Kimmuh.com

ISIL KONFOR PARAMETRELERİNİN OPTİMİZASYONU

Ömer KAYNAKLI,  Recep YAMANKARADENİZ ^*

Bir ortamın ısıl konfor şartları, genel olarak ortam sıcaklığı, nemi, hava hızı, ortalama ışınım sıcaklığı, aktivite ve giysi olmak üzere toplam altı parametreyle belirlenmektedir. Bu çalışmada, ısıl konforun sağlanması için söz konusu parametrelerin optimum değerleri araştırılmıştır. Vücut ile çevre arasında kurulan ısı dengesi, ısıl konforun sağlanması için verilen gerekli deri sıcaklığı ve ter kayıpları referans alınarak, ısıl konfor şartlarının optimum değerleri bulunmuştur. Dinlenme durumunda hafif giysili bir insan için optimum ortam sıcaklığı 24,3°C olarak bulunmuş ve ortamdaki bağıl nemin artmasıyla bu sıcaklığın azalması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar sözcükler : Isıl konfor, ısı konfor parametreleri, optimizasyon

In generally, thermal comfort conditions are determined by using six factors which are air temperature, humidity, air velocity, mean radiant temperature, activity and clothing. In this study, optimum values for these factors are investigated to provide thermal comfort. Optimum values of thermal comfort factors are determined with reference to required skin temperature, sweating heat loss and heat balance between body and environment. In resting and light clothing position of a person, the optimum ambient temperature is found 24,3°C and it’s concluded that, this temperature decreases with increasing relative humidity.

Keywords: Thermal comfort, thermal comfort factors, optimization

*   Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü

GİRİŞ

Isıl konfor, bir ortamdan duyulur ısıl memnuniyeti ifade eder ve his ve duygular ile ilgili bir kavramdır. Bu nedenle, konfor algılarını fizyolojik davranışlara bağlamada deneysel denklemlere başvurulur. Vücuttaki fizyolojik davranışları ve vücuttan duyulur ve gizli ısı geçiş mekanizmalarını ifade etmede yaygın olarak iki model kullanılır. İlki “Sürekli Rejim Enerji Dengesi Modeli”dir ve vücudu bütün olarak ele alır. Sürekli rejimde vücutta üretilen ısıl enerjinin ısı kaybına eşit olduğunu dolayısıyla sıcaklığın zamana göre sabit kaldığını kabul eder. Diğeri “Anlık Enerji Dengesi Modeli”dir ve iç içe iki silindir şeklinde, vücudu iç bölme ve deri tabakası olarak iki kısımda inceler. İki bölme arasında kan akışı yoluyla ve direkt temasla ısı geçişi olduğunu ve birim zamanda depolanan enerjinin bu bölmelerin sıcaklıklarını değiştirdiğini kabul eder [2].

Isıl konfor şartlarını etkileyen parametreler çevresel ve kişisel olmak üzere temel olarak iki grupta incelenebilir. Isıl konforu etkileyen çevresel parametreler ortamın sıcaklığı, nemi, hava hareketleri ve insanı çevreleyen yüzeylerin ortalama ışınım sıcaklığıdır. Kişisel parametreler arasında ise kişinin hareketlilik düzeyi (aktivitesi) ve giysi durumu sayılabilir.

Bu çalışmada, vücudun ısı dengesini veren denklemler kullanılarak ve bunun yanında ısıl konforu sağlayan deri tabakası sıcaklığı (t_sk,req), terlemeyle olan ısı kaybı (E_rsw,req) değerlerinden faydalanılarak ısıl konforu etkileyen kişisel ve çevresel toplam altı parametrenin optimum değerleri bulunmuştur.

MATEMATİKSEL MODEL

Daha önce de bahsedildiği gibi ısıl konfor uygulamalarında sürekli rejim enerji dengesi modeli ve iki bölmeli anlık enerji dengesi modeli olmak üzere yaygın olarak iki model kullanılmaktadır. Modeller hakkında geniş bilgi, ilgili referanslarda detaylı olarak yer almaktadır. Bu nedenle bu kısımda, modeller hakkında özet bilgi verilecek ve çalışmanın daha rahat anlaşılması açısından gerekli görülen bazı ifadeler ve bağıntılara değinilecektir.

