Principaux thèmes abordés en PHR 103

• Les risques thermiques • Les risques vibratoires • Le bruit • Les rayonnements électromagnétiques• Les risques électriques• La directive de compatibilité électromagnétique (CEM)• Les rayonnements ionisants • La pression • Les équipements de travail 

Evaluation d’une ambiance thermique de travail

Prévention des risques thermiques

N. Fourati_EnnouriPHR 103

Effets des ambiances thermiques

Ils  ne  s’exercent  pas  uniquement  au  niveau 

psychosensoriel  comme  la  plupart  des  autres  agents 

physiques (bruit, éclairage, ..)

Ils  influencent  directement  les  mouvements  d’énergie 

de l’organisme et le niveau des températures corporelles

dont  le maintient à une température presque constante 

est  indispensable  à l’intégrité fonctionnelle  de 

l’organisme humain

3

L’homme est un homéotherme :Température centrale (du noyau) maintenue constanteaux environs de 37 °C ∀ les variations de T extérieures

L’équilibre est obtenu au prix d’une thermorégulation :Équilibre entre production de chaleur(thermogenèse)

et perte de chaleur (thermolyse)

Bilan énergétique global = chaleur produite + chaleur perdue

Équilibre bilan énergétique nul

4

Thermorégulation

Rappels de thermodynamique (1/2)

5

Échange de chaleur

Proportionnelle

Rappel de thermodynamique : le changement d’état (2/2)

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La chaleur Q sert à faire fondre la glace et non à faire augmenter la température : Q ≠ 0 et ΔT = 0

Q M LL chaleur latente

= ×=

Exercice d’application n°1

7

On possède M ≈ 1kg de glace dans une enceinte calorifugée.

Cette glace est à -10°C.

1) Quelle est la chaleur totale Qtot à apporter pour changer cette glace en eau à 20°C ?

2) On veut obtenir de la vapeur à 150°C sous la pression atmosphérique (1 bar), quelle

chaleur supplémentaire doit – on fournir ?

3) Combien de temps cela prendrait-il pour réaliser les 2 transformations précédentes si

l'on disposait d'un dispositif de chauffage de 1 kW de puissance ?

4) Combien de temps aurait pris la simple transformation réalisée en 1 ?

5) Que pouvez-vous conclure sur la puissance des machines industrielles devant réaliser

quotidiennement de telles transformations ?

Thermolyse (perte de chaleur)

Conduction

Convection

Rayonnement

Evaporation

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4 mécanismes de thermolyse :

Contact d'une partie du corps avec des surfaces solides :• sol, sièges et bureaux et divers objets manipulées avec les mains.• matériaux intermédiaires : chaussures, vêtements serrés, gants...

( )1 2= ×ΔΦ − =T T Teeλλ

: densité de flux de chaleur par conduction [W.m-2]: conductance (ou conductivité) thermique [W.m-1.K-1]: différence de température entre les deux faces [K]

e : épaisseur de la paroi, du matériau, … [m]

Φλ

1 2T T−

Densité de flux de chaleur par conduction : Φ

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Manifestations des pertes par conduction ?

Le flux de chaleur F [W] Δ Δ Δ⎛ ⎞= =Φ× = ×Δ × = × = ×⎜ ⎟Δ ⎛ ⎞⎝ ⎠

⎜ ⎟⎝ ⎠

R

Q T TF T S S Set

Se Rλ

λ

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Le facteur R ou la valeur R : représente la résistance thermique des matériaux. C’est « la » puissance de l’isolant : plus R est élevée, plus l’isolant est efficace en ne laissant pas pénétrer la chaleur et le froid.

Milieux complexes (ex : corps humain)

e1 e2 e3 e4

λ1 λ2 λ3 λ4

=∑ ii

R R

Remarque : Comme chez l’homme, au cours de ses activités professionnelles, les surfaces corporelles en contact avec les solides autre que les vêtements sont très réduites, il est souvent possible de négliger le flux de chaleur échangé par conduction dans l’évaluation du bilan thermique

Densité de flux de chaleur par convection : C

( )( )/ skc c D aC h A A T T= −

C : densité de flux de chaleur par convection [W.m-2]

Ac /AD : surface participant aux échanges / surface corporelle totale

hc : coefficient de convection [W.m-2.K-1]

Ta : température sèche de l’air [K]

: température cutanée moyenne [K]skT 11

Par contact entre la peau et l’air ambiant, une fraction de l’air ambiant prend la température de la peau par convection thermique, change de densité, s’éloigne de la peau, et de ce fait , est renouvelée par d’autres fractions d’air.

