Konutlarda Doðal ve Zorlanmýþ Havalandýrma Sistemleri

Transkript

1 Tesisat Mühendisliði Dergisi Sayý: 89, s , 2005 Konutlarda Doðal ve Zorlanmýþ Havalandýrma Sistemleri Harun Kemal ÖZTÜRK* Ahmet YILANCI** Öner ATALAY*** Özet Sosyal geliþmelere baðlý olarak konfor þartlarý da sürekli olarak artmaktadýr. Bina içinde konfor seviyesi ya bir iklimlendirme sistemi kurularak veya doðal yollarla saðlanabilir. Bir sistem kurulmasý durumunda bu hem ilk yatýrým maliyeti hem de iþletme maliyetleri dolayýsý ile bir yük oluþturmaktadýr. Bu nedenle doðal havalandýrma sisteminin kullanýlmasý özellikle konutlarda büyük yarar saðlayacaktýr. 1. GÝRÝÞ Havalandýrma, bina içerisine dýþ ortamdan saðlanan temiz hava olarak alýnabilir. Enerji tasarrufu saðlayabilmek için ya bu havalandýrmanýn doðal yollarla saðlanmasý gerekir veya eðer bunu saðlamak için enerji kullanýlýyorsa iç hava iklimlendirildikten sonra içeri yeniden gönderilir veya dýþarýdan alýnan temiz hava ile karýþtýrýldýktan sonra bina içerisine gönderilir. Havlandýrma ile içerideki kirlenmiþ hava nemlendirilir ve kirli havanýn bir kýsmý dýþarý atýlýrken içeriye temiz hava alýnýr. Bir bina içerisinden istemli veya istemsiz akan dýþ havanýn iki nedenle önemi vardýr. Dýþ hava çoðunlukla iç ortam kirlenmiþ havasýnýn nemlendirilmesi ve bu dýþ havanýn ýsýtýlmasý veya soðutulmasý ile ilgili enerji alanýn iklimlendirme yükü önemlidir. Bu hava debisinin miktarý, maksimum yükte uygun büyüklükler ve ortalama hava iklimlendirilmesi için boyutlandýrýlmýþ ortalama veya sezonsal enerji tüketimini tahmin etmek için önemlidir. Ýç hava kirletici seviyesinin uygun kontrolünün saðlanmasý için minimum hava oranýn bilinmesi önemlidir. Ýç ve dýþ ortam arasýndaki hava deðiþimi havalandýrma (istemli ve ideal olarak kontrol edilerek) ve sýzma (istemsiz ve kontrolsüz) þeklinde olabilir. Havlandýrma doðal ve zorlanmýþ olarak olabilir. Doðal havalandýrmada hava güç kullanmadan, açýk pencerelerden, kapýlardan veya binalar kabuðuna bilinçli * Yrd. Doç. Dr., Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliði Bölümü. ** Arþ. Gör., Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliði Bölümü. *** Arþ. Gör., Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliði Bölümü. 21

2 Ön Filtre Damper Asil-Filtre Soðutma Ünitesi Isýtma Ünitesi Hava Dönmesi Hava Giriþi Hava Geçiþi Yerel Hava Çýkýþý Fan Difizör Hava Üfleme Kanalý Damper Hava Emme Kanalý Dönen Hava Þekil 1. Zorlanmýþ havalandýrma sistemi olarak açýlan bölgelerden gerçekleþir. Zorlanmýþ havalandýrma istemli, fanlar veya üfleyiciler kullanarak, dýþ havanýn içeri alýnmasý veya iç havanýn dýþarý atýlmasý için özel olarak tasarlanmýþ ve kurulmuþ sistemler gerçekleþtirilir. Sýzma ise, çatlaklardan, yarýklardan veya bilinçsiz olarak açýlmýþ deliklerden kontrolsüz olarak gerçekleþen hava akýmýdýr. Sýzma ve doðal havalandýrma iç ortam ile dýþ ortam arasýndaki rüzgar, iç ve dýþ ortam arasýndaki sýcaklýk farkýndan dolayý gerçekleþmektedir. Binalarda hava deðiþim modelleri üç þekilde gerçekleþmektedir. 