ISO 18640-2:2018
(Main)Protective clothing for firefighters — Physiological impact — Part 2: Determination of physiological heat load caused by protective clothing worn by firefighters
Protective clothing for firefighters — Physiological impact — Part 2: Determination of physiological heat load caused by protective clothing worn by firefighters
This document specifies a method for evaluating the thermo-physiological impact of protective fabric ensembles and potentially protective clothing ensembles in a simulated activity under defined relevant conditions for firefighters. This document is intended to be used to assess the thermo-physiological impact of protective fabric ensembles and potentially protective clothing ensembles but not the risk for heat stress due to actual fire conditions. The results of this test method can be used as elements of characterisation and comparison of thermo-physiological impact of various types of protective fabric ensembles and potentially protective clothing ensembles. Default measurements are undertaken on fabric samples representing the garment or protective clothing combination. Optionally and in addition to the standard test method, the same testing protocol can be applied to characterise protective clothing ensembles including underwear, air layers and certain design features[1]. In addition measurements on readymade garments are optionally possible. NOTE The presently used evaluation methods are only validated for structural firefighting garments. [1] A study conducted at Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland) showed good correlation between results of standard torso tests (without both underwear and air layers on fabrics) to tests on fabrics with underwear, tests on fabrics with underwear and air layers and test on readymade garments (with underwear and with or without air layers) of the same material composition. Due to the different thermal insulation of the systems direct comparison of the results is not possible.
Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Impact physiologique — Partie 2: Détermination de la charge thermo physiologique provoquée par les vêtements de protection portés par les sapeurs-pompiers
Le présent document spécifie une méthode d'évaluation de l'effet thermo-physiologique d'ensembles d'étoffes de protection et potentiellement d'ensembles de vêtements de protection au cours d'une activité simulée dans des conditions définies pertinentes pour les sapeurs-pompiers. Le présent document est destiné à être utilisé pour évaluer l'effet thermo-physiologique d'ensembles d'étoffes de protection et potentiellement d'ensembles de vêtements de protection, mais pas le risque de contrainte thermique dû à des conditions réelles d'incendie. Les résultats obtenus grâce à cette méthode d'essai peuvent être utilisés comme des éléments de caractérisation et de comparaison de l'effet thermo-physiologique de divers types d'ensembles d'étoffes de protection et potentiellement d'ensembles de vêtements de protection. Des mesurages par défaut sont effectués sur des échantillons d'étoffe représentant le vêtement ou la combinaison de vêtements de protection. En option et en plus de la méthode d'essai normalisée, il est possible d'appliquer le même protocole d'essai pour caractériser des ensembles de vêtements de protection incluant des sous-vêtements, des couches d'air et certaines caractéristiques de conception[1]. De plus, des mesurages sur des vêtements prêt-à-porter sont possibles en option. NOTE Les méthodes d'évaluation actuellement utilisées sont validées uniquement pour les vêtements de protection pour la lutte contre les feux de structure. [1] Une étude menée à l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche, Suisse) a révélé une bonne corrélation entre les résultats des essais normalisés sur torse (sans sous-vêtements ni couches d'air sur les étoffes) et ceux des essais effectués sur des étoffes avec sous-vêtements, des essais effectués sur des étoffes avec sous-vêtements et couches d'air et de l'essai effectué sur des vêtements prêt-à-porter (avec sous-vêtements et avec ou sans couches d'air) composés des mêmes matériaux. Du fait de la différence d'isolation thermique des systèmes, une comparaison directe des résultats n'est pas possible.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18640-2
First edition
2018-05
Protective clothing for firefighters —
Physiological impact —
Part 2:
Determination of physiological heat
load caused by protective clothing
worn by firefighters
Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Impact
physiologique —
Partie 2: Détermination de la déperdition de chaleur provoquée par
les vêtements de protection portés par les sapeurs-pompiers
Reference number
ISO 18640-2:2018(E)
©
ISO 2018
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ISO 18640-2:2018(E)
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Published in Switzerland
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ISO 18640-2:2018(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviations . 3
5 Evaluation method . 3
5.1 General . 3
5.2 Firefighting scenarios . 3
5.2.1 Standard scenario for THS measurements . 3
5.3 THS measurement . 4
5.3.1 General. 4
5.3.2 Apparatus and software . 4
5.3.3 Heat flux . 4
5.3.4 Wicking layer correction . 5
5.3.5 Skin diffusion (E ) . 6
sk
5.3.6 Data exchange with physiological model . 6
5.3.7 Measurement control . . . 6
6 Measurement . 7
6.1 General . 7
6.2 THS measurement . 7
6.2.1 Test preparation . 7
6.2.2 Software settings . 7
6.2.3 Sampling and test specimen . 7
6.2.4 Measurement procedure . 7
6.2.5 Data evaluation . 8
7 Test report . 8
7.1 General . 8
7.1.1 Specimen identification . 8
7.1.2 Measurement conditions . 8
7.1.3 Results of THS measurement . 8
7.2 Predicted physiological parameters . 9
7.3 Contents of test report . 9
Annex A (normative) Single-sector Thermo-physiological Human Simulator (THS) .10
Annex B (informative) Example measurement protocol according to ISO 18640-2 .14
Annex C (informative) Scenarios for testing and limitation of system.15
Bibliography .17
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ISO 18640-2:2018(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 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 on 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 the following
URL: www .iso .org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 94, Personal safety — Protective clothing
and equipment, Subcommittee SC 14, Firefighters' personal equipment.
