Otomobil kabininde farklı koşullarda ısıl konforun değişiminin incelenmesi

Abstract

Isıl konforu etkileyen çevresel parametreler iç ortam sıcaklığı, bağıl nemi, ortalama ışınım sıcaklığı ve kişi üzerindeki hava hızlarıdır. Bu çalışmada otomobillerin ısıtma ve soğutma süreçlerinde sürekli değişen ve kabin içinde düzensiz bir dağılım gösteren ısıl konfor parametrelerinin sürücünün fizyolojik tepkilerine ve ısıl konforuna olan etkileri deneysel ve teorik yöntemlerle incelenmiştir.Yaz ve kış şartlarında yürütülen deneysel çalışmalarda, kabin içinde yolcuların diz ve baş hizalarına gelecek 8 noktadan ve sürücü vücut bölmeleri etrafından ise 11 farklı noktadan hava sıcaklığı, sürücü etrafında 17 noktadan hava hızı, sürücü baş hizasından ise bağıl nem ve karbondioksit miktarı ölçümleri alınmıştır. Ortalama ışınım sıcaklığı ise tabandan 0.6 metre yüksekliğe konumlandırılan bir siyah küresel termometre ölçümlerinin aynı noktadan alınan hava sıcaklığı ve hava hızı ölçümleri ile düzeltilmesi sonucunda hesaplanmıştır. Belirlenen ortam şartlarının sürücünün fizyolojik tepkileri ve ısıl konforu üzerindeki etkilerinin belirlenmesi amacıyla sürücünün deri yüzey sıcaklıkları 12 ayrı vücut bölmesi üzerinden ölçülmüş ve deneyler süresince deneklere ısıl konfor algılarının sorgulandığı anketler uygulanmıştır. Deneysel çalışmalar 2 faklı menfez çalışma konumu (yalnız orta konsol üzerindeki 4 adet hareketli menfezin açık tutulması, ayak ve ön cam altındaki buğu veya buz giderici menfezlerinin birlikte açık tutulması) ve menfez çıkış havasının 3 farklı hız kademesi (yavaş, orta, hızlı) için tekrarlanmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.Teorik çalışmalar 2 kısımda yürütülmüştür. 1. kısımda anlık enerji dengesi modeli kullanılarak sürücünün çevresi ile olan ısıl etkileşimini, vücut sıcaklıklarını ve denetim mekanizmalarının etkilerini çözümleyen dinamik, sürekli ve kapalı döngülü modelin matematiksel denklemi kurulmuş ve bağ grafiği yöntemi ile Matlab-Simulink ortamına aktarılmıştır. Yerel konforsuzlukların da hesaplanabilmesi için insan vücudu 16 bölmeye ayrılarak modellenmiştir. 2. kısımda ise dış ortam sıcaklığı, rüzgar veya taşıt hızı, güneş ışınımı gibi dış ortam parametrelerinin etkisinde kabin iç ortam sıcaklığı ve ortalama ışınım sıcaklığı gibi ısıl konfor parametrelerini kütle ve enerjinin korunumu yasalarından yola çıkarak tahmin edebilen model hazırlanmıştır. Kabini oluşturan malzemelerin optiksel ve termofiziksel özelliklerinin iç ortam şartlarına ve sürücünün ısıl konforuna olan etkisi simülasyon sonuçları karşılaştırılarak incelenmiştir.Otomobillerde ısıtma süreçlerinde ayak ve ön cam menfezlerinin birlikte açık tutulması ile sürücü üzerinde daha homojen sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Orta konsol menfezlerinden çıkan hava sürücünün elleri ve kolları ile direk temas halinde olması bu vücut bölmeleri üzerinde yüksek hızlarda hava hareketleri oluşturmaktadır. Bu vücut bölmeleri üzerinde hava hızlarının yüksek olması ısı kayıplarını arttırmış ve deri yüzey sıcaklıklarını düşürerek yerel konforsuzlara neden olmuştur. Otomobillerde ısıtma sürecinde yüzey sıcaklıklarının hava sıcaklığından daha geç ısınması nedeniyle ısı kayıpları büyük miktarda ışınım yoluyla olmaktadır.Hazırlanan simülasyonda, otomobil camlarının güneş ışınımı yutma katsayısı ve güneş ışınımı geçirme katsayısının, taşıt boyasında güneş ışınımı yutma katsayının düşük tutulması ve kabin yüzeylerindeki yalıtım malzemesi kalınlığının arttırılması ile kabin içinde ısıl konfor şartlarının sağlanabilmesi için soğutma ünitesinden çekilen güç önemli oranda azaltılmıştır.

Parameters affecting the thermal comfort are; air temperature, relative humidity, mean radiant temperature and air velocities on human body segments. At this study, the effects of nonuniform and highly transient thermal comfort parameters on physiological reactions and thermal sensation of a driver during the heating and cooling periods in an automobile were investigated both experimentally and theoretically. Experiments were performed both summer and winter conditions. In order to determined temperature distribution in automobile, data were taken from knee and head levels of four seats. In addition to that, temperatures and velocities around the human body segments were measured at 11 and 17 different points respectively. Relative humidity and measurements were performed from the head region of the driver. To obtain mean radiant temperature, globe thermometer was placed 0.6 m height from the floor level and the data were taken from globe thermometer were corrected with air temperature and velocity measurements around the globe thermometer. Two different ventilation modes (instrumental panel vents, foot and windshield vents) and three velocity step of HVAC system were tested in the experiments.Theoretical studies were executed as two steps. In the first step, dynamic and close loop Matlab-Simulink model of the human body was developed to simulate thermal interactions between the driver and environment, driver body temperatures and behaviour of the thermoregulatory control mechanism. In the simulation, the human body separated to 16 body segments to predict local dissatisfactions.In the second step, thermal behaviour simulation of the passenger compartment was prepared to benefit from thermodynamic's basic laws. With the model interior air temperature and mean radiant temperature can be calculated for different states of sun radiation, car speed, and ambient temperature. The effects of optical and thermophysical properties of the compartment metarials to interior thermal conditions and driver thermal comfort were investigated. Experimental studies revealed that for the same conditions foot and windshield vents mode was more efficient to obtain homogeneous temperature distribution on the driver during the heating periods. For panel vents mode high air velocities affect driver body segments especially arms and hands owing to exposed vent air directly. This couses considerable temperature decline and low thermal sensations at skin surfaces.Simulation results were conclused that cooling loads, can be reduced after a vehicle parked inthe sun with increasing insulation thickness and using solar reflective glass and paint.