1. Zorlanmýþ havalandýrma 2. Doðal havalandýrma 3. Sýzma Bu modeller, enerji hava kalitesi ve ýsýl konfor açýsýndan farklýlýklar göstermektedir. Bu modeller ayný zamanda deðiþim havasý miktarý açýsýndan da biri birinden farklýlýklar göstermektedir. Binalardaki hava deðiþimi sýrasýnda çoðunlukla bu üç model bir arada bulunabilmektedir. Zorlanmýþ Havalandýrma Sistemi Zorlanmýþ havalandýrma (Þekil 1), hava miktarýnýn kontrol edilmesi için bir havalandýrma sisteminin kurulmuþ olmasý ve dizayn edilmiþ olmasý nedeni ile hava deðiþiminin istenilen düzeyde olmasý ve konforun kontrol edilmesi için en büyük potansiyele sahip sistemdir. Zorlanmýþ havalandýrma sistemlerinde hava deðiþim miktarý seçilen fana, tasarlanan sitemin daðýtým þebekesine ve daðýtým þebekesindeki kayýplara baðlýdýr. Eðer sistem tasarýmýnda bu parametreler uygun seçilmemiþse, binaya saðlanan hava miktarý arzulanan havadan farklý olacaktýr. Zorlanmýþ havalandýrma çoðunlukla büyük binalar için ihtiyaç duyulan minimum hava miktarýný saðlanarak yaþayanlarýn ve çalýþanlarýn saðlýklarý ve konforlarý için tercih edilen ve zorunlu bir sistem olarak ortaya çýkar. Karmaþýk bir sistemdir, birçok elemaný vardýr, ilk yatýrým maliyeti ve iþletme maliyeti yüksektir. Doðal Havalandýrma Sistemi Doðal havalandýrma, isteyerek açýlmýþ olan bölümlerden rüzgar ve iç ve dýþ hava sýcaklýklarý arasýndaki farklardan kaynaklanan basýnç farký dolayýsý ile oluþur. Açýk pencerelerden, kapýlardan veya doðal olarak havalandýrma saðlamak için açýlan bölgelerden saðlanan hava akýmý ile iç ortam havasý arzulanan sýcaklýkta tutulur ve iç ortamdaki kirleticiler ortamdan uzaklaþtýrýlabilir. Öncelikle iç ortama saðlanan hava dýþ ortam 22 TESÝSAT MÜHENDÝSLÝÐÝ DERGÝSÝ, Sayý 89, 2005

3 sýcaklýðýndan iç ortam sýcaklýðýna ýsýtýlýp veya soðutularak ortama verilir. Bunu saðlamak için ihtiyaç duyulan ýsý miktarý: q s = Qρc p ³T Burada q s ihtiyaç duyulan ýsý yükü (W), Q akýþýn debisi (m 3 /s), ρ havanýn yoðunluðu (kg/m 3 ), c p havanýn özgül ýsýsý (kj/kg C) ve ³T is iç hava ile dýþ hava arasýndaki sýcaklýk farkýdýr. Diðer yandan hava deðiþimi iç ortamdaki havanýn nem oranýný yükseltir. Özellikle yaz sezonlarýnda kimi bölgelerde dýþ havanýn nem oraný yüksektir ve bu yüzden nem oranýnýn düþürülmesi gerekir. Bu buharlaþma ýsýsý için gerekli olan ýsý yükü ise þu þekilde belirlenir: q 1 = Qh fg ³W burada q 1 buharlaþma ýsýsý (W), h fg buharlaþma gizli ýsýsý, baðýl nem birim su kütlesi/birim kuru hava kütlesi (kg/kg). Diðer bir parametre ise, karbon dioksit (CO 2 ) seviyesidir. Karbon dioksit oraný ise aþaðýdaki þekilde belirlenir: C i = C o + F / Q Burada C i, iç ortamdaki CO 2 konsantrasyonu, C o dýþ ortamdaki CO 2 konsantrasyonu, F iç ortamda üretilen CO 2 miktarý (l/s) ve Q ise havalandýrma oranýdýr. Ýç ortamdaki CO 2 seviyesini belli bir seviyede tutabilmek için gerekli hava miktarý Q ise þu þekilde belirlenir: Q = ( ) / [C L (%) C o (%)] Burada C L müsaade edilen CO 2 seviyesidir dýþ havadaki bu oran %0.03 olarak bilinir. Doðal havalandýrma veya sýzma ile gerçekleþen havalandýrma rüzgar, sýcaklýk gibi nedenlerle iç ve dýþ ortam arasýnda meydana gelen basýnç farký sonucu oluþur. Ortamlar arasýnda meydana gelen basýnç farkýnýn büyüklüðü, rüzgarýn þiddeti veya sýcaklýk farkýnýn yaný sýra bina duvarlarýnda açýlan açýklýklarýn büyüklükleri, konumlarý havalandýrmanýn kapasitesini belirler. Bina yüzeyleri arasýndaki basýnç farkýnýn sonucuna baðlý olarak gerçekleþen hava akýmý sýrasýnda bina içersine giren havanýn kütlesel debisi çýkan havanýn kütlesel debisine eþit olacaktýr. Ýç ve dýþ havanýn yoðunluklarý arasýndaki fark eðer ihmal edilebilirse, bina içersine giren havanýn hacimsel debisi, çýkan havanýn hacimsel debisine eþit olacaktýr. Rüzgarýn bina dýþ yüzeyine çarpmasý nedeniyle binanýn dýþ yüzeyinde statik basýnç oluþturur ve bu basýnç rüzgarýn büyüklüðü yaný sýra rüzgarýn yönüne ve binanýn konumuna baðlýdýr. Bu basýnç daðýlýmý bina içi basýncý Pi ye baðlýdýr. Eðer binanýn diðer yüzeyine farklý bir basýnç etkilemiyorsa, eðer iç ve dýþ ortam arasýnda sýcaklýk farký yoksa ve eðer hava akýmýný zorlayan bir aygýt kullanýlmýyorsa, basýnç farký içerideki statik basýnca baðlý olarak aþaðýdaki gibi yazýlabilir. ³P = P o + P w P i Burada ³P iç ve dýþ ortam arasýndaki basýnç farký, P o referans yüksekliðindeki statik basýnç, P w bölgedeki rüzgar basýncý ve P i ise konutun bulunduðu bölgenin yüksekliðindeki iç basýnçtýr. Eðer iç ve dýþ basýnç arasýnda sýcaklýk farký yoksa, iç basýnç yüksekliðe baðlý olarak lineer olarak azalýr. Basýncýn azalma oraný ρ i. g ye eþit bir þekilde azalacaktýr. Burada ρ i iç havanýn yoðunluðudur. Ýç ve dýþ ortam arasýnda sýcaklýk farký oluþursa, bu sýcaklýk farký basýnç farký oluþmasýna neden olur. Bu basýnç farký ³P s, yükseklik ve sýcaklýk farkýnýn bir fonksiyonudur. ³P s = P o + P w P i,r + ³P s Burada P i,r ayný referans yüksekliðinde iç statik basýnçtýr. Rüzgar Basýncý Rüzgarýn oluþturduðu basýnç rüzgara cephe olan yüzeyde pozitif diðer yüzeyde ise negatif olmaktadýr. Diðer yüzeylerdeki basýncýn pozitif veya negatif olmasý rüzgarýn açýsýna ve binanýn þekline baðlýdýr. Eðer yükseklik farký TESÝSAT MÜHENDÝSLÝÐÝ DERGÝSÝ, Sayý 89,