A list of all parts in the ISO 18640 series can be found on the ISO website.
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ISO 18640-2:2018(E)
Introduction
1) 2)
,
Protective clothing for (structural) firefighting may have a serious physiological impact on the
wearer and a serious effect on the acute physical condition of the wearer during activities with increased
[3][4]
metabolic heat production . Protective clothing impedes heat exchange by sweat evaporation and
therefore maintenance of a constant core body temperature and thermal homeostasis is disturbed.
This could increase the risk of heat strain and subsequently impact on the length and time that the
firefighter is able to work safely. If this is identified in a risk assessment, it is important that (thermal)
physiological parameters are obtained to ensure the suitability of the protective clothing chosen under
the expected conditions of use. The assessment of the physiological impact of the protective clothing
provides important information about the effect on individuals undertaking different tasks in various
environmental conditions. In ISO 18640-1, relevant physical parameters of protective clothing are
measured with a Sweating torso. Standard Sweating torso measurements provide physical parameters
about combined and complex heat and moisture transfer (ISO 18640-1). By coupling the sweating
torso to a mathematical model for thermo-physiological responses, the thermo-physiological impact of
protective clothing is estimated and the maximum exposure time for defined environmental conditions
and a defined activity protocol are predicted by Thermal Human Simulator (THS) measurements.
The purpose of this document is to consider aspects of protective clothing performance that cannot be
determined by tests described in other standards. The aim of this document is to quantify the thermo-
physiological impact of protective garments for (structural) firefighting under relevant exposures.
This document provides the background for the specification of a minimum level of performance
requirements during defined firefighting scenarios for the assessed firefighters’ protective clothing by
calculation of the maximum allowable work duration in order to avoid heat stroke.
NOTE The method allows to characterizing the thermo-physiological impact for different levels of
complexity. This includes the characterisation of the single PPE ensembles (standard procedure) as well as the
characterisation of protective clothing ensembles including under wear and protective clothing, including air
layers or including design features of protective clothing ensembles (e.g. pockets, reflective strips) as optional
3)
procedures .
1) Nunneley (1989) reported a significant physiological burden due to the protective clothing upon the wearer,
both in the form of increased metabolic rate and reduced heat dissipation.
2) Taylor (2012) showed that the relative influence of the clothing on oxygen cost was at least three times that of
the breathing apparatus.
3) This listing of standard and optional procedures is a first proposal for prioritization. The expressiveness
of the different levels of complexity for the characterisation of the thermo-physiological impact needs to be further
investigated. Results will be presented at the next ballot.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18640-2:2018(E)
Protective clothing for firefighters — Physiological
impact —
Part 2:
Determination of physiological heat load caused by
protective clothing worn by firefighters
1 Scope
This document specifies a method for evaluating the thermo-physiological impact of protective fabric
ensembles and potentially protective clothing ensembles in a simulated activity under defined relevant
conditions for firefighters.
This document is intended to be used to assess the thermo-physiological impact of protective fabric
ensembles and potentially protective clothing ensembles but not the risk for heat stress due to
actual fire conditions. The results of this test method can be used as elements of characterisation
and comparison of thermo-physiological impact of various types of protective fabric ensembles and
potentially protective clothing ensembles.
Default measurements are undertaken on fabric samples representing the garment or protective
clothing combination. Optionally and in addition to the standard test method, the same testing protocol
can be applied to characterise protective clothing ensembles including underwear, air layers and
4)
certain design features . In addition measurements on readymade garments are optionally possible.
NOTE The presently used evaluation methods are only validated for structural firefighting garments.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements 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 11092, Textiles — Physiological effects — Measurement of thermal and water-vapour resistance under
steady-state conditions (sweating guarded-hotplate test)
ISO 18640-1, Protective clothing for firefighters-physiological impact — Part 1: Measurement of coupled
heat and mass transfer with the sweating torso
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 18640-1 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4) A study conducted at Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland)
showed good correlation between results of standard torso tests (without both underwear and air layers on fabrics)
to tests on fabrics with underwear, tests on fabrics with underwear and air layers and test on readymade garments
(with underwear and with or without air layers) of the same material composition. Due to the different thermal
insulation of the systems direct comparison of the results is not possible.
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ISO 18640-2:2018(E)
3.1
core body temperature
T
co
temperature of deep body tissues of the human body
3.2
firefighting scenario
set of environmental conditions, a defined workload and a defined exposure time relevant for a
firefighters’ task
3.3
heart rate
number of heartbeats per unit of time
Note 1 to entry: The heart rate is usually expressed in per minute.
3.4
heat storage
heat accumulation in the body affected by metabolic heat produced, external heat load and heat
dissipated from the body
3.5
maximum allowable work duration
MAWD
value calculated from thermo-physiological simulation (THS measurement) predicting the time to
reach heat stress based on the definitions of this document
Note 1 to entry: See also Annex A.
