NTP 350: Evaluación del estrés térmico. Índice de sudoración requerida

Évaluation de la contrainte thermique. Indice de la sudation requise
Heat stress evaluation. Requiered sweating index

Redactor:

Pablo Luneza Mendaza
Licenciado en Ciencias Químicas

CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO

Objetivo

Esta Nota Técnica de Prevención describe un sistema de cálculo e interpretación de los resultados para la valoración del riesgo de estrés térmico, que aporta mayor exactitud que el conocido método del índice WBGT y cuyo campo de aplicación debería extenderse a aquellas situaciones en las que la valoración previa y rápida mediante dicho índice WBGT revelase una situación de probable riesgo de estrés térmico (ver NTP-322.1993).

Asimismo se pretende actualizar la NTP-18.1982, en la que se describía el método de Belding y Hatch, aportando, como sustitutiva de dicho método, una sistemática aceptada internacionalmente y normalizada a través de la ISO/7933.1989, de la que se ha extraído la mayor parte del contenido de este documento.

Fundamentos del método

La metodología se basa en la comparación de los valores de dos variables, la humedad de la piel y la producción de sudor necesarias en unas determinadas condiciones de trabajo, frente a los valores fisiológicamente posibles de esas variables. La estimación de dichos valores se obtiene en el desarrollo de las siguientes etapas:

• Determinación de la evaporación requerida (E_req) para que se mantenga el equilibrio térmico del organismo.

• Determinación de la evaporación máxima permitida (E_req) por las condiciones ambientales.

• Cálculo de la sudoración requerida (SW_req) y de la humedad requerida de la piel (w_req).

Determinación de las variables

Cálculo de la evaporación requerida (E_req)

La acumulación de calor en el cuerpo humano (S) se puede expresar como la suma algebraica de los siguientes términos:

S = M - W - K - C - R - C_res - E_res - E    (1)

Donde:

M es la producción de energía metabólica.

W es el trabajo exterior útil.

K es el calor intercambiado con el ambiente por conducción.

C es el calor intercambiado por convección.

R es el calor intercambiado por radiación.

C_res es el calor intercambiado por convección respiratoria.

E_res es el calor latente intercambiado a través de la respiración.

E es el calor intercambiado por la evaporación del sudor.

Todos los términos de la ecuación (1) están expresados como potencia por unidad de superficie corporal y las unidades que se emplean son normalmente W/m².

Puede despreciarse la pérdida de energía como consecuencia del trabajo útil desarrollado en la actividad laboral, pues el rendimiento real del organismo suele ser pequeño en casi todas las tareas.

En la práctica, el término de conducción de calor (K) tampoco es tenido en cuenta. Debido a lo pequeñas que resultan las superficies de contacto frente a la superficie corporal, al aislamiento que suponen las prendas de vestir y a que, en general, cuando las superficies de contacto están a muy diferente temperatura de la piel, éstas suelen estar aisladas. Por otra parte, la transmisión de calor que se lleva a cabo por conducción puede, en general, estar asumida cuantitativamente por los intercambios de calor por convección y radiación que habría si las superficies no estuvieran en contacto con la piel. Para mantener constante la temperatura del cuerpo, el término S debe ser nulo y entonces el término de evaporación del sudor se denomina evaporación requerida (E_req).

E_req = M - C - R - C_res - E_res   (2)

El término M debe hallarse con un método que ofrezca una cierta fiabilidad (ver NTP-323.1993). Los términos de convección C y radiación R se calculan mediante las siguientes expresiones:

C = h_c F_cl (t_sk - t_a)   (3)

R = s e_sk F_cl A_r /A_DU [(t_sk + 273)⁴ - (t_r + 273)⁴] ....   (4)

Si hacemos en la ecuación:

h_r = s e_sk A_r /A_DU [(t_sk + 273)⁴ - (t_r + 273)⁴] / (t_sk - t_r)   (5)

Entonces:

R = h_r F_cl (t_sk - t_r)   (6)

De esta forma se obtiene que:

E_req = M - {h_cF_cl (t_sk - t_a)} - {h_r F_cl (t_sk - t_r)} - C_res E_res   (7)

