Giriş

Endüstri ve diğer büyük alanlı binalar için, HVAC sistemleri tasarımcıları bugünlerde konut alanlarında olduğu gibi enerji tüketimini azaltmak adına gelen baskıları çözmeye çalışmaktadır. Ancak özellikle büyük binalar için, en azından Avrupa’da, bir tasarım yöntemi eksikliği bulunmaktadır. Bu eksiklik özel olarak herhangi bir üreticiyle ve uygulandığı zaman enerji tüketiminde önemli azalmalar sağlama potansiyeli olan tekliflerle doğrudan ilgili değildir. Bu yılın ilkbaharında tam olarak büyük binalarda kullanılan değişik ısıtma sistemlerindeki tasarımlar için yeni yaklaşım konusuna ve sunulan sistemlere yönelik yeni REHVA Kılavuzu (No 15) yayınlandı. Bu yazıda yöntemin esasları basit bir örnekle, radyant panel kullanılan 3 bölümlü bir sanayi tesisi ile gösterilecektir. Kullanılan yöntemin ayrıntıları ve en yaygın kullanılan, ısıtma sistemleri için değerlendirme prosedürü de dahil olmak üzere kılavuz içinde bulunabilir.

 

Geçmişten Bugüne Bölge Esaslı Yaklaşım

Çek Cumhuriyeti’ndeki radyant sistemlerde en önemli değişiklik, Çek Bilimler Akademisi’nden Bay Cihelka’nın geniş bir araştırmaya dayanan ilk radyant panel tasarımı için ilk yöntemi formüle ettiği 1952 yılından sonra meydana geldi. Çalışması ilk olarak 1957 yılında yayınlandı ve 1961’de yeniden yayınlandı, hatta bugün dahi Radyant Isıtma (Radiant Heating (Salave vytapêni) [1] isimli kitabından alıntılar yapılmaktadır. Büyük alanlar için ısıl bölgeler oluşturma konsepti Çek Cumhuriyeti’nde ilk olarak 1958 de, Bay Kotrbaty konu üzerine Bay Cihelka tarafından yapılan bakış faktörleri hesaplamalarıyla ilgili makalesini yayınladığında, piyasada görülmüştü. Zaman içinde bu konsept daha da geliştirildi ve daha sonra 1980’lerde Almanya’da Prof. Gluck’un [2] eserinde görüldü. Bu yöntemin sıkıntısı tasarımcı ve imalatçıların bu cihazları büyük ölçekteki yerlerde kabul etmemeleri ve bu nedenle yavaş yavaş unutulmuş olması gerçeğiydi. Değişiklik, Çek Cumhuriyeti’nde 1991 yılında Bay Kotrbaty’in büyük alanlı binaların ısıtma sistemlerini, ilk olarak tasarım ve ithalatını, imalat ve montajını da yapan bir firma kurup satışa sunmasından ve tüm ürünleri (plaka ve tüp gaz radyant ısıtıcılar ve radyant paneller) için ısıl bölgeler yöntemini kullanmaya başlamasından sonra meydana geldi. Son yıllarda kullanılan yöntem gerçek tesisatlarda denendi, düzeltildi ve Prag’daki Çek Teknik Üniversitesi (Prof. Bašta, Prof. Kabele), Bratislava’daki Slovak Teknoloji Üniversitesi (Prof. Petraš) ve Köln Uygulamalı Bilimler Enstitüsü (Prof. Sommer) işbirliğiyle geliştirildi. Daha sonra Klima 2010 kongresinde bu maksatla başlatılan bir atölye çalışmasında [3] bu yöntem tartışıldı. Çalışma,büyük alanlarda kullanılan ısıtma sistemlerine uygulanabilecek üniversal bir yöntem oluşturma olarak özetlenebilir. Yöntem REHVA Kılavuz yayını No.15’de [4] yayınlandı.

