Şekil 1 Polytechnic doğal havalandırma kesiti ve prensip şeması.

Transkript

1 DOĞAL HAVALANDIRMA SİSTEMLERİ VE SEÇİM KRİTERLERİ Dr. İbrahim Çakmanus 1. Giriş Artan enerji maliyetleri, çevre kirliliği gibi etkenler, ülkeleri daha az enerji tüketen binalar inşa etmeye zorlamaktadır. Bu kapsamda; binaların güneşten daha iyi yararlanacak şekilde inşası, yalıtımın artırılması, bina yapımında iklime uygun malzeme ve renk kullanılması, doğal havalandırma yöntemlerinden yararlanılması, güneş enerjisi ve doğal gaz destekli absorbsiyonlu sistemler, güneş enerjisi kollektörleri ve fotovoltaik pillerin kullanımı, otomatik kontrol sistemleri, güneş kontrollu cam, ısı geri kazanım sistemleri, aydınlatmada tasarruflu ampullerin yaygın olarak kullanımı vb. alınabilecek önlemlerdir. Bu yöntemlerin bazılarının bir arada uygulanmasıyla Hollanda, Almanya, Kanada, Avusturalya, Singapur gibi gelişmiş ülkelerde son 10 yılda binalarda enerji tüketiminde %30-90 arasında tasarruf sağlanmıştır. ABD'deki tecrübelerden de aynı alana sahip, güneş enerjisinden yararlanan, iyi tasarlanmış bir binada, genel binalara göre %5-10'luk ilave ilk yatırım ile işletmede yaklaşık %50 tasarruf sağlandığı görülmüştür. Doğal havalandırma da binalardaki enerji kullanımını (örneğin chillerlerde, pompalarda, fanlarda) azaltmaya yardımcı olabilecek unsurdur. 2. Doğal Havalandırma Doğal havalandırma, dış ortamdaki havanın binaya kapı ve pencere gibi açıklıklardan girmesi ile bina kabuğundaki infiltrasyon ve eksfiltrasyon hareketleri olarak tanımlanabilir. Doğal havalandırma sıcaklık farklarından kaynaklanan yoğunluk farkları ile rüzgar basıncı sonucu gerçekleşen bir olaydır (Örneğin Şekil 1). Dikdörtgen biçimli bir binanın yüzeyinden giren rüzgar, karşılaştığı yüzeyde pozitif, arka yüzeylerde negatif basınç yaratmaktadır. Dolayısıyla hava pozitif basınç olan yüzeydeki açıklıklardan içeri girmek, negatif olan yüzeydeki açıklıklardan dışarı çıkmak isteyecektir. İç ve dış ortam arasındaki sıcaklık farklılıkları basınç farklılıklarına sebep olan hava yoğunluğundaki değişimlere yol açmaktadır. İç ortam hava sıcaklığı dış ortamdan yüksek olduğunda, içerdeki hava binanın en yüksek kotundan dışarı, daha serin dış hava ise binanın alçak kotlarından içeri girmektedir. Bu hareket sıcaklık dengeleri değiştiğinde tersine dönmektedir. Bu iki hava hareketi birbirlerini etkilemeyecek şekilde düşünülmelidir. Bu husus binanın mimarisinin ve açıklıkların, doğal havalandırma şartlarını sağlayacak şekilde tasarlanması ile mümkündür. Havalandırmanın amaçlarından birisi yeterli iç hava kalitesi sağlamaktır. İç ve dış sıcaklıklara bağlı olarak havalandırma soğutma etkisi de yapacaktır. Son yıllarda doğal havalandırmaya buna dayalı teknolojiler geliştirilmeye başlanmıştır. Şekil 1 Polytechnic doğal havalandırma kesiti ve prensip şeması. Büyük şhirlerde, yılın çoğu zamanlarında, rüzgar hızı 1.5 ila 5 m/s civarındadır. Ancak binanın yeri için meteorolojiden alınacak değerlerin kullanılması daha sağlıklı olur. Tasarım için bir

