TESTES DE CONFORTO TÉRMICO APLICADOS A UMA MALHA MULTIFUNCIONAL DESENVOLVIDA COM NOVOS MATERIAIS

Transcrição

1 CIBIM 1, Oporto, Portugal, 211 CIBEM 1, Porto, Portugal, 211 RM Natal Jorge, JMRS Tavares, JL Alexandre, AJM Ferrera, MAP Vaz (Eds) TESTES DE CONFORTO TÉRMICO APLICADOS A UMA MALHA MULTIFUNCIONAL DESENVOLVIDA COM NOVOS MATERIAIS S. F. C. F. Texera 1*, C.P. Leão 1, P. Arezes 1, M. M. Neves 2 1-Departamento de Produção e Sstemas, Escola de Engenhara da Unversdade do Mnho, Gumarães, Portugal emal: { * st, cpl, parezes}@dps.umnho.pt 2- Departamento de Engenhara Têxtl, Escola de Engenhara da Unversdade do Mnho, Gumarães, Portugal, emal: mneves@det.umnho.pt Palavras-chave: conforto termo-fsológco, modelos numércos, novos materas têxtes, nterface, transferênca de calor e massa Resumo Os produtores europeus, os engenheros têxtes e os desgners devem, no desenvolvmento de novas peças de vestuáro, terem em consderação as novas exgêncas dos consumdores em relação ao conforto. Uma grande varedade de áreas de nvestgação foram, nos últmos tempos, cradas e desenvolvdas permtndo atngr as exgêncas relaconadas com o conforto, nomeadamente, consderando os aspectos funconas e estétcos, entre outros. O conforto térmco humano é, de certa forma, um dos componentes mas mportantes a consderar, podendo ser defndo como a prncpal troca de calor e massa e calor do corpo humano com o meo ambente, através da roupa. Um dos objectvos deste trabalho fo, através do trabalho de uma equpa multdscplnar, desenvolver uma malha funconal de forma a permtr o conforto termo-fsológco a quem a utlzar. O presente trabalho permte assm nvestgar as váras etapas relaconadas com o estudo do conforto no desenvolvmento de novas peças de vestuáro: o desenvolvmento de novas malhas, a execução de testes num manequm térmco; a smulação numérca do corpo humano com e sem roupa e o desenvolvmento de testes subjectvos de conforto térmco. A nova malha produzda fo caracterzada e testada em laboratóro, em termos de quantdade de vapor de água e da permeabldade ao ar e outros parâmetros físcos. A malha produzda fo aplcada como forro de botas de camnhada e para o fabrco de t-shrts. Os protótpos das botas de camnhada foram avalados de forma subjectva através de questonáros. Um manequm térmco fo utlzado para medr o solamento térmco das t-shrts e a dstrbução de temperatura na pele. Juntamente com este trabalho expermental, um modelo de termo regulação do corpo humano fo desenvolvdo para valdar os dados expermentas obtdos. Alguns dos resultados são apresentados e dscutdos..

2 S. F. C. F. Texera, C.P. Leão, P. Arezes, M. M. Neves 1. Introdução O conforto é um parâmetro muto mportante no desenvolvmento de peças de vestuáro. No entanto, e apesar de ser faclmente percebdo pelos utlzadores fnas, compreender como é desenvolvdo a sua percepção torna-se uma tarefa complexa [1]. Dferentes aspectos, tas como, os funconas (relaconados ao conforto termofsológco e sensoral) e os estétcos (relaconada com o conforto pscológco), devem ser consderados pelos desgners e engenheros têxtes. Avalar um únco aspecto do conforto, tal como o conforto térmco, pode ser uma tarefa muto exgente [2], não esquecendo que aspectos complementares também podem afectar a decsão do clente. O conforto térmco pode ser defndo como a prncpal troca de calor e de massa entre o corpo humano e o meo ambente, através do vestuáro, e está relaconada com a forma que o vestuáro ajuda a manter o equlíbro térmco do corpo humano [3]. O conforto térmco pode ser analsado de duas maneras que, embora dstntas se complementam, a saber: avalação objectva de todos os parâmetros térmcos [4, 5] e a avalação subjectva do conforto térmco percebdo pelos potencas utlzadores [6, 7]. Este artgo descreve o trabalho levado a cabo por uma equpa multdscplnar