Note 2 to entry: This value is given in minutes.
3.6
mean skin temperature
T
m,sk
mean temperature of the outer surface of the (human) body measured at several locations of the skin
3.7
skin diffusion
E
sk
evaporative heat loss due to insensible skin perspiration and has to be provided for THS measurements
3.8
sweating torso
upright standing cylindrical test apparatus, simulating the human trunk with thermal guards on the
upper and lower end as defined in ISO 18640-1
3.9
sweat rate
amount of moisture perspired per time on the surface of the torso
Note 1 to entry: The term sweat rate is also used as the physiological response of the human body to elevated
metabolic rate and/or activity wearing protective clothing with high thermal insulation.
3.10
thermal human simulator measurement
THS
measurement with the sweating torso according to ISO 18640-1 where the device is coupled with a
validated physiological model
Note 1 to entry: Test cases and requirements for the validation of the physiological model are provided in A.3.
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ISO 18640-2:2018(E)
3.11
torso surface temperature
2
average temperature on the surface of the measurement area (0,43 m ) of the torso device
4 Symbols and abbreviations
For the purposes of this document the following symbols and abbreviated terms apply, in addition to
the terms and definitions in ISO 18640-1.
C Wicking layer correction
sk
E Skin diffusion
sk
MAWD Maximum allowable work duration (in minutes)
T Mean skin temperature in °C
m,sk
T Core body temperature in °C
co
5 Evaluation method
5.1 General
Physical parameters based on thermal properties of protective clothing resulting from standard torso
measurements do not contain direct information about the thermo-physiological impact on the wearer
for various firefighters’ scenarios. Physiological data are deducted by doing measurements coupling
sweating torso system to a physiological model as described in this document.
The results of these measurements are used to predict the maximum allowable work duration (MAWD)
according to thermal characteristics and moisture management properties of the tested protective
clothing system. This procedure was validated based on human subject trials (see Annex A).
5.2 Firefighting scenarios
Firefighters deal with a variety of tasks and challenges. Therefore, many scenarios have to be
considered. In order to ensure a maximum level of comparability a moderate scenario has been defined
which is applicable to a wide range of protective clothing inclusive of firefighting. The background and
reasoning and the relevance for this standard are described in Annex C.
5.2.1 Standard scenario for THS measurements
For the purpose of this standard a scenario was selected which reflects a moderate firefighter activity
without fighting fire (see also Annex C).
The applied scenario is defined as follows:
— Ambient condition is set to 40 °C air temperature and 30 % RH;
— No radiation is present;
— Unidirectional wind speed of 1 m/s is applied;
5)
2 2
— Physical activity is set to 6 Met (350 W/m metabolic rate, which equals 285 W/m metabolic heat
production);
— Initial condition of the human body is assumed to be thermo-neutral (T = 36,8 °C; T = 34,2 °C);
co m,sk
2
5) MET: Metabolic Equivalent of Task (1 MET = 1 kcal/(kg∙h) = 4,184 kJ/(kg∙h) alternatively 1 MET = 58,2 W/m ).
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ISO 18640-2:2018(E)
— Exposure time is set to 90 min;
— The onset of heat stress is defined at the core body temperature of 38,5 °C.
NOTE This scenario was selected in order to be compatible with an ethically acceptable work load for human
subject trials used to validate the physiological impact of firefighter clothing (See Annex C).
5.3 THS measurement
5.3.1 General
Thermal Human Simulator (THS) measurements are based on coupling the sweating torso system,
in accordance with ISO 18640-1, with validated physiological model in accordance with Annex A, in a
climatic chamber simulating a defined activity according to the firefighters’ scenario. In order to have a
common starting point for the measurements initial conditions for THS measurements are set such that
the torso mimics thermal neutral state.
5.3.2 Apparatus and software
THS is controlled with the same hardware and software as for standard torso experiments in
accordance with ISO 18640-1, with the addition and cooperation of a physiological model (coupling
with continuous data exchange).
5.3.3 Heat flux
For THS measurements heat flux data off the surface shall be measured, as they are is needed as input
2
for the physiological model. Accuracy for heat flux measurement shall be better than 5 W/m in the
2 2
range of 0 W/m up to 500 W/m . Measurement can be done by the procedure described in 5.3.3.1 or
equivalent methods matching the requirements of this clause.
5.3.3.1 Heat flux measurement with additional temperature sensors
In this configuration the torso needs to be equipped with additional temperature sensors in the
aluminium interior part of the device (see Figure 1) to allow more accurate assessment of heat flux
from the surface. These temperature sensors are used to calculate the average surface heat flux based
on the thermal resistance of the outer layers of the torso according to Formula (1) below:
1
qT=−T ⋅ (1)
()
torsoNFNi
R
torso
where
T is the average temperature of additional sensors in °C;
NF
T is the average temperature of nickel wire sensors (surface temperature) in °C;
Ni
R thermal resistance of the aluminium/HDPE layers between additional sensors and nickel
torso
2
wires in m ∙K/W;
2
q average surface heat flux of the cylinder in W/m .
torso
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ISO 18640-2:2018(E)
Key
Tni1 nickel wire sensor 1
Tni2 nickel wire sensor 2
T1 temperature sensor in upper guard
T2 temperature sensor in measurement section
T3 temperature in lower guard
Tnx optional additional sensors for THS measurements
Figure 1 — Configuration of temperature sensors for heat flux assessment
5.3.4 Wicking layer correction
A wicking layer according to ISO 18640-1:2018, 5.1.6, is used for all THS measurements.