4 oluþmadýðý düþünülürse; V 2 P v = C p. ρ 2 Burada P v yüzeydeki statik basýnç(pa), ρ havanýn yoðunluðu (kg/m 3 ), V rüzgar hýzý (m 3 /s.), C p yüzey basýnç katsayýsýdýr. Böylece yukarýdaki denklem aþaðýdaki gibi düzenlenebilir. V 2 ³P = P o + C p. ρ Pi 2 Genellikle binalar çevresindeki rüzgar büyüklüðü bölgedeki ortalama meteorolojik rüzgar hýzýndan daha azdýr ve meteorolojik verileri kullanmak rüzgar basýncýnýn daha yüksek bulunmasýna yol açabilir. Rüzgar hýzý binanýn temelinde sýfýrdýr ve yukarýlara çýktýkça artar. Meteorolojik rüzgar ölçümleri 10 m. yükseklikte ve açýk alanlarda yapýlýr. Binalarýn yüksekliði genelde 10 m den daha azdýr ve bu nedenle binaya etkiyen rüzgar daha düþüktür. Bina çevresinde bulunan çalýlar, aðaçlar veya diðer binalar hem rüzgar hýzýný azaltýr hemde türbülans yaratarak rüzgar yönünü deðiþtirir. Yýðýlma Basýncý Ýç ve dýþ ortam arasýndaki sýcaklýk farký yoðunluk farkýna neden olur, böylece basýnç farký oluþur ve bu da hava akýmýna neden olur. Isýtma dönemlerinde, sýcak iç hava yükselir ve sýcak hava binanýn tavanýndan dýþarý çýkar, bu dýþarý çýkan havanýn yerine binanýn alt kýsýmlarýndan soðuk hava binanýn içine girer. Soðutma dönemlerinde hava akýmý terstir ve genellikle daha düþüktür, çünkü iç ve dýþ sýcaklýk farký küçüktür. Doðal havalandýrma ile sýcaklýk kontrolü, genellikle mekanik iklimlendirmenin olmamasý durumunda iç ortamý soðutmak için kullanýlýr. Binanýn bulunduðu konum, gerekli ayarlamalar ve bina üzerindeki havalandýrma açýklýklarýnýn kontrolü, dýþ ortamdaki rüzgar ve sýcaklýk havalandýrmanýn istendiði düzeyde ve bina boyunca havanýn iyi bir þekilde daðýlýmýnýn saðlanmasýnda önemli parametrelerdir. Doðal havalandýrma açýklýklarý þunlardýr: 1) Pencereler, kapýlar 2) Çatýlardaki havalandýrmalar 3) Özel olarak tasarlanmýþ içeri ve dýþarý açýlan açýklýklar. Pencereler, aydýnlatma iþlevinin yanýnda açýlmalarý durumunda havalandýrma da saðlarlar. Pencereler düþey ve yatayda kayabildikleri gibi, menteþelerle üstten, alttan veya yandan montaj yapýlarak pencere açýklýðý ayarlanmak suretiyle hava akýþ miktarý kontrol edilebilir (Þekil 2). Çatýlardaki havalandýrma sistemleri hava akýþýný saðlarlar. Kapasiteleri havalandýrmalarýn çatýdaki konumuna baðlýdýr. Doðal hava akýmý veya yerçekimi farkýndan faydalanarak çalýþan havalandýrmalar hareketsiz, menteþeli, salýnýmlý veya dönel olabilirler. Doðal havalandýrmalar bir güç ile tahrik edilen fanlar yerleþtirilerek havalandýrma kapasitesi artýrýlabilir. Bu fanlar ihtiyaç duyulan havalandýrmadan eðer çok düþük havalandýrma