de nvestgadores e que consstu em analsar as dferentes componentes relaconadas com o tema do conforto térmco. Após o desenvolvmento de novas malhas [8], estas foram testadas em laboratóro. As malhas funconas desenvolvdas foram aplcadas como revestmento no nteror (forro) de botas de camnhada fabrcadas numa fábrca de sapatos da regão norte de Portugal. A avalação subjectva do conforto térmco destes protótpos fo realzada no Laboratóro de Engenhara Humana, Escola de Engenhara da Unversdade do Mnho, em condções ambentas controladas e smulando o aquecmento, a tensão e as etapas de arrefecmento [9]. As malhas funconas também foram aplcadas para fabrcar t-shrts. Alguns testes de conforto térmco foram realzados com um manequm térmco a fm de medr o solamento térmco. Este trabalho expermental fo complementado com a smulação numérca do corpo humano. 2. Trabalho Expermental Desenvolvdo O prmero passo no desenvolvmento da malha funconal, fo a escolha das matéras-prmas a utlzar na sua produção. O desempenho da malha fo obtdo através de uma malha de estrutura de dupla face em combnação com uma correcta selecção dos materas utlzados. Desta forma, uma fbra hdrófla fo colocada numa face e uma fbra hdrofóba na outra face. Algodão (CO), mlho (ácdo polláctco - PLA), soja (SPF) e bambu (BAM), foram selecconados como fbras hdróflas; polpropleno (PP) e poléster (PES) foram selecconados como fbras hdrófobas. As três novas fbras hdróflas, fgura 1, têm as seguntes prncpas propredades: Mlho (PLA) - favorece a regulação natural da temperatura da pele através da evaporação da humdade, capacdade de secagem rápda, sendo também hpoalergénco; Soja (SPF) - capacdade de boa ventlação, bom solamento térmco, boa capacdade de evaporação da humdade, ant-bacterana; Fgura 1: Mlho (PLA), soja (SPF) e bambu (BAM) Bambu (BAM) - característcas naturas de estmulação do fluxo sanguíneo e boa absorção da humdade. Foram desenvolvdas três estruturas de malha de duplaface (Tabela 1), com oto dferentes combnações de matéras-prmas, num total de 24 amostras. Os oto pares da combnação hdrófla/hdrófoba de fbras de forma a produzr as 24 amostras no tear, foram: PLA/PP, PLA/PES, SPF/PP, SPF/PES, BAM/PP, BAM/PES, CO/PP e CO/PES. Tabela 1: Estruturas das malhas Estrutura 1 Estrutura 2 Estrutura 3 Após a produção das 24 amostras, cada uma fo caracterzada e algumas das propredades termofsológcas de conforto foram avaladas, a saber: permeabldade ao ar, permeabldade ao vapor de água, resstênca térmca e caplardade. A permeabldade ao ar das dferentes amostras fo determnada com o permeablímetro TEXTEST FX 33, segundo a norma EN ISSO a uma pressão de 1 Pa. Da análse dos resultados observa-se que as malhas produzdas com a estrutura 1 apresentam valores mas elevados de permeabldade ao ar, sendo a combnação PLA/PES que apresenta melhor resultado (fgura 2). Ar Permeablty lm -2 s Structure Estrutura 1 1 Estrutura Structure 2 Estrutura Structure 33 Fgura 2: Permeabldade ao ar PLA/PP PLA/PES SPF/PP SPF/PES BAM/PP BAM/PES CO/PP CO/PES A estrutura 1 também se mostrou melhor em termos de permeabldade ao vapor de água. Os ensaos foram

3 Seral m 2 k/w S. F. C. F. Texera, C.P. Leão, P. Arezes, M. M. Neves realzados no permeablímetro Permetest de acordo com a norma ISO1192. As combnações PLA/PES, SPF/PES e BAM/PES apresentam maor permeabldade ao vapor de água Com base nesses resultados, outros testes foram realzados com as dferentes combnações de malha dupla na estrutura 1. A massa de água absorvda (posções horzontal e vertcal) em função do tempo fo medda e os resultados apresentados na fgura 3. As malhas produzdas com fbras PLA apresentam melhor desempenho. Numa segunda fase deste trabalho, as combnações de PLA/PP e BAM/PES, na estrutura 1, foram utlzadas para fabrcar t-shrts. O solamento térmco total fo