ASHRAE’ye Göre Dinamik Isı Kazancı Simülasyonu

Kolay kullanımla, fiziksel bir yaklaşım

Hazırlayan: Nadir Sarkuş, liNear Türkiye Satış Müdürü

Mümkün olan en yüksek düzeyde enerji verimliliğine sahip bir sistem tasarımı, sadece ısı yükünün yaklaşık bir hesaplamasını değil, mümkün olduğu kadar kesin bir soğutma yükü hesaplamasını da gerekli kılmaktadır. Bu konuda verimli bir çalışma sağlayabilmek için hesaplama programı veri girişleri ve hesaplama süresi mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır. Bu ikilemden çıkmak için de VDI-Richtlinie 6007 ve VDI-Richtlinie 2078 [1], Ö-Norm H 6040 [2] ve ASHRAE [3] gibi çeşitli ısı kazancı hesaplama yöntemleri geliştirilmiştir. Bu çalışma, uzun yıllardır fiziksel mahal ve bina simülasyonunu kullanan ve dünyaca tanınmış ve kabul edilmiş ASHRAE yöntemini tanıtmaktadır.
Isı kaybı ve ısı kazancı hesaplamaları ısıtma ve soğutma sistemlerinin tasarımı için temel oluştururlar. Bu hesaplamalar bina içi iklimlendirmede gerekli tüm boru hatları, hava kanalları, havalandırma menfezleri, radyatörler, ısıtma kazanları, soğutma aletlerinin ve tüm diğer yapı bileşenlerinin boyutlarını etkilemektedir. Bu sayede binanın yapım ve işletim maliyetleri, enerji tüketimi, konfor ve bunlarla birlikte kullanıcıların verimliliği üzerinde büyük bir kontrole sahipsiniz. Özellikle artan enerji maliyetleri dönemlerinde, doğru ve kesin hesaplama büyükler kadar, küçük sistemlerin de yatırım ve işletim maliyetlerini etkiler. Artık işletim maliyetleri haklı olarak kullanıcıların ilgi odağı durumundadır. “daha çoğu, daha iyidir” prensibi, enerjinin kesin ve hassas kullanımıyla ortadan kalkmıştır.

ASHRAE nedir?

American Society of Heating, Refrigerating & Air-Conditioning Engineers (Amerikan Isıtma, Soğutma & Havalandırma Mühendisleri Birliği), kısaca ASHRAE, dünya çapında faaliyet gösteren VDI gibi bir mühendisler birliğidir. Bu kuruluş, bina donanımı ve sistemlerinin sürdürebilirliği, enerji verimliliği ve hava kalitesi konusunda, ısıtma, soğutma ve havalandırma teknikleri bölümlerinde komple endüstriyel gelişmelere destek olmayı kendine görev edinmiştir. Bir Aachen yazılım firması olan liNear, uluslararası pazarlardan gelen talepleri ve soruları karşılamak için, dinamik ısı kazancı hesaplama yöntemini içeren bir yazılım çözümünü, ASHRAE yaklaşımına göre hayata geçirmiştir. Kaldı ki bu yöntem VDI 2078’in alternatifi olarak kullanılabilir. ASHRAE’ye göre ısı kazancı hesaplaması, örneğin zaten bina simülasyon programları “TRNSYS” [5] ve “EnergyPlus” [6] için de kullanılmaktadır. Karşılaştırmalı ölçümler göstermektedir ki, bu model gerçeklere uygundur. Bunun dışında ASHRAE araştırma projesi RP 1117 için de ölçümler yoluyla mahaller gerçek olarak tespit edilmiştir. Aşağıda bilimsel alanda ve uygulamada kullanılan ve ısı kazancı simülasyon programı “liNear Building Cooling Dynamic” içinde yer alan ASHRAE’ye göre farklı soğutma yükü yöntemleri, meskun olmayan mahaller için soğutma yükü [8] [4] gösterilecektir.

