Laboratuvar Havalandırma Yöntemlerinin Enerjiye Etkileri
Sabit yüzdeli fark ve kapı başına sabit akış yöntemlerinin incelenmesi
Hazırlayanlar: Victoria Herman, PE, LEED AP BD+C, Kenneth Gow, PE, FPE, Greenwood Village, Colo., John B. (Joby) Evans JR., PE, CAC, CxA, CBCP, CEM, LEED BD+C, Decatur, Ga., Merrick & Co.
Çeviren: Meriç Noyan Karataş
Laboratuvar havalandırma yönteminin – sabit yüzdeli fark veya kapı başına sabit akış – diğer tasarım değişkenlerine kıyasla genel enerji tüketimine fazla bir etkisi yoktur. Bir gün öğle yemeğinde meslektaşım laboratuvarlar için yönlü hava akışının hesaplanmasında pratik metotların gereksiz enerji tüketimine yol açıp açmadığını sordu. Bu da havalandırma için tüketilen enerji miktarını nelerin etkilediği sorusunu gündeme getirdi. İlk aklımıza gelen genel bir kullanım olan besleme havası üzerine egzoz havasının yüzde 10’luk farkını kullanarak enerjiyi boşa harcadığımız oldu. Sonunda keşfettiğimiz şey bizi şaşırttı…
Laboratuvar Havalandırma Gereklilikleri
İlk olarak havalandırma gerekliliklerini nelerin etkilediğini inceledik. Hava ile taşınan tehlikeli maddelerin – özellikle kimyasal, biyolojik ve radyolojik maddelerin - yayılma riskinin azaltılması için laboratuvar ve ilgili alanların genel olarak içeri yönlü hava akışına sahip olması gerekmektedir. Yönlü hava akışını belirleyen birçok standart vardır; mesela ABD Sağlık ve İnsani Hizmet Bakanlığı’nın Biyomedikal ve Mikrobiyolojik Laboratuvarlarda Biyogüvenlik; NEPA (Ulusal Yangın Önleme Derneği) 45, Kimyasal Kullanan Laboratuvarlar için Yangın Önleme Standardı; ABD Tarım Bakanlığı’nın Tarımsal Araştırma Enstitüsü Tesis Tasarım Standartları; Ulusal Sağlık Enstitüsünün Tasarım Koşulları Manuel’i; ABD Enerji Bakanlığı’nın Elkitabı 1132, Tasarım Hususları; ve ABD Enerji Bakanlığı’nın Elkitabı 1169, Nükleer Hava Temizleme gibi.
Temiz ve düşük riskli mahallerden kirlilik riski yüksek mahallere hava akışının sağlanabilmesi için, laboratuvarların bitişik oldukları alanlara nazaran negatif basınçta olması gerektiği konusunda tasarım standartlarında ortak bir görüş vardır. Bu negatif basınç, kritik alanlarda besleme hava debisinin egzoz hava debisinden daha az tutularak yaratılır.
Negatif basınç farkı, hava akışının hava direncini (örneğin küçük çatlakların sebep olduğu) yenmesi ile elde edilebilir. Açık kapı aralıkları çok düşük direnç oluşturacağından bir basınç farkı ortaya çıkarmaz. Normalde laboratuvar havalandırma sistemlerinde kullanılan hava akışları, açılıp kapanan kapıların, ısıl farklılıkların ve gelip geçenlerin yarattığı fan etkisi yüzünden; açık kapı aralıklarında meydana gelen hava hareketlerini yenmek için çok düşük seviyelerdedir.
Laboratuvar tasarımında ne kadar hava debisi farkına izin verileceğini belirlemek için 2 yaygın yöntem kullanılır. Birincisi, odanın toplam egzoz havası ile besleme arasında sabit bir yüzde değerinde fark tutmak, diğeri ise mahaller arasındaki sızıntı yollarından geçen hava debisinin tahmin ederek bu değeri sabit debi farkı olarak kullanmak. Bu iki yaklaşım farklı endişelerden doğmuştur ve farklı çıkarımları vardır. Bu makalede, biz öncelikli olarak enerji çıkarımlarını inceleyeceğiz.
Sabit Yüzdeli Fark
Sabit yüzdeli fark (Şekil 1) besleme ve egzoz akışlarındaki değişkenliğin ters akışlara sebep olabileceği yönündeki endişeye hitap eder. Daha eski kontrol sistemlerinde yaklaşık yüzde ±5 hava debisi salınımları vardır. Eğer alanın toplam egzozu toplam beslemenin üzerine %10’dan daha aza ayarlanmışsa, besleme debisi artarken egzoz debisinin düşmesi beklenebilir. Böylece, besleme egzozu geçer ve bu da kirli alandan hava çıkışına sebep olur. Toplam yüzde 15’lik sabit bir fark ile bu durumun önüne geçilebilir.
