Die Feuchtkugeltemperatur (Wet Bulb Globe Temperature, WBGT) misst die Temperatur im direkten Zusammenhang mit dem Risiko einer hitzebedingten Erkrankung, indem sie die Auswirkungen von Lufttemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Strahlungshitze berücksichtigt. Die WBGT ist der gewichtete Durchschnitt aus Feuchtkugeltemperatur, Schwarzkugeltemperatur und Lufttemperatur, wobei gilt: WBGT = 0,7Tw + 0,2Tg + 0,1Td.
Arbeitgeber mit Beschäftigten, bei denen das Risiko einer hitzebedingten Erkrankung besteht, sind laut OSHA verpflichtet, ein vollständiges Programm zur Prävention hitzebedingter Erkrankungen zu etablieren. Im Rahmen eines solchen Programms muss der Arbeitgeber über geeignete Mittel verfügen, um Faktoren für Hitzestress zu messen und zu überwachen.
Die OSHA hat Leitfäden herausgegeben, wie z. B. das 42-seitige Dokument „Using the Heat Index: A Guide for Employers“; die spezifische Vorschrift, unter die Hitzestress fällt, ist jedoch OSHA 29 U.S.C. § 654, 5(a)1.
„Jeder Arbeitgeber muss jedem seiner Arbeitnehmer einen Arbeitsplatz zur Verfügung stellen, der frei von anerkannten Gefahren ist, die den Tod oder schwere körperliche Verletzungen verursachen oder wahrscheinlich verursachen können.“
Von 1999 bis 2003 starben in den USA 3.442 Menschen an hitzebedingten Erkrankungen, und zwischen 1992 und 2006 waren 423 der Todesopfer Arbeitnehmer in den USA. Allein im Jahr 2014 litten 2.630 Arbeitnehmer unter hitzebedingten Erkrankungen, 18 von ihnen starben [US-Arbeitsministerium].
Zwischen 2012 und 2013 führten die hitzebedingten Erkrankungen von 20 Personen, von denen 13 starben, zu behördlichen Strafmaßnahmen. Bei 13 der 20 Arbeitgeber wurde festgestellt, dass sie keinen Ansatz zur Identifizierung des Risikos hitzebedingter Erkrankungen (z. B. Hitzeindex) in ihr Präventionsprogramm aufgenommen hatten [CDC].
Hitzestress wird durch nicht kompensierbaren Hitzestress verursacht. Dies tritt auf, wenn die erzeugte Wärmemenge die Rate übersteigt, mit der sie abgeführt wird. Die „Verbrennung“ von Sauerstoff und Adenosintriphosphat ist der primäre Weg, auf dem der menschliche Körper chemische Energie in kinetische Energie umwandelt. Bis zu 80 % werden jedoch in Wärme umgewandelt. Auf ähnliche Weise wird der Großteil der Energie umgewandelt, wenn Sauerstoff und Benzin in einem Motor verbrennen.
Bei der Büroarbeit erzeugt der menschliche Körper die Leistung von zwei 60-Watt-Glühbirnen (was uns beim Auswechseln einer solchen daran erinnert, wie heiß diese werden können). Bei schwerer körperlicher Arbeit im Baugewerbe kann der Körper jedoch bis zu 500 Watt erzeugen. Ist der Hitzestress nicht kompensierbar, steigt die Körperkerntemperatur und es entwickelt sich eine hitzebedingte Erkrankung.
Der belastungsbedingte Hitzeschlag ist eine tödliche Kategorie hitzebedingter Erkrankungen, bei der die Körpertemperatur 40 °C (104 °F) übersteigt. Die betroffene Person kann zunächst Kopfschmerzen, trockene Haut, erhöhte Atmung, erhöhten Puls, Übelkeit, Verwirrtheit und Schwindel verspüren.
Neben vielen anderen Faktoren bestimmen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Sonnenlicht, Wind und Luftfeuchtigkeit, wie gut der Körper Wärme abgeben kann. Die WBGT-Temperatur misst die Temperatur im Hinblick auf diese Umgebungsbedingungen spezifischer.
Die Lufttemperatur, die üblicherweise als Td, TA oder einfach T bezeichnet wird, ist ein unvollständiges Maß für Umgebungswärme. Sie misst die kinetische Energie, die mit der Bewegung der Luftmoleküle verbunden ist. Diese Art der Energieübertragung erfolgt durch Wärmeleitung. Messungen der Lufttemperatur erfassen jedoch nicht den Wärmetransport durch Verdunstung, Strahlung und Konvektion.
Die Feuchtkugeltemperatur, bezeichnet als Tw, ist ein Maß für die Temperatur, die den wirkungsvollen Prozess der Verdunstungskühlung beeinflusst. Schwitzen und, in geringem Maße, die Atmung sind die Wege, über die der menschliche Körper durch Verdunstungskühlung Wärme abgibt. Dies geschieht aufgrund der intermolekularen Kraft des Wassers, bekannt als Van-der-Waals-Kraft. Die Wasserstoffatome der Wassermoleküle werden von den Sauerstoffatomen benachbarter Wassermoleküle schwach angezogen. Bei der Verdunstung muss die mit dieser Anziehung verbundene Energie überwunden werden, um die Moleküle zu trennen. Diese Kraft, die dem Auseinanderziehen zweier Magnete ähnelt, ist als Verdampfungsenthalpie bekannt.
Wasser hat eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie von 15 Kilokalorien pro Unze. Theoretisch nimmt jede verdunstende Unze Schweiß 15 Kilokalorien Wärme mit. Zur Veranschaulichung: Ein Verlust von 15 Kilokalorien reicht aus, um 61 Pfund Wasser um 1 °F abzukühlen.
Luftfeuchtigkeit behindert den Verdunstungsprozess. Es gibt eine maximale Menge an Wasserdampf, die ein gegebenes Luft- oder Vakuumvolumen aufnehmen kann. Diese Kapazität basiert auf dem Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser. Die relative Luftfeuchtigkeit ist der Prozentwert des partiellen Dampfdrucks im Vergleich zum Gleichgewichtsdruck bei einer gegebenen Temperatur. Mit anderen Worten: Die relative Luftfeuchtigkeit ist die Feuchtigkeit im Vergleich zur Feuchtigkeitskapazität.
Wenn die relative Luftfeuchtigkeit steigt, nimmt die Verdunstungsrate effektiv ab und die Effizienz der Verdunstungskühlung durch Schweiß sinkt. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit nahe 100 % kann keine Verdunstungskühlung stattfinden.
Die offiziell höchste Temperatur auf der Erde wurde 1913 im Death Valley, Kalifornien, aufgezeichnet. Die Lufttemperatur betrug 134 °F (ca. 56,7 °C). Wäre die relative Luftfeuchtigkeit an diesem Tag hypothetisch bei trockenen 13 % gewesen, hätte die Feuchtkugeltemperatur 85 °F (ca. 29,4 °C) betragen.
Vergleichen Sie dies mit der äquivalenten Feuchtkugeltemperatur von 85 °F am 13. Juli 1995 während der tödlichen Hitzewelle in Chicago, bei der 739 Menschen starben. Die Lufttemperatur lag damals nur bei 99 °F (ca. 37,2 °C).
Die Feuchtkugeltemperatur berücksichtigt die Verringerung der Verdunstungskühlung aufgrund der relativen Luftfeuchtigkeit. Ein WBGT-Gerät enthält zudem Instrumente zur Erfassung der durch Strahlung aufgenommenen Wärme und erfasst teilweise den Wärmeverlust durch Wind, bekannt als Kugel-, Schwarzkugel- oder mittlere Strahlungstemperatur, meist als Tg bezeichnet.
Während die Lufttemperatur und die Feuchtkugeltemperatur die Wärmeenergieübertragung durch Leitung und Verdampfung messen, berücksichtigt die Schwarzkugel den Wärmetransport durch elektromagnetische Strahlung und Konvektion.
Der menschliche Körper strahlt Infrarotstrahlung ab und absorbiert Strahlung aus der Umgebung. In einer typischen Umgebung tritt ein Nettoverlust von etwa 100 Watt Körperwärme durch IR-Strahlung auf. In Gegenwart von Sonnenlicht, heißem Asphalt oder einem Ofen führen die zusätzlichen Quellen elektromagnetischer Strahlung jedoch zu einem signifikanten Nettogewinn.
Schwarzer Asphalt absorbiert mehr als 90 % der Lichtenergie der Sonne und emittiert Infrarotstrahlung wieder. Laut dem Stefan-Boltzmann-Gesetz emittiert ein 145 °F (ca. 62,8 °C) heißer Parkplatz 650 W/m². Theoretisch reicht eine Leistung von 650 W/m² aus, um 100 Pfund Wasser in einer Stunde um 14 °F zu erwärmen (über 2 m²).
In direktem Sonnenlicht und auf Meereshöhe kann eine Person etwa die doppelte Menge dieser Strahlung als Infrarot-, sichtbares und UV-Licht empfangen (53, 42 bzw. 4 Prozent). Die Sonneneinstrahlung nimmt je nach Winkel aufgrund des geografischen Standorts, der Jahreszeit und der Tageszeit ab. Die Schwarzkugel misst diesen Strahlungseffekt.
Wind wirkt jedoch den Effekten der durch Strahlung angesammelten Wärme durch Konvektion entgegen. Da Wind den Wärmeaustausch zwischen Luft und Schwarzkugel beschleunigt, dient er dazu, die Kugel abzukühlen, so wie er auch dazu dient, den Körper abzukühlen. Auf den Körper wirkt Wind jedoch zusätzlich beschleunigend auf den Verdunstungsprozess. Daher erfasst die Schwarzkugeltemperatur die konvektiven Kühleffekte des Windes nur teilweise. Wie wählt man ein adäquates WBGT-Messgerät? Prüfen Sie das Instrument und prüfen Sie den Hersteller.
Für ein echtes WBGT-Messgerät ist es wichtig zu verifizieren, dass das Gerät zusätzlich zur Feuchtkugel-Funktion mit einem Schwarzkugel-Parameter ausgestattet ist. Denken Sie bei der Durchsicht der Spezifikationen daran, dass es nicht nur um den Feuchtigkeits- und Temperaturbereich geht, sondern um einen Feuchtigkeitsbereich über den gesamten Temperaturbereich hinweg. Mit anderen Worten: Wenn der maximale Tw-Bereich 120 °F beträgt und der maximale Td-Bereich 140 °F, könnte dies bedeuten, dass bei 5 % relativer Luftfeuchtigkeit der Feuchtkugel-Temperaturbereich tatsächlich nur 79 °F und nicht 120 °F beträgt. Klären Sie diese Spezifikation mit dem Hersteller.
Ein Messgerät mit Datenlogger- oder drahtloser Datenübertragungsfunktion ist vorteilhaft, da die Daten für Regulierungs- und Akkreditierungsstellen nützlich sind und für die Validierung und Verifizierung Ihres Programms zur Prävention hitzebedingter Erkrankungen unerlässlich sind.
Bestätigen Sie, dass das Instrument mit einem Kalibrierzertifikat geliefert wird, das gemäß den Testkriterien der ISO/IEC 17025 NIST-rückführbar ist. Stellen Sie außerdem sicher, dass das Instrument mit einer Garantie und einer sicheren Rückgaberichtlinie geliefert wird.
Stellen Sie fest, ob der Hersteller ein etabliertes Qualitätsprogramm hat. Neben Akkreditierungen und langjähriger Geschäftstätigkeit sind Anzeichen für ein robustes Qualitätsprogramm die Fähigkeit eines Herstellers, wissenschaftliche und regulatorische Fragen zu beantworten. Ein Hersteller sollte bereit sein, Fragen zu Funktion, Qualität, Spezifikationen, Validierung und Vorschriften zeitnah zu beantworten. Ein weiteres Maß für eine etablierte Qualitätsabteilung ist die Kapazität, Kalibrierungen, Methodenentwicklungen und Proof-of-Concept-Tests für ihre Kunden durchzuführen.