1. Elektrik ve Enerji Bölümü, Adana Meslek Yüksekokulu Çukurova Üniversitesi {mbilgili,

Transkript

1 Antalya İlindeki Mevsimsel Hava Değişiklikleinin İnsan Vücudundan Tansfe Edilen Isı Kaybı Üzeindeki Etkilei The Effects of Seasonal Weathe Diffeences on the Bio-Heat Loss Tansfeed fom the Human Body in Antalya City Mehmet Bilgili 1, Beşi Şahin 2, Edoğan Şimşek 1, Abdulkadi Yaşa 3 1. Elektik ve Eneji Bölümü, Adana Meslek Yüksekokulu Çukuova Ünivesitesi {mbilgili, esimsek}@cu.edu.t 2. Makine Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Mimalık Fakültesi Çukuova Ünivesitesi bsahin@cu.edu.t 3. Makine ve Metal Teknolojilei Bölümü, Adana Meslek Yüksekokulu Çukuova Ünivesitesi ayasa@cu.edu.t Özetçe Bu çalışmada, Antalya ilindeki mevsimsel hava değişiklikleinin insan vücudundan tansfe edilen ısı kaybı üzeindeki etkilei incelenmişti. Uygulama için 26 yılına ait aylık atmosfe sıcaklığı, bağıl nem, üzga hızı ve atmosfe basıncı veilei kullanılmıştı. İnsan vücudundan dei ve solunum yoluyla geçekleşen duyulu ve gizli ısı kayıplaı hesaplanaak kaşılaştımala yapılmıştı. Elde edilen sonuçlaa göe; vücuttan dei ve solunum yoluyla geçekleşen duyulu ve gizli ısı kayıplaı mevsimle içeisinde önemli değişiklikle göstemişti. Vücuttan çeve otama tansfe edilen ısının yaklaşık olaak % 9 ı deiden, % 1 u solunum sisteminden geçekleşmişti. Abstact In this study, the effects of seasonal weathe diffeences in Antalya city on the bio-heat losses fom the human body have been investigated. Fo application, the monthly atmospheic tempeatue, elative humidity, wind speed and atmospheic pessue data, which ae obseved in 26, have been used. The sensible and latent heat losses fom the human body in tems of skin suface and espiation have been calculated and compaed to each othe. Accoding to the obtained esults, the latent and sensible heat losses fom the human body have been vaied consideably fom season to season. Appoximately ninety pecent of bio-heat tansfeed fom the human body to the suounding is caused by the skin and the est of 1% by espiation. 1. Giiş İnsan vücudunun iç yüzeyinden dei yüzeyine doğu geçekleşen ısı tansfei; iletim, taşınım (iç bölgeleden dei dokusuna doğu kan haeketi) ile geçekleşi. Bu yöntemlele vücut ısı atmakta zolanısa sinile vasıtasıyla te bezlei deveye gie ve iç bölgeleden dei yüzeyine doğu iletilen sıvı tansfei geçekleşi. Bu sıvı haeketi (kütle tansfei), dei yüzeyinde te zeecikleinin oluşumuna; oluşan te sıvısının buhalaşması da ısının dış otama atılmasına neden olu. Vücut, ısıyı iletim yoluyla deinin diekt temasta olduğu ve dei sıcaklığından daha düşük sıcaklıktaki bi nesneye (elbise, yatak v.b) ileti. Buna ek olaak vücut, ısıyı ışınım yoluyla çevesindeki daha soğuk nesnelee tansfe ede [1,2]. Nefes alıp veme