NTP 462: Estrés por frío: evaluación de las exposiciones laborales

Stress pour froid: évaluation des expositions au travail
Cold stress: Occupational exposures evaluation

Redactor:

Pablo Luna Mendaza
Ldo. en Ciencias Químicas

CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO

Introducción

La exposición laboral a ambientes fríos (cámaras frigoríficas, almacenes fríos, trabajos en el exterior, etc.) depende fundamentalmente de la temperatura del aire y de la velocidad del aire. El enfriamiento del cuerpo o de los miembros que quedan al descubierto puede originar hipotermia o su congelación. Es relativamente desconocido el sistema de valorar la magnitud del riesgo que supone el trabajo en ambientes fríos por lo que en este documento se informa de la tendencia actual al respecto, proporcionando una herramienta, que aunque todavía no es objeto de Norma, si que se ha estudiado por la International Standard Organización (ISO) en forma de documento de base (Technical Report. ISO TR 11079:1993 “Evaluation of cold environments. Determination of re quired clothing insulation. IREQ”).

Efectos fisiológicos debidos al frío

El cuerpo humano genera energía a través de numerosas reacciones bioquímicas cuya base son los compuestos que forman los alimentos y el oxígeno del aire inhalado. La energía que se crea se emplea en mantener las funciones vitales, realizar esfuerzos, movimientos, etc. Gran parte de esta energía desprendida es calorífica. El calor generado mantiene la temperatura del organismo constante siempre que se cumpla la ecuación del balance térmico (ver apartado Evaluación del riesgo por enfriamiento general del cuerpo).

Cuando la potencia generada no puede disiparse en la cantidad necesaria, porque el ambiente es caluroso, la temperatura del cuerpo aumenta y se habla de riesgo de estrés térmico (ver NTP-350.94). Si por el contrario el flujo de calor cedido al ambiente es excesivo, la temperatura del cuerpo desciende y se dice que existe riesgo de estrés por frío. Se generan entonces una serie de mecanismos destinados a aumentar la generación interna de calor y disminuir su pérdida, entre ellos destacan el aumento involuntario de la actividad metabólica (tiritera) y la vasoconstricción. La tiritera implica la activación de los músculos con la correspondiente generación de energía acompañada de calor.

La vasoconstricción trata de disminuir el flujo de sangre a la superficie del cuerpo y dificultar así la disipación de calor al ambiente. Paradójicamente y debido a la vasoconstricción, los miembros mas alejados del núcleo central del organismo ven disminuido el flujo de sangre y por lo tanto del calor que ésta transporta, por lo que su temperatura desciende y existe riesgo de congelación en manos, pies, etc.

Estos dos efectos principales del frío, descenso de la temperatura interna (hipotermia) y congelación de los miembros originan la subdivisión de las situaciones de estrés por frío en enfriamiento general del cuerpo y enfriamiento local de ciertas partes del cuerpo (extremidades, cara, etc.)

Según la American Conference of Governmental industrial Hygienists (ACGIH), los efectos sufridos por el organismo cuando desciende su temperatura interna (enfriamiento general del cuerpo) son los que se muestran en la tabla 1.

Evaluación del riesgo por enfriamiento general del cuerpo Intercambio de calor entre el organismo y el ambiente

Para la evaluación del riesgo por enfriamiento general se propone el cálculo del índice IREQ (aislamiento requerido del atuendo). El IREQ es el aislamiento del vestido necesario para que se cumpla la ecuación del balance térmico, cuya expresión es la siguiente:

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

Donde M es la actividad metabólica del trabajo, W es la potencia mecánica (la mayoría de las veces cuantitativamente despreciable), C_res y E_res son los términos de calor sensible y latente respectivamente debido a la diferencia de temperatura y humedad del aire inspirado y exhalado, E es el calor cedido por evaporación del sudor, K es el calor intercambiado entre el cuerpo y superficies en contacto con él (también es despreciable su valor frente a los otros términos y se considera asumida su influencia en el balance a través de los términos C y R, que son los términos de intercambio de calor por convección y radiación respectivamente, mientras que S es el calor acumulado por el organismo, cuyo valor permite conocer tiempos máximo de permanencia en un ambiente determinado.

