Soğuk Kirişler Son yıllarda soğuk tavanlara nazaran soğuk kirişlerin (chilled beams) kullanımı da artmaktadır. Soğuk kirişlerin kendilerine özel üstünlükleri olması nedeniyle soğuk tavanların düşük maliyetli bir alternatifini oluşturmaktadırlar. Soğuk kirişler yönetim binalarında, sergi alanlarında, havaalanı terminallerinde, alışveriş merkezlerinde vb. yerlerde ve bunların yanında sanayide kullanılabilirler. Anahtar sözcükler: Soğuk kiriş, soğutma kapasitesi, ısıl konfor. Detlef MAKULLA YIT Germany GmbH KRANTZ KOMPONENTEN Çeviren Gözde UZUN / Makina Müh. Duru Klima San. ve Tic. Ltd. Şti. Giriş İki tip soğuk kiriş bulunmaktadır: Pasif ve Aktif soğuk kirişler. Pasif soğuk kiriş yalnız yerçekimi etkisiyle çalışır, bu nedenle çalışması sessiz soğutma olarak da adlandırılır. Aktif soğuk kiriş ise, pasifin aksine, ilave olarak birincil hava yani dış ortamdan alınan hava ile beslenir bu ise ikincil havanın yani iç ortamdaki havanın soğutma serpantini (ısı değiştirici) ile hareketlendirilmesine neden olur. İlave olarak, bu şekilde soğuk kiriş sağlıklı şartları karşılamak için ihtiyaç duyulan yüzdede dış hava ile beslenmiş de olur. Pasif soğuk kirişlerin aksine, aktif soğuk kirişler- indüksiyon yani havayı hareketlendirilmesi nedeniyle aynı zamanda ısıtma için kullanıma da uygundurlar. Tablo- 1 de esas farklılıkları gösterilmiştir. Pasif soğuk kiriş kullanılan alanlarda, ortam sakinlerine başka bir vasıta ile DIN 1946 kısım 2 de belirtilen yüzde de temiz hava beslemesi yapılmalıdır. Bu, içinde değişik hava dağıtıcıları ile beraber merkezi bir havalandırma sistemi veya doğal havalandırma kullanılarak yapılmalıdır. Pasif Soğuk Kiriş Yapısı, Tasarımı Ve Çalışması Pasif soğuk kirişlerde ısı yayılımı esas olarak açık tavan sistemlerinde serbest olarak gerçekleşmektedir (Şekil 1). Cihaz, iç kısmında bağlantı uçları dahil ısı değiştirici ve alt kısmında havayı yönlendirici delikli bir sac perdeden oluşur. Oda içinde bulunan iç ortam havası soğuk kirişin içine üst kısımdan girer, cihaz içindeki ısı değiştiriciyle soğutulur ve soğutma işlevini yapması için odaya yollanır. Soğuk kiriş ile beton tavan arasında kirişin görevini uygun şekilde yapması için belli bir mesafe olması gerekir. Üst parça Su bağlantıları Muhafaza Şekil 1. Pasif soğuk kirişin şematik açıklaması Tablo 1. Pasif ve Aktif soğuk kirişler arasındaki temel farklar Pasif soğuk kiriş Aktif soğuk kiriş Isıtma Mümkün değil Mümkün Soğutma Sadece su ile Su ve hava ile Dış hava beslemesi Cihazla beraber değil Açık tavan altına yerleştirme Isı değiştirici Yönlendirme kanatları Cihazla beraber Hava geçirgenliği olan asma tavan üzerine yerleştirme (örn: Delikli kare metal tavan) Şekil 2. a-d Çeşitli soğuk kiriş montaj şekilleri Montaj Seçenekleri Soğuk kirişler için bazı yerleştirme seçenekleri bulunmaktadır, bunların en yaygın kullanılanları Şekil 2 a-d de gösterilmiştir. Perfore bir asma tavan üzerine gizlenmiş olarak monte edilmişse, alt kısmında delikli sac perdeye gerek yoktur. (bak Şekil 3). Şekil 3. Delikli asma tavan üzerine gizlenmiş soğuk kiriş montajı Belirli bir aralıktan hava geçişi olan kapalı tavan yerleşimi Hava geçirgenliği olan asma tavan içine yerleşim 58 Tesisat Dergisi Sayı 184 - Nisan 2011 +
