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1 Inconfort et contraintes thermiques Travail en ambiance chaude. I) Les normes en vigueur. Pour ce qui est de la caractérisation du climat, objet principal de ce cours, les appareils et méthodes de mesure des paramètres physiques de l’environnement font l’objet de la norme Iso 7726 et des normes Afnor NF X35-201, NF X35- 202 et NF X 35-203. Ces normes décrivent les différents types de capteurs à utiliser, spécifient leur gamme de mesure et leur précision et recommandent certaines procédures de mesure. Toutefois, on trouvera aussi d’autres normes pour les sujets suivants : Ergonomie des ambiances thermiques – Vocabulaire et symboles NF EN ISO 13731 / X35-211 / 2001 Ergonomie des ambiances thermiques - Principes et application des normes internationales pertinentes NF EN ISO 11399 / X35-208 / 2001 Ergonomie des ambiances thermiques – Surveillance médicale des personnes exposées à la chaleur ou au froid extrêmes NF EN ISO 12894 / X35-210 / 2001 Ergonomie des ambiances thermiques – Application des normes internationales aux personnes ayant des exigences particulières XP ISO / TS 14415 / X35-213 / 2005 Ergonomie de l’environnement thermique – Stratégie d’évaluation du risque pour la prévention de la contrainte ou de l’inconfort dans des conditions de travail thermiques EN ISO 15265 / X35-216 / 2004 Ambiances thermique - Appareils et méthodes de mesures des grandeurs physiques NF EN ISO 7726 / X35-202 / 2002 Évaluation de l'astreinte thermique par mesures physiologiques. NF EN ISO 9886 / X35-207 / 2004 Ergonomie des ambiances thermiques - Détermination de l'isolement thermique et de la résistance à l'évaporation d'une tenue vestimentaire de l'isolement NF EN ISO 9920 / X35-206 / 2003 Ambiances chaudes - Estimation de la contrainte thermique de l'homme au travail basée sur l’indice WBGT NF EN 27243 / X35-201 / 1994 Ambiances chaudes - Détermination analytique et interprétation de la contrainte thermique fondées sur le calcul de la sudation requise NF EN 12515 / X35-204 / 1997 Ergonomie - Détermination de la production de chaleur métabolique NF EN ISO 8996 / X35-205 / 2005

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Inconfort et contraintes thermiques

Travail en ambiance chaude. I) Les normes en vigueur. Pour ce qui est de la caractérisation du climat, objet principal de ce cours, les appareils et méthodes de mesure des paramètres physiques de l’environnement font l’objet de la norme Iso 7726 et des normes Afnor NF X35-201, NF X35-202 et NF X 35-203. Ces normes décrivent les différents types de capteurs à utiliser, spécifient leur gamme de mesure et leur précision et recommandent certaines procédures de mesure. Toutefois, on trouvera aussi d’autres normes pour les sujets suivants : Ergonomie des ambiances thermiques – Vocabulaire et symboles NF EN ISO 13731 / X35-211

/ 2001 Ergonomie des ambiances thermiques - Principes et application des normes internationales pertinentes

NF EN ISO 11399 / X35-208 / 2001

Ergonomie des ambiances thermiques – Surveillance médicale des personnes exposées à la chaleur ou au froid extrêmes

NF EN ISO 12894 / X35-210 / 2001

Ergonomie des ambiances thermiques – Application des normes internationales aux personnes ayant des exigences particulières

XP ISO / TS 14415 / X35-213 / 2005

Ergonomie de l’environnement thermique – Stratégie d’évaluation du risque pour la prévention de la contrainte ou de l’inconfort dans des conditions de travail thermiques

EN ISO 15265 / X35-216 / 2004

Ambiances thermique - Appareils et méthodes de mesures des grandeurs physiques

NF EN ISO 7726 / X35-202 / 2002

Évaluation de l'astreinte thermique par mesures physiologiques. NF EN ISO 9886 / X35-207 / 2004

Ergonomie des ambiances thermiques - Détermination de l'isolement thermique et de la résistance à l'évaporation d'une tenue vestimentaire de l'isolement

NF EN ISO 9920 / X35-206 / 2003

Ambiances chaudes - Estimation de la contrainte thermique de l'homme au travail basée sur l’indice WBGT

NF EN 27243 / X35-201 / 1994

Ambiances chaudes - Détermination analytique et interprétation de la contrainte thermique fondées sur le calcul de la sudation requise

NF EN 12515 / X35-204 / 1997

Ergonomie - Détermination de la production de chaleur métabolique

NF EN ISO 8996 / X35-205 / 2005

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Évaluation de l'astreinte thermique par mesures physiologiques NF ISO 9886 / X35-207 / 1993

Ambiances thermiques modérées - Détermination des indices PMV et PPD et spécifications des conditions de confort thermique

NF EN IS0 7730 / X35-203 / 2006

Ergonomie des ambiances thermiques - Évaluation de l'influence des ambiances thermiques à l'aide d'échelles de jugements subjectifs

NF EN IS0 10551 / X35-209 / 2001

Évaluation des ambiances froides – Détermination de l’isolement vestimentaire requis (IREQ)

NF EN ISO 11079 / X35-215 / 2006

Ergonomie des ambiances thermiques – Pratique de travail dans les environnements intérieurs froids

prEN ISO 15743 / 2003

Sécurité des machines - Températures des surfaces tangibles- Données ergonomiques pour la fixation de températures limites des surfaces chaudes

