BÖLÜM-2 HAVALANDIRMA YÖNTEMLERİ. Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU Balıkesir-2015

Transkript

1 1 BÖLÜM-2 HAVALANDIRMA YÖNTEMLERİ Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU Balıkesir-2015

2 2.1 HAVALANDIRMANIN TARİHÇESİ 2 Havalandırma tarihi 18. Yüzyılın başlarına dayanmaktadır. İlk doğal havalandırma Miasma teorisi göz önünde bulundurularak tıp dalında salgın hastalıkla mücadele eden bir hastane için geliştirilmiştir. Miasma Antik Yunan anlayışına göre, kötü hava, ölüm havası, zehirli soluk veya kara hava anlamlarına gelir. Miasma teorisi ile doğal havalandırma sisteminin kurulması ilk olarak salgın hastalıklarla mücadele eden bir hastanenin çatısına boru şeklinde büyük deliklerin açılması ile bacalar oluşturularak gerçekleştirilmiştir. Bu yapılan doğal havalandırma sayesinde solunum yoluyla geçen salgın hastalıklar hava sirkülâsyonu ile hastanenin dışına taşınarak, hastalıkların insanlara bulaşma durumu en aza indirgenmiştir. Daha sonra bu sistem mühendisler tarafından tüpler ve borular yoluyla geliştirilerek, büyük tiyatrolarda yanan mum ve meşale islerinin ve kokunun dışarı aktarılması için kullanılmıştır. İngiltere de bulunan Westminster Sarayı Merkez Kuleleri bu sistem için inşa edilmiş ve mimari olarak kuleli bir yapı ortaya çıkmıştır. Westminster Sarayı doğal havalandırma sistemine sahip ilk yapılardandır.

3 3 Doğal havalandırma yöntemlerine Antik Roma zamanında da sıkça rastlanılmaktadır. Roma nın ileri gelenleri ve zengin tüccarları, taştan evlerini soğutmak için su kemerinden gelen suları evlerinin duvarlarında dolaştırdığı bilinmektedir. Orta çağ İran ında ise sarnıçlarla ve rüzgâr kuleleriyle sıcak mevsimde soğutulan binalar vardı. Merkezi bir avluda bulunan geniş havuzlar, yağmur suyunu toplar, rüzgâr kuleleri hava akışını dâhili pervanelere yönlendirerek binaların altına doğru yollardı. Sarnıçtaki su buharlaşarak binanın içindeki havayı soğuturdu. Doğal havalandırma sistemi Osmanlı zamanındada sıkça kullanılmıştır. Özellikle Mimar Sinan ın muhteşem eseri Süleymaniye camiindeki doğal havalandırma, büyük bir aklın ve düşüncenin eseridir. Kapalı mekânlarda çok sayıda insanın bulunuşu, endüstriyel ortamlarda ise bazı uygulamalar yüzünden kirlenen hava sürekli veya geçici olarak yenilenmek zorundadır.

4 2.2 HAVALANDIRMANIN TEMEL UNSURLARI 4 Sıcaklık Hava hızı Hava temizliği İnsan içinde bulunduğu ortam havasına ısı, karbondioksit gazı, su buharı ve hoş olmayan kokular bırakır. Çok sayıda insanın aynı ortamlarda bulunuşu sırasında havanın gaz ve duman halindeki kirlilikler bakımından zenginleşmesini önlemek için bu ortamı havalandırmak başka bir ifade ile bu ortama yeterli miktarda taze hava gönderilmesi gerekir. Endüstriyel ortamlarda ise imalatın kaliteli olabilmesi ve ortamlarda rahat bir şekilde çalışabilmek için havalandırma gereklidir.

5 5 Havalandırma sistemlerinin düzgün bir şekilde çalışabilmesi bazı temel koşullara bağlıdır. Bu koşullar; 1. Ortama gerekli taze hava girişinin mutlaka yapılması, 2. Ortamda rahatsızlık yaratacak hava akımının (cereyanın) olmaması, 3. Havalandırma sisteminin ortam havasını düzenli bir şekilde dağıtıp toplaması, 4. Vantilatörlü tesislerde sessiz bir çalışmanın sağlanması.

6 6 Havalandırma şu amaçlarla yapılır; 1. Canlıların bulundukları ortamlarda, solunum yapmaları, terlemeleri, ısı yaymaları, sigara içmeleri, koku yaymaları gibi nedenlerden dolayı 2. İşletmelerde, üretim esnasından satış işlemine kadar ortaya çıkan zararlı tozların, gazların ve kokuların giderilmesi için 3. Depolarda gıda maddelerinin veya koku yayan diğer malzemelerin yaydıkları koku nedeniyle ve bozulmalarını önlemek için gereklidir.

7 2.3 HAVALANDIRMA YÖNTEMLERİ 7 1. Doğal havalandırma: Havanın hareketi ve dolayısıyla yenilenmesi sıcaklık farklarına ve rüzgâr etkisine bağlıdır. (Baca ve rüzgâr etkisiyle) 2. Doğal mekanik havalandırma: Mekanik girişli doğal çıkışlı (vantilatörlü) Doğal girişli mekanik çıkışlı (aspiratörlü) 3. Mekanik havalandırma: Bu tip havalandırmada havanın hareketini bir vantilatör temin eder. Mekanik giriş ve çıkışlı (vantilatör ve aspiratörlü)

8 8 2.3 HAVALANDIRMA YÖNTEMLERİ

9 2.4 DOĞAL HAVALANDIRMA 9 Yapılarda doğal havalandırma, açıklıklardan rüzgâr veya basınç farkı dolayısı ile oluşur. Açık pencerelerden, kapılardan veya doğal olarak havalandırma sağlamak için açılan bölgelerden sağlanan hava akımı ile iç ortamda uygun sıcaklık seviyesi sağlanabilir ve iç ortamdaki kirleticiler ortamdan uzaklaştırılabilir. Doğal havalandırma, bir yapının enerji kullanılmadan havalandırılabildiği çevre dostu bir yöntem olup sürdürülebilir kalkınma için de oldukça önemlidir.