A correction value (wicking layer correction) is used to compensate for the increase in thermal
resistance by using the wicking layer on the torso main cylinder. The correction is calculated as a ratio
between thermal resistances of the torso with the wicking layer to the thermal resistance of the nude
torso (see Formula 2). Thermal resistances are calculated for torso surface temperature at 35 °C, air
velocity <0,25 m/s at 20 °C ambient temperature with no radiation and exposure time of at least 60 min.
R
ct,sklayer
C = (2)
sk
R
ct,nude
The wicking layer correction has to be provided to the physiological model.
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ISO 18640-2:2018(E)
5.3.5 Skin diffusion (E )
sk
E is calculated from skin temperature (initial skin temperature; T ) and total R of clothing system
sk sk et
applied (see Formula 3).
ER=−0,,00140⋅⋅TT+⋅80220+⋅,,02111R − 5 151 (3)
sk et sk sk et
If R of the clothing system is unknown, it shall be measured in accordance with ISO 11092.
et
Alternatively an estimate can be calculated based on R and estimated permeability index (PI)
ct
according to ISO 9920:2007, Annex C.
60⋅R
ct
R = (4)
et
PI
NOTE R refers to thermal insulation according to ISO 11092.
ct
5.3.6 Data exchange with physiological model
Torso software and the physiological model shall exchange data within an iterative control loop on an
interval of 30 s.
From torso to phys. model: surface heat flux, q, (accounting for wicking layer correction and skin dif-
2
fusion) in W/m ;
2
From phys. model to torso: average skin temperature (°C) and Sweat rate [g/(h·m )].
5.3.7 Measurement control
Measurements are based on standard torso hardware, torso software and a validated physiological
model with an interface for data exchange. The physiological model shall have the possibility to run
simulations with data from an external source and provide resulting data via a common interface. Data
exchange shall be such that torso software provides surface heat flux data and the physiological model,
after calculating the thermo-physiological responses based on surface heat flux, provides the resulting
surface temperature (average skin temperature) and sweat rate. Data exchange is updated with 30 s
interval.
Parameters for THS measurement:
6)
— Simulated activity level (Met) ;
— Surface resistance R if additional temperature sensors are used to measure the heat flux off the
torso
torso surface (static, device dependent, see also 5.3.3.1);
— Wicking layer correction (static based on textile used, see 5.3.4); and
— E skin diffusion (dynamic see 5.3.5).
sk
— Initial conditions for the physiological model and the climatic chamber:
— Exposure time: according to simulated scenario (standard 90 min);
— Ambient temperature: according to simulated scenario (standard 40 °C);
— Relative humidity: according to simulated scenario (standard 30 %);
— Radiant temperature: according to simulated scenario (standard 40 °C);
6) MET: Metabolic Equivalent of Task (1 MET = 1 kcal/(kg∙h) = 4,184 kJ/(kg∙h) alternatively 1 MET = 58,2 W/
2
m )
6 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO 18640-2:2018(E)
— Air velocity: according to simulated scenario (standard 0 m/s).
Depending on the used physiological model the above data needs to be stored in configuration files or
entered to the program using dialog boxes.
6 Measurement
6.1 General
Calculation of MAWD is based on the results of THS measurements as described in this clause.
6.2 THS measurement
Perform the following steps to conduct a THS measurement and prepare the test report. Prior to
dressing the torso, confirm that the surface temperature of the device is on the default temperature of
(34,2 ± 0,1) °C and the climatic chamber is stabilized on the desired ambient condition according to the
selected scenario.
Measurements will be conducted according to the flow chart shown in Figure A.1.
6.2.1 Test preparation
Use the test protocol template proposed in Annex B or a similar form to make sure all steps of the
experiment are followed correctly.
Follow ISO 18640-1:2018, 8.1 (preparation of climatic chamber, wind speed, dressing of the torso).
Set the ambient conditions for testing according to the selected scenario and make sure the torso is
turned on and the surface temperature is set to the specified values [(default 34,2 ± 0,1) °C].
6.2.2 Software settings
Select a single phase profile with the appropriate starting conditions according to the selected scenario.
Select THS as control mode for the measurement (data exchange with 30 s interval; export surface heat
flux; import (set values) calculated surface temperature and sweat rate).
6.2.3 Sampling and test specimen
Specimens shall be selected according to Clause 6 and prepared according to ISO 18640-1:2018, Clause 7.
Conditioning shall be adjusted to the selected initial conditions for THS testing. It is recommended to
apply samples without additional clothing layers (i.e. underwear), air gaps and design features for a
7)
standard characterisation of the thermo-physiological impact .