Donde los significados de los símbolos no definidos hasta ahora son los siguientes:

• h_c es el coeficiente de intercambio de calor por convección en w/m². Se expresa de la siguiente forma:
  Si la convección es natural: h_c = 2,38 (t_sk - t_r)^0,25
  Si es forzada:
  h_c = 3,5 + 5,2 V_ar si V_ar es menor o igual que 1 m/s.
  h_c = 8,7 V_ar^0,6 si V_ar es mayor que 1 m/s.
  Siendo V_ar la velocidad relativa del aire, cuya expresión es:
  V_ar = V_a + 0,0052 (M - 58)
  Donde V_a es la velocidad medida del aire en el lugar de trabajo.

• F_cl es el factor adimensional de reducción, de los intercambios de calor sensible debidos al atuendo. Su valor se deduce de la ecuación:

• F_cl = 1 / [1/ (1 + 1,97 I_cl) + (h_c + h_r)] I_cl'

• donde l_cl es el aislamiento térmico intrínseco del atuendo. Para la estimación de I_cl puede utilizarse la tabla 1.

• t_sk es la temperatura cutánea media en grados centígrados (se toman 36º C).

• t_a es la temperatura del aire en grados centígrados.

• s es la constante de Stefan Boltzman (5,67 · 10^-8 w/m²K⁴).

• e_sk es la emisividad cutánea (0,97).

• A_r/A_DU es la fracción de superficie cutánea participante en los intercambios de calor por radiación (0,67 para trabajo agachado; 0,70 para trabajo sentado y 0,77 para trabajo de pie).

• T_r es la temperatura radiante media en grados centígrados.

• h_r es el coeficiente de radiación en w/m²K, cuya expresión es:

• h_r = s e_sk A_r /A_DU [(t_sk + 273)⁴ - (t_r + 273)⁴] / (t_sk - t_r)

• C_res es el calor intercambiado por convección respiratoria, que, para una temperatura estimada del aire expirado de 35º C, vale:

• C_res = 0,0014 M (35 - t_a)

• E_res es el calor intercambiado por evaporación respiratoria que, para una temperatura estimada del aire expirado de 35º C, viene dado por:

• E_res = 0,0173 M (5,624 - p_a)

1Cálculo de la evaporación máxima permitida por el ambiente (E_max)

La pérdida evaporativa máxima es la que el individuo puede realizar bajo la hipótesis de la piel íntegramente mojada, donde se cumple:

E_max = (p_sk,s - p_a) / R_t     (8)

En la que:

• p_sk,s es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de la piel en Kilopascales (a 35º C es de 5,624 KPa).

• p_a es la presión parcial del vapor de agua a la temperatura ambiente en KPa. Se calcula mediante la siguiente expresión:
  p_a = [10^{(8,8446-2225/(t_h+273)} - 0,5 (t_a - t_h)] / 7,57
  donde t_h es la temperatura húmeda sicrométrica.

• R_t es la resistencia evaporativa total de la capa limitante de aire y atuendo de vestir. Su cálculo se basa en la expresión:
  R_t = 1 / 16,7 h_c F_pcl
  Aquí, F_pcl es el factor adimensional de reducción de los intercambios de calor latente debidos al atuendo. Se calcula a través de la ecuación:
  F_pcl = 1 / {1 + 2,22 h_c [I_cl - (1 - 1/(1 + 1,97 I_cl))/(h_c + h_r)]}

2Cálculo de la humedad requerida de la piel (w_req) y de la sudoración requerida (SW_req)

La humedad de la piel (w) en una situación de trabajo determinada se define como un factor que multiplicado por la evaporación máxima da el valor de la evaporación real:

w E_max = E    (9)

La humedad requerida de la piel está entonces expresada como la razón entre la evaporación requerida y la evaporación máxima:

W_req = E_req / E    (10)

El cálculo del la sudoración se basa en la expresión:

SW = E / r    (11)

donde r es la eficacia evaporativa de la sudoración del individuo desnudo, coeficiente adimensional que es función de la humedad de la piel.

r = 1 - w² / 2    (12)

De la ecuación SW = E / r se deduce que:

SW_req = E_req / r_req    (13)

en la que r_req se obtiene de sustituir w por w_req en la ecuación (12). SW_req es la sudoración requerida expresada en w/m², cuya equivalencia en agua perdida por sudoración es SW_req (w/m²) / 0,68 = SW_req (gr/m² h).

Valoración de los resultados

Aspectos fundamentales

La interpretación de los resultados requiere la posibilidad de comparar éstos con valores límite establecidos según criterios de salud y seguridad. En este sentido, la Norma ISO-7933 establece unos criterios de valoración diferenciando los límites propuestos entre exposiciones de individuos aclimatados o no y fijando dos niveles (alarma y peligro) que gradúan dicha limitación:

Para la comparación de los resultados obtenidos con los límites fijados, debe tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

• La sudoración requerida no debe sobrepasar la sudoración máxima (SW_max). Los valores propuestos para la sudoración máxima figuran en la tabla.

• La humedad requerida de Ia piel no debe sobrepasar la humedad máxima posible de la piel (w_max).

• La acumulación de calor interno no debe sobrepasar un cierto valor máximo (Q_max) fijado de forma que la elevación de la temperatura interna se sitúe entre 0,8º C y 1º C. Su utilización se justifica en la ecuación:
  T_max = 60Q_max / (E_req - E_p).    (19)

• La deshidratación del organismo no debe sobrepasar un valor máximo (D_max), fijado teniendo en cuenta que la pérdida de agua del organismo no debe sobrepasar el 4% - 6% del peso corporal. Su utilización se justifica en la ecuación:
  T_max = 60 D_max / SW_p.   (20)

• Características individuales: para prevenir el riesgo de estrés térmico teniendo en cuenta las diferencias fisiológicas de los individuos expuestos, los límites establecidos en la tabla presentan un nivel inferior de alarma que previenen del riesgo de estrés térmico a todas las personas expuestas físicamente aptas para la actividad que deben desarrollar y en buen estado de salud. Otros niveles, de peligro, están pensados para ser aplicados sólo a ciertos individuos especialmente dotados físicamente.

• Aclimatación: la aclimatación al calor supone la adecuación de ciertas funciones del organismo (disminución de la frecuencia cardíaca, incremento de la eficacia de la sudoración) a ambientes calurosos, que aumentan la tolerancia de las personas al calor. Por ello, se establecen también límites más permisivos de alarma y peligro para estas situaciones.

Estimación de valores previsibles

La valoración de una situación de trabajo exige conocer los valores previsibles de la humedad de la piel (w_p), la evaporación del sudor (E_p) y de la sudoración (SW_p). EI diagrama de flujo de interpretación del método y el ejemplo del apartado 6 ayudan a la mejor comprensión de la metodología que a continuación se explica para la evaluación. Pueden darse dos situaciones:

1. La humedad requerida de la piel es inferior a la humedad máxima y la sudoración requerida es inferior a la máxima (ver tabla 2 para conocer ambos valores): el equilibrio térmico se mantiene y entonces el valor de w_p es el de w_req, E_p es igual a E_req y SW_p es igual a SW_req.

2. La humedad requerida de la piel sobrepasa la humedad máxima: entonces se hace W_p = W_max.

   El valor de E_p se deduce de:
   E_p = W_p E_max    (14)
   y el de SW_p se obtiene de la ecuación:

   SW_pE_p / r_p,    (15)
   donde r_p es la eficacia evaporativa correspondiente a w_p.

   Si la sudoración previsible es superior a la sudoración máxima, se obtienen los valores previsibles de la siguiente forma:

   W_p E_max = r_pSW_max   (16)

SW_max es el valor límite de referencia que figura en la tabla 1 y r_p es la eficacia evaporativa de la sudoración, que se obtiene de SW = E / r, sustituyendo el valor de w por w_p.

Tiempo límite de exposición

Debe determinarse un tiempo de exposición límite para una determinada situación de trabajo cuando no se cumple una de las condiciones siguientes:

E_p = E_req   (17)

SW_p £ D_max / 8   (18)

Si no se cumple la ecuación entonces existe riesgo por elevación excesiva de la temperatura interna del cuerpo y se obtendrá el tiempo máximo de exposición de la ecuación:

T_max = 60Q_max / (E_req - E_p)   (19)

Si no se cumple la ecuación significa que existe riesgo por deshidratación excesiva, entonces:

T_max = 60 D_max / SW_p   (20)

El menor de los tiempos de exposición obtenidos en estas ecuaciones es el que debe tomarse como tiempo máximo de duración del trabajo en esas condiciones.

Cuando el T_max determinante es el deducido de T_max = 60 D_max / SW_p no debe someterse a las personas expuestas a otra exposición durante el resto de la jornada.

Exposiciones de más de una secuencia de trabajo

Cuando existen exposiciones compuestas de dos o más secuencias diferenciables en cuanto a las condiciones de trabajo, debe procederse al análisis hasta aquí relatado para cada una de las secuencias y para todas las combinaciones posibles entre las que sean sucesivas, es decir, que si hay cuatro secuencias y se denominan P₁, P₂, P₃, P₄, deberán estudiarse por separado P₁, P₂, P₃, P₄, (P₁ + P₂), (P₂ + P₃), (P₃ + P₄), (P₁ + P₂ + P₃), (P₂ + P₃ + P₄) y (P₁ + P₂ + P₃ + P₄).

La forma de valorar las combinaciones de dos o más secuencias se realizará tal como se ha indicado para una sola secuencia utilizando como valores de E_req y E_max de la combinación, las medias ponderadas en el tiempo de los valores de E_req y E_max de las respectivas secuencias, por ejemplo:

E_req (P₁ + P₂ + P_n) = S_n (E_req (P_i) x t_i) / S_nt_i   (21)

siendo t_i el tiempo de duración real de cada secuencia.

Ejemplo de aplicación

Un determinado puesto de trabajo tiene las siguientes características:

• Consumo metabólico: M = 207,5 w/m².

• Temperatura del aire: T_a = 37 ºC.

• Presión parcial del vapor de agua P_a = 2,11 Kpa.

• Temperatura radiante media: t_r = 40 ºC.

• Aislamiento térmico del vestido: I_cl = 0,5 clo (0,0775 m² ºC w^-1).

• Velocidad del aire medida en el puesto de trabajo: v = 0,5 m/s.

• Se trata de un individuo no aclimatado al calor que permanece de pie durante el trabajo.

Los valores de las variables son los siguientes:

Los límites propuestos para sujetos no aclimatados (nivel de alarma) son los siguientes:

W_max = 0,85

SW_max = 200 w/m²

Q_max = 50 w.h/m²

D_max = 1000 w.h/m²

A través del diagrama de interpretación del método calculamos los valores previsibles de w, E y SW:

W_p = w_req = 0,996, como es mayor que w_max se hace w_p = w_max = 0,85

Entonces E_p = w_p E_max = 200,3 w/m² y SW^p = E_p / r_p = 313,6

Como SW_p es mayor que SW_max se recalcula w_p tal que w_p E_max = r_p SW_max de donde w_p = 0,66.

Se calcula entonces E_p de forma que E_p = w_p E_max' de donde E_p = 155,5 w/m².

Se hace SW_p = SW_max, por lo que SW_p = 200 w/m₂.

No se cumple la ecuación E_p = E_req ni SW_p £ D_max / 8, por lo que existe riesgo de incremento térmico y pérdida hídrica excesiva. En este caso debe hallarse el tiempo máximo de exposición que será el menor de los hallados según las ecuaciones:

T_max = 60Q_max / (E_req - E_p)

y

T_max = 60 D_max / SW_p.

T_{max 1} = 38 minutos

T_{max 2} = 300 minutos

La duración del trabajo no debe exceder de 38 minutos de forma continuada.

Bibliografía

(1) ISO 7933. 1989
Ambiances thermiques chaudes. Determination analytique et interpretation de la contrainte thermique fondees sur le calcul de la sudation requise

(2) K.C. Parsons
Human thermal environments. The principles and the practice
Taylor and Francis Ltd. 1993. London

(3) K.Cena y J.A. Clark
Bioengineering, thermal physiology and comfort
Elservier Scientific Publishing Company. 1981. Amsterdam