ISO 7933:2004
(Main)Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain
Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat strain
ISO 7933:2004 specifies a method for the analytical evaluation and interpretation of the thermal stress experienced by a subject in a hot environment. It describes a method for predicting the sweat rate and the internal core temperature that the human body will develop in response to the working conditions. The various terms used in this prediction model, and in particular in the heat balance, show the influence of the different physical parameters of the environment on the thermal stress experienced by the subject. In this way, this International Standard makes it possible to determine which parameter or group of parameters should be modified, and to what extent, in order to reduce the risk of physiological strains. The main objectives of ISO 7933:2004 are the following: the evaluation of the thermal stress in conditions likely to lead to excessive core temperature increase or water loss for the standard subject; the determination of exposure times with which the physiological strain is acceptable (no physical damage is to be expected). In the context of this prediction mode, these exposure times are called "maximum allowable exposure times". ISO 7933:2004 does not predict the physiological response of individual subjects, but only considers standard subjects in good health and fit for the work they perform. It is therefore intended to be used by ergonomists, industrial hygienists, etc., to evaluate working conditions.
Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination analytique et interprétation de la contrainte thermique fondées sur le calcul de l'astreinte thermique prévisible
L'ISO 7933:2004 spécifie une méthode d'évaluation analytique et d'interprétation de la contrainte thermique subie par un sujet dans un environnement thermique chaud. Elle décrit une méthode permettant de prédire le débit sudoral et la température corporelle centrale que l'organisme humain met en oeuvre en réaction aux conditions de travail. Les divers termes intervenant dans ce modèle prédictif, et notamment dans le bilan thermique, permettent de déterminer les parts respectives prises par les divers paramètres physiques de l'environnement dans la contrainte thermique subie par le sujet. L'ISO 7933:2004 permet ainsi de déterminer sur quel paramètre ou ensemble de paramètres il convient d'agir, et dans quelle mesure, afin de réduire le risque d'astreintes physiologiques. Les principaux objectifs de l'ISO 7933:2004 sont les suivants: l'évaluation de la contrainte thermique dans des environnements susceptibles d'entraîner une élévation de la température corporelle centrale ou des pertes hydriques importantes chez un sujet standard; la détermination des durées d'exposition compatibles avec une astreinte physiologique tolérable (pas de dommage physique prévisible). Dans le cadre de ce modèle prédictif, ces durées sont dites «durées limites d'exposition admissibles». L'ISO 7933:2004 ne vise pas à prédire la réponse physiologique d'un sujet donné, mais concerne uniquement un sujet standard en bonne santé et apte à faire son travail. Elle est par conséquent destinée à être utilisée par des ergonomes, des hygiénistes du travail, etc. pour évaluer les conditions de travail.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 7933
Second edition
2004-08-15
Ergonomics of the thermal
environment — Analytical determination
and interpretation of heat stress using
calculation of the predicted heat strain
Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination analytique et
interprétation de la contrainte thermique fondées sur le calcul de
l'astreinte thermique prévisible
Reference number
ISO 7933:2004(E)
©
ISO 2004
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ISO 7933:2004(E)
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Published in Switzerland
ii © ISO 2004 – All rights reserved
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ISO 7933:2004(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Symbols . 2
4 Principles of the method of evaluation. 5
5 Main steps of the calculation. 5
5.1 General heat balance equation. 5
5.2 Calculation of the required evaporative heat flow, the required skin wettedness and the
required sweat rate . 7
6 Interpretation of required sweat rate . 8
6.1 Basis of the method of interpretation . 8
6.2 Analysis of the work situation . 8
6.3 Determination of maximum allowable exposure time (D ) . 9
lim
6.4 Organization of work in the heat . 9
Annex A (normative) Data necessary for the computation of thermal balance. 10
Annex B (informative) Criteria for estimating acceptable exposure time in a hot work environment. 18
Annex C (informative) Metabolic rate . 20
Annex D (informative) Clothing thermal characteristics . 22
Annex E (informative) Computer programme for the computation of the Predicted Heat Strain
Model. 24
Annex F (normative) Examples of the Predicted Heat Strain Model computations . 33
Bibliography . 34
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ISO 7933:2004(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 7933 was prepared by Technical Committee ISO/TC 159, Ergonomics, Subcommittee SC 5, Ergonomics
of the physical environment.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 7933:1989), which was based on the Required
Sweat Rate index. In order to avoid any confusion and, as extensive modifications are brought to the
prediction model, the name of the index has been changed to Predicted Heat Strain (PHS).
iv © ISO 2004 – All rights reserved
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ISO 7933:2004(E)
Introduction
Other International Standards of this series describe how the parameters influencing the human
thermoregulation in a given environment must be estimated or quantified. Others specify how these
parameters must be integrated in order to predict the degree of discomfort or the health risk in these
environments. The present document was prepared to standardize the methods that occupational health
specialists should use to approach a given problem and progressively collect the information needed to
control or prevent the problem.
The method of computation and interpretation of thermal balance is based on the latest scientific information.
Future improvements concerning the calculation of the different terms of the heat balance equation, or its
interpretation, will be taken into account when they become available. In its present form, this method of
assessment is not applicable to cases where special protective clothing (reflective clothing, active cooling and
ventilation, impermeable, with personal protective equipment) is worn.
In addition, occupational health specialists are responsible for evaluating the risk encountered by a given
individual, taking into consideration his specific characteristics that might differ from those of a standard
subject. ISO 9886 describes how physiological parameters must be used to monitor the physiological
behaviour of a particular subject and ISO 12894 describes how medical supervision must be organized.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 7933:2004(E)
Ergonomics of the thermal environment — Analytical
determination and interpretation of heat stress using
calculation of the predicted heat strain
1 Scope
This International Standard specifies a method for the analytical evaluation and interpretation of the thermal
stress experienced by a subject in a hot environment. It describes a method for predicting the sweat rate and
the internal core temperature that the human body will develop in response to the working conditions.
