Validierung des Einflusses von Kühl- und Tiefkühlhauskleidung auf Körperkerntemperatur und Energieumsatz

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Nomenklatur

0 Zusammenfassung

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Grundlagen der untersuchten physiologischen Parameter
2.1.1 Körperkerntemperatur
2.1.2 Energieumsatz
2.2 Zur Datenerhebung verwendete Messgeräte
2.2.1 Braun Thermoscan IRT 4520
2.2.2 Cortex MetaMax3B
2.3 Darstellung der verwendeten Kleidung
2.3.1 Allgemeine Kennzahlen für die Beurteilung von Kälteschutzkleidung
2.3.2 Als Studienobjekt ausgewählte Kleidung

3 Versuchshypothesen

4 Versuchsdesign

5 Verfahren der statistischen Auswertung
5.1 Ermittlung der Prüfgröße t
5.2 Signifikanzgrenzen nach Sachs
5.3 Beispielrechnung

6 Ergebnisse der arbeitsphysiologischen Laboruntersuchung
6.1 Ermittelte Unterschiede zwischen Kühllager- und Sportkleidung
6.2 Ermittelte Unterschiede zwischen Tiefkühllager- und Sportkleidung
6.3 Ermittelte Unterschiede zwischen Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

7 Diskussion der Ergebnisse und abschließende Beurteilung

8 Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1 Anstieg der Körperkerntemperatur bei Belastung

Abbildung 2.2 Verfahren zur Energieumsatzbestimmung

Abbildung 2.3 Braun Thermoscan IRT 4520

Abbildung 2.4 Cortex MetaMax 3B

Abbildung 2.5 Temperatur, Energieumsatz und Mindest-Wärmeisolation

Abbildung 2.6 Temperatur, Energieumsatz und thermische Neutralität

Abbildung 4.1 Kurzanamnese zur Wirkungsgradbestimmung

Abbildung 4.2 Proband in Kühllagerkleidung auf dem Laufband

Abbildung 4.3 Umsetztätigkeit in Tiefkühllagerkleidung

Abbildung 6.1 EU-Verlauf während eines Versuchstages

Abbildung 6.2 Arbeitsenergieumsatz bei einer Laufbandtätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.3 Arbeitsenergieumsatz bei einer Umsetztätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.4 Temperaturveränderung bei einer Laufbandtätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.5 Temperaturveränderung bei Umsetztätigkeiten in Kühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.6 Arbeitsenergieumsatz bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.7 Arbeitsenergieumsatz bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.8 Temperaturveränderung bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.9 Temperaturveränderung bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Abbildung 6.10 Arbeitsenergieumsatz bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Abbildung 6.11 Arbeitsenergieumsatz bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Abbildung 6.12 Temperaturveränderung bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Abbildung 6.13 Temperaturveränderung bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1 Grundumsatzübersicht

Tabelle 4.1 Probandenübersicht

Tabelle 4.2 Beispiel eines Versuchstages

Tabelle 4.3 Kleidungsfolgen je Proband

Tabelle 5.1 Arbeitsenergieumsatz während einer Umsetztätigkeit in Tiefkühllager- kleidung

Tabelle 5.2 Auszug aus Tabelle der Signifikanzgrenzen nach SACHS (2004)

Tabelle 5.3 Bereiche der Irrtumswahrscheinlichkeiten

Tabelle 5.4 Arbeitsenergieumsatz während einer Umsetztätigkeit in Sportkleidung

Tabelle 5.5 Bildung der Differenzenpaare

Tabelle 6.1 Arbeitsenergieumsatz bei einer Laufbandtätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.2 Arbeitsenergieumsatz bei einer Umsetztätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.3 Temperaturveränderung bei einer Laufbandtätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.4 Temperaturveränderung bei einer Umsetztätigkeit in Kühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.5 Arbeitsenergieumsatz bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.6 Arbeitsenergieumsatz bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.7 Temperaturveränderung bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.8 Temperaturveränderung bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Sportkleidung

Tabelle 6.9 Arbeitsenergieumsatz bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Tabelle 6.10 Arbeitsenergieumsatz bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Tabelle 6.11 Temperaturveränderung bei einer Laufbandtätigkeit in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Tabelle 6.12 Temperaturveränderung bei Umsetztätigkeiten in Tiefkühllager- und Kühllagerkleidung

Tabelle 6.13 Ergebnisse der arbeitsphysiologischen Laboruntersuchung

Nomenklatur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

0 Zusammenfassung

Der Tiefkühlkostmarkt in Deutschland wächst seit Jahrzehnten stetig an (Quelle Dt. Tiefkühlinstitut) und damit ist auch die Zahl an Kältearbeitsplätzen gestiegen. Da es für alle physiologischen Parameter sowohl Ober- als auch Untergrenzen der gesundheitlich unbedenklichen Werte gibt, sind die Auswirkungen der Kältearbeit auf den menschlichen Körper aus arbeitswissenschaftlicher Sicht interessant. In einem Warenverteilzentrum durchgeführte Studien belegen, dass das Arbeiten im Tiefkühllager bei Temperaturen um -24°C und im Kühllager bei Temperaturen um +3°C erhebliche physiologische Anforderungen an den Menschen stellt, wobei die bisher durchgeführten Studien jedoch keine Rückschlüsse zulassen, zu welchen Teilen die Auswirkungen auf die Kältebelastung und zu welchen Teilen auf die Belastung durch die bis zu 5 kg schwere Schutzkleidung zurück zu führen sind.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde zur Ergänzung bisheriger Studien eine Versuchsreihe durchgeführt, die diese Differenzierung ermöglichen soll. Dazu wurden zwölf männliche Versuchspersonen bei Raumtemperatur in unterschiedlichen Kleidungskombinationen verschiedenen Belastungsarten ausgesetzt, wobei die Auswirkungen auf die physiologischen Parameter Energieumsatz und Körperkerntemperatur ermittelt und ausgewertet wurden. In Sport-, Kühllager- und Tiefkühllagerkleidung gingen die Probanden jeweils 15 Minuten lang bei 4 km/h und 0% Steigung auf einem Laufband und führten 15 Minuten lang eine simulierte Kommissioniertätigkeit mit unterschiedlich großen Kisten und einem Gewicht zwischen 2 kg und 15 kg durch.

Die erfassten physiologischen Parameter zeigten dabei in Abhängigkeit der getragenen Kleidung teilweise deutliche Unterschiede. So ergaben sich bei der Veränderung der Körperkerntemperatur einzig beim Vergleich zwischen Sport- und Tiefkühllagerkleidung signifikante Unterschiede, während der Vergleich zwischen Sport- und Kühllagerkleidung bzw. Kühllager- und Tiefkühllagerkleidung keine signifikanten Unterschiede hervorbrachte. Deutlichere Unterschiede zeigten sich jedoch in den Auswirkungen der jeweiligen Kleidungskombinationen auf den Energieumsatz. Zwar erbrachte auch hier der Vergleich zwischen Sport- und Kühllagerkleidung keine signifikanten Differenzen, jedoch ergaben sich sowohl beim Vergleich zwischen Sport- und Tiefkühllagerkleidung als auch beim Vergleich zwischen Kühllager- und Tiefkühllagerkleidung hoch signifikante Unterschiede.

1 Einleitung

Der Tiefkühlkostmarkt in Deutschland wächst seit Jahrzehnten stetig an (Quelle Dt. Tiefkühlinstitut) und damit ist auch die Zahl an Kältearbeitsplätzen gestiegen. In einem Warenverteilzentrum durchgeführte Studien belegen, dass das Arbeiten im Tiefkühllager bei Temperaturen um -24°C und im Kühllager bei Temperaturen um +3°C erhebliche physiologische Anforderungen an den Menschen stellt, was durch die Parameter Herzschlagfrequenz, Blutdruck, Energieumsatz und Körperkerntemperatur abgebildet wurde. Die bisher durchgeführten Studien erlauben jedoch keinen Rückschluss darauf, zu welchen Teilen diese Auswirkungen auf das kalte Umgebungsklima bzw. auf die Belastung durch die bis zu 5 kg schwere Schutzkleidung zurück zu führen sind.