10 2.4.1 Doğal Havalandırmada Yararlanılan Hava Akımı ile İlgili Temel Prensipler Hava akımının nedenleri: (doğal taşınım, basınç farkı) 2. Hava akımının tipleri: (tabakalı, ayrılmış, çalkantılı, girdap şeklinde) 3. Atalet: (hareketli hava düz bir çizgide gitme eğilimindedir) 4. Hava korunumu: (Binaya giren hava ile ayrılan hava eşittir) 5. Yüksek ve alçak basınç alanları: (Hava bir binanın rüzgâr yönündeki cephesine vurduğunda, sıkışır ve pozitif basınç oluşturur, diğer tarafta negatif basınç oluşturur) 6. Bernoulli etkisi: (Bir akışkanın hızının arttığı durumda statik basıncı azalır) 7. Baca etkisi: (Isınan hava yükselme eğilimindedir)

11 11 Şekil-2.2 Doğal konveksiyon nedeniyle ve basınç farklılıkları nedeniyle hava hareketi oluşumu

12 12 Tasarımcıların en azından aşağıdaki şartları göz önünde bulundurmaları gerekir; Yerleşim düzeni ve yapı formu tasarımında hafif yaz rüzgârlarının avantajlarından yararlanmak. Yapıların yazın hâkim rüzgâr yönünden maksimum faydayı sağlayacak uygun yönlenmesini yapmak. Yapılar arasından hava geçişini kolaylaştırmak için, hâkim rüzgâr yönü boyunca nispeten dar bir plan formu tasarlamak. Yapı kabuğundaki açıklıkları, yapı içinden hava geçişini kolaylaştıracak şekilde yapmak. Serinlik hissi oluşturmak için, yapı içerisinde veya yakınında, suyun özelliklerinden yararlanmak. Islak yüzeylerden gelen havayı geçirerek, sıcak kuru iklimlerde pasif evaporatif soğutma yöntemlerini kullanmak. Havalandırmayı ve serin hava girişini arttırmak için, dış rüzgâr yönünü modifiye etmede bitki örtüsü kullanmak. İklimlendirme cihazlarını kullanma ihtiyacını minimize etmek için tavan fanları kullanmak.

13 Doğal havalandırmaya yönelik olarak genel tasarım stratejileri 13 Taban seviyesine yakın havalandırma amaçlı yatay açıklıklar, dikey açıklıklardan daha etkilidir. Odalar güçlü rüzgârları yakalamak için zeminden yukarıya yükseltilmelidir. Pencere ve mobilya yerleşimlerini optimize etmek için, üç boyutlu rüzgâr tünelleri veya bilgisayar akım görüntüleme çalışmaları kullanılmalıdır. Ilıman iklim bölgelerinde hava akımını artırmak için güneş bacaları kullanılmalıdır. Sıcak nemli ortamlarda termal konfor, yeni çevre sıcaklık teknolojileri kullanılarak en iyi şekilde değerlendirilir.

14 2.5 DOĞAL HAVALANDIRMA YÖNTEMLERİ 14 Doğal havalandırma yöntemlerinde üç temel etken dikkate alınmaktadır; Rüzgâr ve ısısal kaldırma kuvveti veya rüzgâr ve ısısal kaldırma kuvvetinin birlikte kullanımı: Bunlar havalandırmayı yönlendiren doğal kuvvetlerdir. Havalandırma prensipleri: hacimleri havalandırmada doğal itki kuvvetlerini kullanır. Bu tek taraflı havalandırma, karşılıklı çapraz havalandırma veya baca havalandırması şeklinde olabilir. Doğal havalandırmayı gerçekleştirmek için kullanılan karakteristik havalandırma elemanları: En önemli karakteristik elemanlar rüzgâr kuleleri, rüzgâr yakalayıcıları, bacalar, çift cephe, atrium ve gömülü kanallardır. Doğal havalandırma yoluyla iç ortamlarda gün boyu sağlanan hava hareketi, kirleticileri dışarı taşıyarak iç hava kalitesini iyileştirirken aynı zamanda dış hava sıcaklığının iç hava sıcaklığından düşük olduğu durumlarda da iç havanın soğumasını sağlamaktadır.

15 2.5.1 Konfor Havalandırması 15 Doğal havalandırmada konveksiyon veya buharlaşma yoluyla insan vücudu üzerinde doğrudan soğutma etkisi meydana gelmekte, bu da iç ortamda ısısal konfor oluşturmaktadır. Sıcak ve çok nemli iklimlerde konfor havalandırması sağlamak için; Rüzgârı destekleyici fan kullanılmalı Kullanıcılara yönelik hava hareketi arttırılmalı, Pasif yöntemlerle ısıtmaya ihtiyaç duymayan ve çok nemli iklimlerde hafif konstrüksiyon seçilmeli, Ortalama ışınsal sıcaklığı, hava sıcaklığına yakın tutmak için yalıtım yapılmalı, Açılır kapanır pencere alanları, rüzgâra maruz ve rüzgâr arkasında kalan cephelere eşit olarak bölünmüş şekilde, taban alanının yaklaşık %20 si kadar olmalı, Pencereler hem gece hem de gündüz saatlerinde açık olmalıdır.

16 2.5.2 Çapraz Havalandırma 16 Rüzgâr bir bina üzerine aktığında bina yüzeyleri arasında bir basınç farkı oluşturur. Basınç farkı rüzgâr hızına, rüzgâr yönüne, yüzey konumuna ve çevredeki binalara bağlıdır. Statik basınç rüzgâr basıncı olarak adlandırılır. Genelde rüzgâr basıncının şiddeti (P w ) hız basıncının bir oranı olup ideal şartlarda şu şekilde verilir: [Pa] Burada; C p : Yüzey basınç katsayısı (Rüzgâr yönüne, bina konumuna bağlı olarak değişir, deneysel olarak bulunur) : Hava yoğunluğu [kg/m 3 ] V r : Rüzgâr hızı [m/s]

17 17 Şekil-2.3 Rüzgar etkisi

18 18 Rüzgâr etkisi ile oluşan hava debisi yaklaşık olarak ASHRAE tarafından verilen bağıntı ile açıklanabilir: [m 3 /s] Burada; C: sabit (dikey rüzgâr için 0,55; yatay rüzgâr için 0,30 alınır) R: faktör, giriş ve çıkış açıklık alanlarının (A i ve A o ) bir fonksiyonu (R değeri giriş ve çıkış alanlarının oranına bağlı olarak 1,0 ila 1,38 arasında değişir.) A: Açıklık alanı [m 2 ] Rüzgâr hızının hesaplanması zordur, ancak hesaplama işlemleri için gereken veriler meteorolojik istasyonlarından temin edilebilir. Rüzgâr hızı mevsimlere göre değişeceğinden tasarım değeri, yaz mevsimi meteorolojik değerlerinin %50 si olarak alınabilir.