Ayrıca tavan üzerine yapılan bu montaj seçeneği tavanın görünüşünü de değiştirmeyecektir. Ancak cihazın soğutma kapasitesini çok düşürmemek için tavanda hava sirkülasyonu için minimum % 35 açık alan olması gerekir. Şekil 4 böyle bir uygulamayı göstermektedir. Genişlik B Tavan mesafesi D Yükseklik H Soğuk kiriş serbest kesit alanı Asma tavan veya perdeden olan mesafe U Asma tavan serbest kesit alanı Şekil 5. Soğutma kapasitesini belirleyen etmenler Şekil 4. Perfore bir tavan üzerine gizli montaj uygulaması. Soğutma Kapasiteleri Pasif soğuk kirişlerin tasarımları oldukça basit olmasına rağmen, kapasitelerini etkileyen birkaç belirleyici etken vardır. Bunların en önemlileri Şekil 5 te görülmektedir. Soğuk kirişler genellikle ortalama soğutucu su sıcaklığı ve iç hava sıcaklığı arasında ΔΘR,W = -10 K lik farka göre çalışırlar. Şekil 6, kiriş eni ve ta- vandan olan uzaklığına bağlı olarak her metre kiriş boyu için özgül soğutma kapasitesindeki standart planlamayı göstermektedir. Şekil 6, 250 mm lik bir kiriş yüksekliği için kullanılır. Burada özellikle geniş soğuk kirişlerin hava akışında bir engelleme olmaması için tavan ile arasında daha büyük mesafeye ihtiyaç duydukları açık olarak görülmektedir. Eğer çok az bir alan mevcutsa kiriş yüksekliği H azaltılabilir. Ancak bu kirişin soğutma kapasitesini azaltır, örneğin eğer kiriş yüksekliği 250 mm den 180mm ye düşürülürse % 13; 150 mm ye düşürülürse % 20 kapasite düşümü meydana gelir. Soğutma kapasitesi, ayrıca hava akışına gösterdiği direnç nedeniyle asma tavandan veya kirişin altındaki perdeden de etkilenir. Genellikle kullanılan serbest alanı % 50 olan perdeler soğutma kapasitesini sadece en fazla % 7 azaltırlar. Aynı ölçü tüm asma tavanlara da uygulanır. Asma tavan için estetik nedenlerle daha küçük bir serbest alan istenebilir, ancak bu % 35 den daha az olmamalıdır. Sonuç olarak soğutma kapasitesinde % 15 lik bir düşme hala kabul edilebilir bir değerdir. Isıl Konfor Soğuk tavanlardan farklı olarak, pasif soğuk kirişlerde ısı transferi için ihmal edilebilir miktarda yayılım mevcuttur. Isı transferinin hemen 0,35 380 140 120 360 100 0,30 Özgül soğutma kapasitesi qs = W/m-Konvektör 340 180 80 70 60 50 40 30 Tavan mesafesi D mm Ama tavanla soğutma konventörü mesafesi Oturma alanındaki max hava hızı - m/s 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 160 140 120 150 250 350 400 450 500 550 600 Genişlik B mm Şekil 6. Pasif soğuk kirişlerde özgül soğutma kapasitesi DIN 1946, kısım 2 ye göre HVAC tesislerinde, hava hızı sınırı I. seviyede oturarak yapılan faaliyetler için 26 C lık bir odada 0.23 m/sn dir. Bu hız sınırı kendi yaptığımız testlerle doğrulanan % 30 luk bir türbülans yoğunluğu esasına dayanmaktadır. Eğer soğuk kiriş bir büroda doğrudan çalışma mahalinin üst kısmına yerleştirilirse, tavsiye edilen maksimum soğutma kapasitesi, Şekil 7 ye göre 150W/m dir. DIN 1946, kısım 2 ye göre II. seviye faaliyetler için (örneğin alışveriş merkezleri, hava alanı terminalleri veya sergi salonları) daha yüksek hız değerlerine müsade edilebilir. 