Enerji Tasarrufu Dersi 2. Ünite Özet

Giriş

İnsanoğlunun var olduğu günden bugüne kadar amacı insanların daha konforlu yaşaması olmuştur. Teknolojinin tüm alanlarında yaşanan gelişmeler de bu amaca hizmet etmektedir. Daha konforlu yaşamanın başında da ısıl konfor gelmektedir. Isıl konfor insan hayatında düşünüldüğünden çok daha fazla bir öneme sahiptir.

Isıl Konfor

İnsan vücudu bulunduğu ortamda, çevre ile devamlı ısı alışverişi yapan termodinamik bir sistem gibi düşünülebilir. Vücudun iç bölgesinden deri yüzeyine ısı transferi kan yoluyla taşınım, iletim ve iç bölgeden deriye doğru nem transferi mekanizmaları ile gerçekleşir. Çevre ile vücut iç bölgesi arasında nefes alıp verme sayesinde sürekli bir ısı transferi vardır. Bununla birlikte vücut ile çevre arasında alınan besinler ve atıklar yoluyla enerji transferi söz konusudur. Deri yüzeyi ile çevre arasında ise kütle transferi (buharlaşma ve nem difüzyonu) yoluyla, iletim, taşınım ve ışınım mekanizmaları ile ısı transferi meydana gelir.

Organlarımızın yaşamsal fonksiyonlarını yerine getirmeleri için gerekli olan vücut iç bölme sıcaklığı 36,8°C’dir. Bu sıcaklık değerinden sapma olduğu durumlarda vücut terleme, titreme gibi fizyolojik kontrol mekanizmaları devreye girerek bu düzensizliği karşılama yoluna gider. Bulunulan çevre ile vücut arasındaki enerji dengesi ne kadar kısa sürede kurulabiliyorsa ortam o kadar konforludur. Ancak bu enerji dengesinin kurulduğu her ortam ısıl konfor bölgesi olmayabilir. Isıl konfor insanların içinde bulundukları ortamdan ısıl olarak hoşnut olma duygusudur.

Isıl Konforu Etkileyen Parametreler

Isıl konfor insan boyutları, yaşı, cinsiyeti gibi parametrelere bağlı olmakla birlikte ısıl konforu etkileyen parametreleri çevresel ve kişisel parametreler başlıkları altında toplayabiliriz.

Ortam sıcaklığı: Isıl konforu etkileyen en önemli parametrelerden biri ortam sıcaklığıdır. İnsanların çoğunun rahat olarak çalışabildiği ortam sıcaklığı 20-26 °C’dir. İç ortam sıcaklığı ayarlanırken dış ortam sıcaklığı dikkate alınmalıdır.

İnsanların bir ortamda hissettikleri sıcaklık kuru termometre ile ölçülen sıcaklık değil fizyolojik olarak hissettikleri sıcaklıktır. Bu sıcaklık ise ortamın kuru termometre ile ölçülen sıcaklığına, ortamdaki hava akım hızına ve havanın bağıl nemine bağlıdır. Bu üç faktörün etkisi ile duyulan sıcaklık ise etkin sıcaklık olarak adlandırılır.

Ortam bağıl nemi: Ortamın bağıl nemi ısıl konforu etkileyen diğer parametredir. Bağıl nem, belli bir sıcaklık ve hacimdeki havada bulunan su buharı miktarının aynı sıcaklık ve hacimde doymuş havada bulunan su buharı miktarına oranıdır.

CSA Standart CAN / CSA Z412-00 (R2011) – “Ofis Ergonomisi”, Kanada’daki ofisler için kabul edilebilir sıcaklık ve bağıl nem aralıklarını verir. Bu değerler, Amerikan Isıtma, Soğutma ve İklimlendirme Mühendisleri (ASHRAE) Standardı 55–2010: “İnsani Kullanım için Isıl Çevresel Koşullar” tarafından önerilen değerler ile aynıdır. Bu standart tarafından önerilen sıcaklık aralıklarının, bireylerin en az %80’inin ihtiyaçlarını karşıladığı bulunmuştur.