19 19 Giriş alanı işle çıkış alanı eşit olduğunda hava debisinin maksimum olduğu görülmüştür. Çıkış alanı girişe eşit olmadığında faydalı alan için aşağıdaki bağıntı kullanılabilir: [m 2 ] (faydalı alan) Burada; A o : Çıkış alanı [m 2 ] A i : Giriş alanı [m 2 ] Çıkış alanı girişten daha büyük olduğunda (A o >A i ) giriş hızı çıkışa göre daha yüksek olur. Böylece bu alan kontrol edilebilir, örnek olarak bazı pencereler açılır veya kapanır. Bazı alanlarda daha yüksek hızlara çıkmak diğerlerine kıyasla daha kolay olabilir.

20 20 Şekil-2.4 Rüzgârlı yaz günlerinde çapraz havalandırma

21 2.5.3 Baca Havalandırması 21 Rüzgâr estiğinde ve dış hava sıcaklığı iç hava sıcaklığının altında olduğunda çapraz havalandırma etkili bir serinletme stratejisi olabilir. Ancak rüzgâr her zaman esmeyebilir, böyle durumlarda yapının etrafında bir hava hareketine gereksinim duymayan baca havalandırması, benzer bir serinletici etki yapar. Bu uygulama aynı zamanda yönlendirmeden bağımsız olma gibi bir avantaja sahiptir. Baca havalandırması yoluyla serinletilen bir odada sıcak hava yükselir, odanın üst noktasındaki açıklığa çıkar ve onun yerine daha serin hava odadaki alt kotta bulunan açıklıktan içeri girer (Şekil-2.6). Oda içerisinde beraberinde ısıyı da taşıyarak hareket eden havanın oranı, giriş ve çıkış açıklıklarının ölçüsü, bunlar arasındaki dikey mesafenin ve dış hava sıcaklığı ile içerideki farklı yüksekliklerdeki hava sıcaklığı ortalaması arasındaki farkın bir fonksiyonudur.

22 22 Şekil-2.5 Durgun yaz günlerinde baca havalandırması

23 23 Şekil-2.6 Baca havalandırmasında hava sirkülasyonu

24 24 Genelde, özellikle yüksek bir binada iç ve dış basınç eşit olmaya başladığında baca etkisi ortaya çıkar. Bu yükseklik Nötr Basınç Seviyesi (NBS) olarak bilinir. NBS bilgisi baca etkisindeki hava debisinin iyileştirilmesi için kullanılabilir. NBS binanın orta kısmının yüksekliğidir. Birçok binada NBS hesaplamaları için çok sayıda kuramsal ve deneysel çalışma yapılmıştır. NBS değerleri bina yüksekliğinin 0,3 ila 0,7 katı civarındadır. ASHRAE baca etkisi ile oluşan hava debilerini hesaplamak için aşağıdaki bağıntıyı önermektedir: [m 3 /s] Burada; C: Sabit değer (giriş ve çıkış yaklaşık %65 olduğunda bu değer 0,0707 alınır, giriş ve çıkış değeri kısıtlı olarak %50 olduğunda bu değer 0,054 olur.) A: Giriş veya çıkıştaki serbest alan [m 2 ] h: Giriş ve çıkış arasındaki yükseklik farkı [m] T sh : Hava sıcaklığı [K] T: Sıcaklık farkı [K, C]

25 Rüzgâr ve Baca Etkisi Birleştiğinde Doğal Havalandırma 25 Rüzgâr ve baca etkisi birleşik haldeyken, hava debisini hesaplamak gerektiğinde zorluklar yaşanmaktadır. Genellikle rüzgâr ve baca etkisi birleştiğinde hava debisi basınç farklarından alınabilir ve rüzgâr ve baca etkilerini ayrı ayrı ilave etmek gerekmez. Örnek olarak aşağıdaki bağıntı birleşik etki için toplam hava debisinin hesabında kullanılır: [m 3 /s]

26 2.5.4 Rüzgâr Kuleleri ile Havalandırma 26 Pencereler yolu ile esinti sağlayamayan yapılar, rüzgâr yakalayıcıları ile çatı üstü seviyesinden geçen esintileri yakalayabilir. Alçak kotlu ve yüksek yoğunluklu yerleşim düzeninde, her bina için iyi bir rüzgâr geçişi elde etmek zordur, çünkü rüzgâra karşı olan yapı, esintilerin diğer tarafa geçmesini engeller. Böyle durumlarda, nispeten daha serin, daha temiz havanın olduğu ve doğrudan aşağıdaki odaya inilebilecek yerlerde, rüzgâr yakalayıcıların kullanımı mümkündür (Şekil-2.7). Binaların yönlendirilmesinde güneş veya gölge için yönlenme ve rüzgâr için yönlenme arasında bazen çatışma olur. Rüzgâr kulelerinin bir başka yararı, öncelikli yapı formu, kışın güneş toplamak gibi diğer kuvvetlere cevap verirken onlar rüzgârı yakalamak için herhangi bir doğrultuya yönelebilir. Yerden yukarı doğru yükseklik arttıkça, rüzgâr hızı artar, bu yüzden rüzgâr kuleleri önemli derecede yüksek hızlardaki rüzgârları alabilirler, rüzgâr kulelerinin açıklıkları zemin seviyesindeki pencerelere göre daha küçük olabilir (Şekil-2.8). Daha az engel olduğundan, rüzgâr kuleleri potansiyel olarak her yönden rüzgâr alabilir. Rüzgâr yakalayıcıları, yerel rüzgârların doğrultularının değişkenlik derecesine göre tasarlanmalıdır.

