Havanın Şartlandırılması ve İç Mekan Hava Kalitesi

Yüksek bir “iç mekan hava kalitesi” sağlamak, HVAC sistemlerinin hemen hemen hepsinin temel amacıdır.

Bu makale çerçevesinde “iç mekan hava kalitesi” ne yüklenen anlam itibariyle, “yüksek iç mekan hava kalitesi”; ortam havasının ısıl karakteristiklerinin ve ortam havası içinde bulunan organik veya kimyasal kirleticilerinin, insan konforu ve sağlığı için gerekli olan sınırlar içinde tutulmasını tanımlamaktadır.

Isıl Karakteristikler: Ortamın ve ortam havasının, konfor ve kişisel performans için gerekli olan, insan vücudundan ışıl enerji atma işlemini etkileyen parametreleri ısıl karakteristikler olarak adlandırılmaktadır.

• Kuru termometre sıcaklığı
• Bağıl nem
• Ortamdaki hava hareketi
• Sıcaklığın homojen olup olmaması
• ışınım yüzeylerinin sıcaklığı

ısıl karakteristikler arasında sayılmaktadır. Diğer faktörlerin yanında, bu karakteristikler;sıcaklık ve nem kontrolünün, besleme havasının ortama verilme şeklinin (hava dağıtım sisteminin), oda yüzeylerinin sıcaklıklarının, ortam ve çevresi arasındaki ısı transferinin dinamiğinin ve konstrüksiyonun  “sıkılığının” (enfiltrasyon özelliklerinin) doğal bir fonksiyonudur.

Kirleticiler: Hava, bilindiği üzere, % 78 azot ,%21 oksijen ve %1 de ,aralarında karbondioksit gibi gazların ve çeşitli kimyasal bileşiklerin bulunduğu “diğer” gazlardan oluşmaktadır. İç mekan kirleticileri şu üç kategoriden birisi içerisinde değerlendirilebilmektedir.

• Kategori 1; Ortam içerisinde üretilen kirleticiler – Bu tür kirleticilerin genellikle ortam içerisinde belirlenebilir bir kaynakları vardır. Ortam içerisindeki insanlardan kaynaklanan karbondioksit ,biyolojik kokular ve sentetik aromalar ;sigara dumanı; yapıştırıcılardan ve diğer maddelerden kaynaklanan uçucu organik bileşikler ;çözücüler ve temizlik maddeleri ;proses veya depolama menşeili kimyasallar ; ve pişirme esnasında oluşan kokular bu kategori içinde yer almaktadır.
• Kategori 2;Ortam içerisine verilen çevresel kirleticiler –Bu tür kirleticiler ele alınırken, öncelikle kirleticinin tipi, ardından ortama giriş yolları araştırılmalıdır. Karbondioksit  sülfürdioksit, endüstriyel kimyasallar ve çözücüler bu grupta yer almaktadır. Bu kirleticilerin ortama ulaşmakta izledikleri en yaygın yol ise; 1) pencere ve kapı gibi, belirli bir amaca hizmet eden bina açıklıkları, 2) pencere kenarlarında meydana gelen sızıntılar gibi , belirli bir amaca hizmet etmeyen bina açıklıkları , ve 3) havalandırma sisteminin kullandığı dış hava olarak sıralanabilir.
• Kategori 3;Ortam içerisinde üreyen organik kirleticiler –Bu tür kirleticiler en yaygın, en tehlikeli ve ne yazık ki en az anlaşılan grubu oluşturmakla beraber, yüksek nem ve uygun sıcaklıkların olduğu bölgelerde ortaya çıkmaktadır. Bu kirleticilerin genel formları mikroplar ve küf olarak sayılabilir. Bir HVAC sisteminde bu üç kategorideki kirleticiler birbirlerinden farklı bir şekilde ele alınmak zorunda olduğundan, bu makale çerçevesinde Kategori 1 ,2 ve 3 kirleticileri olarak adlandırılacaklardır.

Havalandırma Havası

Doğru bir şekilde tasarlanıp işletildiğinde, Kategori 1 kirleticilerini seyreltmek amacıyla dışarıdan alınan havanın sisteme verilme noktası olarak, iklimlendirme cihazından önce yer alan “karışım hacmi” kavramı,50 yıl öncesinin basit sistemleri için “kusursuz bir şekilde” geçerli bir kavram olabilir.

Bununla beraber , günümüz sistemlerinin karmaşıklığı düşünüldüğünde, bu kavram teknik açıdan pek de yeterli değildir.