Ortam hava hızı: Ortamın hava hızı, insanların hava hareketine karşı duyarlı olmasından dolayı ısıl konforun belirlenmesinde önemli bir etkendir. Düşük hava hızına sahip iç ortamda bulunan kişilerde yorgunluk hissi görülebilir. Eğer hava hızı ortamdan daha serin ise bu durum sıcak ortamda bulunan kişinin serinlemesine sebep olurken soğuk ortamda bulunan kişinin rahatsızlık duymasına sebep olabilir. Sıcak ve nemli ortamlarda hareket eden hava, taşınım yolu ile vücuttan ısı kaybını hızlandırabilir. Serin ortamdaki hava hareketleri ise cereyan etkisine sebep olabilir. Isıtılan mekanları %50-55 nemlendirmek daha iyi ısıl konfor sağlar.

Ortalama ışınım sıcaklığı: Ortamda bulunan sıcak veya soğuk yüzey ve nesnelerden kaynaklanır ve glop termometre ile ölçülür. Isı üretilmesine sebep olan ısı kaynaklarına güneş, spot ışıklandırma, bilgisayar ve televizyon gibi makineler, fırınlar, ateş, sıcaklık yayan yüzeyler ve cihazlar örnek olarak verilebilir.

Giysi türü: Çok kalın giysiler ısı stresine sebep olabilmektedir. Ortam sıcak olmasa bile bu durum meydana gelebilir. Eğer giysilerimiz dış ortama karşı yeterince yalıtım sağlamıyorsa soğuğun yol açtığı soğuk ısırması ve hipotermia gibi hastalıklara maruz kalabiliriz. Giysilerimizin esas amacı vücudumuzun ısı kaybını sınırlamak olduğundan deriden çevreye ısı transferinde giysinin ısı ve nem transferine karşı olan direnci önemlidir. Bu amaçla giysilerin ısı yalıtım katsayıları belirlenmiştir. Giysilerin ısı yalıtım katsayısı için “clo” birimi kullanılmaktadır.

1 clo = 0,155 K.m 2 / W değerine eşittir.

21 °C sıcaklıkta, 0,1 m/s hava hızına ve bağıl nemin %50’den daha az olduğu bir ortamda dinlenme halinde bulunan ve kendisini ısıl olarak konforlu hisseden bir kişinin üzerindeki giysilerin clo katsayısı 1 iken, çıplak bir insan için clo katsayısı sıfırdır. Bir kişi üzerinde birden fazla giysi parçası olduğundan bunların toplam ısı yalıtım değerinin hesaplanması gerekir.

Ortam sıcaklığının normal olduğu ılımlı ısıl ortam şartlarında ise etkin ısı transferinin sağlanabilmesi amacıyla yeterli su buharı geçirgenliğine sahip olmaları gerekmektedir. Ortam sıcaklığının yüksek olduğu yüksek ısıl ortam şartlarında ise vücutta oluşan terlemenin rahatsız edici hissiyatını yok etmek ve etkin ısı transferi sağlayabilmek amacıyla hızlı sıvı akışı özelliklerine sahip olmalıdır.

Aktivite düzeyi: Aktivite düzeyi insan vücudunun aldığı yiyecekleri yakarak birim zamanda ürettiği ve metabolizma düzeyi olarak adlandırılan enerji miktarını etkileyen bir niceliktir. Metabolizma düzeyi insanın yaptığı eylem türü ile doğrudan ilişkili olan enerji düzeyidir. Normalde tüm kas aktiviteleri vücutta ısıya dönüşür ancak fiziksel aktiviteler sırasında bu oran %75’e düşer. Örneğin yüksek bir dağa tırmanırken kullanılan enerjinin bir kısmı vücutta potansiyel enerji olarak depolanır. Bu nedenle belirli eylem türlerine göre aktivite düzeylerinin aldığı değerler değişkenlik gösterir. Bu değişkenlik metabolik ısı katsayısı ile verilir ve uygulamada “met” olarak ifade edilir. Metabolik ısı katsayısı kullanışlı, bağıl ve boyutsuz bir niceliktir. Metabolik ısı katsayısı eylem sırasındaki metabolik enerjinin istirahat halindeki metabolik enerjiye oranıdır.