determnado com um manequm térmco de acordo com a norma ISO usando o seral model. Este manequm encontrava-se vestdo com a t-shrt a ensaar uma calça de fato de treno e meas. Todos os testes foram realzados no estado estaconáro. W (g) (%) 5, 3 PLA/PP 25 PLA/PES 4, 2 SPF/PP 3, 15 SPF/PES 1 BAM/PP 2, 5 BAM/PES CO/PP 1, CO/PES Mnutes, Mnutos (a) Structure W (cm) 1 Structure 2 Structure Fgura 4: Manequm térmco usado para determnar o solamento térmco total A fgura 5 apresenta os resultados expermentas para o solamento térmco para as dferentes partes abrangdas pela t-shrt com a malha produzda em estudo. Uma t-shrt feta de algodão, CO, também fo testada. A malha PLA/PP, produzda com a estrutura 1, apresenta um valor mas elevado de solamento térmco, seguda da malha BAM/PES Mnutos Mnutes (b) Fgura 3: Resultados da massa de água absorvda (a) posções horzontal e (b) vertcal) em função do tempo, para a Estrutura 1 Após a avalação das propredades das três estruturas de malha desenvolvdas no níco do projecto, concluu-se que a estrutura 1 era a que melhor se adequava à utlzação como forro para as fnaldades pretenddas. De entre as matéras-prmas testadas, pôde conclur-se que a combnação PLA/PES se mostra mas adequada a um clma fro em função do seu solamento térmco, enquanto a estrutura 1 em bambu sera a escolhda para um clma quente pos em oposção apresenta um baxo valor de solamento térmco e boa caplardade. Fo escolhda a combnação BAM/PP. Com estas malhas foram então produzdos 2 pares de botas (1 pares com cada malha) em dferentes números. Estas botas foram utlzadas em testes de avalação subjectva do conforto, para os quas fo desenvolvdo um protocolo de ensao e um questonáro para a avalação por parte dos utlzadores.,18,16,14,12,1,8,6,4,2 1% CO BAM/PES PLA/PP Fgura 5: Resultados obtdos para o solamento térmco 3. Trabalho Numérco Desenvolvdo Braço Left upper esquerdo arm Braço Rght dreto upper arm A smulação computaconal do sstema corpo humanoroupa-meo ambente também pode ser utlzada de uma forma efcaz para estudar os problemas de conforto térmco [1, 11]. O modelo de conforto térmco humano, apresentado por Imre [12], tem sdo utlzado para smular os resultados expermentas obtdos através do manequm térmco, a fm de valdar os resultados da temperatura na pele. Peto Chest Costas Back Total

4 S. F. C. F. Texera, C.P. Leão, P. Arezes, M. M. Neves 3.1. Equações matemátcas O modelo numérco utlzado neste trabalho, é uma smplfcação do modelo de regulação térmca do corpo humano-roupa-meo ambente de Imre [12]. O corpo humano é dvddo em 16 partes dstntas (fgura 6): (1) par pulmões-coração, (2) tronco, (3) parte nferor do tronco, (4) antebraço esquerdo, (5) antebraço dreto, (6) braço esquerdo, (7) braço dreto, (8) mão esquerda, (9) mão dreta, (1) coxa esquerda, (11) coxa dreta, (12) perna esquerda, (13) perna dreta, (14) pé esquerdo, (15) pé dreto e (16) cabeça. Os pulmões e o coração, é consderado como um sstema únco, sendo todas as restantes partes dvddas em três camadas: shell, core e pele. O prmero termo da equação 2, representa a troca de calor exstente entre a fonte de calor parte (1), pulmõescoração, e o core. O segundo termo representa a troca de calor por condução entre a shell e o core. O últmo termo representa o calor metabólco produzdo no core de cada parte do corpo. A equação para a segunda camada, a shell, para a parte do corpo humano (=2,..., 16) é: dt C K K H dt C C C C M2 * T11 T2 * ( T1 T2 * T3 T O prmero termo da equação 3, corresponde à troca de calor entre a fonte de calor parte (1) (pulmões-coração) e a shell. O segundo termo descreve a transferênca de calor por condução entre o core e a shell. O tercero termo representa a transferênca de calor entre a pele e a shell. O últmo termo representa o metabolsmo na shell. As equações para a tercera camada