 

Standart Yaklaşım – Geniş Alanda Isıtıcı Yüzeylerin Düzgün Dağılımı

Standart metodoloji ve bölgesel metot arasındaki fark en iyi özel örnekle görülebilir. Şekil 1’de geniş alanlarda kullanılan ısıtma sistemlerinin tasarımına ilişkin en çok kullanılan yaklaşım bulunabilir. Burada tipik bir 3-bölmeli ve her bir bölmesinin ölçüleri 60 x 18 x 7 m olan bir sanayi ortamı bulunmaktadır. Ön tarafta eklenmiş bir ofis binası vardır. Ana bina normal olarak standart pencereler ve tavan pencereleriyle izole edilmiştir. Şekilden de açık olarak görüldüğü gibi radyant panellerin yerleşimi tamamen düzgün bir yerleşimdir. İlk bakışta her şey uygun gibi gözükmektedir. Tesisatı yapılmış sistemin ısıl gücü ısı kayıplarını mükemmel bir şekilde karşılamaktadır ve bu nedenle herhangi bir problem yok gibi görülmektedir. Ancak gerçekte iki değişik çalışma vardır. Şimdi A bölmesini ele alalım: 

a) Genel sıcaklık kontrol sensörü 1. veya 2. veya 3. bölgeye yerleştirilir;

b) Genel sıcaklık sensörü 4. bölgeye yerleştirilir.

 

Bu yerleştirme genel olarak iki olası çalışma durumunda şöyle sonuç verir:

a) Eğer tasarım yeterince emniyet payı bırakılarak yapılmışsa 4. bölgede önemli seviyede aşırı ısınma olacaktır. Ancak eğer tasarım sınırda yapılmışsa 1, 2 ve 3 bölgelerde istenilen sıcaklığa (dış hava sıcaklığı tasarım sıcaklığında olduğunda) hiçbir zaman ulaşılamayacaktır;

b) 1, 2 ve 3 bölgeler yetersiz ısınacaktır; tasarıma esas ısı kayıpları Φi ve radyant panellerin yerleşik kapasiteleri ΦHL,i alanın bir bölgesi için Tablo 1’de verilmiştir. 

 

Göründüğü gibi, Şekil 1’deki sonuçları sağ tarafta izlemek kolaydır. Örneğin 1. Bölgede monte edilmiş olan radyant paneller belirlenen şartlarda ihtiyaç duyulandan %30,3 daha az ısı verirler. Diğer taraftan 4. ve 8. bölgelerde radyant paneller ihtiyaç duyulandan %41,3 daha fazla enerji verirler. Bunun anlamı ise ısıtıcı yüzeyler ne kadar düzenli tasarlansa da, şartları düzenli olmayacaktır.

 

Sonuç özeti ise basittir: söz konusu alanda düzenli ısıl konfor şartları elde etmek için, ısıtıcı sistemi düzensiz şekilde tasarlamaya ihtiyaç vardır.  

 

Bölgesel Yöntem – Isıtıcı Yüzeylerin Kabul Edilen Ölçüleri

Her bir bölgedeki farklı ısı verilmesi ihtiyacını karşılamak için, ısıtma yüzeyleri farklı tasarlanmalıdır. Zira radyant panellerin boyları alanın ihtiyacına göre verilir, uyarlanan parametre (radyant panel kullanılması durumunda) ısıtma yüzeyinin genişliğidir. Tasarım sürecinde radyant paneller için uygun ölçüler (genişlik) tüm bölgelerde ısıl şartlara uyarlanmalıdır ve radyant şeritlerin eş zamanlı çalışacak şekilde bağlanmaları da önemli bir etkendir. Şekil 2’den tüm binanın farklı yerleri (ısıl bölgeleri) ve ısı verilmesi için farklı şartları olduğu açık olarak gözükmektedir. Ancak bu durumda da tüm ısıtıcı sistemi mümkün olduğunca basit yapmaya da, en azından kontrol bakım maksatları için, ihtiyaç vardır. Bu nedenle sistem ayrı olarak kontrol edilebilir üç bölgeye ayrılmıştır. Başlangıç prensibi tamamlanınca, ısıl bölgelerin belirlenmesi gerekmiştir. Sınırların belirlenmesinde kurallar daha sonra belirlenmiştir. Sonuç olarak, boylamasına iki bölge ve toplam çaprazlamasına beş bölge. (sınırlara yakın bölgelerin her birine iki adet ilave olarak iç bölgeye de bir tane).

