Wydatek energetyczny

Badanie obciążenia fizycznego – pomiar wydatku energetycznego

    Wysiłek fizyczny konkretnego pracownika można ocenić na podstawie szczegółowych badań fizjologicznych i psychologicznych, gdzie bierze się pod uwagę przeciętne wymagania na danym stanowisku pracy. Uzyskanie bardzo dokładnych wyników wymaga specjalistycznej aparatury, a czasem nawet przeprowadzenia badań laboratoryjnych. Dlatego też oceny takiej można dokonać przy użyciu metod przybliżonych, orientujących co do stopnia obciążenia pracą, bez uwzględnienia jej warunków środowiskowych. Oceny obciążenia fizycznego dokonuje się najczęściej przy stosowaniu technik analizy uciążliwości pracy. W celu zmniejszenia uciążliwości pracy dokonuje się oceny obciążenia nią pracownika. Ocena taka powinna obejmować kompleksowe badania:

1. wielkości wydatku energetycznego (WE), charakterystyczne dla prac fizycznych
2. udziału wysiłku o charakterze statycznym
3. stopnia monotypowości ruchów

     Pełna ocena uciążliwości pracy przez pomiar wymienionych składników pozwala uzyskać wyniki stosunkowo dokładne, a nie absolutnie obiektywne ze względu na aktualny stan wiedzy i złożoność badanych zjawisk fizjologicznych. Otrzymane rezultaty mogą stanowić podstawę do zmniejszenia uciążliwości pracy, a nawet zapewnienia komfortu poprzez zmianę organizacji pracy, racjonalnego ustalenia zakresu zadania i lepszego ukształtowania stanowiska pracy. Zaoszczędzona w ten sposób energia może być przeznaczona na realizację innych zadań, w ten sposób przyczyniając się do wzrostu wydajności pracy. Wyniki pomiaru zatem powinno oceniać się w aspekcie humanitarnym  i ekonomicznym.

Obciążenie pracą dynamiczną – pomiar wydatku energetycznego (WE)

    Wydatek energetyczny jest podstawowym parametrem określającym ilość energii wydatkowanej przez człowieka podczas wykonywania pracy. Ocena cie1kosci pracy jest jednym z elementów analizy ergonomicznej stanowiska pracy, jest również niezbędna do realizacji rozporządzeń Rady Ministrów z dnia 28.05.1996 r. w sprawie profilaktycznych posiłków i napojów oraz z dnia 10.09.1996 r. w sprawie prac wzbronionych kobietom.
    Analiza energetycznych zmian zachodzących podczas wysiłku jest często stosowaną metodą oceny obciążenia na stanowisku pracy. Ocena kosztu energetycznego różnych czynności, występujących w pracy zawodowej umożliwia dokonanie charakterystyki stanowisk pracy i może być pomocą w doborze pracowników do określonych prac. Na ilość energii zużywanej przez organizm w czasie wykonywania pracy składa się wydatek energetyczny spoczynkowej przemiany materii i wydatek energetyczny pracy efektywnej, czyli energii spożytkowanej na wykonanie danej czynności. Wydatek energetyczny określany jest w dżulach (J), w watach (W), kaloriach (cal) lub w kilokaloriach (kcal) na jednostkę czasu.
    Wielkość wydatku energetycznego można obliczyć, w zależności od charakteru środowiska pracy, przy pomocy trzech metod /1/:

1.  metody chronometrażowo-tabelarycznej
2.  metody gazometrycznej
3.  telemetrycznie mierzonej częstości skurczów serca

Wydatek energetyczny - Chronometrażowo-tabelaryczna metoda Lehmana

  Metoda chronometrażowo-tabelaryczna polega na: wyodrębnieniu czynności elementarnych, posegregowaniu ich wg określeń zawartych w tabelach (opracowanych przez fizjologów – tabele A i B), w których określono wartości jednostkowego WE, właściwe dla czynności składowych całego procesu ruchowego, przeprowadzeniu dokładnego chronometrażu czasu czynności wykonywanych przez pracownika, wyliczeniu łącznej wartości WE przypadającej na zmianę roboczą, skonfrontowaniu wyniku z wartościami przypisanymi dla danej kategorii stopnia ciężkości pracy oraz dokonanie zakwalifikowania badanego typu obciążenia. (Tabela C)

   Tabela A podaje wydatek energetyczny związany z przyjęciem określonej pozycji ciała przy pracy i zaangażowania mięśni, a druga (Tabela B) - różnych czynności. Koszt energetyczny określa się poprzez sumowanie wyników uzyskanych z obydwu tabel.