da pele, nas partes a descoberto do corpo são: (3) dt K T T K T T K T T dt C C C 3 2 rad, conv, 2 3 r 3 a (4) Fgura 6: Corpo humano dvddo em 16 partes dstntas, de acordo com [12] Cada camada é sotérmca e dentro de cada parte as trocas são entre o core e a shell, e entre esta e a pele. A camada de pele, em cada uma das partes consderadas, pode ser coberta por roupas ou dexada a descoberto. Quando o corpo está a descoberto, as trocas de calor com o ar ambente são por convecção e por radação. Quando o corpo está coberto por roupas, as trocas de calor da pele com a prmera camada de roupa e as trocas com a últma camada são fetas por convecção e radação com o ar. Consderando o caso expermental em estudo, com as mãos, os braços e a cabeça a descoberto, o modelo nclu setenta equações dferencas ordnáras de prmera ordem ao longo do tempo. A equação de balanço de calor para a parte (1) do corpo humano (pulmões-coração) é: dt 1 * * * T * HM H R dt C C C C Os dos prmeros termos da equação 1, estão relaconados com a troca de calor do sangue com o core e a shell, em todas as 15 partes do corpo. O tercero termo está relaconado com a troca de calor devdo ao metabolsmo e o últmo termo relaconado com a perda de calor devdo à respração. A equação para a prmera camada, o core, para cada parte do corpo humano (=2,..., 16) é: dt dt C1 T1 C2 T2 C1 C C K H M1 * T11 T1 * T2 T1 C1 C1 C1 (1) (2) A equação 4 representa os termos de transferênca de calor por condução a partr da shell para a pele, por radação entre a pele e o meo ambente e, por convecção entre a pele e o meo ambente, respectvamente. As equações para a tercera camada da pele, para as partes cobertas do corpo humana é: dt K K * T T * T T dt C C O prmero termo da equação 5 representa a transferênca de calor por condução a partr da shell para a pele e o segundo termo representa a condução entre a pele e a prmera camada de roupa ou o ar. A equação de balanço de calor para a últma camada de roupa (z) é: dtz K K K dt C C C z 1, rad, conv, T T 1, z T z r Tz Ta Tz z z z A equação 6 descreve a transferênca de calor por condução da camada de roupa (z-1) para a últma camada de roupa (z), a transferênca de calor por radação entre a últma camada de roupa e o ambente e as transferêncas de calor por convecção entre a últma camada de roupa e o meo ambente. Um programa em Fortran fo desenvolvdo para resolver numercamente as equações de balanço descrtas (1-6). O método numérco utlzado fo o método de Runge-Kutta- Merson devdo à sua smplcdade e robustez. Os valores de temperatura ncal em todas as partes do corpo e das camadas (core, shell, pele, ar e roupa) são apresentados e podem ser modfcados pelo utlzador. O prncpal objectvo do programa é estmar a temperatura da pele, em função do tempo, para dferentes ambentes térmcos. (5) (6)

5 S. F. C. F. Texera, C.P. Leão, P. Arezes, M. M. Neves 3.2. Plataforma de nterface Mesmo consderando só as equações de balanço de calor, um grande número de parâmetros físcos e numércos são necessáros bem como um banco de dados para armazenar não só todos os dados de entrada bem como os resultados fnas. A fm de tornar este modelo de conforto térmco mas amgável para o utlzador, uma aplcação computaconal fo desenvolvda, Conftermal V2 [13, 14]. Esta nterface desenvolvda permte armazenar todas estas nformações e de uma forma smples e acessível, vsualzar os resultados obtdos. A nterface fo desenvolvdo em Java 1.4.x e Quadcap Embeddable Database (QED) para o sstema de banco de dados. Desta forma, o fchero executável ocupa apenas 1 kb, em oposção com os 1 MB da versão anteror. O únco requsto para executar o ConfTermal V2 é ter o Java Runtme Envronment versão 1.4.x ou superor. O menu prncpal fo desenvolvdo para que o utlzador não necesste de alternar de janela durante a utlzação do