27 27 Şekil-2.7 Rüzgar yakalayıcılar (İran)

28 28 Rüzgâr yakalayıcılarının bir, iki veya daha fazla yüzeyinin rüzgâra açık olarak seçilmesi binanın serinletmeye ihtiyacı olan aylardaki rüzgârgülü analizlerine dayalı olarak yapılmalıdır. Çoklu yönelimlerde, açıklıklar ile rüzgâr yakalayıcı tasarımları için, her bir yöndeki açıklık yapının ısı yükünü karşılayacak ölçülerde olmalıdır. Çıkış için kullanılan pencereler giriş açıklığının yaklaşık iki katı kadar olurken, tek doğrultulu tasarımlarda giriş açıklığı kulenin kesit alanından daha büyük olmamalıdır.

29 29 Şekil-2.8 Rüzgâr kulesi plan ve kesiti

30 2.5.5 Gece Havalandırması 30 Bütün iklimlerde çoğunlukla da nemli iklimlerde gece hava sıcaklığı, gündüz hava sıcaklığına göre daha düşüktür. Gecenin bu soğuk havası yapının kütlesinden ısının uzaklaştırılmasında kullanılır. Önceden soğutulmuş kütle ertesi gün boyunca ısıyı emerek bir soğutucu olarak hareket edebilir. Havalandırma ısıyı yapının kütlesinden gece boyunca uzaklaştırdığından, zamana bağlı bu pasif teknik gece havalandırması olarak adlandırılmıştır. Bu soğutma stratejisi, 17 C nin üzerindeki günlük sıcaklık değişimleri nedeniyle, en iyi sıcak ve kuru iklimlerde çalışır. Gündüz sıcaklıkları yaklaşık 38 C gibi oldukça yüksek bir değer almasına rağmen, gece sıcaklıkları yaklaşık 21 C değerindedir. Ancak bazı nemli iklimlerde, gündüz sıcaklıkları aralıkları yaklaşık 11 C seviyesinde olan iklimlerde de, iyi sonuçlara ulaşmak mümkündür. Gece-gündüz sıcaklık aralıkları sadece sahile yakın yerlerde küçüktür.

31 31 Gece soğutması iki aşamada çalışır. Geceleyin doğal havalandırma ile veya fanlar ile gelen soğuk hava, iç kütle ile temas eder ve böylece kütleyi soğutur. Ertesi sabah pencereler sıcak dış hava ile yapının ısınmasını önlemek amacı ile kapatılır. Kütle bir soğutucu gibi davranır ve böylece hızla ısınmanın aksine iç hava sıcaklığını korur. Şekil-2.9 Gece havalandırmasının işleyişi

32 32 İdeal olarak termal kütle miktarı, döşeme alanının her metrekaresi için 36 kg olması gerekir. Bu tekniğin uygulandığı yapılarda, ısı kazanımının minimize edilmesi, gerekli kütle miktarının da minimize edilmesi demektir. İyi gölgelenmiş pencereler, iyi yalıtılmış bina kabuğu ve açık renkler gibi ısıdan korunma teknikleri kullanılmalıdır. Şekil-2.10 Gece istif yapı havalandırma aracılığıyla pasif soğutma

33 33 Geceleyin ısının dışarı atılması için, açılıp kapanabilir pencere alanı taban alanının yaklaşık %10-%15 i kadar olmalıdır. Doğal havalandırma yetersiz olduğunda havanın boşaltımı için fanlar kullanılmalıdır. Gece havalandırması ile hava akımı kullanıcılar üzerine değil, kütlenin üzerinden olmalıdır. Gece havalandırmasının kuralları; 1. Gece havalandırması günlük sıcaklık değişimlerinin 17 C yi geçtiği sıcak ve kuru iklimlerde en iyi çalışır, ancak günlük sıcaklık farklarının 11 C nin üzerinde olduğu nemli bölgelerde de etkilidir. 2. Düzenli gece rüzgârlarının olduğu bölgeler hariç pencere fanları veya tüm bina için fanlar kullanılmalıdır. 3. Pencerelerin kapalı olduğu gündüz saatlerinde tavan fanları veya diğer sirkülasyon fanları kullanılmalıdır. 4. İdeal olarak döşeme alanının her metrekaresi için 36 kilogramın üzerinde bir kütle olması gerekir ve bu kütlenin alanı döşeme alanının iki katı kadar olması gerekir. 5. İyi bir ısı transferi sağlamak için gece hava akımı kütle üzerine yönlendirilmelidir. 6. Pencereler döşeme alanının yüzde 10 ila 15 i arasında olmalıdır. 7. Pencereler geceleri açık gündüzleri kapalı olmalıdır.

34 2.6 GÜNÜMÜZ YAPILARINDA DOĞAL HAVALANDIRMA UYGULAMALARI 34 Şekil-2.11 Londra daki BRE's Environmental Building binası ve doğal bacaları

35 35 Şekil-2.12 Zimbabwe nin başkenti Harare deki The Eastgate Centre binası

36 2.7 MEKANİK-DOĞAL (HİBRİT) HAVALANDIRMA SİSTEMLERİ Mekanik Emiş-Doğal Beslemeli Sistemler Bu yöntem; binaların birçok bölümlerinde kirlenen havanın mekanik egzoz sistemleriyle uzaklaştırılması, taze havanın pencere ve kapı derzlerinden sızıntı (enfiltrasyon) ile girmesi esasına dayanır (Şekil-2.13 ve 2.14). Bu yöntemle emiş yapılan bina bölümleri içinde negatif basınç oluşur. Kapı ve pencere aralıklarından taze hava ile birlikte istenmeyen kirleticiler de ortama girebilir. Yalnızca emiş yapılması iç ortamdaki hava dağılımının düzensiz olmasına neden olur. Bu sistemin tek avantajı, tam mekanik havalandırma sistemlerine göre enerji sarfiyatı düşük olmasıdır.

