Vorlesungsreihe Arbeitswissenschaft

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1 Vorlesungsreihe Klima 25. Juni 2015 Dipl.-Ing. Nikolai Glück (vertreten durch Dr. Anne-Katrin Schröder) Bild /15

2 Umgebungseinflüsse Einflüsse aus der Arbeitsumgebung können differenziert werden nach: Bild /15

3 Warum ist richtiges Klima so wichtig? Die klimatischen Arbeitsbedingungen sind von zentraler Bedeutung für das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit des Menschen bei der Arbeit. Ungünstige Klimabedingungen können zahlreiche Konsequenzen haben: Denkvermögen Aufmerksamkeit Reaktionsvermögen Arbeitsleistung Arbeitsfreude Motivation Unfallzahlen Erkrankungen Quelle: Knauth, Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion Bild /15

4 Klimaeinfluss auf die Leistungsbereitschaft des Menschen Änderung der Fehleranzahl bei Funkern Änderung der Reaktionszeit bei einem Wachsamkeitstest Bild /15

5 Begriff des Klimas Klima (in der Meteorologie) mittlerer Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Gebiet mit der für dieses Gebiet charakteristischen Witterung (Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck, Wind, Reinheit der Atmosphäre, elektrische Spannung) Klima am Arbeitsplatz (= thermische Belastung) Gesamtzustand der Umwelt des Arbeitsplatzes, der durch thermisch wirksame Klimagrößen () beschreibbar ist Bild /15

6 Inhaltsschwerpunkte und Klimabereiche Thermoregulation Beurteilung von Klimabedingungen (Klimaindices) Bild /15

7 Klima am Arbeitsplatz allgemein warm kalt schwül trocken subjektive Klimabeschreibung gefühlte Temperatur zur Beschreibung der Belastung Klimagrößen objektivieren : Lufttemperatur ( C) Luftfeuchtigkeit (z. B. als relative Feuchte in %) Luftgeschwindigkeit oder Bewegung der Luft (m/s) Wärmestrahlung (W/m²) daraus abgeleitet resultiert Klimaempfinden zusätzlich abhängig von Bekleidung Art der Tätigkeit Expositionszeit Bild /15

8 Physikalisch: Kombinationswirkungen der Änderung der Raumlufttemperatur ändert die relative Luftfeuchte Temperaturstrahlung erhöht die Raumlufttemperatur Physiologisch: Unterschiedliche Kombinationen der können gleiche Belastungen zur Folge haben. Ein schwüles Klima wird empfunden sowohl bei 37 C und 30 % Luftfeuchte als auch bei 20 C und 90 % Luftfeuchte In einem Raum wird eine Temperatur von 25 C gemessen bei 100 % Luftfeuchte und 0,1 m/s Luftgeschwindigkeit. Der gleiche Temperatureindruck entsteht bei: 28 C 100 % Luftfeuchte und 2,0 m/s Luftgeschwindigkeit 37 C 10 % Luftfeuchte und 3,0 m/s Luftgeschwindigkeit Bild /15

9 Beurteilung der Behaglichkeit der Umgebungstemperatur Menschen reagieren auf Klimabedingungen sehr sensibel! Klimazustände werden individuell sehr unterschiedlich empfunden. Individuelle Unterschiede thermischer Empfindungen. Beurteilung verschiedener Umgebungstemperaturen durch 1296 leicht bekleidete, sitzende Personen bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit, 0,1 m/s Windgeschwindigkeit und gleicher Wärmestrahlung. (Quelle: Bruder, Schlick, Luczak ) Bild /15

10 Welcher Temperaturbereich wird als angenehm empfunden? Klimabeurteilung bei Büroarbeit durch 745 normal bekleidete Personen. (Quelle: Wenzel in Hardenacke) Bild /15

11 Erkenntnis Der Bereich eines angenehmen/behaglichen Klimas ist sehr eng (im Vergleich zu den möglichen Temperaturschwankungen) individuell sehr verschieden Es ist praktisch unmöglich, für alle Mitarbeiter ein optimales Klima zu gestalten! Bild /15