yoluyla vücudun iç bölgeleine çeveden hava giişi sağlanmakta, iç bölgeledeki ısı, nem de ekleneek duyulu ve gizli ısı şeklinde çeve otamına tansfe edilmektedi [3]. İnsan vücudunun dış çeveye kaşı vediği sıcaklık tepkisi, temo-egülasyon sistemidi; bu temodinamik sistem, vücudun iç sıcaklığını 37±.5 C ve dei yüzey sıcaklığını ise otalama C aasında tutmakla yükümlüdü [4]. Bu ısıl dengenin kounması için üetilen ısı ile çeveye tansfe edilen ısı aasındaki fak aynı olmalıdı. Vücudun ısıya mauz kalması duumunda, temo-egülasyon sistem vücuda ısı geçişini en aza indiecek şekilde göev yapa [5]. Doku sıcaklıklaı, optimal kimyasal eaksiyonlaın meydana gelmesi için biyolojik olaak güvenli seviyelede tutulu. Temoegülasyon sistem, bu seviyelei deiye olan taşınım ve iletim oanlaını değiştieek ayala. Dolayısıyla bazal sıcaklık dağılımı, dokudan iletilen ısı, kanla yüzeye taşınan ısı ve yüzey ısı geçişi ile şekillendiili. Bundan dolayı, vücudun ısıl dengesi kaalı bi şekilde sabit kalmaktadı. Bu çalışmada, Tükiye nin Antalya illindeki meteooloji istasyonlaından alınan veileden faydalanaak bi kişinin yıl boyunca aylık, dış otam koşullaında vücuttan dei ve solunum yoluyla geçekleştidiği duyulu ve gizli ısı kayıplaı hesaplanıp kaşılaştımala yapılmıştı. Mevsimsel hava değişiklikleinin insan vücudundan tansfe edilen bu ısı kayıplaı üzeindeki etkilei incelenmişti.

2 2. Vücudun Çeve ile Isıl Etkileşimlei İnsan vücudunun ısıl dengesi, çeve ile ısıl etkileşimlei ifade eden yaı kuamsal yaı ampiik bi yaklaşım içei. Faklı şekillede geçekleşen duyulu ve gizli ısı tansfe mekanizmalaını ifade etmek için, temel ısı tansfe denklemeleinden faydalanılı. Bu denklemlede ısı tansfeini etkileyen katsayılaın tespitinde deneysel bağıntıla kullanılı Deiden Duyulu Isı Kaybı Dei yüzeyindeki duyulu ısı, dei üzeindeki giysileden geçeek çeve otama tansfe edili. Taşınım C, ve ışınım R, ile gösteilise, giyinik bi vücuttan taşınım ve ışınımla geçekleşen toplam ısı tansfei; [ ] ( C+ R) = ( t t )/ R + 1/( f h) (1) sk cl cl denklemi ile hesaplanabili [6]. Bu denklemde t sk ( C) dei sıcaklığıdı. t ( C) eşdeğe sıcaklıktı ve aşağıdaki eşitlikten faydalanılaak elde edili. * ( c a) ( c) t = ht + ht h + h (2) / Bu denklemde, h (W/m 2.K) doğusal ışınımla ısı tansfe katsayısıdı. Bu katsayı için 4.7 W/m 2.K değei biçok hesaplama için yetelidi. Eğe yayma katsayısı 1 değeinden çok faklı ise bu değe aşağıdaki bağıntı ile yeniden düzenleni. h = 4.7ε (3) Bu bağıntıda, ε giysi/vücut yüzeyinin alan ağılıklı otalama yayma katsayısını göstemektedi. Otalama ışınım sıcaklığı t insan vücudu ile ilgili ısıl hesaplada kullanılan ana * değişkenleden biidi. Bu değe, düzgün dağılımlı bi sıcaklığın olmadığı geçek bi kapalı çeçevede insan vücudundan çeveye ışınım ile olan ısı geçişine