NF EN 563 / X35-111 / 2005

Ergonomie des environnements thermiques - Températures des surfaces tangibles chaudes – Lignes directrices pour la fixation de valeurs limites de température de surface dans les normes de produit à l’aide de l’EN 563

NF EN 13202 / X35-113 / 2000

Ergonomie des ambiances thermiques – Contact humain avec des surfaces chaudes

NF EN ISO 13732-1 / X35-112-1 / 2006

Ergonomie des ambiances thermiques – Contact humain avec des surfaces à température modérée

NF EN ISO 13732-2 / X35-112-2 / 2007

Ergonomie des ambiances thermiques – Contact humain avec des surfaces froides – Données ergonomiques et guide d’application

NF EN ISO 13732-3 / X35-112-3 / 2006

Ambiance thermique dans les véhicules. Principes et méthodes d’évaluation de la contrainte thermique

prEN ISO 14505-1 / 2002

Ambiance thermique dans les véhicules. Détermination de la température équivalente

NF EN ISO 14505-2 / X35-114-2 / 2007

Ambiance thermique dans les véhicules. Évaluation du confort thermique en ayant recours à des sujets humains

NF EN ISO 14505-3 / X35-114-3 / 2007

II) La caractérisation du climat 1) La température de l’air : La température de l’air (ta en °C ou Ta en °K) intervient dans les échanges de chaleur par convection. Il s’agit de mesurer la température, abstraction faite de tout rayonnement thermique. Les principales erreurs de mesure sont dues :

a) à l’inertie des capteurs : leur réponse à une variation de température n’est pas instantanée ;

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b) aux échanges par rayonnement : différents types de thermomètres peuvent être utilisés. Les thermomètres à dilatation de liquide (mercure, alcool, etc.) ou de solide (bilames) sont les plus courants. Leur temps de réponse est relativement long (8 à 10 minutes). Les thermomètres à thermistance ont un temps de réponse court (5 secondes à 1 minute), mais ils doivent être souvent ré-étalonnés. Pour protéger le capteur du rayonnement, il est bon de l’inclure dans un tube d’aluminium brillant, ouvert aux extrémités (Ø 3 cm, long. 15 cm). Cet écran limite la ventilation et augmente donc le temps de réponse.

2) La pression partielle de vapeur d’eau :

L’humidité de l’air intervient dans les échanges de chaleur par évaporation dans les voies respiratoires et à la surface de la peau.

a) La température de rosée : c’est la température à laquelle il faut refroidir l’air pour l’amener à saturation en humidité (tdp, °C). b) L’humidité absolue de l’air : c’est la quantité d’eau sous forme de vapeur présente dans l’air par kg d’air sec (Wa, g/kg air sec). c) La pression partielle de vapeur d ‘eau : c’est la pression qu’exercerait la vapeur d’eau si elle occupait seule le volume occupé par l’air humide (Pa, kPa) avec :

Wa = 622 Pa / (P – Pa) (P= pression atmosphérique)

d) L’humidité relative (Hr) est 100 fois le rapport entre la pression de vapeur d’eau constante et la pression de vapeur saturante à la même température (Ps, ta) avec :

Hr = 100 x Pa / (Ps, ta)

e) La température humide (th) : c’est la température minimale atteinte par une nappe d’eau soumise à une évaporation intense au contact de l’air ventilé à grande vitesse et en l’absence de tout apport calorique antérieur. La température humide est encore appelée température humide ventilée pour la distinguer de la température humide naturelle (thn) qui est mesurée sans ventilation et sans protection vis-à-vis du rayonnement.

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Les grandeurs d’humidité les plus fréquemment mesurées sont l’humidité relative au moyen d’un hygromètre, la température de rosée et la température

humide ventilée au moyen d’un psychromètre à ventilation forcée ou un psychromètre à fronde. L’utilisation du psychromètre n’est correcte que si :

- le manchon du thermomètre humide est bien humidifié et le reste même après 4 à 5 minutes de ventilation ; - la ventilation est toujours supérieure à 2 m/s et appliquée pendant 4 minutes avant la lecture ; - la psychromètre est bien protégé contre le rayonnement.

3) La température moyenne de rayonnement :

http://www.sciences.univ-

nantes.fr/physique/perso/blanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htm

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Tout corps émet un rayonnement électromagnétique porteur d’énergie dont la longueur d’onde est donnée par la relation : Λm = 2898 / T (°K). La peau humaine dont la température varie entre 32 et 36°C émet un rayonnement dont la longueur d’onde se situe aux environs de 9.4 µm, donc dans l’infrarouge. La peau reçoit aussi, naturellement, les émissions IR des surfaces avoisinantes dont les températures sont du même ordre, au moins dans les conditions normales. Toutefois, des parois froides, par le jeu du rayonnement, pourront donner des sensations de fraicheur ou de froid, même dans une pièce où la température de l’air est relativement élevée. Le contraire est vrai pour des parois chaudes qui atténuent la sensation de froid dans une pièce pas chauffée. La mesure du rayonnement se fait généralement, de façon simplifiée, à partir de la température du globe noir à partir de laquelle on détermine la température moyenne de rayonnement (tr, °C). Le thermomètre à globe noir consiste en un thermomètre ordinaire dont le bulbe est situé au centre d’une sphère métallique (cuivre), complètement fermée et peinte en noir mat (émissivité du globe proche de 0.95). Cette sphère, placée dans la zone de travail, est soumise aux échanges par convexion et rayonnement. La température du globe (tg) dépend donc du rayonnement, de la température et de la vitesse de l’air et du diamètre du globe. Ainsi pour un globe de 15 cm de diamètre, la température de rayonnement (tr) est donnée par la formule :

