Do one-hour exposures provide a valid assessment of physiological heat strain?

Abstract

For time- and cost-efficient heat stress assessment procedures at workplaces or in experimental studies, short-time measurement periods (e.g. 1 h) are sometimes employed in lieu of whole shift observations assuming that the short time period will provide valid figures of equilibrium physiological responses. We studied the influence of exposure duration on physiological heat strain considering the modifying effects of clothing and heat acclimation using a database of 564 climatic chamber exposures performed by 28 young males under heat stress conditions with widely varying air temperature and humidity levels. We compared heart rates, rectal and mean skin temperatures, and sweat rates recorded after 1 h with the values averaged over the third hour of exposure representing steady-state. One-hour measurements agreed with equilibrium values for rather low strain levels only, with heart rates below 100 bpm and rectal temperatures below 37.2 °C. On average, one-hour values underestimated all heat strain parameters. This underestimation error was only moderately influenced by clothing and heat acclimation status, but increased significantly with air temperature and humidity, reaching considerable magnitude under hot-humid conditions associated with elevated heat strain. Regression analyses of the prediction error depending on the equilibrium response revealed that underestimation increased with equilibrium strain level. This correlation was strongest for heart rate and core temperature, and was shown to potentially cause a misclassification of hazardous working conditions as safe by given heat strain criteria. Practical Relevance : The severe underestimation of heat strain due to short measurement periods, as observed under hot-humid conditions and/or when associated with high physiological strain, will immediately impact the exposed personnel, but will also inform occupational health professionals and standard writers regarding the heat stress assessment for work shifts with high activity levels or with protective clothing. Aus Effizienzüberlegungen werden im Hinblick auf Dauer und Kosten von Messungen bei Untersuchungen zur Gefährdung durch Hitzebelastungen ganzschichtige Datenerhebungen häufig durch kurzzeitige, etwa einstündige Beobachtungen unter der Annahme ersetzt, dass die verkürzte Beobachtungszeit zur Beurteilung eines thermoregulatorischen Gleichgewichts der physiologischen Beanspruchung ausreicht. Zur Untersuchung des Einflusses der Beobachtungsdauer auf die Hitzebeanspruchung unter Berücksichtigung von Bekleidung und Hitzeakklimatisation in 564 Klimakammer-Versuchen mit 28 jungen männlichen Probanden wurden die in der dritten Expositionsstunde registrierten Mittelwerte mit den nach 1 h registrierten Rektal- und Hauttemperaturen, Herzschlagfrequenzen sowie Schweißraten verglichen. Die Werte nach einer Stunde stimmten nur auf niedrigem Beanspruchungsniveau mit den Gleichgewichtswerten überein, unterschätzten aber im Mittel für alle Größen sowie Akklimatisations- und Bekleidungsbedingungen die Beanspruchung. Dieser Fehler nahm mit steigender Lufttemperatur und -feuchte, und damit einhergehender gesteigerter Beanspruchung, statistisch signifikant zu. Regressionsanalysen des Fehlers in Abhängigkeit vom „Steady-State“ belegten zudem insbesondere für Herzschlagfrequenz und Rektaltemperatur eine mit ansteigender Beanspruchung zunehmende Unterschätzung, die in vorgegebenen Beurteilungsverfahren zur Hitzearbeit dazu führen kann, dass Gefährdungen fälschlich als sicher eingestuft werden. Praktische Relevanz : Die mit steigender Beanspruchung zunehmende Unterschätzung der Gefährdung bei Hitzearbeit durch zu kurze Beobachtungszeiten kann insbesondere für Arbeiten mit erhöhtem Energieumsatz oder unter Schutzkleidung bedeutsam sein und sollte insbesondere bei den für die Gefährdungsbeurteilung Verantwortlichen, den Verfassern von Vorschriften, sowie den direkt betroffenen Beschäftigten Beachtung finden.