Otomobillerde ısıl konfor parametrelerinin incelenmesi

Abstract

Isı ve kütle transferinin önemli uygulama alanlarından biri de ısıl konfordur. Isıl konfor tüm kapalı hacimleri ilgilendirdiğinden çok geniş bir araştırma alanına hitap eder; bu alanlar içinde ev, ofis ve topluma açık kapalı hacimlerin yanında, iç ortam koşullarının hızla değiştiği taşıt ve otomobil kabinleri de sayılabilir. Literatürde ısıl konforla ilgili birçok teorik ve deneysel çalışma mevcuttur ancak, özellikle otomobil iç hacmindeki ısıl konfor koşullarıyla ilgili yürütülen araştırmalar çok kısıtlı sayıdadır. Ülkemizde bu konuda yapılan çalışmalar yok denecek kadar azdır hatta deneysel olarak hiçbir çalışmayla karşılaşılmamıştır. Doktora düzeyinde ise herhangi bir çalışma mevcut değildir. Bu nedenle bu çalışma, kendi alanında bir ilki gerçekleştirmiş ve kapsamlı teorik analizlerin yanısıra deneysel çalışmalarla da ileride yürütülecek araştırmalara bir referans oluşturmuştur. Bu çalışmada, ısıl konfor uygulamalarında yaygın olarak kullanılan Sürekli Rejim Enerji Dengesi ve Anlık Enerji Dengesi modelleri kullanılarak, vücutla çevre arasında gerçekleşen ısı ve kütle transferinin ve vücuttaki fizyolojik denetim mekanizmalarının etkilerinin matematiksel modeli oluşturulmuştur. Model, farklı koşulların irdelenebilmesi amacıyla Delphi 7 görsel programlama dili kullanılarak bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Yerel konforsuzluğun önemli olduğu otomobillerde daha doğru ve kapsamlı analizlerin yapılabilmesi için vücudu 16 kısma ayırarak, sürekli ve geçici rejimde hazırlanan model geliştirilmiştir. Otomobil içerisinde yürütülen deneysel çalışmalar ısıtma ve soğutma süreçlerini kapsamaktadır. Bu süreçlerde otomobil içinde hızla değişen ısıl şartların, vücut fizyolojisi ve konforu üzerindeki etkilerinin belirlenebilmesi için ortam şartlarının ve değişiminin hassas olarak tespit edilmesi gerekir. Bu amaçla otomobil içinde 16 noktada hava sıcaklığı, 6 noktada yüzey sıcaklığı, 4 noktada bağıl nem ve 8 noktada hava hızı ölçümleri alınmıştır. Isıtma ve soğutma süreçlerinde oluşan ısıl şartların vücut fizyolojisi ve ısıl konfor üzerindeki etkileri ise denek üzerinden alman deri sıcaklığı ölçümleriyle denetim altında tutulmuştur. Her iki süreçte de baş, göğüs, sırt, el, önkol, üstkol, pelvis, ayak, baldır ve uyluk olmak üzere toplam 10 bölgeden alınan sıcaklık ölçümleri, iç ortam ısıl şartlarını belirleyen ölçüm parametreleriyle birlikte sürekli olarak kaydedilmiştir.Daha önce yapılan çalışmalardan farklı olarak bu çalışmada, hem ısıtma hem de soğutma süreçlerinde yürütülen deneyler ve teorik analizler birlikte ele alınmıştır. Bu çerçevede yürütülen araştırmanın bir bütünlük gösterebilmesi için otomobil içinde ve denek üzerinden alınan ölçümler, eş zamanlı olarak aynı deney ortamında gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen sayısal modelden elde edilen sonuçların güvenilirliği, literatürdeki çeşitli teorik ve deneysel çalışmalarla birlikte, tez kapsamında otomobil içinde ve şartlandırma odasında gerçekleştirilen deneylerle karşılaştırılarak ortaya konmuştur. İncelenen süreçlerde vücut kısımlarının deri sıcaklıkları ile bu değerlerle ilişkili olan ve kişinin konforunu önemli ölçüde gösteren ortalama deri sıcaklığı hem deneysel hem de teorik olarak tespit edilmiştir. Ayrıca geliştirilen model kullanılarak, vücutla çevresi arasındaki duyulur ve gizli ısı geçişi, solunum kayıpları, deri ıslaklıkları, ortamın nasıl algılandığını gösteren ısıl konfor ölçütleriyle vücuttaki sıcaklık denetim sinyallerinin büyüklüğü, deriye gönderilen kan akış debisi, ter üretimi gibi vücut fizyolojisiyle ilgili birtakım özellikler de hesaplanmış ve elde edilen tüm sonuçlar irdelenmiştir.

One of the important application fields of heat and mass transfer is thermal comfort. Thermal comfort is a wide investigation field because of concerns all indoor conditions, such as home, office or indoor area, vehicle and automobile cabin in which ambient conditions rapidly vary. In the literature, there are a lot of studies related with thermal comfort, but especially investigations on the thermal comfort conditions in automobiles are very rare. In our country, a few studies consider about this subject; in fact any of the experimental study has been performed yet. Since there are no sufficient studies on thermal comfort in the automobile, this research is good start in this area. For this reason, detailed numerical analyses and experimental studies have been performed in this thesis. In this study, a mathematical model of heat and mass transfer between the body and its environment, and physiological thermoregulatory control mechanisms of the body were performed using the Steady-State Energy Balance and Transient Energy Balance models, which were commonly used in the thermal comfort applications. The presented model was written in Delphi 7 visual programming language for examining thermal comfort under different conditions. Local discomfort is one of the important problems in an automobile. Thus, the human body is divided into 16 sedentary segments and prepared models at the steady-state and transient conditions were developed. This thesis includes experimental studies which are performed during heating and cooling periods in the automobile. Rapid change of thermal conditions of the automobile interior in these periods must be accurately determined for calculating of the effects on the human physiology and comfort. For this reason, air temperature, surface temperature, relative humidity and air velocity measurements were performed at 16, 6, 4 and 8 points in the automobile, respectively. The effects of thermal conditions on the human physiology and comfort were hold under control with taken skin temperature measurements on the test-subject during heating and cooling periods. Temperature measurements on the 10 segments such as head, back, hand, forearm, upperarm, pelvis,IV calf, thigh and foot, together with measurement parameters which were determined interior thermal conditions were continuously registered during both periods. In this study, different from the former studies, theoretical and experimental analyses of both heating and cooling periods have been examined together. Measurements in the automobile and on the test-subject have been simultaneously realized in the same experimental ambient. Results of the developed simulation were compared with the present measurements in the automobile and test chamber and available experimental and theoretical data in the literature, in order to validate the present model. It was shown that the agreement between the model predictions and experimental results is very good. The skin temperatures of body segments, and mean body skin temperature, which is explaining human comfort, related with these temperatures were determined both experimentally and theoretically. Furthermore, by using the developed model, sensible and latent heat exchange between the body and its environment, respiratory losses, skin wettedness, thermal comfort indexes, control signals greatness, and some features related with human physiology such as through blood flow were calculated and all results were discussed.