Günümüz binaları çoklu zonlamaya ve %100 soğutma yükünü sıfıra indiği ve ardından sıfır olan ısıtma yükünün %100 değerini ulaştığı çalışma oranlarına ihtiyaç duymaktadır. Aynı sistem , çoğu durumda ,, yılın belirli bir zamanı sıcak ve nemli bir iklimde çalışırken, yılın başka bir zamanında çok soğuk bir iklimde çalışmak zorundadır.

Eğer bu değişken şartlar altındaki psikrometrik kontrol gereksinimleri analiz edilirse bu gereksinimler altındaki “karışım hacmi” nin pek de mükemmel olmadığı sonucu ortaya çıkacaktır.

Bununda ötesinde ,bu teknolojiye olan güvenimiz, iklimlendirme sistemlerinde ve klimatize binalarda mikrobiyal kirliliğin oluşmasının (kategori 3) temel nedenlerinden birisidir. Çoğu durumda, ısıl konfor eksikliği basit bir şekilde iklimlendirme teknolojisinin bir “sınırlaması” olarak kabul edilmiştir.

Havalandırma havası çerçevesinde şu tanımlar geçerlidir:

1)Havalandırma “havası” ortam içerisindeki kirleticilerin seviyesinin belirli bir değere indirmek için, ortama dışarıdan verilen havadır.
2) “Nemli iklim” dış havadaki buhar basıncının ortam tasarım buhar basıncını yılın herhangi bir zamanında geçtiği bir iklimdir.

Alternatif: İklimlendirme sistemi kurulacak bir binanın, yazın sıcak ve nemli (35 C KT / 25 C YT) kışın ise soğuk ve kuru iklime sahip bir bölgede olduğunu düşünelim.

Bina konstrüksiyonunun fazlasıyla sıkı olduğunu (enifiltrasyonun çok düşük olduğunu) ve havalandırmanın ortam sıcaklığının kontrolünden tamamen bağımsız olması gerektiğinin ve nem alma işleminin, ortamdaki diğer ısıl konfor şartlarını sağlayan cihaz veya sistemle yapılmayacağını da belirtelim.

Ortam Sıcaklığının Kontrolü

HVAC mühendislerinin hemen hemen hepsi, bu kabuller altında ısıl konfor sağlamanın oldukça basit ve ucuz olduğunu düşünecektir. Gerekli olan, etkin bir hava dağıtım sistemi ve aşağıdaki eşitliğe bağlı olarak tasarlanmış duyulur soğutma ve ısıtmadır.

Q =( cfm) (1.08) (delta t)
Q: duyulur ısıtma veya soğutma yükü , Btuh
Cfm= hava sirkülasyon debisi
Delta t=besleme havası ve oda havası arasındaki sıcaklık farkı ,F

Eğer bu tasarım birden fazla, zon kontrolüne hizmet eden merkezi bir fan sistemi ile yapılacak olsaydı değişken hava debili bir sistem (VAV) kullanılabilirdi. Gerek duyulacak yegane kontrol mekanizması, soğutma bataryasının vanasını kontrol eden basma tarafı termostatı olacaktı.

Nem alma işlemi ayrı olarak sağlandığı için batarya temel olarak “kuru” çalışabilecek ve deşarj havasının sıcaklığı, soğutmaya en çok ihtiyaç duyan zoniçin gerekli olan sıcaklığa göre ayarlanabilecekti.

Gerek duyulduğu takdirde veya kış aylarında ortamın ısıtılmasını sağlamak amacıyla VAV terminalleri, hava dağıtım sisteminin gereksinimlerine yardımcı olacak şekilde yeniden ısıtma opsiyonu ile donatılabilirdi. Isıtması olmayan herhangi bir zonun bu tür bir yeniden ısıtmaya ihtiyaç duyup duymayacağı, dinamik yük analizi ile belirlenebilir.

Klima santralinden oda kontrolüne kadar bu tür bir sistem oldukça basit ve ucuzdur. Minimum seviyede komponent ve minimum seviyede kontrol noktası kullanmaktadır.
Benzer bir başarı ve basitlikle,başka sistemlerin kullanılması da elbette ki mümkündür.

Nem almaya veya havalandırmaya gerek duyulmadığından dolayı, on- off veya orantı kontrol algoritması uygulayan herhangi bir sirkülasyon sistemi, hava dağıtımı iyi bir şekilde sağlandığı sürece , etkin bir  şekilde çalışmaya devam edecektir.

Değişken kapasiteli difüzörler, fan –coil üniteleri, ısı pompası üniteleri, radyant ısıtma veya soğutma panelleri veya sirkülasyonlu PTAC üniteleri bu tür sistemlere örnek olarak gösterilebilir.