eşdeğe şekilde ısı tansfeinin oluşumunu sağlayan ve sıcaklıkta düzgün dağılımın oluştuğu sanal bi kapalı çeçevenin sıcaklığını göstei. Eşitlik (2) deki t a ( C) otam sıcaklığı, h c (W/m 2.K) ise taşınım katsayısıdı. Değişik duumla için h c taşınım katsayısını veen denklemle ve ifadele ASHRAE [3] taafından, v (m/s) hava veya yüüme hızına ve M (met) metabolik ısı üetimine bağlı olaak ifade edilmektedi. Veilen tüm ısı taşınım katsayılaı, standat atmosfe basıncı ( kpa) değeine yakın değelede hesaplanan katsayıladı. Atmosfe basıncının değişmesi duumunda bu değe; h h p.55 = ( /11.33) (4) cc c t şeklinde düzeltilmelidi. Bu ifadede h cc (W/m 2.K) düzeltilmiş taşınımla ısı geçiş katsayısını p t (kpa) ise atmosfe basıncını göstei. Taşınım ve ışınım ile olan ısı kayıplaını bulmak için kullanılan Eşitlik (1) deki R cl (m 2.K/W), f cl (boyutsuz) ve h (W/m 2.K) ifadelei sıasıyla giysi ısı yalıtım, giysi alan faktöü ve duyulu ısı tansfe katsayısıdı. Bu ifadele aşağıdaki eşitlikleden faydalanılaak bulunabili [3]. R cl =.155I (5) cl f = A / A (6) cl cl D h = h + h (7) c Eşitlikledeki A cl (m 2 ) giyinik vücudun geçek yüzey alanıdı. I cl giysi yalıtımıdı ve genellikle clo biiminde ifade edili. Kaışıklığa meydan vememek için clo biimlei ile R değişkeni yeine I değişkeninin kullanılması uygun göülmüştü. 1 clo.155 m 2.K/W e eşdeğedi. Çıplak vücudun DuBois yüzey alanı A D (m 2 ) ile gösteili ve; A m l =.22 (8) D şeklinde hesaplanı. Buadaki m (kg) kişinin kütlesini, l (m) ise kişinin boyunu ifade etmektedi Deiden Buhalaşma ile Isı Kaybı Deiden buhalaşma yoluyla ısı tansfei E sk, dei yüzeyi ile çeve otam aasındaki su buha basınçlaı fakına ve dei yüzeyindeki nem miktaına bağlıdı. Buna göe dei yüzeyinden buhalaşma yoluyla geçekleşen ısı tansfei; ( )/, 1/, ( ) E = w p p sk sk s a R + f h e cl cl e (9) şeklinde hesaplanabili [3]. Bu eşitlikte, p a (kpa) çeve havanın su buhaı basıncı, p sk,s (kpa) dei üzeinde su buhaı basıncı (genelde t sk sıcaklığındaki doyma basıncı alını), R e,cl (m 2.kpa/W) giysi tabakasının buhalaşmayla geçekleşen ısı tansfeine göstediği dienç, h e (W/m 2.kpa) buhalaşma ile ısı geçiş katsayısı ve w (boyutsuz) dei ıslaklığıdı. Eşitlik (9) da w nin 1 alınması duumunda maksimum buhalaşma ile ısı kaybı E max elde edili. Tein deiden buhalaşmasıyla olan ısı kaybı E sk, sıcaklık denetim mekanizmalaının etkisiyle salgılanan tein buhalaşması E ile suyun deiden doğal difüzyonu E dif sonucu geçekleşi ve; E = E + E (1) sk dif olaak yazılabili. Teleme sonucunda dei yüzeyindeki tein buhalaşmasıyla vücuttan çekilen ısı, üetilen te ile doğu oantılı olup, E = m h (11) fg şeklinde elde edilebili [7]. Buada, h fg suyun gizli buhalaşma ısısı olup 243 kj/kg (3 C sıcaklıkta) değeindedi. m (kg/s.m 2 ) kişinin biim zamanda bi m 2 yüzey alanındaki tein ağılığıdı. Te bezleinin çalışması, hem iç vücut hem de deiden gelen ıslak sinyalle ile başlatılı. Tei buhalaştımak için vücudun ıslak olması geeken bölümü, w ; w E / E = (12) max