The various terms used in this prediction model, and in particular in the heat balance, show the influence of
the different physical parameters of the environment on the thermal stress experienced by the subject. In this
way, this International Standard makes it possible to determine which parameter or group of parameters
should be modified, and to what extent, in order to reduce the risk of physiological strains.
The main objectives of this International Standard are the following:
a) the evaluation of the thermal stress in conditions likely to lead to excessive core temperature increase or
water loss for the standard subject;
b) the determination of exposure times with which the physiological strain is acceptable (no physical
damage is to be expected). In the context of this prediction mode, these exposure times are called
“maximum allowable exposure times”.
This International Standard does not predict the physiological response of individual subjects, but only
considers standard subjects in good health and fit for the work they perform. It is therefore intended to be
used by ergonomists, industrial hygienists, etc., to evaluate working conditions.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 7726, Ergonomics of the thermal environment — Instruments for measuring physical quantities
ISO 8996, Ergonomics of the thermal environment — Determination of metabolic rate
ISO 9886, Ergonomics — Evaluation of thermal strain by physiological measurements
ISO 9920, Ergonomics of the thermal environment — Estimation of the thermal insulation and evaporative
resistance of a clothing ensemble
© ISO 2004 – All rights reserved 1
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ISO 7933:2004(E)
3 Symbols
For the purposes of this document, the symbols and abbreviated terms, designated below as “symbols” with
their units, are in accordance with ISO 7726.
However, additional symbols are used to for the presentation of the Predicted Heat Strain index.
A complete list of symbols is presented in Table 1.
Table 1 — Symbols and units
Symbol Term Unit
–
–
code = 1 if walking speed entered, 0 otherwise
–
–
code = 1 if walking direction entered, 0 otherwise
α
fraction of the body mass at the skin temperature dimensionless
α
skin-core weighting at time t dimensionless
i
i
α
skin-core weighting at time t dimensionless
i–1
i–1
ε
emissivity dimensionless
θ
angle between walking direction and wind direction degrees
A
DuBois body surface area square metre
Du
A
fraction of the body surface covered by the reflective clothing dimensionless
p
A
effective radiating area of a body dimensionless
r
C
convective heat flow watts per square metre
c
water latent heat of vaporization joules per kilogram
e
C
correction for the dynamic total dry thermal insulation at or above dimensionless
orr,cl
0,6 clo
C
correction for the dynamic total dry thermal insulation at 0 clo dimensionless
orr,Ia
C
correction for the dynamic clothing insulation as a function of the dimensionless
orr,tot
actual clothing
C
correction for the dynamic permeability index dimensionless
orr,E
c
specific heat of dry air at constant pressure joules per kilogram of dry air
p
kelvin
C
respiratory convective heat flow watts per square metre
res
c
specific heat of the body watts per square meter per
sp
kelvin
D
maximum allowable exposure time minutes
lim
D
maximum allowable exposure time for heat storage minutes
lim tre
D
maximum allowable exposure time for water loss, mean subject minutes
limloss50
D
maximum allowable exposure time for water loss, 95 % of the minutes
limloss95
working population
D
maximum water loss grams
max
D
maximum water loss to protect a mean subject grams
max50
D
maximum water loss to protect 95 % of the working population grams
max95
DRINK
1 if workers can drink freely, 0 otherwise dimensionless
2 © ISO 2004 – All rights reserved
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ISO 7933:2004(E)
Symbol Term Unit
dS
body heat storage during the last time increment watts per square metre
i
dS
body heat storage rate for increase of core temperature watts per square meter
eq
associated with the metabolic rate
E
evaporative heat flow at the skin watts per square metre
E
maximum evaporative heat flow at the skin surface watts per square metre
max
E
predicted evaporative heat flow watts per square metre
p
E
required evaporative heat flow watts per square metre
req
E
respiratory evaporative heat flow watts per square metre
res
f
clothing area factor dimensionless
cl
F
reduction factor for radiation heat exchange due to wearing dimensionless
cl,R
clothes
F
emissivity of the reflective clothing dimensionless
r
H
body height meters
b
h
dynamic convective heat transfer coefficient watts per square metre kelvin
cdyn
h
radiative heat transfer coefficient watts per square metre kelvin
r
I
static boundary layer thermal insulation square meters kelvin per watt
a st
I
static clothing insulation square meters kelvin per watt
cl st
I
clothing insulation clo
cl
I
total static clothing insulation square meters kelvin per watt
tot st
I
dynamic boundary layer thermal insulation square meters kelvin per watt
a dyn
I
dynamic clothing insulation square meters kelvin per watt
cl dyn
I
total dynamic clothing insulation square meters kelvin per watt
tot dyn
i
static moisture permeability index dimensionless
mst
i
dynamic moisture permeability index dimensionless
mdyn
incr
time increment from time t to time t minutes
i–1 i
k fraction k of predicted sweat rate dimensionless
Sw
K conductive heat flow watts per square metre
M metabolic rate watts per square meter
p water vapour partial pressure kilopascals
a
p saturated water vapour pressure at skin temperature kilopascals
sk,s
R radiative heat flow watts per square metre
r
required evaporative efficiency of sweating dimensionless
req
R
dynamic total evaporative resistance of clothing and boundary square metres kilopascals per
tdyn
air layer watt
S
body heat storage rate watts per square metre
S
body heat storage for increase of core temperature associated watts per square metre
eq
with the metabolic rate
Sw
maximum sweat rate watts per square metre
max
Sw
predicted sweat rate watts per square metre
p
Sw
predicted sweat rate at time t watts per square metre
p,i
i
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ISO 7933:2004(E)
Symbol Term Unit
Sw
predicted sweat rate at time t watts per square metre
p,i–1
i–1
Sw
required sweat rate watts per square metre
req
t