26 C iç ortam sıcaklığı ve % 0,00 0 50 100 150 250 Özgül soğutma kapasitesi W/m-kiriş uzunluğu Şekil 7. Pasif kirişlerin alt tarafında özgül soğutma kapasitesine göre iç hava hızları 30 türbülans yoğunluğu için 0,32 m/sn dir. Bu nedenle böyle alanlardaki soğuk kirişler W/m lik kapasiteye göre tasarlanabilir. Daha yüksek soğutma kapasitelerinin gerektiği yerlerde, soğuk kirişler mahal sakinlerinin uzun süre kalmadıkları veya bu kirişlerin doğrudan altında nadiren bulundukları yerlere yerleştirilmelidir. Ofis binalarında en iyi montaj yeri Şekil 9 veya 10 da görüldüğü gibi binanın ön cephesine veya koridor duvarı yakınına yerleştirmektir. 60 Tesisat Dergisi Sayı 184 - Nisan 2011 +
hemen tamamı taşınım ile olduğundan, soğuk kirişlerin altındaki iç ortam hava hızları ısıl konfor kriterlerini karşılaması bakımından çok önemlidir. Maksimum iç ortam hava hızları esas olarak soğutma kapasitesine bağlıdır. Şekil 7 soğuk kirişlerin alt kısımlarındaki ortalama maksimum hız değerlerini göstermektedir. Grafik kiriş genişliğinin soğutma kapasitesine göre artırıldığı bir grup ölçümlere dayanmaktadır. Şekil 8 de görülen duman izinden de anlaşılacağı gibi, taşınma akışının hızlı olduğu dar bir alan mevcuttur ve bu nedenle Şekil 7 ye göre yüksek hızlar sadece kirişin altındaki kısmında meydana gelir. Bu tip bir yerleştirme yukarıda baş hizasında oluşan hava akımlarını önler; bu sayede, soğutma kapasitesi daha yüksek ayarlanabilmesine rağmen, iş yerlerinde ısıl konfor sağlanacaktır. Ön cephe duvarı ile soğuk kiriş arasında yaklaşık 500 mm lik bir mesafe bırakılmalıdır, bu suretle ön cephe boyunca güneş radyasyonu nedeniyle yükselen ılık hava, soğuk kirişe yukarı kısmından girebilir. Bu yerleştirme aynı zamanda delikli perfore bir tavan üzerine gizlenerek yerleştirilen soğuk kirişler için de önerilir. Şekil 10, yazın güneş radyasyonu, kışın ısıtma nedeniyle ön cephe duvarı boyunca yukarı ve koridor duvarı boyunca aşağı doğru teğetsel hava akış formu çizen kararlı iç ortam havasının akışını göstermektedir. Soğuk kirişin altına bir dolap konulması durumunda, dolabın kirişin alt kısmına olan mesafesi ile kirişin eni eşitse kirişin kapasitesinde azalma olmaz. Eğer soğuk kirişin bir tarafı Şekil 10 da görüldüğü gibi tam karşı duvarında olacak şekilde yerleştirilmişse, Şekil 6 ya göre belirlenen tavana olan mesafe, aradaki hava akışının azalması ve sadece bir tarafından akış olması nedeniyle bulunan değerin iki katı olmalıdır. Aktif Soğuk Kiriş Pasif tipten farklı olarak, aktif soğuk kirişin oda içindeki hijyenik şartları karşılayacak kadar yüzdede dış ortam havası ile beslenmesi gerekir. Bu tip kirişler aynı zamanda ısıtma maksatlı olarak da kullanılabilir. Yapısı, Tasarımı ve Çalışması Aktif soğuk kiriş (Şekil 11) esas olarak