El valor de cada uno de los términos mencionados (todos ellos se expresan como potencia por unidad de superficie corporal, watios/m² ) viene determinado por las siguientes ecuaciones:

C_res = 0,0014 M (t_ex-t_a) (2)

E_res = 0,0173 M (p_ex-p_a) (3)

E = w (p_sks-p_a)/R_t (4)

C = f_cl h_c (t_cl-t_a) (5)

R = f_cl h_r (t_cl-t_r) (6)

donde:

• t_ex es la temperatura del aire exhalado, t_ex = 29 + 0,2t_a

• t_a es la temperatura seca del aire

• p_ex es la presión parcial del vapor de agua en el aire exhalado, que se calcula sabiendo que

  p_ex = 0,1333 e ^{[18,6686-4030,183/(t}ex ^+235)]

• p_a es la presión parcial del vapor de agua en el aire ambiente y se calcula mediante la expresión:

  p_a = (HR/100) 0,1333 e ^{[18,6686-4030,183/(t}a ^+235)]

  siendo HR la humedad relativa en %.

• w es la fracción de piel húmeda que participa en la evaporación del sudor. Su valor se encuentra entre 0,06 (no hay prácticamente evaporación) y 1 (piel totalmente mojada)

• p_sks es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de la piel y puede calcularse a partir de la expresión:

  p_sks = 0,1333 e ^{[18,6686-4030,183/(t}sk ^+235)] ,

  siendo t_sk la temperatura de la piel.

• R_t es la resistencia evaporativa del vestido y se obtiene de la expresión R_t =0,16 [f_cl /(h_c+h_r)+I_clr]

• f_cl es un factor de superficie del vestido tal que f_cl = 1 + 1,97 I_clr

• h_c es el coeficiente de convección,

  hc = 3,5+5,2 var	si var £1 m/s
  hc = 8,7 var 0,6	si var >1 m/s

• v_ar es la velocidad relativa del aire, su valor se calcula a partir de

  v_ar = v_a+ 0,0052 (M-58)

  siendo v_a la velocidad medida del aire.

• h_r es el coeficiente de transferencia de calor por radiación, que se calcula según la expresión

  h_r = s e_sk A_r /A_DU [(t_cl + 273)⁴-(t r + 273)⁴ ] / (t_cl-t_r),

  donde s es la constante de Stefan Boltzman (5,67 · 10^-8 w/m² K⁴ ) y e_sk es la emisividad del atuendo (0,95). Si la temperatura radiante media (t_r) es muy alta, e_sk varía claramente con el color de la ropa y debe ajustarse su valor.

• A_r /A_DU es la fracción de superficie corporal participante en los intercambios de calor por radiación y depende de la postura del cuerpo. Puede tomarse el valor 0,77 para la mayoría de situaciones.

• I_clr es la resistencia térmica del vestido considerando las condiciones reales de utilización. Se obtiene a partir de la resistencia térmica del vestido (I_cl) extraída de las tablas correspondientes (ver Norma ISO 9920 ó resumen en tabla 2) y teniendo en cuenta la actividad metabólica M de la siguiente forma:

Flujo de calor a través del vestido y cálculo del IREQ

El flujo de calor a través de la ropa de trabajo se lleva a cabo por conducción, convección y radiación (intercambio de calor seco) y por evaporación del sudor (intercambio de calor latente). El efecto del vestido en este último ya viene contabilizado por la expresión (4) mientras que el calor seco fluye dependiendo de la resistencia térmica de aquél (I_clr) y del gradiente de temperatura entre la superficie de la piel (t_sk) y la superficie del vestido (t_cl).

Como el flujo de calor seco (R + C,) a través de la superficie del vestido es equivalente al intercambio de calor entre la superficie del vestido y el ambiente, se justifican las ecuaciones (5) y (6) en el cálculo del balance térmico, pero también se pueden expresar los valores de C y R en función de la resistencia térmica del vestido de la siguiente forma:

(t_sk t_cl) / I_clr = R + C (7)

De la ecuación (1) se deduce que

R + C = M - W - E_res - C_res - K - E - S

donde el término K es despreciable.

El índice IREQ es el valor de I_clr que hace cumplir la ecuación del balance térmico con pérdida neta de calor nula (S = 0), de forma que representa la resistencia térmica del vestido necesaria para evitar el enfriamiento general del cuerpo, por lo que teniendo en cuenta además la expresión (7) se obtiene:

R + C = M - W - E_res - C_res - E....   (8)

y

IREQ = (t_sk - t_cl) / (M - W - E_res - Cr_es - E)  (9)

La ecuación (9) contiene dos variables desconocidas (IREQ y t_cl); de ella se despeja t_cl :

t_cl = t_sk - IREQ (M - W - E_res - C_res - E)

Al sustituir t cl en la ecuación (8), los términos C y R contienen así mismo esa variable por lo que debe resolverse (8) por iteración.