time minutes
t
air temperature degrees celsius
a
t
clothing surface temperature degrees celsius
cl
t
core temperature degrees celsius
cr
t
steady state value of core temperature as a function of the degrees celsius
cr,eqm
metabolic rate
t
core temperature as a function of the metabolic rate degrees celsius
cr,eq
t
core temperature as a function of the metabolic rate at time t degrees celsius
cr,eq i
i
t
core temperature as a function of the metabolic rate at time t degrees celsius
cr,eq i–1
i–1
t
core temperature at time t degrees celsius
cr,i
i
t
core temperature at time t degrees celsius
cr,i-1
i–1
t
expired air temperature degrees celsius
ex
t
mean radiant temperature degrees celsius
r
t
rectal temperature degrees celsius
re
t
maximum acceptable rectal temperature degrees celsius
re, max
t
rectal temperature at time t degrees celsius
re,i
i
t
rectal temperature at time t degrees celsius
re,i–1
i–1
t
steady state mean skin temperature degrees celsius
sk,eq
t
steady state mean skin temperature for nude subjects degrees celsius
sk,eq nu
t
steady state mean skin temperature for clothed subjects degrees celsius
sk,eq cl
t
mean skin temperature at time t degrees celsius
sk,i
i
t
mean skin temperature at time t degrees celsius
sk,i–1
i–1
V
respiratory ventilation rate litres per minute
v
air velocity metres per second
a
v
relative air velocity metres per second
ar
v
walking speed metres per second
w
w
skin wettedness dimensionless
W
effective mechanical power watts per square metre
W
humidity ratio kilograms of water per
a
kilogram of dry air
W
body mass kilograms
b
W
humidity ratio for the expired air kilograms of water per
ex
kilogram of dry air
w
maximum skin wettedness dimensionless
max
w
predicted skin wettedness dimensionless
p
w
required skin wettedness dimensionless
req
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ISO 7933:2004(E)
4 Principles of the method of evaluation
The method of evaluation and interpretation calculates the thermal balance of the body from
a) the parameters of the thermal environment:
air temperature, t ;
a
mean radiant temperature, t ;
r
partial vapour pressure, p ;
a
air velocity, v ;
a
(These parameters are estimated or measured according to ISO 7726.)
b) the mean characteristics of the subjects exposed to this working situation:
the metabolic rate, M, estimated on the basis of ISO 8996;
the clothing thermal characteristics estimated on the basis of ISO 9920.
Clause 5 describes the principles of the calculation of the different heat exchanges occurring in the thermal
balance equation, as well as those of the sweat loss necessary for the maintenance of the thermal equilibrium
of the body. The mathematical expressions for these calculations are given in Annex A.
Clause 6 describes the method of interpretation which leads to the determination of the predicted sweat rate,
the predicted rectal temperature, and the maximum allowable exposure times and work-rest regimens to
achieve the predicted sweat rate. This determination is based on two criteria: maximum body core
temperature increase and maximum body water loss. Maximum values for these criteria are given in Annex B.
The precision with which the predicted sweat rate and the exposure times are estimated is a function of the
model (i.e. of the expressions proposed in Annex A) and the maximum values, which are adopted. It is also a
function of the accuracy of estimation and measurement of the physical parameters and of the precision with
which the metabolic rate and the thermal insulation of the clothing are estimated.
5 Main steps of the calculation
5.1 General heat balance equation
5.1.1 General
The thermal balance equation of the body may be written as:
M−WC= +E +K++C R++E S (1)
res res
This equation expresses that the internal heat production of the body, which corresponds to the metabolic rate
(M) minus the effective mechanical power (W), is balanced by the heat exchanges in the respiratory tract by
convection (C ) and evaporation (E ), as well as by the heat exchanges on the skin by conduction (K),
res res
convection (C), radiation (R), and evaporation (E), and by the eventual balance, heat storage (S), accumulating
in the body.
The different terms of Equation (1) are successively reviewed in terms of the principles of calculation (detailed
expressions are shown in Annex A).
© ISO 2004 – All rights reserved 5
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ISO 7933:2004(E)
5.1.2 Metabolic rate, M
The estimation or measurement of the metabolic rate is described in ISO 8996.
Indications for the evaluation of the metabolic rate are given in Annex C.
5.1.3 Effective mechanical power, W
In most industrial situations, the effective mechanical power is small and can be neglected.
5.1.4 Heat flow by respiratory convection, C
res
The heat flow by respiratory convection may be expressed, in principle, by the equation
tt−
ex a
Cc=×0,072V× (2)
res p
A
Du
5.1.5 Heat flow by respiratory evaporation, E
res
The heat flow by respiratory evaporation may be expressed, in principle, by the equation
WW−
ex a
Ec=×0,072V× (3)
res e
A
Du
5.1.6 Heat flow by conduction: K
As this International Standard deals with the risk of whole-body dehydration and hyperthermia, the heat flow
by thermal conduction at the body surfaces in contact with solid objects may be quantitatively assimilated to
the heat losses by convection and radiation, which would occur if these surfaces were not in contact with any
solid body. In this way, the heat flow by conduction is not directly taken into account.
ISO 13732-1 deals specifically with the risks of pain and burns when parts of the body contact hot surfaces.
5.1.7 Heat flow by convection at the skin surface, C
The heat flow by convection at the skin surface may be expressed by the equation
Ch=×f×t−t (4)
( )
cdyn cl sk a
where the dynamic convective heat transfer coefficient between the clothing and the outside air, h , takes
cdyn
into account the clothing characteristics, the movements of the subject and the air movements.
Annex D provides some indications for the evaluation of the clothing thermal characteristics.
5.1.8 Heat flow by radiation at the surface of the skin, R
The heat flow by radiation may be expressed by the equation
R=×hf ×t −t (5)
( )
rcl sk r
where the radiative heat transfer coefficient between the clothing and the outside air, h , takes into account the
r
clothing characteristics, the movements of the subject and the air movements.