 

Aşağıdaki hususlar tüm sistemin etkinliğini ve verimini önemli ölçüde etkilemektedir:

a) Radyant şeritlerin su devrelerine bağlanması (en sıcak giriş sınıra yakın şeritlere bağlanmalıdır- bu husus ayrıntılı olarak [5] de anlatılmıştır);

b) Uzunlamasına sınıra yakın olan bölgelere daha geniş radyant şerit koyarak ısı gönderilmesini artırın;

c) Çapraz yerleştirilen bölgelere ısı gelişini her şeridin uç kısmındaki radyant panelleri daha geniş yaparak artırın. 

Radyant Şeritlerin Su Devrelerine Bağlanmaları

A bölmesinde, bağlantı sırası şeridin hemen yan tarafından başlar ve içeri doğru birbiri arkasından devam eder. Dış duvardan olan mesafe arttıkça, kullanıcıların ısıl konfor için ihtiyaç duydukları gönderilmesi gereken ısı miktarı da azalacaktır.

 

C bölgesi tam tersi özelliktedir.

 

B bölmesinde üç ayrı durumun karşılanması lazımdır. Birinci olarak düzenli bir ısı beslemesi gerekmektedir bu nedenle bağlantı düzeni farklı olacaktır. Isı ilk olarak yan şeride bir taraftan (şerit B1) verilir, daha sonra bağlantı suyu bölmenin karşı tarafına (şerit B2) yönlendirir. Hemen sonra içteki (B3 ve B4) şeritleri bağlanır. Bu şekilde çaprazlamasına düzgün dağılmış bir su sıcaklığı sağlanmış olur. 

 

Uçlardaki Boylamasına Bölmelere Gönderilen Isının Artırılması 

Bağlantının kendisi her zaman yeterli olmayabilir. Bazı durumlarda sınırdaki ısı bölgeleriyle içteki bölgeler arasındaki ısı kayıpları farkı o kadar büyük olabilir ki düzenli bir ısıl konfor sağlamak için aynı zamanda radyant panellerin genişliklerinde de değişikliğin yapılması gündeme gelebilir.

 

Çaprazlamasına Bölmelere Gönderilen Isının Artırılması 

Çaprazlamasına yönde ise burada da, ön duvara komşu olan bölgeler dikkate alınmalıdır. Buralardaki kapı ve pencereler mutlaka karşılanması gereken ısı kayıplarını önemli ölçüde artırabilir. Burada da ek bir şerit boyunca da olsa şeritlerin eninde değişiklik yapma imkanı vardır.

 

Buradan durumun çok daha düzelmiş olduğunu görmekteyiz, zira ısının gönderilmesi her bir alandan gelen talepleri çok daha iyi takip etmektedir. En yüksek aşırı ısınma yaklaşık %14,7’dir ve sıcaklık sensörü nereye koyulursa koyulsun ısının sevk edilmediği hemen hemen hiçbir bölge kalmamaktadır.Bölgeler arasındaki fark %6,8’den fazla değildir.