37 37 Şekil-2.13 Çok katlı bir binada şönt baca sistemi ile egzoz havalandırması

38 38 Şekil-2.14 Bir okul tiyatro binasında egzoz havalandırması

39 2.7.2 Mekanik Beslemeli-Doğal Çıkış 39 Binalarda nadiren mekanik besleme ile taze hava girişi, doğal yollarla hava çıkışı yapılır. Bu sistemde hava dağılımı yine uygun olmaz. Besleme fanı girişine veya kanal girişine filtre konursa içeriye giren taze hava, kirleticilerin bir kısmından temizlenmiş olur. Kirli hava baca veya kapı-pencere aralıklarından uzaklaştırılmış olur (Şekil-2.15). Bu yöntemde havalandırılan ortam pozitif olarak basınçlandırıldığından, diğer ortamlardan istenmeyen kirleticiler bu ortama giremez. Enerji masrafları tam mekanik sisteme kıyasla daha az olmaktadır.

40 40 Şekil-2.15 Mekanik beslemeli doğal çıkışlı havalandırma sistemi

41 2.8 MEKANİK HAVALANDIRMA SİSTEMLERİ 41 Taze havanın mekanik olarak ortama verildiği, egzoz havasının mekanik olarak emildiği havalandırma sistemidir. Hava dağılımı ve yönlendirilmesi tasarıma bağlı olarak iyi şekilde yapılabilir. Ancak enerji masrafları hibrit sistemlere kıyasla iki kat daha fazla olmaktadır (Şekil-2.16).

42 42 Şekil-2.16 Tam (Kombine) mekanik havalandırma sistemi

43 2.9 YERDEĞİŞTİRMELİ (DEPLASMANLI) HAVALANDIRMA (DH) YÖNTEMİ 43 İklimlendirilen bir mahalde hava akışı başlıca iki şekilde olur. Karışımlı (seyreltilerek) veya deplasmanlı. Karışımlı akışta üfleme havası ile mahal havası tamamen karışır ve böylece kirlilik derişikliği tüm mahalde üniform hale gelir. Deplasmanlı akışta ise ortama verilen hava, yoğunluk farkı nedeniyle döşeme kotunda bir katman oluşturur. Bu nedenle hava kalitesi, karışımlı akışa göre çok daha iyidir DH Sistemleri, yüksek ısı kazancı olan endüstriyel mahallerde yıllardır kullanılmaktadır. 80 li yılların ortalarından bu yana, özellikle İskandinav ülkelerinde, endüstriyel olmayan mahallerde de kullanılmaya başlanmıştır. Son yıllarda ise bu sisteme tüm dünya ülkelerinde ilgi çok artmıştır. Bu sistem, mahal içerisindeki sıcaklık ve havalandırma etkenliğinin iyileştirilmesi yönünde çok avantajlı fırsatlar vermiştir.

44 44 Prensip, mahal içerisinde havanın yoğunluk farkı nedeniyle iki ayrı katman yaratmaya dayanır. Nispeten sıcak ve kirli üst katman ile soğuk ve temiz alt katman. Bunu sağlamak için ortama döşeme seviyesinde çok düşük hız ve sıcaklık farkında hava verilir ve tavan seviyesinden emilir. DH Sistemlerinin, genellikle aşağıda belirtilen durumlarda uygulanması tercih edilmektedir: Havayı kirleten unsurların, ortam şartlarına göre daha sıcak ve/veya hafif olduğu ortamlarda; Ortama verilen havanın, ortamdan daha soğuk olmasında bir mahzur bulunmayan yerlerde; Tavan yüksekliği 3 m den daha yüksek mahallerde; Oda büyüklüğüne oranla çok fazla hava debisi ile koşullandırmanın gerektiği uygulamalarda;

45 45 Buna karşın hava kalitesinin çok fazla önemsenmediği uygulamalarda genellikle karışımlı hava dağıtım sistemlerinin sıklıkla uygulandığı görülmektedir. Aşağıdaki durumlarda DH Sisteminin uygulanması tercih edilmemelidir: 1. Hava kalitesi kavramının önemsenmediği, ana sorunun sıcaklık olduğu uygulamalarda; 2. Tavan yüksekliğinin 2,3 m den daha az olduğu mahallerde; 3. Havayı kirleten unsurların ortam şartlarına göre daha soğuk ve/veya ağır olduğu ortamlarda; 4. Isıtmanın hava ile yapılması istenen mahallerde;

46 46 Şekil-2.17 Deplasmanlı havalandırma sistemi

47 Diğer Sistemlere Göre Güçlü Olunan Noktalar Yaşam bölgesinde istenen bir tasarım sıcaklığında daha düşük soğutma yüklerine ihtiyaç gösterir; Yılın daha uzun bir diliminde serbest soğutma olanağı sağlar; Yaşam bölgesinde mükemmel bir hava kalitesi yaratır; Diğer Sistemlere Göre Zayıf Olunan Noktalar Döşeme kotu civarında istenmeyen hava akımları oluşabilir. Bunu engellemek için doğru projelendirme ve difüzörler önünde gereken mimari önlemlerin alınması gerekir; Çok daha fazla difüzör yüzeyleri gerektirdiğinden mimaride dikkat gerektirir;

48 Hangi Durumlarda Hangi Sistem Uygulanmalı? Şekil-2.18 de, istenmeyen hava akımlarının oluşmaması için hangi hava dağıtım sisteminin uygulanması gerektiği görülmektedir. Buna göre; Çok yüksek hava debileri için DH Sistemi rahatlıkla kullanılabilir. Ancak bu durumda difüzörler için uygun alanlar yaratılmalıdır. Döşeme tipi difüzörler alternatif olarak kullanılabilir. Hava debileri yaklaşık 50 m 3 /hm 2 ye kadar ve soğutma yükleri 60 W/m 2 veya daha üzeri uygulamalarda yaygın olarak karışımlı hava dağıtım sistemleri kullanılmaktadır (Şekildeki kırmızı üçgen). Daha büyük soğutma yüklerinde ve küçük hava debilerinde karışımlı hava dağıtım sistemleri ve soğuk tavan sistemi beraber uygulanabilir.

