Search

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.Anahtar Kelimeler: Isıl konfor parametreleri, Matlab-Simulink, Menfez seçimi, Isıtma ve soğutma 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.Keywords: Thermal comfort factors, Matlab-Simulink, Ventilation modes, Heating and Cooling 163

ÖZET 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. Anahtar Kelimeler: Otomobillerde ısıl konfor, Isıl konfor parametreleri, Isıtma ve soğutma, Simülasyon m INVESTIGATION OF THERMAL COMFORT PARAMETERS IN AN AUTOMOBILES ABSTRACT 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. Keywords: Thermal comfort in the automobiles, Thermal comfort factors, Heating and cooling, Simulation 158