Respiratory protective devices -- Human factors

This document is one part of a series of Technical Specifications that provide information on factors related to human anthropometry, physiology, ergonomics and performance for the preparation of standards for design, testing and use of respiratory protective devices. This document contains information related to thermal effects of respiratory protective devices on the human body. In particular information is given for: — temperatures of surfaces associated with discomfort sensation and harmful effects on human tissues; — thermal effects of breathing gas temperatures on lung airways and tissues; — effects of breathing gas temperature and humidity on respiratory heat exchange; — effects of respiratory protective devices on overall body heat exchange. The information represents data for adult healthy men and women in the age 20 years to 60 years.

Dispositifs de protection respiratoire -- Facteurs humains

Le présent document fait partie d'une série de Spécifications techniques fournissant des informations sur les facteurs liés ŕ l'anthropométrie, la physiologie humaine, l'ergonomie et les performances en vue de l'élaboration de normes relatives ŕ la conception, aux essais et ŕ l'utilisation d'appareils de protection respiratoire. Il contient des informations relatives aux effets thermiques des appareils de protection respiratoire sur le corps humain, portant notamment sur: — les températures de surface associées ŕ une sensation d'inconfort et ŕ des effets nocifs sur les tissus humains; — les effets thermiques des températures du gaz respirable sur les voies respiratoires et les tissus pulmonaires; — les effets de la température et de l'humidité du gaz respirable sur les échanges thermiques respiratoires; — les effets des appareils de protection respiratoire sur les échanges thermiques globaux du corps. Les informations fournies représentent les données relatives ŕ des hommes et des femmes adultes, en bonne santé, âgé.es de 20 ans ŕ 60 ans.

General Information

Status
Published
Publication Date
24-Mar-2020
Current Stage
9092 - International Standard to be revised
Start Date
20-Apr-2021
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Technical specification
ISO/TS 16976-5:2020 - Respiratory protective devices -- Human factors
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ISO/TS 16976-5:2020 - Dispositifs de protection respiratoire -- Facteurs humains
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 16976-5
Second edition
2020-03
Respiratory protective devices —
Human factors —
Part 5:
Thermal effects
Dispositifs de protection respiratoire — Facteurs humains —
Partie 5: Effets thermiques
Reference number
ISO/TS 16976-5:2020(E)
ISO 2020
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2020

All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may

be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting

on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address

below or ISO’s member body in the country of the requester.
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CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms, definitions and abbreviations ............................................................................................................................................ 1

3.1 Terms and definitions ....................................................................................................................................................................... 1

3.2 Abbreviated terms and symbols .............................................................................................................................................. 2

4 Local thermal effects ........................................................................................................................................................................................ 2

4.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 2

4.2 Effects on skin contact by the RPD ........................................................................................................................................ 2

4.3 Hot surfaces ............................................................................................................................................................................................... 3

4.4 Cold surfaces ............................................................................................................................................................................................. 4

4.5 Effects of inhaled breathable gas to, airways and lung tissues...................................................................... 8

4.5.1 General mask function ................................................................................................................................................ 8

4.5.2 Effects caused by hot breathable gas ............................................................................................................. 8

4.5.3 Effect caused by cold breathable gas .............................................................................................................. 9

5 Effects on whole body heat balance ...............................................................................................................................................10

5.1 Respiratory heat exchange ........................................................................................................................................................10

5.2 Skin surface heat exchange .......................................................................................................................................................11

5.3 Increased metabolic rate .............................................................................................................................................................11

5.4 Thermoneutral conditions .........................................................................................................................................................12

5.5 Heat stress ...............................................................................................................................................................................................12

5.6 Cold stress ................................................................................................................................................................................................13

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................15

© ISO 2020 – All rights reserved iii
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ISO/TS 16976-5:2020(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 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 94, Personal safety — Personal protective

equipment, Subcommittee SC 15, Respiratory protective devices.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO/TS 16976-5:2013), which has been

technically revised.
A list of all parts in the ISO/TS 16976 series can be found on the ISO website.

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 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
Introduction

For an appropriate design, selection and use of respiratory protective devices, basic physiological

demands of the user should be considered. The function of a respiratory protective device, the way it is

designed and used and the properties of its material can have a thermal effect on the human body.

