Doğal Havalandırma Sistemleri ve Seçim Kriterleri

17 Şubat 2012 | DOSYA 11. Sayı (Ocak - Şubat 2012)

Dr. İbrahim Çakmanus Çakmanus Mühendislik Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti.
1. Giriş
Artan enerji maliyetleri ve 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 doğalgaz destekli absorbsiyonlu sistemler, güneş enerjisi kolektörleri ve fotovoltaik pillerin kullanımı, otomatik kontrol sistemleri, güneş kontrollü cam, ısı geri kazanım sistemleri, aydınlatmada tasarruflu ampullerin yaygın olarak kullanımı vb. alınabilecek önlemlerdir. Bu yöntemlerin bazılarının birarada uygulanmasıyla Hollanda, Almanya, Kanada, Avusturalya ve Singapur gibi gelişmiş ülkelerde son 10 yılda binalarda enerji tüketiminde yüzde 30-90 arasında tasarruf sağlanmıştır. ABD’deki tecrübelerden de aynı alana sahip, güneş enerjisinden yararlanan, iyi tasarlanmış bir binada, genel binalara göre yüzde 5-10’luk ilave ilk yatırım ile işletmede yaklaşık yüzde 50 tasarruf sağlandığı görülmüştür. Doğal havalandırma da, binalardaki enerji kullanımını (örneğin chillerlerde, pompalarda, fanlarda) azaltmaya yardımcı olabilecek bir 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 havalandırmada buna dayalı teknolojiler geliştirilmeye başlanmıştır.
Büyük şehirlerde, 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 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, yüzde 100 kontrol edilemeyen kuvvetlerin etkisiyle meydana geldiğinden, iç mekanlarda konfor şartlarının birebir kontrolü her zaman mümkün değildir. Fakat kabul edilebilir bir konfor sağlamak için her zaman komplike kontrol sistemlerine gerek olmayabilir. Fakat belli bir aralıkta sıcaklık kontrolü ve belli bir miktar taze hava sağlayacak bir imkan sağlanabilmelidir. Bir başka ifadeyle, 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 maksimum yük değişimlerini azaltacaktır.
• Bina tesisat sistemleri bina otomasyon sistemiyle kontrol edilmelidir.
• Bu gibi hususlar binanın ekonomik olarak işletilmesini sağlayabilecektir. Doğal havalandırma daha çok bina kabuğu, bina yerleşimi ve bina konumuyla 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 kontrolü sağlar.

• Doğrudan güneş ışınlarını kontrol etmek için iyi bir güneş kontrol sistemi olmalıdır. Bu, güneş kontrollü 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 kontrolü 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 yeterliyken lambalar açılmamalı, kullanılmayan ekipmanlar açık tutulmamalıdır.

4. Sistem Seçimini Etkileyen Diğer Hususlar
Her HVAC sisteminin kendine özgü avantaj ve dezavantajları vardır. Örneğin doğal havalandırılan bir binanın, tümüyle 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  eleman bina cephesindeki pasif kontrol elemanlarıdır. İyi havalandırılmış bir binada hareketli veya arızalanabilecek 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 ucuzdur. Fakat HVAC’ın ilk yatırım maliyetinden sağlanan tasarruflar, doğal havalandırmanın aşağıdaki maliyetleri nedeniyle ortadan kalkabilir:

-    Bina cephesinin iyileştirilmesi gerekir (Gölgeleme ve açılabilir pencereler vb)
-    Dar kat planları ile kullanım alanı azalabilir
-    Termal depolama kapasitesini artırmak için ilave kabuk, kolonların yapılması gerekebilir.

Yer İhtiyacı
Doğal havalandırmalı binalarda makine 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 etki eder. Halbuki doğal havalandırmalı bir binada elektrik maliyetleri önemli ölçüde düşmektedir. Ayrıca bu tip binalar dar ve uzun olması gerektiğinden, bu durum binanın gün ışığından daha fazla yararlanabilmesine yardımcı olur. Doğal havalandırmalı bir binadaki enerji maliyeti diğerine göre yaklaşık yüzde 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, bazen 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, personel tarafından genellikle binanın günışığı almasının ve açılabilir pencerelerle doğal havalandırmanın 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 birçok faktör vardır. Bunun anlamı, insanların, örneğin mahal sıcaklığı artarsa giysi durumlarını değiştirerek, pencereleri açarak veya varsa klima kontrolünü 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 Kontrolü
Sağlık ve emniyet standartları mahallerde yeterli nemlendirmenin yapılmasını öngörmektedir. ASHRAE’de bu değerin yaklaşık yüzde 40-60 arasında olması tavsiye edilmektedir. Bu aralıkta mantarlar, mikro organizmalar vb. daha az çoğalmaktadır. Buna karşın kışın soğuk havalarda bağıl nem yüzde 30’un altına indiğinde nefes alma ve statik elektrik problemleri meydana gelmektedir. Diğer yandan doğal havalandırma ile nem kontrolü yapılmasa bile böylesi mekanlarda bağıl nem yüzde 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’e 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 kontrollü olması veya karışık mod gibi sistemler tercih edilebilir.

Hava Kalitesi
Doğal havalandırmada içeri alınan hava daha zor temizlenebilmektedir. Buna karşın mekanik 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 çözülemeyecek gibiyse karışık sistemler tercih edilebilir. Mekanik sistemlerdeyse filtrelerin bakımı ve zamanında değiştirilmesi önemlidir. Aksi takdirde klima cihazlarında ve hava kanallarında biriken tozlar, sporlar, mantarlar, bakteriler ve organizma gibi kirleticiler sistemlerin yararını ortadan kaldırarak, hastalıklara neden olabilir. Buna karşın doğal havalandırma sistemleri daha kolay ulaşılabilir ve temizlenebilir.

Esneklik ve Uygulanabilirlik
Bina tasarımcıları için önemli ayrıntılardan birisi de binanın ömrü boyunca ihtiyaç duyulabilecek değişimleri karşılayabilecek esnekliğe yer verebilmektir. Mekanik soğutma sisteminin doğal havalandırmaya olan üstünlüklerinden birisi de daha fazla esnekliğe sahip olmasıdır.

Güvenlik
Gece soğutması vb. durumlarda, 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
[1] Wiggington, M., and Harris, J., 2002, Intelligent Skins,  Butterworth-Heinamann, Oxford.
[2] Natural Ventilation in Non-domestic Buildings, CIBSE Guide, Applications Manual, AM10, 1997.
[4] Kreith F., Bohn M.S., Principles of Heat Transfer, Harper abd Row Publisher Inc., New York, 1986.
[5] ASHRAE Fundamentals Handbook 1997, Air Flow Around Buildings, Bölüm 15.
 

---

R E K L A M