Radyant Isıtma ve Soğutma Sistemlerinin Modellemesi ve Simülasyonu

5 Ocak 2012 | TEKNİK MAKALE
192. Sayı (ARALIK 2011)

2.990 kez okundu

Prof. Karel KABELE - REHVA Üyesi Prag, Çek Teknik Üniversitesi Mikro Çevre ve Bina Hizmetleri Mühendisliği Bölümü

Yrd. Doç. Dr. Pavla DVORÁKOVÁ - Prag, Çek Teknik Üniversitesi Mikro çevre ve Bina Hizmetleri Mühendisliği Bölümü

Giriş

Radyantt ısıtma/soğutma sistemlerinin ince tüp boruların içine gömüldüğü bir örtü şeklindeki uygulamalarının (Şekil 1) Orta Avrupa’nın güncel HVAC

bir konusu olduğunu gösteren birkaç önemli husus vardır. Primer enerji (yenilenemeyen kaynaklardan elde edilen enerji) dâhil enerji tüketimini azaltma isteği, bu bölgede aktif soğutma sistemleri son zamanlarda oluşan talep ve genel olarak iç ortam hava kalitesinde artış entegre radyant sistemlerin önünde geniş bir uygulama alanı açtı. Bu sistemlerin giderek kullanımı daha da çok yaygınlaşan uygulamaları ile beraber uygulamalar hakkında bazı sorular da yükselmeye başladı. Bu yazı radyant ısıtma/soğutma uygulamalarında sık sık sorulan sorulara cevap verme isteğini taşımaktadır.

Orta Avrupa’daki Binalar

Orta Avrupa’da (örneğin Çek Cumhuriyetinde) iklimlendirme şartları için tipik olarak ısıtma periyodunda (yaklaşık yılda 230 gün) mahal ısıtmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Yakın zamana kadar geleneksel bir bina için herhangi bir aktif soğutma sistemi düşünülmezdi. Bina içindeki ısı kazançlarının düşük olması, yüksek ısıl İzolasyon (binanın ısı ataletinin yüksek olması) ve binanın cephesi için en uygun hale getirilmiş pencere oranları ile böyle bir bina herhangi bir aktif soğutma sistemine ihtiyaç göstermeden işletilebilir. Yeni ısı kazancı yüksek, pencere oranları yüksek, düşük kütleli ve iyi yalıtımlı duvar (U değeri 0.3 W/m²K’den daha düşük) ve pencereli (U değeri 1.8 W/m²K’den daha düşük) modern binalar (özellikle ofis binaları) için eğer yaz mevsiminde konfor şartlarını uygulamayı istiyorsak aktif bir soğutma sistemi mutlaka gerekli hale gelmektedir. Bu binaların birçoğunda soğutma yükleri ısıtma yükünden çok daha fazla gözükmektedir. Bir ısıtma/soğutma sistemi için teknik çözümde geleneksel yaklaşım iki bağımsız sistem tasarlamaktır- yani radyatör ısıtması ve ayrı bir split klima sistemi. En son teknik çözümlerden, sürdürülebilir olarak kabul edilenlerden, biri de entegre radyant ısıtma ve soğutma sistemidir.

Radyant Isıtma/Soğutma Sistemleri

Bu sistemlerle donatılmış bir odaya ısı aktarımı esas olarak radyasyon ve konveksiyonla (ışınım ve taşınma) ile yapılır. Odanın nihai ısıl konforunun değerlendirilmesi bu uygulamalarda sadece odanın kuru ampül sıcaklığına dayanılarak yapılmamalıdır, değerlendirme daha ziyade odada hissedilen sıcaklığa göre yapmak daha uygun olmaktadır- şöyle ki; bu iki parametrenin nümerik değerleri hem kış hem de yaz periyotlarında belirgin olarak farklılık gösterebilir. Bunun anlamı ise ‘odada aynı iklim algısını elde etmek için bu sistemi kullanarak kışın daha düşük yazın ise daha yüksek sıcaklıklara erişmek mümkündür’.

Radyant sistemler tavan, duvar veya döşeme (zemin) sistemi olarak kullanılabilir.