Binaların ve hacimsel alanların doğru termik modellemesi

Resim 1. ASHRAE’ye göre ısı kazancı hesaplaması arayüzü ve iç yük sonuçlarının gösterilmesi

Fourier ısı iletim dengelemesi çözümü ile ASHRAE’ye göre fiziksel doğru tasarım yöntemi uyuşmaktadır [9]. Böylece duvarların ısı iletimi dengelemesi, duvarların geometrik ve fiziksel özellikleri ile birlikte önceki sistem durumu (duvarlarda gecikmeli ısı depolaması ve aktarımı) göz önüne alınarak “State-Space” metodu (mahal durumu metodu) yardımıyla doğrudan yapılacaktır. Böylece oda sıcaklığının (serbest salınımlı sıcaklık), verilen yüklerde ya da iç ve dış yüklerin (resim 1) ve yük koşullarının zamana bağlı verilerinin simülasyonu gibi daha birçok olanaklar ortaya çıkacaktır. Buna ek olarak sistemin işletim süresi sınırlandırılabilir. Işıklandırma, makinalar ve kişiler gibi iç yüklerin yanı sıra madde girişi ve dış hava infiltrasyonu ya da bitişik mahal kaynaklı hava akımı da dikkate alınır. İnfiltrasyon yoluyla odaya giren hava sıcaklığına ya da başka bir maddenin (madde girişi) sıcaklığına bağlı olarak, bu faktörler soğutma yükünü pozitif etkileyebilir, bunun anlamı soğutma etkisi yapabilir. Duvardaki zamansal ısı akışını belirlemek için sayısız olanak mevcuttur. Bunun yanında bina simülasyonu, sistemlerin oda-durumu-metoduyla [10] [11] analizinden bilinen CTF-Katsayılarının (Conduction Transfer Function) kullanımıyla yapılır. Böylelikle duvarların ısı iletimi dengelemesi, bir diferansiyel ısı iletimi sistemi içerisinde yapılıp ve sabit bir zamanlama adımında tamamlanır. “State-Space” metodundan gelen (mahal durumu metodu) dönüşümlere göre, bir dizi hesaplanabilir CTF-katsayıları ortaya çıkarılmıştır. Bu katsayılar, iç ve dış tarafların tüm hacimsel alanlarının, aktüel spesifik ısı akışını ve aktüel sıcaklıklarını, geçmiş sıcaklıklar ve geçen zaman temelinde hesaplanmasını sağlar (resim 2). Duvarın yoğunluğu ve ağırlığı ne kadar fazla ise katsayıların geçmişinin de o kadar çok dikkate alınması gerekir. ASHRAE’ye göre ısı kazancı hesaplaması, tek-tek tüm hacimsel alanların ve üst yüzeydeki sıcaklıkların (iç ve dış) tüm zamansal adımlarının verilmesini sağlar. Mahaldeki ısıl davranış, çok sıkı bir şekilde mahalin hacimsel alanlarına bağlıdır. Hacimsel alanlar fiziksel malzeme özellikleriyle (ısıl iletkenlik, ısıl kapasite, yoğunluk, geometri, termo optik özellikler) tanımlanabilirler. Duvarın her iki tarafına da zamana bağlı değişken yükler eklenebilir. Bunlar hava sıcaklıkları ve güneş ışınımı, iç ısı yayınımı değişimi gibi etkileme faktörü olarak konvektif süreçlerdir.

Resim 2. Üst yüzey sıcaklık sonuçlarının simülasyonu

Kısa dalga güneş ışınımı

Isı kaybının tersine ısı kazancının tespitinde mahal içindeki yapı bileşenleri de önemlidir (termik ısı depolama kapasitesi). Mahalin tüm hacimsel alanları, ışınımın radyatif bölümünü alarak, aldıkları ve depoladıkları enerjiyi gecikmeli olarak geri vermelerini sağlarlar. Konum ve konuma bağlı iklim verileri yoluyla, hacimsel alanları etkileyen ve pencere yoluyla içeri giren direkt ve yayınımlı ışınım miktarı tespit edilir. Ayrıca pencereler için ek olarak toplam enerji geçirgenlik derecesi gibi, aynı zamanda iç ve dış gölgelendirmelerde dikkate alınır. İklim verileri US Department of Energy (DOE) (Amerikan Enerji Bakanlığı’nın bir şubesi) tarafından sağlanmaktadır (resim 3).