6 © ISO 2004 – All rights reserved
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ISO 7933:2004(E)
5.1.9 Heat flow by evaporation at the skin surface, E
The maximum evaporative heat flow at the skin surface, E , is that which can be achieved in the
max
hypothetical case of the skin being completely wetted. In these conditions
p − p
sk,s a
E = (6)
max
R
tdyn
where the total evaporative resistance of the limiting layer of air and clothing, R takes into account the
,
tdyn
clothing characteristics, the movements of the subject and the air movements.
In the case of a partially wetted skin, the evaporation heat flow, E, in watts per square metre, is given by
Ew=×E (7)
max
5.1.10 Heat storage for increase of core temperature associated with the metabolic rate, dS
eq
Even in neutral environment, the core temperature rises towards a steady state value t as a function of the
cr,eq
metabolic rate relative to the individual's maximal aerobic power.
The core temperature reaches this steady state temperature exponentially with time. The heat storage
associated with this increase, dS does not contribute to the onset of sweating and must therefore be
eq,
deducted from the heat balance equation.
5.1.11 Heat storage, S
The heat storage of the body is given by the algebraic sum of the heat flows defined previously.
5.2 Calculation of the required evaporative heat flow, the required skin wettedness and the
required sweat rate
Taking into account the hypotheses made concerning the heat flow by conduction, the general heat balance
Equation (1) can be written as
E+SM= −W−−−C E C−R (8)
res res
The required evaporative heat flow, E , is the evaporation heat flow required for the maintenance of the
req
thermal equilibrium of the body and, therefore, for the heat storage to be equal to zero. It is given by
E =MW−−−−C E C−R−dS (9)
req res res eq
The required skin wettedness, w , is the ratio between the required evaporative heat flow and the maximum
req
evaporative heat flow at the skin surface:
E
req
w = (10)
req
E
max
The calculation of the required sweat rate is made on the basis of the required evaporative heat flow, but
taking account of the fraction of sweat that trickles away because of the large variations in local skin
wettedness. The required sweat rate is given by
E
req
(11)
Sw =
req
r
req
NOTE The sweat rate in watts per square meter represents the equivalent in heat of the sweat rate expressed in grams
–2 –2 –1 –1
of sweat per square metre of skin surface and per hour. 1 W⋅m corresponds to a flow of 1,47 g⋅m h or 2,67 g⋅h for
2
a standard subject (1,8 m of body surface).
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ISO 7933:2004(E)
6 Interpretation of required sweat rate
6.1 Basis of the method of interpretation
The interpretation of the values calculated by the recommended analytical method is based on two stress
criteria:
the maximum skin wettedness, w
max
the maximum sweat rate: Sw
max
and on two strain criteria
the maximum rectal temperature: t
re, max
the maximum water loss: D .
max
The required sweat rate, Sw , cannot exceed the maximum sweat rate, Sw , achievable by the subject.
req max
The required skin wettedness, w , cannot exceed the maximum skin wettedness, w , achievable by the
req max
subject. These two maximum values are a function of the acclimatization of the subject.
In the case of non-equilibrium of the thermal balance, the rectal temperature increase must be limited at a
maximum value, t such that the probability of any pathological effect is extremely limited.
re,max
Finally, whatever the thermal balance, the water loss should be restricted to a value, D , compatible with
max
the maintenance of the hydromineral equilibrium of the body.
Annex B includes reference values for the stress criteria (w and Sw ) and the strain criteria (t and
max max re,max
D ). Different values are presented for acclimatized and non-acclimatized subjects, and according to the
max
degree of protection that is desired [mean level or 95 % (alarm) level].
6.2 Analysis of the work situation
Heat exchanges are computed at time, t , from the body conditions existing at the previous computation time
i
and as a function of the climatic and metabolic conditions prevailing during the time increment.
The required evaporative heat flow (E ), skin wettedness (w ) and sweat rate (Sw ) are first
req req req
computed.
Then the predicted evaporative heat flow (E ), skin wettedness (w ) and sweat rate (Sw ) are computed,
p p p
considering the limitations of the body (w and Sw ) as well as the exponential response of the
max max
sweating system.
The rate of heat storage is estimated by the difference between the required and predicted evaporation
heat flow. This heat contributes to increase or decrease the skin and body temperatures. These two
parameters are then estimated, as well as the rectal temperature.
From these values, the heat exchanges during the next time increment are computed.
The evolutions of Sw and t are in this way iteratively computed.
p re
This procedure makes possible to take into account not only constant working conditions, but also any
conditions with climatic parameters or work load characteristics varying in time.
8 © ISO 2004 – All rights reserved
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ISO 7933:2004(E)
6.3 Determination of maximum allowable exposure time (D )
lim
The maximum allowable exposure time, D , is reached when either the rectal temperature or the cumulated
lim
water loss reaches the corresponding maximum values.
In work situations for which
either the maximum evaporative heat flow at the skin surface, E , is negative, leading to condensation
max
of water vapour on the skin,
or the estimated allowable exposure time is less than 30 min, so that the phenomenon of sweating onset
plays a major role in the estimation of the evaporation loss of the subject,
special precautionary measures need to be taken and direct and individual physiological supervision of the
workers is particularly necessary. The conditions for carrying out this surveillance and the measuring
techniques to be used are described in ISO 9886.
6.4 Organization of work in the heat
This International Standard makes it possible to compare different ways of organizing work and scheduling
rest periods if it is necessary.
A computer programme in Quick Basic is given in Annex E. It allows for the calculation and the interpretation
of any combination of sequences where the metabolic rate, the clothing thermal characteristics and climatic
parameters are known.
Annex F provides some data (input data and results) to be used for the validation of any computer programme
developed on the basis of the model presented in Annex A.
