Bi̇r mahali̇n termal konfor şartlarının hesaplamalı akışkanlar di̇namiği̇ yöntemi̇ ile anali̇zi̇

Abstract

Havalandırma, kapalı bir hacimde bulunan havanın, taze hava beslenerek yenilenmesi olayıdır. İklimlendirme sistemleri, tanımlanmış öngörü ve standartlara uygun olarak, talep edilen iç ortam havasının konfor şartlarını sağlamak için tasarlanır. Günümüzde insanlar yaşamlarının büyük kısmını çalışma ortamı, ofis ya da alışveriş merkezi gibi kapalı ortamlarda geçirmektedir. Bu sebeple, mahal iklimlendirmesinin önemi gün geçtikçe artmaktadır. Mahal iklimlendirmesindeki en önemli şartlardan birisi konfordur. Konfor şartları oluşturulurken, odaya gönderilen taze havanın miktar ve mahal içerisindeki dağılımı, konforu belirleyen şartlar olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada ele alınmış olan mahal 1,8x1,8x2,85 m boyutlarında, bir yüzeyi ve tabanı iyice yalıtılmış ve adyabatiktir. Yan yüzeyler ve tavandan ısı alışverişi olmaktadır. İncelenen kapalı mahal, 30 °C hava sıcaklığındadır ve ışınımla ısı transferi etkileri de göz önünde bulundurulmuştur. Mahal içerisinde ısı kaynağı olarak kullanılan bir bilgisayar, mahal içerisinde oturan bir insan ve masa bulunmaktadır. Mahalde bulunan bilgisayar 25W gücünde, çalışır vaziyettedir ve ısı kaynağı olarak vaziyet görmektedir, oda ile mahal arasında ısı transferi vardır. Bilgisayar, ısı transferi ihmal edilmiş bir masa üzerinde durmaktadır. Bilgisayarın ölçüleri HP ProOne 600 AIO markalı bilgisayarın ölçüleri ve ortalama sıcaklığı firma kataloğundan alınmıştır. Mahal içerisinde bir kişi, oturur vaziyette bulunmaktadır. Odada bulunan insanın masada oturur vaziyettedir ve ortalama metabolik aktivitesi 50-70 W arasındadır. Odada bulunan bilgisayar gibi, insan da ısı kaynağı vazifesi görmektedir, mahal ile odada bulunan insan arasında ısı transferi vardır. Bu çalışma, 30 °C dış ortam sıcaklığı olduğu ve üstte belirtildiği ısı geçişi koşullarında, kapalı bir mahalde oturur vaziyette bulunan insanın, bilgisayar da çalışır vaziyetteyken odanın tabandan, tavandan ve klima ile soğutulmasını inceler. Odaya beslenen 15°C hava ve hava değişim katsayısı 1,3,5,10,15 olduğu senaryolar ayrı ayrı Ansys Fluent aracılığıyla modellenmiştir. Bu değerler hem birbirleri ile hem de taban, tavan ve klima ile soğutulması durumunda odadaki hız ve sıcaklık dağılımları incelenmiş, ayrıca insanın bilek mesafesi olan 0,1m ve omuz mesafesi olan 1,1m kesitlerindeki konfor değerlerini, ASHRAE-55’ e göre incelemiştir. Kapalı mahalin hacmi 9,234 m3’ dür. Elde edilen sonuçlar hem mahale beslenen ACH debilerinin sonuçlarının birbirleri arasında karşılaştırılması olarak, hem de ISO7730 ve ASHRAE-55’ e göre termal konfor şartlarına uygunluğu olarak incelenmiştir. Bu standartlara göre, bilek ve omuz hizasından alınan kesitler ile hız, sıcaklık, değerleri okunarak konfor parametresi değerleri irdelenmiştir. Odadaki bağıl nem %50, metabolik aktivite oda içerisinde oturma pozisyonuna denk gelen 1,2 met ve kıyafet etkisi kısa şort ve tişört olarak 0,67 clo’ dur olarak kabul edilmiş ve analizler bu değerlere göre yapılmıştır. Bu çalışmanın simülasyon modeli, literatür aracılığı ile doğrulama yöntemi seçilerek doğrulanmıştır. Literatürden, Çakır’ ın İstanbul Teknik Üniversitesinde, 2009 yılında yapmış olduğu İç Hacim Konfor Şartlarının Sayısal Ve Deneysel Olarak İncelenmesi adlı çalışması seçilmiş ve bu çalışmada yapılmış olan deneysel veriler HAD ortamında simüle edilmiştir. Çakır, çalışmasında sabit sıcaklık ortamı oluşturduğu 1x1x1,5m boyutlarında, 0,05x0,05m besleme ve egzoz kesiti boyutlarına sahip ve 300K sabit sıcaklıkta tutulan deneysel bir düzenek kurmuş ve bu düzeneğe besleme kesitinden 1,44 m/s hızında, 288K sıcaklığında taze hava beslemiştir. Bu deney sonucunda, taban kesitinden olmak üzere 25cm, 40cm, 60cm, 80cm ve 92cm yüksekliklere yerleştirdiği sensörler ile kesitlerde oluşan hız ve sıcaklık değerlerini ölçmüştür. Aynı zamanda Çakır, yapmış olduğu çalışmasını HAD ortamında türbülans model kurgulayarak, deneysel düzeneğini de doğrulamıştır. Bu tez, Çakır’ ın deneysel düzeneğini HAD ortamında simüle edip, deneyindeki kesitlerde ölçtüğü hız ve sıcaklık sonuçlarını, HAD ortamında kurgulanmış olan model sonuçları ile kıyaslayıp, simülasyonun doğruluğunu sağlamıştır. Simülasyon doğrulamasına ek olarak, mesh yapısının da doğrulanması amacıyla, Çakır’ ın çalışması düşük sayılı (496,491 hücre), ortalama sayılı (1,631,504 adet), yüksek sayılı (2,906,674 adet) ve çok yüksek sayılı (6,305,847 adet) 4 farklı mesh sayısına sahip model ile tekrar çözülüp, gerçek sonuçlara en yakın hangi mesh sayısı ile varılacağının da tespiti yapılmıştır. Farklı ağ yapılarına sahip modellerin benzer sonuçlar verdiği görülse de yüksek ve çok yüksek ağ yapılı modellerin deneysel sonuçlara oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmüştür ve bu iki ağ yapısı üzerinde yoğunlaşılmıştır. Doğrulamadan elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurularak, 3,000,000 civarı mesh adedinin deneysel sonuçlara yakınsadığı görülmüş ve bu tez için kullanılacak mesh adedi belirlenmiştir. Çakır’ ın çalışmasının simülasyon ve mesh sayısının doğrulanmasının ardından, kurgulanan model aynı şekilde bu çalışmanın konusu olan tabandan soğutma, klima ve tavandan soğutma sistemlerine uygulanmış ve sonuçları irdelenmiştir. Tabandan soğutma, klima ve tavandan soğutma sistemleri ile yapılan simülasyon sonuçlarına ek olarak, mahalde gerçekleşen ısı transferi ampirik formüller ile de çözülüp, simülasyonun doğruluğu ikinci defa teyit edilmiştir.