Resim 3. Dünya genelinde ücretsiz olarak iklim verilerinin yanı sıra ışınım modellerinin doğru fiziksel simülasyonları da hizmetinizde

Böylelikle tüm kıtalardan yaklaşık 2100 meteoroloji istasyonunun verileri kullanımınıza hazırdır. İklim verileri ısıtma ve soğutma için tasarım gününün dışında, fiziksel bir değerlendirme için başka parametreleri de (örneğin koordinatlar, hava basıncı, dış hava ve çiy noktası sıcaklıkları, atmosferin optik derinliği gibi) içinde barındırmaktadır. Güneş ışınımı, güneş değişmezi 1367 W/m²’den, üst yüzeye kadar, aşağıdaki faktörlerden etkilenmektedir (resim 4): Güneş ile dünya arasındaki değişen mesafe nedeniyle sonuç, yıl dönümü başına +/- 3,3 % olarak uyarlanacaktır. Güneş ışınımı, doğrudan ışınım, atmosfer yayınım ışınımı ve zemin yayınım yansıması olarak ayrılmıştır. Burada güneş yüksekliği ve azimut gibi, eğim ve binanın yönü de rol oynamaktadır.

Resim 4. Güneş ışınımı modeli

Buna ek olarak ışınımı, atmosfer tabakaları arasındaki geçişinden yeryüzüne gelişine kadar azaltmak için, doğrudan ve yayınımlı ışınım için optik derinlik kullanılır. Güneş radyasyonu bir mahaldeki ısı getirimine önemli katkıda bulunduğundan, dış pencere gölgelendirmesi için bir editör geliştirilmiştir. Burada farklı gölgelendirme durumları oluşturulabilir ve buna göre farklı pencereler tahsis edilebilir. Bu gölgelendirme yapılandırmaları üç boyutlu bir güneş ışınımı simülasyonuyla gösterilebilir ve her değişiklik hızlandırılmış bir görünüm penceresinde görsel olarak takip edilebilir. Program bir Raytracing-Model yoluyla, gölgelendirme payı süresi başına, dışta bulunan herhangi bir gölgelendirme bileşenini tespit edebilir (resim 5). Bununla birlikte zemin yansıması, soğurma ve g-Değeri termo-optik özellikler, hacimsel alanlardaki güneş ışınımı sıcaklığının alımını belirler. İçteki gölgelendirme ve buna ilaveten kontrol, bir global ışınım sensörüyle dikkate alınır.

Resim 5. Hızlı gösterim modunda, üç boyutlu güneş ışınımı simülasyonu ile gölgelendirme yaratıcısı

Uzun dalga ışınım modeli

Mahaldeki ışınım modeli Radiosity-Matrizen-Yöntemiyle [12] tanımlanmaktadır. Bununla birlikte emisyon, soğurum ve mahal içindeki yüzeylerin karşılıklı görünebilirliği önemli bir rol oynar. Gerçeğe çok yakın bir ışınım modeli nedeniyle (resim 6) duvarların bilanço sonuç sınırları, her defasında iç ve dış yüzeylerin üzerinde kalmaktadır. Fiziksel yaklaşım, mahalin içindeki sıcaklık gelişimi ile ilgili kesin ifadelerde bulunabilmemizi sağlar. Birçok başka ısı kazancı yönteminde ışınım ısı kaybı matematiksel doğrusallaştırmayla basitleştirilerek değerlendirilmiştir. Bu durum ısı iletim katsayısının sadece 20 °C’ye yakın bir sıcaklıkta belirgin olmasına yol açar. Bu iki yaklaşım arasındaki ısı akışı farklılıkları, yüzey sıcaklıkları 20 °C’den uzaklaşıldıkça daha da artar [13], örneğin, serbest salınımlı sıcaklık durumunda. Dış yüzeyler eğimlerine göre çevreyi görürler. Görünüm faktörü yüzde olarak bir bölümü yeryüzünü diğer bölümü gökyüzünü görecek şekilde dağılır. Buna ilaveten ışınım değişimi, duvarın emisyon katsayılarına bağlıdır. Bununla birlikte yeryüzü yüzey sıcaklığı, hava sıcaklığına eşit olarak ayarlanır. Binanın içindeki ve dışındaki uzun dalga ışınım, Stefan-Boltzmann’a göre yayınımlı ışınım modeliyle hesaplanır.