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ISO 7933:2004(E)
Annex A
(normative)
Data necessary for the computation of thermal balance
A.1 Ranges of
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 7933
Deuxième édition
2004-08-15
Ergonomie des ambiances thermiques —
Détermination analytique et interprétation
de la contrainte thermique fondées sur le
calcul de l'astreinte thermique prévisible
Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and
interpretation of heat stress using calculation of the predicted heat
strain
Numéro de référence
ISO 7933:2004(F)
©
ISO 2004
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ISO 7933:2004(F)
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ISO 7933:2004(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Symboles et termes abrégés . 2
4 Principes de la méthode d’évaluation. 5
5 Principales étapes de calcul . 5
5.1 Équation générale du bilan thermique. 5
5.2 Calcul du flux de chaleur par évaporation requis, de la mouillure cutanée requise et du
débit sudoral requis. 7
6 Interprétation du débit sudoral requis . 8
6.1 Base de la méthode d’interprétation. 8
6.2 Analyse de la situation de travail . 8
6.3 Détermination de la durée limite d’exposition admissible, D . 9
lim
6.4 Organisation du travail en ambiance chaude . 9
Annexe A (normative) Données nécessaires au calcul du bilan thermique . 10
Annexe B (informative) Critères d’estimation de la durée d’exposition admissible dans un
environnement de travail chaud. 18
Annexe C (informative) Métabolisme énergétique . 20
Annexe D (informative) Caractéristiques thermiques de la tenue vestimentaire . 22
Annexe E (informative) Programme informatique permettant le calcul du modèle d'astreinte
thermique prévisible . 24
Annexe F (normative) Exemples de calculs du modèle d’astreinte thermique prévisible . 33
Bibliographie . 34
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ISO 7933:2004(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 7933 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 159, Ergonomie, sous-comité SC 5, Ergonomie de
l'environnement physique.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 7933:1989), qui était fondée sur le calcul
de l’indice de sudation requise. L'indice a été renommé en indice d’astreinte thermique prévisible (PHS), afin
d’éviter toute confusion et compte tenu des nombreuses modifications apportées au modèle prédictif.
iv © ISO 2004 – Tous droits réservés
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ISO 7933:2004(F)
Introduction
D'autres Normes internationales de cette série décrivent la manière dont les paramètres qui influencent la
thermorégulation du corps humain dans un environnement thermique donné doivent être estimés ou
quantifiés. D'autres encore spécifient le mode d'intégration de ces paramètres afin de prédire le degré
d’inconfort ou le risque pour la santé dans ces environnements thermiques. Le présent document a été
élaboré pour normaliser les méthodes qu'il convient que les spécialistes en médecine du travail utilisent pour
aborder un problème donné et pour recueillir régulièrement les informations nécessaires afin de maîtriser ou
de prévenir le problème.
La méthode de calcul et d'interprétation du bilan thermique est fondée sur les apports scientifiques les plus
récents. Les améliorations futures apportées aux équations de calcul des différents termes du bilan thermique
ainsi qu'à son interprétation devront être prises en compte au fur et à mesure de leur acquisition. Dans sa
forme actuelle, cette méthode d’évaluation ne peut pas être utilisée dans le cas du port de vêtements
spéciaux de protection (vêtement réfléchissant, réfrigéré et ventilé, imperméable, avec équipement individuel
de protection).
Par ailleurs, les spécialistes en médecine du travail sont chargés d'évaluer les risques encourus par un
individu donné en tenant compte de ses caractéristiques spécifiques qui peuvent différer de celles d’un sujet
standard. L'ISO 9886 décrit la manière dont les paramètres physiologiques doivent être utilisés pour surveiller
le comportement physiologique d'un sujet particulier et l'ISO 12894 décrit la manière dont la surveillance
médicale doit être organisée.
© ISO 2004 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 7933:2004(F)
Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination
analytique et interprétation de la contrainte thermique fondées
sur le calcul de l'astreinte thermique prévisible
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie une méthode d'évaluation analytique et d'interprétation de la
contrainte thermique subie par un sujet dans un environnement thermique chaud. Elle décrit une méthode
permettant de prédire le débit sudoral et la température corporelle centrale que l'organisme humain met en
œuvre en réaction aux conditions de travail.
Les divers termes intervenant dans ce modèle prédictif, et notamment dans le bilan thermique, permettent de
déterminer les parts respectives prises par les divers paramètres physiques de l'environnement dans la
contrainte thermique subie par le sujet. La présente Norme internationale permet ainsi de déterminer sur quel
paramètre ou ensemble de paramètres il convient d'agir, et dans quelle mesure, afin de réduire le risque
d'astreintes physiologiques.
Les principaux objectifs de la présente Norme internationale sont les suivants:
a) l'évaluation de la contrainte thermique dans des environnements susceptibles d'entraîner une élévation
de la température corporelle centrale ou des pertes hydriques importantes chez un sujet standard;
b) la détermination des durées d’exposition compatibles avec une astreinte physiologique tolérable (pas de
dommage physique prévisible). Dans le cadre de ce modèle prédictif, ces durées sont dites «durées
limites d'exposition admissibles».
La présente Norme internationale ne vise pas à prédire la réponse physiologique d'un sujet donné, mais
concerne uniquement un sujet standard en bonne santé et apte à faire son travail. Elle est par conséquent
destinée à être utilisée par des ergonomes, des hygiénistes du travail, etc. pour évaluer les conditions de
travail.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 7726, Ergonomie des ambiances thermiques — Appareils de mesure des grandeurs physiques
ISO 8996, Ergonomie de l’environnement thermique — Détermination du métabolisme énergétique
ISO 9886, Ergonomie — Évaluation de l'astreinte thermique par mesures physiologiques
ISO 9920, Ergonomie des ambiances thermiques — Détermination de l'isolement thermique et de la
résistance à l'évaporation d'une tenue vestimentaire
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ISO 7933:2004(F)
3 Symboles et termes abrégés
Pour les besoins du présent document, les symboles et termes abrégés, ci-après dénommés «symboles»,
avec leurs unités, sont conformes à l'ISO 7726.