Şekil 1: Sabit Yüzdeli Fark. Oda hava akış örneği
Ventüri hava damperleri, genellikle sabit yüzdeli fark kurulumlarında kullanılırlar. Fan basınç dalgalanmalarından bağımsız ve kendi kendine çalışır olduklarından çok sağlıklı bir kontrol sistemi sunarlar.
Sabit yüzdeli fark tasarım metodunda, transfer havası gereksinimi küçük odalar için azken büyük odalar için fazladır. Pratikte kapılar karşısında hedef basınç düşüşünü sağlamak için küçük odalar daha yüksek bir debi farkı ile tasarlanırken daha geniş odaların istenilen debi farkını karşılayacak kadar yeterli kapıları olmayabilir ve bu yüzden duvarlara açılacak özel boşluklara ihtiyaç duyulabilir.
Geniş odalarda hava akış debilerini koruyabilmek için önemli miktarda havaya ihtiyaç vardır. Akış hızı ne kadar yüksek olursa, alanın dışından gelmesi gereken fark hava akışı ihtiyacı da o kadar fazla olur. Bazı durumlarda akış hızı, oda kapılarının kapalı olduğu durumlarda meydana getirebileceği maksimum sızıntı miktarlarını aşabilir. Bu gibi durumlar için zaman kapalı oda basıncının ayarlanabilmesini sağlamak için ayarlanabilir hava-sızıntı yolları odaya eklenir.
Hava sızıntısının kontrol edilebilmesi için ayarlanabilir damperler
Kapı Başına Sabit Akış
Kapı başına sabit akış kavramı temiz ve kirli alanlar arasında belirli bir fark basıncı elde edebilmek adına verilen çabalardan doğmuştur. Bunu duvarlarda hava transfer boşlukları yaratmadan elde edebilmek için mahaller arasındaki toplam açıklık alanlarının ölçülmesi gerekir. İyi biçimde inşa edilmiş bir binada açıklık alanlar en fazla kapı boşluklarının etrafındadır; bu durumda en basit yaklaşım kapı başına sabit hava akışını seçmek olur. ABD Tarım Bakanlığı’nın Tarımsal Araştırma Enstitüsü Tesis Tasarım Standartlarına göre, “Sınırlı alana sızdırılan havanın her bir kapı aralığı için daima en az 50 ft3/dk olması tavsiye edilir.” Kapı başına sabit akış kavramı temiz ve kirli alanlar arasında belirli diferansiyel basıncı elde edebilmek adına verilen çabalardan doğmuştur.
Hava Damperi
Kapı başına akışa dayanan tasarımlar, akış farkı baz alınarak tasarlanan küçük odalarınkine benzer düzenlemeler gerektirir. Birim alan başına düşen kapı sayısı daha az olan geniş odaların debi farkı gereksinimleri de düşük olacaktır. Bu yüzden, akış sapmalarını ayar noktasından çok düşük fark miktarlarında tutabilen, yüksek doğrusal kontrol karakteristiklerine sahip pnömatik damperlere gerek duyulmaktadır. Hava geçirgenliği çok düşük olan odalar için, ana kontrol damperine paralel olarak daha küçük bir ayar damperi koyulması, akış kontrol hassasiyetini daha da arttırır (Şekil 2).
Şekil 2: Ayar vanası dizilimi
Enerji Tüketimi
Laboratuvarlarda genellikle hava devir daim edilemez çünkü bunun yapılabilmesi için %100 dış hava kullanan bir sisteme ihtiyaç vardır. Bir binanın koşullandırılması için gerekli olan enerji miktarının azaltılmasında ilk kural; gerekli olan toplam dış hava miktarının azaltılmasıdır. Bizim çalışmamızda, dahili yüklerin ve egzoz gerekliliklerinin altı kombinasyonu, toplam dış hava gereksiniminin belirlenmesi için kullanılmıştır. Bu kombinasyonlar beş farklı oda boyutuna uygulanmıştır. Her bir oda için %100 dış hava kullanımlı sistem varsayımı yapılmıştır.
Mahal koşullandırılması için gerekli olan besleme havası iki sabit dahili yük yoğunluğu baz alınarak hesaplanmıştır: 15 W/ft2 ve 30W/ft2. Her bir dahili yük için, saatte 6, 10 ve 15 hava değişim sayısındaki egzoz oranları uygulanmıştır.
Her iki mahal ısıl yükü ve değişen havalandırma oranları için; hem sabit yüzdeli fark hem de kapı başına sabit akış tasarım metoduna göre hesaplamalar yapılmıştır.
Hesaplamalar
Çalışmamız, bir odanın iki farklı senaryoda toplam dış hava gereksiniminden hareket edilerek enerji tüketimini değerlendirmiştir. Her bir senaryo için toplam dış hava miktarı, aşağıda sıraladıklarımızdan daha fazladır:
- Gerekli olan egzoz miktarı, ft2 başına 1 ft3/dk’da hesaplanmıştır
- 15 ˚F sıcaklık farkındaki 15 W/ft2’lik soğutma için gerekli olan besleme havası miktarı
- Gerçek egzoz miktarı gerekli olan egzoz miktarı ile odaya sızan transfer havasının toplamıdır ( % 15 sabit fark veya 50 cfm sabit transfer havası için).