3 eşitliği ile hesaplanı. Teleme olmadığı zaman, difüzyona bağlı dei ıslaklığı nomal koşullada.6 kadadı. Difüzyon sonucu buhalaşma ile ısı kaybı ve dei ıslaklığı; dif ( 1 ).6 max.6( 1 ) E = w E (13) w= w + w (14) eşitliklei ile hesaplanı. Hesaplamalada dei ıslaklığının alabileceği maksimum değe 1 di. Dei ıslaklığının 1 olması duumunda (11) eşitliği geçeliliğini yitii. Tein tümünün buhalaşamadığı duumda, deiden buhalaşma ile ısı kaybı (E sk ), maksimum buhalaşama ile ısı kaybı (E max ) a eşit olu. Deiden buhalaşma yoluyla ısı kaybı E sk değeini bulmak için kullanılan (9) eşitliğindeki giysi tabakasının buhalaşmayla geçekleşen ısı tansfeine göstediği dienç R e,cl ve buhalaşma ile ısı geçiş katsayısı h e değelei; R R i LR = (15) / ecl, cl cl h = LRh. (16) e c eşitlikleinden yaalanılaak bulunu. Buada LR Lewis oanı, i cl giysilein buha geçigenliği veimidi [3]. h e buhalaşmayla olan ısı geçiş katsayısı, h c katsayısında olduğu gibi atmosfe basıncının kpa değeinden faklı olması duumunda aşağıda gösteildiği şekilde düzeltme uygulanı; h e,c = h e ( / p atm ).45 (17) 2.3. Vücuttan Solunum Yoluyla Isı Kayıplaı Solunum sıasında, vücuda solunan havaya taşınım ve buhalaşma nedeniyle duyulu ve gizli ısı geçişi olu. Solunum sıasında önemli miktalada ısı geçişi söz konusu olabili. Çünkü hava çeve koşullaında solunu ve iç vücut sıcaklığı veya iç vücut sıcaklığının çok az altında bi sıcaklıkta doymuş olaak dışaı atılı. Solunumla ilişkili duyulu ve gizli ısı kayıplaı [6]; (18) C = m c ( t t )/ A, es es p a ex a D (19) E = m h ( W W )/ A es es fg ex a D eşitliklei ile ifade edili. Bu eşitliklede, m es (kg/s) solunan hava debisi, W ex (kg H 2 O/kg kuu hava) dışaı atılan havanın özgül nemi, t ex ( C) dışaı atılan havanın sıcaklığı, W a (kg H 2 O/kg kuu hava) solunan çeve havasının özgül nemi ve c p,a (kj/kg.k) havanın özgül ısısı, t a ( C) çeve otam sıcaklığı ve h fg (kj/kg.k) suyun gizli buhalaşma ısısıdı. 3. Bulgula ve Tatışma Antalya ilindeki çevesel hava değişikliklein insan vücudunun ısı kaybı üzeindeki etkileini incelemek amacıyla 26 yılına ait aylık atmosfe sıcaklığı, üzga hızı, bağıl nem ve atmosfe basıncı veilei kullanılmıştı. Çevesel faktöle elde edildikten sona vücudun fizyolojik özeliklei, giysi yalıtım faktölei ve ısı taşınım ve ışınım katsayılaı ASHRAE [3] taafından tavsiye edilen değelee göe seçilmişti (Çizelge 1). Kütlesi 7 kg, boyu 1,73 m olaak belilenen kişinin hafif aktivite seviyesinde, hafif giysilele haeket eden fizyolojik özelliklee sahip bi kişi olduğu düşünülmüştü. Bu kişinin vücut iç sıcaklığı