Recientemente se ha sometido a voto el borrador de la ISO/TS 16976-5 que define los efectos térmicos de los EPR sobre el cuerpo humano

EPR: factores humanos. Efectos térmicos

Ramón Torra Piqué, Dr. Ingeniero Industrial01/02/2023

Debido a la naturaleza de sus ocupaciones, millones de trabajadores en el mundo utilizan equipos de protección respiratoria (EPR). Para un adecuado diseño, selección y uso de los EPR, las exigencias básicas fisiológicas del usuario deben tenerse en cuenta. El funcionamiento de un dispositivo para la protección de las vías respiratorias, el modo o forma que ha sido diseñado y las propiedades de los materiales que lo componen, pueden tener un efecto térmico sobre el cuerpo humano.

El Comité Técnico de ISO/TC 94/SC 15, en colaboración con el Secretariado DIN responsable de la normativa EN para EPR en la Unión Europea, prepara Estándares Internacionales, que revisan desde el inicio la normativa existente para que se adopten globalmente. Recientemente, se ha sometido a voto el borrador de la ISO/TS 16976-5 que define los efectos térmicos de los EPR sobre el cuerpo humano.

En el estándar se analizan los efectos térmicos sobre los siguientes órganos y/o funciones en el cuerpo humano:

La piel que entra en contacto con el EPR, en su manejo (las manos) o en su uso (la cara). Generalmente, en condiciones de uso del EPR los efectos serán pequeños y relativos con la incomodidad térmica. Solamente en caso de ambientes extremos el EPR o sus componentes incrementan el riesgo de un efecto térmico sobre la piel.
Las vías respiratorias y pulmones vienen afectadas por el aire frío o caliente durante el uso del EPR, en función de su tipo, materiales, nivel de actividad y condiciones medio ambientales.
El intercambio de calor del cuerpo con el medio ambiente se efectúa básicamente a través de las vías respiratorias y de la piel. El uso del EPR afecta al balance global al modificar las características del aire respirable y en mayor o menor extensión por el área del cuerpo que cubre.

Esta temática se describe y cuantifica en el artículo que nos ocupa, cuya divulgación considero interesante, puesto que sienta las bases técnicas para una mejor especificación de los requisitos de diseño, tanto funcional como de los materiales que constituyen los EPR.

El estándar toma como base de referencia una extensa normativa ISO existente, que oportunamente menciono para aquellos que deseen mayor información específica.

Definiciones

En el texto del artículo aparecen los parámetros que se definen a continuación:

addMR. Es el ratio metabólico adicional en %, debido al peso extra del Vestuario de Protección Personal (VPP) y/o del EPR utilizados.
clo. Es una unidad para expresar el aislamiento térmico del VPP. Un clo es igual a 0,155 m² °C/W.
IREQ. Es un índice de estrés al frío, definido como el aislamiento requerido y determinado conforme a ISO 11079.
PHS. Es un índice de estrés al calor como efecto pronosticado del calor y determinado conforme a ISO 7933.

Nota: mantengo las siglas originales del texto en inglés.

Efectos térmicos sobre la piel

Las partes del EPR en contacto con la piel transfieren calor por conducción a las manos (manejo), a la cara (adaptador facial) y cabeza o torso. La magnitud del efecto depende de la presión, estructura de la superficie, tamaño del área de contacto, masa y propiedades térmicas del material en contacto (generalmente de baja conductividad, con excepción de los metales).

Superficies calientes (ISO 13732-1)

El estándar contiene dilatada información acerca del contacto con la piel de diferentes materiales. La figura 1 muestra las temperaturas superficiales del aluminio pulido que puede causar quemaduras. Otros materiales, acero y cobre, a altas temperaturas pueden ser igualmente peligrosos. El plástico, cristal y cerámicas requieren más altas temperaturas para causar daños.

Figura 1: Temperaturas superficiales de metal pulido que puede causar quemaduras en la piel. Zona 1 indica un alto riesgo de quemadura; Zona 2 señala un riesgo posible de quemadura; y Zona 3 corresponde a temperaturas superficiales seguras.