Geleneksel sistemle karşılaştırıldığında, bu teknik çözüm iki sistemi bir sistem içinde birleştirmektedir ve hava değişim oranını hijyenik olarak minimum düzeye indirebilmektedir. Bu çözümüm kuvvetli tarafı kullanılan malzemede belirgin bir azalma sağlaması veya daha iyi bir ifadeyle bir ısıtma, soğutma ve havalandırma sisteminin içinde kalan enerjiyi azaltmasıdır (Roulet ve arkadaşları 1999).

Bu sistemlerin uygulamalarının bazı sınırları vardır. Isıtma periyodunda tavan sistemi kapasitesi hijyenik bir limitle, insanın başı üzerine düşen ışınımın yoğunluğunun 200 W/m²’ye kadar azaltılması ile sınırlıdır. Döşemeden ısıtma sistemlerinde is yüzey sıcaklığının getirdiği, 29°C’ı aşmaması gerekir, bir sınırlama vardır. Soğutma periyodunda yüzey sıcaklığı yoğuşmanın olmaması için çiğlenme noktasının altına düşmemelidir.

Tüm sistem çözümü herhangi bir mahalde, asimetrik ısıl radyasyon, geniş dikey sıcaklık gradyenleri (tabakaları) veya soğuk hava akımları, gibi rahatsızlığa sebep olmamalıdır.

Kılcal Borulu Alt Örtü

İlave olarak, yazı kılcal borulu alt örtü formundaki radyant ısıtma/soğutma sistemleri üzerinde durmaktadır.

Tavan yapısındaki ‘alçı sıva’ kaplamanın içine gömülerek yerleştirilmiş kılcal borulu örtüler (Şekil 2), hem ısıtma hem de soğutma suyu için HVAC

kullanılır (dört borulu sistem) (Şekil 4), Tavan yüzeyi enerjiyi ısıtılan/soğutulan odaya radyasyon yoluyla veya konveksiyon ısı transferi yoluyla aktarır. Radyant sistemin ısı kapasitesi ısıyı kabul eden yüzeyin sıcaklığıyla sınırlı olduğundan, sıklıkla sorulan soru; bu sistemin ne zaman kullanıma uygun olacağıdır.

Şimdi entegre radyant sistemlerin uygulamasını etkileyebilecek etmenleri sıralayalım. Bu etmenler binanın tip ve çalışmasını dikkate alarak yukarıda belirtilen sınırlamalardan gelmektedir

Sistemin uygulanmasında kritik derecede etki yapan etmenler (Şekil 4)

• İç ortamın hissedilir ısıl yükü

• İç ortamın gizli ısı yükü

• Havalandırma için gereken taze hava miktarı

• İç ortam havası nem kontrolü

• Binanın pencere oranı

• Pencere camı kalitesi –U-değeri, g-değeri

• Aktif gölgeleme

• Odanın geometrisi

• Binanın konumu

• Isıtma ayar noktası

• Soğutma ayar noktası

• Binanın faaliyet ve binada yaşayanların giyinme seviyeleri

• İklim

Listelenen tüm bu parametreler HVAC sistemlerinin tasarımını ve çalışmasını etkiler. Bu parametrelerin unutulması iç ortam havasında istenmeyen durumlar meydana getirebilir. Sistem bütün talepleri (ısıtma/soğutma) karşılayamaz veya yüzeyde yoğuşma meydana gelir.

Modelleme ve Enerji Performansının Simülasyonu

Bir radyant ısıtma/soğutma sisteminin performansını inceleme için kullanılan yollardan biri de bilgisayarla modelleme ve simülasyondur. İçinde değişik uygulama örnekleri olan sanal bir model yardımıyla farklı çevre koşullarında sistemin çalışma bilgilerine erişmek mümkün olmaktadır. Bir binanın enerji performansının modellenmesi ve simülasyonunda kullanılan birkaç metot ve yaklaşım vardır. Ancak, konu oldukça karmaşıktır ve iç ortam havasına esas etkiyi yapan farklı etmenler ve sistemin nihai olarak uygulanabilirliği arasında karşılıklı bağlantılarla doludur. Bu nedenle tüm bu etkileri kapsayabilecek simülasyon araçları kullanmaya ihtiyaç vardır. Enerji performansı, kontrol algoritması ve tüm yılı kapsayan IEQ (Indoor Environmental Quality (IEQ) iç oram hava kalitesi) değerlendirmesin ile ilgili olarak, beklentilerimizi karşılayacak en iyi araçlar dinamik ısı dengesi metoduna dayananlar olarak gözükmektedir. Bu kategoride ESP-r yazılımını bulabiliriz. Yazılım binanın incelenen kısımlarında zamana bağlı enerji akış örneklerini, sıcaklıkları ve nem seviyelerini ve genel analiz yapabilmek için diğer önemli değerleri sağlar.