ve dei sıcaklığı 36,8 C ve 33,7 C olaak iki bölmeli eneji dengesi modeline göe sabit olduğu kabul edilmişti. Deiden iletimle ısı geçişi çok düşük olduğundan ihmal edilmişti. Kişinin vücut iç sıcaklığı ve dei sıcaklığı hafif aktivite seviyesi boyunca sabit olaak kaldığı kabul edileek bu sıcaklıkla nöt sıcaklık olaak değelendiilmişti. Çizelge 1. Seçilen katsayı veya değişkenle Seçilen katsayı veya değişken Sembol ve biim Değe veya eşitliği Kütle m (kg) 7 Boy l (m) 1.73 Dei sıcaklığı t sk ( C) 33.7 İç vücut sıcaklığı t c ( C) 36.8 Metabolik ısıl eneji üetimi M (W/m 2 ) DuBois yüzey alanı A D (m 2 ) 1.8 Giyinik vücudun geçek yüzey alanı Biim zamanda üetilen te A cl (m 2 ) 2.16 m (kg/s.m 2 ) Tei buhalaştımak için w (boyutsuz) geekli olan dei ıslaklığı Dei ıslaklığı w (boyutsuz).6 Giysi yalıtımı I cl (clo).89 Giysi alan faktöü f cl (boyutsuz) 1.27 Giysile için buha i cl (boyutsuz).4 geçigenlik veimi Giysi ısı yalıtımı R cl (m 2.K/W) Giysi tabakasının R e,cl (m 2.kPa/W).29 buhalaşma ile ısı geçişine dienci Doğusal ışınımla ısı geçiş h (W/m 2.K) 4.7 katsayısı Taşınım katsayısı h c (W/m 2.K) 8.3v.8 Lewis oanı LR ( C/kPa) 16.5 Duyulu ısı geçiş katsayısı h (W/m 2.K) h +h c Otalama ışınım sıcaklığı * t ( C) t a Buhalaşmayla olan ısı h e (W/m 2.kpa) LR.h c geçiş katsayısı Suyun gizli buhalaşma ısısı h fg (kj/kg) 243 Kişi ile ilgili fizyolojik özellikle, giysi yalıtım katsayılaı ve çevesel faktölein belilenmesinden sona vücut ile çeve aasındaki etkileşimle aylaa göe hesaplanmıştı. Deiden duyulu ve gizli ısı kayıplaı ve solunum ile duyulu ve gizli ısı kayıplaının aylık sıasıyla Şekil 1-4 de gösteilmişti. Deiden duyulu ısı kaybı kış aylaında yaklaşık 13 ile 145 W/m 2 aasında en yüksek değeleini alıken en düşük değeleini yaklaşık 25 ile 4 W/m 2 aasında yaz aylaında almaktadı. Yaz aylaında meydana gelen otam sıcaklığındaki atışla, deiden duyulu ısı kaybının azalmasına sebep olmaktadı. Şekilleden de göüldüğü gibi, vücuttan tüm ısı kayıplaı yaz aylaında daha az olmaktadı. Deiden duyulu ısı kayıplaı tüm ille ve ayla için he zaman gizli ısı kayıplaından

4 fazladı. Ancak, solunum ile geçekleşen duyulu ısı kayıplaı gizli ısı kayıplaından daha az değelede hesaplanmıştı. Çeve otam havasının su buhaı basıncındaki atış, deiden geçekleşen gizli ısı kaybını azaltmaktadı. Deiden gizli ısı kaybının aylaa göe değişimine yol açan etkenleden bii de buhalaşma ile ısı geçiş katsayısıdı. Bu ısı geçiş katsayısı da yüzeyde taşınımla duyulu ısı geçiş katsayısına dolayısıyla da üzga hızına bağlıdı. Rüzga hızının azalması, aynı zamanda buhalaşma ile ısı geçiş katsayısını da azaltacaktı. Buna bağlı olaak deiden gizli ısı kaybı da azalmış olacaktı. Otam sıcaklığındaki atış, solunum yoluyla duyulu ısı kaybını azaltmaktadı. Çeve havasının özgül