visé dans les situations de terrain concernant des
populations différentes de la personne moyenne (Arab et al., 2020).
Dans tous les cas, il convient de noter que les valeurs de la fréquence cardiaque, y compris toutes les
composantes possibles, ainsi que les métabolismes énergétiques estimés à partir de celles-ci, reflètent
l’effort global de la personne et peuvent donc être utilisés pour estimer la pénibilité de la tâche ou du
travail pour cette personne.
9.2 Évaluation du métabolisme énergétique par accélérométrie
L’augmentation du métabolisme énergétique par rapport à son niveau au repos est généralement liée à
une augmentation de la vitesse de mouvement du corps. Cette augmentation des mouvements peut être
évaluée au moyen d’accéléromètres qui peuvent être placés sur le tronc (par exemple, des compteurs
de pas) ou sur un certain nombre d’endroits du corps, permettant de mieux évaluer le mouvement des
bras et des jambes. En raison de l’importance croissante accordée à l’activité physique et à la santé,
l’utilisation d’accéléromètres pour déterminer la dépense énergétique quotidienne totale (DET)
ou la dépense énergétique par activité (DEA) a connu une croissance spectaculaire au cours des dix
dernières années. Cette évolution a été en partie stimulée par l’intégration de ces dispositifs dans de
petits appareils de surveillance de la condition physique, souvent connectés à des applications pour
téléphones portables, par l’utilisation généralisée de simples podomètres pour surveiller son activité
personnelle, et par l’utilisation accrue de systèmes issus de la recherche pour le suivi de l’activité et du
métabolisme énergétique.
En raison du caractère exclusif de bon nombre de ces dispositifs, dans la plupart des cas, les calculs
sous-jacents permettant de passer des données d’accélérométrie à la dépense énergétique ne sont pas
accessibles au public.
Les systèmes issus de la recherche utilisent un éventail de technologies, allant de l’utilisation de capteurs
piézoélectriques, qui sont incapables de détecter le champ de gravité et ne peuvent donc pas identifier
la position du corps, à des capteurs piézorésistifs et capacitifs, qui mesurent le champ gravitationnel,
et sont donc capables d’identifier la posture (debout, assis ou couché). Certains systèmes utilisent un
seul accéléromètre, tandis que d’autres utilisent des systèmes multiaxiaux ou encore plusieurs capteurs
placés sur différentes parties du corps. Les systèmes varient en matière de fréquence d’échantillonnage,
de masse (8 g à 200 g), d’emplacement du ou des capteurs sur le corps et de plage dynamique (une
plage de −6 g à +6 g a été recommandée). Plusieurs systèmes de recherche utilisent des informations
supplémentaires, à savoir des informations statiques sur la personne (masse corporelle, taille, âge, sexe)
et des mesures dynamiques (fréquence cardiaque, température cutanée, estimation de la température
corporelle centrale basée sur la surface, réponse galvanique de la peau, flux de chaleur), bien que ces
dernières ne conduisent pas nécessairement à de meilleures prévisions de la dépense énergétique.
Une multitude de systèmes de recherche ont été validés par rapport à des mesures obtenues selon la
méthode de l’eau doublement marquée (voir 9.2) sur plusieurs jours (Plasqui et al., 2013; Plasqui et
Westerterp, 2007). Les corrélations entre les résultats des accéléromètres (nombre de pas, niveaux
d’activité, DEA, DET) et les mesures obtenues selon la méthode de l’eau doublement marquée ont
montré de grandes variations entre les études et les types d’équipement, avec des corrélations allant de
non significatives à 0,91. Alors que les différences moyennes au niveau des groupes entre les mesures
obtenues selon la méthode de l’eau doublement marquée et la DET ou DEA étaient souvent faibles, la
variabilité était assez importante. Bien que certains systèmes puissent être utilisés efficacement pour
des estimations du métabolisme énergétique à long terme, il existe moins d’informations disponibles
sur l’utilisation de ces systèmes pour de courtes périodes de travail. En outre, le type de travail est
important car, par exemple, le travail assis avec les mains et les bras n’est pas détecté comme une
activité par la plupart des systèmes.
La précision de l’évaluation à l’aide d’accéléromètres dépend fortement du matériel utilisé et la méthode
semble plus appropriée pour une évaluation à long terme qu’à court terme.
10 Niveau 4, Expertise
10.1 Évaluation du métabolisme énergétique à partir du mesurage de la consommation
d’oxygène
10.1.1 Méthode partielle et méthode intégrale
Le métabolisme énergétique est traditionnellement évalué par deux méthodes principales:
— la méthode partielle, à utiliser en cas de travail léger ou modéré;
— la méthode intégrale, à utiliser pour un travail intense de courte durée.
L’utilisation de la méthode partielle est justifiée par l’hypothèse suivante:
— en cas de travail léger ou modéré, la consommation d’oxygène atteint un état stable égal aux besoins
en oxygène peu de temps après le début du travail (Figure 1);
— cette hypothèse tient tant que la température corporelle ne change pas, que d’autres types de fibres
musculaires ne sont pas sollicités pendant le travail ou qu’une acidose lactique ne se produit pas.
Dans le cas contraire, une composante lente de consommation d’oxygène apparaît (par exemple, Gaesser
et Poole 1996; Barstow et Molé 1991; voir Figure 2) et de ce fait, la valeur de l’équivalent énergétique
(EE) à utiliser pour estimer les métabolismes énergétiques (voir 9.1.2 et 9.1.4) peut être douteuse,
et conduire au total à une surestimation des métabolismes énergétiques, alors que la consommation
d’oxygène est mesurée correctement.