2 başka parametre de ne kadar doğal havalandırmanın yapılması gerektiğidir. Yapılan araştırmalar yeterli bir hava kalitesi için ofislerde 3-6, sınıflarda 2-4, tiyatrolarda 6-10, depo gibi yerlerde 1-2 değişim/saat alınmasının uygun oacağını göstermektedir. Bu iki parametre ile bina cephelerinde doğal havalandırma için bırakılması gerekecek açıklıklar hakkında yeterli fikir sahibi olunabilir. Doğal havalandırma, %100 kontrol edilemeyen kuvvetlerin etkisi ile meydana geldiğinden, iç mekanlarda konfor şartlarının birebir kontrolu her zaman mümkün değildir. Fakat kabul edilebilir bir konfor sağlamak için her zaman komplike kontrol sistemlerine gerek olmayabilir. Fakat belli bir aralıkta sıcaklık kontrolu ve belli bir miktar taze hava sağlayacak bir imkan sağlanabilmelidir. Bir başka ifade ile çalışanlar için uygun çevre koşulları sağlamalıdır. Çünkü uygun ortamlarda çalışmak iş verimliliğini artırmaktadır. Diğer yandan bazı araştırmalar personelin psikolojik olarak doğal havalandırılan, açılan pencereleri olan binaları tercih ettiğini ortaya koymuştur. Ayrıca havalandırma ısıl konfor ile birlikte düşünülmesi gereken bir husustur. Yani çalışılan mahalde ısı kazançları varsa doğal havalandırmanın sınırlı olabilen soğutma etkisi iyi hesaplanmalıdır. Çünkü eğer iç ısı kazançları ve/veya çevre kirliliği fazla ise çalışanlar karışık mod'daki veya sadece mekanik havalandırma olan binaları tercih edecektir. 3. Yapı tarzının etkisi Bina iç mekanları ister doğal havalandırılmış veya mekanik olarak şartlandırılmış olsun, tasarım enerji ekonomisi yönünden iyi düşünülmelidir. Bu bağlamda aşağıdaki hususlar dikkate alınabilir: - Dış iklim şartlarından veya iç kaynaklardan ortaya çıkan soğutma yükleri minimize edilmelidir. Bu, hem ilk yatırım maliyetini düşürecek hem de işletmede maksimium ve yük değişimlerini azaltacaktır. - Bina tesisat sistemleri bina otomasyon sistemi ile kontrol edilmelidir. Bu gibi hususlar binanın ekonomik olarak işletilmesini sağlayabilecektir. Doğal havalandırma daha çok bina kabuğu, bina yerleşimi ve bina konumu ile ilgilidir. Bu, doğal havalandırmanın daha işin başında düşünülmesi gereken bir husus olduğunu göstermektedir. Tasarımdaki bazı elemanlar şunlar olabilir : - Plan eni: Dıştan dışa cepheler arasındaki uzaklıktır. ve kat yüksekliğinin 5 katını geçmemesi tavsiye edilir. Şekil 2'de görüldüğü gibi bir taraftan giren hava mahaldeki sıcaklık yükünü ve kirliliği alarak diğer taraftan çıkar. Kat yüksekliği ne kadar fazla olursa kirli ve sıcak hava yaşam bölgesinin o kadar yukarısında toplanır. Yani yüksek tavanlar ve açıklıkların yakın olması çok daha iyi sıcaklık ve kirlilik kontrolu sağlar. - Doğrudan güneş ışınlarını kontrol etmek için iyi bir güneş kontrol sistemi olmalıdır. Bu, güneş kontrollu camlar ve gölgeleme, yönlendirme, yalıtım ile sağlanabilir. Ancak buradaki kritik husus, gün ışığının engellenmemesidir. Burada binanın yönlendirmesi de önemlidir. Olabilirse ana cephenin kuzey-güney hattına yerleştirilmesi güneş kontrolu için daha yararlıdır. - Doğal havalandırma için dış cephede açıklıklar kullanılır. Yeni binalarda daha tasarım aşamasında buradaki ihtiyaçlar karşılanabilr; ancak mevcut binalar için daha dikkatli olunmalıdır. - Kısa dönem ısı kazanç değişimlerini minimize etmek için çatıda, duvarlarda vb. termal depolama kapasiteleri dikkate alınmalıdır. - İç sıcaklık artışları çok iyi kontrol edilmelidir. Örneğin, gün ışığı yeterli iken lambalar açılmamalı, kullanılmayan ekipmanlar açık tutulmamalıdır.

