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El maniquí térmico es un modelo humano diseñado para realizar pruebas científicas de entornos térmicos sin el riesgo o las imprecisiones inherentes a las pruebas con sujetos humanos. Los maniquíes térmicos se utilizan principalmente en la industria automotriz, en entornos interiores y exteriores, en la investigación militar y en indumentaria. Los primeros maniquíes térmicos de la década de 1940 fueron desarrollados por el ejército de los EE. UU. y consistían en una zona de muestreo de cuerpo entero. Los maniquíes modernos pueden tener más de 30 zonas controladas individualmente. Cada zona (mano derecha, pelvis, etc.) contiene un elemento calefactor y sensores de temperatura dentro de la "piel" del maniquí. Esto permite que el software de control caliente el maniquí a una temperatura corporal humana normal, al tiempo que registra la cantidad de energía necesaria para hacerlo en cada zona y la temperatura de esa zona.
El aislamiento de la ropa es el aislamiento térmico que proporciona la ropa y se mide en clo. La unidad de medida se desarrolló en 1941. [1] Poco después, el ejército de los EE. UU. desarrolló maniquíes térmicos con el fin de realizar mediciones de aislamiento en el equipo que estaban desarrollando. Los primeros maniquíes térmicos estaban de pie, estaban hechos de cobre y eran de un segmento, y medían la pérdida de calor de todo el cuerpo. Con el paso de los años, varias empresas e individuos los mejoraron empleando nuevas tecnologías y técnicas a medida que aumentaba la comprensión del confort térmico . A mediados de la década de 1960, se desarrollaron maniquíes térmicos sentados y multisegmentados, y se empleó la regulación digital, lo que permitió una aplicación y medición de energía mucho más precisas. Con el tiempo, la respiración, los estornudos, el movimiento (como caminar o andar en bicicleta de forma continua) y la sudoración se emplearon en los maniquíes, además de los tamaños masculino, femenino y infantil según la aplicación. En la actualidad, la mayoría de los maniquíes utilizados para fines de investigación tienen un mínimo de 15 zonas y hasta 34 con opciones (a menudo como complemento adquirible para el maniquí base) para sistemas de sudoración, respiración y movimiento, aunque también se utilizan maniquíes más simples en la industria de la confección. [2] Además, a principios de la década de 2000 se desarrollaron varios modelos informáticos diferentes de maniquíes en Hong Kong, [3] el Reino Unido, [4] y Suecia. [5]
La siguiente tabla ofrece una descripción general de los diferentes desarrollos de maniquíes térmicos a lo largo de los años: [2]
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Los maniquíes térmicos modernos constan de tres elementos principales, con complementos adicionales opcionales. La piel exterior del maniquí puede estar hecha de fibra de vidrio , poliéster , fibra de carbono u otros materiales conductores de calor, dentro de los cuales hay sensores de temperatura en cada zona de medición. Debajo de la piel está el elemento calefactor . Cada zona de un maniquí térmico está diseñada para calentarse lo más uniformemente posible. Para lograr esto, el cableado se enrolla a lo largo del interior del maniquí con la menor cantidad de espacios posibles. Se hace pasar electricidad a través del cable para calentarlo, y el uso de energía de cada zona se controla y registra por separado mediante el software de control del maniquí. Finalmente, los maniquíes están diseñados para simular humanos con la mayor precisión posible, por lo que cualquier masa adicional necesaria se agrega al interior del maniquí y se distribuye según sea necesario. Además, los maniquíes pueden estar equipados con dispositivos complementarios que imitan acciones humanas, como respirar, caminar o sudar.
El elemento calefactor de los maniquíes térmicos se puede instalar en una de tres ubicaciones dentro del maniquí: en la superficie exterior, dentro de la piel del maniquí o en el interior del maniquí. [6] Cuanto más adentro del maniquí se encuentre el elemento calefactor, más estable será la salida de calor en la superficie de la piel; sin embargo, la constante de tiempo de la capacidad del maniquí para responder a los cambios en el entorno externo también aumentará, ya que el calor tardará más en penetrar a través del sistema.
