Alçak Katlı Binaların Basınçlandırılması
05 Mayıs 2003 Dergi: Mayıs-2003
Yeni inşa edilmiş bir yapıda, özellikle Hvac sistemlerinin çalışmaması, sıkça karşılaşılan bir durumdur. Bina basınçlandırılması ile ilgili problemler çıktığında, sorumlu müşavirleri ve müteahhitleri bulmak çok güçtür. Otomatik kapıların insanlara zarar verebilen etkileri, halılardaki küf lekeleri, yetersiz HVAC kapasitesi ve kötü iç hava kalitesi gibi konular da, benzer şekilde, kodların yetersizliğinden kaynaklanmaktadır.
Bu makalede; binaların nasıl basınçlandırıldığı tartışılacak ve bina basınçlandırılmasıyla ilgili ciddi problemleri olan gerçek yaşamdan alınmış iki bina incelenecektir.
Bina basınçlandırılması (pozitif ve/veya negatif) iki anlama gelmektedir; Birincisi doğaldır, ortam havası ve esintilerin etkisiyle gerçekleşir. İkincisi ve genellikle baskın olanı; HVAC sistemiyle gerçekleşenidir. Özellikle ikinci bahsettiğimiz yöntemle bina basınçlandırılması; binanın ve hava kanallarının sızdırmazlığı, HVAC sisteminin konfigürasyonu ve HVAC sisteminin ayarları gibi çeşitli faktörlerle belirlenir.
Şekil 1’de görebileceğimiz gibi, dönüş havası kanalı aşırı derecede kısıksa, dış hava damperi tamamen hava sızdırmaz değilse ve yapı, nispeten dağınık, kompakt olmayan bir özellikte ise, bina pozitif basınçta olacaktır. Çünkü HVAC sistemi için gerekli havayı dış hava damperinden çekip bina kabuğundan içeri göndermek, kısık dönüş havası kanalından geri itmekten daha kolaydır. Öte yandan, eğer üfleme kanalında kaçak varsa ve dönüş havası kanalı fazla büyükse, havayı üfleme kanalındaki kaçak noktalarından göndermek ve binanın açık yerlerinden havayı çekmek daha kolaydır. Bu da, binanın negatif basınçta olmasına neden olur.
Yani, bir mekanın basınç koşullarını, bina ve HVAC tasarımına dayanarak öngörmek imkansız olabilir. Çünkü, bu koşulların belirlenmesi, büyük ölçüde binanın ve/veya HVAC kanallarının hava sızdırmalığı gibi niteliksel koşullara bağlıdır ki, bunları önceden kestirebilmek genellikle mümkün olmayabilir.
Bina basınçlandırmasının neden bu kadar önemli olduğunu anlamak için, otomatik kapanan kapılarla ilgili kodlara göz atalım. Bu özgül kodlarda, otomatik kapı tarafından uygulanan kuvvetin, sakat insanlar tarafından yenilebilecek maksimum miktarı verilmektedir. Eğer bir binada dış hava ekonomizeri varsa ve basınçlandırılmışsa, hava basıncı, otomatik kapının kapanması için gerekli kuvveti yenebilecektir, böylece sadece bir dokunuşla kapı açılacaktır. İzin verilen maksimum kuvvet 8.5 lb (38 N)’dir. Bilindiği gibi, bu kuvvet kapının ortasından uygulanır. Kapının menteşelerine gelen momentleri toplayabilir ve dengelenmiş kuvvetleri hesaplayabiliriz. Böylece moment;8 lb (36 N) ile kapının yarı genişliğinin olan 1.5 ft (0.46 m)’in çarpımı; 12 lb-ft (16.56 Nm)’dir. Çünkü kapı üzerindeki basınç kuvvetinin merkezi, aynı zamanda kapının merkezidir ve kapıyı yaklaşık 3 ft (0.9m) x 6ft 8 inç. ( 2m) veya 20 ft2 (1.9 m2) alabiliriz. O zaman 8.5 lb / 20 ft2 yaklaşık 0.003 psi (2.1 mmSS) eder. Çünkü 1 psi yaklaşık olarak 2.3 ft veya 28 inç su sütununa eşittir. 0.003 psi x 28 inç;yaklaşık olarak 0.1 inç su statik basıncına eşit olur. Gerçeklere baktığımızda, tüm kapılar mükemmel bir şekilde ayarlanmayabilir ve bir kapının çabuk, güvenli ve mandalını takabilecek şekilde kapatılması ve bunun için de biraz fazla kuvvet gerekebilir. 