Eğer belli kapalı bir alanda hava akış şekillerinin sıcaklık ve hızlarıyla ilgileniyorsak, CFD (Computational Fluid Dynamics- Hesaba dayalı Akışkan Dinamiği) metodu en iyi seçenek olarak gözükmektedir, örneğin Fluent veya Flovent yazılımları.

Kılcal Borulu Örtülerin Modellemesi

Çek Cumhuriyeti’nin iklim şartlarında kılcal borulu sistemin uygulanabilirliğine yönelik birkaç çalışma bulmak mümkündür. Enerji performansının modellenmesi ve simülasyonu karmaşık sistemler için daha verimlidir, ancak görevin şekline ve çevresel koşulların tarifine çok hassastır. Tavan ısıtma/soğutma sistemiyle donatılmış bir model oda inşa etmek için ölçüleri, binanın kaplanma özelliklerini, bu kaplamanın dışındaki çevre şartlarını ve binanın yerleşim konumunun belirlenmesi gerekmektedir. İlave olarak havalandırma, aydınlatma, iç ortamdaki ısı yükleri, faaliyetleri ve kullanıcıların bulunmalarını onlarla ilgili zaman ve yüklerle beraber belirlemek gerekmektedir. Isıtma/soğutma tarafı için maksimum kapasite ve kontrol çevrimlerini belirlemeye ihtiyaç vardır. Bu şekilde tanımlanan modele o mahallin (sitenin) iklim şartlarının etkileri yüklenir, bu şartlar tekrar zamana bağlı olarak hava sıcaklığı, nispi nem, rüzgâr yönü ve sürati ve güneş ışınımının şiddetiyle tanımlanır. Simülasyon periyodunun uzunluğu hangi parametrelerle ilgilenildiğine bağlıdır. Sadece ısıtma veya sadece soğutma modellerinin herhangi biri için mevsimin özelliğini yansıtan tipik bir kış veya yaz çalışma haftası genellikle yeterli bilgi sağlar. Entegre sistemler için tüm yılı kapsayan bir süre uygun olacaktır. Bu aynı zamanda geçiş sürecini de etkileyecek ve bu yapılmadığı takdirde hemen hemen hiç tanımlanamayan marjinal kademeleri de alarma geçirebilecektir. Ekteki Vaka İncelemesi entegre ısıtma/soğutma için tavan sistemiyle donatılmış bir odanın enerji performans analizinin yapılması için ESP-r simülasyon aracının kullanımına örnek oluşturmaktadır.

Vaka İncelemesi

Problemin Tanımı

Çalışmanın esas amacı entegre ısıtma/soğutma sistemlerinin performansını Orta Avrupa iklim koşullarında ofis çalışmasının düşük profille olduğu durumlar için incelemektir. Bu çalışmaya duyulan ihtiyaç, herkesçe ortak olarak yapılan önerilerin uygulanmasına rağmen sistem uygulandığında görülen ortak problemlerden ortaya çıkmıştır.- (Kebele ve arkadaşları 2002).

Konu aşağıdaki sorularla ortaya koyulmaktadır. Entegre ısıtma/soğutma sistemleri modellenen durumda tüm yıl çalışma süresince istenilen konfor şartlarını karşılamaya yeterli olacak mı? Tavanın maksimum ısıtma/soğutma kapasitesi bakımından mevcut tasarım beyan değerleri özellikle Orta Avrupa’nın iklim şartlarına uygulanabilecek mi? (Şekil 5)

Araştırma Metodu

Bir binanın yıllık enerji performansının problem analizi ve takiben yapılan bilgisayar simülasyonu, sistem uygulaması imkanlarını etkileyebilecek seçilen parametreleri analiz etmek için bir vaka incelemesinde kullanıldı. Bu maksat için bir enerji sistemi performansı simülasyon aracı olan ESP-r yazılımı kullanıldı (ESRU 2004)

Modelleme ve Simülasyon

Model Tanımı

Beş-bölgeli bir model oluşturuldu (Şekil 6). Model ölçüleri 5 m x 9 m x 3 m olan ve her biri farklı ana yönlere bakan dört bölge ve bir ortada ölçüleri 4 m x 4 m x 3 m olan bir koridor içermektedir. Her bir bölgenin dışarı bakan uzun duvarında 5 m x 1.6 m boyutlarında bir penceresi vardır. Çek Bina Yönetmeliklerine göre (CSN 730540 2005) genel ısı transfer katsayısı orta-ağır yapı ele alınmıştır. Dış bir duvar için U = 0.239 W/m²K, bir iç duvar için U = 1.561 W/m²K ve pencere için U= 1.198 W/m²K olarak seçilmiştir.