yan tarafında veya üst kısmında birincil hava (dış ortam havası) bağlantısı ve iki tarafında şartlandırılmış havanın verildiği çıkışları içerir. Bu iki Bağlantı parçaları çıkış arasında bir perde ve üst kısmında bir ısı değiştirici (genellikle 4 borulu sistem) bulunur., kiriş yuvasının yan duvarları ve ısı değiştirici arasında aşağı doğru akar ve odanın içinden gelen ikincil havayı hareket ettirir. Bu ikincil hava ısı değiştiricide soğutulur veya ısıtılır. Havayı yönlendiren nozullar, plastik malzemeden farklı olarak yanmaz metal bir malzemeden yapılmalıdır. Aradaki perde ısı değiştiricinin temizlenmesine imkân sağlamak için kolay çıkartılabilir şekilde yapılmalıdır. Şekil 12, yukarıda açıklanan kiriş benzeri fonksiyonu yapan ancak diğer bir tasarım seçeneğini göstermektedir. Bu örnek havayı sadece bir tarafından dışarı atar. Bu seçenek soğuk kirişin ön cephe duvarına paralel olarak yerleştirileceği uygulamalar içindir. Her iki tasarım seçeneğinde de ikincil hava yani iç ortam havası soğuk kirişe oda tarafından girer. Bu durum havanın yukarıdan girmesine nazaran daha avantaj sağlar. Eğer kiriş asma bir tavan içine yerleştirilecekse tavan içinde akış açıklıkları bırakma ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu tasarım ayrıca mimari bakımdan da avantaj sağlar. Montaj Seçenekleri Bina Bağlantı parçası Gövde Nozul Nozul Soğutma veya ısıtma ısı değiştiricisi2 veya 4 borulu sistem Soğutma veya ısı değiştiricisi 2 veya 4 borulu sistem Hava çıkışı Hava geçirgenpanel Hava çıkışı Hava geçirgen panel Şekil 8. Pasif soğuk kirişte hava akışı Şekil 11. İki tarafından hava çıkışı olan aktif kiriş Şekil 12. Tek tarafından hava çıkışı olan aktif kiriş Şekil 9. Ön cepheye yakın soğuk kiriş Şekil 10. Koridor duvarında veya yanında soğuk kiriş 62 Tesisat Dergisi Sayı 184 - Nisan 2011 +
Şekil 13. İki tarafından hava çıkışı olan aktif kiriş Şekil 15. Tek tarafından hava çıkışı olan aktif kiriş İki Tarafından Hava Çıkışı Olan Aktif Kiriş Bu seçenek, ön cephe duvarına veya herhangi bir ön cephe duvarı eksenine dik olarak ve genelde odanın ortasına monte edilen klasik bir soğuk kiriştir. Soğuk kirişlerin asma tavan olmadan monte edildikleri yerlerde, odadaki soğutma yükünde ani yükselmeleri azaltmaya yardımcı olan beton tavanın depolama kapasitesini korumada önemli avantajı vardır. Soğuk kirişler kanatları olacak şekilde de monte edilebilir (bakınız Şekil 14), kanatlar beton tavan altında kiriş bulunması durumunda tavanda bulunan boru, kablo vb. donanımı gizlemeye yarar. İlave olarak, kiriş altındaki delikli perde tasarımı özelleştirilebilir. Tek tarafından hava çıkışı olan aktif kiriş Bu seçenek, ön cephe duvarına paralel montajlar için çok uygundur. Birçok durumda kiriş düz bir hat şeklinde dar bir asma tavan içine monte edilir. Burada önemli olan, güneşin ışınım etkisiyle ısınan ve cam boyunca yukarı hareket eden sıcak havanın doğrudan ısı değiştirici elemanın içine (Şekil 15) akmasıdır. Böylece ortalama su sıcaklığı ile hava sıcaklığı Şekil 14. Tavandaki