Superficies frías (ISO 13732-2)

Este estándar, al igual que su homónimo, proporciona información de los efectos de las superficies frías sobre el contacto con la piel. Los materiales metálicos se enfrían rápidamente pudiendo causar un inicio de congelación. La figura 2 muestra las curvas de enfriamiento por contacto del dedo con superficies metálicas a temperaturas determinadas. La temperatura de contacto (Tc) cae en pocos segundos a 0°C en la superficie de contacto con el dedo. El riesgo del inicio local de daños por congelación es altamente posible.

Figura 2: Cambio en el Tc del dedo en contacto con superficies metálicas de aluminio y acero a temperaturas de -20, -30 y -40 °C.

El enfriamiento de la piel a 15 °C se asocia con una sensación de daño. Cuando la piel se enfría a 7 °C se experimenta un aumento de la insensibilidad (adormecimiento).

Las figuras 3 a 5 muestran la temperatura superficial de varios materiales que pueden causar diferentes efectos a la piel en función de la duración del contacto para alcanzar las determinadas temperaturas de inicio congelación, adormecimiento y dolor.

Figura 3: Temperatura superficial aceptable en función del tiempo para Tc, para alcanzar 0 °C (dedo tocando la superficie fría entre 0,5 y 100 segundos).

Figura 4: Temperatura superficial aceptable en función del tiempo para Tc, para alcanzar 7 °C (dedo tocando la superficie fría entre 0,5 y 100 segundos).

Figura 5: Temperatura superficial aceptable en función del tiempo para Tc, para alcanzar 7 °C (dedo tocando la superficie fría entre 0,5 y 100 segundos).

Efectos debidos al adaptador facial

Generalmente, se produce un enfriamiento o un calentamiento sobre el aire respirable según sea éste caliente o frío, en función del tipo de EPR. El uso de aire comprimido no representa dificultades en ambientes calientes. La temperatura del aire respirable puede ser problemática en los EPR de circuito cerrado, recomendando no exceder los 45 °C.

A bajas temperaturas de -30 °C, el riesgo de condensación y hielo por la humedad del aire exhalado en válvulas y visores es notorio, principalmente a nivel bajo de actividad. Por otra parte, cabe señalar el riesgo de congelación del agua en el aire comprimido al reducir su presión, si se excede el contenido de humedad prescrito, llegando a obstruir el paso total de aire al adaptador facial.

Efectos sobre los tejidos de las vías respiratorias y pulmones

El aire tiene una baja densidad y pequeña capacidad calorífica. La construcción anatómica y fisiológica del tracto respiratorio, principalmente en su parte superior, proporciona significativas características para preservar el calor corporal y la humedad, al mitigar el enfriamiento o calentamiento, debido a las condiciones ambientales.

Aire ambiental caliente

La inhalación a alta temperatura de aire puede causar sensación de dolor y eventualmente quemaduras en los tejidos. Durante cortos intervalos la respiración nasal se dificulta con aire ambiente seco a 125 °C, mientras que por la boca puede llegarse a los 150 °C. Respirar aire saturado a 60 – 70 °C es incómodo en reposo (sauna de vapor) e intolerable para largos periodos de actividad.

Aire ambiental frío

La inhalación de aire a muy baja temperatura puede causar irritaciones y constriñe los bronquios, produciendo tos y reacciones asmáticas.

El estándar ISO 11079 recomienda valores límite de temperatura para el aire inhalado (ver tabla A). El adaptador facial actúa como un intercambiador de calor y atempera ligeramente el aire, si bien debe tenerse cuidado con el aire comprimido que se enfría durante la expansión.

Tabla A: Bajas temperaturas recomendadas para el aire inhalado a dos niveles de actividad y dos síntomas de dolor.

Efectos sobre el balance calórico corporal

El intercambio corporal con el ambiente básicamente se efectúa a través del sistema respiratorio y por la piel.

Intercambio de calor por la respiración

El intercambio de calor del aire frío o caliente a través de las vías aéreas se controla en parte por la respiración nasal. En caso de ejercicio moderado o pesado es necesario respirar por la boca, siendo el intercambio calórico y la humedad menos eficaz. El intercambio de calor es función de la ventilación y la diferencia de temperaturas entre el aire inhalado y el exhalado. Las ecuaciones empíricas propuestas por Fanger son:

E_res = 0,0173 M (p_ex – p_a)

C_res= 0,0014 M (t_ex – t_a)

t_ex = 29 – 0,2 t_a

E_res y C_res son, respectivamente, el intercambio de calor por evaporación y convección de la respiración, mientras M es la carga metabólica, todo ello expresado en W/m². Las presiones del vapor de agua en el aire expirado (p_ex) y del vapor en el aire ambiente (p_a) se expresan en kPa. Se asume que el aire exhalado está saturado y tiene una temperatura (t_ex) función de la temperatura ambiental.