Bu sistemlerin hepsi yalnızca duyulur ısıtma veya soğutma sağlayacağından dolayı, kategori 3 kirleticilerinin üreyebileceği uygun bir ortamın, günümüz sistemlerinde olduğu gibi “istemeden de olsa” ,yaratılması olasılığı da ortadan kalkmış olacaktır.
Bu sistem , hangi formda olursa olsun ,ortam sıcaklık kontrol (OSK) sistemi olarak adlandırılabilir.

Nem Kontrolü ve Havalandırma

Nemli iklime sahip bölgelerde bulunan günümüz binalarının iklimlendirme sorununun teorik olarak analiz edilmesi, dışarıdan alınan havanın şartlandırılması ve iç mekan nem oranının kontrol edilmesi arasında doğal bir bağ olduğunu ortaya koyacaktır.
Nemli bir iklimde bulunan binalar için şunları değerlendirmek gerekir

• Binaların çoğunda, iç ortamlarda bulunan su buharının temel kaynağı sisteme alınan dış havadır.
• Eğer şartlandırılmamış dış havanın ortama girişi engellenebilirse, ortam içerisinde meydana çıkan su buharı, yegane yük olacaktır.

“Kuru” bir ortam kabul edilirse, mikrobiyal üreme için gerekli olan suyun tek kaynağı, herhangi bir yolla, ortama verilmiş su buharı olacaktır.

• Ortama herhangi bir şekilde su buharı girişi yoksa, ve ortam içerisinde ortaya çıkan su buharı ortama verilen kuru hava ile alınabiliyorsa, ortamda mikrobiyal üremeyi destekleyecek nem olmayacaktır.

Bu nedenle, nemli ve sıcak bir iklimde, dışarıdan alınan nemli hava, uygun bir şekilde nem alma işleminden geçirilmeden soğutulan ortama verilmemelidir. Bu çerçevede, “uygun nem alma işlemi” , havanın çiy noktası sıcaklığı ortam havasının çiy noktasının altında veya ona eşit olacak şekilde havanın nem miktarının azaltılmasıdır.

Çiy Noktası Sıcaklığı Şartları

Havalandırma havası tamamıyla dışarıdan alındığı için, sonuç olarak bina içerisine verilen dış havanın tümü, ortam havasının istenen nem değerine eşit veya daha düşük olan spesifik bir nem değerine (çiğ noktası sıcaklığına ) indirilmelidir. Dış havanın şartlandırılması ve ortam neminin kontrolü arasındaki doğal bağ budur.

Ortam sıcaklığının kontrolünün tartışıldığı önceki paragraflarda, çevresel konfor sağlamak amacıyla bir sistemin tasarlanmasında havalandırma gereksiniminin ve nem kontrolünün ayrı ayrı değerlendirilmesi hipotetik şartı kurulmuştu.

Bu durumda, şimdiki adım bu şartın sağlanmasıdır. Bu noktada sirkülasyonlu ortam sıcaklık kontrol sistemlerinin, aşağıdaki özelliklere sahip olan başka bir hava şartlandırma ve dağıtım sisteminin gereğine başvurulur.

• Ortamın havalandırma gereksinimlerini karşılamak için gerekli olan dış havanın tümü, bu üniteye verilmelidir.
• Binaya giren havanın tümü, havalandırma –hava şartlandırma ünitesinden geçmektedir.
• Sıcak ve nemli havalarda VAC ünitesi ile binaya verilen havanın tümü, ortam içerisinde istenen çiy noktası sıcaklığına veya bu noktanın da altına inecek şekilde nem  alma işleminden geçirilmelidir.
• Soğuk ve kuru havalarda ortamın nemlendirilmesi gerekiyorsa, nemlendirme işlemi tamamıyla VAC ünitesinde yapılmalıdır.
• Dış havadan partiküllerin ve kimyasalların temizlenmesi işlemi de, tamamıyla VAC ünitesinde gerçekleştirilmelidir.

Dağıtım Sistemi

Şartlandırılmış havayı doğrudan hacimlere besleyen  VAC ünitesinin binalarda kullanılmasında ihtiyaç duyulan şey, en basit haliyle, düşük kapasiteli kanallar ve hava dağıtım sistemidir.

Hava miktarı ve hacim geometrisi kombinasyonunun uygun olduğu durumlarda , ortama verildiği şekli ile havalandırma havası, ısıl konforu sağlamak için gerekli olan hava hareketini yaratmakta yeterli olabilir.