49 49 Şekil-2.18 Değişik hava debileri ve ısı kazançları için öngörülen havalandırma sistemleri

50 2.9.4 Difüzör Seçimi 50 Uygulamalardan gelen istenmeyen hava akımları problemlerinin başlıca nedeni, yetersiz difüzör seçimidir. Düşük sıcaklık farkları için (oda sıcaklığı-üfleme sıcaklığı) seçilen bir difüzör, yüksek sıcaklık farkı ile çalıştırılırsa, döşeme kotunda hava akımı problemine neden olur (Şekil- 2.19). Dolayısıyla uygulamalarda, teknik değerleri laboratuar ortamında ölçülerek verilmiş iyi bilinen imalatçıların uygun difüzör tipleri kullanılmalıdır. Standart olarak imal edilen birçok difüzör tipi bulunmaktadır. En çok kullanılan tip, duvar içinde entegre edilen difüzördür. Bunun dışında duvar üzerinde veya köşesinde kullanılan tipler olduğu gibi döşeme üzerinde serbest olarak konulan veya döşeme içine gizlenen tipler de mevcuttur.

51 51 Şekil-2.19 Yanlış seçilen bir difüzörde hız dağılımının bozulması

52 52 Şekil-2.20 Bazı standart difüzör tipleri

53 53 Şekil-2.21 Atriumda dairesel hava difüzörü

54 54 Şekil-2.22 Bir mağazada yarım dairesel difüzör

55 2.9.6 Yaşam Bölgesi 55 Klimatize edilen mahallerde, insanların sürekli olarak işgal ettikleri, bir başka deyişle mahal içerisinde çoğunlukla bulunmaları gereken bölgeye yaşam bölgesi denmektedir. Avrupa Normlarında bu alan Tablo-2.1 de tanımlandığı gibidir. Ayrıca Şekil-2.23 de üç boyutlu olarak gösterilmiştir.

56 56 TABLO-2.1 Yaşam bölgesi tanımında insanlar ve çeşitli iç oda elemanlarından olan uzaklıklar

57 57 Şekil-2.23 Yaşam bölgesinin gösterimi

58 2.9.7 Isıl Tabakalaşma 58 DH Sistemlerinde soğuk hava yaşam bölgesine direk verildiğinden döşeme seviyesinde istenmeyen hava akımlarının oluşma potansiyeli mevcuttur. Buna ilaveten yoğunluk nedeniyle ortam içinde oluşan hava katmanları konforsuzluğa neden olabilir. Bununla birlikte Şekil de görüldüğü gibi sıcaklık dağılımı oda yüksekliği boyunca, difüzör bölgesi hariç çok fazla değişim göstermemektedir.

59 59 Şekil-2.24 Deplasmanlı ve karışımlı havalandırma sistemlerinde tipik düşey sıcaklık dağılımı

60 60 Şekil-2.25 Aynı ortam için deplasmanlı ve karışımlı havalandırma yöntemlerinin karşılaştırılması

61 2.9.8 Isıtma 61 Eğer bir mahal, ortama verilecek hava ile ısıtılmak zorunda ise DH Sistemi kesinlikle kullanılamaz. Ortamdan daha sıcak üflenen hava, yoğunluğunun daha az olması sebebiyle tabaka halinde hemen yükselecek ve dönüş menfezine kısa devre olacaktır (Şekil-2.26). Dolayısıyla üflenen havanın çok az kısmı yaşam bölgesine ulaşacağından gereken ısıtma ihtiyacı karşılanamayacaktır.

62 62 Şekil-2.26 Isıtma halinde ortamda kısa devre oluşumu

63 2.9.9 Kirletici Dağılımı 63 Deplasmanlı havalandırma sistemlerinde kirletici dağılımı, karışımlı havalandırmaya kıyasla daha az olmaktadır, böylelikle deplasmanlı havalandırma yönteminde hava kalitesi daha iyi olacaktır (Şekil-2.27).

64 64 Şekil-2.27 Karışımlı ve deplasmanlı havalandırma yöntemlerinde kirletici dağılımı

65 2.10 HAVALANDIRMA SİSTEMLERİNDE ENERJİ VERİMLİLİĞİ 65 Havalandırma sistemlerinde enerji verimliliği için doğru projelendirme ve sistem tasarımı çok önemlidir. Havalandırma sistemlerinde enerji verimliliği için plan, sızdırmazlık, yalıtım, düşük basınç kaybı, yüksek verimli fan kullanımı, kontrol stratejileri, serpantin ve kanal temizliği, ısı geri kazanımı gibi konular çok önemlidir. Şekil-2.28 de havalandırma kanal sistemlerinde enerji verimliliğini arttırmak için dikkat edilmesi gereken parametreler sıralanmıştır. Havalandırma sistemlerinde enerji verimliliğini arttırmak için ilk yapılması gereken, bina projesinin doğal havalandırma imkânlarından yararlanacak şekilde yapılmasıdır. Bu şekilde tasarım pasif bina ve yeşil bina kavramlarını ortaya çıkarmıştır.

66 66 Şekil-2.28 Havalandırma sistemlerinde enerji verimliliğini arttırmak için gerekli parametreler

67 2.11 TALEP KONTROLLÜ HAVALANDIRMA (TKH) Tanım Doğru yerde, doğru zamanda gerekli sıcaklıkta temiz hava tam miktarını sağlanmasıdır Talep Kontrollü Havalandırma (TKH) Tipleri Sabit basınç kontrolü Fan hızı sürücü ana havalandırma kanalında basınç hissedici ile kontrol edilir. Basınç-optimize TKH Fan kapasitesi, ana kanal içinde bir basınç hissedici ile kontrol edilmektedir, fakat TKH damperlerden en az biri tamamen açılır, böylece basınç ayar noktası, kontrol cihazı ile düzenlenir. Damper-optimize edilmiş TKH Hava akımı kontrol oranı, damperlerin ana kanal içindeki konumuna uygun olarak, en azından bir damper tam olarak açılır.