 

Isıl Bölgelerin Sınırları Nasıl Belirlenir

Kalan tek soru şudur; dış ve iç ısıl bölgelerin sınırları nerelerdir? Bu sorunun cevabı söz konusu alana ısının nasıl gönderildiğinde yatmaktadır. Konveksiyonla ısı transferi olan sistemlerde ısıl bölgeleri alan içinde birbirinden ayırmak zordur, zira verilen hava miktarı arttıkça havanın ortamla karışması birbirinden hemen hemen hiç ayrılamaz şartlar oluşturmaktadır. Diğer taraftan radyant ısıtma sistemleri bu maksat için ideal çözüm olmaktadır. Daha küçük ısı kaynakları kullanıldığında (elektrik veya gaz radyant ısıtıcılar) her çeşit ısıtma kaynağının belli bir ısıl bölgeye tahsis edilebileceği kolaylıkla düşünülebilir. Daha büyük sistemler (düşük sıcaklık ve uzun borulu gazlı radyant ısıtıcılar ve su/buhar radyant panelleri) kullanıldığında durum biraz daha zorlaşır. Şüphesiz dış duvardan olan mesafe arttığında farklı ısıtma yüzeylerinden gelen ısı radyasyonunun yayılması da artacaktır. Bu matematiksel olarak tüm ısıtma yüzeylerinden gelen ‘görüş katsayısı özeti’ hesaplamasıyla açıklanabilir. Görüş katsayısı dış duvardan olan uzaklığın bir fonksiyonu olarak bir grafik üzerinde gösterilebilir. Eğri şekli başlangıcından itibaren takip edersek, iyice yükseldiğini ve belli bir noktada görüş katsayısının maksimum değere ulaştığını görürüz. Bu noktadan itibaren görüş katsayısı ortalama bir değer etrafında dalgalanır: Bu şekilde uçtaki ısıl bölgenin ideal sınırı eğrinin yükselmesini tamamlayıp kararlı hale geldiği noktada belirlenebilir. Gerçekte eğrinin (ısıtma yüzeylerinin yerleri ve ölçülerine bağlı olarak) değişik şekilleri olabilir ve bu nedenle tarımcıların vereceği karara ihtiyaç vardır. 

 

Sonuç

Önerilen tasarım yöntemi birçok gerçek projeyi kapsayan uygulama deneyimlerine ve teorik altyapıya dayanmaktadır. Karmaşık matematiksel formüller olmadan kolay kullanılması amacıyla yazılmıştır. Yöntem uygulanabilir ve ürün yelpazelerinin hem en üst hem de alt grubuna aynı etkiyi yapar. Büyük alanlar için standart uygulamalara ve tekdüze yaklaşımlara göre çok daha verimli ısı gönderilmesini sağlar ve sadece tasarımcılardan biraz daha fazla gayret göstermelerini ister. Gaz, elektrik, su ve hatta buhar esaslı radyant ısıtma sistemlerini kapsar. Yöntem büyük (özellikle yüksek) alanlarda konveksiyonla ısıtma yapan sistemlerden çok daha fazla verimli olan radyant ısıtma sistemleri için önerilmiştir.

 

Referanslar

[1] Cihelka, J.: Salave vytapêni. SNTL. Prag61. 2nci baskı. Sayfa 373.

[2] Gluck, B.: Strahlungsheizung- Theorie und Praxis. Verlag Muller, Karlsruhe (1982)

[3] Hojer, O.; Kotrbaty, M.: (Büyük alanlar için Isıtma yükünün değerlendirilmesi ve HVAC tasarımına bölgesel yaklaşım). 

    Konferans bildirileri, Klima 2010 Antalya, Türkiye, Mayıs 2010, ISBN 978-975-6907-14-6,

[4] Kabele, K., Hojer, O., Kotrbaty, M., Sommer, K., Petraš, D. Büyük salonların enerji tasarruflu ısıtma ve havalandırması. REHVA Kılavuz kitabı No.15 REHVA Brüksel ISBN 978-2-930521-06-0

[5] Kotrbaty, M.: Büyük alanlar için radyant ısıtma. REHVA Dergisi 2009. 46(2). Sayfa 44-48. ISSN 1307-3729