gerçekleþiyorsa uygundurlar. Yerçekimi etkisi ile çalýþan havalandýrmalar elle kumandalý, termostat veya rüzgar hýzý ile kontrollü damperler içerebilirler. Çatý havalandýrmalarý sýnýrsýz rüzgar alabilecek þekilde konumlandýrýlmalýdýrlar. Hava akýmýný saðlayabilmek için ayný zamanda binalarýn alt bölümlerine delikler yerleþtirilmelidir (Þekil 3). Eðer iç ve dýþ sýcaklýklar arasýndaki fark biliniyorsa, havalandýrma havasý debisi binadan uzaklaþtýrýlmak istenen ýsý yükünü kullanarak Perdeleme 45 Projeksiyon Cam Yüksekliði Þekil 2. Doðal havalandýrmada en büyük parametrelerden birisi de pencerelerdir. 24 TESÝSAT MÜHENDÝSLÝÐÝ DERGÝSÝ, Sayý 89, 2005

5 belirlenebilir. H Q = C p. ρ. (T i T o ) Çatý Havalandýrma Burada Q hava debisi, A açýklýk alaný, V rüzgar hýzý ve C v ise açýklýk katsayýsýdýr. Hava giriþi egemen rüzgarlarýn olduðu yöne yerleþtirilmelidir. Hava çýkýþý ise 1) giriþlerin tam karþý bölgesine, 2) çatýlarda düþük basýncý oluþtuðu yerler, 3) düþük basýncýn oluþtuðu binanýn diðer yüzeylerine, 4) çatýdaki havalandýrmalara yerleþtirilmelidir. Sýcaklýk farký dolayýsý ile oluþan hava akýmý ise þu þekilde belirlenir: Q = KA[2g³h(T i T o )/T i ] 0.5 Burada Q hava debisi, K açýklýk katsayýsý ve ³h ise giriþ ve çýkýþ açýklýklarý arasýndaki yükseklik farkýdýr. Burada Q, ortamdaki ýsýyý uzaklaþtýrmak için gerekli olan debi, H ortamdan uzaklaþtýrýlmak için gerekli ýsý miktarý, C p havanýn özgül ýsýsý, ρ havanýn yoðunluðu ve (T i -T o ) iç ortam ve dýþ ortam arasýndaki sýcaklýk farkýdýr. Rüzgar Tarafýndan Oluþturulan Akýþ Havalandýrma debisini etkileyen faktörler, rüzgarýn hýzý, egemen rüzgar yönü, rüzgar hýzý ve yönündeki günlük ve sezonsal deðiþim ve bina yakýnlarýndaki binalar, tepeler, ot, çalý ve aðaçlardýr. Rüzgar hýz, genellikle yazýn kýþa göre daha düþüktür. Ayný zamanda rüzgar yönündeki deðiþim de mevsimseldir. Doðal havalandýrma sistemleri için rüzgar hýzý, genellikle mevsimsel ortalamasýnýn yarýsý kadar hesaba katýlmalýdýr. Hava akýmýný belirlemede en önemli parametre binadaki açýklýklardýr. Rüzgar dolayýsý ile meydana gelen hava akýmý debisi þu þekilde belirlenebilir: Q = C v AV Alt Yüzey Havalandýrma Þekil 3. Doðal havalandýrmalarda çýkýþ açýklýklarý Buradaki açýklýk katsayýsý K ise þu þekilde belirlenir: SONUÇ Doðal havalandýrma saðlayabilmek için þu noktalarýn göz önünde bulundurulmasý gerekir: 1. Sýcak ve nemli iklimlerde bina içinde serinlik saðlayabilmek için maksimum hava hýzýný saðlamak gerekir. Sýcak ve kuru iklimlerde, özellikle sýcaklýðýn düþük olduðu gecelerde maksimum hava akýþý saðlayarak bina yapýsýnýn soðutulmasý uygun olur. 2. Topografya, yer yüzeyindeki bitki örtüsü ve çevre binalarýnýn konumunu kullanarak rüzgarýn yönlendiði yerlere binalar yaparak rüzgardan maksimum yararlanýlabilir. Ayrýca bitkiler kullanýlarak da rüzgar istendiði þekilde yönlendirilebilir. Havanýn içeri gireceði açýklýklarýn önlerinin zamanla kapanmamasýna dikkat edilmelidir (Þekil 4). 