tr = � ��� + 273� + 2.5 � 10� � ���.� ��� − ��� - 273 On notera que la mesure de la température du globe n’a de signification que si le globe reste en atmosphère stable pendant au moins une demi-heure. Si l’ambiance varie, si on ouvre les portes ou les fenêtres, ou bien encore la porte d’un four ou celle d’une chambre froide, etc. la mesure n’a aucun sens. 4) La vitesse de l’air : Les échanges par convection et par évaporation sont fortement influencés par la vitesse relative de l’air (Var) à la surface du corps. La vitesse relative de l’air est une composante de la vitesse absolue de l’air (Va) et de la vitesse de déplacement du corps dans l’air. Ainsi, dans un air immobile, des déplacements ou la seule gestuelle d’un travailleur créée une vitesse relative de l’air.

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La mesure de la vitesse absolue de l’air (Va) doit être indépendante de la direction du courant d’air. Pour cela, on préconise de mesurer les vitesses de l’air selon trois axes perpendiculaires. Cela valait pour lorsque l’on faisait les mesures avec des anémomètres à ailettes. Cette précaution n’a plus lieu d’être avec les anémomètres thermiques utilisés maintenant. En outre, ces anémomètres, basés sur la mesure du transfert de chaleur entre un élément chaud (filament ou boule) et l’air ambiant, offre des mesures de l’ordre de 0.01 à 5 m/s et peuvent donc être utilisés dans l’appréciation du confort thermique (0.01 à 0.3 m/s). Les anémomètres à boule sont particulièrement appréciés puisqu’ils offrent une mesure parfaitement omnidirectionnelle. La vitesse relative de l’air (Var) est calculée à partir de la formule suivante :

Var = Va + Vm (avec Vm < 0.7 m/s)

La composante Vm tient compte de l’activité métabolique :

Vm = 0.0052 x (M-58) où le métabolisme M est exprimé en W / m2 5) La température humide naturelle :

Lorsque le thermomètre humide n’est ni ventilé, ni protégé du rayonnement, la valeur affichée est la température humide naturelle (thn). Cette mesure sert pour la détermination de l’indice WBGT. La mesure de la température humide naturelle n’a de sens que si l’atmosphère est stable et si l’on attend au moins 10 à 20 minutes que l’équilibre soit atteint ; faute de quoi la mesure n’a pas de sens. La valeur de thn est fonction de la température, de l’humidité, de la vitesse de l’air et du rayonnement. Selon la nature du capteur, ces paramètres n’influent pas de la même façon sur le résultat. La norme ISO 7243 fournit des précisions quant à la structure des thermomètres humides naturels… Mais, il reste malgré tout difficile de trouver deux thermomètres humides naturels donnant des résultats identiques. C’est une des limites du WBGT.

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III L’établissement du bilan thermique.

Dans les conditions habituelles de vie, l’homme maintient sa température corporelle aux alentours de 37°C grâce à un certain nombre de mécanismes de régulation physiologiques et comportementaux. Normalement, on observe que la production de chaleur H est équilibrée par les pertes vers l’extérieur :

H = Cres + Eres + K +C + R + E Cres et Eres représentent les pertes respiratoires, respectivement convection et évaporation (perspiration) au niveau des voies respiratoires. K, C, R, et E représentent les pertes cutanées, respectivement la conduction, la convection, le rayonnement et l’évaporation à la surface de la peau. Dans certaines conditions de travail, en milieu chaud, cet équilibre ne peut pas être assuré. On parle de contrainte thermique aussitôt que la température corporelle augmente du fait d’une accumulation progressive de chaleur. On peut aussi parler de contraintes thermiques en milieu froid, mais les phénomènes mis en jeu sont globalement différents et feront l’objet d’un traitement ultérieur. 1) La production de chaleur interne H : Le métabolisme est l’ensemble des réactions biochimiques énergétiques et matérielles grâce auxquelles les organismes peuvent assurer la vie de leurs cellules, le fonctionnement de leurs organes, leurs déplacements et toutes leurs activités comportementales spécifiques. En première approximation, on peut dire que toute l’énergie produite par les métabolismes est transformée en chaleur : H = M (M est exprimé en W/ m2). C’est vrai pour les individus au repos. Pour les individus au travail, une fraction du métabolisme peut être transformée en travail mécanique W.

On écrit alors : H = M – W. Dans les faits, cette transformation n’intervient que pour des activités très intenses, fort peu usitées dans le monde du travail actuel. On peut dire que la chaleur produite est principalement le fait de certains organes internes (foie, cœur) et surtout des muscles, y compris des milliers de

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petits muscles horripilateurs de la peau. La chaleur produite est diffusée principalement par la circulation sanguine vers les revêtements cutanés, muqueux et respiratoires et, un peu, par conduction tissulaire directe.

