Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (Computational fluid dynamics/CFD) bilim adamlarının ve mühendislerin onlarca yıldır sayısız uygulama alanında akış performansını modellemelerine ve tahmin etmelerine olanak sağlamıştır. Hesaplama gücü arttıkça uygulamaların sınırları da büyümeye devam etmektedir.
Havalandırma, termal konfor veya diğer özel iç mekan koşulları sağlamak için HVAC sistemlerinin amaçlarına ulaşmasını sağlamaktadır. Geleneksel metod olarak, havalandırma ekipmanı kapasitelerini ve parametrelerini boyutlandırmak için temel kurallar ve el hesaplamaları kullanılır. Bununla birlikte, bu yaklaşım, gereksinimlere uyumu garanti etmek için son aşamada fiziksel testlere tabi tutulur.
Bu yaklaşımın tipik sonucu, büyük boyutlu ekipmanın spesifikasyonu ve sonuç olarak, peşin maliyetlerde ve enerji tüketiminde bir artışa neden olur. Nitekim ABD’de ticari alanda toplam enerji tüketiminin %13’ünü, konutlarda ise %6’sını fanlar oluşturmaktadır. CFD bu durumda imdada yetişir ve fiziksel olayları, ortam koşullarını ve bölgenin ayrıntılı geometrisini modelleyerek bir havalandırma sisteminin performansının kesin olarak tahmin edilmesini sağlar.
Bu makalede, bazı yaygın havalandırma sistemi tasarım örneklerine ve analizin CFD ile ele alınmasının faydalarına göz atacağız.
Pasif Havalandırma
Doğal havalandırma olarak da bilinen bu strateji, bina içindeki hava değişikliklerini yönlendiren basınç farklarını yaratmak için rüzgar akışı ve kaldırma kuvveti gibi doğal olaylardan yararlanır. CFD, sıcaklık veya nem farklılıklarından kaynaklanan kaldırma kuvveti gibi özel olayları tam olarak modelleyebildiği için pasif havalandırma sistemlerinin davranışını tahmin etmek için çok güçlü bir araçtır. Ayrıca hemen hemen her geometrik özelliği hesaba katabilir, böylece yenilikçi çözümler prototipleme veya yapım öncesinde test edilebilir ve doğrulanabilir.
Bu örnek durumda (Şekil 1), üç katlı bir alışveriş merkezi binasının doğal havalandırması CFD kullanılarak simüle edilmiştir. Sonuçlar, bina gereksinimleriyle karşılaştırmak için çıkarılır ve bunların yeterince karşılanıp karşılanmadığını keşfedebiliriz.
Havalandırma Ekipmanları
Pasif havalandırma stratejisi performans gereksinimlerine uymak için yeterli olmadığında, cebri havalandırma stratejisine ihtiyaç duyulur. Bu, basınç farkları yaratmak ve hedef alandaki hava değişikliklerini yönlendirmek için fanların, blowerların veya kompresörlerin uygulanmasıyla elde edilir.
CFD, hava hareketi ekipmanının tasarım sürecinde büyük yardım sağlar. Mühendislerin basınç dağılımları, akış yolları ve hızlar açısından performansı tahmin etmelerini sağlar. Tasarım varyasyonları daha sonra tümü sanal bir ortamda hızlı bir şekilde test edilebilir ve karşılaştırılabilir.
Bu örnek çalışmada (Şekil 2), CFD simülasyonu kullanılarak bir santrifüj fanın aerodinamik performansı araştırılmıştır. Performans eğrileri çıkarılmış ve iyileştirme alanları belirlenmiştir.
Deplasmanlı (Displacement) Havalandırma
Geleneksel karma havalandırma stratejisinde, şartlandırılmış hava girişleri, alanın en üstüne ve yüksek akış hızlarına yerleştirilir. Buna karşılık, yer değiştirmeli havalandırma stratejisi, hava girişlerini zemin seviyesine yakın yerleştirir ve nispeten düşük akış hızları kullanır. Bina sakinleri veya ekipman tarafından üretilen sıcak hava, yüzerlik (termal bulutlar olarak adlandırılan) yoluyla tavan seviyesine yükselir, burada konsolide olur ve devridaim olmadan alandan çıkarılır. Bu stratejinin yaygın bir uygulaması, iyileştirilmiş hava kalitesi sağladığı için sınıflarda ve ofis alanlarında bulunur.
Sunulan örnekte (Şekil 3), bir ofis alanında karıştırma ve yer değiştirme havalandırma stratejilerini karşılaştırmak için CFD simülasyonu kullanılmıştır. Sonuçlar, sıcaklık dağılımları ve yerel termal konfor görselleştirmeleri açısından sunulmakta ve deplasmanlı havalandırma stratejisinin daha düşük enerji tüketimi ve iyileştirilmiş hava kalitesi avantajına sahip olabileceğini ortaya koymaktadır.
Jet Fanları
Jet fanlar, geniş alanlarda akışı yönlendirmek ve güçlendirmek için kullanılır. Giriş ve çıkışların stratejik yerleşimi ile birlikte kullanıldığında, zor koşullarda optimum akış davranışları elde edilebilir.
İncelenen örnekte (Şekil 4), bu havalandırma stratejisi, büyük bir garaj alanında kirlilik seviyelerini düşürmek ve yüksek konsantrasyonlu bölgeleri ortadan kaldırmak için kullanılır. CFD kullanımında, fan yerleşimi ve performansın tümü hızlı ve verimli bir şekilde değerlendirilir. Sonuçlar, önerilen stratejinin kontaminasyon seviyelerini %55,1 oranında azaltacağını ortaya koymuştur.
Termal Konfor Standartlarına Uygunluk
CFD simülasyonunun özellikle yararlı olduğu bir alan, standart uyumluluğunun değerlendirilmesidir. CFD, mühendislerin dikkate alınan geometrik uzayda herhangi bir noktada sıcaklık ve akış hızı gibi değişkenleri ölçmesine olanak tanır. Bu, standartlar performans kriterlerinin kolayca çıkarılıp yorumlanabileceği ve iyileştirme alanlarının belirlenebileceği anlamına gelir.
CFD simülasyonu kullanılarak, bir sinema alanının termal konfor performansı iki standart koda göre değerlendirilir:
EPBD ve EN 15251
Binaların Enerji Performansı Direktifi (EPBD), binaların enerji verimliliğini artırmak amacıyla 2002 yılında kabul edilmiştir. Bu direktifin bir parçası olarak EN-15251 standardı, iç mekan termal konforu için gereksinimleri belirtmek üzere oluşturulmuştur. Bu çalışma örneğinde (Şekil 5), tiyatrodaki termal konfor EN 15251’e göre değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular havalandırma sisteminin yetersiz olduğunu ve iyileştirme alanlarının tespit edildiğini ortaya koymaktadır.
ASHRAE 55
Amerikan Isıtma, Soğutma ve İklimlendirme Mühendisleri Derneği (ASHRAE), 1966’dan beri Standart 55 “İnsan Doluluğu için Termal Ortam Koşulları”nı yayınlamaktadır. Bu standart, ISO ve diğer birçok ülke gibi uluslararası kuruluşlar tarafından da benimsenmiştir.
Çalışma durumunda, tiyatroda CFD ile simüle edilen iki havalandırma stratejisi (Şekil 6) arasındaki termal konfor performansını karşılaştırmak için ASHRAE 55 metrikleri kullanılmıştır.
Bu makalede, HVAC endüstrisindeki örnek uygulamalar sunulmuştur ve performansı değerlendirmek için CFD simülasyonunun faydaları açıklanmıştır.
