L'ambient tèrmic. Generalitats

Els éssers humans mantenen durant tota la seva vida la temperatura corporal dins uns límits molt concrets. Aquests límits màxims de tolerància per a les cèl·lules van des dels 0 ºC, en què es formen cristalls de gel, fins als 45 ºC, en què es dóna la coagulació tèrmica de les proteïnes intracel·lulars.

Quan la temperatura central del cos supera els 38 ºC o baixa dels 35 ºC, ja es poden produir danys a la salut i, en el cas de la calor, a partir dels 40,5 ºC, la mort.

En la taula podeu veure de manera més detallada els diferents símptomes originats per les diferents temperatures corporals.

L’ésser humà és un organisme homeoterm, això implica que les reaccions metabòliques requereixen una temperatura constant de 37 ºC per poder-se dur a terme.

El propi organisme disposa de mecanismes molt potents de regulació de la temperatura interna.

Els sistemes de termoregulació són molt complexos, però els conceptes bàsics necessaris per comprendre’n el funcionament per poder-los aplicar a la prevenció de riscos laborals es poden exposar de manera relativament fàcil.

D’aquesta manera podem dir que els processos bioquímics necessiten energia per elaborar les substàncies pròpies de l’organisme i desenvolupar treball muscular i que aquesta energia s’obté mitjançant l’oxidació dels principis immediats energètics, com els hidrats de carboni, els lípids i les proteïnes. Però no tota l’energia que es produeix es destina al treball muscular i al manteniment del metabolisme basal; molta d’aquesta energia produïda, encara que sembli mentida, s’allibera com a energia tèrmica (calor).

És obvi recordar que, quan qualsevol objecte rep calor, la seva temperatura augmenta i, si perd calor, la seva temperatura disminueix, de manera que el flux de calor tendeix a equilibrar les temperatures.

No es poden evitar ni el flux de calor ni l’equilibri final de la temperatura d’un cos amb el seu entorn, i això significa que, per molt bo que sigui l’aïllament, si no hi ha una aportació de calor, la temperatura d’un cos acabarà sent igual a la temperatura de l’ambient que l’envolta.

La conseqüència d’aquest fenomen, aplicada a l’organisme humà, és la necessitat que s’estigui produint calor de manera contínua, que funcionin uns mecanismes que facilitin l’entrada de calor als òrgans en cas que disminueixi la seva temperatura, o d’evacuació de calor, si guanyen temperatura, i mecanismes d’evacuació cap a l’exterior de la calor que sobra.

El conjunt dels mecanismes de termoregulació està governat per l’hipotàlem, una àrea del sistema nerviós central situada a la base del cervell (figura).

El seu funcionament és similar al d’un termòstat: rep informació mitjançant una àmplia xarxa de receptors sensibles a la temperatura i les seves variacions, que estan distribuïts per tot l’organisme. Una vegada processada la informació, l’hipotàlem activa els mecanismes fisiològics necessaris per mantenir la temperatura interna constant, incloent-hi la descomposició de principis immediats per produir energia tèrmica en cas necessari.

Cal tenir present el sistema cardiovascular, que exerceix un paper fonamental en la termoregulació, evacuant cap a la pell, en cas de tensió o estrès tèrmic, els excessos de la calor que s’acumulen als òrgans i músculs, perquè pugui ser dissipada cap a l’ambient o, en el cas del fred, aïllant tèrmicament l’organisme per tal d’evitar les pèrdues importants de calor.

L’organisme humà genera calor de forma contínua. Es pot considerar la calor generada com un subproducte de qualsevol reacció bioquímica o de qualsevol treball mecànic realitzat.

El seu símbol és M i la unitat de mesurament és el watt (W) o el watt/m², si es refereix a la superfície corporal.

L’ésser humà produeix l’energia que necessita per mantenir el cos viu i actiu. A partir dels aliments (principis immediats) i de l’oxigen que respira, i mitjançant reaccions químiques complicades, es va convertint en calor.

