Vorlesung 10: Thermo- & Mikroklima

Buffl

_Sports Engineering

by Emily P.

Durch welches Phänomen bzw. durch welchen Vorgang kann der Mensch am meisten Wärme abgeben?

Wie groß ist der Anteil ca?

Durch Schweisverdunstung an der Hautoberfläche kann der Mensch am meisten Wärme abgeben (ca 60% der Wärmeabgabe)

Wie gibt der Mensch Wärme an die Umbebung ab? Was sind die ungefähren Größenordnungen jedes Prozesses?

Wie Unterscheidet sich die Außentemperatur des Menschen bei niedriegen und hohen Temperaturen?

Nennen Sie die drei physikalische Phänomene, die zur Wärmeübertragung beitragen. Beschreiben Sie deren Funktionsweise stichpunktartig! Welche Arten der Wärmeübertragung wären bei der Entwicklung einer sportlichen Daunenjacke von Relevanz?

Wärmeleitung/Konduktion = Wärmetransport ohne Stofftransport zwischen einem Feststoff, einem Fluid oder einem Gas infolge eines Temperaturunterschiedes

Konvektion (frei/gezwungen) = Wärmeübertragung zwischen Festkörper und bewegendem Fluid

Strahlung = Austausch von Energie zwischen zwei Körpern auf Grund elektromagnetischer Strahlung

Daunenjacken sind vor allem effektiv darin Kunduktion zu minimieren. Dies können sie aber nur effektiv wenn die Daunen trocken sind

Zwischen Körper und der Luft in der Jacke herscht wahrscheinlich, bei einem aktiven Sportler, gezungene Konvektion durch Luftbewegungen welche durch die Bewegung des Sportlers hervorgerufen werden oder kaum Konvektion wenn die Jacke gut anliegt. In der Jacke selber muss Konvektion durch Kompartmentalisierung minimiert weden. An der Außenschicht der Jacke ist Konvektion bei groß.

Um den Effekt von Konvektion allgemein zu minimieren muss die Jacke außerdem winddicht sein.

Strahlung kann durch eine reflektierende Innenschicht minimiert werden ist aber nur relevant wenn Körper und Jacke nicht in direktem Kontakt zueinander sind.

Woraus ergibt sich die Strahlungsbilanz des Menschen?

Aus der Summe der Wärmestrahlungsemission und -absorption

Nennen sie die Formel für den Wärmestrom zwischen Mensch (oder Sportgerät) und Umgebung durch Wärmestrahlung

Weshalb ist es im Winter nicht ratsam verschwitzt in den kalten Wind zu treten (Stichwort "Spezialfall Wärmeübertragung")?

Weil dann ein besonders großes Delta zwischen Körper- und Umgebungstemperatur herrscht wodurch der Wärmeverlust (/-abgabe) bersonders groß wird.

Dadurch ist die Energiebilanz des Menschen höhst wahrscheinlich nicht mehr ausgeglichen und der Körper unterkühlt.

Zusätzlich zum Temp. Delta wird der Wärmeverlust durch erzwungene Konvektion (durch den Wind) und Schweißverdunstung stark erhöht.

Die Erhöhung des Wärmeverlustes durch Wind kann man mit Hilfe der Windchill Temperatur abschätzen.

"Im Wasser schwitzt man nicht" - eine Aussage, die man als Wassersportler oft zu hören bekommt. Begründen Sie mithilfe der Energiebilanz des Menschen (VO Folie 18), welche(r) Term(e) vernachlässigt werden können, wenn sich der Athlet im Wasser anstatt auf Land bewegt. Erläutern Sie ferner mit Ihrer Erkenntnis, wieso es sinnvoll ist, dass die Wassertemperatur von Schwimmbecken bei den olympischen Spielen mit 25°C nicht nur eine Untergrenze, sondern mit 28°C auch eine Obergrenze hat.

Die Wärmeabgabe aus Evaporation via Haut kann im Wasser vernachlässigt werden. Dadurch sinkt die Möglichkeit des Körpers Wärme abzugeben deutschlich (ca 60%). Um eine Überhitzung des Körpers zu verhindern ist eine Obergrenze der Wassertemp deshalb sinnvoll.

Was ist ein typisches Verhältnis von externer Mechanischer Arbeit W zu Metabloischer Energie M beim Menschen?