Le coefficient de convection hc

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Lié au taux de renouvellement de l’air

Tient compte de :

la différence de température entre les molécules d’air et la surface

cutanée;

la vitesse de l’air qui vient projeter les molécules d’air sur la

surface cutanée

Deux coefficient de convection:

le premier convection naturelle (fonction de la température)

le second convection Forcée (fonction de la vitesse du vent)

0,252,38 skc ah T T= −

1

0,6 1

3,5 5, 2 1 .

8,7 1 .c a a

c a a

h V si V m s

h V si V m s

−

−

= + × <

= × >

Convection forcée :

Convection naturelle :

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1) Il faut calculer à chaque fois les deux coefficients.

2) On considère le coefficient le plus élevé comme déterminant

dans les échanges de chaleur par convection.

Calcul de la valeur du coefficient de convection hc

R : Densité de flux de chaleur par rayonnement [W.m-2]

ε : Pouvoir émissif (sans dimension)

σ : Constante universelle de rayonnement [W.m-2.K-4]

: Température moyenne de rayonnement de l’environnement

: Température moyenne de la peau [K]

Ar/AD : Fraction de peau participant aux échanges par rayonnement

Densité de flux de chaleur par rayonnement : R

( ) ( )4 4= −r D r skR A A T Tε σ

rT

Echanges de chaleurs, par rayonnement, s’effectuant entre l’homme et son environnement :

SKT

14

15

( )( )/ skc c D aC h A A T T= −

Analogie convection - rayonnement

Convection

Rayonnement

( ) ( )4 4

×

= −r r D r skR h A A T Tε σ

Tr : température de rayonnement

L’évaporation : un changement de phase

Evaporation = Transformation de la sueur en vapeur

Changement de « phase » Perte de chaleur pour le corps

Chez l’homme : Evaporation

Appareil Respiratoire La peau

- Ambiance neutre à chaude : 5 W. m-2

- Ambiance très froide (Ta < -20°C) : 30 W. m-2- Eau secrétée par les glandes sudoripares- Eau diffusant à travers les couches superficielles

[ ]12501 2 65T TL , T L kJ .kg et T C−⎡ ⎤= − × °⎣ ⎦

Densité de flux de chaleur par évaporation : E

/e DA A

aP

skP

E : densité de flux de chaleur par évaporation [W.m-2]

: fraction de surface corporelle participant aux échanges

(somme des surfaces mouillées / surface corporelle totale)

he : coefficient d’évaporation [W.m-2.kPa-1]

: pression de vapeur d’eau ambiante [kPa]

: pression saturante de vapeur d’eau cutanée [kPa]

( ) ( )e e D a skE h A A P P= × × −

17

Pourquoi la pression dans le calcul de E ?

Plus l’atmosphère est humide, plus l’évaporation est réduite

Elle devient même nulle si l’air est saturée en vapeur d’eau.

La chaleur est donc difficilement supportable en atmosphère humide

et il faut absolument prévoir une ventilation des locaux

Principale cause du ralentissement de l’évaporation : le port d’habits

mal adaptés.

La Sudation

Activité Consommation d'oxygèmeRejet respiratoire

Anhydride carbonique Vapeur d'eau

Repos assis 15 litres/heure 17 litres/heure 35 g/ heure

Travail modéré 30 litres/heure 45 litres/heure 60 g/heure

Taux moyens de consommation et rejet respiratoire

SudationJusqu’à 16°C, au repos : 0 g/heureÀ 33°C, au repos : 50 à 150 g/heureÀ 28°C, travail musculaire normal : 200 g/heure

L’OMS a fixé la perte sudorale max à 400 g/heure au repos et 700 g/heure en situation de travailAu-delà, il faut climatiser les locaux 19

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Exercice d’application n°2A quel taux (g/h quantité de sueur / unité de temps) doit-

on transpirer pour débarrasser le corps de 75 W de

puissance thermique ( Energie = Chaleur / temps)?