This document belongs to a series of documents providing basic physiological and anthropometric

data on humans. It contains information about thermal effects associated with wearing respiratory

protective devices
© ISO 2020 – All rights reserved v
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 16976-5:2020(E)
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 5:
Thermal effects
1 Scope

This document is one part of a series of Technical Specifications that provide information on factors

related to human anthropometry, physiology, ergonomics and performance for the preparation of

standards for design, testing and use of respiratory protective devices. This document contains

information related to thermal effects of respiratory protective devices on the human body. In

particular information is given for:

— temperatures of surfaces associated with discomfort sensation and harmful effects on human

tissues;
— thermal effects of breathing gas temperatures on lung airways and tissues;

— effects of breathing gas temperature and humidity on respiratory heat exchange;

— effects of respiratory protective devices on overall body heat exchange.

The information represents data for adult healthy men and women in the age 20 years to 60 years.

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 11079, Ergonomics of the thermal environment — Determination and interpretation of cold stress

when using required clothing insulation (IREQ) and local cooling effects

ISO 13732-1, Ergonomics of the thermal environment — Methods for the assessment of human responses to

contact with surfaces — Part 1: Hot surfaces

ISO 13732-3, Ergonomics of the thermal environment — Methods for the assessment of human responses to

contact with surfaces — Part 3: Cold surfaces

ISO 16972, Respiratory protective devices — Terms, definitions, graphical symbols and units of

measurement
3 Terms, definitions and abbreviations
3.1 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 16972 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/
© ISO 2020 – All rights reserved 1
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
3.1.1
added MR
added metabolic rate in percent due to the extra weight of RPD and any other PPE
3.1.2
clo
unit for the expression of the thermal insulation of clothing
Note 1 to entry: 1 clo is equal to 0,155 K m /W.
3.1.3
insulation required
IREQ
cold stress index
Note 1 to entry: As determined according to ISO 11079.
3.1.4
predicted heat strain
PHS
heat stress index
Note 1 to entry: As determined according to ISO 7933.
3.2 Abbreviated terms and symbols
IREQ Insulation required
PHS Predicted heat strain
PPE Personal protective equipment
PMV Predicted mean vote
PPD Predicted percentage dissatisfied
RPD Respiratory protective device
SCBA Self-contained breathing apparatus
T Surface temperature (temperature of the surface contacted by skin)
T Ambient temperature (temperature of the air surrounding the body or inhaled)

T Contact temperature (temperature of the interface between skin and contacted surface)

4 Local thermal effects
4.1 General

The effects of heat and cold described in this document will vary according to individual sensitivity.

Notice should be taken of the assessment scales given in ISO 8996.
4.2 Effects on skin contact by the RPD

Heat transfer by conduction takes place via the hands when handling the equipment and via face, head

and torso during the actual use of the equipment.
2 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TS 16976-5:2020(E)

Parts of RPD are, by their very nature, in more or less direct contact with naked human skin, e.g. the face.

In contact areas heat exchange will be affected. The magnitude of this effect is dependent on contact

pressure, structure of surfaces, size of contact area, mass of material in contact, thermal conditions and

thermal properties of materials in contact.

Materials used in RPD are mostly made of materials with low conductive heat transfer properties.

Exceptions are metal parts, in particular, if they are not insulated.

In extreme hot or cold environments the ambient conditions can heat or cool the RPD or parts of it,

thereby increasing the risk of a thermal effect on the skin.

A risk assessment of contact cooling or heating of the bare skin shall be based on

— ISO 13732-1, for hot surfaces and
— ISO 13732-3, for cold surfaces.

Exposure values and criteria used in the figures below are based on hand or body skin surface contacts.

Face skin is likely to be more sensitive in particular to discomfort and more conservative values should

be used.
4.3 Hot surfaces

ISO 13732-1 provides comprehensive information about the risk of bare skin contacting different types

of materials at different temperatures. Figure 1 shows surface temperatures of polished aluminium

metal that can cause skin burns. This condition appears to be the most severe case, but other metals

such as steel and copper can be as harmful at similar or slightly higher temperatures. Other materials

like plastic, glass and ceramics require considerably higher temperature to cause harm to bare skin.

For these materials the zone 3 “safe surface” in Figure 1 moves up to the line 4, i.e. upper limit.