Des symboles supplémentaires sont cependant utilisés pour représenter l'indice d’astreinte thermique
prévisible.
Une liste complète en est donnée dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Liste des symboles
Symbole Terme Unité
– code =1 si vitesse de marche saisie, sinon 0 –
– code =1 si sens de marche saisi, sinon 0 –
α fraction de masse corporelle à la température de la peau sans dimension
α pondération tempér. cutanée – interne au temps t sans dimension
i i
α pondération tempér. cutanée – interne au temps t sans dimension
i−1 i–1
ε émissivité sans dimension
θ angle formé par le sens de marche et la direction degrés
du vent
A surface du corps selon DuBois mètres carrés
Du
A fraction de surface du corps recouverte par le vêtement sans dimension
p
réfléchissant
A surface effective de rayonnement d'un corps sans dimension
r
C flux de chaleur par convection watts par mètre carré
c chaleur latente de vaporisation de l’eau joules par kilogramme
e
C correction pour l’isolement thermique dynamique total en sans dimension
orr,cl
chaleur sèche si égal ou supérieur à 0,6 clo
C correction pour l’isolement thermique dynamique total en sans dimension
orr,Ia
chaleur sèche si égal à 0 clo
C correction pour l’isolement thermique dynamique du vêtement sans dimension
orr,tot
en fonction du vêtement réel
C correction pour l’indice de perméabilité dynamique sans dimension
orr,E
c chaleur massique de l’air sec à pression constante joules par kilogramme
p
kelvin d’air sec
C flux de chaleur par convection respiratoire watts par mètre carré
res
c chaleur massique du corps watts par mètre carré
sp
kelvin
D durée limite d’exposition admissible minutes
lim
D durée limite d’exposition admissible vis-à-vis du stockage de minutes
lim tre
chaleur
D durée limite d’exposition admissible vis-à-vis de la perte minutes
limloss50
hydrique, sujet moyen
D durée limite d’exposition admissible vis-à-vis de la perte minutes
limloss95
hydrique, 95 % des travailleurs
D perte hydrique maximale grammes
max
D perte hydrique maximale pour protéger un sujet moyen grammes
max50
D perte hydrique maximale pour protéger 95 % des travailleurs grammes
max95
DRINK 1 si les travailleurs peuvent boire librement, sinon 0 sans dimension
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ISO 7933:2004(F)
Symbole Terme Unité
dS stockage de chaleur dans le corps au cours du dernier watts par mètre carré
i
incrément de temps
dS débit de stockage de chaleur dans le corps lié à l’élévation de watts par mètre carré
eq
la température corporelle centrale associée au métabolisme
énergétique
E flux de chaleur par évaporation au niveau de la peau watts par mètre carré
E flux de chaleur par évaporation maximal au niveau de la peau watts par mètre carré
max
E flux de chaleur par évaporation prévisible watts par mètre carré
p
E flux de chaleur par évaporation requis watts par mètre carré
req
E flux de chaleur par évaporation respiratoire watts par mètre carré
res
f facteur de surface du vêtement sans dimension
cl
F facteur de réduction de l’échange de chaleur par rayonnement sans dimension
cl,R
dû au port des vêtements
F émissivité du vêtement réfléchissant sans dimension
r
H stature corporelle mètres
b
h coefficient dynamique de transfert de chaleur par convection watts par mètre carré
cdyn
kelvin
h coefficient de transfert de chaleur par rayonnement watts par mètre carré
r
kelvin
I isolement thermique statique de la couche limite mètres carrés kelvin par
a st
watt
I isolement thermique statique du vêtement mètres carrés kelvin par
cl st
watt
I isolement thermique du vêtement clo
cl
I isolement thermique statique total du vêtement mètres carrés kelvin par
tot st
watt
I isolement thermique dynamique de la couche limite mètres carrés kelvin par
a dyn
watt
I isolement thermique dynamique du vêtement mètres carrés kelvin par
cl dyn
watt
I isolement thermique dynamique total du vêtement mètres carrés kelvin par
tot dyn
watt
i indice de perméabilité statique à l’humidité sans dimension
mst
i indice de perméabilité dynamique à l’humidité sans dimension
mdyn
incr incrément de temps du temps t au temps t minutes
i–1 i
k fraction k du débit sudoral prévisible sans dimension
Sw
K flux de chaleur par conduction watts par mètre carré
M métabolisme énergétique watts par mètre carré
p pression partielle de vapeur d’eau kilopascals
a
p pression de vapeur d’eau saturante à la température de la kilopascals
sk,s
peau
R flux de chaleur par rayonnement watts par mètre carré
r rendement évaporatoire requis de la sudation sans dimension
req
R résistance évaporatoire dynamique totale du vêtement et de mètres carrés kilopascals
tdyn
la couche limite d’air par watt
S débit de stockage de chaleur dans le corps watts par mètre carré
S stockage de chaleur dans le corps lié à l’élévation de la watts par mètre carré
eq
température corporelle centrale associée au métabolisme
énergétique
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ISO 7933:2004(F)
Symbole Terme Unité
Sw débit sudoral maximal watts par mètre carré
max
Sw débit sudoral prévisible watts par mètre carré
p
Sw débit sudoral prévisible au temps t watts par mètre carré
p,i i
Sw débit sudoral prévisible au temps t watts par mètre carré
p,i−1 i–1
Sw débit sudoral requis watts par mètre carré
req
t temps minutes
t température de l’air degrés Celsius
a
t température de la surface du vêtement degrés Celsius
cl
t température corporelle centrale degrés Celsius
cr
t valeur d’équilibre de la température corporelle centrale en degrés Celsius
cr,eqm
fonction du métabolisme énergétique
t température corporelle centrale en fonction du métabolisme degrés Celsius
cr,eq
énergétique