Otrzymany wynik służy do odczytu w tabeli podającej ocenę pracy według wielkości wydatku energetycznego. (Tabela C)  Tabela ta zawiera 7 przedziałów oceny słownej od pracy lekkiej do wyczerpującej.  Metoda ta wymaga przeprowadzenia dokładnego chronometrażu czynności, wykonywanych przez badanego pracownika. 

    Po obliczeniu, ile czasu podczas zmiany roboczej (należy uwzględnić około 10% czasu na ewentualne przerwy)  pracownik zużywa na jednolite pod względem energetycznym czynności, mnoży się uzyskane wartości czasu (w min) przez odpowiednie liczby kilodżuli zawarte w tabelach. 

   Suma iloczynów jest wielkością wydatku energetycznego w badanym czasie. Po określeniu wydatku energetycznego w ciągu dnia można zaklasyfikować dany rodzaj pracy do odpowiedniej grupy ciężkości.
   Łatwość sto sowania tej techniki sprawia, że może być wykorzystana w prawie każdych warunkach. Główną zaletą metody jest komfort pracownika , gdyż nie stosuje się żadnej aparatury, a dokonywanie ocen nie wpływa na przebieg wykonywanych czynności. Ponadto błąd uzyskany przy korzystaniu z tej metody mieści się w granicach akceptowanych w badaniach o charakterze praktycznym. 

    Dane o wielkości wydatku energetycznego w ciągu całego dnia roboczego trudno porównywać, ponieważ na dwu podobnych z nazwy stanowiskach, ale odmiennych pod względem rodzaju obsługiwanych maszyn, wielkości przemieszczanych ciężarów, tempa pracy, organizacji pracy itp. Wydatek energetyczny pracowników może się znacznie różnić.

   Należy także pamiętać, że nie mówi się niczego o zaangażowaniu umysłowym, o wymogach stawianych spostrzeganiu, koncentracji lub zręczności./2/ W metodzie nie uwzględniono warunków zewnętrznych jakie panują podczas wykonywania przez pracownika operacji takich jak nadmierna temperatura w miejscu pracy lub jednostronne obciążenie statyczne.

Przy analizie wydatku energetycznego również nie bierze się pod uwagę wieku osób wykonujących pracę, który w znacznym stopniu wpływa na indywidualne predyspozycje pracownika.
 

Wydatek energetyczny – Metoda gazometryczna

Metoda gazometryczna oparta jest na pomiarach wskaźników wymiany gazowej jaka zachodzi w procesie pracy między człowiekiem a otoczeniem. Przy jej pomocy określa się ilość O2 lub CO2, względnie pobieranego, czy wydalanego powietrza. Przy pomocy tej metody można określić wartość:
 

• tlenu pobieranego dla wykonywania konkretnych czynności
• maksymalnego poboru tlenu dla danego osobnika w dniu pomiaru

Badania gazometryczne można wykonywać stosując specjalistyczną aparaturę (np. Miernik MWE-1), którą pracownik winien nosić w trakcie wykonywania czynności roboczych. Zmniejsza to jednak komfort, a u niektórych pracowników powoduje dodatkowy stres co ma w pływ na otrzymane wyniki. Metoda ta opiera się na pomiarach wskaźników wymiany gazowej, a wydatek energetyczny oblicza się w ilości zużytego tlenu. Zużycie to może być uważane za wskaźnik wysokości wydatku energetycznego podczas pracy i jednocześnie za miernik wydajności fizycznej organizmu. Pomiędzy ilością zużytego tlenu podczas wysiłku i wielkością minutowej wentylacji płuc istnieje wysoki współczynnik korelacji i prawie liniowa zależność. Na podstawie zależności tej można obliczyć przybliżoną wartość wydatku energetycznego, posługując się równaniem Datta-Ramanathana/3/:

E = 0, 21 x V E(STPD)

gdzie: 

E = wydatek energetyczny w kJ/min;
VE E (STPD) = wentylacja płuc, w l/min w warunkach STPD (objętość gazu suchego w temperaturze 0ºC i ciśnieniu atmosferycznym 101, 3 kPa).