Lorsqu’une «composante lente» est présente (Figure 2), il n’y a pas d’état stable dans la consommation
d’oxygène mesurée à taux de travail constant pendant un certain temps, et la valeur peut donc dépendre
du moment où le mesurage est effectué. Ainsi, la composante lente peut conduire à une surestimation
des métabolismes énergétiques ainsi que de la consommation d’oxygène pour une charge de travail
donnée.
Une augmentation de la température corporelle peut être observée bien au-dessous d’une consommation
−1
d’oxygène de 1 l O ⋅min et entraînera une augmentation de la consommation d’oxygène due à l’effet
Q . Q est défini comme le «rapport entre la vitesse d’un processus physiologique à une température
10 10
donnée et la vitesse à une température inférieure de 10 °C» et augmente la consommation d’oxygène de
7 % par degré d’augmentation de la température corporelle centrale avec typiquement Q = 2.
La Figure 1 montre le mode opératoire à suivre quand la méthode partielle est utilisée.
Puisque l’état stable n’est atteint qu’après 3 min à 5 min, le recueil de l’air expiré commence après
environ 5 min (période préliminaire), sans interrompre le travail. Le travail est poursuivi pendant
5 min à 10 min (période de mesure). Le recueil des gaz peut se faire soit en totalité (par exemple avec
un sac de Douglas), soit par des prélèvements réguliers (par exemple avec un compteur à gaz). Il est
arrêté lorsqu’une quantité suffisante d’air expiré a été prélevée ou, par exemple, lorsque la charge de
travail change.
Légende
X temps, en min 4 période préliminaire
Y consommation d’oxygène, en l/min 5 période de mesure
1 consommation d’oxygène exigée 6 période de travail
2 accroissement de la consommation d’oxygène dû au travail 7 déficit en oxygène
3 consommation d’oxygène au repos
Figure 1 — Mesurage du métabolisme énergétique avec la méthode partielle
Légende
X temps, en min 4 période préliminaire
Y consommation d’oxygène, en l/min 5 période de mesure
1 consommation d’oxygène exigée 6 période de travail
2 accroissement de la consommation d’oxygène dû au travail 7 déficit en oxygène jusqu’au début
du mesurage
3 consommation d’oxygène au repos

Figure 2 — Mesurage du métabolisme énergétique avec la méthode partielle pour des valeurs
élevées de consommation d’oxygène: composante lente à charge de travail constante
En vue de l’évaluation ultérieure des résultats et de la comparaison du métabolisme avec les données
de la littérature, il est nécessaire d’enregistrer le déroulement du travail (étude des temps et des
mouvements) et la fréquence des phases d’activité répétitives. Des exemples de calcul du métabolisme
énergétique sont donnés dans l’Annexe D.
−1
Pour les valeurs de consommation d’oxygène supérieures à 1 l O ⋅min , la méthode intégrale a été
recommandée. En cas de travail intense, les besoins en oxygène sont supérieurs à la limite à long terme
de la puissance aérobie; en cas de travail très intense, ils peuvent être supérieurs à la puissance aérobie
maximale. Pendant un travail intense, la consommation d’oxygène ne peut pas atteindre les besoins
en oxygène. Le déficit en oxygène est compensé lorsque le travail cesse, la consommation d’oxygène
revenant lentement à la valeur de repos. L’excès total au-dessus de la valeur de repos est appelé «excès de
consommation d’oxygène post-exercice» (EPOC, Excess Post-Exercise Oxygen Consumption) (Gaesser et
Brooks, 1984), anciennement «dette d’oxygène» ou «post-combustion». La méthode intégrale reposait
sur l’hypothèse que le déficit en oxygène était compensé par l’EPOC, or il a été prouvé que le déficit en
oxygène est généralement dépassé par l’EPOC. Ainsi, l’EPOC peut s’élever de 10 l O à 20 l O , et la durée
2 2
de l’EPOC peut aller de 30 min à 40 min (Smith et Mc Naughton, 1993). Le rapport entre l’EPOC et le
déficit en oxygène peut atteindre une valeur de 4 pour un travail intense (Gore et Withers, 1990).
Compte tenu des considérations ci-dessus, l’application de la méthode intégrale n’est plus recommandée.
10.1.2 Évaluation du métabolisme énergétique à partir de la consommation d’oxygène
Puisque de très petites quantités d’oxygène peuvent être stockées dans le corps humain, ce gaz est
prélevé de façon continue dans l’atmosphère par la respiration. Les muscles peuvent travailler pendant
une courte période sans apport d’oxygène direct (travail anaérobie), mais pour les longues périodes de
travail, le métabolisme par oxydation constitue la principale source d’énergie.
Le métabolisme énergétique peut donc être évalué en mesurant la consommation d’oxygène. L’EE
pour l’oxygène est utilisé pour transformer les valeurs de la consommation d’oxygène en métabolisme
énergétique.
L’EE dépend du type de métabolisme qui est indiqué par le quotient respiratoire (RQ). Dans l’évaluation
du métabolisme, l’utilisation d’un RQ moyen de 0,85 et par conséquent d’un équivalent énergétique EE
−1
de 5,68 W⋅h⋅l O est souvent suffisante. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de mesurer la production
de dioxyde de carbone. L’erreur maximale possible est de ± 3,5 %, mais
...