Ziel dieser Studienarbeit ist die Ergänzung der bisherigen Studien, um die durch Kleidung verursachte Beanspruchung von der Kältebeanspruchung zu differenzieren. Hierzu soll im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss des Tragens von Kühllager- und Tiefkühllagerkleidung auf die physiologischen Parameter Energieumsatz und Körperkerntemperatur anhand von Laboruntersuchungen mit zwölf männlichen Probanden validiert werden. Da die Beanspruchung eines Menschen und damit die Reaktion der physiologischen Parameter nicht ausschließlich von einer von außen einwirkenden Belastung (z.B. Arbeitsaufgabe, Klima, Sozialbedingungen) abhängt, sondern auch von den individuellen Eigenschaften des Menschen (vgl. SCHLICK et al. 2010, S. 38 ff.), sollen ausschließlich männliche Probanden untersucht und bei deren Auswahl im Besonderen auf die Einheitlichkeit von Körpergröße und -masse der Probanden geachtet werden. Des Weiteren wird vor jedem Versuch eine Kurzanamnese durchgeführt, um den Wirkungsgrad der Probanden und individuelle Lebensgewohnheiten wie z.B. Alkoholkonsum und körperliche Aktivität zu erfassen.

Zwecks Vollständigkeit der Daten und zur Ermöglichung etwaiger detaillierterer Auswertungen sollen neben den beiden untersuchten Parametern auch die Herzschlagfrequenz und der Blutdruck aufgezeichnet werden, jedoch findet für diese im Rahmen dieser Arbeit keine ausführliche Auswertung statt. Hierfür wird auf eine parallel laufende Studie ähnlicher Art mit weiblichen Probanden verwiesen.

Im Folgenden findet sich eine Definition und Erläuterung einiger für das weitere Verständnis dieser Arbeit grundlegender Begriffe. Bestandteil der durchgeführten Untersuchungen sind Kleidungskombinationen zum Schutz vor Kältebelastung beim Arbeiten in Kühl- und Tiefkühlhäusern. Hierbei stellt eine Kältebelastung gemäß DIN EN ISO 11079 (2008, S. 5) „klimatische Bedingungen, unter denen der Wärmeverlust des Körpers gerade gleich oder zu groß ist, um das Wärmegleichgewicht […] aufrechtzuerhalten“ dar. Gemäß der Norm wird dieser thermische Zustand des Körpers auch als Wärmedefizit bezeichnet. Da der Körper also in diesen Umgebungen sein thermisches Gleichgewicht nicht ohne entsprechenden Schutz aufrechterhalten kann, ist das Tragen von Schutzkleidung notwendig, um den Menschen vor Unterkühlung zu schützen. Unter dieser Form der Kleidung wird gemäß DIN EN 340 (2004, S. 6) „Kleidung, einschließlich Körperschützer, die die persönliche Kleidung bedeckt oder ersetzt und die Schutz gegen eine oder mehrere Gefährdungen bieten soll“ verstanden, wobei die Gefährdung im hier betrachteten Fall von der kalten Umgebung ausgeht. Da die verwendete Schutzkleidung gegen Kälte und Tiefkälte jeweils aus einer Kombination von Jacke und Hose besteht, handelt es sich nach DIN EN 342 (2004, S. 5) um ein Kleidungssystem, also „Kleidung, die aus einem zweiteiligen oder einem einteiligen Anzug (Overall) oder einer Anzahl von Kleidungsstücken besteht, die den Körper mit Ausnahme des Kopfes, der Hände und der Füße bedecken“. Unter dieser Kleidung wird üblicherweise zusätzlich die Alltagskleidung des Arbeiters getragen. Somit bieten diese beiden Kleidungssysteme gemeinsam die zur Aufrechterhaltung des Wärmegleichgewichts notwendige Wärmeisolation, bei welcher es sich nach DIN EN ISO 9920 (2009, S. 6) um „Widerstand gegen den Verlust an trockener Wärme zwischen zwei Oberflächen, angegeben in Quadratmeter mal Kelvin durch Watt (m2 ⋅ K ⋅ W−1)“ handelt.

Zum besseren Verständnis des in Kapitel 2 diskutierten physiologischen Parameters der Körperkerntemperatur soll an dieser Stelle noch der Begriff des Wärmehaushalts des menschlichen Körpers definiert werden. Hierbei handelt es sich nach DIN EN 13921 (2007, S. 5) um die „Zunahme oder Abnahme der Körperwärme, verursacht durch ein unausgeglichenes Verhältnis zwischen Wärmeproduktion und Wärmeverlust, üblicherweise angegeben bezogen auf die Flächeneinheit der gesamten Körperoberflächen“. Somit wird sich in den festgestellten Auswirkungen auf die Körperkerntemperatur der Wärmehaushalt des jeweiligen Probanden widerspiegeln.

2 Grundlagen

In diesem Abschnitt werden die für Verständnis und Beurteilung der Versuchsdurchführung notwendigen Grundlagen erläutert und diskutiert. Zu Beginn findet eine Diskussion der beiden untersuchten physiologischen Parameter Körperkerntemperatur und Energieumsatz in ihren grundlegenden Prinzipien und regulatorischen Funktionsweisen, ihren Normal- und Grenzwerten sowie ihren Anpassungen bei Belastung statt. Im Anschluss dient eine kurze Beschreibung der verwendeten Messgeräte Braun Thermoscan IRT 4520 für die Körperkerntemperatur und Cortex MetaMax3B für den Energieumsatz einem besseren Verständnis für die Versuchsdurchführung und einer besseren Einschätzung der Belastbarkeit der Messergebnisse. Zuletzt soll eine kurze Erläuterung der verwendeten Kleidung hinsichtlich Materialien und Isolationswerten diesen Abschnitt abrunden.

2.1 Grundlagen der untersuchten physiologischen Parameter

In dieser Arbeit wird die Auswirkung von physiologischer Beanspruchung untersucht und diskutiert. Bei der Bewertung der physiologischen Beanspruchung durch Kälte oder Wärme gibt es zwei Kategorien (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 21). Bei geringer thermischer Beanspruchung kann der Körper sein thermisches Gleichgewicht durch ein Mindestmaß an regulatorischen Anpassungen aufrechterhalten. Der Mensch empfindet weder Kälte noch Wärme. Es handelt sich um einen neutralen thermischen Zustand des Körpers. Bei einer hohen Kältebeanspruchung hingegen kann das thermische Gleichgewicht nur durch periphere Vasokonstriktion, also eine verringerte Durchblutung der Extremitäten, aufrechterhalten werden. Dadurch empfindet der Mensch Kälte, toleriert diese aber noch über einen längeren Zeitraum.

Im Folgenden werden die Körperkerntemperatur und der Energieumsatz unter anderem hinsichtlich ihrer Reaktion auf Belastung und ihrer zumutbaren und gesundheitlich unbedenklichen Grenzwerte diskutiert. Diese sind insbesondere für den Energieumsatz relevant, da er neben der Herzschlagfrequenz hauptsächlich begrenzend auf die maximal durch einen Menschen erbringbare Leistung wirkt (vgl. GRANDJEAN, 1987, S. 77). Daher werden diese beiden Parameter sehr häufig für die Beurteilung der Schwere menschlicher Arbeit herangezogen. Dennoch wird im Rahmen dieser Arbeit die Körperkerntemperatur anstatt der Herzschlagfrequenz untersucht, da die beiden metabolischen Parameter Energieumsatz und Körperkerntemperatur funktional eng miteinander verbunden sind. Die beiden ebenfalls eng miteinander verbundenen kardiopulmonalen Parameter Herzschlagfrequenz und Blutdruck werden in der eingangs bereits erwähnten parallel laufenden Studie separat untersucht.