0.05 inç.su sütunu (1.27 mmSS), bina basınçlandırılmasında kodları karşılayabilecek pratik sınır değer olarak kullanılabilir. Üfleme ve emiş kanallarının, tüm damperler kapalıyken sızdırmaz olduğu, %100 dönüş havasıyla çalışılan bir binanın basınçlandırılması nötrdür (örneğin; atmosfere eşit). Bir binayı pozitif veya negatif basınçlandırmanın tek yolu; yaşam mahaline çekilen havadan daha fazla hava göndermektir. Bu durumda, üfleme ve emiş kanalları sızdırmaz, dış hava ve egzost havası damperleri kapalı ve sızdırmaz olduğunda, oturulan ortama gönderilen hava miktarı ve dönüş havası miktarı aynı olacaktır. Bu da ortamın ne pozitif ne de negatif basınçlandırıldığı anlamına gelir. Kanallardaki basınçları incelediğimizde, dönüş havası kanalındaki basınç negatifken, üfleme kanalındaki basıncın pozitif olduğunu görürüz. Eğer, dönüş havası kanalı aşırı derecede büyükse ve kanalda hiç statik basınç kaybı yoksa, fanın emiş tarafındaki basıncın atmosferik basınca eşit olduğunu varsayabiliriz. Pozitif basınç, sadece üfleme kanalında vardır. Dış hava damperini açarak bina içinde havalandırma yapmaya başlarsak, dış hava damperinden hiç hava gelmeyecektir. Çünkü damperin her iki tarafında da basınç aynı olacaktır. Binanın içerisine havalandırma havasının girmesi için, dönüş havası damperiyle üfleme fanı arasında negatif basınç yaratmaya ve sınırlandırmaya yarayan, dönüş havası damperini biraz kapatmamız gerekir. Eğer havalandırma havası, binanın istediğimizden daha fazla basınçlanmasına neden oluyorsa, egzost havası damperini açarak fazla basıncı tahliye edebiliriz.
Tabii ki, ne böyle mükemmel binalara ne de HVAC sistemine sahip değiliz. Örneğin, çok katlı binalarda dönüş havası kanalında statik sürtünme kayıplarının; 1/4 ile 1/2 inç su sütunu olması, oldukça yaygındır. Dış hava ekonomizerine sahip bir binanın, statik olarak 1/4 ile 1/2 inç su sütunu basınç aralığında basınçlandırılabileceği anlamına gelmektedir (1/2 inç su sütununda, kapıyı hareket ettirmek için yaklaşık 50 lb kuvvet gerekir). Ancak bunun çalışmadığını, tecrübeler göstermiştir. Bu da, bina basınçlandırılması için aktif kontrolun olması gerektiği anlamına gelir. Bunu yapmak için iki yol vardır:
1. Dönüş havası kanalında hemen hemen hiç statik sürtünme kayıplarının olmadığı ve/veya olabildiğince sızıntılı bir bina tasarlamaktır. Bu da aklımıza asma tavanı olmayan, dış havayı doğrudan emen, çatı ünitesi olan ve perakende satış yapan, tek katlı kereste depoları veya doğrudan eve teslim yapan mağazaları, genellikle yükleme kapısı tamamen açık depoları aklımıza getiriyor. Aynı zamanda, dönüş havasını doğrudan dışardan emen, duvara monte edilmiş paket klima üniteli prefabrik binaları aklımıza getiriyor. Bu tip binaların genellikle aşırı basınçlandırmayla ilgili problemleri yoktur.
2. HVAC sisteminin bir parçası olarak, dönüş/egzost fanı kullanınız. Böyle bir fan dönüş havası kanalındaki statik sürtünme kayıplarını yenecektir. Hızını ve damperleri uygun bir şekilde ayarlayarak; nötr, negatif basınçlı veya pozitif basınçlı bir ortam elde edebiliriz.
Tek kattan fazla olan binalarda belki de uygun şekilde çalışacak dönüş/egzost veya ekonomizer tahliye fanı gerekecektir. Ekonomizer çalışırken aşırı derecede basınçlanmayacaktır. Bu sebepten dolayı dış hava ekonomizerleri tüm sistem ebatları için; Kaliforniya Kodları Başlık 24 ve ANSI/ASHRAE/IESNA Standartları 90.1’deki değerleri şart koşmaktadır. Tek katın üzerindeki binalar, HVAC sisteminin bir parçası olarak dönüş/egzost fanına sahip olmalıdır. Mükemmel bir bina ve dönüş kanallarında hemen hemen hiç kayıp olmayan sistem tasarlanmadıkça tahliye fanı görevini yapamayacaktır. Çünkü bina dönüş havasıyla işletim altında, elbette aşırı derecede pozitif basınçlanacaktır. Tabii ki, daha önceden kurulmuş bir sisteminiz varsa, damperleri ve dönüş/egzost fan hızını dengelemeniz gerekecektir.