3 Şekil 2. Mahal yüksekliği boyunca hava sıcaklığı ve kirliliği profilleri. 4. Sistem Seçimini Etkileyen Diğer Hususlar Her HVAC sisteminin kendine özgü avantaj ve dezavantajları vardır. Örneğin doğal havalandırılan bir bina, tümü ile kapalı ve mekanik havalandırılan binaya göre zayıf özellikleri (hava hızlarının yüksek olabilmesi, gürültü, toz vb) vardır. Buna karşın, işletme maliyetleri çok daha düşüktür. Buradaki farklar tasarımcı tarafından dikkatli biçimde göz önünde tutulmalıdır. Yani tercih edilen sistemin olumlu yönlerini maksimize etmek, zayıf yönlerini minimize etmek gerekir. Sağlamlık Doğal havalandırma, basit bir HVAC sistemi olarak değerlendirilebilir. Buradaki alan eleman bina cephesindeki pasif kontrol elemanlarıdır. İyi havalandırılmış bir binada harekatli va arızalanbilecek parçaların az olması sağlam bir çözümdür. Fakat bu sistemler tasarım aşamasında doğru hesap ve fazla miktarda efor gerektirmektedir. Eğer bu yapılmazsa sistem, özellikle ekstrem şartlarda kendisinden beklenen performansı sağlayamaz. Diğer yandan elektromekanik sistemler her geçen gün daha da komplike hale gelmektedir. Bu, hem ilk yatırm maliyetlerini artırmakta hem de işletmenin zorlaşmasına ve iyi bakıma neden olmaktadır. İlk yatırım maliyeti İlk yatırım maliyeti anahtar tasarım parametrelerinden bir tanesidir. HVAC sistemlerine göre doğal havalandırma basit ve ucuz sistemlerdir. Fakat HVAC ilk yatırım maliyetlerinden sağlanan tasarruflar doğal havalandırmanın aşağıdaki maliyetleri nedeniyle ortadan kalkabilir: - Bina cephesinin iyileştirilmesi gerekir (örneğin gölgeleme ve açılabilir pencereler vb), - Dar kat planları ilekullanım alanı azalabilir, - Termal depolama kapasitesini artırmak için ilave kabuk, kolonların yapılması gerekebilir. Yer ihtiyacı Doğal havalandırmalı binalarda makina daireleri vb. için yer ihtiyacı olmaz. İşletme maliyetleri İşletme maliyetleri bina sahipleri için çok önemlidir. İşletme maliyetleri enerji maliyetleri ve bakım-onarım maliyetleri olarak iki ana gruba ayrılabilir. Çoğu ticari binada elektrik tüketim maliyetleri dominant hale gelmektedir. Elektrik tüketiminin yüksek olması çevre kirliliğine de olumsuz etkisi bulunmaktadır. Halbuki doğal havalandırmalı bir binada elektrik maliyetleri önemli ölçüde düşmektedir. Ayrıca bu tip binalar dar ve uzun olması gerektiğinden bu durum

4 binanın gün ışığından daha fazla yararlanabilmesine yardımcı olur. Doğal havalandırmalı bir binadaki enerji maliyeti diğerine göre yaklşık %40 daha azdır. Karışık sistemli binalarda ise bunların arasında bir yerlerdedir. İkinci önemli işletme maliyeti ise bakım ve onarım maliyetleridir. Mekanik sistemleri karmaşıklaştıkça bu maliyetler önemli öçüde yükselmektedir. Doğal havalandırma sistemleri bina cephesinin bir parçası olduğundan, pencereler ve damperlerin bakım ve onarımları dikkate alınmalıdır. Kullanıcı tercihleri Binaların toplam işletme maliyetleri bazan binada personelin ücretlerinin toplamından bile fazla olabilmektedir. Bu nedenle HVAC sistemelerinin etkinliği ile çalışanların üretkenlikleri arasında doğrudan bağlantı kurmak faydalı olabilirse de bu hususlar çok miktarda değişkene bağlı olduğundan, dikkatli olmak gerekir. Ancak daha önce de belirtildiği üzere personelin genellikle binanın gün ışığı alabilmesini ve açılabilir pencerelerle doğal havalandırma tercih edildiği söylenebilir. Ancak özellikle yüksek binalarda pencereleri açmak mümkün olmadığından çift kabuk sistemleri bu konuya çözüm getirebilmektedir. İç konfor şartları Mahal konfor şartlarında en önemli