12 Klimabereiche In Arbeitsprozessen werden Klimabereiche unterschieden. Ausgehend von der klimatischen Belastung sind dies: Behaglichkeitsbereich Erträglichkeitsbereich Ausführbarkeitsbereich Unerträglichkeitsbereich Bild /15

13 Klimabereiche Behaglichkeitsbereich (Indifferenzzone, thermische Neutralität) Optimaler Belastungsbereich Wärmeaustausch mit der Umgebung befindet sich im Gleichgewichtszustand (ausgeglichene Wärmebilanz) Keine umweltbedingten Leistungseinbußen Klima wird subjektiv als thermisch neutral, d. h. als behaglich empfunden (nicht zu warm; nicht zu kalt) Erträglichkeitsbereich Erhöhte Beanspruchung des Herz-Kreislauf-Systems Thermoregulation sorgt für ausgeglichene Wärmebilanz, Gleichgewichtszustand (keine Unterkühlung; keine Überhitzung): Wärmeabgabe = innere Wärmeproduktion (Muskelarbeit) + Wärmeaufnahme aus Umgebung Durch klimatische Belastung sinkt die zur Lösung von Arbeitsaufgaben verfügbare Leistung (Belastungsgrenzen werden früher erreicht) Bild /15

14 Klimabereiche Ausführbarkeitsbereich Thermische Belastung ist so hoch, dass Thermoregulation überfordert ist Kein Gleichgewichtszustand, keine ausgeglichene Wärmebilanz Arbeit kann unter gegebenen klimatischen Bedingungen nur begrenzte Zeit ausgeführt werden (z. B. Unterkühlungsgefahr) Es sind Schutzmaßnahmen erforderlich (Pausen zur Akklimatisierung, Tragen von Schutzbekleidung) Unerträglichkeitsbereich Klimabelastung auch für kürzeste Expositionszeit nicht tolerierbar, weil Gefahr von Verbrennungen, Hitzekollaps, Hitzschlag Bild /15

15 Beachte Wiederholte Störungen der Wärmebilanz führen dazu, dass der Körper es lernt, sich besser und schneller auf die Regelung der Körpertemperatur einzustellen. Akklimatisierung individuelle physiologische Anpassung eines Organismus auf ein anderes Klima Die Störung der Wärmebilanz führt dazu, dass der Körper es besser und schneller lernt die Körpertemperatur zu regeln. Typische Reaktionen: Schweißabgabe nimmt zu Herzfrequenz sinkt bei gegebener Belastung Körpertemperatur steigt nicht mehr so stark an Bild /15

17 Wärmehaushalt des Menschen Voraussetzung für die Lebens- und Leistungsfähigkeit des Menschen: Körperkerntemperatur: 36,7 C (± 0,8 C bzw. ± 1,5 C) Sonst: Gefahr Hitzschlag oder Unterkühlung Körperkerntemperatur-Zunahme > 1,5 C (Hitzschlag-Gefahr) Körperkerntemperatur-Abnahme > 2,0 C (Erfrieren; Kältezittern; Reaktionszeitverlängerung) Trotz unterschiedlicher Bedingungen muss die Körperkerntemperatur konstant gehalten werden! Bild /15

18 Wärmehaushalt des Menschen Quelle: Bruder, Schlick, Luczak ) Bild /15

19 Thermoregulation Erforderlich ist die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen: Wärmebildung im Körper Wärmezufuhr aus der Umgebung Wärmeabgabe an die Umgebung Es ist ständig eine ausgeglichene Wärmebilanz zu gewährleisten! (steady state) Das erfolgt durch biologische Regelungsvorgänge (= Thermoregulation). Quelle: Prescher, Lohmann Bild /15

20 Thermoregulation Thermoregulation = Ausgleich von Temperaturunterschieden Vorgänge bzw. Reaktionen der Thermoregulation sind: Wärmespeicherung im Körper Wärmeleitung (Gegenstände) Wärmekonvektion (Luft) Wärmestrahlung Wasserverdunstung (Schweißverdampfung) Bild /15

