7. FİZİKSEL ÇEVRE KOŞULLARI
7.2. HAVA KOŞULLARI 1. Temel Kavramlar
7.2.2. İnsan ve Çevresi Arasında Isı Transferi İnsanla çevresi arasında ısı transferi dört şekilde oluşur;
1) Isı iletimi (Kondüksiyon) 2) Isı taşınımı (Konveksiyon) 3) Isı ışınımı (Radyasyon) 4) Terleme ve solunum
Isı geçişi; faklı sıcaklıktaki iki ya da daha fazla cisim arasında sıcaklık farklarına bağlı olarak, ısının sıcak cisimden soğuk cisme doğru aktarımına ısı geçişi / transferi denir.
Isı transferini etkileyen faktörler:
- Havanın sıcaklığı
- Havanı hareketi ve hızı
- Duvar, tavan, taban ve makina yüzeyi gibi yüzey sıcaklıkları - Havanın bağıl nemi
Isı geçişi üç şekilde meydana gelir; kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyon.
a) Kondüksiyon (Isı iletimi); bir maddenin veya malzemenin içinde veya temas ettiği maddeler arasında, sıcak oldukları için kinetik enerjileri daha küçük olan komşu molekülleri direkt moleküler tesir ile ısı enerjisini iletmelerine kondüksiyon yolu ile ısı iletimi denir.
Kendisinden daha sıcak veya soğuk bir cisme temas eden insan vücudu ile temas edilen cisim arasındaki ısı transferidir. Bu durumda ısı iletimi, öncelikle deriye temas eden maddenin ısı iletim katsayısına (k) bağlıdır. Aynı sıcaklıkta ama soğuk çelik ve odunu tutan kişi farklı sıcaklık algılar. Bu, çeliğin ısı iletim katsayısının odununkinden yüksek olmasından kaynaklanır.
Isı iletimi ile ısı geçişi Fourier denklemine göre
(7.1)
şeklinde ifade edilir. Burada; [ ]: İletimle ısı akısı yoğunluğu, [ ]: Isı iletim katsayısı, [ ]: Temas eden cisim sıcaklığı ile deri sıcaklığı arasındaki fark, [ ]: Ortam kalınlığı
İnsan dokusunun ısı iletim katsayısı oldukça küçüktür:
Çoğu zaman deri ile katı bir cisime temas eden yüzey çok küçük olduğu için bu yolla oluşan ısı geçişi insanın ısıl dengesi üzerinde fazla etkili olmaz. Bununla birlikte ısı iletimiyle enerji kaybı rahatsız edici olduğu için iş yerinde deriye temas edecek donanımların yalıtımı önerilmektedir.
b) Konveksiyon (Isı taşınımı); molekülleri serbestçe hareket edebilen akışkanların içinde ısıl enerjileri fazla olan moleküllerin özgül ağırlıklarının düşük olması sebebiyle soğuk moleküllerle yer değiştirmesi suretiyle akışkan içinde ısının bir noktadan başka bir noktaya geçişine konveksiyonla ısı geçişi denir.
Akışkanda sıcaklık farklarının neden olduğu özgül ağırlık değişimlerinden kaynaklanan konveksiyona doğal konveksiyon; akışkanın pompa, vantilatör gibi araçlarla yer değiştirmesinden kaynaklanan konveksiyona zorlanmış konveksiyon denir.
Vücut sınırını oluşturan deri ile onu çervreleyen hava arasındaki ısı alış verişi ısı taçınımıdır. Taşınımla ısı transferi öncelikle havanın hızına bağlıdır. Toplam ısı transferinin %15-25’i taşınımla gerçekleşir.