Tavan veya tabandan herhangi bir ısı akısı olmayacağı kabul edilmiştir.

Isıtma ve soğutma sistemi radyant düşük sıcaklıkta ısıtma/yüksek sıcaklıkta soğutma yapan, kılcal alt örtülü alçı sıva içine tavan yapısına yerleştirilmiş ve belirlenen ısı kapasitesi her oda için kabul edilen uygulamalara göre 0-130 W/m², soğutma kapasitesi ise 0-80 W/m² olan bir sistemdir. (Jeong ve arkadaşları 2004). Bu teknik çözüm modelde ısıtma ve soğutma kapasitesini alçı sıva kaplamanın eksenine yerleştirilerek uygulandı (R.K. Strand ve K.T. Baumgartner 2005) Aktif tavan yapısı Şekil 7’ye göre tabakalardan oluşmaktadır.

Sistemin kontrolü her bir odaya yerleştirilmiş ve kuru ampul sıcaklığını ölçen sensörlere göre çalışan basit ısıtma ve soğutma kontrol ile yapılmaktadır. Isıtma için ayar noktası 22°C soğutma için 26°C’dır. Herhangi bir nem kontrolü düşünülmemiştir.

Havalandırma. Mekanik havalandırma, 0.7 h-1 ve infiltrasyon 0.3 h-1 olarak alınmıştır. Giren havanın sıcaklığı 20°C’dır.

Binanın kullanım yoğunluğu ve günlük ısı kazançları. Çalışma saatlerinde (hafta içi 7:00-18:00 arası) şahıslardan gelen hissi ve gizli ısı yükü 7.8 W/m² ve cihazların yükü 15 W/m³, aydınlatmadan gelen yük ise tüm günde 25 W/m² dir.

Simülasyon

Bütün olarak bir yıllık periyot Prag (Çek Cumhuriyeti) ASHRAE IWEC iklim dosyalarını kullanarak incelenmiştir. Zaman adımları 1 saat ve başlangıç periyodu 11 gün olan bir entegre bina simülasyonu kullanılmıştır. Sonuçların görüşülmesi ısıtma/soğutma sisteminin enerji tüketimine odaklanmıştır. PMV (Predicting Mean Vote - önceden bildirilen ortalama konfor önerileri) ve PPD (Predicted Percentage Dissatisfied - Önceden bildirilen memnun olmayanlar yüzdesi ) parametreleri ısıl konforu değerlendirmek için kullanılmıştır (Yang 1997, CSN EN ISO 7730 2005). Kontrol edilecek üçüncü unsur ise soğutma periyodunda tavan yüzeyinde oluşacak yoğunlaşma ihtimalidir.

Simülasyon Sonuçları ve İnceleme

Aşağıdaki tablolar ve diyagramlar ESP-r den seçilen simülasyon sonuçlarıdır. HVAC

Enerji

Yıllık enerji tüketimi bakımından sonuçlar oda içindeki dahili ısı yüklerinin kullanılmayan bir odayla mukayese edildiğinde ısıtma için gerekli enerji talebini düşürecek ve soğutma için olan talebi ise artıracak şekilde önemli bir etki yaptığını göstermiştir. Binanın konumunun etkisi de gerek ısıtma gerekse soğutma talebi üzerine oldukça belirgindir (Tablo 1)

Isıl Konfor-Elde Edilen Sonuç Sıcaklık

Sıcaklık eğrisi ısıtma/soğutma sistemi kapasitesinin hemen hemen tüm yıl boyunca tüm bölgelerin içinde, ayarlanan sıcaklıkları vermeyi garanti etme yeteneğinde olduğunu onaylamaktadır. Soğutma için ayar noktası sadece yılın çok sıcak birkaç gününde maksimum değer 31,5°C olacak şekilde aşılmıştır (Tablo 2).