- Soğutma yükünü besleme havası tarafından karşılandığını garantileyen gerçek besleme miktarı
Senaryo 1’de % 15’lik sabit fark değeri kullanılırken, Senaryo 2’de kapılardan 50cfm’lik sabit akış değeri kullanılmıştır. % 15’lik fark için, minimum 50 cfm’lik debi gerekmiştir. Bu minimum 50 cfm’lik değer, ABD Tarım Bakanlığı’nın Tarımsal Araştırma EnstitüsüTesis Tasarım Standartları’na uygun olup dengelenebilecek minimum hava debisini temsil etmektedir.
Sonuçlar
15W/ft2’lik sabit dahili yük yoğunluğu ve saatte 6 hava değişim sayısı için, iki senaryo arasında fark sadece en büyük odalarda (2000 ft2, 1000 ft2 ve 500 ft2) gözlemlenmiştir. Bu odalar için, düşük hava değişim sayılarında, %15’lik sabit fark yönteminde daha fazla hava ihtiyacı görülmüştür ki bu tasarım yaklaşımında enerji sarfiyatının daha fazla olduğunu göstermektedir. Diğer odalar için (saatte 6 hava değişimi olan 100 ft2, saatte 6 hava değişimi olan 200 ft2 ve saatte 10 ve 15 hava değişimi olan tüm odalar) iki tasarım yaklaşımı arasında enerji tüketimi açısından fark görülmemektedir.
Şekil 3: Gerekli olan toplam dış hava miktarı, dahili yük 15 W/ft2.
Sabit dahili yük yoğunluğunun 30W/ft2 olduğu durum için sonuçlar, 15W/ft2 için olanlar ile oldukça büyük bir benzerlik göstermektedir. Saatte 6 ve 10 hava değişimi değerlerinde, % 15 fark tasarımı uygulandığında en büyük odalar daha yüksek dış hava miktarı gerektirirler.
Şekil 3 ve Şekil 4 iki senaryo arasında çok az bir fark olduğunu göstermektedir. Buna karşın, düşük hava değişim sayısı gerektiren büyük odalarda, enerji tüketimi kapı başına sabit hava debisi yaklaşımında, sabit yüzdeli fark yaklaşımına göre daha az olacaktır. Buna ek olarak şekil 3 ve 4, gerekli olan dış hava miktarını etkileyen en belirgin etmenin oda boyutu ve hava değişim sayısı olduğunu göstermektedir.
Şekil 4: Gerekli olan toplam dış hava miktarı, dahili yük 30 W/ft2.
Gerekli olan dış hava miktarına ek olarak, havanın koşullandırılması için tüketilen enerji de göz önünde bulundurulmuştur. Atalanta, Denver, Seattle ve Minneapolis gibi farklı iklimsel özelliklere sahip dört lokasyon değerlendirilmiştir. Oda karakteristikleri ve hava debileri sabit tutulmuştur. Sonuçlar Şekil 5’te özetlenmiştir.
Şekil 5: 500 ft2’lik laboratuvar için yıllık havalandırma enerjisi tüketimi
Şekil 5’ten de görüleceği üzere, bir laboratuvarın lokasyonu havalandırma için tüketilen enerji miktarı üzerinde tasarım metodundan daha çok etkili olabilir.
Bizim çalışmamızın basitleştirilmiş bir laboratuvar durumuna odaklandığı ve gerçek tasarım koşullarında birçok farklı pratik problemlerin ortaya çıkacağı göz önünde bulundurulmalıdır. İçinde çeker ocakların veya biyolojik güvenlik kabinlerinin bulunduğu odalar, odanın soğutma yükünü karşılamak için gerekli olan besleme havası miktarından fazlasına gereksinim duyabilirler. Bitişiklerinde ofislerin bulunduğu bazı laboratuvarlar, ofis besleme havasının havalandırma bileşeninden çekilen fark debisini binaya hiçbir ek enerji maliyeti getirmeden kullanabilirler. Bizim çalışmamız, laboratuvar havalandırma metodunun (sabit yüzdeli fark veya kapı başına sabit akış) toplam enerji tüketimi üzerinde, diğer tasarım değişenlerine nispeten çok az bir miktarda etkisi olduğunu göstermiştir. Laboratuvar havalandırmasının boyutlandırılmasında kullanılan mevcut deneye dayalı metotlar gereksiz işletim maliyetlerine sebep olmakta mıdır? Bu soruya bizim bulduğumuz yanıt; “hayır”. Bir laboratuvar tasarımcısı en iyi yaklaşımı belirlemek için birçok farklı koşulu göz önünde bulundurmalıdır. Havalandırma için gereken toplam enerji tüketimi öncelikle oda boyutundan, gerekli olan saatteki hava değişim sayısından ve laboratuvarın lokasyonundan etkilenir, tasarım şeklinin sabit yüzdeli fark veya kapı başına sabit akış olmasından değil.