Was ist der Unterschied zwischen globalem und lokalem thermischen (Dis-)Komfort? Auf welches Komfortbefinden wirken folgende zwei Maßnahmen:

1. Lenkradheizung im Auto

2. Skijacke und -hose

Nenne 3 mögliche Ursachen für lokalen Diskomfort

Globaler Komfort beschreibt sich auf die allgemeinen Umgebungsbedingungen. Lokaler Diskomfort entsteht durch vertikale/asymmetrische Temperaturunterschiede. Zu beachten ist, dass sich lokaler Diskomfort ebenfalls auf den globalen Komfort auswirkt.

1. Lokaler Komfort (lediglich Hände)

2. Globaler Komfort (kompletter Oberkörper und Beinregion)

Ursachen für lokalen Diskomf:

große vertikale Temp. Unterschiede
Asymm. Umgebungsbedingungen durch heiße/kalte Umschließungsflächen
Kalte Hände oder Füße
Zugluft (zu hohe konvektive Wärmeabgabe)

Wie unterscheiden sich Grundumsatz und Arbeitsumsatz voneinander? Welcher der beiden Umsätze lässt sich durch den Sportler mithilfe von Training für eine bestimmte Aktivität verringern, welcher bleibt tendenziell eher konstant?

Grundumsatz ist die Energiemenge, die der Körper zur Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Körperfunktionen benötigt. Der Leistungsumsatz ist die Energiemenge, die der Körper insgesamt benötigt, um Arbeit zu verrichten. Der Grundumsatz bleibt konstant. Durch Training und folglich Adaption an die Belastung kann der Leistungsumsatz gesenkt werden.

Was versteht man unter (thermischem) Komfort/Diskomfort?

Komfort ist die Abwesenheit von Diskomfort

-> liegt vor wenn die Bilanz aus Wärmeproduktion, zugeführter Wärme und Wärmeabgabe ausgelichen ist & Hauttemp & Schweißprod. in einem individuell komfortablen Bereich liegt

Wie funktioniert das Komfortmodel nach Fanger (PMV & PPD)?

Skizzieren sie kurz die Skala

Stellen sie die Energiebilanz des Menschen auf

Ein Sportbekleidungsstartup will zwei Arten an Funktionsshirts auf den Markt bringen: eins für kalte Bedingungen (Linie Thermowear) und eins für warme Bedingungen (Linie Coolwear). Welche Designempfehlungen sollten sie bei Thermowear berücksichtigen, welche bei Coolwear?

Mit welchen Transportphänomenen wird Wasserdampf durch ein Textil transportiert?

Was sind 2 Größen die bei Bekleidung nach klassischen Standards geprüft werden?

Wie werden diese geprüft?

Was versteht man unter dem Windchill-Effekt?

Unter dem Windchill-Effekt versteht man dass die Temperatur bei windigen Bedingungen subjektiv als kälter empfunden wird (weil die Wärmeabgabe dirch Erzwungene Konvektion erhöht wird).

Die Windchill-Temp. wird ermittelt in dem die Temp. ermittelt wird bei welcher der selbe Wärmeverlust ohne Wind vorhanden sein würde

Zeichnen sie die Wege zum Erkenntnisgewinn im Sports Engineering auf. Geben sie zu jeden Aspekt ein Beispiel aus dem Bereich Thermo- & Mikroklima

Theorie / Stand der Technik:

Wäremeübertagungsarten, Energiebilanz des Menschen, PCM Helme, Daunenjacken mit hydrophoben Dauenen

Systematische Beobachtung mit sozial empirischen Methoden:

Subjektive Diskomfortbewertung (Widchill, Gobaler & Lokaler Thermischer Diskomfort)

Systematische Beobachtung mit Messinstrumenten:

Materialprüfung nach klassischen Standarts (Wärmedurchganswiderstand, Wasserdampfdurchganswiderstand)
Spezifische herstellerinterne Prüfverfahren (z.B. Schwitzfuß)
Objektive Messungen am Menschen (Infrarotkamera, Klimakammer, Messungen von Schweißprod. und Körperkerntemp.)

Modellierung & Simulation

Machine Learning Verfahren zur Abschätzung des H20-Verlustes

Thermophysikalisches Ragulationsmodell des Menschen ( von Fiala)

-> Ermöglicht: Auslegung und Optimierung de Zero-Heat-Flux Sensors, Bestimmung der Auswirkungen diverser Einflussfaktoren

Präsentieren sie den Methodenbaukasten “Thermo & Klima”