6.2.4 Measurement procedure
6.2.4.1 General
Start the software for the physiological model and setup the desired simulation (according to selected
profile) by inputting test conditions according to the definitions of this standard and the specifications
of the software for the physiological model. The data exchange with the torso software will then be
prepared. The physiological model shall simulate the selected profile and wait for the torso to input
7) A study conducted by Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland)
showed good correlation between results of standard torso tests (without both underwear and air layers on fab
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18640-2
Première édition
2018-05
Vêtements de protection pour
sapeurs-pompiers — Impact
physiologique —
Partie 2:
Détermination de la charge thermo
physiologique provoquée par les
vêtements de protection portés par les
sapeurs-pompiers
Protective clothing for firefighters — Physiological impact —
Part 2: Determination of physiological heat load caused by protective
clothing worn by firefighters
Numéro de référence
ISO 18640-2:2018(F)
©
ISO 2018
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO 18640-2:2018(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Symboles et abréviations . 3
5 Méthode d'évaluation . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Scénarios de lutte contre l'incendie . 3
5.2.1 Scénario normalisé pour mesurages sur THS. 4
5.3 Mesurage sur THS . 4
5.3.1 Généralités . 4
5.3.2 Appareillage et logiciel . 4
5.3.3 Flux thermique . 4
5.3.4 Correction de la couche drainante . 5
5.3.5 Diffusion par la peau (E ) . 6
sk
5.3.6 Échange de données avec le modèle physiologique . 6
5.3.7 Maîtrise du mesurage . 6
6 Mesurage. 7
6.1 Généralités . 7
6.2 Mesurage sur THS . 7
6.2.1 Préparation de l'essai . 7
6.2.2 Paramétrage du logiciel . 7
6.2.3 Échantillonnage et éprouvettes . 7
6.2.4 Mode opératoire de mesure . 8
6.2.5 Évaluation des données . 8
7 Rapport d'essai . 8
7.1 Généralités . 8
7.1.1 Identification de l'éprouvette . 9
7.1.2 Conditions de mesure . 9
7.1.3 Résultats du mesurage sur THS . 9
7.2 Paramètres physiologiques prédits. 9
7.3 Contenu du rapport d'essai . 9
Annexe A (normative) Simulateur thermo-physiologique humain (THS) à un seul secteur .10
Annexe B (informative) Exemple de protocole de mesure selon l'ISO 18640-2 .14
Annexe C (informative) Scénarios d'essai et limites du système .15
Bibliographie .17
© ISO 2018 – Tous droits réservés iii
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ISO 18640-2:2018(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 (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 le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 94, Sécurité individuelle — Vêtements
et équipements de protection, sous-comité SC 14, Équipements individuels pour les sapeurs-pompiers.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 18640 se trouve sur le site web de l'ISO.
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ISO 18640-2:2018(F)
Introduction
Les vêtements de protection pour la lutte contre les feux (de structure) peuvent avoir de sérieux
1) 2)
,
effets physiologiques sur l'utilisateur et de sérieuses conséquences sur la condition physique
aigüe de l'utilisateur pendant les activités entraînant une augmentation de la production de chaleur
[3][4]
métabolique . Les vêtements de protection empêchent l'échange de chaleur par évaporation de
la sueur, et, par conséquent, le maintien d'une température corporelle centrale constante et d'une
homéostasie thermique est perturbé. Ce phénomène peut augmenter le risque de stress thermique et
avoir par la suite une incidence sur la distance et la durée sur lesquelles les sapeurs-pompiers peuvent
travailler en toute sécurité. En cas d'identification de ce phénomène lors d'une appréciation du risque,
il est important d'obtenir les paramètres physiologiques (thermiques) pour s'assurer de l'adéquation
des vêtements de protection choisis dans les conditions d'utilisation prévues. L'évaluation de l'effet
physiologique des vêtements de protection fournit des informations importantes sur les conséquences
pour les individus effectuant des tâches différentes dans diverses conditions environnementales. Dans
l'ISO 18640-1, les paramètres physiques pertinents des vêtements de protection sont mesurés à l'aide
d'un torse transpirant. Les mesurages normalisés sur torse transpirant fournissent des paramètres
physiques concernant le transfert combiné et complexe de chaleur et d'humidité (ISO 18640-1). Grâce au
couplage du torse transpirant avec un modèle mathématique pour les réactions thermo-physiologiques,
l'effet thermo-physiologique des vêtements de protection est estimé, et la durée maximale d'exposition
dans des conditions environnementales définies et un protocole d'activités défini sont prédits par des
mesurages sur simulateur thermique humain (THS).
Le présent document a pour objectif de prendre en compte les aspects de performance des vêtements
de protection qui ne peuvent pas être déterminés par les essais décrits dans d'autres normes. Le but du
présent document est de quantifier l'effet thermo-physiologique des vêtements de protection pour la
lutte contre les feux (de structure) dans des conditions d'exposition pertinentes. Le présent document
fournit les informations de base pour la spécification d'un niveau minimal d'exigences de performance
durant des scénarios définis de lutte contre l'incendie pour les vêtements de protection pour sapeurs-
pompiers évalués, par le calcul de la durée de travail maximale admissible afin d'éviter les coups de
chaleur.
NOTE La méthode permet de caractériser l'effet thermo-physiologique pour différents niveaux de
complexité. Cela comprend la caractérisation des ensembles d'EPI uniques (mode opératoire normalisé) ainsi
que la caractérisation d'ensembles de vêtements de protection incluant des sous-vêtements et des vêtements de
protection, des couches d'air ou des caractéristiques de conception d'ensembles de vêtements de protection (par
3)
exemple poches, bandes réfléchissantes) en tant que modes opératoires facultatifs .
1) Nunneley (1989) a fait état d'une charge physiologique importante due aux vêtements de protection portés
par l'utilisateur, à la fois sous forme d'augmentation du métabolisme énergétique et de réduction de la dissipation
thermique.
2) Taylor (2012) a montré que l'influence relative des vêtements sur le coût en oxygène était au moins trois fois
plus élevée que celle de l'appareil de protection respiratoire.
3) Cette liste de modes opératoires normalisés et de modes opératoires facultatifs constitue une première
proposition en vue de l'établissement des priorités. L'expressivité des différents niveaux de complexité pour
la caractérisation de l'effet thermo-physiologique doit faire l'objet d'une étude ultérieure. Les résultats seront
présentés lors de la prochaine consultation.
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NORME INTERNATIONALE ISO 18640-2:2018(F)
Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Impact
physiologique —
Partie 2:
Détermination de la charge thermo physiologique
provoquée par les vêtements de protection portés par les
sapeurs-pompiers
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie une méthode d'évaluation de l'effet thermo-physiologique d'ensembles
d'étoffes de protection et potentiellement d'ensembles de vêtements de protection au cours d'une
activité simulée dans des conditions définies pertinentes pour les sapeurs-pompiers.
Le présent document est destiné à être utilisé pour évaluer l'effet thermo-physiologique d'ensembles
d'étoffes de protection et potentiellement d'ensembles de vêtements de protection, mais pas le risque
de contrainte thermique dû à des conditions réelles d'incendie. Les résultats obtenus grâce à cette
méthode d'essai peuvent être utilisés comme des éléments de caractérisation et de comparaison de
l'effet thermo-physiologique de divers types d'ensembles d'étoffes de protection et potentiellement
d'ensembles de vêtements de protection.
Des mesurages par défaut sont effectués sur des échantillons d'étoffe représentant le vêtement ou
la combinaison de vêtements de protection. En option et en plus de la méthode d'essai normalisée, il
est possible d'appliquer le même protocole d'essai pour caractériser des ensembles de vêtements de
4)
protection incluant des sous-vêtements, des couches d'air et certaines caractéristiques de conception .
De plus, des mesurages sur des vêtements prêt-à-porter sont possibles en option.
NOTE Les méthodes d'évaluation actuellement utilisées sont validées uniquement pour les vêtements de
protection pour la lutte contre les feux de structure.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences 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 11092, Textiles — Effets physiologiques — Mesurage de la résistance thermique et de la résistance à la
vapeur d'eau en régime stationnaire (essai de la plaque chaude gardée transpirante)
ISO 18640-1, Vêtements de protection pour sapeurs-pompiers — Effet physiologique — Partie 1: Mesurage
du transfert couplé de chaleur et d'humidité à l'aide du torse transpirant
4) Une étude menée à l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche, Suisse) a révélé une
bonne corrélation entre les résultats des essais normalisés sur torse (sans sous-vêtements ni couches d'air sur les
étoffes) et ceux des essais effectués sur des étoffes avec sous-vêtements, des essais effectués sur des étoffes avec
sous-vêtements et couches d'air et de l'essai effectué sur des vêtements prêt-à-porter (avec sous-vêtements et avec
ou sans couches d'air) composés des mêmes matériaux. Du fait de la différence d'isolation thermique des systèmes,
une comparaison directe des résultats n'est pas possible.
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ISO 18640-2:2018(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 18640-1 ainsi que les
suivants s'appliquent.
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 http: //www .electropedia .org/
3.1
température corporelle centrale
T
co
température des tissus profonds du corps humain
3.2
scénario de lutte contre l'incendie
ensemble de conditions environnementales, d'une charge de travail définie et d'une durée d'exposition
définie, pertinent pour une tâche des sapeurs-pompiers
3.3
fréquence cardiaque
nombre de battements du cœur par unité de temps
Note 1 à l'article: La fréquence cardiaque est généralement exprimée par minute.
3.4
stockage thermique
accumulation de chaleur dans le corps influencée par la chaleur métabolique produite, l'apport de
chaleur externe et la chaleur dissipée du corps
3.5
durée de travail maximale admissible
MAWD
valeur calculée à partir d'une simulation thermo-physiologique (mesurage sur THS), prédisant le temps
nécessaire pour atteindre une contrainte thermique sur la base des définitions du présent document
Note 1 à l'article: Voir également l'Annexe A.
Note 2 à l'article: Cette valeur est donnée en minutes.