Taşınımla ısı geçen enerji “Newton’un soğuma kanunu”na göre
( ) (7.2)
şekilnde ifade edilir. Burada; [ ] : Taşınımla geçen ısı akısı yoğunluğu, [ ]: Isı taşınım katsayısı (Katı cismin şekline, boyutuna, yüzey kalitesine ve akışkanın özelliklerine bağlıdır), [ ]: Deri sıcaklığı ile çevre havası sıcaklığı arasındaki fark
c) Radyasyon (Isı ışınımı); bir sıcak kaynaktan tek renkli dalga biçiminde ışın ve muhtemelen bu dalgaya eşlik eden parçacıklarla enerji iletimine radyasyon (ışıma) ile ısı iletimi denir. Radyasyon, maddenin olmadığı ortamda meydana gelebilen bir ısı transfer şeklidir. Çalışanları bu ısıdan korumak maksadıyla çalışanla radyasyon kaynağı arasına alüminyum yapraklı perde yerleştirilir.
Sıcak yaz günleri dışında insan ışınım yoluyla çevresine, çevre sıcaklığına da bağlı olarak yaklaşık 4500-7000 kJ enerji verir. Bu, insanın dışa verdiği enerjinin %40-60’ı arasında değişir.
Radyasyonla ısı transferi Stefan-Boltzmann kanununa göre
[( ) ( ) ] (7.3)
eşitiliği ile hesaplanır. Burada; [ ]: Radyasyonla geçen ısı akısı yoğunluğu,
[ ]: İki cisim arasında radyasyon ısı katsayısı, [ ]: Deri ce çevre yüzey sıcaklıkları
İletim, taşınım ve radyasyonla gerçekleşen toplam ısı akısı yoğunluğu
(7.4)
denklemiyle hesaplanabilir. Burada; [ ]: Toplam ısıl direnç, [ ]: Kan damarları düzeyinde, deri içi sıcaklık, [ ]: Çevre sıcaklığı
Çevre ile ısı alış verişinde önemli bir faktör de giyilen elbise ve elbisenin yalıtım değeridir. Elbiselerin yalıtım değeri “clothing unit” clo ile ifade edilir. Elbiselerin yalıtım değeri
(7.5)
şeklinde ifade edilir. Yalıtım değeri 1 clo olan bir elbise iç ve dış yüzeyleri arasında 1 0C sıcaklık farkı var ise 1 saatte değerinde ısı geçişine izin verir demektir.
Tablo 7.1’de bazı giysilerin ısıl yalıtım değerleri verilmiştir.
Tablo 7.1. Giysilerin ısıl yalıtım değerleri
YALIN GİYSİLER
Gömlek/Bluz İş pantolonu 0,25-0,45
Uzun kollu 0,22-0,29 Etek 0,10-0,22
Kısa kollu gömlek, ince pantolon, kısa çorap, ayakkabı 0,4-0,5 Hafif iş giysisi:
Kısa çamaşır, kısa kol gömlek, iş pantolonu, çorap, ayakkabı 0,5-0,7 Normal iş giysisi:
Uzun çamaşır, tek parça iş elbisesi, çorap, ayakkabı 1
Hafif sokak giysisi:
Kısa çamaşır, gömlek, hafif ceket veya kazak, pantolon, çorap, ayakkabı 0,8 – 1,2 Normal giysi:
Uzun çamaşır, uzun kollu gömlek, kazak/yelek, ceket, pantolon, çorap, ayakkabı 1,2 – 1,5 Kış giysisi:
Uzun çamaşır, uzun kollu gömlek, kalın ceket veya kazak, pantolon, kalın palto, kalın çorap, çizme verilen ısı 2,5 kJ kadardır. Günde ortalama 1 litre terleme olmakta ve bu şekilde 2500 kJ enerji bu yolla dışarıya verilmektedir. İşin ağırlığıan göre terleme artar.
Terin buharlaşabildiği derinin alanı, deri üzerindeki sınır tabakadaki ve dış ortam havasındaki su buharı basınçları arasındaki fark, havanın bağıl nem oranı terlemede ve terleme ile bedenin sğumasında etkilidir. Havanın nemi ne kadar az ise terleme o ölçüde artar. Rüzgar hızı ısı transferini artırarak derinin soğumasına yol açtığından buharlaşmayı yavaşlatır.
Çevre sıcaklığının 25 0C’nin üzerine çıktığı ve vücut sıcaklığıan yaklaştığı durumlarda ısı taşınım ve radyasyonla ısı geçişi azalacağından, bu durumd vücut sıcaklığı ancak terleme ile dengelenebilir.
7.2.3. Isıl Konfor
Çalışanların ısı, sıcaklık, nem, hava akımı gibi iklim koşulları bakımından fiziksel ve zihinsel faaliyetlerini yerine getirirken rahatlık için olmalarına ısıl konfor denir.
Konfor etkisi kişiden kişiye değişir. Örneğin, yaşlılar ve zayıf insanlar şişmanlara oranla daha sıcak bir havayı tercih ederler. Bu şartlar cinsiyete, yetişme ortamına vb. göre değişebilir.
Havanın sıcaklığı, nemi, hareketi, temizliği, kokusu, ısıl radyasyon, duvar, döşeme ve tavan gibi yüzeylerin ortalama sıcaklığı, çalışma düzeni, giyinme şekli ve insanların hareketi ile birbirleriyle etkileşimleri ısıl konforu etkileyen faktörlerdir.
Şekil 7.1’de termik konforu oluşturan parametreler gösterilmiştir.
Konfor halinin meydana gelmesi için gerekli fizyolojik esaslar olarak insanların içinde bulundukları hacimlerdeki havanın rahat teneffüs etmeye yetecek miktarda ve temizlikte olması, içindeki su buharının belirli sınırlar arasında bulunması, CO2
miktarının zararsız oranda olması ve ısıl konfor koşullarının sağlanmış olması gerekmektedir.
Şekil 7.1. Termik konforu oluşturan parametreler
Konfor halini en fazla etkileyen dış sıcaklık ve iç sıcaklıktır. Sıcaklığın değişmesi ile vücudun ısı kaybı hızla azalır veya çoğalır. Bu durum insanlarda rahatsızlık hissi uyandırır. Konfor hali üzerinde, nemin tesiri de oldukça önemlidir. Nemli sıcak, nemli soğuk ve kuru havaya tahammül etmek zor olduğu gibi insanları rahatsız etmektedir.
Kış aylarında daha düşük bir sıcaklıkta konfor hissinden dolayı kış konforu, yaz konfor derecesinden yaklaşık 2.5 efektif sıcaklık derecesi (ES0) daha aşağıdadır.
Kış konfor derecesi, kısa süreli kalınan ortamlar için 16 - 17 ES0’dir. Uzun süre, bu koşullarda kalanlara rahatsızlık verir. Aktif hareketlerin az olduğu yerlerde rahatlığın hissedildiği efektif sıcaklık 22 ES0’dir. Efektif sıcaklığın belirlenmesinde hava hareketi ve ortamın bağıl nemi de dikkate alınır. Örneğin, en iyi konfor için 19 ES0 seçilir, kışın bağıl nem % 25 – 50 civarında tutulmuşsa bu değer % 10 kadar düşük seçilebilir. Bu takdirde efektif sıcaklığın 19 ES0 olabilmesini temin etmek üzere kuru termometre dereceleri 23 – 24 0C sınırlarına kadar yükseltilebilir. Eğer klimalı ortamda bağıl nem % 40 – 50 civarında tutulursa 19 ES0’lik sıcaklık, kuru termometre derecelerinin 21 – 22 0C’ye düşürülmesi ile sağlanır.
İdeal klimatik ortam için çeşitli işlerde önerilen minimum, optimum ve maksimum klima değerleri Tablo 7.2’de verilmiştir.
Tablo 7.2. Çeşitli işlerde önerilen klima değerleri
Yapılan iş Hava sıcaklığı (0C) Havanın bağıl nemi (%) Maksimum Rüzgar hızı (m/s) Min Ort Maks Min Ort Maks
Büro 18 21 24 40 50 70 0,1
Oturarak hafif iş 18 20 24 40 50 70 0,1
Ayakta hafif iş 17 18 22 40 50 70 0,2
Ağır iş 15 17 21 30 50 70 0,4
Çok ağır iş 14 16 20 30 50 70 0,5
Sıcakta iş 12 15 18 20 35 60 1,0-1,5
7.2.4. Isıl Denge
Isıl denge, vücut ısı tutumu ile çevresel ısı alışverişi arasında oluşan dengedir.