Sürekli Rejim Enerji Dengesi Modeli

Bu modelde, sürekli rejimde vücutta üretilen ısıl enerjiyle vücuttan çevreye olan ısı kayıplarının eşit olduğu varsayılmaktadır. Dolayısıyla vücudun enerji dengesi, 1 numaralı denklem ile tanımlanabilir [2].

(1)

burada, M, vücudun metabolik enerji üretimi; W, yapılan dış iş; Q_sk, giyinik vücuttan olan toplam ısı kaybı; Q_res, solunum yoluyla olan toplam ısı kaybını; C, R ve E_sk sırasıyla deriden olan taşınım, ışınım ve buharlaşma kayıplarını, C_res ve E_res sırasıyla solunumla olan duyulur ve gizli ısı kayıplarını göstermektedir. Isıl konforun sağlanması için vücut ile çevre arasında ısı dengesinin sağlanması gerekmektedir. Yani, vücutta metabolik aktivitelerle (tüm kimyasal tepkimelerle) üretilen ısıl enerjiyle çevreye olan ısı kayıplarının birbirine eşit olması veya bu farkın kabul edilebilir mertebede olması gerekmektedir. Ancak 1 numaralı denklem ile verilen vücudun enerji dengesini gösteren ifadenin sağ ve sol taraflarının birbirine eşit veya aralarındaki farkın kabul edilebilir olduğu her durumunda ısıl konfor sağlanmış demek değildir. Isıl konfor için bu gerekli fakat yeterli bir şart değildir. Çünkü vücudun ısı dengesinin sağlanabileceği çok geniş çevre şartları vardır. Bu geniş çevre şartlarında dar bir bölgede ısıl konfor sağlanabilmektedir. Belirli bir metabolik ısı üretiminde ısıl konforu sağlayan vücudun deri bölmesi sıcaklığı ve terleme ile oluşan ısı kaybı miktarı aşağıda verilen amprik bağıntılarla bulunabilmektedir [2].

(2)

(3)

Bu ifadeler, vücudun ısı dengesinden uzak olmadığı bir durumda ısıl konforun sağlandığı deri sıcaklığı ve terleme kayıplarını vermektedir. Vücuttan olan duyulur ısı (taşınım ve ışınım) kayıpları,

(4)

denkleminden bulunabilir. Burada, t_sk, deri sıcaklığı; R_cl, giysinin ısıl direnci; f_cl, giysi alan faktörüdür. Ortalama ışınım ve çevre havası sıcaklıklarını içine alan operatif sıcaklık (t_o) [2] ve giysi alan faktörü [7],

(5)

(6)

olup, burada h_c ve h_r sırasıyla ısı taşınım ve ışınım katsayıları, t_a ve sırasıyla ortam ve ortalama ışınım sıcaklıklarıdır. Isı taşınım katsayısı için aşağıda verilen iki ifadeden büyük olanının kullanılması tavsiye edilmektedir. İkinci ifade, vücut hareketlerinden kaynaklanan taşınım katsayısıdır [2,4].

(7)

(8)

(9)

burada, e, giysi veya vücut yüzeyinin ortalama yayma katsayısı; s, Stefan-Boltzman sabiti; A_r, vücudun etkin ışınım alanı; A_b, vücut yüzey alanı; t_cl, ortalama giysi yüzey sıcaklığıdır. e�nun normal koşullarda (özel yansıtıcı malzemeler veya yüksek sıcaklıklar söz konusu değilse) 0,95, (A_r / A_b) oranının ayakta duran bir kişi için 0,73 alınması tavsiye edilmektedir [2]. Ortalama giysi yüzey sıcaklığı ise,

(10)

denkleminden hesaplanabilir. Solunum kayıpları ise;

(11)

olup, burada , solunum debisi; t_ex ve W_ex sırasıyla solunumla dışarı atılan havanın sıcaklığı ve özgül nemidir.