Cálculo del IREQ_min e IREQ_neutro

El hecho de que se cumpla la ecuación del balance térmico (S=0), no implica necesariamente que la situación sea confortable, antes bien, admite numerosas soluciones en las que la temperatura interna del cuerpo se mantiene constante (no son previsibles efectos adversos por estrés térmico o estrés por frío) pero el ambiente sería considerado de inconfortable por el individuo expuesto.

Se dice que existe confort térmico cuando la sensación es neutra respecto al ambiente térmico. La situación de confort térmico implica que los valores de la temperatura de la piel y la evaporación del sudor estén acotados entre ciertos límites. Para la evaluación de la exposición al frío mediante el índice IREQ, se propone el cálculo de dos valores de éste, IREQ_min e IREQ_neutro.

El primero de ellos representa el aislamiento térmico del vestido (I_clr) mínimo para evitar el enfriamiento general del cuerpo. El segundo corresponde al I_clr que proporcionará además confort térmico.

Para el cálculo de ambos índices se emplean valores diferentes de t_sk (temperatura de la piel) en función de la actividad metabólica y de w (humedad de la piel) en la resolución de la ecuación (8), según el criterio de la tabla 2.

Cálculo del tiempo máximo de exposición y tiempo de recuperación

Tiempo máximo admisible

Un individuo trabajando en un ambiente frío cuya resistencia térmica del vestido (I_clr) sea menor que el IREQ_min está expuesto a riesgo de estrés por frío con posibles efectos adversos para su salud al cabo de un tiempo determinado. En este caso la pérdida neta de calor del cuerpo es S ¹ 0, por lo que al cabo de un tiempo T la energía calorífica neta perdida (Q) será Q = SxT. Se admite un valor máximo de pérdida de energía calorífica neta, Q_lim = -40wh/m², para individuos físicamente sanos (ver tabla 2). Al principio de la exposición, y por un tiempo limitado (20-30 minutos), hay una pérdida neta de calor en los tejidos, mayoritariamente causada por enfriamiento de la piel y reducción de la circulación periférica, que corresponde a una pérdida de calor de aproximadamente 40 Wh/m². Se equilibra entonces la temperatura del cuerpo y el almacenamiento de calor es nulo.

Para calcular el tiempo máximo de permanencia o exposición a un ambiente frío (para evitar el riesgo de enfriamiento general) debe conocerse el valor de S a partir de las expresiones:

R + C = M - W - E_res - C_res - E - S .... (10)

y

I_clr = (t_sk - t_cl ) /(M - W - E_res - C_res - E - S) (11)

derivadas de (8) y (9) cuando S ¹ 0. La resolución debe realizarse como en el cálculo del IREQ, por iteración.

Una vez conocido el valor S, se obtiene el tiempo máximo de permanencia en el ambiente frío a través de la expresión:

T_max = Q_lim /S (12)

Tiempo de recuperación

Desde el punto de vista preventivo es útil conocer el tiempo de recuperación necesario para que un individuo expuesto a ambientes fríos, en los que S < 0, recupere la energía calorífica que ha perdido. Es de suponer que el periodo de recuperación se llevará a cabo bajo condiciones diferentes a las de trabajo, es decir que las variables termohigrométricas, la actividad metabólica, y el aislamiento térmico del vestido, tendrán nuevos valores. Para que el organismo recupere energía calorífica, el término S´ debe ser positivo y se obtiene de las ecuaciones (10) y (11) como en el caso del cálculo de T_max , sustituyendo los valores de las variables correspondientes al trabajo por las de recuperación. A continuación se emplea la expresión:

T_rec = Q_lim /S’ (13)

donde Q_lim = 40 wh/m²

Los cálculos del tiempo máximo de exposición y de recuperación se pueden estimar tanto para prevenir el riego de enfriamiento general del cuerpo como para evitar el inconfort. En el primer caso se empleará un valor de t_sk = 30°C y w = 0,06 y en el segundo, t_sk = 35,7 - 0,0285 M y w = 0,001 M, tal como se estableció para el cálculo del IREQ_min y del IREQ_neutro (ver tabla 2).

El cálculo exacto del IREQ, tiempo máximo admisible y tiempo de recuperación precisa la utilización de un programa informático o calculadora programable. En las tabla 8 se dan los valores del IREQ en función de la velocidad y la temperatura del aire y del nivel de actividad; en las tablas 9 a 13 se da una selección de los valores calculados de T max para distintos valores del aislamiento del vestido, de la temperatura del aire y del nivel de actividad. En el documento ISO/TR 11079:1993, se publica el programa informático adecuado para la resolución de todos los cálculos precisos.

