Aerodinamik Kısıtlama Iç Ortamlardaki Bulaşıcı Partiküllerin Yayılımını Azaltabilir

Yazan: Kishor Khankari, PhD, Fellow ASHRAE
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

İyi bir havalandırma tasarımı temiz ve filtrelenmiş havanın mahal içerisinde düzgün biçimde dağıtıldığını ve kirli havanın uzaklaştırdığını garanti altına almalıdır. CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri bu iki amaca da ulaşmakta mühendislere yardım edebilir.

Yaşanan pandemi iç ortam hava kalitesi (IAQ) ve havalandırma konularındaki farkındalığı arttırmıştır.

İyi havalandırma genellikle yüksek kaliteli filtreleme ile birlikte arttırılmış besleme havası veya saatteki hava değişim sayısı olarak bilinmektedir (ach, h-1). Fakat, sadece temiz besleme havasını arttırmak iyi havalandırmaya ulaşmak için yeterli olmayabilir. Bina havalandırmasının birincil hedefi binada yaşayanlar için sağlıklı ve konforlu ortamın oluşturulmasıdır. Bu amaca, havayla taşınan kirleticilerin konsantrasyonunun temiz hava vasıtası ile seyreltilmesi ve hava ile taşınan enfeksyon riskinin azaltılması ile ulaşılabilir. Mahalde yaşayanların solunum alanı (genellikle zeminden 4-6 feet yukarıdadır), soluk alıp verdikleri en kritik bölgedir. Kirletici kaynakları ve reseptörler aynı bölgede bulunduğundan, havalandırma tasarımı temiz ve filtrelenmiş havanın solunum alanında doğru bir biçimde dağıtıldığını ve kirli havanın etkin bir şekilde bu alandan uzaklaştırıldığını garanti altına almalıdır.

Hava Akış Şekilleri Önemlidir!

Hava, iç mahallerde ısının, nemin ve enfeksyonlar gibi hava ile taşınan kirleticilerin birincil taşıyıcısıdır. Bu yüzden, havanın iç mahallerde nasıl hareket ettiği ve havanın kirleticileri mahallerde uzaklaştırıp uzaklaştırmadığı göz önünde bulundurulması gereken en önemli husus olur. İç ortam hava akış şekilleri hava ile taşınan kirleticilerin yayılmasının kontrolünde kritik bir rol oynar. Hava ile taşınan kirleticilerin akış yolu, hava akış şekline bağlıdır. Mahal içerisindeki zayıf hava akış dağılımı havadaki enfeksyonların yayılımına sebebiyet verirken sosyal mesafenin etkinliğini düşürür.

İdeal olarak temiz besleme havası, kirleticileri solunum alanından genellikle yüksek konsantrasyonlu alanlara neden olacak resirkülasyon ve durgunlaşma oluşturmadan uzaklaştırmalıdır. Benzer bir şekilde, temiz hava mahalden dışarı sızmamalı veya kirlilkleri solunum alanından toplayıp uzaklaştırmadan kısa devre yapmamalıdır.

HVAC sistemlerinin tasarımı ve işletimi ile ilgili birçok faktör iç mahalllerdeki havanın akış dağılımlarını etkileyerek enfeksyon riskini arttırabilir. Bu faktörlerden bazıları besleme difüzörlerinin sayısı, yerleri, tipleri; besleme hava debileri (hava değişim sayıları), difüzör atışları; besleme hava sıcaklıkları; dönüş/egzoz menfezlerinin boyutları ve yerleri; oda içerisindeki farklı yerlerde ve güçlerde bulunan ısı kaynakları; oda içerinsdeki mobilyaların ve hava debisine diğer engellerin yerleri; oda içi hava temizleyicilerin tipleri yerleri ve kapasiteleri; ve en önemlisi mahaldeki kirlilik kaynaklarının bağıl pozisyonları olarak sayılabilir.

Hava çoğunlukla direncin en az olduğu yolu izler ve bu yol sezgi ile tahmin edilemez.