3. Binanýn konumlandýrýlmasý maksimum rüzgar alacak þekilde yapýlmalýdýr. 4. Çeþitli mimari elemanlar kullanarak rüzgarýn içeri giriþ bölgelerine yönlendirilmesi saðlanabilir. 5. Binanýn uzun cephesi, kapý ve pencerelerin yoðun olduðu yüzeylerin yaz rüzgarlarýnýn egemen olduðu yöne konmasý havalandýr- TESÝSAT MÜHENDÝSLÝÐÝ DERGÝSÝ, Sayý 89,

6 Hava Çýkýþý Hava Akýmý Hava Giriþi Þekil 4. Bina havalandýrmasýnda giriþ ve çýkýþ açýklýklarýnýn konumlandýrýlmasý ve hava akýmý ma akýmýný artýracaktýr. 6. Pencereler farklý basýnç zonlarýnýn olduðu yüzeylere yapýlmalýdýr. Karþýlýklý duvarlara yapýlan pencereler doðal havalandýrmayý artýracaktýr. 7. Eðer bir odanýn tek dýþ duvarý varsa iki büyük pencere yapýlmasý iyi bir havalandýrma saðlayacaktýr. 8. Eðer açýklýklar ayný seviyede ise, ve tavana yakýnsa çoðu hava by-pass yapar ve içerideki nemin ve kirlenmiþ havanýn uzaklaþtýrýlmasýnda verimsizdir. 9. Sýcaklýk farkýndan faydalanarak yapýlan havalandýrmalar için, açýklýklar arsýndaki yükseklik ne kadar fazla olursa, hava akýmý da o kadar fazla olacaktýr. 10. Birim açýklýkta en büyük akýþ miktarýný saðlamak için, hava giriþ ve çýkýþ alanlarýnýn biri birine eþit olmasý gerekir. Eðer hava giriþ açýklýðý küçük ve çýkýþ açýklýðý büyükse, giriþ hýzý büyük olur. Eðer çýkýþ açýklýðý küçük ve giriþ açýklýðý büyük ise oda içerisinde daha üniform bir akým saðlanabilir. 11. Açýklýklarýn hesaplanan deðerlerden daha büyük olmasý, bazen daha fazla arzulanýr. Çünkü, çok sýcak havalarda bile ortamýn serinletilmesi mümkün olabilir. 12. Yatay pencereler genellikle kare kesitli veya düþey pencerelerden havalandýrma açýsýndan daha iyidir. 13. Pencereler, açýklýklarý ayarlanabilir þekilde tasarlanmalýdýr. 14. Giriþ açýklýklarý oda içerisindeki eþyalar tarafýndan engellenmemelidir. Eþyalar hava akýmýný yerleþtirecek þekilde yerleþtirilerek daha uygun bir serinletme gerçekleþtirilebilir. 15. Düþey hava bacalarý veya açýk merdiven aralýklarý sýcaklýk farkýndan yararlanarak, havalandýrma miktarý artýrýlabilir. KAYNAKLAR 1. ASHRAE Ventilation for acceptable indoor air quality, Standard ASHRAE Air leakage performance for detached single-family residential buildings, Standard Kiel, D.E., Wilson, D.J., Influence of natural ventilation on total building ventilation dominated by strong fan exhaust, ASHRAE Transaction 93 (2): DOE, Energy efficiency and renewable energy, DOE/CH FS TESÝSAT MÜHENDÝSLÝÐÝ DERGÝSÝ, Sayý 89, 2005