21 Thermoregulation Wärmebilanz des menschlichen Körpers Bild /15

22 Thermoregulation Maßnahmen zum Ausgleich von Temperaturunterschieden Außen kalt Außen warm Verringerung der Hautdurchblutung (Verengung der Blutgefäße) Kältezittern (Muskelzittern zur Wärmeerzeugung) Vergrößerung der Hautdurchblutung (Steigerung der Herzfrequenz) Wärmestrahlung durch Anstieg der Hauttemperatur Schweißabsonderung (Wärmeentzug durch Verdunstung) langzeitig (> 3 Wochen) auch durch Akklimatisierung Bild /15

24 Beurteilung von Klimabedingungen Ausgangspunkt für die Klimabeurteilung sind die (thermische Einflussgrößen) und deren Messmöglichkeiten: Lufttemperatur Luftgeschwindigkeit Luftfeuchtigkeit Wärmestrahlung Thermometer Anemometer Hygrometer Globethermometer, Schwarzkugelthermometer Bild /15

25 Beurteilung von Klimabedingungen Klima-Einzeldaten beeinflussen das Klimaempfinden des Menschen in unterschiedlichen Kombinationen z. B. wirkt Temperatur ohne Wind wärmer als bei leichter Brise (Sonnenbrandgefahr bei Arbeiten im Freien mit Wind) schwierige Anwendung der Einzeldaten für betriebliche Praxis (verschiedene Kombinationen der Grundgrößen führen zu gleichem Klimaempfinden) Entwicklung einer Maßzahl, die der thermischen Wahrnehmung des Menschen entspricht so genannte Klimasummenmaße (Klimaindices) Bild /15

26 Beurteilung von Klimabedingungen Bild /15

27 Effektivtemperaturen Das Prinzip der Effektivtemperatur beruht darauf, dass verschiedene Kombinationen der drei Parameter (Lufttemperatur, Feuchttemperatur, Luftgeschwindigkeit) beim Menschen ein gleiches subjektives Klimaempfinden bewirken. In der betrieblichen Praxis hat sich die Effektivtemperatur als wichtiges Klimasummenmaß etabliert. - Lufttemperatur subjektives Empfinden bei Parameter - Luftfeuchte unterschiedlicher Kombination der Faktoren - Luftgeschwindigkeit Entwicklung der Effektivtemperaturen: Zwei Räume mit unterschiedlichen Kombinationen der Grunddaten Personen vergleichen den Klimaeindruck in beiden Räumen (subjektives Empfinden) Bild /15

28 Effektivtemperaturen Normaleffektivtemperatur (NET) empfindungsbezogene Modellierung Personen empfinden die gefühlte Temperatur als gleich (Effektivtemperatur)! Bild /15

29 Modifikationen der Effektivtemperaturen Basiseffektivtemperatur Normaleffektivtemperatur Korrigierte Normaleffektivtemperatur (Globetemperatur) Personen mit unbekleidetem Oberkörper Personen mit üblicher Straßenkleidung berücksichtigt neben den 3 Parametern zusätzlich die Strahlungstemperatur Ermittlung der Normaleffektivtemperatur (NET) aus wissenschaftlichen Untersuchungen sind Nomogramme abgeleitet worden, mit deren Hilfe man die NET ermitteln kann z. B. Trockentemperatur 25 C (Lufttemperatur) Feuchttemperatur 20 C Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s NET = 22 C Bild /15

30 Nomogramm für Normaleffektivtemperaturen (NET nach Yaglou, 1927) Beispiel Lufttemperatur 30 C Feuchttemperatur 20 C Luftgeschwindigkeit 2,0 m/s 23,2 C Bild /15

31 Feuchttemperatur Die Feuchttemperatur kann als Ersatz-/Alternativparameter für die Luftfeuchtigkeit verwendet werden. Luftfeuchtigkeit = 100% Luftfeuchtigkeit < 100% Trockentemperatur = Feuchttemperatur Differenz zwischen Trocken- und Feuchttemperatur Differenz der Trocken- und Feuchttemperatur ist Maß für Luftfeuchtigkeit Messung mit Assmann-Aspirationspsychrometer Bild /15