Los EPR filtrantes funcionan como un intercambiador de calor, calentando o enfriado el aire inhalado, según sea el aire ambiente frío o caliente. Los ERA proporcionan aire frío y seco que es beneficioso en ambientes cálidos, pero se pierde mayor calor y agua por evaporación, que en condiciones normales. En ambientes fríos la pérdida adicional de calor requiere usar vestuario de abrigo, para compensar el balance calórico corporal.

Intercambio de calor por la piel

La mayor parte del calor corporal se disipa por la piel. El efecto del EPR depende de su principio de funcionamiento, de la superficie de piel que cubre y grado de transpiración del material que lo compone.

Un EPR con capuz de material impermeable afecta sustancialmente al intercambio corporal del calor en ambiente caluroso, a menos que disponga de ventilación asistida, la cual reduce el estrés térmico. En ambiente frío, la ventilación favorece la pérdida de calor corporal.

En algunas aplicaciones, el EPR se combina con un traje de protección química o un traje de bombero, en cuyo caso las exposiciones se limitan a 30-60 minutos, debido al estrés térmico que se provoca, paliado únicamente usando ventilación en el TPQ o ropa transpirable en el vestuario de intervención del bombero.

Valoración del intercambio de calor total

La combinación de los flujos de calor por la respiración y por la piel permite analizar las condiciones de intercambio total de calor del cuerpo, a fin de paliar los posibles riesgos de hipertermia o hipotermia.

En un ambiente cálido, el EPR puede agravar el estrés térmico, debido a su peso, área cubierta de la piel o efecto del vestuario de protección requerido. Es típico utilizar la fórmula siguiente: addMR % = 2,71 x el peso extra (kg)

La tabla B proporciona una clasificación del Ratio Metabólico (MR).

Tabla B: Clasificación del trabajo basado en el ratio metabólico (MR). En la columna 4 se indica cuando es necesario corregir el MR.

Estrés por calor (ISO 7933)

En el estándar se usa el índice de PHS para la valoración del estrés por calor de todo el cuerpo, basado en la ecuación de balance corporal al calor y calcula el incremento de la temperatura rectal y la pérdida de agua debido al sudor durante el periodo de trabajo.

A los valores hallados conforme a ISO 7933 debe añadirse la influencia térmica debida al EPR y vestuario de protección utilizado, puesto que suponen un coste energético adicional, que conducen a una fatiga prematura. En la figura 6 se expone un ejemplo de una persona trabajando (con MR =165) en el exterior a 35 ºC, llevando vestuario normal. La temperatura rectal se mantiene a 38 °C después de 60 minutos. Cuando usa un ERA, en las mismas condiciones, su temperatura rectal alcanzaría los 40 °C a los 60 minutos, debiendo, por lo tanto, limitar el ejercicio a los 30 minutos.

Figura 6: Efecto de la temperatura rectal por ejercicio moderado con y sin ERA en un ambiente caluroso (35 °C, 60% RH).

Estrés por frío (ISO 11079)

El estándar determina el vestuario de aislamiento requerido (IREQ), a cuyos valores hay que tener en cuenta el efecto de usar un EPR, que aumenta el MR y por ello el calor corporal a disipar, debiendo por ello ajustar el aislamiento del vestuario o rebajar la carga metabólica de trabajo. Un ejemplo nos clarificará la situación.

Una persona realizando un trabajo moderado (165 W/m²) en un ambiente con temperatura de -15 °C, requiere un traje aislante (IREQ = 2,5 clo) para disponer de un balance de calor corporal equilibrado. El uso de un EPR incrementa el MR (250 W/m²), entonces o bien se reduce el vestuario (IREQ= 1,5 clo) o el exceso de calor debe ser compensado por evaporación de sudor adicional, lo cual es difícil, puesto que éste se condensa sobre el tejido. La alternativa correcta es reducir la carga metabólica de trabajo a MR= 165 W/m², lo cual permite mantener el mismo vestuario de aislamiento.

Bibliografía