Activités Production interne de chaleur en watts

Vm (m/s)

Sommeil 73 0 Repos (assis – debout) 100 - 130 0 Marche de niveau (3 – 5 km / h) 200 - 300 0.6 – 1.4 Marche avec charge de 10 kg – 30 kg 350 - 450 1.1 Marche en montée (5 % - 25 %) 350 - 550 1.1 – 0.6 Porter une brouette pleine (80 kg) 400 1.4 Buriner au marteau 550 0.5 Limer de l’acier 200 -300 0.25 Scier du bois à la main 450 0.25 Maçonner des briques 300 0.25 Creuser une tranchée (pelle et pioche) 550 1.1 – 1.5 2) Les échanges avec l’environnement : http://calamar.univ-ag.fr/uag/staps/cours/bioD1/thermo.ppt Les deux interfaces dont dispose l’organisme pour échanger de la chaleur avec l’extérieur sont les voies respiratoires et le revêtement cutané. Les échanges sont possibles par conduction, convection, rayonnement et évaporation.

a) La conduction :

La conduction est la transmission de chaleur entre deux solides en contact. De tels échanges sont observés entre la peau et les vêtements serrés, les chaussures, les points d’appuis ou bien encore les outils manipulés. Dans l’industrie, les échanges par conduction sont relativement faibles surtout en comparaison des échanges par convection. Le plus souvent, on les assimile aux échanges par convection et rayonnement. Il existe cependant des cas particuliers où ces échanges par conduction sont significatifs (ateliers de métallurgie, laminoirs, etc.).

b) La convection :

La convection est le transfert de la chaleur entre le corps et le fluide qui le baigne. Dans l’analyse en milieu du travail, on ne prend en compte que l’air.

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Au niveau de la peau, le flux de chaleur échangé par convection (C, W/m2) s’exprime par :

C = Hc x Fclc (tsk – ta)

Hc est le coefficient de convection (W/m2). Fclc est le facteur de réduction des échanges convectifs par les vêtements. tsk est la température de la peau.

On voit que selon que la température de l’air est supérieure ou inférieure à la température de la peau, les échanges se feront en gain ou en perte pour l’organisme. Au niveau des voies respiratoires, les échanges par convection (Cres) ont lieu aussi bien à l’inspiration qu’à l’expiration. Comme le plus souvent, même dans les pays chauds, la température centrale est supérieure à la température de l’air ambiant, l’air inspiré se réchauffe au contact des voies respiratoires et les refroidit.

Cres = 0.0014 x M x (34 – ta) pour 15°C < ta < 30°C Cres = 0.0014 x M x (35 – ta) pour ta > 30°C

c) Le rayonnement :

Le flux thermique échangé par rayonnement (R, W/m2) entre la peau et l’environnement est donné par :

R = ε x σ x fclr (Tsk4 – Tr

4) x Ar/Ad

ε est l’émissivité de la surface de la peau. Dans le domaine de l’IR, la peau humaine possède une émissivité proche de 0.97 et cela quelque soit son degré de pigmentation. Dans le cas du rayonnement solaire, il faut tenir compte du coefficient d’absorption de la peau dans le visible (0.5 pour les peaux claires et 0.85 pour les peaux foncées). L’exposition au soleil est donc bien un cas particulier de la contrainte thermique. σ est la constante universelle de rayonnement (5.67 10-8 W/m2 K4) Ar/Ad est la fraction de la surface du corps qui participe aux échanges. Le corps humain n’étant pas sphérique, la surface de la peau (Ar) participant aux échanges par rayonnement est inférieure à la surface totale de la peau (Ad). Ar/Ad varie avec la posture du sujet : 0.66 pour un sujet accroupi, 0.7 pour un sujet assis et 0.77 pour un sujet debout. fclr est le facteur de réduction des échanges par rayonnement dû aux vêtements.

Tsk est la température moyenne de la peau (°K). Tr est la température moyenne de rayonnement (°K).

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d) L’évaporation :

Toute nappe d’eau comporte à sa surface une pellicule d’air appelée couche limite, saturée en vapeur d’eau. Si l’atmosphère environnante n’est pas, elle-même, saturée, cette vapeur diffuse de la couche limite vers l’atmosphère. La vapeur ainsi soustraite à la couche limite est régénérée, grâce aux molécules d’eau qui passent de l’état liquide à l’état gazeux. L’énergie nécessaire à cette transformation en chaleur latente de vaporisation est égale à 0.647 Wh par gramme d’eau évaporée. Cette énergie est puisée à la surface du liquide qui se refroidit. La vitesse à laquelle la vapeur d’eau diffuse de la couche limite vers l’air ambiant est fonction :

- de l’écart entre les pressions partielles de vapeur d’eau - des facteurs qui influencent les échanges par convection tels que la vitesse de l’air.

L’évaporation respiratoire : L’air inspiré, s’il n’est pas saturé en vapeur d’eau, se charge de vapeur au contact des voies respiratoires et son humidité relative à l’expiration est proche des 80 – 90 %. Cette augmentation de la pression partielle en vapeur d’eau nécessite une évaporation à l’intérieur des poumons et aboutit donc à une perte de chaleur. Le flux d’énergie par évaporation respiratoire (Eres, W/m2) est donné par :

Eres = 0.0173 x M x (Pa -5.87) L’évaporation cutanée : L’eau évaporée au niveau de la peau est produite par deux mécanismes distincts : la sécrétion des glandes sudoripares et la perspiration insensible, c’est-à-dire la diffusion transépidermique. Le flux évaporatoire par perspiration insensible est strictement passif et dépend de l’écart entre la pression saturante au niveau de la peau et la Pa ambiante. Il peut varier entre 7 et 15 % de la production interne de chaleur chez une personne au repos, soit 4 à 9 W/m2. La production de sueur par les glandes sudoripares est, à l’inverse, déclenchée de façon active par le système thermorégulateur et son évaporation constitue le principal moyen de déperdition thermique.

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Si la peau est entièrement couverte de sueur, l’évaporation maximale (Emax) possible est donnée par l’expression :

Emax = Hc x Fpcl x (Psk – Pa)

Hc est le coefficient d’échange par évaporation (W/m2 kPa) Fpcl est le facteur de réduction des échanges évaporatoires par les vêtements Psk est la pression saturante de vapeur d’eau (kPa) à la température de la peau.

En général, la peau est rarement toute recouverte de sueur. Le rapport entre la surface mouillée (Ae) et la surface totale (AD) détermine la mouillure cutanée (W)

W = Ae/AD

La perte par évaporation (E) est alors réduite au prorata de la mouillure :

E = W x Emax

3) Les interactions vestimentaires :

http://www.med.univ-angers.fr/discipline/labo_neuro/cours/cl/regulation5.ppt Les vêtements ne modifient pas les principes physiques des échanges de chaleur, mais en réduisent les volumes en modifiant les coefficients de convection, de rayonnement et d’évaporation. La résistance aux échanges de chaleur tient en grande partie aux propriétés isolantes du tissu (épaisseur et nature du textile), du volume d’air sous le vêtement et du taux de renouvellement de cet air par les ouvertures du vêtement (effet de pompage passif associé aux mouvements du corps ou pompage volontaire). Dans les régions où le vêtement n’est pas au contact de la peau, les échanges par convection se font de la surface cutanée au microclimat sous le vêtement, puis du microclimat à la face interne du vêtement, puis de celle-ci à la face externe du vêtement et enfin avec l’air extérieur. La plupart des tissus sont opaques aux IR. Ils jouent donc le rôle d’écran. Mais certains tissus peuvent absorber spécifiquement certaines radiations, s’échauffer caractéristiquement et affecter les échanges thermiques.

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Pour ce qui est de l’évaporation de la sueur, les vêtements diminuent Emax en réduisant le coefficient d’évaporation. La sueur s’accumule entre la peau et le vêtement. Lorsque le vêtement est imperméable, le microclimat est vite saturé en vapeur. L’évaporation est bloquée et les mécanismes de refroidissement arrêtés. Si le vêtement n’est pas imperméable, l’évaporation est limitée. Toutefois, si le vêtement est mouillé par la sueur, alors il participe à l’évaporation et s’il est porté ample, avec une surface sensiblement plus grande que la seule surface de la peau.

Type de vêtements Isolement en Clo Sous vêtements 0.04 à 0.12 Chemises et corsages 0.17 à 0.25 Shorts et pantalons 0.08 à 0.28 Jupes et robes 0.15 à 0.29 Pulls 0.20 à 0.25 Vestes 0.26 à 0.52 Chaussures 0.05 à 0.10 http://www.deparisnet.be/chaleur/Notes%20de%20cours/Malchaire_notes_de_cours_chaleur.pdf 4) Interprétation du bilan thermique :

Le bilan thermique peut s’écrire :

H = M – W = Cres + Eres + C + R + E

Dans une situation de travail donnée, tous ces termes peuvent être calculés, à l’exception du flux de chaleur par évaporation (E). Le corps va devoir développer une sudation telle que l’évaporation qui en résulte puisse maintenir le bilan en équilibre. Cette évaporation est appelée évaporation requise :

Ereq = M – W – Cres – Eres – C – R

Toutefois, cet équilibre ne pourra être atteint que si Ereq reste inférieur à Emax

possible dans l’ambiance considérée. Le rapport entre Ereq et Emax définit la mouillure cutanée requise (Wreq) pour assurer l’équilibre thermique. Plus Ereq est proche de Emax et plus l’organisme doit sécréter de sueur de façon à mouiller une plus grande surface cutanée. Cette augmentation de la mouillure s’accompagne d’un phénomène inévitable : une fraction de la sueur n’est pas évaporée, mais ruisselle sur le corps sans aucun bénéfice thermique pour l’organisme. Le rapport

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entre la fraction évaporée de la sueur (E) et la sueur sécrétée (Sw), c’est-à-dire le rendement évaporatoire (r) de la sudation diminue donc. La sudation requise (Swreq) pour que l’évaporation requise soit réalisée est donnée par :

Swreq = Ereq / r III La régulation physiologique.

1) La thermorégulation humaine : Pour assurer son homéothermie, l’organisme humain fait appel à deux modes de régulation : une régulation de nature réflexe liée à l’activité du système nerveux autonome et une régulation comportementale, pour partie de nature volontaire. Ces régulations sont possibles parce que les températures du noyau central et celles des tissus périphériques sont appréciées grâce à des capteurs nerveux thermosensibles qui détectent en permanence l’intensité de ces paramètres. Les informations sont transmises au cerveau hypothalamique principalement et initialement. L’hypothalamus va rapidement agir aussitôt qu’il aura perçu un problème dans l’équilibration du bilan thermique et cela, souvent, bien avant que l’on perçoive et énonce les sensations thermiques de froid ou de chaud, même quand elles sont désagréables. C’est parce qu’on frissonne qu’on annonce qu’il ne fait pas chaud… rarement le contraire. Les principales réponses hypothalamiques mises en jeu dans le cas d’un inconfort thermique sont :

- une augmentation de la thermogenèse (métabolisme) grâce aux frissons musculaires pour lutter contre le froid ; - une variation du débit sanguin périphérique dans le sens d’une vasoconstriction quand il fait froid et d’une vasodilatation quand il fait chaud ; - la sécrétion de sueur pour lutter contre l’échauffement.

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Les principales réponses comportementales sont :

- une modification de l’isolement vestimentaire ; - l’éloignement de la source de contrainte thermique ; - la modification volontaire du niveau d’activité ; - la consommation d’aliments ou de boissons à une température particulière.

http://visio.univ-littoral.fr/podcast/podcast/simple_video.php?lmx=458

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2) L’adaptation à la chaleur :

Lorsqu’un individu est exposé de façon répétée à la chaleur, il peut développer progressivement des adaptations pour améliorer sa tolérance aux conditions d’inconfort ressenties. Ces adaptations sont à la fois comportementales et physiologiques.

a) Les adaptations comportementales :

La tolérance à la chaleur peut être améliorée par divers comportements :

- par l’absorption régulière de boissons fraîches ; - par le port de vêtements mieux adaptés, comme des vêtements plus légers ou moins absorbants vis-à-vis du rayonnement solaire ; - par l’utilisation d’écrans physiques naturels ou artificiels pour se protéger du rayonnement (rechercher l’ombre, utiliser des chapeaux, des ombrelles, etc.) ; - par la modification des horaires de travail en évitant les heures les plus chaudes, a contrario, leur consacrer des plages de repos (siesta) ; - par la réduction de l’activité métabolique.

b) Le cas des personnes âgées, des femmes et des enfants :

Au-delà de 65 ans, en moyenne, les personnes exposées à la chaleur présentent un taux de morbidité et un taux de mortalité plus important que les personnes plus jeunes, sauf les très jeunes enfants. Cela est essentiellement dû au fait que les personnes âgées ont de moindres performances physiologiques, mais aussi que leur perception des contraintes thermiques est plus ou moins altérée. Ce sont ces phénomènes, particulièrement, qui furent à l’origine de la surmortalité enregistrée au cours de la canicule de 2003 et de morbidités résiduelles au cours des mois suivants. Parce que, par rapport à l’homme, la femme présente :

- une masse corporelle inférieure de 20 % ; - un rapport surface / masse supérieur de 10 % ; - une masse maigre inférieure de 20 à 30 % ; - une volume de sang moindre ; - un taux d’hémoglobine plus faible ; - un volume d’éjection systolique moindre et une fréquence cardiaque plus élevée ; - un débit sanguin périphérique plus développé ; - et une répartition différente de l’irrigation sanguine du corps, la femme ne s’adapte pas tout à fait de la même façon que l’homme à la chaleur.

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Cela ne veut pas dire que les femmes sont moins bien ou mieux adaptées que les hommes, simplement que les chemins et les moyens pour y parvenir sont un peu différents. Lorsqu’il y a adaptation, on ne notera aucune différence entre les sexes. Une précision : les cycles hormonaux féminins n’ont aucune incidence sur cette adaptation. IV) Les effets sur la santé.

L’exposition à la chaleur entraîne certaines manifestations pathologiques soit du fait de la mise en jeu des mécanismes de régulation, soit par suite de leur défaillance. Ainsi, les effets qui résultent d’une sudation abondante et prolongée sont principalement : la déshydratation, le déficit en sel et les crampes de chaleur et l’épuisement thermique. La syncope de chaleur est la résultante d’une importante vasodilatation cutanée. Lorsque le système de régulation de la température est décompensé, on parle de coup de chaleur. Paramètres Crampes de chaleur Syncope de chaleur Épuisement Coup de chaleur Survenue Après un effort

intense et prolongé. Soudaine, soit : a) Pendant une période de repos ou d’immobilité debout ou assis ; b) Lors d’un arrêt, en position debout, d’un travail physiquement lourd.

Progressive, durant la phase d’acclimatation ou rapide, lors d’un effort intense en ambiance modérée ou d’un effort modéré en ambiance chaude.

Surtout sur des sujets sédentaires non acclimatés et/ou prédisposés, soit sur des sujets acclimatés, en bonne santé lors d’un effort physique.

Température interne Normale ou légèrement augmentée.

Normale ou augmentée (< 38.5°C)

Augmentée (< 40°C), puis décroissante ou stable.

Très augmentée (> 39°c) ; niveau croissant très rapidement.

Pression artérielle Normale. Abaissée ; l’écart entre la P. systolique et la P. diastolique est réduit.

Abaissée ; sensation de vertiges.

Variable

Peau Sudation présente. Pâleur ; peau moite et froide ou peau chaude, sudation très abondante.

Sudation Sudation abolie ; peau chaude et sèche.

Système nerveux Pas d’altération. Perte de conscience brève sans altération du comportement

Vertiges, nausées, irritabilité, pas de confusion mentale.

Confusion mentale, incohérence, agitation, coma

Gravité relative Sans gravité Sans gravité Gravité importante Risque de décès

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V) Les indices thermiques.

Ambiances thermiques au travail : méthode Sobane

http://www.sobane.be/fr/chaleur.html

Divers indices thermiques ont été mis au point pour permettre aux préventeurs de se faire une idée acceptable des dangers que courent des travailleurs confrontés à une situation de travail en situation de contrainte thermique. D’autres indices ont été mis au point davantage pour apprécier les situations d’inconfort. Ces indices vont tenter d’offrir une approche raisonnable de l’importance relative des différents facteurs que sont le métabolisme de travail, l’isolement vestimentaire, les paramètres climatiques comme la température, l’humidité, la vitesse de l’air ou le rayonnement. 1) L’indice WBGT L’indice WBGT (Wet, Bulb, Globe, Temperature) [ISO 7243 NF X35-201] sert de critère d’évaluation pour les travailleurs de la plupart des pays industrialisés. En cas de dépassement des valeurs préconisées, on aura recours à l’indice Predicted Heat Strain (PHS) [ISO 7933]. L’indice WBGT se calcule à partir de la température humide naturelle (thn) :

WBGT = 0.7 thn + 0.3 tg (en l’absence de rayonnement solaire) et WBGT = 0.7 thn + 0.2 tg + 0.1 ta (à l’extérieur au soleil)

L’indice WBGT est utilisé pour :

- évaluer le caractère tolérable ou non d’une tâche dans une situation climatique donnée. C’est un outil de dépistage de la contrainte ; - organiser une éventuelle alternance des périodes de travail et de repos compensateur lorsque les valeurs limites sont atteintes ou dépassées.

Métabolisme en Watt Sujet acclimaté Sujet non acclimaté

< 118 33 32 118 - 234 30 29 235 - 360 28 26 361 - 468 25 – 26* 22 - 23*

> 468 23 – 25* 18 – 20* * avec mouvement d’air perceptible.

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Le problème avec l’indice WBGT est qu’il dépend de deux mesures assez peu fiables ou reproductibles. La température de globe suppose des conditions de mesures très strictes, au moins en matière de stabilité de l’atmosphère pendant une demi-heure au moins ; la température humide naturelle voudrait que l’on disposât de thermomètres fiables et donnants une bonne reproductibilité de la mesure, ce qui n’est que très rarement le cas. En outre, l’indice WBGT, faute d’apprécier les autres paramètres climatiques propres à une situation de travail, ne permet aucunement d’envisager des stratégies pour réduire une contrainte thermique. 2) L’indice d’astreinte thermique ou anciennement de sudation requise : Aujourd’hui, on ne parle plus d’indice de sudation requise, mais d’indice d’astreinte thermique (PHS). L’indice PHS fait l’objet d’une norme ISO 7933, NF X 35-204. Il comporte plusieurs volets d’évaluation dont la détermination de la sudation requise (Swreq) pour le maintien de l’équilibre thermique ; l’estimation de la sudation effective ou sudation prédite (Swp) et il calcule la durée limite d’exposition (DLE) dans les cas où l’évaporation prédite est inférieure à la sudation requise ou bien encore quand la perte sudorale cumulée entraîne des risques de déshydration. La détermination de l’indice PHS nécessite de connaître ou de calculer les paramètres suivants :

- l’évaporation requise Ereq - l’évaporation maximale Emax - la mouillure cutanée requise Wreq = Ereq / Emax - le rendement évaporatoire r - la sudation requise Swreq = Ereq / r

La prédiction du débit sudoral réel implique de connaître et de prendre en compte :

- le débit sudoral maximal Swmax et - la mouillure cutanée maximale Wmax, qui sont deux facteurs physiologiques limitants.

Si la mouillure cutanée requise et la sudation requise sont toutes deux inférieures à la mouillure maximale et au débit sudoral maximal, l’équilibre thermique est assuré.

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Si Wreq est trop élevée, Wp tend vers Wmax et la perte par évaporation prévisible est donnée par :

Ep = Wmax + Emax = Swmax + rp

Dès lors, l’exposition à la chaleur doit être arrêtée après un certain temps d’exposition afin de prévenir les accidents liés au bilan thermique déséquilibré. Les deux risques essentiels sont

- à court terme, l’hyperthermie ; - à long terme, la déshydratation.

C’est le stockage de chaleur qui conduit à l’hyperthermie. Il faut faire en sorte que celui-ci ne dépasse pas une valeur limite Qmax (Wh/m2) laquelle correspondra à l’élévation maximale admissible de la température interne. Ce cas de figure est réalisé lorsque l’évaporation prédite est inférieure à l’évaporation requise. La durée limite d’exposition est donnée par :

DLE = 60 x Qmax / (Ereq – Ep)

Pour ce qui est du risque de déshydratation, la durée d’exposition doit être limitée de manière à ce que la perte hydrique cumulée ne dépasse pas la valeur critique Dmax avec :

DLE = 60 x Dmax /Swp

Les valeurs limites de mouillure cutanée (Wmax), de débit sudoral maximal (Swmax) et de perte hydrique cumulée (Dmax) tiennent généralement compte du degré d’acclimatation de la personne exposée. Normalement, une personne acclimatée se reconnaît au fait qu’elle est mieux capable d’assurer une mouillure complète de la peau et mieux apte à augmenter sa capacité à produire de la sueur.

Critères Non acclimaté Acclimaté Alarme Danger Alarme Danger

Mouillure cutanée 0.85 0.85 1 1 Sudation maximale au repos en g/h

260 390 520 780

Sudation maximale au travail en g/h

520 650 780 1040

Stockage de chaleur (Wh / m2) 50 60 50 60 Perte hydrique maximale g 1000 1250 1500 2000 Dmax en Wh / m2 2600 3250 3900 5200

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VI) Analyse de l’inconfort thermique.

Les précédents indices WBGT et PHS sont conçus pour évaluer les contraintes thermiques. Celles-ci sont susceptibles de mettre en danger les personnes exposées à des conditions inacceptables. L’inconfort thermique ne met jamais les personnes en danger. Il s’agit de la mesure d’une gêne. Les indices PMV et PPD sont deux indices d’appréciation de cette gêne. Le confort thermique est défini comme un état de satisfaction vis-à-vis de l’environnement thermique. Cette sensation de confort est le plus souvent manifestée quand le bilan thermique est équilibré moyennant des valeurs optimales de température de la peau (tsk, °C) et d’évaporation (E, watts) qui varient en fonction du métabolisme (M, watts) du sujet selon :

Tsk = 35.7 – 0.0153 x M

E = 0.42 x (M-105)

L’indice PMV (Predicted Mean Vote) correspond à la valeur moyenne des votes de sensation thermique qu’un groupe important de personnes exprimerait dans une ambiance donnée sur une échelle allant de +3 très chaud, +2 chaud, +1 légèrement chaud, 0 neutre, -1 légèrement frais, -2 frais, à -3 froid. L’indice PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) correspond au nombre prévisible de personnes satisfaites ou insatisfaites de l’environnement thermique dans lequel on les contraint de rester.

http://www-energie2.arch.ucl.ac.be/confort/2.1.htm (http://www-energie2.arch.ucl.ac.be/)

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La norme ISO 7330 préconise de limiter le PPD à 10 % soit un PMV compris entre -0.5 et +0.5. On notera que les indices PMV et PPD ne sont significatifs que :

- pour des températures ta comprises entre + 10° C et + 30° C ; - pour des températures de rayonnement tr comprises entre +10° C et + 40° C ; - pour des vitesses de l’air Var < 1 m/s ; - pour une pression partielle de vapeur d’eau Pa < 2.7 kPa ; - pour un isolement vestimentaire Iclo < 2 ; -et pour un métabolisme M compris entre 58 W/m2 et 232 W/m2, c’est-à-dire pour des travaux assez légers.

Beaucoup de facteurs affectent la sensation de confort thermique :

- D’abord l’hétérogénéité spatiale de la température de l’air. Il faut veiller à maintenir un gradient inférieur à 3° C ; - Ensuite l’asymétrie du rayonnement entre les parois du local ou entre le sol et le plafond. Il faut veiller à maintenir un gradient inférieur à 10° C ; - La perception d’un courant d’air sur une partie précise du corps (jambes, dos, nuque, cou, etc.) est généralement perçue comme désagréable dès lors que la vitesse de l’air dépasse 0.15 m/s en hiver et 0.25 m/s en été.

Le confort thermique est mieux assuré pour une humidité relative de 30 à 70 % dans des gammes de températures de 18 à 24° C. Il faut principalement éviter les sensations de sécheresse buccale ou de sécheresse des muqueuses respiratoires supérieures (< 30 %) et le risque de condensation sur les parois froides et son corollaire qui est le risque de développement microbien (> 70 %).

VII) L’amélioration des conditions de travail. La contrainte thermique dans une situation de travail contribue largement à l’usure précoce des travailleurs et à l’acquisition de certaines inaptitudes. On se rappellera comment, à l’époque de la colonisation française triomphante, sont nées et ont perduré des formulations sur les arabes ou les nègres qui n’étaient que des faignasses et auxquels il faudrait apprendre à faire suer le burnous. Dans certaines situations de travail pénible, aujourd’hui encore, certains travailleurs ne sont rien d’autre que des forçats ! Améliorer les conditions de travail, pour quelque paramètre que ce soit, est mieux inscrit dans la législation maintenant que les employeurs sont astreints d’une obligation de résultats. Pour ce faire, vis-à-vis des contraintes thermiques,

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il faut d’abord bien examiner les situations de travail afin de déterminer la nature exacte du problème thermique. Il faut particulièrement veiller à découpler la situation thermique ressentie ou exprimée, d’éventuelles autres satisfactions au travail (troubles psychosociaux, transferts d’insatisfactions, revendications salariales ou autres non satisfaites, problème de communication dans l’entreprise, etc.). Dans un deuxième temps, alors, il est possible d’analyser précisément la situation thermique et d’établir ses degrés de gravité. Enfin, on pourra proposer des stratégies d’amélioration de la situation de travail : réduction de la contrainte thermique, réorganisation et planification des tâches – repos compensateurs, enfin, mettre en place une surveillance médicale efficace. Parmi les mesures organisationnelles permettant de réduire la contrainte thermique et ses effets, on citera :

- tenir compte des variations diurnes et saisonnières de l’ambiance climatique ; - réduire les durées d’exposition, soit pour dépassement des indices WBGT ou PHS, soit du fait de l’autorégulation des travailleurs ; - offrir des salles de repos climatisées ou refroidies ; - suivre les processus d’acclimatation des travailleurs ; - installer des points d’eau réfrigérée près des postes de travail ; - informer et former les travailleurs à la connaissance des risques, à leurs effets et conséquences et à la prévention ; - proscrire absolument le travail isolé en zone chaude ; - a contrario, mettre en place le travail en équipe et des moyens de communication permanents (téléphones, radios, talkies-walkies, etc.) en cas d’urgence.

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Quelques sites encore : Travailler par de fortes chaleurs en été http://www.inrs.fr/dossiers/forteschaleurs.html

Travail à la chaleur et confort thermique

http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/intranetobject-accesparreference/NS%20184/$file/ns184.pdf Le travail à la chaleur http://www.deparisnet.be/chaleur/Livres/Malchaire_le_travail_a_la_chaleur%20.pdf