32 Aspirationspsychrometer (nach Assmann) Thermometer (1) zeigt strahlungsgeschützt die Lufttemperatur an. Der Messfühler des Thermometer (2) besitzt einen textilen Überzug (3), der mit destilliertem Wasser befeuchtet wird. Eine Turbine (4) erzeugt eine definierte Luftströmung um beide Messgeber. Da die vom Überzug verdunstete Wärmemenge von der Temperatur der angesaugten Luft, ihrer Strömungsgeschwindigkeit und der relativen Luftfeuchtigkeit abhängt und die Strömungsgeschwindigkeit konstant ist, kann man aus der sogenannten psychrometrischen Differenz (Differenz zwischen Feuchtluft- und Trockenlufttemperatur) die relative Luftfeuchtigkeit ableiten. (1) (2) (3) (4) Bild /15

33 Psychrometrie = Thermodynamik der feuchten Luft e = Dampfdruck des Wasserdampfes [hpa] (nach Smithsonian Meteorological Tables, 1984) e(t) = e(t w ) ( T w ) p T-T w T = Temperatur [ C] e(t w ) = Sättigungsdampfdruck bei T w [Pa] T w = Feuchttemperatur [ C] p = Druck [Pa] R = e / E = relative Feuchte E = Sättigungsdampfdruck bei T [hpa] Berechnung der Feuchttemperatur (grobe Näherung für p = hpa) (nach R. Stull, J. Appl. Meteor. and Clim., 2011) T w = T atan[ (r ) 1/2 ] + atan(t + R) - atan(r ) R 3/2 atan( R) (T in C und R in %) Bild /15

34 30 Beispiel 20 Lufttemperatur 30 C Luftfeuchtigkeit 40 % 40 Bild /15

35 Empfohlene Klimawerte (empfohlene maximale Einzelwerte) (nach Schulte) Bild /15

36 Beurteilung klimatischer Bedingungen Empfohlene Grenzwerte der für Behaglichkeitsbereich DIN / DIN 1946 z. B. Trockentemperatur C Luftgeschwindigkeit bis 0,5 m/s relative Luftfeuchtigkeit 25 bis 65 % bei Beanspruchung unterhalb Dauerleistungsgrenze (DLG) Dabei sind spezifische Faktoren zu beachten, z. B. die Abhängigkeit der zulässigen Raumlufttemperatur von der Außentemperatur (Grundlage gleiche Bekleidung für Innen/Außen clo-faktor konstant) Bild /15

37 Klimabelastungen Zulässigkeitsbereich der Raumlufttemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur Quelle: DIN 1946 Bild /15

38 Klimabelastungen Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der klimatischen Belastung Quelle: Brouha in Hettinger Bild /15

39 Richtwerte der Normaleffektivtemperaturen [ C] (langzeitgewöhnt) = 6 KJ/min = 12 KJ/min = 18 KJ/min 34 (kurzzeitgewöhnt) (nicht gewöhnt) Daten für bekleideten Menschen (aus BG-Grundsatz 30 Hitzearbeit) Bild /15

40 Kältearbeit - Kühlhäuser - Lebensmittelherstellung bis -25 C Arbeit im Freien Straßenbau Schiffbau Forstarbeit Beanspruchung durch Luftgeschwindigkeiten schon bei -10 C und hoher Luftgeschwindigkeit Gefährdung für unbedeckte Körperteile Bild /15

41 Kältearbeit Beeinträchtigungen: - Durchblutungsverringerung der Hände und Füße - Kälteempfinden - Verringerung der Finger- und Körpergeschicklichkeit - Verringerung der Reaktionsfähigkeit keine so detaillierte Expositionszeitanalysen wie bei Hitzearbeit ab 10 C ab 12 C ab 34 C ab 56 C Orientierungswerte mit Polarbekleidung (Quelle: Kompendium der S. 329) Zeiteinschränkungen notwendig (bei Luftgeschwindigkeit schon früher) Aufenthalt max. 6 Stunden Aufenthalt max. 2 Stunden (Kühlhäuser) Aufenthalt max. 0,4 Stunden Bild /15

42 (Quelle: Bruder, Schlick, Luczak ) Thermischer Isolationswert Es kann in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und dem Gesamtenergieumsatz der notwendige thermische Isolationswert bestimmt werden. Der Isolationswert für die Bekleidung wird in der Pseudoeinheit clo (clothing) beschrieben. Folgender Zusammenhang gilt: 1 clo = 0,043 C m² h/kj Bild /15

43 Bekleidungsisolation Erforderliche Bekleidungsisolation in Abhängigkeit von Energieumsatz und Umgebungstemperatur Beispiel Gesamtenergieumsatz 15 KJ/min Temperatur 10 C 1,8 Quelle: Kompendium der S Bild /15

44 Beurteilung von Klimabedingungen 1. abhängig von Klimaindices (gefühlte Temperatur) von den konkreten Einzelwerten z. B. NET = 20 T F = 15 T r = 30 V L = 7,5 m/s Luftzug Erkältungsgefahr 2. abhängig von Arbeitsaufgaben - ohne körperliche Beanspruchung - mit körperlicher Beanspruchung 3. abhängig von der Bekleidung (Isolationswerte) clo-faktoren Maß für thermische Isolation Bild /15

45 Klimagestaltung Herstellen eines solchen behaglichen Klimas, das leistungs-, gesundheits- und befindensförderlich wirkt. Dazu wird versucht, durch technische, organisatorische und personenbezogene Maßnahmen dafür zu sorgen, dass Ursachen für unzulässige Klimabedingungen beseitigt, ungünstige Wirkungen des Klimas auf den Menschen verhindert oder abgeschwächt werden. Bild /15

46 Seminaraspekte / Fragestellungen 1.) Nennen Sie die! 2.) Was sind Klimasummenwerte und welcher Zusammenhang wird in einem NET-Nomogramm nach Yaglou dargestellt? 3.) Was versteht man unter klimatischem Ausführbarkeitsbereich und welche Konsequenz hat dies für die Arbeitsgestaltung unter diesen Bedingungen? Bild /15

47 Seminaraspekte / Aufgaben 4.) Ermitteln Sie nach Yaglou die Normaleffektivtemperatur (NET) für folgende Kombinationen der : Trockentemperatur 30 C Luftfeuchtigkeit 70 % Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s Bild /15

48 Nomogramm für Normaleffektivtemperaturen (NET nach Yaglou) Beispiel Lufttemperatur 30 C Luftfeuchtigkeit 70 % Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s Bild /15

49 30 25 Beispiel Lufttemperatur 30 C Luftfeuchtigkeit 70 % 70 Bild /15

50 Nomogramm für Normaleffektivtemperaturen (NET nach Yaglou) Beispiel Lufttemperatur 30 C Luftfeuchtigkeit 70 % Feuchttemperatur 25 C Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s 26,5 C Bild /15

51 5.) Ermitteln Sie nach Yaglou die Normaleffektivtemperatur (NET) für folgende Kombinationen der : Lufttemperatur 25 C relative Luftfeuchtigkeit 50 % Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s Bild /15

52 25 Beispiel Lufttemperatur 25 C Luftfeuchtigkeit 50 % Bild /15

53 Nomogramm für Normaleffektivtemperaturen (NET nach Yaglou) 21,2 C Beispiel Lufttemperatur 25 C Luftfeuchtigkeit 50 % Feuchttemperatur 18 C Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s Bild /15

54 6.) Beurteilung klimatischer Bedingungen Empfohlene Grenzwerte der für Behaglichkeitsbereich DIN / DIN 1946 z.b. Trockentemperatur C Luftgeschwindigkeit bis 0,5 m/s relative Luftfeuchtigkeit 25 bis 65 % bei Beanspruchung unterhalb DLG Behaglichkeitsbereich auf Basis NET? Bild /15

55 Behaglichkeitsbereich auf Basis NET abgeleiteter Luffeuchtigkeitsbereich (Feuchttemperaturbereich) Bild /15

56 Nomogramm für Normaleffektivtemperaturen (NET nach Yaglou) Beispiel Lufttemperatur C Luftfeuchtigkeit % Feuchttemperatur 7-23 C Luftgeschwindigkeit 0,5 m/s Behaglichkeitsbereich nach DIN / C - 25 C NET 7 Bild /15