Kun je jezelf al fietsend koelen?
Bij hele steile bergcolletjes zul je toch een zekere minimale snelheid moeten fietsen om niet om te vallen, en kun je het dus niet rustig aan doen. Dan voelt het wel eens alsof de lichaamstemperatuur behoorlijk oploopt, en je rendement minder wordt.
Je gaat dan nadenken over mogelijke oplossingen om al die warmte kwijt te kunnen. Je zou je lichaam wel willen koelen met een soort laagje om je heen waar een koele vloeistof doorheen loopt. Maar zo’n airconditioning voor de huid kost natuurlijk weer energie. Een gekke vraag is: zou je die energie zelf met trappen kunnen leveren, waardoor je lichaamstemperatuur daalt, je rendement omhoog gaat, en je en je meer energie overhoudt dan je kwijt bent aan de koeling?
Misschien wel de moeilijkste vraag om te beantwoorden. Ik doe een poging.
Wordt je rendement eigenlijk wel minder als je opwarmt?
Professor Hein Daanen en collega’s [Daanen, 2006] onderzochten het effect van koeling van (delen) van het lichaam van fietsers op het rendement (‘gross efficiency’ genoemd). Daaruit blijkt dat het rendement inderdaad lager wordt als de lichaamstemperatuur toeneemt. Het gemiddelde rendement bij een gemiddelde lichaamstemperatuur van 38°C is 1.8% lager dan dat bij een temperatuur van 36°C.
En een hoge omgevingstemperatuur helpt mee om de lichaamstemperatuur te laten stijgen. Hettinga en collega’s [Hettinga, 2007] lieten zien dat het rendement van fietsers op een warme dag (35°C) ≈1% lager ligt dan op een koele dag (15°C).
In het kort geldt dat ons rendement per graad stijging van de lichaamstemperatuur met ongeveer 0.8% afneemt.
Hoeveel energie kost het om te koelen?
Eén kg lichaamsgewicht bevat ongeveer 3.5 kJ aan warmte per graad Celcius. Dus om een lichaam van 84 kg per uur 1°C te koelen moet 84 × 3.5 kJ per uur energie worden onttrokken, dwz een koelvermogen van 80W.
Kun je die energie zelf opbrengen?
Stel dat je 84 kg weegt en de Alpe d’Huez op fietst en een vermogen aan je fiets levert van 200 W met een rendement van 20%. In totaal lever je dan dus 1000 W vermogen. En stel dat je een dynamo op je wiel zet, waarmee je een ideaal (100% efficient) koelsysteem laat werken.
Als je je lichaam met dat ideale koelsysteem 1°C zou kunnen afkoelen, dan zou je rendement toenemen tot 20.8% en zou je van je totale vermogen van 1000 W zo’n 208 W, dus 8 W meer, overhouden en in je dynamo kunnen stoppen. Die extra 8 W is echter niet genoeg om het vereiste koelsysteem van 80 W mee te ‘voeden’, zelfs niet als de koelmachine een rendement heeft van 100%. Kortom, zelfkoeling lukt zo nooit!
Bovendien is er nog iets aan de hand. Als je je lichaam bij die grote inspanning met een koelsysteem gaat koelen, dan neemt het koelen door zelf te zweten af, en schiet je er netto niets mee op.
Met dank aan thermofysioloog Boris Kingma heb ik met het simulatie model van Ken Parsons [Parsons, 2014] de situatie veel precieser door kunnen rekenen.
Stel, je fietst de berg op bij een helling van 8%. Het is bewolkt en 25°C. Zonder te zweten kun je dan maximaal 1.9 km/u fietsen.
Met zweten kun je koelen en je warmtebalans bewaren als je harder gaat. Als je maximaal zweet (100% huidvochtigheid) kun je 9.1 km/u fietsen met behoud van je warmtebalans. Als je dan je dynamo op je wiel zet, en je zit al op maximale koeling door zweten, dan warmt je lichaam op.
In dit geval stijgt je gemiddelde lichaamstemperatuur in 18 minuten met 1°C. En daardoor daalt je lichaamsrendement met 0.8%. Daardoor moet je nog meer energie produceren om fiets en dynamo aan de gang te houden, ruim 930 W.
Om nu je lichaamstemperatuur te laten dalen, moet je je eerst helemaal terug koelen naar de situatie zonder te zweten, en daarna nog eens 80 W koelen om je temperatuur in een uur 1°C naar beneden te brengen.
Dat blijkt bij elkaar bijna 1000 W te zijn! Terwijl ik uit mijn dynamo maar 80 W haal. Dus ik produceer met mijn dynamo maar 8% van de koelenergie die ik nodig heb voor zelfkoeling ;-) Het gaat dus echt nooit lukken!
Koelsystemen
Bovendien blijken koelsystemen met 100% efiicientie nog bij lange na niet te bestaan. Het beste wat ik kon vinden is een koelpak van Cool Shirt Systems, met de naam “Club System 12 QT”, dat op 24 W werkt (12 Volt accu). Het weegt 3.5 kg, koelt water en pompt dat door slangetjes in het shirt. Een soort airconditioning of warmtepomp, die volgens de stelling van Carnot - bij een temperatuurverschil van 12C tussen lichaam (37°C) en buitenlucht (25°C) - een maximaal rendement heeft van 6%, dus zeker geen 100%!
Referenties
Daanen HA, van Es E, de Graaf JL (2006) Heat strain and gross-efficiency during endurance exercise after lower, upper or whole body precooling in the heat. Int J Sport Med 27(5):379–388.
Hettinga, F.J., Koning, J.J. de, Vrijer, A. de, Wust, R.C.I., Daanen, H.A.M. & Foster, C. (2007). The effect of ambient temperature on Gross-efficiency in cycling. European Journal of Applied Physiology, 101, 465-471.
Ken Parsons (2014). Human Thermal Environments, 3rd edition. CRC Press.