Ejemplo de aplicación

Se desea valorar la exposición laboral al frío de un individuo que trabaja en un almacén frigorífico a -20 °C de temperatura del aire, realizando tareas de transporte con traspalé, manejo y clasificación de cajas de productos congelados. Su actividad metabólica se puede calcular teniendo en cuenta la siguiente distribución de tiempo (tabla 3).

El atuendo vestimentario del indivíduo se compone de las siguientes prendas:

Ropa interior (camiseta de manga larga y calzoncillos), camisa de manga larga de franela y pantalón del mismo tejido, pullover grueso, parka, calcetines gruesos, botas y guantes.

La humedad relativa en el almacén es del 50%, la velocidad del aire de 0.2 m/s y la temperatura radiante es igual a la del aire (t_r = t_a).

Resolución

La actividad metabólica M se estima a partir de los datos disponibles de la siguiente forma (ver NTP-322.93):

M = 0.6x0.6 kcal/min + 0.4x2.0 kcal/min + 0.9x1.5 kcal/min + 0.1x2.5 kcal/min + 1x1 kcal/min = 3.76 kcal/min = 144.4 W/m²

El valor de la resistencia térmica del vestido según sus componentes, extraído de la tabla 4, es de I_cl = 2.03 clo.

De las tablas 8 y 11 para M = 145 W/m² y t_a = 20°C obtenemos, respectivamente, para v_ar = 0.2 m/s e I_cl = 2 clo, los siguientes valores:

IREQ_min = 2.20 clo

T_max = 1,16 horas

El valor de IREQ_min de 2.20 clo equivale a una vestimenta según tablas de 2.75 clo ya que se debe preveer un 25% más de resistencia térmica cuando los valores son teóricos. Como que el individuo en cuestión viste con 2 clo deberá proveerse al mismo de ropa que alcance mayor nivel de aislamiento térmico o reducir la exposición habitual hasta aproximadamente 1 hora, puesto que según el valor del IREQ_min (<I_clr) existe riesgo de estrés por frío debido al enfriamiento general del cuerpo.

Para conocer con exactitud el aumento de resistencia térmica del atuendo necesario o el tiempo de recuperación del individuo en las condiciones actuales después de la exposición máxima de 70 minutos, es necesario disponer de un programa informático.

Enfriamiento localizado

El enfriamiento de algunas partes del cuerpo especialmente manos, pies y cabeza, puede producir inconfort, disminución de la destreza manual y daños por frio.

La evaluación de los riesgos debidos al enfriamiento localizado se puede llevar a cabo a través del índice experimental WCI (Wind Chill Index), especialmente indicado para exposiciones al frío en exteriores basado en el poder de enfriamiento del viento.

El WCI (potencia calorífica perdida) se calcula a través de la expresión:

WCI = (h_c + h_r ) (t_sk-t_a) (14)

El valor de h_r es independiente del viento y es pequeño en relación a h_c a altas velocidades del aire, por lo que la expresión (14), expresando WCI en w/m² se transforma,

WCI = 1,16 (10,45 + 10(v_ar)^-1/2 -v_ar)(33-t_a ) (15)

El valor máximo de WCI admisible para evitar daños por enfriamiento localizado, es de 1600 w/m². (Tabla 2) Se define la temperatura de congelación (t_ch) como la temperatura ambiente que para valores de v_ar £ 1,8 m/s, posee el mismo poder de enfriamiento que las condiciones existentes, se puede obtener de la siguiente expresión:

t_ch = 33 WCI / 25,5 (16)

En la tabla 5 se muestran los efectos del frío a diferentes valores de WCI y T_ch , mientras que en la tabla 6 figuran los valores de t_ch según la temperatura del aire y la velocidad del viento.

Medidas preventivas

La actuación preventiva frente al riesgo de estrés por frío pasa mayoritariamente por la intervención sobre aquellas variables que intervienen en el balance térmico, susceptibles de modificación. La tabla 7 muestra un resumen de las posibles medidas preventivas a aplicar, debiendo decidirse en cada caso las mas adecuadas

Bibliografía

(1) INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION (ISO)
Technical Report ISO TR 11079:1993
Evaluation of cold environments. determination of required clothing insulation (IREQ)

(2) HOLMER, I
Required clothing insulation (IREQ) as an Analitical Index of Cold Stress
ASHRAE Transactions, 1984, V.90 (1)

(3) PARSONS, KC
Human Thermal Environments
Taylor y Francis, London. 1993

(4) AMERICAN CONFERENCE OF GOVERNMENTAL INDUSTRIAL HYGIENISTS (ACGIH)
Treshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents.
ACGIH, Cincinnati, 1997