2.1.1 Körperkerntemperatur

Das Gleichgewicht der Körperkerntemperatur des gesunden Menschen liegt bei 37,0°C (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983. S. 227), womit die Kerntemperatur durchschnittlich 4 K über der Hauttemperatur liegt, wobei die genaue Differenz vom Ort der Hauttemperaturmessung abhängt (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 492). Es ist leicht verständlich, dass die Messung der Hauttemperatur im Vergleich zur Messung der Kerntemperatur mit weniger Aufwand verbunden ist, da die Hauttemperatur an der Körperoberfläche gemessen werden kann, womit eine kontinuierliche Messung einfacher zu realisieren ist als für die Kerntemperatur. Für die dieser Arbeit zugrundeliegende Untersuchung wurde sich dennoch für die Messung der Kerntemperatur entschieden, da diese eher die Temperatur der inneren Organe und damit die für eine problemlose Funktion des Organismus notwendige Temperatur widerspiegelt.

Gemäß DIN EN ISO 9886 (2004, S. 8 ff.) gibt es sieben Verfahren zur Messung der Körperkerntemperatur. So kann die Bestimmung über die Messung der Ösophagus-Temperatur, der Rektaltemperatur, der intraabdominalen Temperatur, der Oraltemperatur, der tympanischen Temperatur, der Gehörgangstemperatur und der Urintemperatur erfolgen. Aus im Folgenden erläuterten Gründen ist für die Durchführung dieser Untersuchung jedoch nur die Messung der Temperatur des Trommelfells (tympanische Temperatur) relevant. Aufgrund ihrer invasiven Eigenschaften sind die Messung der Ösophagus-Temperatur und der intraabdominalen Temperatur ohne medizinisches Personal nicht durchführbar. Ebenso scheidet die Bestimmung der Urintemperatur durch die vorgesehene viertelstündliche Messung aus. Die Rektaltemperatur wird insbesondere bei Tätigkeit der Beine durch die Muskelarbeit beeinflusst und gibt die Temperatur des Körperkerns nur zeitverzögert wieder. Darüber hinaus stellt die Messung der Rektaltemperatur von vornherein keine Option dar, da ihre Anwendung in Abwesenheit eines Arztes nicht zulässig ist. Die Gehörgangs- und Oraltemperaturen sind gemäß DIN EN ISO 9886 (2004, S. 8 ff.) nur bedingt geeignet, da sie eher eine Kombination aus Kern- und Hauttemperatur darstellen, zumal die Oraltemperatur stark durch Essen, Trinken oder Atmung beeinflusst wird.

Hingegen bietet das Trommelfell einen bedeutenden Vorteil gegenüber den anderen erwähnten Messverfahren (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 9). Weil das Trommelfell teilweise durch die innere Kopfschlagader, die auch den Hypothalamus versorgt, durchblutet wird und aufgrund seiner geringen Masse eine geringe thermische Trägheit aufweist, spiegelt es die Temperatur des die Wärmeregulationszentren beeinflussenden Blutes gut wider. Jedoch birgt auch die Messung der Temperatur des Trommelfells nicht zu vernachlässigende Probleme (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 10). So findet neben der Blutversorgung durch die innere Kopfschlagader außerdem eine Versorgung durch die äußere Kopfschlagader statt, wodurch die tympanische Temperatur durch lokale Wärmeaustauscheffekte beeinflusst wird. Um diese Effekte gering zu halten, sollte die Messung in einer Umgebung mit einer Lufttemperatur zwischen 18°C und 30°C (Infrarot-Messung) bzw. 18°C und 58°C (Berührungs-Messung) und mit einer maximalen Windgeschwindigkeit von 0,2 m/s (Infrarot-Messung) bzw. 1 m/s (Berührungsmessung) stattfinden (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 19).

Dem menschlichen Körper stehen zur Aufrechterhaltung eines gesunden Niveaus der Körperkerntemperatur vier regulatorische Mechanismen zur Verfügung (vgl. SCHLICK et al., 2010, S. 822). Neben der Wärmeabgabe über Atmung, Konvektion und Abstrahlung stellt die Schweißverdunstung mit einer Abgabe von 251 kJ pro 100 ml (vgl. WYNDHAM & STRYDOM, 1986, S. 291 ff.) das bedeutendste regulatorische Prinzip dar. Dies gilt insbesondere insofern, als dass der mit steigender Temperatur zunehmende Blutfluss in die Haut zu einer vermehrten Wärmeabgabe führt (vgl. ASTRAND & ROHDAHL, 1970, S. 492 ff.), Konvektion und Strahlung jedoch nahezu unverändert bleiben (vgl. ASTRAND & ROHDAHL, 1970, S. 499). Somit kommt es in Folge einer physiologischen Belastung durch körperliche Aktivität oder durch warmes Umgebungsklima schnell zu einem Einsetzen der Schweißbildung, wenn die Wärmeaufnahme aus der Umgebung und die Wärmeproduktion der Muskeln die Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung übersteigen (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 232). Hierbei ist zu bedenken, dass es beim Tragen von entsprechender Schutzkleidung auch im Tiefkühllager zur Schweißbildung kommt, wobei die Verdunstung jedoch durch die Kleidung eingeschränkt wird. Neben der als unangenehm empfundenen Feuchtigkeit der Körperoberfläche und der anliegenden Kleidungsschichten ist auch zu bedenken, dass die Kälteschutzwirkung der Kleidung im feuchten Zustand herabgesetzt ist.

Sowohl eine Hypo- als auch einer Hyperthermie sind für den Menschen gesundheitsschädlich. Kommt es aufgrund einer zu kalten Umgebung zu einem Abfall der Körpertemperatur, bestehen nicht zu vernachlässigende Gesundheitsrisiken für den Menschen (vgl. N.N. 2012 f). Bei Körpertemperaturen unter 36°C setzt als Kompensation das Kältezittern ein, wobei dieses bei Temperaturen unter 33°C jedoch bereits wieder aufhört. Sinkt die Temperatur unter 30°C droht Bewusstseinsverlust und unterhalb einer Körperkerntemperatur von 28°C kann es bereits zu lebensbedrohlichen Zuständen wie Herzkammerflimmern oder Herzkreislaufstillstand kommen.

Kommt es aufgrund gesundheitlicher Probleme oder einer zu hohen physiologischen Belastung zu einem Versagen der Thermoregulation und in Folge zu einem thermischen Ungleichgewicht, bestehen ab einer Körperkerntemperatur von 40°C erhebliche Risiken für den menschlichen Körper (vgl. SCHLICK et al., 2010, S. 822). Bei dieser Temperatur ist mit Kreislaufversagen zu rechnen. Temperaturen von über 41°C führen zu einer irreversiblen Schädigung des Gehirns. Folge eines Anstiegs der Körperkerntemperatur auf über 42,6°C ist der Tod.

Abbildung 2.1 stellt den Anstieg der Körperkerntemperatur bei physiologischer Belastung dar. In Ruhe erfolgt ungefähr 80% der Wärmeproduktion durch die inneren Organe und nur 20% durch die Arbeit der Skelettmuskulatur (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 227 ff.). Da der Anstieg der Wärmeproduktion der Organe bei körperlicher Aktivität vernachlässigbar ist, produziert die Skelettmuskulatur dann bis zu 80% der Wärme, während nur noch 20% auf die inneren Organe entfallen. Durch diesen bei körperlicher Aktivität engen Zusammenhang zwischen Muskelarbeit und Wärmeproduktion kann die Zunahme letztgenannter als nahezu proportional zum Energieumsatz betrachtet werden (vgl. RODAHL, 1989, S. 170). Dies gilt auch für den Anstieg der Körperkerntemperatur (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 500 ff.).

Ausgehend von der Ruhetemperatur steigt die Kerntemperatur unter Belastung annähernd linear auf 39,0°C bei maximaler Sauerstoffaufnahme an (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 500). Es soll nun beispielhaft der Anstieg der Kerntemperatur unter Belastung ausgehend von einer Ruhetemperatur von 37,0°C betrachtet werden. Ist diese Person einer Belastung ausgesetzt, bei der sie eine Sauerstoffaufnahme von 25% der maximalen Aufnahmefähigkeit erreicht, steigt ihre Kerntemperatur auf 37,3°C. Bei einer Belastung, bei welcher 50% der maximalen Sauerstoffaufnahmefähigkeit erreicht wird, steigt die Temperatur auf 38,0°C und bei 70% auf 38,5°C. Unter einer Belastung, bei welcher die Person die maximale Sauerstoffmenge aufnimmt, würde eine Kerntemperatur von 39,0°C erreicht.