t température corporelle centrale en fonction du métabolisme degrés Celsius
cr,eq i
énergétique au temps t
i
t température corporelle centrale en fonction du métabolisme degrés Celsius
cr,eq i–1
énergétique au temps t
i–1
t température corporelle centrale au temps t degrés Celsius
cr,i i
t température corporelle centrale au temps t degrés Celsius
cr,i–1 i–1
t température de l’air expiré degrés Celsius
ex
t température moyenne de rayonnement degrés Celsius
r
t température rectale degrés Celsius
re
t température rectale maximale acceptable degrés Celsius
re, max
t température rectale au temps t degrés Celsius
re,i i
t température rectale au temps t degrés Celsius
r
e,i–1 i–1
t température cutanée moyenne d’équilibre degrés Celsius
sk,eq
t température cutanée moyenne d’équilibre de sujets nus degrés Celsius
sk,eq nu
t température cutanée moyenne d’équilibre de sujets vêtus degrés Celsius
sk,eq cl
t température cutanée moyenne au temps t degrés Celsius
sk,i i
t température cutanée moyenne au temps t degrés Celsius
sk,i–1 i–1
V débit de ventilation respiratoire litres par minute
v vitesse de l’air mètres par seconde
a
v vitesse relative de l’air mètres par seconde
ar
v vitesse de marche mètres par seconde
w
w mouillure cutanée sans dimension
W puissance mécanique utile watts par mètre carré
W rapport d’humidité kilogrammes d’eau par
a
kilogramme d’air sec
W masse corporelle kilogrammes
b
W rapport d’humidité de l’air expiré kilogrammes d’eau par
ex
kilogramme d’air sec
w mouillure cutanée maximale sans dimension
max
w mouillure cutanée prévisible sans dimension
p
w mouillure cutanée requise sans dimension
req
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ISO 7933:2004(F)
4 Principes de la méthode d’évaluation
La méthode d'évaluation et d'interprétation dresse le bilan thermique du corps à partir des éléments suivants:
a) paramètres de l'environnement thermique:
température de l'air, t ;
a
température moyenne de rayonnement, t ;
r
pression partielle de vapeur, p ;
a
vitesse de l'air, v ;
a
(Ces paramètres sont estimés ou mesurés conformément à l'ISO 7726.)
b) paramètres moyens caractérisant les sujets exposés à cette situation de travail:
métabolisme énergétique, M, estimé sur la base de l'ISO 8996;
caractéristiques thermiques de la tenue vestimentaire, estimées sur la base de l'ISO 9920.
L'Article 5 décrit les principes de calcul des différents échanges de chaleur intervenant dans l’équation du
bilan thermique, ainsi que ceux du débit sudoral nécessaire au maintien de l'équilibre thermique du corps.
L'Annexe A précise les expressions mathématiques nécessaires à ces calculs.
L'Article 6 décrit la méthode d'interprétation des résultats qui conduit à la détermination du débit sudoral
prévisible, de la température rectale prévisible, des durées limites d'exposition admissibles et des alternances
travail-repos à pratiquer pour parvenir à ce débit. Cette détermination est menée sur la base de deux critères:
élévation de la température corporelle centrale et perte hydrique maximales. L'Annexe B propose des valeurs
limites pour ces critères.
La précision avec laquelle sont évalués le débit sudoral prévisible et les durées limites d'exposition est
fonction du modèle retenu (c'est-à-dire des expressions proposées dans l'Annexe A) et des valeurs limites
adoptées. Elle dépend également de la précision d’estimation et de mesurage des paramètres physiques,
ainsi que de la précision d'estimation du métabolisme énergétique et de l'isolement thermique de la tenue
vestimentaire.
5 Principales étapes de calcul
5.1 Équation générale du bilan thermique
5.1.1 Généralités
L'équation du bilan thermique du corps peut s'écrire
M−WC= +E +K++C R++E S (1)
res res
Cette équation exprime que la production de chaleur interne du corps, qui correspond au métabolisme
énergétique (M) moins la puissance mécanique utile (W), est compensée par les échanges de chaleur, au
niveau des voies respiratoires, par convection (C ) et évaporation (E ), ainsi que par les échanges de
res res
chaleur, au niveau de la peau, par conduction (K), convection (C), rayonnement (R) et évaporation (E), le
solde éventuel, appelé stockage de chaleur (S), s'accumulant dans le corps.
Les différents termes de l’Équation (1) sont successivement passés en revue avec les principes de calcul (les
expressions détaillées sont présentées dans l’Annexe A).
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ISO 7933:2004(F)
5.1.2 Métabolisme énergétique, M
L'estimation ou le mesurage du métabolisme énergétique est décrit dans l'ISO 8996.
Des indications pour l'évaluation du métabolisme énergétique sont données dans l’Annexe C.
5.1.3 Puissance mécanique utile, W
Dans la plupart des situations industrielles, la puissance mécanique utile est faible et peut être négligée.
5.1.4 Flux de chaleur par convection respiratoire, C
res
Le flux de chaleur par convection respiratoire peut être exprimé par la relation de principe suivante:
tt−
ex a
Cc=×0,072V× (2)
res p
A
Du
5.1.5 Flux de chaleur par évaporation respiratoire, E
res
Le flux de chaleur par évaporation respiratoire peut être exprimé par la relation de principe suivante:
WW−
ex a
Ec=×0,072V× (3)
res e
A
Du
5.1.6 Flux de chaleur par conduction, K
Dans la mesure où la présente Norme internationale traite du risque de déshydratation et d'hyperthermie du
corps entier, le flux de chaleur par conduction thermique au niveau des surfaces du corps en contact avec des
éléments solides peut être assimilé quantitativement aux pertes de chaleur par convection et rayonnement qui
se produiraient si ces surfaces n'étaient en contact avec aucun solide. De ce fait, le flux de chaleur par
conduction n'est pas directement pris en compte.