Ilość tlenu, którą organizm człowieka jest zdolny przyjąć, zależna jest od stanu fizycznego człowieka i stopnia jego wytrenowania(wprawy) oraz przystosowania do pracy. Waha się ona  w granicach 2,5 l/min do 6,01 l/min/4/. Im większa jest ta zdolność, tym większy wysiłek jest on w stanie podejmować i kontynuować. Pod względem wydolności fizycznej istnieją duże różnice międzyosobnicze nawet wśród ludzi zdrowych, ponieważ poziom ten zmienia się wraz z wiekiem oraz jest niższy u kobiet niż u mężczyzn. Fizjologia pracy wyróżnia wydolność maksymalną, określoną według maksymalnego zużycia tlenu przy krótkotrwałym, maksymalnym obciążeniu i wydolność zawodową, przy której dopuszczalne obciążenia związane jest z wydatkiem energetycznym, nie przekraczającym 8 400 kJ w ciągu                 8-godzinnego dnia pracy.
W zależności od zużycia tlenu praca mięśni może być podzielona na 3 rodzaje/5/:

1. lekką, gdy zużycie wynosi 0,5 do 1,02 l/min
2. umiarkowanie ciężką, gdy wynosi 1 do 2 l/min
3. ciężką, gdy jest większe niż 2 l/min

   Najbardziej korzystne warunki z punktu widzenia tego miernika stwarza praca umiarkowana, ponieważ zaopatrzenie w tlen jest wystarczające i praca mięśni odbywa się za pomocą procesów tlenowych.

Tym samym organizm osiąga stan równowagi pomiędzy powstawaniem a wydalaniem produktów przemiany materii. Stan tej równowagi decyduje o oszczędności kosztu energetycznego i pozwala na długotrwałe wykonywanie pracy. W przypadku ciężkiej pracy sprawa wygląda inaczej. Taka praca wymaga dużych ilości tlenu i jeśli zaopatrzenie w tlen jest niewystarczające, to organizm człowieka czerpie energię z procesów beztlenowych. W tej sytuacji dalsze wyzwalanie energii jest jeszcze możliwe, ale powstają szkodliwe produkty przemiany materii. Szybkie i obfite pojawienie się tych produktów we krwi uniemożliwia ich likwidację i powoduje, że gromadzą się one stale. Organizm pracuje wtedy w warunkach długu tlenowego, który musi wcześniej lub później spłacić. Ponieważ nie jest w stanie dokonać tego w trakcie pracy, realizacja długu przesuwa się na okres spoczynku. Tymczasem niedobór tlenu sprawia, że szybkość beztlenowych procesów rozpadu substancji energetycznych zdobywa przewagę nad ich tlenową odbudową, dając w efekcie spadek wydolności organizmu i ograniczenie zdolności do wykonywania pracy/6/.

Wydatek energetyczny – Metoda telemetrycznej miary skurczów serc

    Wykonanie znaczniejszego wysiłku fizycznego wymaga zaangażowania wielu funkcji fizjologicznych człowieka. Pomiar częstości tętna stanowi najbardziej dostępną metodę badania reakcji układu krążenia w czasie pracy zawodowej. W analizie częstości skurczów serca (liczby uderzeń serca) bierze się pod uwagę wydatek serca rozumiany jako całkowita liczba jego skurczów ponad poziom spoczynkowy, niezbędny do wykonania określonej pracy. Wydatek serca w czasie odnowy jest natomiast sumą jego skurczów ponad poziom spoczynkowy od zakończenia pracy do powrotu do stanu spoczynku czyli przed podjęciem czynności. Ogólny wydatek serca obejmuje zatem wydatek na pracę i na odnowę. Ocena obciążenia organizmu na podstawie pracy układu krążenia może być w zasadzie dokonywana za pomocą dwóch wskaźników:

• częstości tętna;
• czasu powrotu tętna do poziomu spoczynkowego.