neminde azalma olması duumunda, solunum yoluyla geçekleşen gizli ısı kaybı da atmaktadı. Deiden duyulu ısı kaybı [W/m 2 ] Şekil 1: Deiden duyulu ısı kayıplaının anlık otalama Deiden gizli ısı kaybı [W/m 2 ] Şekil 2: Deiden gizli ısı kayıplaının anlık otalama Solunum ile duyulu ısı kaybı [W/m 2 ] 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Şekil 3. Solunum ile duyulu ısı kayıplaının anlık otalama Solunum ile gizli ısı kaybı [W/m 2 ] Şekil 4. Solunum ile gizli ısı kayıplaının anlık otalama 4. Sonuçla Dış otam sıcaklığındaki atış, vücutla çeve aasındaki sıcaklık fakını azaltacağı için, vücuttan geçekleşen ısı tansfeinde önemli bi etkendi. Vücuttan ısı tansfeinde hava sıcaklığının haicinde hava hız değelei de oldukça önemlidi. Rüzga hızının atmasıyla hem deiden duyulu hem de deiden buhalaşma ile ısı kaybı atmaktadı. Isının vücuttan dış otamlaa tansfeinde diğe önemli bi etken de bağıl nemdi. Bağıl nemin atması çeve havanın su buhaı basıncının atmasına neden olmakta, bu da deiden buhalaşma ile ısı kaybı ve solunum yoluyla gizli ısı kaybını azaltmaktadı. Çeve otam sıcaklığının atması, solunum yoluyla duyulu ısı kaybını azaltmaktadı. Solunum sıasında gizli ısı kayıplaı, duyulu ısı kayıplaından daha büyük değededi. Çeve havasının özgül neminde bi azalma olması, solunum yoluyla gizli ısı kaybının atmasına neden olmaktadı. Deiden duyulu ısı kayıplaı, tüm ayla için he zaman gizli ısı kayıplaından fazladı. Ancak, solunum ile geçekleşen duyulu ısı kayıplaı

5 gizli ısı kayıplaından daha az değelede olmaktadı. Buna göe, vücuttan çeve otama tansfe edilen ısının yaklaşık olaak otalama % 9 ı deiden, % 1 u solunum sisteminden geçekleşmektedi. 5. Kaynakça [1] Y.A. Çengel, M.A. Boles, (Tükçesi: Debentli, T.), Mühendislik yaklaşımıyla temodinamik, McGaw- Hill, Inc., Liteatü: Yayıncılık, İstanbul, [2] N. Çelik, Y. Bayazıt, İnsan vücudunun modellenmesinde kişisel değişikliklein Temo- Regülasyon üzeindeki etkilei, Isı Bilimi ve Tekniği Degisi, vol.28, pp , 28. [3] ASHRAE Temel El Kitabı, (Çevii: T. Debentli, O.F. Genceli), Bölüm 8, Fizyolojik ilkele ve ısıl konfo, Tesisat Mühendisliği Deneği, Teknik Yayınla: 2, İstanbul, [4] K. Öngel, H. Megen, Isıl konfo paameteleinin insan vücudundaki etkileine yönelik liteatü taaması, S.D.Ü. Tıp Fak. Deg. Vol. 16, no. 1, pp , 29. [5] M. Tunç, U. Çamdalı, S. Çıkıkçı Tıpta biyoısı uygulaması, Mühendis ve Makina, 534, Temmuz 24. [6] Ö. Kaynaklı, Ü. Ünve, M. Kılıç, R. Yamankaadeniz, Süekli ejim eneji dengesi modeline göe ısıl konfo bölgelei, P.Ü. Mühendislik Fakültesi, Mühendislik Bilimlei Degisi, vol. 9, no. 1, pp. 23-3, 23. [7] İ. Atmaca, A. Yiğit, İklimlendiilen otamla için ısıl konfoun geçici ejim eneji dengesi modeli ile değelendiilmesi, Tesisat Mühendisliği, vol. 88, pp , 25.