On suppose que la température de la peau est à 33°C.

Conclure.

Bilan thermique à l’équilibre 

B = H + Φ + C + R + E = 0

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Grandeurs 

Ta Tr Va

Pa (Humiditéabsolue de 

l'air)M (métabolisme)

W (Travail extérieur utile)

I clo(Isolement 

vestimentaire)Production de la chaleur interne x x

Echanges de chaleur par Rayonnment

x x

Echanges de chaleur par Convection

x x xPertes de chaleur par évaporation :

‐ Evap cutanée x x x

‐ Evap respiratoire x x

H = Flux de chaleur métabolique [W/m²]

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Evaluation des ambiances thermiques

La sensation de confort thermique dépend de :Plusieurs influences ambiantes :

Température sèche de l’airTempérature moyenne de rayonnementVitesse de circulation de l’airHumidité ambiante

Et de l’individu :ActivitéIsolation vestimentaire

Le confort thermique n’est pas un critère rigoureuxCréation d’échelles de variation de la sensation thermique

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Notion de confort thermique

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Evaluation des ambiances thermiques 1) Quel environnement ? 2) Quelle méthode

Ambiance thermique 

Environnement froid Environnement neutre Environnement chaud

Méthode Globale

WCI : Wind Chill Index/

WGBT : Wet Bulb Globe Temperature Index

(Indice de refroidissement par le vent)

(Indice global de contrainte thermique chaude)

Méthode Analytique

IREQRequired clothing insulation 

index

PMV‐PPD(Predicted Mean Vote Index‐

Percentage of Persons Dissatisfied)SWREQ

(Sweat Rate Required)

(Indice d'isolement vestimentaire requis)

(Vote moyen prévisible) (Indice de sudation requise)

Critères pour le choix d’un Indice :Possibilité d’utilisation en milieu réelValidité intrinsèque de l’indice

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IREQ : indice d’isolement vestimentaireWGBT : indice global de contrainte thermique chaudeSWREQ : indice de sudation requise

3 ambiances selon la valeur de la température sèche de l’air (ta)- Froide : pour ta < 15°C- Neutre : pour 15°C < ta < 25°C- Chaude : pour ta > 25°C

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Ambiance neutre : détermination de l’indice PMV à partir de la norme ISO 7730 (en annexe)

-0,5 < PMV < + 0,5 - 10% d’insatisfaits : zone de confort

1. Déterminer la valeur de production d’énergie métabolique M

(à chaque situation correspond une valeur correspondante de M)

2. Se placer dans le tableau correspondant en tenant compte:

a) L’ indice d’isolement vestimentaire

b) La température

c) La vitesse du vente

3. Reporter la valeur trouvée sur l’abaque

WGBT = une estimation de la contrainte thermique par évaluation

de l’effet moyen de la chaleur sur l’homme

A l’intérieur des bâtiments :

WBGT = 0,7 Thn + 0,3 Tg

A l’extérieur des bâtiments avec charge solaire :

WBGT = 0,7 Thn + 0,2 Tg + 0,1 Ta

Thn = Température humide naturelle (fonction de la teneur en eau de l’air, elle

permet de déterminer le taux d’humidité)

Tg = Température du globe noir

Ta = Température sèche de l’air

Indice global de contrainte thermique chaude WGBT

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28

Exercice d’application n°3 : Description des postes de travail à étudier d’un point de vue "Ambiance thermique"

Poste A : Etudiant suivant un coursIsolement vestimentaire : 1.01 Clo.Grandeurs climatiques : température sèche : 22°C ( ambiance neutre Indice PMV – PPV) ; température humide : 20°C ; température de rayonnement : 22,5°C ; vitesse du vent : 0 m/sPoste B : Etudiant en Laboratoire de TP, deboutIsolement vestimentaire : 1.47 Clo.Grandeurs climatiques : température sèche : 18°C ( ambiance neutre Indice PMV – PPV); température humide : 16°C ; température de rayonnement : 19°C ; vitesse du vent : 0 m/sPoste C : Travail sur machine à l’intérieur d’un bâtimentIsolement vestimentaire : 0.74 Clo.Grandeurs climatiques : température sèche : 31.5°C ( ambiance neutre WGBT); température humide : 23°C ; température de rayonnement : 32°C ; vitesse du vent : 1 m/s

Mesure de la température

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Moyens de mesure de la température de l’air

Différents types de thermomètres

Thermomètres à dilatation de liquides (alcool)

Thermomètres à dilatation de solides  (bilame)

Thermistances

Thermocouples.