Metabolizmamız uyurken en düşük değerindedir (0,8 met), en yüksek değerine (10 met) de sportif aktiviteler sırasında ulaşılır. Bu katsayı aslında eylem sırasındaki metabolik güç (M) ile de ilişkilidir. Metabolik güç birim vücut alanına düşen güç olarak tanımlanır.

1 met= 58,2 W/m ² olduğundan bu tanımlamaya göre;

M/A _D = 58,2 met. W/m ² veya;

M=A _D . 58,2 met . W

eşitliği yazılabilir. Bu eşitlikteki A _D bir kişinin vücut yüzey alanıdır ve Du Bois eşitliğiyle hesaplanır. Du Bois eşitliği;

A _D =0,202 . m ^0,425 h ^0,725 m ² ile verilir. Bu eşitlikte m kişinin kütlesini h ise boyunu ifade eder.

Bazı durumlarda metabolik gücü iş olarak ifade etmek daha uygun olur. Bunun için metabolik güç (M) ve eylemde kaybolan güç (L) ile harcanan güç (P) arasındaki ilişki

M = P + L

olarak tanımlanır. Bu durumda yapılan eylemin ısıl verimi ( h ) ;

h = P / M

ile tanımlanır. Bu durumda

M (1– h ) = L

şeklinde de yazılabilir. Bu eşitliklerden görüldüğü gibi, eğer eylemin verimi biliniyor ve o eyleme ait metabolik güç de belirlenebiliyorsa eylem için harcanan gücü dolayısıyla işi belirlemek mümkün olur.

Isıl Konforun Ölçülmesi

Isıl konfor bölgesi, iş yapma ve faaliyetlerini sürdürme açısından en rahat durumda olabilmek için gerekli ısıl koşulların üst ve alt limitleri arasındaki bölgedir. Bu nedenle ele aldığımız enerji kaybına neden olan ısıl konfor parametreleri ölçülmelidir. Ancak işyerindeki ısıl konfor ile ilgili bilgi sahibi olmanın en basit yolu bu durumu çalışanlara sormaktır. Bu amaçla hazırlanan anket soruları S:29, Tablo 2.5’te verilmiştir. Ancak unutulmamalıdır ki bu anket sadece çalışanların ısıl olarak konforsuz hissetmeleri ile ilgili bir riskin olup olmadığını belirlemeye yardımcı olmaktadır. Isıl konfor risk değerlendirmesi için yeterli değildir. Bu sorulardan iki veya daha fazlasına evet cevabı veriliyorsa detaylı bir risk değerlendirmesi yapılmalı ve gerekli tedbirler alınmalıdır.

Isıl Konforun Hesaplanması

Bir ortamın ısıl konfor açısından uygun olup olmadığının belirlenmesinde kullanılan modeller “analitik” ve “deneysel” olmak üzere iki grupta toplanabilir. Analitik modeller insan vücudu ile çevresi arasındaki iletim, taşınım, ışınım ve buharlaşma gibi ısı transfer mekanizmaları yoluyla meydana gelen ısıl etkileşimleri dikkate alır. Deneysel ısıl konfor modelleri ise ısıl konfor kriterlerinin belirlenmesi için insan grupları üzerinde yapılan deneysel sonuçlardan elde edilen istatistik bilgilerin değerlendirilmesi ile elde edilmiş, analitik modellere göre daha az sayıda parametre içeren basit denklemlerdir.

İki Bölmeli Anlık Enerji Dengesi Modeli (Gagge Modeli): Gagge’nin iki bölmeli anlık enerji dengesi modeli insan vücudunu iç içe silindirlerden oluşan iki bölüme ayırır. İçteki silindiri iç organlar, iskelet ve kaslar oluştururken, dıştaki silindiri ise deri tabakası oluşturur. Deri ve kor bölmeleri için yazılan enerji denge denklemleri yardımıyla ısıl olarak verilen tepkiyi hesaplar. Bu modelde aşağıda belirtilen kabuller yapılmaktadır;

1. Kor ve deri bölmelerinin sıcaklıkları sabittir.
2. Kor ve deri bölmeleri arasında taşınım (kan akışı ile) ve iletim ile ısı transferi meydana gelir.
3. İki bölme arasında soluma nedeniyle gizli ve duyulur ısı kaybı, yapılan aktiviteler ve titreme sırasında üretilen metabolik ısı, meydana gelen kütle değişimi ölçüsünde enerji transferi meydana gelir.
4. Deri ve dış ortam arasında taşınım, ışınım ve nem buharlaşması yoluyla ısı transferi meydana gelmektedir.