elektrik ve boru donanımını gizleyen kanatlı aktif soğuk kiriş. arasındaki sıcaklık farkı yükselir ve beraberinde kirişin soğutma kapasitesi de artar. Soğutma kapasiteleri Aktif soğuk kirişlerde soğutma ve ısıtma kapasitelerine su ve hava tarafı değerleri de dâhil olur. Soğutma için çalışma düzenlemesi ortalama su sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasında -10 K lik bir fark olması esasına dayanır. Genellikle hava için, iç ortam havası ve atış havası arasında -8 K lık bir sıcaklık farkı seçilir. Şekil 16 bu parametreler için su tarafı soğutma kapasitesi aralığını göstermektedir. Soğutma aralığı mm lik bir kiriş eni referans alınarak belirlenmiştir ve birincil (dış ortam) hava oranına ve nozul çapına bağlıdır. Alt limitte çalışma için yapılan tasarımlarda, basınç düşmesi ve gürültü şiddeti seviyesi normal olarak düşüktür. Gürültü şiddeti seviyeleri 20 ve 38 db (A) arası ve basınç düşüşü değerleri 30 Pa ve 100 Pa arasındadır. debisi akış oranına bağlı olan hava tarafı soğutma kapasitesi de, su tarafı soğutma kapasitesine ilave edilmelidir. Şekil 17 ilgili grafiği göstermektedir. 600 W/m den daha büyük soğutma kapasitelerine erişilebilmektedir. Buna rağmen soğuk kiriş tasarımı bir sonraki bölümde belirtilecek ısıl konfor kriterini dikkate almalıdır. Isıtma çalışması için düzenleme su tarafında ortalama su sıcaklığı ile hava sıcaklığı arasında 15K lık bir fark olacak şekilde tasarlanır. Birçok durumda ön cephe duvarı ısıtma panelleri ile ayrıldığından birincil hava ile ilave ısıtma yapmaya ihtiyaç yoktur. Şekil 18 kapasite değerlerini göstermektedir. Özgül su soğutma kapasitesi W/m 400 380 360 340 Özgül soğutma kapasitesi W/m 350 250 150 100 Üfleme havası ile oda sıcaklığı arasındaki fark - 10 K - 8 K - 6 K Özgül primer hava debisi m³/(s) Şekil 16. Akif kirişlerde su tarafı soğutma kapasitesi 50 Özgül birincil hava akış debisi m³/s Şekil 17. Aktif soğuk kirişlerin hava tarafı soğutma kapasitesi 64 Tesisat Dergisi Sayı 184 - Nisan 2011 +
Özgül ısıtma kapasitesi W/m 180 160 Özgül birincil hava akış debisi m³/s Şekil 18. Aktif soğuk kirişlerin su tarafı ısıtma kapasitesi Isıl Konfor Aktif soğuk kirişler oldukça yüksek soğutma kapasitelerine ulaşabilir ve buna karşılık çok az yer kaplar. mm eninde bir soğuk kiriş kapasite olarak 600 W/m değerinin üzerine çıkabilir. Bunun 1m² için eşdeğer ölçüsünü hesaplarsak, 0 W lık bir kapasiteye ulaşırız. Böyle yüksek soğutma kapasiteleri, belirlenmiş olan ısıl konfor kriterleri bakımından ofis binaları için uygun değildir, bu kirişler daha ziyade faaliyet seviyesi daha yüksek olan yerlerdeki uygulamalar için kullanılır. Şekil 19, ön cephe duvarına dik olarak yerleştirilmiş iki taraftan hava çıkışı olan bir soğuk kiriş için kapasiteye bağlı olarak ölçülen iç ortam havası hızlarını, Şekil 20 ise ön cephe duvarına paralel olarak yerleştirilmiş tek taraftan hava çıkışı olan bir soğuk kiriş için değerleri göstermektedir. Burada verilen değerler su ve hava tarafı soğutma kapasitelerinin toplamıdır. Ofis