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ISO/TS 16976-5:2020(E)
Key
t time, in s
T surface temperature, in °C
1 zone 1 indicates a high risk of skin burn
2 zone 2 indicates a possible risk of skin burn
3 zone 3 indicates safe surface temperatures
4 upper limit
5 lower limit

Figure 1 — Surface temperature of uncoated, polished metal that can cause skin burns

RPD is likely to be used for short duration timed in minutes and longer duration timed in hours. Table 1

indicates burn thresholds for contact periods of 1 minute and longer for different materials (modified

from ISO 13732-1). Values apply for contact areas that are less than 10 % of the body surface, so they

should apply for most RPD.
Table 1 — Burn threshold for contact periods of 1 min and longer
1 min 10 min 8 h and longer
Material
Uncoated metal 51
Coated metal 51
Ceramics, glass and stone materials 56 48 43
Plastics 60
Wood 60
4.4 Cold surfaces

ISO 13732-3 provides detailed information about the assessment of cooling effects on skin in contact

with various types of cold surfaces. Information is given about five types of materials: aluminium, steel,

stone, plastic and wood. For each of the materials three criteria for cooling are applied.

As with a hot surface contact with a small skin surface area with cold, metallic goods can rapidly cool

the skin and eventually result in local frostbite. Figure 2 and 3 shows cooling curves obtained with the

fingertip touching surfaces of steel and aluminium at temperature of −20 °C, −30 °C and −40 °C. The

contact temperature, T , which is likely to be very close to the skin surface temperature drops to below

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ISO/TS 16976-5:2020(E)

0 °C within few seconds when touching the metallic surfaces (see Figure 2 and 3). The risk of developing

local frostbite is highly probable.
[6]
Studies have shown that:

— Cooling to a skin temperature of 0 °C is associated with an imminent risk of tissue freezing “frostbite”.

— Cooling to a skin temperature of +7 °C is associated with the gradual development of numbness.

— Cooling to a skin temperature of +15 °C is associated with the experience of pain.

Key
t time, in s
T contact temperature, in °C
1 −20 °C
2 −30 °C
3 −40 °C

Figure 2 — Change in T of finger in contact with steel surfaces at temperatures of −20 °C, −30 °C

and −40 °C
© ISO 2020 – All rights reserved 5
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
Key
t time, in s
T contact temperature, in °C
1 −20 °C
2 −30 °C
3 −40 °C

Figure 3 — Change in T of finger in contact with aluminium surfaces at temperatures of −20 °C,

−30 °C and −40 °C

Figure 4 to Figure 6 show the surface temperature of a specific material that might cause the different

[6]
type of cooling effects .

EXAMPLE The information given in Figure 4 shows that when holding a piece of aluminium (key 1) at 0 °C frostbite

would result after about 45 s, whilst holding a piece of stone (key 3) at −10 °C frostbite would result in about 70 s.

6 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
Key
t contact duration, in s
T surface temperature, in °C
1 aluminium
2 steel
3 stone

Figure 4 — Frostbite threshold: Acceptable surface temperature as a function of time for T to

reach 0 °C (finger touching the cold surfaces between 0,5 s and 100 s)

EXAMPLE The information given in Figure 5 shows that when holding a piece of wood (key 5) at −30 °C numbness would

result after about 90 s, whilst holding a piece of steel (key 2) at −5 °C numbness would result in about 5 s.

Key
t contact duration, in s
T surface temperature, in °C
1 aluminium
2 steel
3 stone
4 nylon
5 wood

Figure 5 — Numbness threshold: Acceptable surface temperature as a function of time for T to

reach 7 °C (finger touching the cold surfaces between 0,5 s and 100 s)
© ISO 2020 – All rights reserved 7
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ISO/TS 16976-5:2020(E)
Key
t contact duration, in s
T surface temperature, in °C
1 aluminium
2 steel
3 stone
4 nylon
5 wood

Figure 6 — Pain threshold: Acceptable surface temperature as a function of time for T to reach

15 °C (finger touching the cold surfaces between 0,5 s and 100 s)
4.5 Effects of inhaled breathable gas to, airways and lung tissues
4.5.1 General mask function

During respiration there is a heat exchange function also for the RPD. There is at least initially a cooling

effect on hot air and a warming effect of cold air. This effect is not well known