Anlık enerji dengesinde, net ısı kazancı ile ısı kaybı arasındaki fark birim zamanda depolanan ısıl enerjiye eşittir. Her iki bölme için Termodinamiğin I. kanunu yazılırsa;

S _cr = M – W – (C _res + E _res ) – Q _cr,sk

S _sk = Q _cr,sk – (C + R + E _sk )

şeklinde ifade edilebilir.

Vücutta birim zamanda depolanan ısıl enerji anlık iç enerji artışına eşittir. Birim zamanda depolanan enerji, kor ve deri tabakası için ayrı ayrı ısıl kapasite ile birim zamanda sıcaklık değişiminin çarpımı olarak ifade edilirse,

S _cr = (1 – α).m.c _{p ,b} .(dT _cr / dθ) / A _D

S _sk = α.m.c _{p ,b} .(dT _sk / dθ) / A _D şeklinde yazılabilir.

Sürekli Rejim Enerji Dengesi Modeli (Fanger Modeli): Sürekli rejim enerji dengesi olarak adlandırılan Fanger modeli ısıl denge modelidir. Bu model dört fiziksel değişkeni (hava sıcaklığı, hava hızı, ortam ışınım sıcaklığı ve bağıl nem) ve iki kişisel değişkeni (giysi türü ve aktivite düzeyi) birleştirir. Vücudun ısıl dengede olduğu kabul edilir ve enerji depolanması ihmal edilir. Yani vücutta üretilen ısı taşınım, ışınım, iletim ve buharlaşma yoluyla vücuttan atılan ısıya eşit olmalıdır.

M − W = Q _sk +Q _res = (C+R+E sk ) + (C _res +E _res )

Isıl konfor ya da konforsuzluğun yani ısıl duyumun tespiti genellikle P. O. Fanger’in ısıl konfor denklem setinden PMV (Predicted Mean Vote-Ortalama Isıl Konfor) (-3 ile+3 aralığında ortam ile ilgili verilen ortalama oy miktarı) ve PPD (Predicted Percentage Dissatisfied-Isıl Tatminsizlik Yüzdesi) değerleri hesaplanarak yapılır. Fanger tarafından verilen PMV eşitliği aşağıda verilen niceliklere bağlı değişkenleri içerir:

Giysi ile ilgili olarak:

I _cl = Giysi yalıtım katsayısı

f _cr = Giysili ve çıplak yüzey alanları arasındaki oran

Aktivite ile ilgili:

M = Metabolik ısıl enerji üretimi (W/m ² )

W = Yapılan mekanik iş (W/m ² ) Çevresel Değişkenler:

T _a = Ortam sıcaklığı (°C)

T _r = Ortalama ışıma sıcaklığı (°C)

v = Havanın bağıl hızı (m/s)

P _a = Ortamın su buhar basıncı (mb)

Bu değişkenler kullanıldığında Fanger’in PMV eşitliği:

PMV = 4 + (0,303 e ^-0,036M + 0,0275) . {6,57 + 0,46 M + 0,31 P _a + 0,0017 MP _a + 0,0014 MT _a - 4,13 f _cl (1 + 0,01 dT ) ( T _cl - T _r ) - h _fcl ( T _cl - T _a )}

şeklinde ifade edilir. Bu ifadedeki giysi yüzey sıcaklığı ( T _cl ) aşağıdaki şekilde verilir:

T cl = 35,7 - 0,0275 M + 0,155I _clo { M - 0,31(57,4 - 0,07 M - P _a ) - 0,42( M - 58) - 0,0017 W (58,7 - P _a ) - 0,0014 W (34 - T)}.