binalarında DIN 1946 kısım 2 ye göre 26 C oda sıcaklığı için müsaade edilen maksimum iç ortam havası hızları dikkate alınarak 360 W/m lik değerlere ulaşılabilir. Dikey yönde sıcaklık katmanları ise her durumda 0,8K/m den daha azdır, yani DIN 1946 da belirtilen 2 K/m değerinin oldukça altındadır. Şekil 21, bir laboratuvar testinde hava akış formunu göstermektedir. Kiriş kanatları sadece bir tasarım seçeneğidir, kirişin fonksiyonu için gerekli bir eleman değildir. Özet Soğuk kirişler soğuk tavanların bir alternatifidir. Küçük alanlara ihtiyaç duyar, ancak buna karşılık oldukça yüksek özgül ısıl kapasitelere ulaşabilir. İki tipte mevcuttur: pasif ve aktif soğuk kirişler. Aktif soğuk kirişin birincil hava için bir bağlantısı vardır ve bu şekilde odada kalan şahıslara hijyenik şartlarla uyumlu olan temiz havayı sağlar. Pasif kirişlerden farklı olarak aktif soğuk kirişlerde aynı zamanda ısıtma fonksiyonu da bulunur. Birkaç montaj seçeneği mevcuttur; beton tavan altına, asma bir tavan içerisine entegre edilerek veya gizlenerek yani odadan gözükmeyecek Şekil 21. Aktif soğuk kiriş laboratuvar testi şekilde, asma tavanın üzerine monte edilebilir. Ancak bu durumda tavan mutlaka yeterli havayı yukarı gönderecek ve gelen havayı da içeri aktarabilecek alana sahip olmalıdır. DURU KLİMA, Türk Tesisat sektörünün en önemli firmalarında tecrübe kazanmış mühendislerden oluşan DURU Klima ; WESPER, DANTHERM ve KRANTZ firmalarının Türkiye distribütörü olarak faaliyet göstermektedir. En büyük sermayesi birlikte çalıştığı kişilerle sağladığı karşılıklı güven ve sattığı markalara duyduğu inanç olan DURU Klima nın misyonu huzurlu bir ortamda sağlam adımlarla, DURU kalarak yoluna devam etmektir. KRANTZ, Ticari ve endüstriyel uygulamalar için müşteriye özel hava dağıtım ekipmanları üretmek üzere Krantz Komponenten adı ile Almanya nın Aachen kentinde 1976 yılında kurulmuştur. 2010 yılında Krantz Komponenten, YIT Germany GmbH firmasının tescilli markası olmuştur. Şu an Aachen Fabrikada özel hava dağıtım bileşenleri dışında, tavan ve cephe montajına uygun ısıtma-soğutma sistemleri ve yüksek kalite temiz oda bileşenleri de üretilmektedir. Şekil 19. İki taraftan hava çıkışı olan aktif soğuk kirişte hava akış düzeni ve iç ortam havası hızları Primer hava akış debisi m³(s. m) 90 70 50 40 30 W min mm 1600 1 1000 800 600 Bölge Toplam soğutma kapasitesi W/m (hava ΔΘZ,R = -8 K ve su ΔΘWK/R = -10 K) 620 530 420 360 A 0.34 0.31 0.28 0.18 0.16 B 0.29 0.27 0.25 0.16 0.14 C 0.20 0.17 0.15 0.14 0.13 D 0.22 0.20 0.18 0.14 0.13 E 0.22 0.18 0.16 0.14 0.12 Yerden yükseklik - mm Bölge Primer hava akış debisi m³(s. m) 90 70 50 40 30 Toplam soğutma kapasitesi W/m (hava ΔΘZ,R = -8 K ve su ΔΘWK/R = -10 K) 620 530 420 360 A 0.34 0.31 0.28 0.18 0.16 B 0.29 0.27 0.25 0.16 0.14 C 0.20 0.17 0.15 0.14 0.13 D 0.22 0.20 0.18 0.14 0.13 E 0.22 0.18 0.16 0.14 0.12 Şekil 20. Tek taraftan hava çıkışı olan aktif soğuk kirişte hava akış düzeni ve iç ortam havası hızları 66 Tesisat Dergisi Sayı 184 - Nisan 2011