programa. Tudo que o utlzador precsa está dsponível na janela prncpal. A janela prncpal (fgura 7) é dvdda em duas sub-janelas: do lado esquerdo, estão apresentados dos corpos humanos (um com as condções ncas, antes da smulação, e o segundo com os resultados fnas, após a smulação) e, do lado dreto, o menu onde o utlzador pode selecconar/defnr as condções ncas para a smulação e uma parte para a vsualzação dos valores numércos dos resultados numércos fnas, cada valor numérco obedece a uma escala de cores que o corpo humano é preenchdo. Estes valores numércos dos valores fnas das temperaturas podem ser revelados após a selecção da parte do corpo humano com um smples clkar na parte do corpo pretendda pelo utlzador. Fgura 7: Janela prncpal da Interface ConfTermal V2 4. Dscussão dos resultados obtdos Os valores de temperaturas ncas foram retrados do manequm, em modo de conforto, e após um período de establzação. Estes foram os valores consderados na smulação numérca. No modo conforto, o utlzador especfca a temperatura corporal do manequm como constante e gual a 36,4 ºC para todas as partes. As dferentes partes do corpo humano será aquecda de forma dferente e dferentes valores de temperaturas na pele são obtdas. As smulações numércas foram executadas tomando os valores de temperatura ncal, assumndo uma temperatura ambente de 21 ºC, roupas de verão leve e uma actvdade de repouso em pé. A base de dados, no momento, só contém os parâmetros para a fbra de algodão. Os resultados numércos obtdos para a últma camada (pele e roupa na parte coberta) podem ser vsualzados na fgura 8. Os valores numércos para as temperaturas na parte superor do tronco para as cnco camadas (core, shell, pele, ar e roupa), também podem ser vsualzados na fgura. Fgura 8: Resultados numércos obtdos com o ConfTermal V2 Para obter os resultados expermentas em condções semelhantes, após um período de establzação, no modo conforto, o manequm fo colocado no modo de bloqueo de energa. Desta forma, o calor aplcado no nteror de cada parte do corpo é constante. Após uma hora, os resultados expermentas na pele foram regstados e comparados com os resultados obtdos na smulação numérca (Tabela 2). Tabela 2: Resultados expermentas (Exp) e numércos (Sm) para a temperatura da pele nas váras camadas e partes do corpo humano Tronco Superor Tronco Inferor Antebraço Esq./Dr. Camada Exp. Sm. Exp. Sm. Exp. Sm. Core Shell Pele Roupa Roupa Braço Esq./Dr. Mão Esq./Dr. Camada Exp. Sm. Exp. Sm. Core Shell Pele Roupa Roupa Coxa Esq./Dr. Perna Pés Esq./Dr. Esq./Dr. Camada Exp. Sm. Exp. Sm. Exp. Sm. Core Shell Pele Roupa Roupa Embora a temperatura da pele sejam semelhantes para quase todas as partes do manequm, algumas dscrepâncas foram obtdas, nomeadamente para a parte superor do tronco e para os pés. Convém salentar que, a partr dos resultados expermentas, só as temperaturas da pele estão dsponíves para serem utlzadas como valores ncas para a smulação numérca. As temperaturas do core e da

6 S. F. C. F. Texera, C.P. Leão, P. Arezes, M. M. Neves shell foram extrapolados, bem como a temperatura da roupa e da camada de ar. Além dsso, quando no manequm se alterna do modo de conforto para o modo power lock, valores dferentes de metabolsmo (energa usada para aquecer as peças dferentes) foram regstadas em especal para a parte superor do tronco e para os pés, onde foram observados os prncpas desvos. 