1.6 Termal Konfor Üzerinde Etkili Parametreleri Ölçmekte Kullanılan Yöntem ve
1.6.4 Termal Manken Sistemleri
Bir giysi sisteminde, termal konfor üzerinde etkili faktörlerin ölçülebildiği en gelişmiş sistem termal mankenlerdir. 1940’larda Amerikan Silahlı Kuvvetleri tarafından tek parça halinde bakırdan üretilen mankenden sonra dünya çapında çok sayıda manken tasarlanmıştır. Termal manken sisteminin basit şematik görünümü Şekil 1.22’de görülmektedir. Termal mankenlerin yüzey sıcaklıkları deri yüzey sıcaklığı olan yaklaşık 33 °C’de tutulur ve bu sıcaklık manken üzerinde bulunan çok sayıdaki sıcaklık sensörü ile kontrol edilir. Terleyen termal manken sistemleri üzerinde, ter bezlerini simüle etmek üzere bağımsız olarak kontrol edilebilen sıvı kaynaklarına bağlı bölümler vardır. Mankenin normal bir insan vücudu ölçülerindeki ölçüm kısmı sıcaklık, bağıl nem ve hava hızının kontrol edilebildiği bir hazne içerisine yerleştirilir. Mankenin ayarlanan deri yüzey sıcaklığında tutulabilmesi için harcanan elektriksel güç giysi sisteminin termal ve su buharı dirençlerinin hesaplanmasında kullanılır. Sistemde periyodik olarak belirli bir süre yapılan sıcaklık, bağıl nem, ağırlık değişimi ölçüm sonuçlarının kullanılmasıyla giysi sistemine ait direnç değerleri hesaplanır.
Termal manken sistemlerinde giyim denemelerinden çok daha hızlı, düşük maliyetli ve tekrarlanabilir bir şekilde sınırsız giysi kombinasyonunun termal ve su buharı direnç değerleri farklı ortam şartları ve terleme oranları için tespit edilebilir. Günümüze kadar geliştirilmiş yüzden fazla termal manken boyut, hareket edebilme, dış kaplama malzemesine bağlı olan terleme oranı, bağımsız olarak kontrol edilebilen bölüm sayısı gibi yapısal özellikler ve kullanım alanları açısından birbirlerinden farklılıklar gösterir. Bu çalışmadaki gibi vücuttan meydana gelen ısı ve kütle kaybına karşı giysi sisteminin gösterdiği direncin ölçülmesi için kullanılan mankenler olduğu gibi farklı ortamlardaki (otomobiller, çok yüksek/düşük ortam sıcaklığına sahip çalışma şartları, vb.) termal konfor şartlarının belirlenmesi için kullanılan termal mankenler de mevcuttur. Son yıllarda teknolojinin gelişmesine paralel olarak hareket edebilen ve terleyen, hatta nefes alabilen manken sistemleri tasarlanmıştır. Fakat günümüzde termal mankenlerin yüksek maliyetleri ve vücudun terleme mekanizmasının tam olarak simüle edilememesi hala önemli problemler olarak ortadadır. Mevcut termal mankenlerin çoğu düşük oranlarda terleme gerçekleştirebilmekte ve buharlaşmayla kaybolan ısının indirekt ölçümü ve deri rutubet oranının yeterince hassas ölçülememesi nedeniyle ölçümler tatmin edici sonuçlar vermemekte ve çok pahalıya mal olmaktadır.
Termal manken sistemleri ile vücudun simüle edilmesi sonucu elde edilen performans parametreleri aşağıda sıralanmıştır (Holmer, 2004):
• Vücudun ısı alışverişi simüle edilir.
• Tüm vücut için veya bölgesel ısı akışları belirlenir. • Üç boyutlu ısı alışverişi ölçümlerle belirlenebilir.
• Kuru ısı kayıplarının gerçeğe yakın bir şekilde hesaplamalara katılması sağlanır.
• Giysi termal yalıtımının ölçümü için objektif bir metottur. • Çabuk, doğru ve tekrarlanabilir ölçümlerin alınabilmesini sağlar.
• Karşılaştırmalar ve yeni ürün geliştirmeler için giyim denemelerine göre daha düşük maliyete sahiptir.
Termal manken sistemi ile incelenen parametreler ise aşağıda sıralanmıştır (Holmer, 2004):
• Vücudun giysiyle kaplı olan ve olmayan alanları belirlenir.
• Vücut üzerinde giysi özelliklerine bağlı olarak dağılım gösteren hava tabakasının dağılımı belirlenir.
• Giysinin vücuda oturma durumuna göre değişen giysi alanının termal özellikler üzerindeki etkileri belirlenir.
• Giysi modelinin termal özellikler üzerindeki etkileri belirlenir. • Giysi modelinde termal konforu artırıcı modifikasyonlar tespit edilir.
• Vücudun farklı bölgelerindeki sıcaklık ve ısı akışının değişiminin giysi termal özellikleri üzerindeki etkileri belirlenir.
• Vücut pozisyonunun ve hareketlerinin giysi termal özellikleri üzerindeki etkileri belirlenir.
Giysi, vücudun dış kısımında bir hava tabakası oluşturarak metabolik ısının vücuttan uzaklaşmasını belirli oranda önler. Bundan dolayı vücudun giysi ile kaplı alanı vücuttan meydana gelen ısı transferi üzerinde etkilidir. Bu nedenle vücudun giysiyle kaplı alanı genellikle hesaplamalarda göz önünde bulundurulur. Bu amaçla giysi alan faktörü denilen parametre hesaplanmaktadır.
Giysi Alan Faktörü (fcl) = Açıkta kalan vücut alanı / Giysiyle kaplı vücut alanı şeklinde tanımlanır. Vücuda oturan bir giysinin fcl’si daha küçüktür çünkü bu durumda ısı transferinin gerçekleşeceği giysi alanı bol bir giysiye göre daha azdır (Searle, 1990).
Avrupa’daki farklı laboratuarlarda bulunan termal mankenlerin kullanılmasıyla, soğuktan koruyucu giysilerin ısıl direnç değerlerinin karşılaştırılabilirliğinin araştırıldığı ve bu giysilerle ilgili ENV 342 standardında revizyonların yapıldığı Subzero Projesi Kasım 2000-Ekim 2002 tarihleri arasında gerçekleştirilen kapsamlı bir çalışmadır. Termal manken sistemlerinin bağımsız olarak kontrol edilebilen bölümlerden oluşması ile yalıtımın hesaplanması için paralel ve seri olmak üzere iki hesaplama metodu ortaya konmuştur. Projede termal yalıtım hesaplama yöntemleri
(paralel ve seri yöntemler) ayrıntılarıyla incelenmiş, bu veriler subjektif giyim denemelerinden elde edilen verilerle birleştirilerek sonuçlar ortaya konmuştur.
Termal yalıtım hesaplama metotlarından seri metotta lokal ısı kayıplarının toplamı, değerlendirmeye katılan parçaların alan faktörlerine göre ağırlıklandırılır. Seri metotta her bir manken bölümünün birbirinden yalıtılmış olduğu ve bu bölümlerin bağımsız ısı kaynaklarına sahip oldukları kabul edilir. Buna göre toplam yalıtım değeri (It,r) hava tabakasının direnci de hesaba katılarak (17) numaralı denklemde gösterildiği şekilde hesaplanır (Meinendar, 2001).
∑
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = i ci i a si i p t H a T T f I, ( ) m2 K /W (17) Burada;fi : Mankenin i. parçasının alan faktörü,
Tsi : Mankenin i. parçasının lokal yüzey sıcaklığı (K) Ta : Çevre havasının sıcaklığı (K),
ai : Mankenin i. parçasının yüzey alanı (m2),
Hci : Mankenin i. parçasına verilen lokal ısıl güç (W), Ts : Mankenin ortalama yüzey sıcaklığı (K),
A: Mankenin toplam yüzey alanı (m2), Hc : Mankene verilen toplam ısıl güç (W).
Paralel metodun kullanımı, ısı vücut bölümleri arasında serbestçe dağıldığı için mantıklıdır. Bilimsel çalışmaların çoğunda ve termal stresle ilgili ortaya konan standartlarda yalıtım çoğunlukla paralel metoda göre hesaplanır. Bu metoda göre toplam yalıtım, alansal olarak ağırlıklandırılmış yüzey sıcaklık değerlerinin kullanılmasıyla (18) numaralı denklemde gösterildiği şekilde hesaplanır.
∑
∑
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = i ci a i si i s t H A T T f I, m2 K /W (18)Literatürde çoğunlukla paralel metot kullanılmaktadır. Standardın ilk halinde paralel metot kullanılmıştır ve seri metodun yalıtımın vücutta düzgünsüz olarak dağıldığı durumda % 30 oranında daha yüksek sonuçlar verdiği saptanmıştır (Nillson, 1997:9). Subzero Projesi kapsamında çalışan araştırmacılardan Anttonen (2001) termal yalıtım hesaplamalarında kullanılan paralel ve seri metotlar arasındaki ilişkiyi aşağıdaki eşitlikle ifade etmiştir (19).
02 . 0 20 . 1 , − = t p ts I I m2 K /W (19)
Termal manken sistemi ile yapılan ölçümlerle giysi ve hava tabakasının dirençlerini içeren toplam su buharı direnci ise (20) numaralı formulle formülle hesaplanabilir (Chen ve ark., 2003):
es e a a s s et H R P RH P A R = ( *− *)− (20) Burada;
Ps*: deri yüzey sıcaklığındaki doymuş su buhar basıncı (Pa), RHa : çevre havasının bağıl nem oranı,
Pa*: çevre havasının doymuş su buhar basıncı (Pa),
Res: derinin su buharı direncidir (burada deriyi simüle etmek için kullanılan nefes alabilir kumaş tabakasının su buharı direnci alınır),
He : buharlaşmayla kaybedilen ısı miktarı (W),
Q He =λ
λ : deri yüzey sıcaklığında suyun buharlaşma ısısı (W.saat/g), (34 °C için 0.67 W.saat/gram)
Q : terleme oranı veya birim zamandaki su kaybıdır.