68 68 Şekil-2.29 Günlük zaman dilimlerinde bir ortam için sabit debili havalandırma (SDH) ve TKH karşılaştırması

69 69 Şekil-2.30 Sabit debili havalandırma ile talep kontrollü havalandırma alan ölçümleri

70 70 Şekil-2.31 Hava akışına karşı özgül fan gücü karakteristikleri

71 TABLO-2.2 Talep kontrollü havalandırma için hissedici tipleri 71 Düzenleme Parametresi Saat Hareket durumu Hissedici Tipi Faydaları Sakıncaları Hissedici gerekmez. Zaman kontrolü veya bina yönetim sistemi uygulanabilir. Hareket hissedici (IR sensör) Fiyatı uygundur. Düşük ücret Uzun ömür CO2 derişikliği CO2 hissedici Sınıflar, toplantı odaları ve açık ofisler de kişi sayısına bağlı talep kontrollü havalandırma Sıcaklık (Önceki parametrelerin biri ile birlikte) Uçucu organik bileşiklerin (UOB) derişikliği Sıcaklık hissedici Uçucu organik bileşik (UOB) hissedici Düşük ücret Uzun ömür Ölçülen UOB derişikliğine bağlı kontrol mümkündür. İkinci olarak CO2 hissedici takılarak CO2 oranına bağlı çalıştırılabilir. Sakinlerin sayısına göre kontrol yapmak mümkün değildir. Sınıflar, toplantı odaları ve açık ofisler de kişi sayısına bağlı kısmen talep kontrollü havalandırma Kalibrasyon için hassas cihazlar gerekir. Ölçüm belirsizliği mevcuttur. Hissedici kirlenmesi ölçüm hatalarına neden olur. Ancak ısı yüküne göre talep kontrolü sağlar. UOB hissedici havalandırma yöntemi olarak nadir kullanılır. CO2 hissedici kadar hassas değildir. Kalibre ve kontrol edilemez.

72 72 Dış hava kontrol bileşenleri zaten çoğu sistemlerde gereklidir. Bu bileşenler, ekonomizör veya hava şartlandırma cihazları ile birlikte modülasyon damperlerine sahiptir. TKH için gerekli diğer elemanlar; insan yoğunluğunu ölçmek için kontrol hissedicileri ve bir kontrol cihazı veya ekonomizör veya merkezi kontrol sistemi ile haberleşmeyi sağlamak için Doğrudan Sayısal Kontrol Programları (DDC) dır. Doluluk oranı birkaç yoldan biriyle ölçülebilir: Ortam karbon dioksit (CO 2 ) oranını algılama en yaygın yöntemdir. Ortamdaki kişi yoğunluğuna göre havalandırma Doluluk algılama sistemi ortamın boş olup olmadığını tespit etmek için aydınlatma veya özel doluluk hissedicileri kullanır. Programlı havalandırma derslik veya zamanlanmış toplantı odalarında etkin bir şekilde çalışabilir. Besleme havası CO 2 derişikliği bakımı, büyük çok-bölgeli değişken havalı hacimlere uygulanabilir.

73 73 Şekil-2.32 Sabit havalandırmaya kıyasla talep kontrollü havalandırmada yükleme yüzdeleri

74 2.12 HAVALANDIRMA SİSTEMLERİNDE ISI GERİ KAZANIMI 74 Isı geri kazanım üniteleri, taze hava ihtiyacı olan mekânlarda havalandırma yaparken enerji tasarrufu da sağlamak amacıyla üretilen cihazlardır. Isı geri kazanım üniteleri aynı zamanda sağladıkları enerji tasarrufu sayesinde kurulum maliyetini kısa sürede geri ödeyen cihazlardır. Isı geri kazanım üniteleri temel olarak, ortamdan dışarı atılan havadaki enerjiyi ortama verilen taze havaya ekleme prensibi ile çalışırlar. Isı geri kazanım ünitesi kullanılan bir mekânda havalandırma amacıyla, yazın ortamdaki soğutulmuş hava dışarı atılırken içeri alınacak taze hava soğutulur. Kışın ise ortamdaki sıcak hava dışarı atılırken içeri alınacak taze hava ısıtılır. Böylece %70 e varan enerji tasarrufu elde edilir. Bu işlemleri yaparken ısı geri kazanım üniteleri herhangi bir enerji kaynağı kullanmazlar, havadan havaya ısı geri kazanımı sağlarlar.

75 75 Isı geri kazanım ünitelerimizin diğer bir özelliği de taze hava temininden yoksun olan split veya değişken soğutucu debili sistemlerle beraber kullanılmalarıdır. Bu şekilde beraber kullanım neticesinde enerji tasarrufunun yanında mekânın ihtiyacı olan taze hava da karşılanmış olur. Isı geri kazanım üniteleri yıl boyunca kesintisiz kullanılırlar. Yaygın olarak kullanılan ısı geri kazanım yöntemleri şunlardır: Levhalı (Sabit) ısı değiştiriciler Dönel çarklar Sıvı serpantinli ısı değiştiriciler Isı borusu tip ısı değiştiriciler Termosifon tip ısı değiştiriciler Isı pompası tip ısı değiştiriciler

76 Levhalı (Sabit) Isı Değiştiriciler 76 Sabit yüzeyli levha tip ısı değiştiricinin hareketli bir parçası yoktur. Levha tabakaları ile egzoz ve taze hava geçiş kanalları ayrılmış ve sızdırmaz hale getirilmiştir. Levhalar arası uzaklıklar 2,5 ile 12,5 mm arasında tasarım ve uygulamaya göre değişiklik gösterir. Isı direkt olarak ılık egzoz hava akımı ile soğuk taze hava akımı arasında transfer edilir. Pratik tasarım ve konstrüksiyon kısıtlamaları dik akımlı ısı transferi nedeniyledir, ancak ters yönlü (karşıt) paralel akımlı uygulamalarda ilave ısı transfer yüzeylerinin oluşturulmasıyla ısı transfer verimliliği arttırılabilir.