Anlık Enerji Dengesi Modeli

Bu model, insan vücudunu iç içe iki silindir olarak ele alır. İç silindir vücudun içini (iskelet, kaslar, iç organlar) dış silindir ise deri tabakasını simgelemektedir. Bu iki tabaka arasında direkt temasla ve kan akışı yoluyla ısı geçişi söz konusudur ve bu ısı geçişi vücudun denetim mekanizmalarıyla kontrol edilebilmektedir. İç vücut ve deri tabakası arasında birim yüzey alan başına düşen kan akışı [2]:

(12)

Kan debisindeki değişmeler, deri ve iç vücut bölmelerinin göreceli kütlelerini etkilemektedir. Bu etki matematiksel olarak

(13)

bağıntısı ile verilmektedir. Deriden buharlaşma ile olan toplam ısı kaybı, vücudun salgılamış olduğu terin buharlaşması ve terin deriden doğal difüzyonu ile gerçekleşir.

(14)

Terleme sonucu olan buharlaşma ile ısı kaybı (E_rsw) üretilen ter () ile doğru orantılıdır. w_rsw teri buharlaştırmak için vücudun ıslak olması gereken bölümüdür. Maksimum buharlaşma potansiyelini gösteren E_max, derinin tamamının ıslak olması (w = 1) durumunda gerçekleşir.

(15)

Giysinin buharlaşmayla olan ısı geçişine göstermiş olduğu direnç [2,8]:

(16)

olup, burada i_cl, giysinin buhar geçirgenlik verimi; LR, Lewis oranı olup buharlaşma ile ısı geçiş katsayısının (h_e) taşınımla ısı geçiş katsayısına (h_c) oranıdır. McCullough ve ark. (1989) iç ortamlarda genelde kullanılan giysiler için i_cl = 0,34 değerini ortalama bir değer olarak önermişlerdir. Lewis oranı için aşağıda verilen ifade kullanılmıştır [4]:

(17)

Maksimum buharlaşma potansiyeli E_max ve ter üretimi E_rsw bulunduğu zaman, vücudun toplam deri ıslaklığı w:

(18)

denklemiyle bulunabilir. Belirli bir çevresel şarta sahip bir ortama girildiğinde, vücudun denetim mekanizmalarının nasıl tepki vereceğini ve vücuttan olan toplam ısı kayıplarını bulmak biraz karmaşık ve zordur. Bu nedenle, arzu edilirse vücuttan olan toplam ısı kaybını veren basitleştirilmiş (indirgenmiş) ifadelere başvurulabilir. Bu ifadelerden yaygın olarak kullanılanlardan biri 19 numaralı denklem ile verilmiştir [2]. Ancak denklem vücudun üretmiş olduğu terin tamamının buharlaştığını kabul edip giysilerin nem geçirgenliğini yok saymıştır. Bu varsayım iç ortamlarda giyilen giysiler ve orta düzeyde aktiviteler için iyi bir yaklaşım sağlasa da terlemenin fazla olduğu yüksek aktivitelerde hassaslık azalmaktadır.

(19)

Bu denklemde yer alan ortalama giysi yüzey sıcaklığı (t_cl) daha önce verilen  10 numaralı bağıntıyla bulunabilir. Bir ortamın geniş bir insan kümesi tarafından konforlu algılanıp algılanmadığı ifade etmek için kullanılan �tahmini ortalama oy� (PMV) ısıl duyum ölçeği aşağıda verilen 7 noktalı sayısal bir skalaya dayanmaktadır.

Şekil 1. Tahmini Ortalama Oy (PMV) Ölçeği [5]

PMV, verilen bir çevrede vücuttan olan gerçek ısı geçişi ile optimum konfor için gerekli ısı geçişi arasındaki farka (E_st) bağlı olarak 20 numaralı denklem ile ifade edilmektedir.