Així, prop del 50% de l’energia dels aliments, ja des de l’inici del procés es transforma en calor i un altre 50% en trifosfat d’adenosina (ATP), la major part del qual també es converteix en calor en passar a formar part dels sistemes metabòlics cel·lulars, que només aprofiten una petita part de l’energia restant; al final, pràcticament tota l’energia, d’una manera o d’una altra, es transforma en calor dins l’organisme, excepte una fracció, generalment molt petita, que ho fa fora a partir del treball que realitza.

Només en alguns tipus de moviment, per exemple pujar escales, es troba un rendiment d’un 20%, però en la major part de les activitats quotidianes o laborals el rendiment és molt baix, i en molts casos, nul, com en el cas del treball estàtic.

Així, un home amb una complexió física normal, descansant, genera uns 115 W de calor; caminant per una superfície plana a una velocitat entre 3,5 i 5,5 km/h, genera de 235 W a 360 W; però si accelera el pas a més de 7 km/h, la seva producció de calor se situarà aproximadament en 520 W.

En el cas d’un treball molt intens, la producció de calor pot sobrepassar els 900 W, com és el cas dels esportistes d’alt rendiment que, fent una activitat molt intensa, poden arribar a 2.000 W durant uns minuts.

Cal dir que una persona sense fer absolutament res i amb una despesa energètica mínima, és a dir, només per mantenir l’organisme viu (metabolisme basal), genera entre 65 i 80 W de calor, segons el sexe, l’edat i la superfície corporal, mentre que una bombeta elèctrica incandescent de 60 W emet, aproximadament, 55 W de calor.

Però aquesta energia contínua de la calor metabòlica no sempre és una garantia per a la temperatura interna mínima necessària per a la vida i per a la realització de les activitats quan les persones estan exposades a determinades condicions de fred, en un ambient en què les baixes temperatures poden arribar a constituir un perill.

Cal dir que, en general, els ambients amb temperatures elevades són molt més perillosos que els freds, ja que normalment és més fàcil protegir-se del fred que de la calor.

Podem assenyalar tres factors que diferencien les relacions de l’ésser humà amb l’ambient tèrmic d’altres factors ambientals:

1. L’activitat física de l’ésser humà genera una calor que acumula el mateix organisme. Aquesta calor d’origen intern no es diferencia gens de la calor que ve de l’entorn.
2. Gran resistència de l’organisme a la calor si ho comparem amb la seva capacitat per enfrontar-se a les agressions externes, com per exemple les d’origen químic.
   Des del punt de vista biològic no és gens estrany aquesta capacitat, ja que la temperatura interna és de vital importància per a la supervivència i, per tant, l’organisme humà ha desenvolupat potents mitjans de regulació que li permeten tenir sota control la temperatura corporal.
   Aquest fet estableix una diferència substancial amb els altres contaminants que es poden trobar al món laboral, en què la contaminació potencialment agressiva té l’origen en el medi ambient en què es troba el treballador. És la raó per la qual, quan s’avalua el risc per a la salut d’un treballador que deriva d’una situació tèrmica agressiva, l’avaluació ha de tenir en compte no solament les característiques tèrmiques de l’ambient, sinó també la intensitat del treball que s’està duent a terme.
3. Els efectes dels altres contaminants es posen de manifest d’una manera lenta i progressiva, però amb la calor i el fred les conseqüències es manifesten d’una manera brusca i immediata, i no hi ha un deteriorament lent i progressiu d’una funció, vital és a dir, no es coneixen malalties professionals a causa de l’ambient tèrmic.

Quan es produeix un excés de calor interna, es fa necessari perdre calor per evitar el desequilibri tèrmic.

Però, com veurem, el mecanisme fisiològic més important per a la pèrdua de calor és l’evaporació per mitjà de la suor; per tant, en situacions de calor, augmenta la sudoració.

Si, per contra, la temperatura central comença a baixar dels 37 ºC, com succeeix en ambients freds, el cos respon amb una vasoconstricció perifèrica, amb la qual cosa els vasos sanguinis de la pell es fan més estrets i es perd menys calor des de la sang. Si l’exposició continua, a partir d’un determinat moment es comença a tremolar.