3.6
température cutanée moyenne
T
m,sk
température moyenne de la surface externe du corps (humain), mesurée en plusieurs endroits de la peau
3.7
diffusion par la peau
E
sk
perte de chaleur par évaporation due à la transpiration cutanée insensible et devant être fournie pour
les mesurages sur THS
3.8
torse transpirant
appareillage d'essai cylindrique vertical, simulant le tronc humain, avec des gardes thermiques aux
extrémités supérieure et inférieure comme défini dans l'ISO 18640-1
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3.9
débit sudoral
quantité d'humidité perspirée par unité de temps à la surface du torse
Note 1 à l'article: Le terme «débit sudoral» est également utilisé pour désigner la réaction physiologique du corps
humain à des niveaux élevés de métabolisme énergétique et/ou d'activité, lors du port de vêtements de protection
ayant une isolation thermique élevée.
3.10
mesurage sur simulateur thermique humain
THS
mesurage sur le torse transpirant selon l'ISO 18640-1, durant lequel le dispositif est couplé à un modèle
physiologique validé
Note 1 à l'article: Les cas d'essai et les exigences de validation du modèle physiologique sont indiqués en A.3.
3.11
température de surface du torse
2
température moyenne à la surface de la zone de mesure (0,43 m ) du torse
4 Symboles et abréviations
Pour les besoins du présent document, les symboles et abréviations suivants s'appliquent, en
complément des termes et définitions donnés dans l'ISO 18640-1.
C Correction de la couche drainante
sk
E Diffusion par la peau
sk
MAWD Durée de travail maximale admissible (en minutes)
T Température cutanée moyenne, en °C
m,sk
T Température corporelle centrale, en °C
co
5 Méthode d'évaluation
5.1 Généralités
Les paramètres physiques fondés sur les propriétés thermiques des vêtements de protection, obtenus
par des mesurages normalisés sur torse, ne contiennent pas d'informations directes sur l'effet
thermo-physiologique sur l'utilisateur pour divers scénarios de lutte contre l'incendie. Les données
physiologiques sont obtenues par le biais de mesurages fondés sur le couplage du système de torse
transpirant avec un modèle physiologique tel que décrit dans le présent document.
Les résultats de ces mesurages sont utilisés pour prédire la durée de travail maximale
admissible (MAWD) en fonction des caractéristiques thermiques et des propriétés de contrôle de
l'humidité de l'assemblage de vêtements de protection soumis à essai. Ce mode opératoire a été validé
sur la base d'essais sur des sujets humains (voir Annexe A).
5.2 Scénarios de lutte contre l'incendie
Les sapeurs-pompiers sont confrontés à diverses tâches et défis. Par conséquent, de nombreux scénarios
doivent être pris en considération. Pour garantir un niveau maximal de comparabilité, un scénario
modéré applicable à un large panel de vêtements de protection couvrant la lutte contre l'incendie, a
été défini. Les informations de base et le raisonnement, et la pertinence pour la présente norme sont
décrits à l'Annexe C.
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5.2.1 Scénario normalisé pour mesurages sur THS
Pour les besoins de la présente norme, un scénario a été choisi; il reflète une activité modérée du
sapeur-pompier sans lutte contre un incendie (voir également l'Annexe C).
Le scénario appliqué est défini comme suit:
— les conditions ambiantes sont fixées à une température de l'air de 40 °C et une humidité relative
de 30 %;
— aucun rayonnement n'est présent;
— une vitesse de vent unidirectionnelle de 1 m/s est appliquée;
5)
2
— l'activité physique est fixée à 6 Met (métabolisme énergétique de 350 W/m , équivalant à une
2
production de chaleur métabolique de 285 W/m );
— la condition initiale du corps humain est supposée être thermiquement neutre (T = 36,8 °C;
co
T = 34,2 °C);
m,sk
— la durée d'exposition est fixée à 90 min;
— le début d'une contrainte thermique est défini par une température corporelle centrale de 38,5 °C.
NOTE Ce scénario a été choisi pour être compatible avec une charge de travail éthiquement acceptable
pour des essais sur des sujets humains employés pour valider l'effet physiologique des vêtements pour sapeurs-
pompiers (voir Annexe C).
5.3 Mesurage sur THS
5.3.1 Généralités
Les mesurages sur simulateur thermique humain (THS) sont fondés sur le couplage du système de
torse transpirant, conformément à l'ISO 18640-1, avec le modèle physiologique validé, conformément
à l'Annexe A, dans une enceinte climatique en simulant une activité définie selon le scénario de lutte
contre l'incendie. Pour disposer d'un point de départ commun pour les mesurages, les conditions
initiales pour les mesurages sur THS sont fixées de sorte que le torse simule un état thermique neutre.
5.3.2 Appareillage et logiciel
Le THS est commandé par le même matériel et le même logiciel que pour les expériences normalisées
sur torse conformément à l'ISO 18640-1, avec l'ajout et la coopération d'un modèle physiologique
(couplage avec échange de données en continu).