    Częstość skurczów serca zależy od wielu czynników natury wewnętrznej i zewnętrznej. Największy wpływ wywiera wysiłek dynamiczny i stres cieplny. Ponadto należy brać pod uwagę wysiłek statyczny, obciążenie psychiczne, hałas oraz stan zdrowia pracownika. Metoda badania obciążenia za pomocą częstości tętna może być stosowana przy ocenie prac lekkich lub umiarkowanie ciężkich z punktu widzenia zużycia tlenu czy też wydatku energetycznego, ale wymagających znacznego wysiłku statycznego bądź prac, przy których zaangażowana jest tylko ograniczona grupa mięśni. Przyśpieszenie tętna w takim przypadku świadczy o narastającym zmęczeniu. Jeśli natomiast obciążenie pracą przekracza fizjologiczne możliwości organizmu albo też warunki środowiska wpływają obciążająco na jego funkcje fizjologiczne poza granice przystosowania, wówczas ocena obciążenia na podstawie częstości tętna w czasie pracy jest niedokładna. Wtedy bowiem częstość tętna będzie stale wzrastać, wydłuży się powrót do poziomu spoczynkowego po zakończeniu pracy. Z tego względu bardziej czułym miernikiem obciążenia organizmu jest czas powrotu tętna do poziomu spoczynkowego, czyli czas odnowy, a właściwie wydatek serca w czasie odnowy /7/.

Obciążenie statyczne

    W trakcie wykonywania pracy występuje zawsze obciążenie statyczne. W związku z tym celowe wydaje się stosowanie metody oceny uciążliwości wynikających z wysiłków statycznych. Ocena obciążenia statycznego nie może być oparta na ścisłych metodach naukowych jako zbyt kłopotliwych. Dlatego też stosuje się bardziej praktyczną metodę – analizę przyjmowanych przez pracownika pozycji ciała podczas wykonywania pracy.
   Wprawdzie fizjologia pracy wyróżnia pracę dynamiczną i statyczną,/8/ jednakże każdej pracy dynamicznej towarzyszą napięcia statyczne części grup mięśniowych. Decydują one o przyjmowaniu pożądanej pozycji ciała. Praca statyczna powoduje wystąpienie innego rodzaju aktywności mięśni. /9/ Praca statyczna występuje, gdy na zewnątrz nie obserwuje się ruchu kończyny czy tułowia, ale mięśnie są napięte (skurcze izometryczne) i wytwarzana siła może przeciwdziałać sile równej sile ciężkości. Nie ma zatem pracy w sensie mechanicznym. Jednak wzrost napięcia mięśnia jest czynnym procesem fizjologicznym i często stanowi duże obciążenie dla organizmu człowieka.
   Praca statyczna w porównaniu z pracą dynamiczną jest przy jednakowym wydatku energetycznym bardziej uciążliwa. Jest to spowodowane różnicą miejscowego niedoboru tlenu. Mięśnie zmęczone wykazują słabszą czynność, gdy nie dysponują odpowiednią dla swej pracy ilością tlenu. Istotną cechą pracy statycznej jest stosunkowo małe zużycie energii. Nawet duże, statyczne obciążenie mięśnia powoduje znacznie mniejszy wydatek energetyczny niż przy wykonywaniu lekkiej pracy dynamicznej. Koszt fizjologiczny pracy statycznej nie może być wyrażony w kaloriach. Mimo niewielkiego zapotrzebowania energetycznego w mięśniu pracującym w takich warunkach powstają warunki do tworzenia długu tlenowego i wzrostu znaczenia przemian beztlenowych. Obciążenie statyczne można określić w warunkach laboratoryjnych oraz na podstawie oceny szacunkowej, która odznacza się łatwością stosowania i przydatnością w badaniach przeprowadzanych w warunkach naturalnych. Oceny obciążenia statycznego dokonuje się w oparciu o znajomość takich czynników jak /10/:

•  rodzaj postawy (stojąca, kuczna itp.) w trakcie wykonywania czynności roboczych
•  stopnia wymuszenia zajmowanej pozycji i pochylenia ciała
•  możliwość zmiany pozycji ciała przy wykonywaniu danej czynności

    Ocena obciążenia statycznego jest poprzedzona chronometrażem pracy pracownika. Obserwując przebieg pracy zapisujemy nie tylko czynności ruchowe, ale także zajmowaną postawę tułowia, położenie kończyn i ich czynności ruchowe itp. Przez wymuszenie należy rozumieć konieczność utrzymania określonej pozycji ciała w czasie niezbędnym do prawidłowego wykonania pracy, np. przy montażu drobnych elementów, w prowadzeniu długotrwałych operacji chirurgicznych, wczytywaniu danych do komputera. Wiąże się to z koniecznością skupienia uwagi i wzmożoną kontrolą wykonywanych ruchów. Na wymuszenie pozycji ciała wpływa również duża powtarzalność operacji ruchowych, czyli monotypowość czynności. Natomiast zmienność wykonywanych zadań zmniejsza stopień wymuszenia. W przypadku, gdy pracownik w ciągu zmiany roboczej wykonuje często prace w różnych pozycjach ciała, to do oceny należy więc wziąć pozycję najbardziej obciążającą statycznie pod warunkiem, że łączny czas trwania pracy w tej pozycji wynosi w sumie ponad 3 godziny w ciągu zmiany /11/. Aby pełniej uwzględnić stopień uciążliwości, wynikającej z wysiłku statycznego, należy zwrócić uwagę na udział w procesie pracy elementów związanych z dłuższym podtrzymywaniem ciężarów. Jeśli elementy tego rodzaju powtarzają się systematycznie, to kategorię oceny ustaloną na podstawie analizy pozycji ciała należy zwiększyć o jeden stopień. Następnie na podstawie danych z tabeli określamy stopień obciążenia statycznego: słownie i w skali punktowej (tabela D).
   Stosunkowo prostą i tanią metodą badania obciążeń statycznych są wywiady, dotyczące odczuwanego przez pracowników dyskomfortu podczas pracy. Metody oparte na subiektywnych odczuciach dostarczają wyników, które należy traktować z ostrożnością. Mogą być one przydatne we wstępnej analizie zagadnienia. W celu uporządkowania prowadzonego wywiadu można posłużyć się diagramem ciała ludzkiego, na którym wyznaczono strefy istotne z punktu widzenia dyskomfortu czy bolesności spowodowanej obciążeniem statycznym /12/.

Monotypowość ruchów roboczych

Uciążliwość pracy wynikająca z monotypowości ruchów bierzemy pod uwagę wówczas, gdy mamy do czynienia z powtarzającymi się czynnościami roboczymi, wciągającymi za każdym razem do działania te same grupy mięśniowe. Obarczenie pracą tylko pewnych grup mięśni wywołuje bowiem stany miejscowego zmęczenia, które zwiększają ogólne zmęczenie pracownika, podczas gdy pozostałe części ciała są w zasadzie w spoczynku /13/ Monotypowość ruchów występuje często przy pracach całkowicie zmechanizowanych, gdzie udział człowieka jest ściśle określony w czasie i przestrzeni, zredukowany do podawania lub odbierania materiału lub przy montażu ręcznym przy taśmie potokowej. W ocenie monotypowości ruchów roboczych analizuje się następujące elementy:

• stopień ograniczenia ruchowego
• liczbę powtórzeń
• wielkość rozwijanych sił przez pracujące mięśnie

   Liczbę ruchów można obliczyć na podstawie liczby oraz struktury planowanych operacji i czynności, albo na podstawie obserwacji pracy wykonywanej przez pracownika. Uciążliwość pracy wzrasta przy zwiększaniu zaangażowania sił i zbliża się do wartości największej pracy przy maksymalnym obciążeniu. Duże znaczenie dla wielkości wydatkowanej energii, sił oraz zmęczenia mięśni ma sposób pokonywania oporów, czyli kinematyka części ciała przy wykonywaniu pracy.
   Wielkość wydatku energetycznego związanego z obciążeniem monotypowym jest znikoma i nie może być miernikiem jego uciążliwości. W związku z tym, że trudno znaleźć obiektywne mierniki wielkości obciążenia monotypią, stosuje się metodę szacunkową  i poszczególnym stopniom uciążliwości przypisuje się odpowiednią liczbę punktów  z określonego przedziału. (Tabela E -  zawiera przykład skali oceny punktowej i słownej w zależności od liczby powtórzeń ruchów i zużywanych sił.) Należy zauważyć, że monotypowość ruchów ma pewien związek z monotonią pracy. Wielokrotne powtarzanie tych samych ruchów stanowi podstawowy czynnik wywołujący monotonię, która jest formą zmęczenia psychicznego człowieka /14/.
 