Isıl Konfor PMV, PPD

Isıl konfor değerlendirmesi ısıtılan/soğutulan mahallerin PMV Predicted Mean Vote- önceden bildirilen ortalama konfor önerileri) ve PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied- Önceden bildirilen memnun olmayanlar yüzdesi) sınıflandırmasına dayanmaktadır. PMV iç ortam havası ve insan şartları için altı termal değişkenle tarif edilmektedir. Bunlar, hava sıcaklığı, havanın nemi, hava hızı, ortalama radyan sıcaklığı, kaplama izolasyon ve insanların yaptığı faaliyetler. PMV indisinin değeri insanların soğuktan sıcağa doğru algılamalarına karşılık gelen -3 ile +3 arasındadır. PMV indisinin sıfır değeri nötr anlamındadır. Konforlu bir iç ortam iklimi için istenen PMV değerinin 0’da ±0,5 toleransla muhafaza edilmesidir. Bu vaka incelemesinde konfor değerlendirmesi giydirme seviyesi 0.7 clo olarak faaliyet seviyesi 1.2’nin sağlanması esasına göre yapılmıştır (ASHRAE 2005, CSN EN ISO 7730). HVAC

Sonuçlar PMV indisinin 0.0 - 2.0 arasında olduğunu göstermiştir. PPD indisi sürenin %48’inde %10’a kadardır. Bunun anlamı bu süre içinde memnun olmayan bina kullanıcısı adedinin %10’u geçmediğidir. Sürenin %99’unda PPD indisi %50 ye kadar çıkmaktadır. Isıtma bakımından ısıl konfor olarak incelenen vakaların tümünde herhangi bir problem yoktur; ısıtma periyodunda PMV’nin minimum değeri 0,0 yani nötrdür. Diğer taraftan soğutma periyodunda bazı problemler olduğu belirlenmiştir. Bu durumda maksimum PMV indisi 2,0’a ulaşmıştır, bunun anlamı ortamın sıcak olmasıdır (Şekil 8).

Aktif Tavan Yüzeyi Sıcaklıkları ve Yüzeyde Meydana Gelen Yoğuşma

Simülasyondan elde edilen aktif tavan yüzeyi sıcaklıkları şekillerdedir. Şekil 9 yıl boyunca aktif tavan yüzeyi sıcaklığı ve çiğlenme noktası sıcaklıkları arasındaki farkı göstermektedir. Kritik periyot (değerin sıfırın altında olduğu) daire ile işaretlenmiştir. Kritik sürenin ayrıntılı analizi Şekil 10’dadır.

Sonuç

Bir entegre ısıtma/soğutma tavan sistemini, geçerli Çek standartlarına göre ve Çek iklim şartlarında enerji verimliliğini dikkate alarak inşa edilmiş modern bir binada kullanmak mümkün müdür? Soru analiz edilmiştir. Oluşturulan vaka çalışmasının amacı bu sistemle ısıtılan/soğutulan bir odanın ısıl davranışını önceden belirtmek ve ısıl konfor davranışını zamana bağlı olarak tüm yıllık çalışma süresi içinde tarif etmektir. Bir modelleme aracı olan ESP-r uygulanmıştır. Simülasyon sonuçlarına dayanarak herhangi bir yerde ısıtma periyodu süresince herhangi bir aksaklık tespit edilmemiştir. Sistem güvenilir olarak tüm yıl süresince istenilen sıcaklığı sağlayabilmektedir. Aynı zamanda simülasyon tavan yüzeyi için ortak olarak tasarlanan (130 ve 80 W/m²) ısıtma/soğutma kapasitelerinin uygun olduğunu da göstermiştir. Soğutma çalışmasında bazı sorunlar gözükmüştür. Tasarlanan kapasite istenilen sıcaklığı sağlayamamış ve bazen tavan yüzeyinde kısa süreli yoğuşma görülmüştür. Bunun anlamı da bu entegre sistemi uygulamasının kapasitesiyle sınırlı olmasıdır. Özellikle yüksek dahili ısı kazançları olan binalarda bu uygulama tartışmalıdır. Binanın konumunun etkisi için bölgelerin ayrı ayrı kontrolü tavsiye edilmektedir. Yukarıda belirtilenlerden elde edilen sonuçlar ve sonuçlardan elde edilen netice simülasyon şartları için geçerlidir.

İlginizi çekebilir...