La cantidad de calor suministrada a los maniquíes térmicos se puede controlar de tres maneras. En el “modo confort”, se aplica al maniquí la ecuación del modelo PMV que se encuentra en la norma ISO 7730, y el software del controlador calcula la pérdida de calor que una persona promedio podría soportar cómodamente en un entorno determinado. Esto requiere que el sistema conozca varios datos básicos sobre el maniquí (área de superficie, tasa metabólica hipotética), mientras que el usuario debe introducir factores experimentales ( aislamiento de la ropa , temperatura del globo de bulbo húmedo ). El segundo método de control es el flujo de calor constante del maniquí. Es decir, el maniquí suministra un nivel constante de energía, establecido por el usuario, y se mide la temperatura de la piel de los diferentes segmentos. El tercer método es que la temperatura de la piel del maniquí se mantiene constante en un valor especificado por el usuario, mientras que la energía aumenta o disminuye según las condiciones ambientales. Podría decirse que este también puede considerarse un cuarto método, ya que se puede configurar todo el maniquí para que mantenga la misma temperatura en todas las zonas, o elegir temperaturas específicas para cada zona. De estos métodos, el modo confort se considera la representación más precisa de la distribución real del calor en el cuerpo humano, mientras que el modo de flujo de calor se utiliza principalmente en entornos de alta temperatura (cuando es probable que la temperatura ambiente sea superior a 34 °C). [7]
Para obtener los resultados más precisos posibles, es necesario calibrar los sensores de temperatura internos del maniquí térmico. Una buena calibración utilizará al menos 2 puntos de ajuste de temperatura con una separación mínima de 10 °C entre sí. El maniquí se instala en una cámara ambiental con control térmico de modo que la temperatura de todos sus segmentos sea casi idéntica a la temperatura operativa de la cámara. Esto significa que el maniquí debe estar desnudo y con un aislamiento mínimo entre cualquier parte del cuerpo y el aire. Un buen sistema para lograr esto es tener al maniquí sentado en una silla abierta (permitiendo que el aire pase a través de ella), con los pies apoyados en el suelo. Se deben utilizar ventiladores para aumentar el movimiento del aire en la cámara, asegurando una mezcla constante. Esto es aceptable para mantener una temperatura constante, ya que no hay enfriamiento por evaporación sin sudoración o condensación (la humedad debe ser baja para garantizar que no se produzca condensación). En cada punto de ajuste de temperatura, el maniquí deberá permanecer en la habitación durante 3 a 6 horas para alcanzar condiciones de estado estable. Una vez obtenido el equilibrio se puede obtener un punto de calibración para cada segmento corporal (esto debe estar incluido en el software de control). [8]
El método más preciso para evaluar cómo el entorno está afectando al maniquí térmico es calculando la temperatura equivalente del entorno, teniendo en cuenta los efectos del calor radiante, la temperatura del aire y el movimiento del aire. Es necesario calibrar el maniquí en función de esto antes de cada experimento, ya que el factor para convertir la potencia de salida y la temperatura de la piel del maniquí a temperatura equivalente (el coeficiente de transferencia de calor) cambia ligeramente para cada zona del maniquí y en función de la ropa que lleva el maniquí. La calibración debe realizarse en una cámara controlada térmicamente, donde las temperaturas radiante y del aire sean casi idénticas y se produzca una variación mínima de temperatura en todo el espacio. Es necesario que el maniquí lleve la misma ropa que durante las pruebas experimentales. Se deben tomar múltiples puntos de calibración, que abarquen mínimamente el rango de temperaturas que se probarán en el experimento. Durante la calibración, el movimiento del aire debe mantenerse lo más bajo posible y la mayor parte posible de la superficie del maniquí debe estar expuesta al aire y al calor radiante, colocándolo sobre soportes que lo mantengan en posición sentada pero que no bloqueen la espalda ni las piernas como lo haría un asiento tradicional. Los datos del maniquí deben registrarse para cada punto de calibración cuando las temperaturas del aire, la superficie y el maniquí hayan alcanzado un estado estable. También debe registrarse la temperatura del “asiento” y no debe detenerse la recopilación de datos antes de que el asiento haya alcanzado una temperatura estable. Para calcular el coeficiente de transferencia de calor ( h cali ) se utiliza la siguiente ecuación:
h cali = Q si/t esquí – t eq
dónde:
Este factor puede luego usarse para calcular la temperatura equivalente durante experimentos posteriores en los que la temperatura radiante y la velocidad del aire no se controlan mediante la ecuación:
t eq = t ski – Q si/h cali
La postura, el posicionamiento y la vestimenta afectan las mediciones térmicas del maniquí. Con respecto a la postura, el método más preciso sería tener al maniquí exactamente en la misma postura en la que fue calibrado. La vestimenta afecta la transferencia de calor al maniquí y puede agregar una capa de aislamiento de aire. La vestimenta reduce los efectos de la velocidad del aire y cambia la fuerza del flujo de convección libre alrededor del cuerpo y la cara. Se debe usar ropa ajustada si es posible para disminuir la incertidumbre de las mediciones, ya que es probable que la ropa suelta cambie de forma cada vez que se mueva el maniquí. [7]