Czasochłonność i koszt pomiarów

Istotnymi czynnikami warunkującymi rozpoczęcie i prowadzenie badań-pomiarów jest ich czasochłonność oraz koszt. Ze względu na zróżnicowany charakter stosowanych metod jak i obiektów badań - stopnia zaawansowania procesów na stanowiskach roboczych – trudne jest określenie dokładnych wartości dla w/w czynników. Koszty wykonania pomiarów wahają się w granicach 800 zł. – 1300zł. Za jedno stanowisko robocze. Niemniej jednak trzeba pamiętać że w przypadku gdy na danym stanowisku pracuje i mężczyzna i kobieta to trzeba wykonać dwa pomiary co w konsekwencji zwiększa koszt dwukrotnie. Czas wykonania pomiarów to od 1 do 4 dni na stanowisko robocze w zależności od procesu, stosowanej metody oraz ilości wykonanych pomiarów na jednym stanowisku. /15/

Bibliografia

/1/Bugajska J., Ocena obciążenia pracą fizyczną dynamiczną na stanowisku pracy, w:Nauka o pracy bezpieczeństwo, higiena, ergonomia, pod red. nauk. Koradeckiej D.,CIOP, Warszawa 2000;
/2/Nawarra L., Materiały do nauczania ergonomii i ochrony pracy, skrypty uczelnianie AGH, nr 782, Kraków  1980;
/3/Filipkowski S., Podstawy ergonomii w przemyśle, PWN, Warszawa 1972;
/4/Filipkowski S., Ergonomia przemysłowa. Zarys problematyki, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1970;
/5/J.Penc, S. Szumpich „Ergonomia przemysłowa a wydajność pracy” Instytut Wydawniczy   CRZZ, Warszawa 1979;
/6/M. Wróblewska, Skrypt dla studentów – Nr. 265 „Ergonomia” Politechnika Opolska, Opole 2004;
/7/Ergonomia, pod red. Pacholskiego L., Politechnika Poznańska, Poznań 1986;
/8/Tytyk E., Projektowanie ergonomiczne, PWN, Warszawa - Poznań 2001;
/9/Koradecka D., Łotach H. „Ocena wielkości obciążenia praca fizyczna na stanowiskach roboczych”, Wydawnictwo Centralnego Instytutu Ochrony Pracy, seria - Materiały do Studiów i Badan, nr 58, 1981;
/10/Konarska M. „Metody oceny wydatku energetycznego”, Bezpieczeństwo Pracy, nr 6, 1985;
/11/Rogoziński A. „Prosta metoda oceny wydatku energetycznego”, Bezpieczeństwo Pracy, nr 11-12, 1988
/12/Koradecka D., Sawicka A. „Ocena obciążenia organizmu pracą fizyczną”, Bezpieczeństwo Pracy, nr 11, 1987
/13/Kirschner H., Koszt fizjologiczny i energetyczny pracy fizycznej - statycznej: pojęcia, metody oceny, optymalizacja obciążeń, w: Nauka o pracy – bezpieczeństwo, higiena,
ergonomia, pod red. nauk. Koradeckiej D., CIOP, Warszawa 2000;
/14/Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 10.09.1996 r. w sprawie prac wzbronionych kobietom (Dziennik Ustaw nr 114 z dnia 27.09.1996 r, poz. 545).
/15/Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 28.05.1996 r. w sprawie profilaktycznych posiłków i napojów (Dziennik Ustaw nr 60 z dnia 30.05.1996 r, poz. 279).