El coneixement sobre l’avaluació dels ambients tèrmics ha estat recollit mitjançant la recerca i experiència internacionals durant molts anys, de manera que els principis generals són àmpliament acceptats en l’actualitat.

Algunes normes, com la norma UNE EN ISO 11399, ens ofereixen una panoràmica de les normes i els projectes relacionats amb l’ambient tèrmic.

L’estructura temàtica d’aquest conjunt de normes es pot concretar en els grups següents:

• Normes relatives a l’avaluació i estimació dels paràmetres primaris en ambients tèrmics de treball.
• Normes relatives a l’avaluació global de l’ambient tèrmic (càlids, moderats i freds).
• Normes relatives a l’avaluació de la tensió fisiològica i psicològica experimentada pel treballador.

Fins ara, per avaluar els ambients tèrmics no hi ha cap normativa específica i, per estudiar l’avaluació de riscos, s’ha de recórrer a les normes nacionals i internacionals.

Una altra breu referència figura en l’RD 1027/2007, de 20 de juliol, pel qual s’aprova el Reglament per a les instal·lacions tèrmiques en edificis (RITE). Hi podem trobar les exigències que es demanen als edificis amb les instal·lacions tèrmiques basades en la norma UNE EN 13779 (Ventilació d’edificis no residencials).

El que sí que hi ha són diferents NTP (notes tècniques de prevenció), publicades per l’INSHT (Institut Nacional de Seguretat i Higiene en el Treball), que donen les pautes de com portar a terme les avaluacions de riscos deguts a l’ambient tèrmic.

El cos humà està constantment rebent o cedint calor al medi ambient que l’envolta a través de diferents mecanismes. Els més importants (figura) són:

• L’evaporació de la suor.
• La convecció.
• La radiació.
• La conducció.
• El contacte de l’aire de la respiració.

La conducció i el contacte de l’aire de la respiració són quantitativament menors i es poden ignorar a l’hora de fer un estudi bàsic.

L’evaporació de la suor és un dels mecanismes més efectius mitjançant el qual el cos pot mantenir la seva temperatura interna dins dels valors normals, fins i tot quan es fan feines que requereixin un esforç físic important.

L’evaporació de la suor (figura) és un mecanisme d’eliminació de calor, ja que la suor, que és essencialment aigua, pren de la pell amb què estigui en contacte la calor necessària per evaporar-se (passar de líquid a vapor).

S’ha de tenir en compte que l’eliminació de calor només es produeix quan la suor s’evapora i no pel fet de suar. Per exemple, en un ambient molt humit, és possible suar molt però no evaporar-se pràcticament res; per tant, l’efecte d’eliminació de calor per sudoració queda anul·lat.

La quantitat de suor que s’evapora varia molt en funció del treball que es realitza, del tipus de vestimenta, de la velocitat de l’aire, de la humitat de l’ambient, i està limitada per la capacitat de suar de cada persona.

Les persones habituades a treballar en ambients calorosos o a fer treballs durs poden incrementar considerablement la seva capacitat de sudoració, amb la qual cosa s’obté un control més gran sobre la temperatura corporal.

Cal diferenciar dos termes relacionats amb el concepte d’humitat: la humitat relativa i la humitat absoluta.

• La humitat relativa (HR) és la relació expressada en percentatge, entre la quantitat de vapor d’aigua a l’atmosfera i la que podria contenir a la mateixa temperatura.
• La humitat absoluta (HA) és la massa total d’aigua (vapor d’aigua) per unitat de volum d’aire, s’expressa en g/m3 i és la variable ambiental que més influeix en el procés d’eliminació de calor per evaporació.

Així, la humitat absoluta és la concentració de vapor d’aigua en l’aire i no s’ha de confondre amb la humitat relativa, que és un terme meteorològic.

Com a exemple representatiu, podem dir que una persona aclimatada pot arribar a suar 1 litre per hora.

Així, per a una sudoració de 3,5 litres, si tot aquesta suor s’evapora, es produeix un intercanvi de calor de 673 W (374 W/m²) per una superfície corporal d’1,8 m² (estàndard), cosa que suposa una quantitat de 8.485 kJ.

En les activitats moderades (treballadors d’oficines, professorat, venedors, indústria lleugera, etc.), l’evaporació té menys importància i comporta aproximadament el 25% de les pèrdues de calor.

La pèrdua de la calor per evaporació es considerarà permissible o no, en funció de la comparació amb l’evaporació màxima permissible. Si bé la sudoració és un mecanisme fisiològic de prevenció, l’eficàcia de la sudoració està condicionada per les variables de l’ambient tèrmic, especialment per la humitat i la velocitat de l’aire.

La convecció és un mecanisme d’intercanvi de calor entre la pell i l’aire que està en contacte.

Si la persona té una temperatura superior a l’aire, l’aire pròxim s’escalfarà i, com que la densitat de l’aire calent és menor que la de l’aire fred, l’aire calent pujarà i ocuparà aquest espai amb nou aire fred.

La temperatura de la pell varia en funció de les necessitats de l’organisme d’evacuar calor, encara que sempre se situa en uns 35 ºC.

Quan la temperatura de l’aire és inferior a la de la pell, el mecanisme de convecció (figura) possibilita l’evacuació de calor, però si l’ambient està a una temperatura superior, es produeix un guany de calor a través de la pell.

Com que l’intercanvi es produeix pel contacte de la pell amb l’aire, en els llocs on hi ha roba, no hi ha intercanvi de calor per convecció. És la raó per la qual els treballadors de forns, per accedir a llocs amb temperatures molt elevades, utilitzen peces de roba especials que fan de barrera a la transferència de la calor entre l’ambient i la pell.

L’intercanvi de calor per radiació té lloc entre la superfície de la persona, sia la pell o el vestit, i les superfícies que l’envolten, ja que tots els cossos emeten una radiació electromagnètica que és portadora d’energia.

L’origen del fenomen de la radiació es troba en el fet que qualsevol objecte emet radiació infraroja en grans quantitats i que n’emet més com més elevada és la seva temperatura; al mateix temps, absorbeix una part de la radiació infraroja que rep d’altres objectes que l’envolten i reflecteix la resta de radiació. Aquest és el mecanisme de transport d’energia des del Sol a la Terra.

Com que tot cos sòlid està emetent constantment radiació infraroja, en una quantitat que depèn de la seva temperatura, i rep rajos infrarojos emesos pels objectes que l’envolten, el resultat net és que s’estableix un intercanvi de calor per radiació entre qualsevol cos i el seu entorn (figura).

Per poder quantificar el fenomen de la radiació es defineix la temperatura radiant mitjana, que és la temperatura mitjana dels objectes que envolten el cos, ponderada amb la superfície dels diferents objectes i amb la distància del cos.

Segons si la temperatura del cos és superior o inferior a la temperatura radiant mitjana de l’entorn, l’efecte net serà d’un guany o d’una pèrdua de la calor del cos en qüestió.

La temperatura radiant mitjana també depèn de la postura de la persona i de la seva posició en l’entorn.

En la indústria siderometal·lúrgica, la del vidre o de la ceràmica, o en qualsevol feina amb forns, on la temperatura radiant mitjana és superior a la temperatura del vestit de la persona, hi ha un guany de la calor per radiació. Per contra, en els treballs en cambres frigorífiques o a la intempèrie amb temperatures baixes tindrem, generalment, pèrdua de calor per radiació.

La conducció és l’intercanvi de calor que es dóna entre un objecte i la superfície corporal que s’hi troba en contacte. Aquests intercanvis es donen entre la pell i la roba, el calçat, els punts de pressió (seient, nanses), les eines, etc.

Així, passa calor de l’objecte cap al cos quan aquest està més calent i al contrari quan està més fred. Aquest mecanisme d’intercanvi és poc representatiu en l’estudi de les situacions higièniques per estrès tèrmic.

Normalment en l’expiració es perd calor, ja que l’aire exhalat està més calent que l’aire inhalat, i perquè hi ha diferències en el contingut del vapor d’aigua.

Es considera la temperatura de l’aire exhalat de 34 ºC. La pèrdua de la calor deguda a la respiració normalment és insignificant.