∀ le  type  de  capteur  utilisé,  celui‐ci  ne  peut  mesurer  que  la température  à laquelle  il  se  trouve  lui‐même  Elle  devrait  être 

égale à celle de l'air que l'on veut mesurer. 

Principales causes d'écart de température entre un capteur et l'air :

L’ inertie thermique 

Echanges  de  chaleur  par  rayonnement  avec  l'environnement et  par 

conduction avec le support.30

Comment minimiser les écarts de températures??

1. Prise  en  compte  de  l'inertie  thermique :  ne  pas  effectuer  de 

mesure avant que ne  se  soit écoulé un  temps d'environ 5  fois  la 

constante de temps de la sonde. 

2. Réduction de l’influence du rayonnement : 

Interposition d'un écran entre le capteur et l'environnement 

Augmentation de  la vitesse de  l'air  favorisant  les échanges de 

chaleur par convection. 

31

Remarque : Certains dispositifs utilisent simultanément ces différents

modes de protection et conduisent ainsi à de faibles erreurs de mesure.

Mesure de la température de rayonnement

32

Mesure de la température moyenne de rayonnement (Tr)

Mesurée  à l’aide  un  globe  noir  qui  tend  à s'échauffer  sous 

l'influence  des  rayonnements  issus  des  différentes  sources  de 

chaleur  de  l'enceinte  et  à se  refroidir  sous  l'influence  des 

échanges par convection avec l'air (ou  inversement).

La  température de globe  tend donc vers un équilibre  lorsque  les 

échanges par convection et par rayonnement s'identifient

33

Précautions à prendre pour la mesure de (Tr)

Le  temps  de  réponse  du  globe  ≈ 20  à 30  minutes  selon  les 

caractéristiques du globe et selon les conditions ambiantes 

il  ne  peut  pas  être  utilisé pour  déterminer  la  Tr d'ambiances 

rapidement variables

L'émissivité du  globe noir doit être maintenue  aussi proche que 

possible de 1 par l'application régulière d'une peinture adéquate.

Du  fait  de  la  forme  sphérique  du  globe,  les  effets  d'un 

rayonnement  latéral  peuvent  être  sous‐évalués  pour  un  sujet 

debout  Un  cylindre  homothétique  à l'homme,  ou mieux  une 

ellipsoïde seraient plus adéquats.34

Mesure de la vitesse de l’air

35

Les anémomètres directionnels

Ils mesurent la vitesse de l'air dans l’un des 3 axes de l'espace

il convient de faire 3 mesures selon les axes perpendiculaires 

et d'en déduire la vitesse efficace de l'air :  

Exemples :  

anémomètres à fils chauds

anémomètres à moulinet, 

anémomètres à coupelles. 

36

2 2 2x y zV V V V= + +

Les anémomètres à sonde multidirectionnelle 

Une seule mesure est suffisante 

Mesure  Va est  fondée  sur  la  mesure  du  transfert  de 

chaleur  entre  un  élément  chaud  (exemple  :  boule 

chaude) et l'air ambiant

37

( )c a c aP h T T Vη= −

-2

-2 -1c

c

a-

a

P = puissance de chauffage reçue par l'élément (W. m )h = coefficient de convection de l'élément (W. m .K )T = température de l'élément (K)T = température de l'air (K)

V = vitesse de l'air (m.s 1)

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩

Calcul de la température effective corrigée

38

1. Joindre Tsèche avec THumide

2. Trouver  l’intersection  avec  les 

courbes de vitesse du vent

3. Reporter  la valeur  trouvée sur 

l’isotherme  de  température 

effective corrigée

Exemple :

Tair sec = 28°C

Tair Humide = 25°c

Vair = 0.25 m.s‐1

Teffective = 25°C

Exercice d’application n°4

39

0.252433C0.753032B

12834A

Vitesse de l’air[m/s]

Température humide de l’air [°C]

Température sèche de l’air

[°C]

Ambiance thermique