(20)

SİMÜLASYON

Matematiksel Model kısmında özet olarak değinilen insan vücudu ile çevre arasındaki ısı geçişini ve vücuttaki fizyolojik denetim mekanizmalarını ifade eden denklemler bilgisayar ortamında çözdürülmüştür. Çevresel şartları (sıcaklık, nem, ışınım sıcaklığı, hava hızı) belli olan bir ortamda kişinin giysi durumu ve aktivite düzeyi biliniyor ise vücuttan olan duyulur ve gizli ısı kayıpları verilen denklemler yardımıyla bulunabilir. Ancak önemli olan, kişinin bu ortamı konforlu algılayıp algılamadığıdır. Vücuttan olan toplam ısı kaybı vücudun üretmiş olduğu ısıdan fazla olması durumunda vücudun deri sıcaklığı düşecektir. Eğer bu ortamda kalınmaya devam edilirse ilerleyen sürede vücut iç sıcaklığı da azalacaktır. Vücuttan olan ısı kaybı vücudun üretmiş olduğu ısıdan az olması durumunda ise vücut üzerinde ısıl yük birikimi olacak ve vücut sıcaklıkları artacaktır. Sonuçta her iki durumda da kişi kendini konforsuz hissedecektir. Dolayısıyla vücut ile çevre arasında kurulacak ısı dengesi yani üretilen ısı ile kayıpların birbirine eşit olması konfor için önemli bir parametredir. Ancak çevre ile kurulan ısı dengesi ısıl konfor için yeterli değildir. Bu amaçla, literatürde belirli bir aktiviteye sahip insanın konfor için gerekli deri sıcaklığı (t_sk,req) ve terleme kayıpları (E_rsw,req) verilmiştir. Çalışmamızda da bu değerler referans alınmıştır. Simülasyonun başlangıcında kişinin aktivitesi (M_act), giysi durumu (R_cl veya I_cl), ortam sıcaklığı (), bağıl nem, ortalama ışınım sıcaklığı () ve hava hızı (V) değerleri girilmektedir. Program bu girdilerden hareketle t_sk,req ve E_rsw,req değerlerini hesaplamakta ve daha sonra vücuttan olan duyulur (C+R), gizli (E_sk) ve solunum (C_res + E_res) kayıplarını yani vücuttan olan toplam ısı kaybını bulmaktadır. Daha sonra 1 numaralı denklem ile verilen vücut ile çevre arasındaki ısı dengesi denkleminde yerlerine koymaktadır. Eğer denklem sağlanıyorsa program sonlanmakta, sağlanmıyorsa girdi değerlerinden biri değiştirilerek simülasyonun başına dönülmektedir. Örnek olarak, giysi yalıtımının ısıl konfor şartlarına etkisi incelenirken, vücuttan çevreye olan ısı geçişi üretilen ısıdan fazla çıkması durumunda giysi yalıtım değeri (R_cl) artırılmak suretiyle ısı geçişi azaltılır. Vücuttan çevreye olan ısı geçişi üretilen ısıdan az ise bu taktirde R_cl azaltılarak ısı kayıpları artırılır. Bu şekilde enerji dengesini gösteren 1 numaralı eşitlik sağlanıncaya kadar iterasyona devam edilir. Bu esnada diğer bütün faktörler sabit tutulmakta sadece etkisi incelenecek olan parametre (R_cl) değiştirilmektedir. Böylece belli bir aktivitede ve şartları belirli olan bir ortamda, ısıl konfor için gerekli t_sk,req, E_rsw,req ile ısı dengesini sağlayan giysi yalıtımının optimum değeri belirlenmiş olur. Bu işlemler ısıl konforla ilgili temel altı faktör için tekrarlanarak bu faktörlerin optimum değerleri tespit edilir. Simülasyonun doğruluğu 19 numaralı denklemle karşılaştırılarak ortaya konmuştur.

ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA

Şekil 2.a�da R_cl = 0,0930 (m²K)/W, R_e,cl = 0,0161 (m²kPa)/W (~0,6 clo) ve R_cl = 0,1548 (m²K)/W, R_e,cl = 0,0269 (m²kPa)/W (~1,0 clo) olmak üzere iki farklı giysi grubu için ısıl konforu sağlayan ortam sıcaklıkları verilmiştir. Burada ortamdaki hava hızı 0,1 m/s, bağıl nem 0,5 ve ortam sıcaklığı ile ortalama ışınım sıcaklılığı birbirine eşit (t_a =)  alınmıştır. Aynı şekil üzerinde simülasyondan ve 19 numaralı indirgenmiş denklemden elde edilen sonuçlar da karşılaştırmalı olarak yer almaktadır. Görüldüğü gibi sonuçlar oldukça uyumludur. Çalışmada dinlenme durumu ile hafif idman yapan bir kişinin aktivite seviyelerini gösteren sırasıyla 1 met (~60 W/m²) ile 3,5 met (~210 W/m²) arası incelenmiştir. İnsanın hareketlilik düzeyi arttıkça vücuttan üretilen ısı da buna bağlı olarak artmaktadır. Bu nedenle, aktivitenin artmasıyla vücut ile çevre arasındaki ısı dengesinin korunabilmesi için vücuttan olan ısı kayıplarının da artması gerekir. Isı kayıpları doğal olarak ortam sıcaklığının azalmasıyla artmaktadır. Hafif giyinen (~0,6clo) bir kişi sakin oturma pozisyonundayken konfor şartları 24,3ºC ortam sıcaklığında sağlanırken aktivite 2 met değerine çıktığında sıcaklık 19,7ºC�ye inmektedir. Vücuttan olan ısı kayıplarını artıran bir diğer önemli parametre de giysinin ısı iletim ve buharlaşma dirençlerinin azalmasıdır. Bu nedenle, giysi yalıtımının 1clo�dan 0,6clo değerine inmesi, duyulur ve gizli ısı kayıplarını artırmakta bunun dengelenebilmesi için ise ortam sıcaklığının artırılması gerekmektedir. Dinlenme durumunda biri kişi orta kalınlıkta giysi grubu (~1,0clo) ile 21,7ºC sıcaklığa sahip bir ortamda ısıl olarak rahat ve konforlu hissederken yazlık bir giysi (~0,6clo) için bu sıcaklık 24,3ºC değerine çıkmaktadır.

Şekil 2.b�de, aynı şartlarda ısıl konforu sağlayan ortam sıcaklığında vücut üzerindeki deri ıslaklığının değişimi verilmiştir. 3 numaralı denklemden de görüldüğü gibi aktivite arttıkça, vücuttan çevreye olan ısı geçişinin artması için terleme kayıpları artmaktadır. Terleme kayıpları, az önce verilen çevresel ve kişisel parametrelerin sabit kalması koşuluyla ancak ter üretimi artırılarak fazlalaştırılabilir. Ter üretiminin artması ise derinin terle kaplı olduğu kısımları artırır yani vücudun ortalama deri ıslaklığı artar. Deri ıslaklığını artıran diğer bir parametre ise giysinin buharlaşmayla olan ısı geçişine  karşı gösterdiği dirençtir. 3,5 met aktivitede R_e,cl = 0,0161 (m²kPa)/W iken deri ıslaklığı 0,37, R_e,cl = 0,0269 (m²kPa)/W iken 0,47 olmaktadır. Giysinin buharlaşamaya karşı gösterdiği direnç arttıkça, ter rahat buharlaşamamakta ve vücut üzerindeki deri ıslaklığı artmaktadır.

Şekil 2(a). Farklı Aktivitelerde Isıl Konfor için Gerekli Ortam Sıcaklıkları

Şekil 2(b). Isıl Konforun Sağlandığı Şartlarda Deri Islaklığının Farklı Giysi Dirençlerinde Aktivite ile Değişimi

Günlük hayatta genelde kullanılan mekanlarda (ev ve ofis ortamlarında) ortalama ışınım sıcaklığı () ile ortam sıcaklığı (t_a) arasındaki fark çok azdır ve birbirine eşit almak önemli hatalara neden olmaz. Ancak özel durumlarda t_a ile   sıcaklıkları birbirine eşit olmayabilir. Şekil 3�de farklı ortalama ışınım sıcaklıkları için ortam sıcaklığının alabileceği değerler verilmiştir. İnsanı çevreleyen yüzeylerin sıcaklıkları arttıkça vücut üzerine ışınımla gelen ısı yükü artar. Vücut ile çevre arasındaki ısı dengesinin ve ısıl konforun bozulmaması için ortam sıcaklığının azaltılması gerekir. Böylece vücut üzerine taşınımla gelen ısı yükü azaltılmış olur.