Işıma ısısı transfer sabiti (h _c ) ise;

h _c = 2,4 (T _cl - T _a ) ^0,25 v≤0,1 m/s için,

h _c =12,1 ^√v v≥0,1 m/s için,

olarak alınır . Eşitlikteki dT ise;

dT = T _r – 22 (2.17)

değerine sahiptir.

P.O. Fanger’in yaptığı teorik, deneysel ve istatistiksel araştırmalar sonucunda hissedilen ısıl konfor bir skala ile tanımlanmıştır. S:32, Şekil 2.2’de görüldüğü gibi PMV değeri -3 ile +3 arasında değişmektedir. Bu değer ısıl konforu etkileyen çevresel parametrelerin ölçülmesi, kişisel parametre katsayılarının da girilerek hesaplanması ile bulunur. S:33, Şekil 2.3’te gösterildiği gibi PMV değerinin “0” a yaklaştığı, PPD değerinin ise %5’lerde olduğu durum en ideal ortam koşulunu meydana getirir. PMV, bir ortamı paylaşan insanların ortamı ısıl olarak nasıl algıladıkları ile ilgili bir parametredir. PPD ise PMV değeri kullanılarak ortamdaki insanların yüzde kaçının ısıl ortamdan memnuniyetsiz olduğunu belirleyen indekstir.

Çok yaygın olan bu iki model dışında sık kullanılan başka bir model ise Stolwijk modelidir. Bu modelde vücut beş silindirik (gövde, kollar, eller, bacaklar ve ayaklar) ve bir küresel (baş) parçaya bölünmüştür. Her bir parça da iç bölüm, kas, yağ ve deriden oluşan dört bölüme ayrılmıştır. Bölümler arasındaki ısı transferi iletim ve taşınım ile gerçekleşir. Her bir parça için enerji denge denklemleri yazılarak çözüme ulaşılır.

Isıl Konforun Sağlanması İçin Yapılması Gerekenler

Isıl konforun olmadığı ortamlarda çalışması işyerinin üretimine de etki etmektedir. Bu nedenle ısıl konfor işverenleri de yakından ilgilendirmektedir.

Ortam sıcaklığı:

• İşyerlerinde termal konfor şartlarının çalışanları rahatsız etmeyecek, çalışanların fiziksel ve psikolojik durumlarını olumsuz etkilemeyecek şekilde olması esastır.
• Yapılan işin niteliğine göre, sürekli olarak çok sıcak veya çok soğuk bir ortamda çalışılması ve bu durumun değiştirilmemesi zorunlu olunan hallerde, çalışanları fazla sıcak veya soğuktan koruyucu tedbirler alınır.
• İşyerinin ve yapılan işin özelliğine göre pencerelerin ve çatı aydınlatmalarının, güneş ışığının olumsuz etkilerini önleyecek şekilde olması sağlanır.”

şeklinde ifade edilmiştir. İşverenler ortamın ısıl konforunun sağlanmasında hem çevre hem de kişisel parametreleri düşünmelidir. Bu amaçla işverenlerin ısıl konforun sağlanmasında kullanabilecekleri altı adet kontrol metodu vardır. Bunlar şu şekilde sıralanabilir:

• Kaynağı kontrol etmek
• Çevreyi kontrol etmek
• Soğuk veya sıcak yayılıma sebep olan kaynakları
• Programı düzenlemek
• Çalışanı korumak
• Çalışanı izlemek

Ancak bu metotlar ısıl konforun sağlanmasında yeterli değildir. Aşağıda verilen faktörler de dikkate alınmalıdır:

• İşyerinin farklı bölümleri farklı sıcaklıklarda olmalıdır.
• İşyerinde makul derecede hava akımının olması sağlanmalıdır.
• Risk değerlendirmesinin bir parçası olarak çalışanlara baş dönmesi, konsantre olmada zorluk çekmek gibi problemleri yaşayıp yaşamadığı sorulmalıdır.
• Çalışma yeri ısıl konforun en etkin sağlanacağı şekilde tasarlanmalıdır.
• Havalandırma ve ısıtmanın birlikte olduğu sistemler, gaz, elektrik, yerden ısıtma gibi birçok ısıtma şekli mevcuttur. Bu nedenle en uygun ısıtma yöntemi tercih edilmelidir.
• Ortamda ışınım sıcaklığı yaratan yüzeylerin olması durumunda bu yüzeyler ile çalışanların arasına alüminyum gibi yansıtma katsayısı yüksek olan malzemelerden yapılmış levhalar koyulmalıdır.
• Ortamdaki hava hareketi arttırılmalıdır. Kişilerin kendine ait olan küçük vantilatörler havanın serinletici bir etki yaratmasını sağlar. Daha büyük vantilatörler ise dönen hava hareketi oluşturur. Tavana asılı olan büyük çaplı vantilatörler geniş bir alanda hava hareketi sağlayabilir.
• İklimlendirme sistemleri kullanılmalıdır.
• Evaporatif (buharlaşma) soğutucular kullanılabilir.
• Strafor, taş yünü ve levha gibi malzemeler kullanılarak ısı yalıtımı sağlanmalıdır.
• Isınan havanın yükselmesi nedeniyle ortamdan bu havanın atılması için çatıda delikler bulunmalıdır. Ayrıca ortama temiz hava girişini sağlayacak kapı ve pencereler bulunmalıdır.
• Sıcak havalarda ısıl konforun sağlanması için şunlar yapılmalıdır:
  • Sıcak boruların etrafını yalıtım malzemesi ile kaplamak,
  • ​​​​​​​ Hava soğutma veya klima tesisatı sağlamak,
  • Tavana monte edilen veya masada olabilen vantilatörler kullanmak,
  • Pencerelerin açılmasını sağlamak,
  • Güneşin ısıtma etkisini azaltmak için pencereleri yansıtıcı filmlerle kaplamak ya da güneşlikler kullanmak,
  • Çalışanların su ve tuz kayıplarının giderilmesi için sıvı içecek ve tuzlu gıdalar vermek,
  • Yüksek sıcaklıkların kötü etkilerinden korunmak için esnek çalışma ya da erken başlama/bitiş saatleri uygulamak,
  • Çalışanların serinlemeleri için yeterli mola süreleri vermek,
  • ​​​​​​​ Rahat kıyafetlerin giyilmesine izin vermek.
• Soğuk havalarda ısıl konforun sağlanması için şunlar yapılmalıdır:
  • Taşınabilir ısıtıcılar ile ortamın ısınmasını sağlamak,
  • Soğuk alanları insanların bulunduğu alanlardan ayırmak,
  • Cereyanı azaltmak,
  • Çalışanların soğuk zeminde uzun süre ayakta kalması gereken durumlarda özel ayakkabılar sağlamak ve yalıtımlı zemin kaplaması yapmak,
  • Uygun koruyucu giysiler temin etmek,
  • Soğuk havaya maruz kalmayacak şekilde çalışma saatlerini düzenlemek,
  • Çalışanların daha sıcak alanlarda ısınması için yeterli mola süresi vermek.

Isıl konforun insanların mutluluğu üzerindeki etkisi önemlidir ve dikkate alınmazsa, çalışan insanların morallerini, sağlığını ve üretkenliğini etkileyebilir.

Isıl konfor kişisel parametrelere de bağlı olan bir kavramdır. Yani sizin için problem olan herhangi bir parametre o ortamda bulunan diğer insanlar tarafından konforsuzluk olarak hissedilmeyebilir. Özellikle de bu gibi durumlarda bireysel olarak aşağıda ifade edilen önlemleri yerine getirebilirsiniz:

• Ortamın ne kadar sıcak ya da soğuk hissedildiğine göre giysi seçimi yapmak,
• Hava akışını sağlamak için küçük vantilatör kullanmak,
• Güneşin ısıtıcı etkisini azaltmak için pencereleri yansıtıcı film ile kaplamak,
• Sıcak havalarda soğuk, soğuk havalarda sıcak içecekler içmek,
• Mümkün olduğu derecede direk güneş ışığından ve ısı yayan kaynaklardan uzakta çalışmak,
• Sıcak havalarda serinlemek, soğuk havalarda ısınmak için düzenli molalar vermek.