Versuche mit körperlicher Belastung in einer kalten Umgebung haben gezeigt, dass die Kerntemperatur unter diesen Bedingungen üblicherweise 40 – 60 Minuten lang ansteigt, bis sie ein neues Einstellungsniveau erreicht hat (vgl. WYNDHAM & STRYDOM, 1986, S. 291 ff.), wobei die Geschwindigkeit des Anstiegs zum einen vom Belastungsniveau und zum anderen von individuellen Eigenschaften wie Alter, Geschlecht, Körpergröße und maximaler Sauerstoffaufnahme abhängt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. 1 : Anstieg der Körperkerntemperatur bei Belastung

Das beschriebene Verhalten der Körperkerntemperatur darf nun aber keineswegs als Versagen der Thermoregulation aufgefasst werden, sondern vielmehr als eine logische und notwendige Konsequenz der physiologischen Belastung (vgl. WYNDHAM & STRYDOM, 1986, S. 291 ff.). Unter Berücksichtigung, dass der mechanische Wirkungsgrad der Muskulatur im Idealfall nur bei rund 25% liegt, wird schnell deutlich, mit welcher muskulären Wärmeproduktion körperliche Aktivität einhergeht. Des Weiteren steigt der Wirkungsgrad der Muskulatur bei Temperaturen zwischen 38,0°C und 39,0°C. Somit stellt der Anstieg der Kerntemperatur eine Anpassung des Körpers dar, die einen Beitrag zur Effizienz muskulärer Arbeit liefert.

2.1.2 Energieumsatz

Gemäß DIN EN ISO 8996 (2005, S. 4) handelt es sich beim körpereigenen Energieumsatz um die Umwandlung von chemischer in mechanische und thermische Energie. Entsprechend wird er auch als körpereigene Energieerzeugung bezeichnet und kann als Maß für die Schwere muskulärer Arbeit herangezogen werden. Aufgrund des oben erwähnten muskulären Wirkungsgrades beträgt der Energieumsatz ungefähr das Vierfache der erbrachten Muskelarbeit zuzüglich des für die Aufrechterhaltung elementarer Körperfunktionen notwendigen Umsatzes. Auf die einzelnen Bestandteile wird in diesem Abschnitt noch ausführlich eingegangen.

Die wichtigsten Ausgangsprodukte des Stoffwechsels sind Glukose und Sauerstoff (vgl. KEUL & BERG, 1986, S. 196 ff.). Gemäß der Gleichung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

entstehen aus diesen beiden im Körper die Stoffwechselendprodukte Kohlensäure und Wasser, wobei die für die Körperfunktionen benötigte Energie frei wird (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 12).

Zur Messung des Energieumsatzes werden die direkte und die indirekte Energieumsatzbestimmung unterschieden (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 153). Während bei der direkten Methode der Energieumsatz aus der Wärmeabgabe des Körpers ermittelt wird, wird bei der in dieser Untersuchung angewandten indirekten Ermittlung der Energieumsatz aus der Sauerstoffaufnahme des Probanden abgeleitet. Dies ist möglich, da der menschliche Organismus nur eine geringe Kapazität zur Sauerstoffspeicherung besitzt und die Sauerstoffaufnahme somit den tatsächlichen Sauerstoffverbrauch gut widerspiegelt. Da der Sauerstoffbedarf zur Produktion einer Kilokalorie aus verschiedenen Nährstoffen bekannt ist, lässt sich aus dem gemessenen Wert der Energieumsatz errechnen (vgl. TAKALA, S. 9). So sind zur Produktion einer Kilokalorie aus Kohlenhydraten 207 ml Sauerstoff notwendig, aus Fetten 213 ml und aus Proteinen 223 ml. Hieraus lässt sich durch Umrechnung das in DIN EN ISO 8996 (2005, S. 15) als für die Ermittlung des Energieumsatzes ausreichend festgelegte mittlere Energieäquivalent von Sauerstoff^[1] ableiten. Das energetische Äquivalent kann dann weiter in 0,00488 kcal pro ml Sauerstoff umgerechnet werden. Weiterhin ist bekannt, dass der durchschnittliche Sauerstoffverbrauch des Menschen in Ruhe 0,25 bis 0,3 Liter pro Minute beträgt (vgl. GRANDJEAN, 1987, S. 94). Die Berechnung des Tagesenergieumsatzes unter Verwendung soeben hergeleiteter Werte ergibt einen durchschnittlichen Ruheumsatz von ungefähr 2.100 Kilokalorien je Tag, wobei der genaue Wert von unterschiedlichen physiologischen Eigenschaften der betrachteten Person abhängig ist. Damit stellt dieser Wert nur eine geringe Abweichung von den im weiteren Verlauf dieses Abschnitts diskutierten Werten dar.

Neben der Unterscheidung direkter und indirekter Verfahren zur Messung des Energieumsatzes muss weiterhin in Partial- und Integralverfahren unterschieden werden (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 12 ff.). Da bei Aufnahme einer Tätigkeit ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen Sauerstoffaufnahme und Sauerstoffbedarf erst nach 3 - 5 Minuten eintritt, wird im Partialverfahren für leichte und mäßig schwere Arbeiten erst nach 5 Minuten mit der Messung begonnen und diese mit Beendigung der Tätigkeit abgeschlossen, während bei schwerer oder sehr schwerer Arbeit das Integralverfahren Anwendung findet (vgl. Abbildung 2.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. 2 : Integralverfahren zur Energieumsatzbestimmung (modifiziert nach DIN EN ISO 8996)

Unter Belastung steigt die Sauerstoffaufnahme gemäß Abbildung 2.2 bis zur maximalen Sauerstoffaufnahmefähigkeit an. Übersteigt der Sauerstoffbedarf die maximal aufnehmbare Menge, kommt es zu einem Defizit, welches der Körper nach Beendigung der Tätigkeit ausgleicht. Deshalb sinkt die Sauerstoffaufnahme nur langsam, bis der Ruhezustand wieder erreicht ist (vgl. Abbildung 2.2). Bei Anwendung des Integralverfahrens wird daher bei Aufnahme der Tätigkeit mit der Messung der Sauerstoffverbrauchsrate begonnen und diese nach Beendigung der Tätigkeit während der Erholungsphase fortgesetzt, bis der Ruhewert erreicht ist (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 12 ff.). Dieses Verfahren ist bei einem Sauerstoffverbrauch von 1 Liter pro Minute oder mehr anzuwenden, da hier die langfristige Sauerstoffaufnahmekapazität liegt.

Der Gesamtenergieumsatz setzt sich aus mehreren Bestandteilen zusammen (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 148 ff.). Beim Grundumsatz handelt es sich um den „morgendlichen Ruhe-Nüchternumsatz bei Indifferenztemperatur“ (ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 148). Allerdings darf dieser Grundumsatz nicht mit der Summe der Bereitschaftsumsätze aller Körperzellen verwechselt werden, da einige Organe wie Herz oder Lunge auch tätig sind, wenn sich der restliche Körper in Ruhe befindet. Da bei der Ermittlung des Grundumsatzes einige Messbedingungen einzuhalten sind, ist dieser in der durchgeführten Untersuchung nur schwer zu bestimmen. Daher wird der Grundumsatz der einzelnen Probanden nach der Mifflin-St.Jeor-Formel bestimmt (vgl. MIFFLIN et al., 1990, S. 241 ff.). Hiernach berechnet sich der Grundumsatz eines gesunden Menschen wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten(Formel 2.1)

mit:

- G = Körpermasse in kg
- H = Körpergröße in cm
- A = Alter in Jahren
- x = geschlechterabhängige Variable mit den Ausprägungen +21 für Männer und -647 für Frauen

Bei Anwendung dieser Formel und der oben erläuterten Umrechnungen ergeben sich für die zwölf Versuchspersonen die in Tabelle 2.1 zusammengestellten Grundumsätze, welche bei der Auswertung der Versuchsergebnisse für die Bestimmung der Arbeitsumsätze verwendet wurden.

Tabelle 2.1: Grundumsatzübersicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Freizeitumsatz bezeichnet den Bedarf eines nicht körperlich arbeitenden Menschen, also auch den Energieumsatz während einer Schreibtischarbeit. Gemäß DIN EN ISO 8996 (2005, S. 21) beträgt der Freizeitumsatz im Durchschnitt 115 Watt, was ungefähr 2.300 bis 2.400 kcal pro Tag entspricht. 1 kcal entspricht 4.187 Joule (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 148), woraus sich die oben durchgeführte Umrechnung von Watt in kcal/Tag ergibt. Der Arbeitsumsatz bezeichnet den Energieumsatz durch körperliche Arbeit, so dass sich der Gesamtumsatz während Arbeit aus der Summe von Grundumsatz und Arbeitsumsatz ergibt. Der Arbeitsumsatz lässt sich nach DIN EN ISO 8996 (2005, S. 21) in vier Kategorien einteilen. Eine genauere Einteilung nach DIN EN ISO 11079 (2008, S. 23) ist Anhang A2 zu entnehmen.

Unter einem niedrigen Energieumsatz wird ein Arbeitsumsatz von 180 Watt verstanden. Dies entspricht einem Tagesenergiebedarf von ungefähr 3.700 kcal. Beispiele für in diese Kategorie fallende Tätigkeiten sind leichte Handarbeiten, das Führen von Fahrzeugen sowie stehendes Arbeiten an einer Bohrmaschine (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 21).

Bei einem Arbeitsumsatz von 295 Watt handelt es sich um einen mittleren Energieumsatz. Dieser entspricht Tagesumsätzen von ungefähr 6.100 kcal. Ein arbeitender Mensch erbringt diese Leistung beispielsweise beim Führen von Lastkraftwagen, bei Pflasterarbeiten oder bei der Handhabung von mittelschwerem Material (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 21).

Hat ein Mensch einen Arbeitsumsatz von 415 Watt, fällt er in die Kategorie hoher Energieumsätze. Umgerechnet ergibt diese Leistung einen Bedarf von ungefähr 8.600 kcal pro Arbeitstag. Beispielhafte Tätigkeiten dieser Kategorie sind Tragen schweren Materials, Arbeiten mit der Schaufel oder das Rasenmähen per Hand (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 21).

520 Watt werden als sehr hoher Energieumsatz bezeichnet und entsprechen einem Tagesbedarf von ungefähr 10.700 kcal. Denkbare Tätigkeiten in dieser Kategorie sind beispielsweise Arbeiten mit der Axt, das Besteigen von Leitern oder Gehen mit einer Geschwindigkeit von mehr als sieben Kilometer pro Stunde (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 21).

Grundsätzlich werden zwei Arten des menschlichen Stoffwechsels unterschieden (vgl. KEUL & BERG, 1986, S. 196 ff.). Bei ausreichender Sauerstoffzufuhr liegt ein oxydativer oder aerober Stoffwechsel vor. Unter diesen Bedingungen kann er optimal ablaufen. In Grenzen ist die Energieumwandlung auch ohne ausreichende Sauerstoffzufuhr möglich. Dann findet der Stoffwechsel anoxydativ bzw. anaerob statt. Zu diesem kommt es bei Tätigkeiten, die zu einer Sauerstoffaufnahme von mehr als 50% der maximalen Sauerstoffaufnahmekapazität führen (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 283). Im anaeroben Bereich kommt es durch den Anfall von Milchsäure als Abbauprodukt jedoch schnell zu einer Übersäuerung der betroffenen Muskeln und damit zu einer abnehmenden Leistungsfähigkeit. Folglich sind unter einem Sauerstoffdefizit nur wenige Sekunden schwerer körperlicher Tätigkeit möglich (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 20). Daher ist die Leistungsfähigkeit eines Menschen hauptsächlich von seiner Fähigkeit, Sauerstoff zu verarbeiten, abhängig (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970,
S. 314).

Die maximale Sauerstoffaufnahme eines Menschen beträgt 35 bis 40 ml pro Minute je Kilogramm Körpergewicht (vgl. N.N. 2011 c). Für einen 75 kg schweren Mann kann also eine maximale Sauerstoffaufnahme von 2.625 bis 3.000 ml je Minute angenommen werden, was wiederum einem Energieumsatz von 12,81 bis 14,64 kcal pro Minute bzw. ungefähr 18.500 bis 21.100 kcal pro Tag entspricht. Hierbei ist der genaue Wert hauptsächlich von der genetischen Veranlagung eines Menschen abhängig und nur wenig durch körperliches Training beeinflussbar (vgl. ASTRAND & RODAHL, 1970, S. 307). GRANDJEAN (1980, S. 84 ff.) nennt als zumutbaren Höchstwert für gesunde Schwerarbeit im Jahresdurchschnitt 5,2 kcal pro Minute, was 362 Watt bzw. 7.488 kcal pro Tag entspricht, wobei für kurzzeitige Schwerstarbeit oder Saisonarbeit jedoch auch höhere Werte zumutbar sind. Dieser Wert liegt etwas unter den zuvor diskutierten 50% der maximalen Sauerstoffaufnahme.

2.2 Zur Datenerhebung verwendete Messgeräte

Die Messung der zwei zu analysierenden physiologischen Parameter Energieumsatz und Körperkerntemperatur sowie der zwecks Vollständigkeit erfassten Parameter Blutdruck und Herzschlagfrequenz erfolgte mit handelsüblichen für arbeitsphysiologische und medizinische Zwecke verwendeten Messgeräten. Es handelt sich um das Infrarot(IR)-Ohrthermometer Thermoscan IRT 4520 von Braun für die Messung der Körperkerntemperatur, das mobile Ergospirometriesystem MetaMax3B der Firma Cortex zur Bestimmung des Energieumsatzes, das 24-Stunden Blutdruckmessgerät TM 2430 des Herstellers Boso für die Aufzeichnung des Blutdruckes und das Herzschlagfrequenzmessgerät S810i der Firma Polar zur Herzfrequenzbestimmung. Im folgenden Abschnitt werden die Geräte von Braun und Cortex hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Anwendungsbedingungen und Genauigkeiten erläutert. Auf eine Beschreibung der Geräte für die Messung von Blutdruck und Herzfrequenz soll an dieser Stelle verzichtet und auf die parallel laufende Arbeit verwiesen werden.

2.2.1 Braun Thermoscan IRT 4520

Beim Braun Thermoscan IRT 4520 handelt es sich um ein Infrarot(IR)-Ohrthermometer (vgl. Abbildung 2.3). Somit dient es zur Messung der unter 2.1.1 vorgestellten Tympanumtemperatur. Da ein direkter Kontakt mit dem Trommelfell sehr schmerzhaft wäre, ist dieser bei der Messung der tympanischen Temperatur zu vermeiden, so dass für die hier durchgeführten Messungen ein mittels Infrarot-Technologie messendes Gerät verwendet wurde (vgl. DIN EN ISO 9886, 2004, S. 10).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Braun Thermoscan IRT 4520 (Quelle: N.N. 2012 d)

Für ein besseres Verständnis der im Folgenden diskutierten technischen Daten des Thermoscan IRT 4520 sollen an dieser Stelle zunächst wichtige Begriffe nach DIN EN ISO 12470 – 5 (2003, S. 5 f.) definiert werden. Gemäß der Norm handelt es sich bei einem Infrarot-Ohrthermometer um ein „optoelektronisches Gerät mit der Fähigkeit zur berührungslosen Infrarot-Temperaturbestimmung durch Einbringen in den Gehörgang des Menschen“ (DIN EN ISO 12470 – 5, 2003, S. 6). Somit erfüllt es die in DIN EN ISO 9886 (2004, S. 10) formulierte Forderung nach Vermeidung eines direkten Kontaktes mit dem Trommelfell. Um korrekte und genaue Ergebnisse der Messung zu erhalten, müssen die Betriebsumgebungsbedindungen gewissen Anforderungen genügen. Hierbei handelt es sich um die „zulässige Umgebungstemperatur und Luftfeuchte für die korrekte Verwendung eines IR-Ohrthermometers“ (DIN EN ISO 12470 – 5, 2003, S. 5.). Unter Anwendung der Norm gibt es die drei Qualitätskennzahlen „Medizinische Genauigkeit“, „Klinischer Bias und seine Standardabweichung“ und „Klinische Wiederholpräzision“, denen die Messwerte eines Infrarot-Ohrthermometers genügen müssen. So bezeichnet die medizinische Genauigkeit die „Fähigkeit eines IR-Ohrthermometers, nahezu die gleiche Temperatur anzuzeigen, wie sie an der vom Hersteller angegebenen Referenzkörperregion von einem Referenzthermometer gemessen wird“ (DIN EN ISO 12470 – 5, 2003, S. 5). Die weitere statistische Auswertung dieser Genauigkeit ergibt den klinischen Bias und seine Standardabweichung. Diese bezeichnen „eine durchschnittliche Differenz zwischen den bewerteten Temperaturen gemessen mit dem zu prüfenden Gerät und den mit dem Referenzthermometer gemessenen Temperaturen des Probanden“ (DIN EN ISO 12470 – 5, 2003, S. 6). Im Gegensatz zu medizinischer Genauigkeit, klinischem Bias und seiner Standardabweichung, welche die Werte des verwendeten Gerätes mit denen eines Referenzthermometers vergleichen, bezieht sich die klinische Wiederholpräzision auf mehrere Messwerte eines Gerätes. Sie bezeichnet die „empirische Standardabweichung der Schwankung bei wiederholter Bestimmung der Temperatur im Gehörgang desselben Ohres ein […] derselben Person mit […] demselben IR-Ohrthermometer von ein und demselben Bediener“ (DIN EN ISO 12470 – 5, 2003, S. 6).

Das Braun Thermoscan IRT 4520 ist betriebsbereit bei einer Umgebungstemperatur zwischen +10°C und +40°C und bei einer Luftfeuchtigkeit unterhalb 95% (vgl. N.N. 2011 b, S. 14). Unter diesen Bedingungen zeigt es Körperkerntemperaturen zwischen 34°C und 42,2 °C mit einer Auflösung der LCD-Anzeige von 0,1°C an (vgl. N.N. 2011 b, S. 22). Um eine möglichst hohe medizinische Genauigkeit zu erreichen, erwärmt das IRT 4520 seine Messspitze auf beinahe Körpertemperatur. In einem Bereich der Körpertemperatur zwischen 35,5°C und 42°C beträgt die durch diese Funktion erreichte Genauigkeit ± 0,2°C. Außerhalb dieses Bereiches beträgt die medizinische Genauigkeit ± 0,3°C (vgl. N.N. 2011 b, S. 22). Die klinische Wiederholgenauigkeit des Braun Thermoscan IRT 4520 beträgt ± 0,14°C (vgl. N.N. 2011 b, S. 22).

2.2.2 Cortex MetaMax3B

Abbildung 2.4 zeigt das in dieser Studie verwendete Ergospirometriesystem. Das Cortex MetaMax3B ist ein „mobiles, netzunabhängiges und robustes Outdoor- und Indoor-Spiroergometer […] [, dass für eine komplette] kardiopulmologische Funktionsanalyse unter realen Belastungsbedingungen einsetzbar“ ist (vgl. N.N. 2011 a, S. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Cortex MetaMax 3B (Quelle: N.N. 2012 e)

Mit der Breath-by-Breath-Messmethode ermittelt es anhand des eingeatmeten Sauerstoffs (O2) und des ausgeatmeten Kohlenstoffdioxids (CO2) den Energieumsatz des Probanden. Zur Volumenbestimmung des ein- bzw. ausgeatmeten Sauerstoffs und Kohlenstoffdioxids werden mithilfe unterschiedlicher Sensorik drei physikalische und chemische Größen gemessen und ausgewertet (vgl. N.N. 2011 a, S. 1).

Unter Verwendung einer Turbine wird das gesamte Atemvolumen des Probanden erfasst (vgl. N.N. 2011 a, S.1). Hierbei kann das Cortex MetaMax3B Volumenströme in einem Bereich zwischen 0,05 und 20 Liter pro Sekunde mit einer Auflösung von 7 ml und einer Genauigkeit von ± 2% messen. Um aus dem Gesamtvolumen der ein- und ausgeatmeten Luft auf den Energieumsatz schließen zu können, werden weiterhin die prozentualen Anteile von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid erfasst. Die Messung des Sauerstoffanteils findet über eine elektrochemische Zelle statt (vgl. N.N. 2011 a, S. 1). Mit einer Ansprechzeit t90 von weniger als 100 ms werden Sauerstoffgehalten zwischen 0 und 100 Volumenprozent O2 gemessen. Die Genauigkeit beträgt hierbei ± 0,1 Volumenprozent O2. Die Messung des Kohlenstoffdioxidgehalts erfolgt durch eine nichtdispersive Infrarotabsorptionsanalyse (vgl. N.N. 2011 a, S. 1). Der Erfassungsbereich liegt dabei zwischen 0 und 13 Volumenprozent CO2, wobei mit einer Ansprechzeit t90 von weniger als 100 ms eine Genauigkeit von ± 0,1 Volumenprozent CO2 erreicht wird.

Aus den ermittelten Volumenprozenten lassen sich durch Multiplikation mit dem gesamten Atemvolumen die jeweiligen Volumenströme von Sauerstoff bzw. Kohlenstoffdioxid berechnen, welche sich wiederum gemäß Formel 2.2 in den respiratorischen Quotienten umrechnen lassen (vgl. DIN EN ISO 8996, 2005, S. 15)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im darauffolgenden Schritt wird aus dem respiratorischen Quotienten gemäß Formel 2.3 das genaue energetische Äquivalent berechnet, um mit diesem wiederum gemäß Formel 2.4 den Energieumsatz zu bestimmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie das Braun Thermoscan IRT 4520 stellt auch das Cortex MetaMax3B zur Sicherstellung einer optimalen Funktion und genauer Messungen Anforderungen an die Betriebsumgebungsbedingungen (vgl. N.N. 2011 a, S. 1). Der Hersteller gewährleistet optimale Messergebnisse bei Umgebungstemperaturen zwischen -10°C und +40°C, einem Umgebungsluftdruck zwischen 500 mbar und 1050 mbar, sowie einer Luftfeuchtigkeit zwischen 0% und 99%.

2.3 Darstellung der verwendeten Kleidung

2.3.1 Allgemeine Kennzahlen für die Beurteilung von Kälteschutzkleidung

Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Kühllager- und Tiefkühllagerkleidung dient zum Schutz des Menschen vor Kältebelastung. Dabei ist die notwendige Wärmeisolation der Kleidung abhängig von den Umgebungsbedingungen sowie der körperlichen Aktivität des betrachteten Menschen. Um den Körper im thermischen Gleichgewicht und sowohl die Körperkern- als auch die Hauttemperatur auf einem annehmbaren Wert zu halten, ist unter tatsächlichen Umgebungsbedingungen eine bestimmte isolierende Wirkung der Kleidung notwendig (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 10). Diese notwendige resultierende Isolation der Bekleidung wird IREQ genannt. Sie ergibt sich aus der Lufttemperatur, der mittleren Strahlungstemperatur, der Luftgeschwindigkeit und der Luftfeuchte der Umgebung (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 16).

Weiterhin ist die notwendige resultierende Isolation IREQ für zwei Niveaus der physiologischen Beanspruchung festgelegt (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 12). IREQmin definiert hierbei die für die Aufrechterhaltung eines thermischen Gleichgewichts bei einer mittleren Körpertemperatur unterhalb der Normaltemperatur notwendige Isolation. Hier kann es zur Abkühlung der Extremitäten und somit zu einer Einschränkung der Expositionsdauer kommen. Abbildung 2.5 zeigt die notwendige Mindest-Wärmeisolation bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,4 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenin Abhängigkeit von Temperatur und körpereigenem Energieumsatz (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 31).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Temperatur, Energieumsatz und Mindest-Wärmeisolation (Quelle: DIN EN ISO 11079)

Hingegen bezeichnet IREQneutral diejenige Wärmeisolation, bei der thermische Neutralität herrscht, also bei normaler mittlerer Körpertemperatur ein thermisches Gleichgewicht aufrechterhalten wird (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 12). Es kommt also zu keiner oder nur einer sehr geringen Abkühlung. Höhere Isolationswerte können entsprechend zu einer Überhitzung führen. Abbildung 2.6 zeigt IREQneutral in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und dem körpereigenen Energieumsatz (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 30).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Temperatur, Energieumsatz und thermische Neutralität (Quelle: DIN EN
ISO 11079)

Wie in den Abbildungen 2.5 und 2.6 zu erkennen, ist bei größerer körperlicher Aktivität durch die vermehrte körpereigene Wärmeproduktion eine geringere Wärmeisolation der Schutzkleidung notwendig. Die Ermittlung der notwendigen resultierenden Isolation dient zur Beurteilung einer bestimmten Kleidungskombination oder zur Auswahl der unter gegebenen Umgebungsbedingungen angemessenen Kleidung (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 12 ff.). Hierbei werden drei Fälle unterschieden (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 16 ff.). Bietet die Kleidung eine höhere Grundisolation ICl als IREQneutral, kann es zu Überwärmung, übermäßigem Schwitzen und einer Feuchtigkeitsaufnahme durch die Kleidung kommen. Liegt ICl zwischen IREQmin und IREQneutral, kann die Wärmeisolation mit Kälteempfinden von „leicht kühl“ bis „neutral“ als angemessen bezeichnet werden. In diesem Fall muss die lokale Kühlwirkung weiter bewertet werden. Gefahr einer allgemeinen Unterkühlung besteht jedoch nicht. Bietet die Kleidung eine geringere Isolation als IREQmin, besteht die Gefahr der Unterkühlung. In diesem Fall muss entweder eine andere Bekleidungskombination ausgewählt oder die maximal zulässige Expositionsdauer ermittelt und eingehalten werden. Bei der Festlegung der notwendigen resultierenden Isolation der Bekleidung ist jedoch zu beachten, dass es sich bei IREQ immer nur um einen Richtwert handelt (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 25). In der praktischen Anwendung ist jedoch die Einzelperson mit ihrer physiologischen Leistungsfähigkeit, ihrem Bekleidungsverhalten sowie ihren Bedürfnissen und Neigungen individuell zu betrachten.

Sowohl die notwendige resultierende Isolation der Bekleidung als auch deren tatsächliche Grundisolationswerte werden in Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenangegeben (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 6 ff.), wobei in der Praxis die Angabe in Form des clo-Wertes gebräuchlicher ist (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 28). Hierbei ist 1 clo äquivalent zu einer Grundisolation von 0,155 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, was der Isolationswirkung einer Kombination aus Slip, Unterhemd, Unterhose, Hemd, Overall, ¾-langen Socken und Schuhen entspricht (vgl. DIN EN ISO 11079, 2008, S. 25). Damit bezeichnet 1 clo die Grundisolation derjenigen Kleidung, die bei Raumtemperatur in Ruhe zum „Wohlfühlen“ führt. Die in Kühllagern üblichen Kombinationen aus Unterhose, Unterhemd, Hemd, Hose, Jacke, Weste, Socken und Schuhen erreichen Grundisolationswerte von 0,17 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, bzw. 1,1 clo. Es ist auffällig, dass der Wert der Kühllagerkleidung nur geringfügig über 1,0 clo liegt. Dies ist darin begründet, dass diese Kleidung nicht für „Wohlfühlen“ in Ruhe, sondern bei Arbeit ausgelegt ist. Ab 0,46 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, bzw. 3,0 clo, findet man übliche Polarbekleidungskombinationen. Schlafsäcke erreichen bis zu 1,4 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, bzw. 9 clo. Eine genauere Übersicht der Grundisolationswerte verschiedener Kleidungskombinationen befindet sich in Anhang A1.

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist jedoch nicht die Isolationswirkung der Schutzkleidung, sondern deren Gewicht und die daraus resultierende physiologische Beanspruchung. Wie eingangs erwähnt, kann das Gewicht bis zu 5 kg betragen, wobei sich die vom Hersteller gemachten Gewichtsangaben auf neue Kleidung bei einer Umgebungstemperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchte von 65% beziehen sollen (vgl. DIN EN 340, 2004, S. 8.). Dabei soll die Kleidungskombination so leicht wie möglich und ihr Tragekomfort mit ihrer Schutzwirkung, den Umgebungsbedingungen, der Art der körperlichen Betätigung und der Anwendungsdauer vereinbar sein (vgl. DIN EN 340, 2004, S. 8). Darüber hinaus ist ihre Masse an die physiologischen Eigenschaften der Benutzergruppe anzupassen (vgl. DIN EN 13921, 2007, S. 15).

2.3.2 Als Studienobjekt ausgewählte Kleidung

Zur Ermittlung der physiologischen Auswirkung des Tragens von Schutzkleidung führten die Probanden in dieser Studie Belastungsübungen in jeweils drei unterschiedlichen Kleidungskombinationen durch. Zum einen wurden die Übungen in üblicher Sportkleidung bestehend aus T-Shirt, Sporthose und Sportschuhen durchgeführt, um eine Ausgangsbasis für die Messung der Reaktion der Körperkerntemperatur und des Energieumsatzes zu schaffen. Des Weiteren wurden die Probanden den gleichen Belastungen jeweils in Kühllager- und in Tiefkühllagerkleidung des Herstellers Tempex unterzogen.

Sowohl die verwendete Kühl- als auch Tiefkühllagerkleidung bestehen aus drei Schichten, mit denen die gewünschte Isolationswirkung erreicht wird. Bei der Kühllagerkleidung handelt es sich bei Oberstoff und Futter jeweils um 100%ige Baumwolle sowie 100% Polyester als Wattierung. Der Oberstoff der Tiefkühllagerkleidung besteht zu 100% aus Polyamid. Das Material von Isolierung und Futter ist 100% Polyester. Die Tiefkühllagerkleidung erreicht mit dieser Kombination eine Grundisolation von 0,441 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Dieser Wert kann in einen clo-Wert von ungefähr 2,86 clo umgerechnet werden (vgl. TANNENHAUER et al., 2011, S. 22).

Da für Sport- und Kühllagerkleidung keine genauen Grundisolationswerte vorliegen, kann für deren Abschätzung die Tabelle aus Anhang A1 herangezogen werden. Hiernach ergibt sich für Sportkleidung ungefähr ein clo-Wert von 0,5 und für Kühllagerkleidung liegt dieser bei ungefähr 1,1. Somit ergibt sich zusammengefasst für die drei verwendeten Kleidungsarten folgende Grundisolation:

- Sportkleidung: 0,5 clo
- Kühllagerkleidung: 1,1 clo
- Tiefkühllagerkleidung: 2,86 clo

3 Versuchshypothesen

Frühere Studien haben ergeben, dass das Tragen einer 10 Kilogramm schweren Rückenlast beim Gehen mit einer Geschwindigkeit von 4 Kilometern pro Stunde nur eine geringe Auswirkung auf den Energieumsatz hat (vgl. ROHMERT & RUTENFRANZ, 1983, S. 158). So stieg der Energieumsatz während dieser Beanspruchung von 14,1 kJ/min auf 15,1 kJ/min, bzw. von 235 Watt auf 251,67 Watt. Dies entspricht einer Steigerung von ungefähr 7%.

Dieses Ergebnis legt die Hypothese nahe, dass das Tragen einer Schutzkleidung mit einem Gewicht bis zu 5 Kilogramm nur sehr geringe Auswirkungen auf den körpereigenen Energieumsatz hat. Da das Gewicht der Schutzkleidung gleichmäßig am Körper verteilt getragen wird, ist es ergonomisch günstiger verteilt als die oben erwähnte Rückenlast, was zu einer geringeren Beanspruchung der großen Haltemuskeln des menschlichen Körpers führt. Deshalb liegt es nahe zu erwarten, dass der Energieumsatz um weniger als die Hälfte von 7% ansteigt. Folglich ist mit einem Anstieg des Energieumsatzes um gerade mal 2 - 3% gegenüber dem Tragen von Sportkleidung zu rechnen. Es wird also mit Auswirkungen gerechnet, jedoch sollten diese so gering bleiben, dass sie für die Einhaltung der gesundheitlich unbedenklichen Höchstwerte des Energieumsatzes keine bedeutende Rolle spielen.

Aus den Ausführungen aus Kapitel 2.1.1 und 2.1.2 ergibt sich die Erwartung, dass das Gewicht der Schutzkleidung auch auf die Körperkerntemperatur nur geringfügige Auswirkungen hat. Gemäß Abbildung 1 steigt die Temperatur in einem Bereich zwischen 37,0°C und 39,0°C nahezu linear mit dem Anstieg des Energieumsatzes vom Freizeitumsatz von 115 Watt auf den Energieumsatz bei maximaler Sauerstoffaufnahme, also 892 Watt, was einem Gradienten von 0,0026 K pro Watt entspricht. Da in Sportkleidung mit einem Energieumsatz von 300 Watt gerechnet werden kann, entspricht die erwartete Steigerung des Energieumsatzes um 3% einem Anstieg von 9 Watt. Dies wiederum hätte einen Anstieg der Körperkerntemperatur um 0,02 K zur Folge.

Somit wird erwartet, dass zwar ein Anstieg der Körperkerntemperatur zu beobachten sein wird, diese aber nahezu vollständig auf die Wärmeisolation der Schutzkleidung und nur zu einem sehr geringen Teil auf deren Gewicht zurück zu führen sein wird. Da, wenn überhaupt, mit einer dem Anstieg des Energieumsatzes entgegenwirkenden Wirkungsgradsteigerung durch den Temperaturanstieg zu rechnen ist, wird mit sehr geringen zu beobachtenden Veränderungen des Energieumsatzes gerechnet.

Zusammenfassend wird für die durchgeführte Untersuchung mit folgenden Ergebnissen gerechnet:

1. Der Energieumsatz beim Tragen von Tiefkühllagerkleidung ist größer als der beim Tragen von Kühllagerkleidung.
2. Der Energieumsatz beim Tragen von Kühllagerkleidung wiederum ist größer als der beim Tragen von Sportkleidung.
3. Der Energieumsatz steigt jedoch nur gering, so dass die Auswirkungen für die Einhaltung der gesundheitlich unbedenklichen Höchstwerte keine Rolle spielen.
4. In Tiefkühllagerkleidung steigt die Kerntemperatur stärker als in Kühllagerkleidung.
5. In Kühllagerkleidung wiederum steigt die Kerntemperatur stärker als in Sportkleidung.
6. Der Anstieg der Kerntemperatur ist jedoch sehr gering und eher durch die unterschiedlichen Grundisolationswerte als das Gewicht der Schutzkleidung begründet.

4 Versuchsdesign

Die im Folgenden beschriebene Versuchsanordnung wurde mit 12 männlichen Probanden bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 21,1°C, einer durchschnittlichen Luftfeuchtigkeit von 36,8% und einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 0,03 m/s durchgeführt (vgl. Tabelle 4.1). Die Körperoberfläche wurde hierbei mithilfe der Du-bois-Formel berechnet (vgl. KRAKAU & LAPP, 2005, S. 102):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten(Formel 4.1)

mit:

- KO = Körperoberfläche in Quadratmeter
- kg = Körpergewicht in Kilogramm
- cm = Körperhöhe in Zentimeter

Tabelle 4.1: Probandenübersicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Durchschnittsalter der Probanden betrug 24,08 Jahre. Im Mittel waren sie 1,79 Meter groß bei einem mittleren Körpergewicht von 78,5 Kilogramm. Damit entspricht die untersuchte Probandengruppe dem 50. Perzentil dieser beiden Körpermaße (vgl. DIN 33402 – 2; 2005; S. 8 ff.). So liegt in der Altersgruppe von 18 – 65 Jahren das 50. Perzentil des Körpergewichtes des Mannes bei 79,0 Kilogramm. Zwar weicht das 50. Perzentil der Körpergröße des Mannes in der Altersgruppe von 18 – 65 Jahren mit 1,75 Meter etwas vom Mittelwert der untersuchten Probandengruppe ab, jedoch stimmt das 50. Perzentil der Altersgruppe 18 – 25 Jahre mit dem oben erwähnten Mittelwert überein. Die Verteilung der Körpermasse und –höhe von Frauen und Männern in unterschiedlichen Altersklasse nach DIN 33402 findet sich in Anhang A3 und A4.

Neben den Körpermaßen wurden auch einige Lebensgewohnheiten der Probanden erfasst. Bei Einteilung des Alkoholkonsums der Probanden in eine Skala von 1 bis 4 (1 = nie; 2 = selten; 3 = häufig; 4 = regelmäßig), liegt der durchschnittliche Konsum bei 2,58. Hierbei galt als Vorgabe, dass regelmäßiger Alkoholkonsum am Wochenende mit gelegentlichem Konsum unter der Woche als „häufig“ gilt. Bis auf einen Teilnehmer der Studie handelte es sich bei allen um Nichtraucher. Im Mittel sind die Teilnehmer 4,5 Stunden pro Woche körperlich tätig, wobei Ausdauersportarten, Fitnessstudio und Fußballtraining überwiegen.

Um die Auswirkungen des Tragens von Kühl- und Tiefkühllagerkleidung untersuchen zu können, wurde mit den zwölf Probanden eine aus vier Phasen bestehende Untersuchung durchgeführt. Im ersten Schritt wurden im Rahmen einer Kurzanamnese die physischen Eigenschaften und der muskuläre Wirkungsgrad der Probanden untersucht. (vgl. Abbildung 4.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Kurzanamnese zur Wirkungsgradbestimmung

Hierzu erbrachten die Probanden in Sportkleidung 15 Minuten lang auf einem Fahrradergometer eine konstante und für alle Probanden gleiche Leistung von 75 Watt bei einer Trittfrequenz von 60 Umdrehungen pro Minute. Während dieser Belastung wurde kontinuierlich mithilfe des Cortex MetaMax3B der Energieumsatz bestimmt. Der Quotient aus dem ermittelten Arbeitsumsatz und der erbrachten Leistung ergab folglich den individuellen Wirkungsgrad des Probanden. Nach dieser Kurzanamnese führten die Probanden in wechselnder Reihenfolge körperliche Tätigkeiten jeweils in Sportkleidung, Kühllagerkleidung und Tiefkühllagerkleidung aus, wobei alle Probanden Sportkleidung unter der Tiefkühllagerkleidung trugen. Hierbei fand eine kontinuierliche Aufzeichnung des Energieumsatzes und der Herzschlagfrequenz statt und es wurden jeweils zu Beginn und Ende der Belastungsphasen der Blutdruck und die Körperkerntemperatur gemessen. Zum einen gingen die Probanden 15 Minuten lang bei 4 km/h auf dem Laufband (vgl. Abbildung 4.2). Des Weiteren wurde eine 15-minütige Kommissioniertätigkeit mit Kisten zwischen 2 und 15 kg simuliert (vgl. Abbildung 4.3). Hierbei wurde ein akustischer Taktgeber verwendet um zwecks Vergleichbarkeit der gemessenen physiologischen Werte gleiche Arbeitsgeschwindigkeiten zu gewährleisten. Zwischen den Belastungsphasen fanden jeweils 15-minütige Erholungsphasen statt. Im Anhang unter A5, A6 und A7 sind die für die Aufzeichnungen verwendeten Probandenerfassungsblätter, Datenblätter zur Erfassung der Kerntemperatur und Versuchszeitdiagramme abgebildet.

[...]

^[1] EE O2 = 5,68