L'ISO 13732-1 traite spécifiquement des risques de douleur et de brûlure lorsque des parties du corps sont en
contact avec des surfaces chaudes.
5.1.7 Flux de chaleur par convection au niveau de la peau, C
Le flux de chaleur par convection au niveau de la peau peut être exprimé par l'équation suivante:
Ch=×f×t−t (4)
( )
cdyn cl sk a
où le coefficient dynamique d'échange de chaleur par convection entre le vêtement et l'air extérieur, h ,
cdyn
tient compte des caractéristiques du vêtement, des mouvements du sujet et des mouvements de l'air.
L’Annexe D fournit quelques indications sur l'évaluation des caractéristiques thermiques des vêtements.
5.1.8 Flux de chaleur par rayonnement au niveau de la peau, R
Le flux de chaleur par rayonnement peut être exprimé par l'équation suivante:
R=×hf ×t −t (5)
( )
rcl sk r
où le coefficient d'échange de chaleur par rayonnement entre le vêtement et l'air extérieur, h , tient compte
r
des caractéristiques du vêtement, des mouvements du sujet et des mouvements de l'air.
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ISO 7933:2004(F)
5.1.9 Flux de chaleur par évaporation au niveau de la peau, E
Le flux de chaleur par évaporation maximal au niveau de la peau, E , est celui qui peut être atteint dans
max
l’hypothèse où la peau est totalement mouillée. Dans de telles conditions
p − p
sk,s a
E = (6)
max
R
tdyn
où la résistance évaporatoire totale de la couche limite d’air et du vêtement, R , tient compte des
tdyn
caractéristiques du vêtement, des mouvements du sujet et des mouvements de l'air.
Dans le cas d'une peau partiellement mouillée, le flux de chaleur par évaporation, E, exprimé en watts par
mètre carré, est donné par
Ew=×E (7)
max
5.1.10 Stockage de chaleur lié à l’élévation de la température corporelle centrale associée au
métabolisme énergétique, dS
eq
Même dans un environnement neutre, la température corporelle centrale augmente pour s’approcher d’une
valeur d’équilibre t en fonction du métabolisme énergétique relatif à la puissance aérobie maximale de
cr,eq
l’individu.
La température corporelle centrale atteint cette température d’équilibre de façon exponentielle en fonction du
temps. Le stockage de chaleur associé à cette élévation de température, dS , ne participe pas au
eq
déclenchement de la sudation et doit par conséquent être déduit de l'équation du bilan thermique.
5.1.11 Stockage de chaleur, S
Le stockage de chaleur dans le corps correspond à la somme algébrique des flux de chaleur définis
précédemment.
5.2 Calcul du flux de chaleur par évaporation requis, de la mouillure cutanée requise et du
débit sudoral requis
Compte tenu des hypothèses formulées concernant le flux de chaleur par conduction, l'Équation (1) générale
du bilan thermique peut s'écrire
E+SM= −W−−−C E C−R (8)
res res
Le flux de chaleur par évaporation requis, E , correspond au flux de chaleur par évaporation nécessaire
req
pour maintenir l’équilibre thermique du corps et donc pour que le stockage de chaleur soit égal à zéro. Il est
donné par
E =MW−−−−C E C−R−dS (9)
req res res eq
La mouillure cutanée requise, w , est définie comme étant le rapport entre le flux de chaleur par évaporation
req
requis et le flux de chaleur par évaporation maximal au niveau de la peau:
E
req
w = (10)
req
E
max
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ISO 7933:2004(F)
Le calcul du débit sudoral requis doit se faire sur la base du flux de chaleur par évaporation requis, mais en
tenant compte de la fraction de sueur qui ruisselle au sol du fait de la grande hétérogénéité des mouillures
cutanées locales. Le débit sudoral requis est donné par
E
req
Sw = (11)
req
r
req
NOTE Le débit sudoral, en watts par mètre carré, représente l'équivalent en chaleur du débit sudoral exprimé en
–2 –2 –1
grammes de sueur par mètre carré de peau et par heure, 1 W◊m correspondant à un débit de 1,47 g◊m ◊h ou
–1 2
2,67 g◊h pour un sujet standard (avec 1,8 m de surface de peau).
6 Interprétation du débit sudoral requis
6.1 Base de la méthode d’interprétation
L'interprétation des valeurs calculées par la méthode analytique préconisée se fait sur la base de deux
critères de contrainte:
la mouillure cutanée maximale, w ;
max
le débit sudoral maximal, Sw ;
max
et en fonction de deux limites d’astreinte:
la température rectale maximale, t ;
re, max
la perte hydrique maximale, D .
max
Le débit sudoral requis, Sw , ne peut pas dépasser le débit sudoral maximal, Sw , pouvant être mis en
req max
œuvre par le sujet. La mouillure cutanée requise, w , ne peut pas dépasser la mouillure cutanée maximale,
req
w , réalisable par le sujet. Ces deux valeurs maximales sont fonction du degré d'acclimatement du sujet.
max
En cas de déséquilibre du bilan thermique, l’élévation de la température rectale doit être limitée à une valeur
maximale, t , de manière à réduire au maximum la probabilité de tout effet pathologique.
re,max
Enfin, quel que soit le bilan thermique, il convient de limiter la perte hydrique de l'organisme à une valeur
maximale, D , compatible avec le maintien de l'équilibre hydrominéral du corps.
max
L’Annexe B propose des valeurs-repères pour les critères de contrainte (w et Sw ) et les limites
max max
d’astreinte (t et D ). Des valeurs différentes sont proposées pour les sujets acclimatés et non
re,max max
acclimatés et selon le degré de protection souhaité [niveau moyen ou seuil de 95 % (alarme)].
6.2 Analyse de la situation de travail
Les échanges de chaleur sont calculés au temps t à partir de l'état physiologique de l'organisme existant au
i
pas de temps de calcul précédent et en fonction des conditions climatiques et métaboliques prévalan
...
Questions, Comments and Discussion
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