Sürekli rejim modelleri, vücudun ısıl dengede olduğunu ve enerji depolamasının ihmal edilebileceğini kabul eder. Sürekli rejimde vücutta üretilen ısıl enerji çevreye olan duyulur ve gizli ısı kayıplarına eşittir. Bu varsayıma göre vücut sıcaklığı değişmez.
Vücudun enerji dengesi aşağıdaki eşitlikle ifade edilebilir.
( ) ( ) (7.6)
: giyinik vücuttan olan toplam ısı kaybını verir ve aşağıdaki eşitlikle ifade edilir.
( )
(7.7)
Bu eşitlikte, ortalama ışınım ve çevre havası sıcaklıklarının fonksiyonu olan sıcaklığı
(7.8)
bağıntısı ile ifade edilir. Işınım ile ısı geçişi katsayısı için iç ortamda yeterli doğruluğu sağlayan [ ] ve taşınım ile ısı geçişi katsayısı için aşağıda verilen eşitlik kullanılır.
( ) (7.9)
Solunum yoluyla olan duyulur ve gizli ısı kayıpları
̇ ( ) (7.10)
̇ ( ) (7.11)
Bu bağıntılarda;
̇ (7.12)
(7.13)
(7.14)
ifadelerinden bulunur. Vücudun ısıl dengesi eşitliğinde yapılan işi gösteren değeri, vücudun mekanik verimi %5 alınarak
(7.15)
eşitliği ile bulunur.
Deriden buharlaşma yoluyla ısı kaybı, deri yüzeti ıslaklığına, deri yüzeyi ile ortam arasındaki su buharının kısmi basınç farkına ve giysinin buharlaşma direncine bağlıdırç. Deriden olabilevek maksimum buharlaşma potansiyeli derinin tamamının ıslak olması hali için bulunabilir. Bu durumda buharlaşma yoluyla maksimum ısı kaybı
(7.16)
şeklinde ifade edilebilir. Esasında deriden buharlaşma ile olan toplam ısı kaybı, vücudun sağlamış olduğu terin buharlaşması ve deriden difüzyonu ile gerçekleşir.
Bu durumda
(7.17)
ile bulunabilir. Burada;
̇ (7.18)
( ) (7.19)
eşitlikleriyle bulunabilir.
Deri yüzeyindeki su buharının doyma basıncı [
(
) ] (7.20) ifadesi ile bulunabilir.
İç vücut ve deri tabakası arasındaki kan dolaşımı sıcaklık denetim sinyallericinsinden matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
̇ [( ) ( )] (7.21)
Burada; ve sıcaklık denetim sinyalleridir ve vücut iç bölme sıcaklığının nötr değeri ( ) aştığı durumda ve deri bölme sıcaklığının nötr değerinin ( ) altına düşmesi durumunda gönderilir. Sinyaller sayısal olarak gerçek sıcaklık ile nötr sıcaklık arasındaki fark olarak tanımlanır ve
(7.22)
(7.23)
şeklinde ifade edilir. Kan debisindeki değişmeler, deri ve iç vücut bölmelerinin bağıl kütlelerini etkilemektedir. Bu etki
̇
(7.24)
bağıntısı ile verilmektedir.
Isı dengesi, tek başına konfor için yeterli değildir. Çünkü vücudun ısıl dengesinin sağlanabileceği çok geniş çevre koşulları vardır. Bu geniş çevre koşullarından dar bir bölgede ısıl konfor sağlanabilmektedir. Belirli bir metabolik ısı üretiminde ısıl konforu sağlayan vücudun deri bölme sıcaklığı ve terleme ile oluşan ısı kaybı miktarı aşağıdaki ampirik bağıntılardan bulunabilir.