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD)

Havalandırma performansını etkileyen tüm parametrelerin fiziksel olarak test edilmesi ve gerçek zamanlı ölçümü, eğer imkansız değil ise zaman alıcı olmakla birlikte emek yoğun bir aktivitedir. Dahası, bu tip ölçümler, bir tesisin inşaa fazından önce tasarım aşamasında yapılması mümkün değildir.  Bu tip durumlarda CFD analizleri, hava akış şekillerini ve hava ile taşınan kirleticilerin akış yollarını görselleştirmek ve bu sayede bina havalandırma performansını optimize etmek için elverişli bir araçtır. CFD akışkan akışının, ısı transferinin, kütle transferinin ve diğer benzer taşıma proseslerinin; kütle, mümentum ve enerji taşımasının temel fizik kanunlarını baz alan simülasyonlarıdır. Doğru şekilde ve yeterli uzmanlıkla yapılan CFD analizleri, binaların ısıtma soğutma ve havalandırma performansları konusunda değerli içgörüler sunabilir. Tasarımın erken aşamalarında bu tip içgörüler, deneme yanılma kaynaklı olan ve genellikle moral bozucu ve masraflı tadilatların önüne geçer.

Şekil 1: Bu şekil (a) tekli besleme-tekli dönüş planı ile (b) mahalde simetrik olarak konumlandırılmış ikili besleme ve
^{ikili dönüş lokasyonu olan plan arasındaki farkı göstermektedir.}

Şekil 2: Bu CFD analizi bir ofis mahali içerisindeki büyük hava sirkülasyon alanları olan hava akış şekillerini göstermektedir.
^{Bu alanlar durgun hava cepleri oluşturarak kirleticilerin birikim yapmasına sebebiyet verebilirler.}

Aerodinamik Kısıtlama Planı

Bir aerodinamik kısıtlama konsepti geliştirebilmek için CFD kullandık. Besleme ve egzoz difüzörlerinin stratejik konumlanmaları, iç mahalin kirleticilere maruz kalma riskinin azaltılmasına yardımcı olan hava akış şekilleri oluşturabilir. İç mahallerde dağıtılmış besleme ve dağıtılmış egzoz; temiz besleme havasının daha iyi kullanımına yardımcı olur. Mahal içerisindekilerinin solunum alanının seyreltilmesini zenginleştirebilir, kirli havanın mahali terketmesi için az dirençli bir yol sunabilir ve enfeksyon ihtimalini azaltabilir. Aerodinamik kısıtlama, kirleticileri bir kaynak civarında toplayan ve hava ile taşınan bu kirleticilerin iç ortamda yayılmasını limitleyebilen, yayılmış besleme havası difüzörlerinin ve dönüş menfezlerinin simretrik düzenidir.

CFD çalışmalarımız besleme ve dönüş havalarının konumlarının, hava akış şekillerini ve sebep olduğu enfeksyon riskini; iki küçük bölmesi olan basit bir ofis planında bile etkileyebildiğini göstermiştir. Şekil 1a’da görülen planda, sadece tek bir 4 yollu besleme difüzörünün ve tek bir dönüş menfezinin yeterli seyreltmeyi sağlayamadığı ve hava sirkülasyonu ile birlikte kirleticilerin yüksek konsantrasyona ulaştığı durgun alanların oluşmasına neden olduğu görülmektedir. Şekil 2a’da görülen hava akış şekilleri, oda boyunca meydana gelen büyük resirkülasyon döngülerini göstermektedir. Bu büyük resirkülasyon alanları oda ve bölmeleri ayıran paravanlar arasında oluşurlar. Resirkülasyon alanları içinde oluşan durgun kısımlar yüksek konsantrasyon cepleri meydana getirirler. Enfeksyon riskini belirlemek için Wells-Riley korelasyonu kullandık.

Şekil 3: Bu CFD analizi, Wells-Riley korelasyonu ile hesaplanmış olan ve soluma alanındaki enfeksyon riskini göstermektedir. Bir tekil besleme / tekil dönüş planı; mahal içerisinde bulunan sakinlerin solunum düzleminde
^{kirleticilerin yayılmasına neden olabilir. Diğer taraftan, aerodinamik kısıtlama planı, mahalde iskan halinde bulunanların üzerinde temiz havayı doğru şekilde
dağıtarak ve kirlenmiş havanın mahali terkedebilmesi için düşük dirençli bir yol oluşturarak enfeksyon riskini azaltabilir..}

Şekil 3a’da gösterildiği gibi, enfekte olan kişi civarında enfeksyon riski %15’in üzerindeyken, solunum düzlemindeki enfeksyon ihtimali %11,3’tür. Havalandırma etkinliğini göstermek için, iç mahallerde kirleticilerinin yayılımının büyüklüğünü analiz eden Yayılım Endeksi dediğimiz yeni bir metrik geliştirdik. Şekil 4’te gösterildiği gibi, enfeksyon ihtimalinin %10 olduğu alanın Yayılım Endeksi %49,4’tür. Yani mahalin neredeyse yarısının %10 veya üzerinde enfeksyon ihtimali vardır. Mahal içerisindeki tüm kişilerin yüksek enfeksyon risk bulutu tarafından kaplı olduğuna dikkat edilmelidir. 