faktör hava sıcaklığıdır. Buna ilaveten mahal duvar sıcaklıkları, nem, hava hızı, soğutma tipi, giysi durumu, yapılan işin cinsi gibi daha bir çok faktör vardır. Bunun anlamı insanların, örneğin mahal sıcaklığı artarsa giysi durumlarını değiştirerek, pencereleri açarak veya varsa klima kontrolunu ayarlayarak konfor şartlarını korumaya çalışabilecekleridir. Dış hava sıcaklığının yüksek olduğu durumlarda doğal havalandırma yapılması halinde mahal sıcaklıkları da konfor şartlarının üzerine çıkabilir. Bu nedenle doğal havalandırma yılın uygun olan günlerinde yapılmalıdır. Diğer yandan toplantı salonu, oditoryum, banka holü gibi ısı kazançları yüksek olan yerler için doğal havalandırma uygun olmayabilir. Nem kontrolu Sağlık ve emniyet standartları mahallerde yeterli nemlendirmenin yapılmasını öngömektedir. ASHRAE'de bu değer yaklaşık %40-60 arasında olması tavsiye edilmektedir. Bu aralıkta mantarlar, mikro organizmalar vb. daha az çoğalmaktadır. Buna karşın kışın soğuk havalarda bağıl nem %30'un altına indiğinde nefes alma ve statik elektrik problemleri meydana gelmektedir. Diğer yandan doğal havalandırma ile nem kontrolu yapılmasa bile böylesi mekanlarda bağıl nem %70'i seyrek olarak geçer. Gürültü Doğal havalandırma sistemleri kendi başlarına gürültü kaynağı değildir, ancak bina dışındaki gürültünün içeriye girmesine neden olurlar. Örneğin kapalı bir pencere 30 db gürültü yalıtımı sağlarken, açık bir pencerede bu değer 10 db'ye düşer. Doğal havalandırma sistemi öngörülmeden önce bina içinde kabul edilen gürültü seviyesi önceden belirlenmelidir. Dışarısı gürültülü ise ve içeride fazla gürültü istenmiyorsa bu takdirde bina cephesinde bırakılan açıklıkların kontrollu olması veya karışık mod gibi sistemler tercih edilebilir. Hava kalitesi Doğal havalandırmada içeri alınan hava daha zor temizlenebilmektedir. Buna karşın meknaik havalandırma havadaki tozları, diğer kirlilikleri temizleyebilir. Doğal havalandırmada her mekan için bir giriş, bir çıkış açıklığı olmak zorundadır. Bu ise kirlilik kaynaklarından kaçınmayı zorlaştıran bir unsurdur. Eğer bu tür sorunlar çözülenemeyecek gibi ise karışık sistemler tercih edilebilir. Mekanik sistemlerde ise filtrelerin bakımı ve zamanında değiştirilmesi önemlidir. Aksi takdirde klima cihazlarında ve hava kanallarında biriken tozlar, sporlar, mantarlar ve bakteriler organizma gibi kirleticiler sistemlerin yararını ortadan kaldırarak hastalıklara neden olabilir. Buna karşın doğal havalandırma sistemleri daha kolay ulaşılabilir ve temizlenebilir. Esneklik ve uygulanabilirlik

5 Bina tasarımcıları için önemli ayrıntılardan birisi de binanın ömrü boyunca ihtiyaç duyulabilecek değişimleri karşılayabilecek esnekliğe yer verebilmektir. Mekanik soğuta sisteminin doğal havalandırmaya olan üstünlüklerinden birisi de daha fazla esnekliğe sahip olmasıdır. Güvenlik Gece soğutması vb. durumlarında gece boyunca pencerelerin açık tutulmasının güvenlik problemi yaratıp yaratmayacağı iyi incelenmelidir. Yağmur Gerekli hava debilerinin sağlanması için bina cephelerinde büyük açıklıklar bırakılması gerekebilir. Gece havalandırması gibi durumlarda bu açıklıklarda yağmur ve rüzgar etkileri kontrol altında tutulmalıdır. KAYNAKLAR Wiggington, M., and Harris, J., 2002, Intelligent Skins, Butterworth-Heinamann, Oxford. Natural Ventilation in Non-domestic Buildings, CIBSE Guide, Applications Manual, AM10, Kreith F., Bohn M.S., Principles of Heat Transfer, Harper abd Row Publisher Inc., New York, ASHRAE Fundamentals Handbook 1997, Air Flow Around Buildings, Bölüm 15.