...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 16976-5
Deuxième édition
2020-03
Dispositifs de protection
respiratoire — Facteurs humains —
Partie 5:
Effets thermiques
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 5: Thermal effects
Numéro de référence
ISO/TS 16976-5:2020(F)
ISO 2020
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ISO/TS 16976-5:2020(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2020

Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/TS 16976-5:2020(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes, définitions et abréviations .................................................................................................................................................. 1

3.1 Termes et définitions ......................................................................................................................................................................... 1

3.2 Abréviations et symboles ............................................................................................................................................................... 2

4 Effets thermiques locaux ............................................................................................................................................................................. 2

4.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 2

4.2 Effets d'un contact cutané avec l'APR .................................................................................................................................. 3

4.3 Surfaces chaudes ................................................................................................................................................................................... 3

4.4 Surfaces froides ...................................................................................................................................................................................... 4

4.5 Effets du gaz respirable inhalé sur les voies respiratoires et les tissus pulmonaires ................ 9

4.5.1 Fonctionnement général du masque .............................................................................................................. 9

4.5.2 Effets provoqués par un gaz respirable chaud ....................................................................................... 9

4.5.3 Effets provoqués par un gaz respirable froid .......................................................................................10

5 Effets sur l'équilibre thermique du corps entier .............................................................................................................11

5.1 Échanges thermiques respiratoires ...................................................................................................................................11

5.2 Échanges thermiques au niveau de la surface de la peau ...............................................................................12

5.3 Métabolisme énergétique accru ............................................................................................................................................13

5.4 Conditions thermoneutres .........................................................................................................................................................13

5.5 Contrainte thermique due à la chaleur ...........................................................................................................................13

5.6 Contrainte thermique due au froid .....................................................................................................................................15

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................17

© ISO 2020 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TS 16976-5:2020(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 . ht m l

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 94, Sécurité individuelle — Équipement

de protection individuelle, sous-comité SC 15, Appareils de protection respiratoire.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TS 16976-5:2013), qui a fait l'objet

d'une révision technique.

Une liste de toutes les parties de la série ISO/TS 16976 se trouve sur le site web de l'ISO.

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/ members .html.
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TS 16976-5:2020(F)
Introduction

Il convient que la conception, le choix et l'utilisation des appareils de protection respiratoire répondent

aux exigences physiologiques fondamentales de l'utilisateur. Le fonctionnement d'un appareil de

protection respiratoire, la manière dont il est conçu et utilisé et les propriétés du matériau dont il est

constitué peuvent avoir un effet thermique sur le corps humain.

Le présent document fait partie d'une série de documents fournissant des données physiologiques et

anthropométriques élémentaires concernant l'être humain. Il contient des informations concernant les

effets thermiques associés au port d'appareils de protection respiratoire.
© ISO 2020 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 16976-5:2020(F)
Dispositifs de protection respiratoire — Facteurs
humains —
Partie 5:
Effets thermiques
1 Domaine d'application

Le présent document fait partie d'une série de Spécifications techniques fournissant des informations

sur les facteurs liés à l'anthropométrie, la physiologie humaine, l'ergonomie et les performances en vue

de l'élaboration de normes relatives à la conception, aux essais et à l'utilisation d'appareils de protection

respiratoire. Il contient des informations relatives aux effets thermiques des appareils de protection

respiratoire sur le corps humain, portant notamment sur:

— les températures de surface associées à une sensation d'inconfort et à des effets nocifs sur les tissus

humains;

— les effets thermiques des températures du gaz respirable sur les voies respiratoires et les tissus

pulmonaires;

— les effets de la température et de l'humidité du gaz respirable sur les échanges thermiques

respiratoires;

— les effets des appareils de protection respiratoire sur les échanges thermiques globaux du corps.

Les informations fournies représentent les données relatives à des hommes et des femmes adultes, en

bonne santé, âgé.es de 20 ans à 60 ans.
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 11079, Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination et interprétation de la contrainte liée

au froid en utilisant l'isolement thermique requis du vêtement (IREQ) et les effets du refroidissement local

ISO 13732-1, Ergonomie des ambiances thermiques — Méthodes d'évaluation de la réponse humaine au

contact avec des surfaces — Partie 1: Surfaces chaudes

ISO 13732-3, Ergonomie des ambiances thermiques — Méthodes d'évaluation de la réponse humaine au

contact avec des surfaces — Partie 3: Surfaces froides

ISO 16972, Appareils de protection respiratoire — Vocabulaire et symboles graphiques

3 Termes, définitions et abréviations
3.1 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 16972 ainsi que les

suivants s'appliquent.
© ISO 2020 – Tous droits réservés 1
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ISO/TS 16976-5:2020(F)

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/
3.1.1
métabolisme énergétique ajouté

pourcentage de métabolisme énergétique ajouté, en raison du poids supplémentaire de l’APR et de tout

autre EPI
3.1.2
clo
unité utilisée pour exprimer l'isolement thermique d'un vêtement
Note 1 à l'article: 1 clo est égal à 0,155 K m /W.
3.1.3
isolement thermique requis
IREQ
indice de contrainte liée au froid
Note 1 à l'article: Déterminé conformément à l’ISO 11079.
3.1.4
astreinte thermique prévisible
PHS
indice de contrainte liée à la chaleur
Note 1 à l'article: Déterminé conformément à l’ISO 7933.
3.2 Abréviations et symboles
IREQ Isolement thermique requis
PHS Astreinte thermique prévisible
EPI Équipement de protection individuelle
PMV Vote moyen prévisible
PPD Pourcentage prévisible d'insatisfaits
APR Appareil de protection respiratoire
ARI Appareil respiratoire isolant autonome
T Température de surface (température de la surface en contact avec la peau)
T Température ambiante (température de l'air autour du corps ou de l'air inhalé)

T Température de contact (température de l'interface entre la peau et la surface en contact)

4 Effets thermiques locaux
4.1 Généralités

Les effets de la chaleur et du froid décrits dans le présent document varieront en fonction de la

sensibilité individuelle.
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Il convient de prêter attention aux échelles d'évaluation données dans l'ISO 8996.

4.2 Effets d'un contact cutané avec l'APR

Un transfert de chaleur par conduction s’effectue par le biais des mains lors de la manipulation de

l'équipement et par le biais du visage, de la tête et du torse pendant l'utilisation réelle de l'équipement.

Compte tenu de leur nature particulière, les parties de l'APR sont en contact plus ou moins direct avec

la peau nue, par exemple du visage. Dans les zones de contact, les échanges thermiques seront affectés.

L'ampleur de cet effet dépend de la pression de contact, de la structure des surfaces, des dimensions de

la surface de contact, de la masse de matériau en contact, des conditions thermiques et des propriétés

thermiques des matériaux en contact.

Les matériaux utilisés dans les APR sont pour la plupart des matériaux à faible transfert thermique par

conduction. Les parties métalliques font exception, notamment lorsqu'elles ne sont pas isolées.

Dans des environnements extrêmement chauds ou froids, les conditions ambiantes peuvent chauffer ou

refroidir l'APR ou des parties de celui-ci, augmentant ainsi le risque d'un effet thermique sur la peau.

L'appréciation du risque de refroidissement ou d'échauffement de la peau nue par contact doit être

fondée sur:
— l’ISO 13732-1, pour les surfaces chaudes; et
— l’ISO 13732-3, pour les surfaces froides.

Les valeurs d'exposition et les critères utilisés dans les figures ci-dessous sont basés sur des contacts

avec la surface de la peau des mains ou du corps. La peau du visage étant vraisemblablement plus

sensible, notamment à l'inconfort, il convient d'utiliser des valeurs plus conservatives.

4.3 Surfaces chaudes

L'ISO 13732-1 fournit des informations complètes sur le risque de contact de la peau nue avec différents

types de matériaux à différentes températures. La Figure 1 représente les températures de surface

d'un aluminium poli qui peuvent provoquer des brûlures de la peau. Cette condition semble être le cas

le plus grave, mais d'autres métaux, tels que l'acier et le cuivre, peuvent être aussi dangereux à des

températures équivalentes ou légèrement plus élevées. Pour d'autres matériaux comme le plastique, le

verre et la céramique, une température beaucoup plus élevée est nécessaire pour provoquer des lésions

de la peau nue.

Pour ces matériaux, la zone 3 «surface sûre» de la Figure 1 s’étend alors jusqu'à la ligne 4, c'est-à-dire la

limite supérieure.
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Légende
t temps, en s
T température de surface, en °C
1 zone 1 indique un risque élevé de brûlure de la peau
2 zone 2 indique un risque possible de brûlure de la peau
3 zone 3 indique des températures de surface sûres
4 limite supérieure
5 limite inférieure

Figure 1 — Température de surface d'un métal poli non revêtu qui peut provoquer des brûlures

de la peau

Un APR est susceptible d'être utilisé pendant une courte durée, indiquée en minutes, ou pendant une

durée prolongée, indiquée en heures. Le Tableau 1 indique les seuils de brûlure pour des durées de

contact supérieures ou égales à 1 min pour différents matériaux (modifié par rapport à l' ISO 13732-1).

Les valeurs s'appliquant à des surfaces de contact inférieures à 10 % de la surface corporelle, elles

devraient être applicables à la plupart des APR.

Tableau 1 — Seuil de brûlure pour des durées de contact supérieures ou égales à 1 min

1 min 10 min 8 h et plus
Matériau
Métal non revêtu 51
Métal revêtu 51
Céramique, verre et pierre 56 48 43
Plastiques 60
Bois 60
4.4 Surfaces froides

L'ISO 13732-3 fournit des informations détaillées sur l'évaluation des effets de refroidissement sur la

peau en contact avec différents types de surfaces froides. Des informations sont données pour cinq

types de matériaux: aluminium, acier, pierre, plastique et bois. Pour chacun de ces matériaux, trois

critères de refroidissement sont appliqués.
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Comme avec une surface chaude, le contact d'une petite surface de peau avec des éléments métalliques

froids peut entraîner un refroidissement rapide de la peau et finalement une gelure locale. La Figure 2

et la Figure 3 représentent les courbes de refroidissement obtenues lorsque le bout du doigt touche

des surfaces d'acier et d'aluminium à des températures de −20 °C, −30 °C et −40 °C. La température

de contact, Tc, qui est probablement très proche de la température de surface de la peau, chute au-

dessous de 0 °C en quelques secondes lors du contact avec les surfaces métalliques (voir Figures 2 et 3).

Le risque de voir apparaître une gelure locale est hautement probable.
[6]
Des études ont montré que:

— le refroidissement jusqu'à une température de la peau de 0 °C est associé à un risque imminent de

gel des tissus (gelure);

— le refroidissement jusqu'à une température de la peau de +7 °C est associé à l'apparition graduelle

d'un engourdissement;

— le refroidissement jusqu'à une température de la peau de +15 °C est associé à l'apparition d'une

douleur.
Légende
t temps, en s
T température de contact, en °C
1 −20 °C
2 −30 °C
3 −40 °C

Figure 2 — Variation de la T d'un doigt en contact avec des surfaces métalliques à des

températures de −20 °C, −30 °C et −40 °C
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Légende
t temps, en s
T température de contact, en °C
1 −20 °C
2 −30 °C
3 −40 °C

Figure 3 — Variation de la T d'un doigt en contact avec des surfaces d’aluminium à des

températures de −20 °C, −30 °C et −40 °C

Les Figures 4 à 6 représentent la température de surface d'un matériau spécifique susceptible de

[6]
provoquer les différents types d'effets de refroidissement .
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EXEMPLE Les courbes de la Figure 4 montrent que tenir une pièce d’aluminium (courbe n 1) à 0 °C est susceptible

d’entraîner une gelure au bout de 45 s environ; avec une pierre (courbe n 3) à −10 °C, la gelure se produirait au

bout de 70 s environ.
Légende
t durée de contact, en s
T température de surface, en °C
1 aluminium
2 acier
3 pierre

Figure 4 — Seuil de gelure: température de surface acceptable en fonction du temps pour que T

atteigne 0 °C (durée de contact du doigt avec les surfaces froides entre 0,5 s et 100 s)

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EXEMPLE Les courbes de la Figure 5 montrent que tenir un morceau de bois (courbe n 5) à −30 °C est

susceptible d’entraîner un engourdissement au bout de 90 s environ; avec une pièce en acier (courbe n 2) à −5 °C,

l’engourdissement surviendrait au bout de 5 s environ.
Légende
t durée de contact, en s
T température de surface, en °C
1 aluminium
2 acier
3 pierre
4 nylon
5 bois

Figure 5 — Seuil d’engourdissement: température de surface acceptable en fonction du temps

pour que T atteigne 7 °C (durée de contact du doigt avec les surfaces froides entre 0,5 s et 100 s)

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Légende
t durée de contact, en s
T température de surface, en °C
1 aluminium
2 acier
3 pierre
4 nylon
5 bois

Figure 6 — Seuil de douleur: température de surface acceptable en fonction du temps pour

que T atteigne 15 °C (durée de contact du doigt avec les surfaces froides entre 0,5 s et 100 s)

4.5 Effets du gaz respirable inhalé sur les voies respiratoires et les tissus pulmonaires

4.5.1 Fonctionnement général du masque

Pendant la respiration, une fonction d'échange thermique existe également pour l'APR. On observe,

au moins au début, un effet de refroidissement de l'air chaud et un effet d'échauffement de l'air froid.

Cet effet n'est pas bien connu et dépend du type d’appareil, du matériau, du niveau d'activité et des

conditions ambiantes. Par exemple, l'utilisation d'air comprimé à haute pression ne devrait présenter

aucun problème dans l'air chaud car l'air est refroidi à la sortie du tube pendant sa détente. Par contre,

un APR dont le fonctionnement est basé sur une réaction chimique peut poser un problème car le gaz

respirable est chauffé par le procédé chimique.

Le gaz respirable inhalé a une faible masse volumique et une faible capacité thermique. La structure

anatomique et physiologique des voies respiratoires, en particulier des voies respiratoires supérieures,

présente des caractéristiques importantes pour le maintien de la chaleur et de l'humidité du corps et

l'atténuation d'un refroidissement ou d'un échauffement lié à l'environnement.
4.5.2 Effets provoqués par un gaz respirable chaud

À des températures très élevées, le gaz respirable inhalé peut provoquer une sensation douloureuse et

finalement une brûlure des tissus. Pendant de courtes expositions, la respiration nasale devient difficile

à une température ambiante du gaz respirable sec inhalé de 125 °C. La respiration buccale devient

difficile à une température ambiante du gaz respirable sec inhalé de 150 °C. Un gaz respirable inhalé

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humide augmentera les échanges thermiques et réduira de façon significative la durée de tolérance à

hautes températures. Un gaz respirable inhalé saturé d'eau à une température de 60 °C à 70 °C accroît

l'inconfort au repos (sauna) et sera intolérable pendant des durées prolongées en cours d'activité.

Avec un APR, il est probable que les températures tolérables soient beaucoup moins élevées en raison

des périodes d'exposition plus longues et des régimes de ventilation plus élevés. Un gaz respirable

inhalé chaud ou très chaud chauffera aussi l'interface respiratoire, contribuant ainsi à un apport local

de chaleur par conduction dans la zone visage/tête.

On sait qu'à des températures d'inhalation et une humidité relative élevées, une irritation des tissus

pulmonaires et des voies respiratoires peut se produire. Par exemple, à des niveaux de température

de 100 °C et une humidité relative inférieure à 20 % pour une «activité légère» ou à 70 °C et une

humidité relative inférieure à 70 % pour une «activité modérée», ou encore à 40 °C et une humidité

relative jusqu'à 100 % pour une «activité très intense», l’apparition d’une irritation n’est pas à exclure,

voir Tableau 2.
Tableau 2 — Hautes températures se rapportant à des effets sensoriels
Métabolisme énergé-
Niveau d’humidité relative
tique moyen
Classe Activité
W/m ≤20 % ≤70 % ≤100 %
1 Repos 65
2 Activité légère 100 90 70 50
3 Activité modérée 165
4 Activité intense 230
5 Activité très intense 290
6 Activité très très intense (2 h) 400 80 65 45
7 Activité extrêmement intense (15 min) 475
8 Activité maximale (5 min) 600
4.5.3 Effets provoqués par un gaz respirable froid

À de très basses températures, un gaz respirable inhalé refroidit les voies respiratoires, entraînant

finalement une bronchoconstriction et une irritation épithéliale. Les symptômes peuvent être une toux

et des réactions de type asthmatiques.

L'ISO 11079 suggère les valeurs limites de température suivantes pour un gaz respirable inhalé froid.

Les faibles valeurs d'astreinte se rapportent à des effets de type plus sensoriel, tel qu'un inconfort. Le

niveau élevé d'astreinte indique des valeurs pouvant provoquer une irritation, une toux et finalement

des effets sur la santé à long terme, tels que des symptômes asthmatiques.

Un gaz respirable circulant dans un APR à d'aussi basses températures n'est pas vraiment susceptible

de provoquer des lésions car l'interface respiratoire elle-même agira comme une sorte d'échangeur

thermique et réchauffera dans une certaine mesure le gaz respirable inhalé.

On sait qu'à des températures d'inhalation et une humidité relative faibles, une irritation des tissus

pulmonaires et des voies respiratoires peut se produire, voir Tableau 3.

EXEMPLE À un niveau de température d’inhalation de −40 °C pour une «activité légère» ou de −30 °C pour

une «activité modérée», ou encore de −20 °C pour une «activité très intense», une irritation peut se produire.

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Tableau 3 — Basses températures d’inhalation se rapportant à des effets sensoriels

Métabolisme Température d’inhala-
Classe Activité énergétique tion à un niveau d’hu-
moyen midité relative ≤ 20 %
[W/m ] (°C)
1 Repos 65
−40
2 Activité légère 100
3 Activité modérée 165 −30
4 Activité intense 230
−20
5 Activité très intense 290
6 Activité très très intense (2 h) 400
−30
7 Activité extrêmement intense (15 min) 475
8 Activité maximale (5 min) 600 −40

NOTE Les limites de temps pour les classes 6 à 8 s’expliquent par les capacités limitées d’activité physique des personnes à

ces niveaux élevés (voir l’ISO/TS 16976-1).
5 Effets sur l'équilibre thermique du corps entier

Les échanges thermiques entre le corps et l'environnement se produisent essentiellement par le

biais du système respiratoire et de la peau. Les échanges thermiques respiratoires comprennent des

composantes de convection et des composantes d'évaporation.
5.1 Échanges thermiques respiratoires

La perte de chaleur par respiration représente 5 % à 15 % de la perte de chaleur du corps selon le

niveau d'activité. Le transfert thermique vers l'air chaud ou froid dans les voies respiratoires est

contrôlé dans une certaine mesure, en particulier avec la respiration nasale. En cas d'activité modérée à

intense, la respiration buccale est nécessaire et les échanges de chaleur et d'humidité deviennent moins

efficaces. Dans le froid, cela augmente la perte de chaleur par respiration, et dans la chaleur, cela réduit

la perte de chaleur par respiration. Par contre, le masque respiratoire, un filtre et l'espace mort peuvent

amortir dans une certaine mesure l'effet immédiat des températures ambiantes. En cas de forte chaleur

et d'humidité élevée, le masque porté peut accentuer l'effet. L'ampleur de ces effets n'est pas connue.

Les échanges thermiques respiratoires peuvent être décrits en fonction de la ventilation minute et de la

différence de température entre l'air inhalé et l'air expiré.
Les Formules (1) à (3) suivantes, empiriques, ont été proposées:
EM=−0,(0173 pp ) (1)
resexa
CM=−0,(0014 tt ) (2)
resexa
tt=+29 02, (3)
ex a
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E représente les échanges thermiques par évaporation, en W/m ;
res
C représente les échanges thermiques respiratoires par convection, en W/m ;
res
M est le métabolisme énergétique, en W/m ;
p est la pression de vapeur d'eau de l'air expiré, en kPa;
p est la pression de vapeur d'eau ambiante, en kPa.

Il est supposé que l'air expiré est saturé d'eau et a une température, t , qui est reliée à la température

(ambiante) inspirée, t , par la Formule (3).

Les échanges thermiques par convection sont normalement relativement faibles, mais peuvent

s’amplifier de manière sensible dans certaines circonstances. La perte de chaleur par respiration ayant

lieu par évaporation est généralement supérieure à la composante par convection. Un APR utilisant de

l’air comprimé comme source peut fournir un air froid et sec. Cela peut se révéler avantageux dans des

environnements chauds, mais désavantageux dans des conditions froides.

Dans des conditions où un APR peut provoquer une augmentation des niveaux de CO inhalé, la

ventilation peut augmenter, accroissant ainsi la perte de chaleur par respiration (voir l'ISO/TS 16976-3).

Dans des environnements hyperbares, les échanges thermiques respiratoires augmentent

proportionnellement à l'augmentation de la pression ambiante. En plongée sous-marine, un chauffage

de l'air peut être nécessaire pour compenser les pertes de chaleur par respiration. Cela s'ap

...

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