Şekil 4: Bu CFD analizi %10 veya daha yüksek orandaki enfeksyon ihtimal bulutunu (Yayılma Endeksi) göstermektedir. Tekil besleme – tekil dönüş planında, bulut mahalde iskan halinde olan herkesi kaplayarak
oda hacminin %50’sine kadar ulaşır. Bir aerodinamik kısıtlama planında bulut oda hacminin %39’una kadar düşerken oda içerisinde bulutun dışında kalan kişilerin enfeksyon ihtimali %10’un altına düşmektedir.^.

Diğer yandan, Şekil 1b’de gösterilen dağıtılmış besleme difüzörleri ile meydana gelen aerodinamik kısıt planı temiz havanın daha iyi dağıtılmasına yardımcı olur. Dağıtılmış dönüş menfezleri kirli havanın mahali terk edebilmesi için daha az dirençli bir hava yolu oluştururken simetrik konumlanmış besleme difüzörleri ile dönüş menfezleri havadaki kirleticileri bölgesel olarak kısıtlayan hava akış zarfları meydana getirir. Şekil 2a’da gösterildiği gibi, aerodinamik plan birbirinden bağımsız hava akış alanları oluşturup birbirleri ile eş, her bir besleme ve dönüş alanında karşılıklı zıt hava akış dağılımları geliştirir. Şekil 3b’de gösterildiği gibi, ikinci kısımdaki enfeksyon riski azaltılmış ve enfekte olan kişi civarındaki yüksek enfeksyon alanı %15 üzerinde kalmıştır. Enfeksyon riski değerinin ortalama değeri %11,3’ten %9,1’e düşmüştür. Şekil 4b’de gösterildiği gibi Yayılım Endeksi %49,4’ten %39,3’e düşmüştür. Önceki vakalardan farklı olarak, odanın sadece 3’te 1’inin enfeksyon risk değeri %10’da veya üstündedir.

Besleme havasının iki besleme difüzörüne bölünmesi iki areodinamik kısıtlama alanı oluşturur. Her bir difüzörden çıkan hava akış şekilleri kendilerine ait birer kısıtlı mahal oluştururarak, bu mahaller arasındaki çift yönlü hava hareketlerini minimize eder. Her bir mahal için dönüş menfezlerinin konması kirli havanın tüm mahal boyunca uzun bir yol izleyerek dolaşmasını azaltır. Tüm bunlara ek olarak, besleme difüzörlerini dönüş menfezlerinden uzağa taşımak, temiz havayı iskan mahalleri boyunca süpürmeye yardımcı olur. Dağıtılmış besleme difüzörleri ve geri dönüş menfezleri ile yapılmış simetrik planlı bir aerodinamik kısıtlama uygulaması kirli havanın akış yolunu değiştirerek mahal içerisindeki kişilerden uzağa taşır. Mahal içerisindeki enfekte olan kişinin konumu önceden bilinemediğinden, bu tip bir aerodinamik kısıtlama stratejisi çapraz kontaminasyon riskini potansiyel olarak azaltabilir.

Aerodinamik Kısıtlamanın Tasarımı

CFD analizlerimiz göz önünde bulundurulduğunda, aerodinamik kısıtlama aşağıdaki adımları gerektirir:

• Besleme difüzörlerinin sayısının arttırılıp dağınık şekilde konumlandırın (besleme hava debisi arttırılmadan) ve mahalin iskan olan kısmı üzerinde stratejik olarak yerleştirin;
• Egzoz menfezlerinin sayısını arttırıp dağınık bir dönüş menfez planı oluştururarak hava direncinin daha az olduğu bir yol oluşturup kirli havanın mahalden çıkmasını sağlayın;
• Egzoz ve dönüş menfezlerinin iskan mahalinden uzakta konumlandırın;
• Bağımsız besleme ve dönüş havası akış zarfları oluşturmak için besleme difüzörlerini simetrik olarak konumlandırın.

Her bir mahalin kendine özgü planı ve fonksiyonu olduğu için, CFD analizleri aerodinamik kısıtlama tasarımının optimizasyonunda kullanalılabilir.