5.3.3 Flux thermique
Pour les mesurages sur THS, les données de flux thermique provenant de la surface doivent être
mesurées car elles doivent servir de données d'entrée pour le modèle physiologique. L'exactitude de
2 2 2
mesure du flux thermique doit être meilleure que 5 W/m dans la plage de 0 W/m à 500 W/m . Le
mesurage peut être effectué selon le mode opératoire décrit en 5.3.3.1 ou selon d'autres méthodes
satisfaisant aux exigences du présent paragraphe.
5.3.3.1 Mesurage du flux thermique avec des capteurs de température supplémentaires
Dans cette configuration, le torse doit être équipé de capteurs de température supplémentaires
dans la partie intérieure en aluminium du dispositif (voir Figure 1) afin de permettre une évaluation
plus précise du flux thermique provenant de la surface. Ces capteurs de température sont utilisés
2
5) MET: équivalent métabolique d'une tâche [1 MET = 1 kcal/(kg∙h) = 4,184 kJ/(kg h) ou 1 MET = 58,2 W/m ].
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pour calculer le flux thermique surfacique moyen sur la base de la résistance thermique des couches
extérieures du torse selon la Formule (1) ci-dessous:
1
qT=−T ⋅ (1)
()
torseNFNi
R
torse
où
T est la température moyenne des capteurs supplémentaires, en °C;
NF
T est la température moyenne des capteurs à fil de nickel (température de surface), en °C;
Ni
R est la résistance thermique des couches d'aluminium/polyéthylène haute densité entre les
torse
2
capteurs supplémentaires et les fils de nickel, en m ∙K/W;
2
q est le flux thermique surfacique moyen du cylindre, en W/m .
torse
Légende
Tni1 capteur à fil de nickel 1
Tni2 capteur à fil de nickel 2
T1 capteur de température dans la garde supérieure
T2 capteur de température dans la section de mesure
T3 capteur de température dans la garde inférieure
Tnx capteurs supplémentaires facultatifs pour les mesurages sur THS
Figure 1 — Configuration des capteurs de température pour l'évaluation du flux thermique
5.3.4 Correction de la couche drainante
Une couche drainante conforme à l'ISO 18640-1:2018, 5.1.6, est utilisée pour tous les mesurages sur THS.
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ISO 18640-2:2018(F)
Une valeur de correction (correction de la couche drainante) est utilisée pour compenser l'augmentation
de la résistance thermique en employant la couche drainante sur le cylindre principal du torse. La
correction est calculée sous forme de rapport entre la résistance thermique du torse muni de la couche
drainante et la résistance thermique du torse nu (voir Formule 2). Les résistances thermiques sont
calculées pour une température de surface du torse de 35 °C, une vitesse de l'air inférieure à 0,25 m/s
avec une température ambiante de 20 °C sans rayonnement et une durée d'exposition d'au moins 60 min.
R
ct,couche de peau
C = (2)
sk
R
ct,nu
La correction de la couche drainante doit être fournie au modèle physiologique.
5.3.5 Diffusion par la peau (E )
sk
E est calculée à partir de la température cutanée (température cutanée initiale; T ) et de la R totale
sk sk et
de l'assemblage de vêtements appliqué (voir Formule 3).
ER=−0,,00140⋅⋅TT+⋅80220+⋅,,02111R − 5 151 (3)
sk et sk sk et
Si la R de l'assemblage de vêtements est inconnue, il faut la mesurer conformément à l'ISO 11092. En
et
variante, une estimation peut être calculée sur la base de R et de l'indice de perméabilité estimé (PI)
ct
selon l'ISO 9920:2007, Annexe C.
60⋅R
ct
R = (4)
et
PI
NOTE R se réfère à l'isolation thermique selon l'ISO 11092.
ct
5.3.6 Échange de données avec le modèle physiologique
Le logiciel du torse et le modèle physiologique doivent échanger des données au sein d'une boucle de
régulation itérative sur un intervalle de temps de 30 s.
Du torse vers le modèle phy- flux thermique surfacique, q (compte tenu de la correction de la couche
2
siologique: drainante et de la diffusion par la peau), en W/m .
2
Du modèle physiologique température cutanée moyenne (°C) et débit sudoral [g/(h·m )].
vers le torse:
5.3.7 Maîtrise du mesurage
Les mesurages sont fondés sur un torse matériel normalisé, un logiciel de torse et un modèle
physiologique validé avec une interface pour l'échange de données. Le modèle physiologique doit avoir
la possibilité d'effectuer des simulations avec des données provenant d'une source externe et de fournir
les données obtenues via une interface commune. L'échange de données doit être tel que le logiciel
du torse fournisse les données de flux thermique surfacique et que le modèle physiologique, après
avoir calculé les réactions thermo-physiologiques sur la base du flux thermique surfacique, fournisse
la température de surface (température cutanée moyenne) et le débit sudoral obtenus. L'échange de
données est actualisé à intervalles de 30 s.
Paramètres pour le mesurage sur THS:
6)
— niveau d'activité simulé (Met) ;
2
6) MET: équivalent métabolique d'une tâche [1 MET = 1 kcal/(kg∙h) = 4,184 kJ/(kg h) ou 1 MET = 58,2 W/m ].
6 © ISO 2018 –
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.