77 77 Şekil-2.33 Plakalı ısı değiştirici tipleri ve santral gövdesine bağlanması

78 78 Şekil-2.34 Isı geri kazanım cihazlarının havalandırma sistemine bağlantısı

79 Dönel Çarklar 79 Döner tip hava-hava ısı değiştiriciler veya ısı tekerleri (veya dönen rejeneratörler), çok geniş iç yüzey alanlı hava geçirgen bir ortamla doldurulmuş döner bir silindire sahiptir. Isı tekerinde taze ve egzoz hava akımları ısı değiştiricilerin yarım kesitinin karşıt yönlü paralel akım biçiminde akar (Şekil-2.35). Sıcak hava akımı ısı tekerinin bir yarısını ısıtırken, soğuk hava akımı diğer yarısından ısı çeker. Isı tekerinin içyapısına doldurulan malzemeler duyulur ısı veya toplam sı (duyulur artı gizli ısı) transfer edecek biçimde seçilebilir. Duyulur ısı transferlerinde ısı tekeri yapısı tarafından ısı sıcak hava akımından alınır, depolanır ve dönen bu kısım soğuk hava akımına ısıyı geri verir ve bu işlem sürekli olarak tekrarlanır.

80 80 Şekil-2.35 Dönel çark ve bir santraldeki bağlantısı

81 Sıvı Serpantinli Isı Değiştiriciler 81 Tipik bir serpantin devreli ısı geri kazanım sistemi Şekil-2.36'da gösterilmektedir. Serpantin devrelerinin taze hava ve egzoz havası kısımları kanatlı boru olarak gerçekleştirilmiştir. Serpantin devresinde bir ara ısı taşıyıcı akışkan (tipik olarak su veya donması geciktirilmiş çözelti) pompalanarak devreder. Bu sistem yalnızca duyulur ısı kazanımı için kullanılır. Konfor-konfor uygulamalarında enerji transferleri mevsimsel olarak değişken olup dış hava egzoz havasından soğuk ise ön ısıtılır, dış hava egzoz havasından ılık ise ön soğutulur. Nem egzoz hava geçiş kanallarında donmamalıdır. Çift amaçlı üç yollu sıcaklık kontrol vanası egzoz serpantininin donmasına engel olur. Bu vana egzoz serpantininden giren çözelti sıcaklığını - 1 C den daha az olmayacak düzeyde tutar. Bu koşul taze hava serpantininin daha ılık biraz çözeltinin baypas'ı yoluyla sağlanır.

82 82 Şekil-2.36 Sıvı serpantinli ısı değiştirici ile ısı geri kazanımı

83 Isı Borusu Tip Isı Değiştiriciler 83 Isı borulu ısı değiştiriciler gaz-gaz ısı geri kazanımında kullanılan cihazlar olup, konvansiyonel hava soğutmalı ısı değiştiriciler gibi ısı borularının kanatlı paket üniteler olarak imalatı ile gerçekleştirilir. Isı borusu sızdırmaz kapalı bir hacim içinde Şekil-2.37 deki gibi iç yüzeyinde kapılar basınç ve sıvı dolaşımını sağlayan fitil bulunan bir yapıdadır. Isı borusu fitili, çalışma akışkanım sıvı olarak içinde bulundurur. Isı borusunun bir ucuna ısı uygulandığında, bu uçta fitil içinde bulunan çalışma akışkanı buharlaşır. Bu buhar ısı borusunun soğuk ucuna doğru hareket eder ve burada yoğuşarak buharlaşma ısısını (gizli ısı) geri verir ve fitile sıvı olarak geri döner. Bu yoğuşan çalışma akışkanı kapılar basınç etkisi ile buharlaştırıcı bölgesine pompalanır.

84 84 Şekil-2.38 Isı borusu

85 TABLO-2.3 Isı borularında kullanılan soğutucu akışkanlar 85 Çalışma akışkanı Kaynama noktası (1 atm) [ C] Donma noktası [ C] Kullanım bölgesi [ C] Su Metanol Etanol Pentan Heptan Amonyak Aseton R-134a R-152a R-123 R-124 SES-36 Cıva Sezyum Potasyum Sodyum Lityum , ,07-24,02 27, , ,8-117, ,3-178,59-107,15-199,15? /200 10/130 0/150-60/100 0/150-60/100 0/120-10/120-10/120 40/140 0/120 40/ / / / / /1800

86 Termosifon Isı Değiştiriciler 86 İki fazlı termosifon ısı değiştiriciler sızdırmaz sistemler olup bir buharlaştırıcı, bir yoğuşturucu, bağlantı borusu ve arada çalışma akışkanından (sıvı ve buhar fazında mevcut) oluşur. İki ayrı tipte termosifon kullanılmaktadır: Sızdırmaz boru devresi Serpantin devresi Birinci tipte buharlaştırıcı ve yoğuşturucu genellikle düz, aynı termosifon borularının iki karşı ucundadır ve egzoz ve taze hava kanalları birbirine yakındır (ısı borulu sistemdeki düzenleme ve yerleştirilişe benzer). İkinci tipte buharlaştırıcı ve yoğuşturucu serpantinleri ayrı ayrı kanallara yerleştirilmiş ve çalışma akışkanı boruları ile bağlantılıdır (düzenleme serpantinli enerji geri kazanımı devresi ile hemen hemen aynıdır).

87 87 Şekil-2.39 Termosifon tipi ısı değiştiriciler ile ısı geri kazanımı

88 Isı Pompası Destekli Isı Geri Kazanım Cihazları 88 Isı pompası çevrimi ile atık kirli havadan ısı geri kazanımı ile yüksek etkinlik değerlerine çıkılabilmektedir. Bu uygulama özellikle konfor-konfor uygulamalarında ısı geri kazanımlı yerel havalandırma cihazları (HRV) ile ısıtma yapabilmek amacıyla kullanılmaktadır (Şekil- 2.40). Şekil-2.40 Isı pompası destekli HRV cihazları