Şekil 4�de hava hızı ile ortam sıcaklığı arasındaki ilişki, iki farklı giysi grubu için verilmiştir. Ortamdaki hava hızı ve hareketlerinin artması ısı taşınım katsayısını dolayısıyla vücuttan çevreye olan duyulur ısı geçişini artırır. Vücuttan çevreye olan ısı kayıplarının azaltılması için ortam sıcaklığının artırılması gerekir. Hava hızı arttıkça ortam sıcaklığının lineer olarak artmamasının en büyük nedeni, taşınım katsayısının hava hızı ile lineer değişmemesinden kaynaklanmaktadır. Giysi yalıtımın artması ise hava hızının aksine ısı kayıplarını azaltıcı yönde etki yapmaktadır. Bu nedenle giysi yalıtımı arttıkça ortam sıcaklığının düşürülmesi gerekir. Hava hızının 0,2 m/s olduğu bir ortamda 0,6 clo giysili bir kişi ile çevre arasındaki ısı dengesi 25,0ºC�de sağlanırken giysi yalıtımı 1,0 clo�ya çıktığında ısı dengesinin kurulduğu sıcaklık 22,3ºC�ye düşmektedir.

Şekil 3. Isıl Konfor İçin Ortam ile Ortalama Işınım Sıcaklığının Değişimi

Şekil 4. Isıl Konfor İçin Hava Hızı ile Ortam Sıcaklığının Değişimi

Şekil 5.a�da bağıl nemin ısıl konfor şartlarına etkisi, farklı giysi grupları ve aktivite düzeyleri için verilmiştir. Aktivitenin ve giysi yalıtımın artmasıyla ortam sıcaklığının azaltılması gerektiğini daha önce ifade etmiştik. Benzer şekilde ortamın bağıl neminin artması da ortam sıcaklığının azaltılması yönünde etkide bulunmaktadır.  Dinlenme durumunda ve 0,6 clo giysili bir kişi için, bağıl nemin %10 olduğu bir ortamda sıcaklık 25,1ºC olması gerekirken bağıl nemin %90 olması durumunda ortam sıcaklığı 23,6ºC�ye düşürülmelidir. Çünkü bağıl nem arttıkça vücuttan çevreye olan gizli ısı kayıpları azalacaktır. Bu düşüşün dengelenebilmesi için duyulur ısı kayıplarının artırılması gerekir. Bu nedenle ortam sıcaklığı azaltılır. Şekil 5.b�de giysi direnci 0,6 clo için bağıl nemin, vücut üzerindeki ortalama deri ıslaklığına etkisi görülmektedir. Ortamın bağıl neminin artması vücut ile çevre arasındaki kütle transferini zorlaştırdığından vücudun daha fazla bölümü terle kaplanmaktadır. 3,5 met aktivite ve %10 bağıl nemde deri ıslaklığı 0,33 iken %90 bağıl nemde bu değer 0,42�ye çıkmaktadır.

Şekil 6�da ise ortamdaki su buharının ısıl konfor üzerindeki etkisi daha net olarak görülmektedir. Burada M = 60 W/m², V=0,1 m/s ve I_cl=0,6 clo alınmıştır. Şekilde aynı zamanda ısıl konfor ölçütlerinden �tahmini ortalama oy� (PMV) değerleri de verilmek suretiyle konfor bölgeleri de yer almaktadır. PMV�nin 0 olması ortamın konforlu algılandığını 3 olması ise oldukça konforsuz olduğunu ifade etmektedir. Ortamdaki su buharı basıncı arttıkça ısıl konforun sağlanması için ortam sıcaklığının azaltılması gerektiği verilen şekilden görülmektedir. Aynı zamanda, ortam sıcaklığı arttıkça vücut üzerindeki ısıl yükten dolayı PMV nötr değerden sapmakta yani ortam konforsuz olarak algılanmaktadır.

Şekil 5(a). Isıl Konfor İçin Farklı Bağıl Nem ve Giysi Yalıtım Değerlerinde Aktivite ile Ortam Sıcaklığının Değişimi

Şekil 5(b). Isıl Konforun Sağlandığı Şartlarda Bağıl Nemin Deri Islaklığı Üzerindeki Etkileri