Resim 6. Radyatif ve konvektif ısı değişimi ağı (Basitleştirilmiş 2B-Görünüm, kuş bakışı modunda; Hesaplama üç boyutlu mahalde yapılır)

Sonuç

ASHRAE’ye göre dinamik ısı kazancı hesaplaması, kapsamlı simülasyon uygulamasıyla özel durumlar ve projeler için geçerli sonuçlar alabilmenizi sağlar. Örneğin:
- Sınırlandırılmış soğutma kapasitelerinde soğutma yükünün belirlenmesi (örn. BKT-Yüzey soğutma),
- Serbest salınımlı sıcaklığın belirlenmesi (soğutma yükü yok),
- Kullanım profili yoluyla sistem işletiminin zamansal sınırlaması,
- Dış hava destekli gece soğutması,
- Tüm hacimsel alanların yüzey sıcaklıklarının belirlenmesi,
- Pencere gölgelendirme simülasyonu,
- Harici global ışınım sensörü yoluyla aktif pencere gölgelendirmesi,
- Kullanım profili yoluyla iç yüklerin kullanıcıya bağlı zamansal olarak kararlaştırılması,
- Nem bilançosu ve nem kontrolü.
Genel fiziksel ısı bilançosu yaklaşımı dikkate alındığında yöntem istenildiği kadar teknik özellik ve kontrol senaryolarıyla genişletilebilir. Bugün bile programın kullanımı geleceğe yönelik metotlarla soğutma sistemlerinin planlama ve tasarımını mümkün kılsa da, bu noktadaki geliştirme yeni başlamıştır. Fiziksel olarak kesin ısı kazancı hesaplaması, çok yönlü kullanım olanaklarının yanı sıra, Almanya’da ve dünyada, kesin olarak tespit edilmiş bir enerji kullanımı yoluyla, aşırı boyutlandırmalara gerek kalmadan kalıcı bir enerji tasarrufu yapmanızı sağlar.

Kaynaklar

[1] ASHRAE: American Society of Heating and Refrigerating Engineers
[2] ASHRAE Fundamentals 2013 (SI Edition)
[3] ASHRAE Fundamentals 2013 Chapter 18, Nonresidential Cooling and Heating Load Calculation
[4] ÖNORM H 6040 (2012) Berechnung der sensiblen und latenten Kühllast von Räumen und Gebäuden
[5] VDI 6007/ VDI 2078 (2015)
[6] Modelling of Heat Transfer in Buildings, Dissertation, J.E. Seem, 1987
[7] Calculating building heating and cooling loads using the frequency response of multilayered slabs, Dissertation, D.C. Hittle, 1981
[8] TRNSYS, Transient Simulation Tool (University of Wisconsin, Transsolar, TESS.).
[9] EnergyPlus 8.4, Building Energy Simulation Programm (DOE, Department of Energy, USA)
[10] ASHRAE Research Project RP 1117 (2013): Experimental Validation of Design Cooling Load Procedures: The Heat Balance Method, D.E. Fisher, C. Chantrasrisalai, I.Iu, D.S. Eldridge
[11] DIN EN ISO 6946 (2008), Tabelle A.1, Temperaturabhängigkeit Wärmeübergangskoeffizient
[12] Wärme und Stoffübertragung (2003), 4. Auflage, H.D. Baehr, K. Stephan