El concepte d’intercanvi tèrmic es pot analitzar com un estat de comptes, en què el saldo final ha de ser zero perquè tot vagi bé.

Per poder analitzar el balanç tèrmic cal tenir present les premisses següents:

• El cos genera calor.
• Per mantenir la temperatura interna a 37 ºC (condició indispensable per a la vida), el cos ha d’evacuar cap a l’ambient exterior la calor que genera, a la mateixa velocitat que el genera, és a dir, no pot acumular o perdre calor.
• La capacitat per evacuar la calor depèn de mecanismes fisiològics i de variables ambientals, que inclouen la vestimenta.

El balanç tèrmic nul s’expressa amb l’equació:

M = E + R + C

En què:

• M: generació de calor pel metabolisme (metabolisme basal + activitat).
• E: pèrdua de calor per evaporació.
• C: pèrdua de calor per convecció; té signe negatiu si es tracta d’un guany de calor.
• R: pèrdua de calor per radiació; és negativa si es tracta d’un guany de calor.

En la pràctica, es poden negligir els intercanvis deguts a la respiració i a la conducció, a excepció de determinades situacions de treball extrem.

Expressat d’una altra manera i considerant A com el saldo final, és:

A = M ± R ± C - E

El valor de A pot ser:

A = 0, hi ha un equilibri tèrmic. A > 0, és un guany de calor. A < 0, és una pèrdua de calor.

Per tant, qualsevol situació ambiental ha de permetre que la relació anterior es compleixi.

Si les condicions ambientals són molt extremes (per fred o calor) poden requerir un esforç excessiu per part dels mecanismes fisiològics de regulació, que es coneix amb el nom d’estrès tèrmic o estrès per fred.

Aquestes situacions comporten conseqüències perjudicials per a la salut, i per tant s’han d’evitar.

Si ens limitem als elements ambientals, es pot dir que l’intercanvi tèrmic entre l’ésser humà i el medi ambient està controlat per cinc variables ambientals:

• La temperatura de l’aire, que controla l’intercanvi per convecció.
• La humitat absoluta de l’aire, que controla l’intercanvi per evaporació.
• La velocitat de l’aire, que afecta la magnitud dels dos anteriors (convecció i evaporació).

• La temperatura radiant mitjana, que controla l’intercanvi per radiació.
• El tipus de vestit, que afecta la magnitud de tots els intercanvis.

Quan es vulgui avaluar l’agressivitat tèrmica d’un ambient serà necessari tenir en compte les cinc variables, o bé de manera directa utilitzant els valors d’aquestes variables mesurats experimentalment, o bé mitjançant l’ús de l’índex d’avaluació ambiental, en què es combinen els efectes de diferents variables o de la totalitat de les variables.

La vestimenta és força important, ja que pot modificar la interrelació entre l’organisme i el medi en formar una barrera de transició entre tots dos, que pot esmorteir o incrementar, segons el cas, els efectes tèrmics sobre la persona.

La roba fa d’apantallament protector davant la calor radiant del sol o d’un forn i, en el cas del fred, limita el contacte de la pell amb l’aire fred, formant una mena de cambra d’aire calent (escalfant el cos) entre l’aire fred i la pell, i limitant la velocitat de l’aire fred sobre la pell. D’altra banda, en ambients calorosos, el vestit pot dificultar l’evaporació de la suor.

Atesa la importància de la roba, es van definir uns valors de resistència tèrmica específica per a cada tipus de peça de roba (Icl).

Aquests valors estan tabulats (taula) i la unitat en el sistema internacional és m²·ºC/W, encara que a la pràctica es fa servir com a unitat el clo.

El clo es defineix com l’aïllament necessari per mantenir confortable una persona que dugui a terme una activitat sedentària (menys de 60 W/m²) a una temperatura de 21 ºC.

Actualment es disposa de la norma ISO 9920: 1994 (vegeu la taula), en què es valora la resistència tèrmica a l’evaporació segons el tipus de vestit.

A l’hora de fer els càlculs, s’ha de valorar cada peça de roba separadament.