5. Conclusões Uma equpa multdscplnar de nvestgadores, das áreas têxtl, ergonoma e de smulação numérca, tem vndo a desenvolver novas ferramentas para a análse de dferentes aspectos do conforto térmco. A avalação do (des)conforto térmco no vestuáro só é possível se for feta uma abordagem multdscplnar. Uma estrutura de malha de dupla face fo utlzada para optmzar o desempenho do vestuáro. As malhas foram produzdas com dferentes matéras-prmas, uma fbra hdrofílca colocada numa face e uma fbra hdrofóbca em na outra face. Estas malhas foram caracterzadas em laboratóro e, com base nesses resultados, quatro combnações foram selecconados: PLA/PES e BAM/PP, para o forro de botas de camnhada e PLA/PP e BAM/ES, para t-shrts. Estes dos produtos fnas (botas de camnhada e t-shrts) foram fabrcados e avalados através de testes de conforto quer objectvos, quer subjectvos. O conforto deve ser avalado utlzando o máxmo de dados objectvos dsponíves, mas deverá nclur também a opnão dos utlzadores fnas, a avalação subjectva. No presente estudo, um manequm térmco fo utlzado para determnar o solamento térmco total da t-shrt. Os testes expermentas foram realzados em condções semelhantes e consderadas na smulação numérca. Algumas valdações prelmnares foram apresentadas; os resultados obtdos até ao momento, mostram que o modelo numérco pode ser usado para avalar o conforto térmco. O modelo numérco fo já modfcado de forma a nclur os fenómenos de transferênca de massa e está ser valdado [15]. Agradecmentos Os autores gostaram de agradecer o apoo fnancero do Centro de I&D Centro Algortm. Referêncas [1] M. Neves, J. Cunha, Total desgn of functon orented textle product, 5th Internatonal Istanbul Textle Conference, Istanbul, Torquay, May 25. [2] K. C.Parsons, Human thermal envronments. The effect of hot, moderate and cold envronments on human health, comfort and performance, Second edton, ISBN: , CRC press, 23. [3] Y.L, The scence of clothng comfort, Textle Progress, 31 (1/2) 21, The Textle Insttute, Manchester. [4] N. Pan, P. Gbson, Thermal and mosture transport n fbrous materals, Woodhead Publshng Lmted, Cambrdge, 26. [5] N.Ozdl, A. Marmaral, S.D.Kretzschmar, Effect of yarn propertes on thermal comfort of kntted fabrcs, Int. Journal of Thermal Scences, 46, 27, [6] J.C.González, E.Alcántara, C. Bataller, A.C.García, Physologcal and Subjectve Evaluaton of Footwear: Thermal Response Over Tme, Proc. of the 5th Symp. on Footwear Bomechancs, 21, Zuerch/Swtzerland, (Eds. E. Henng, A. Stacoff), [7] G. Haventh, R. Heus, A test battery related to ergonomcs of protectve clothng, Appled Ergonomcs 35, 24, 3-2. [8] E.L.Correa, S.F.C.F. Texera, M.M. Neves, Numercal and expermental studes n the development of new clothes materals, Heat Transfer 26 - Nnth Internatonal Conference on Advanced Computatonal Methods and Expermental Measurements n Heat and Mass Transfer, New Forest, UK, 26, 1pp. [9] P.M. Arezes, M.M. Neves, S.F.C.F. Texera, C.P. Leão, J.L. Cunha, Thermal comfort of trekkng boots: objectve versus subjectve evaluaton, 2nd Internatonal Conference n Appled Human Factors and Ergonomcs 28, Las Vegas, USA, 28, 1pp. [1] H. Wu, J.Fan, Study of heat and mosture transfer wthn mult-layer clothng assembles consstng of dfferent types of battngs, Internatonal Journal of Thermal Scences 47, 28, [11] N. Ghaddar, K. Ghal, B. Jones, Integrated humanclothng system model for estmatng the effect of walkng on clothng nsulaton, Internatonal Journal Thermal Scences 42, 23, [12] L. Imre, C.D. Horváth, A. Bta, J. Barcza, Numercal procedure for the dentfcaton of human thermal dscomfort, n R.W. Lews and P. Durbekat, Numercal Methods n Thermal Problems, UK: Pnerdge Press lmted, 1995, [13] C.P. Leão, S.F.C.F. Texera, CONFTERMAL An Easy Way to Smulate the Human Thermal Comfort, Proceedngs of 16th IASTED Internatonal Conference on Appled Smulaton and Modellng, ASM27, Palma de Mallorca, Span, 27, ISBN: [14] M.M. Neves, J.L. Cunha, P.M. Arezes, C.P. Leão, S.F.C.F. Texera, P. Lobarnhas, J.C. Texera, IN2TEC: A multdscplnary research project nvolvng researches, students and ndustry, #IMECE-14916, Proceedngs of ASME Internatonal Mechancal Engneerng Congress and Exposton, November 26, Chcago, USA, 26, 6 pp.. ISBN: