Hava Perdesi Verimliliğinin CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) Analizi

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, hava perdesinin enerji tasarruf kabiliyetini gösteriyor

Yazan: Jim Jagers, Air Movement and Control Association (AMCA) International Air Curtain Engineering Committee 
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) akışkan akışı fenomeninin öngörülmesi ve/veya analiz edilmesi için bilgisayar ile modellemenin kullanılmasıdır. CFD analizi ekipmanların beklendiği gibi çalışıp çalışmayacağını belirlemek için bir projenin tasarım safhasında yapılabilir. Bu makale; bir binadaki açıklıkta meydana gelen enerji transferini azaltmak için kullanılan ısıtılmamış bir hava perdesinin verimliliğinin gösterilebilmesi için CFD’nin kullanılmasını tartışmaktadır. HVAC ile ilgili olarak CFD, hem ekipman tasarımı hem de bina sistem tasarımında hava akış modellerini ve sıcaklık dağılımlarını yüksek kesinlik seviyesinde öngörülmesinde kullanılabilir. 

Modelimizdeki bina 120ft x 120ft x 20ft boyutlarındadır. Binanın sağ tarafında yüksekliği 16ft, genişliği 12ft olan bir açıklık bulunmaktadır. Bina içerisinde sol tarafta, bina içine ısı girdisini ayarlamaya ve bina içerisindeki havayı sirküle etmeye yarayan ısıtma ünitesi vardır. Açıklığın üstünde ısıtılmamış bir hava perdesi vardır. Hava perdesi, içerideki havayı alıp yukarıdan aşağıya doğru açıklık boyunca üflemektedir. Bu tip sistemlerin tasarım şartı olarak, hava perdesinin nozulları açıklıktaki rüzgar etkisini yenebilmek için az bir miktarda binanın dış tarafına doğru yönlendirilmişlerdir. Dış sıcaklık sabit -6°F’tır ve rüzgar yoktur. Isı kaybı açısından rüzgarsız durum hava perdeleri için en kötü durumdur çünkü hava perdesinin yarattığı hava akımını binanın içine doğru itecek bir kuvvet yoktur. 

Hava perdesinin, 4 inç genişliğindeki nozullarından hava üfleyen sekiz santrifüjlü fanı vardır ve perdenin uzunluğu 16 ft’tir. Şekil 1, açıklık boyunca olan hız profilini ve kapı boyunca olan hava banyosunu net bir şekilde göstermektedir. 

Şekil 1. Hava perdesi hız profili

Hava perdesi çalıştırılır ve iç sıcaklık yerden 5 ft yükseklikte ortalama 68°F’ta dengelenene kadar odaya ısı verilir (soldaki ısıtıcı vasıtası ile). Gerekli olan ısı girdi oranı 2,5 milyon Btuh’tir fakat rüzgarın olduğu durumda bu değer daha az olacaktır. Şekil 2’deki mavi objeler, geçirgen özellik gösteren raflar olarak modellenmiştir ve modellemede kayda değer bir rolleri bulunmamaktadır. 

Şekil 2. Çalışan hava perdesi ve 2,5 milyon Btuh ısı girdisi oranı ile yatay sıcaklık profili

Bina içerisinde 7,6°F’lık maksimum sıcaklık farkı, mahal içerisindeki maksimum sıcaklığın skalanın en üstünde gösterildiği gibi 117°F olması ve açıklığın dış kısmı Şekil 2’de özellikle dikkat edilmesi gereken verilerdir. 
Şekil 3’te bina içerisinde hiç soğuk hava girmediği ve hava perdesinin sıcak havayı açıklık boyunca üflediği rahatlıkla görülebilir. Zeminden tavana sıcaklık farklı her feet yükselme başına 1°F’tır. 

Şekil 3. Çalışan hava perdesi ve 2,5 milyon Btuh ısı girdisi oranı ile dikey sıcaklık profili

Modelin sıradaki iterasyonunda, ısı girdi oranı 2,5 milyon Btuh’te tutulmuş ve hava perdesi kapatılarak bina sıcaklığının sabitlenmesine izin verilmiştir. (Şekil 4).

Şekil 4. Hava perdesiz ve 2,5 milyon Btuh ısı girdisi oranı ile yatay sıcaklık profili

Şekil 4’te, zeminden 5 ft yükseklikteki ortalama sıcaklığın 51°F’a düştüğüne dikkat edilmelidir. Skaladaki maksimum sıcaklık mahal içerisindeki daha düşük maksimum sıcaklığa atfedilebilir. Ayrıca açıklıktan soğuk hava girişi açıkça görülmektedir. 

Şekil 5’te hava perdesinin kapalı olduğu durumdaki dikey sıcaklık profili görülmektedir. Sıcak havanın açıklığın üst kısmından dışarıya yayıldığı, açıklığın alt yarısından ise soğuk havanın içeriye giriş yaptığı ve zemin boyunca yayıldığına dikkat edilmelidir. Binanın içerisine infilitre olan hava kapıdan sonraki ikinci rafa kadar ulaşmaktadır. Sıcaklık farkı, her feet yükselme başına 2°F’a ulaşmıştır. 

Şekil 5. Hava perdesiz ve 2,5 milyon Btuh ısı girdisi oranı ile dikey sıcaklık profili

Değerlendirmenin son adımında, odanın ortalama sıcaklığının tekrar 68°F’a getirilmesi için gerekli olan yakıt girdisinin belirlenmesidir. Şekil 6’da ortalama bina sıcaklığı 70°F’tır ve bu değere ulaşabilmek için ek bir 1,25 milyon Btuh gereklidir. 

Şekil 6. Hava perdesiz ve ek ısı ile yatay sıcaklık profili

Şekil 6 ile Şekil 2 karşılaştırıldığında en çok dikkat çeken, maksimum sıcaklık değerinin 144°F olması ve sıcaklık farkıdır. Ölçüm yapılan 9 farklı nokta arasında en yüksek farklılık 14,6°F’tır. Buna karşın hemen açıklığın içerisindeki sıcaklık ile en sıcak noktadaki sıcaklık arasındaki fark 65°F’a yakındır. 
Şekil 7’deki görünüm, Şekil 5’te görülen açıklık üstündeki ısı yayılımını ve kapının alt kısmındaki soğuk hava infilitrasyonunu desteklemektedir. Görülmesi zor olan soğuk hava infilitrasyonunun boyutudur. Burada soğuk hava ikinci rafı da geçmiş ve neredeyse binanın 2/3’üne kadar yayılmıştır. Zeminden tavana sıcaklık farkı, her bir feet yükselme başına 2°F’tan daha fazladır. 

Şekil 7. Hava perdesiz ve ek ısı ile dikey sıcaklık profili

Sonuç
CFD, HVACR mühendislerine; bir bina zarfı içerisindeki sıcaklık gradyanlarını ve hava akım modellerini yüksek kesinlik derecesinde belirleyebilmeleri için güçlü bir araçtır. Şekil 1’deki hız profili, bina ortamını dış ortamdan ayıran hava perdesini göstermektedir. Şekil 2 ve 3, simülasyonlar için temel modeli göstermektedir. Şekil 4-7 hava perdesi kapandığında ve farklı ısı girdi değerlerinde model sonuçlarını göstermektedir. Bu CFD modeli, enerji tasarrufunda hava perdesinin etkinliğini göstermektedir. Hava perdesi, bina açıklığındaki ısı transferini minimize ederek enerji tasarrufu sağlamıştır. Kapının açık olduğu durumda, binayı ortalama 70°F sıcaklıkta tutmak için gerekli olan enerjinin 1/3 oranındadır. Buna ek olarak bina içerisindeki sıcaklık dağılımı hava perdeli durumda; hava perdeli olmayan duruma göre çok daha istikrarlıdır. 

Sıcaklık grubu verisi ile CFD analizi bilrşetirilmesiyle, beklenen yıllık enerji tasarrufu miktarı belirlenebilir; basit yatırımın geri dönüş süresi, iç karlılık oranları ve hava perdesinin işletim ömrü süresince net şimdiki değeri gibi ekonomik analizler yapılabilir.