Tek bir VAC ünitesinin birden fazla ortam sıcaklık kontrol ünitesiyle beraber kullanıldığı durumlarda diğer bir yaklaşım ise, VAC ünitesinden çıkan havayı ortam sıcaklık kontrol ünitesinin dönüş hava akımına beslemektir. Bu tercihin iki dezavantajı bulunmaktadır:

• Gerek duyulan dış hava miktarı “çoklu ortam sendromu” nedeniyle artabilir.(ihtiyaç duyduğu dış hava yüzdesi en fazla olan oda, bu uygulamada karışımın olduğu noktadaki yüzdeyle yetinmek durumundadır.)
• Havalandırma havasının duyulur soğutma kapasitesi, ortam sıcaklık kontrol ünitesinin debi gereksinimini azaltacak şekilde, sirküle eden havanın soğutma kapasitesine eklenemez.Ama , ilk dezavantajı olası enerji etkisi haricinde, her iki durumda , ayrık dağıtım sisteminin ekonomisiyle dengelenebilecek yatırı maliyeti artışı olarak değerlendirilebilir.

Karışım Hacmi

Karışım hacmi, şartlandırılmış “havalandırma havasının”, ortamın sıcaklığını ve nemini düzenlemek amacıyla şartlandırılmış sirkülasyon havasıyla simültane bir biçimde ortama verilmesi için, klima santraline eklenen bir cihazdır.

Sorun: Çok –zonlu bir iklimlendirme ünitesinde, “havalandırma havasının” karışım hacmi vasıtasıyla sisteme verilmesi, sistem tasarım seçenekleri üzerinde bazı kısıtlamalar getirmektedir.

• Klima santralinin birden fazla hacmi beslemesi durumunda karışım hacmindeki dış hava /dönüş havası yüzdeleri, en yüksek dış hava oranına ihtiyaç duyan ortamın gereksinimine göre belirlenecektir.
• Dış havanın spesifik nem değerinin iç havanınkini geçtiği sıcak ve nemli iklimlerde, karışım hacmi sirkülasyon havasını nemlendirecektir.
• On –off veya by-pass kontrollü bir ünitede yukarıdaki durum sistemin ortamı nemlendirmesine neden olacaktır.
• Soğuk iklimlerde iç ortamın nemlenmesi, karışım havasının sıcaklığının iç mekan havasının çiy noktası sıcaklığının altına düşmesi durumunda, karışım hacminde zarar verici yoğuşmaya neden olacaktır.
• Dış havanın spesifik nem değeri iç havanınkini geçerse, havalandırma ve sirkülasyon havasının tümü, ortamın nem kontrolünü sağlamak için tasarım çiy noktası sıcaklığının altına soğutulmalıdır.
• Dış havada kimyasal filtrasyon gerektiren kirletici maddeler mevcutsa, kimyasal filtre karışım noktasından sonra yerleştirildiği için havalandırma ve sirkülasyon havasının tümünü filtre edecek şekilde boyutlandırılmalıdır.

İç Mekan Hava Kalitesi Hakkında Sonuç

Sıcak ve nemli / soğuk iklimlerde, hava şartlandırma ünitesinden önce yerleştirilen ve dönüş havasının ve dış havanın karıştırılmasını sağlayan “karışım hacminin” kullanılmasının, temelde bazı eksiklikler gösterdiği ve bu çalışmada sunulan konseptin pratikte daha yararlı olacağıdır. Temel olarak bu konsept,

1) Isıl konforun ve
2) Kabul edilebilir iç mekan hava kalitesinin güvenilir bir biçimde sağlanması için, iki sistemin kullanılmasını ön görmektedir. VAC sistemi %100 dış hava kullanan bir sistem olup, gerek duyulan “havalandırma havasının” tümünü sağlamalıdır.

Dış havanın bina içerisine alındığı tek nokta olmakla birlikte, Kategori 2 kirleticilerinin binaya girişini engellemek için partikül ve gaz filtreleri içermeli ve ortam nem kontrolü de tamamen bu ünite vasıtasıyla sağlanmalıdır.

Ortam sıcaklık kontrol ünitesi ise, duyulur ısıtma veya soğutma için tasarlanmalı ve nem seviyesi haricindeki ortam ısıl konfor parametrelerini kontrol etmek amacıyla kullanılmalıdır. Nem kontrolü tamamıyla VAC ünitesine bırakılmalıdır.

Önerilen konsepte dayanan ve doğru bir şekilde tasarlanmış olan sistemler, genel iklimlendirme uygulamalarında veya sıcaklığın ve nemin hassas kontrolünü gerektiren uygulamalarda, daha düşük bir yatırım maliyetiyle, oldukça yüksek derecede iç mekan hava kalitesi ve ısı konfor sağlayacaktır.

Kaynak: William J.Coad, İç Mekan Hava Kalitesi