Karşılaşılabilecek çeşitli problemler hakkında fikir vermesi açısından, aşağıdaki durum incelemesi, gerekli bilgileri vermektedir.
DURUM İNCELEMESİ TIBBİ YÖNETİM BİNASI
Kuzey Kaliforniya’daki büyük bölgesel tıp merkezi, diğer tıp merkezleriyle birleştiği zaman, yeni sağlık oluşum, tüm yönetim ve finans işlemleri bölümünü, aynı ofis alanında yerleştirmeyi seçti. Bir bina satın alındı ve bir mimarla anlaşıldı. Maalesef, binaların HVAC sistemlerindeki önceden var olan eksiklikler süregiderken, kendi danışman mühendisi bulunan mimari firma, işi, temel yapı restorasyonu olarak ele almak yerine, tipik bir kiracının yapacağı geçici tadilat projesi olarak ele aldı. Binaya yapısal bir değişiklik yapılmaksızın, binanın dışına haricen bir kılıf geçirmek gibiydi. Bu, binaya yerleşmeden önce bazı HVAC sistem problemlerine yol açtı. Firmamız HVAC sisteminin fiziksel uygunluğunu sağlamayı yüklendi, gözlem ve testlerle sorunları belirledi. Çizimler düzetilerek, yerleştirme hakkında mimarla yapılan toplantıda, bilirkişi tespitleri gösterildi. İncelediğimiz bina Şekil 2’de görülmektedir.
İncelememiz boyunca şunları öğrendik:
Tam geri dönüş havalı sistemle çalışma esnasında, hava, çatı klima santraline geri dönüş yolunda birçok planlanmadık yollardan geçebilmektedir (asansör boşluğu ve dönüş havası şaftı yerine merdiven boşluğu gibi). Üçüncü kat negatif basınçlandırılırken (hava içeri doğru sızıyor), en aşağıdaki iki kat pozitif basınçlandırıldı (hava dışarı doğru sızıyor).
Tam dış hava ile çalışma esnasında, tüm bina pozitif basınçlandırıldı. Böylece dış kapı açık bırakıldı.
Bina , sıcak günlerde, yetersiz soğutma ile karşı karşıya kaldı.
Yetersiz dönüş havası yolu.
Eski binalarda, yaşam mahallerinden çatı ünitesine giden birbirine bitişik, eksiz, geri dönüş havası yolu şart koşulmuyordu. Birinci katın tavanındaki plenumdan, üçüncü katın tavanındaki plenuma kadar geri dönüş havası kanalı şart koşulurdu. Ancak eksiz değildi. Herhalde, bu tasarımı yapan kişi, birinci ve ikinci katlardan gelen havanın üçüncü kattaki havayla sihirli bir şekilde birleşeceğini ve üçüncü kattaki tavanın plenumunda bulunan her çatı ünitesinin altındaki geri dönüş havası kanalına akacağını ümit ediyor. Birinci ve ikinci katlar için tasarlanmış geri dönüş havası kanalı yetersizdir ve geri dönüş havası öncelikle asansör boşluğu, merdiven boşluğu gibi en az direnç gösteren yolu tercih edecektir. Klima sistemlerine yeterli hava gelmeyecektir ve üçüncü katın düşük basınçta kalmasına sebep olacaktır (dışarıya göre negatif) İhtiyacı olan dış havayı, dışa açılan kapılardan çekebilecektir. Ancak bu katların yönetim katları olduğunu ve kötü hava koşullarında dışa açılan kapılardan yararlanabilmenin de problem yaratacağını hatırlamakta yarar var. Birinci ve ikinci katlara gönderilen hava da, çatı ünitesine kolayca geri dönemeyecektir. Bu kez, iki kat aşırı basınçlanacaktır (dışarıya göre pozitif) ve dışa açılan kapılardan, binanın dışına hava kaçacaktır.
Ekonomizerli işletmede yetersiz basıncın tahliyesi. Ekonomizerli işletme esnasında, dışarısı soğuksa ve soğutma gerekliyse; bina % 100 dış havayla doldurulmalıdır. Binadan havanın doğal veya barometrik tahliyesi çatı ünitesindeki kanatlı damperlerle yapılır. Ne yazık ki, bu doğal tahliye, binanın basınçlanmasına ve bu basıncı kullanarak havayı geri dönüş yoluna ve tahliye damperine itmesine bağlıdır. Tekrar, aşırı basınçlandırılmış havayı geri dönüş havası yoluna göndermek için gerekli basınç miktarı, bina ekonomizerli çalışma modunda iken kapıların açılmasına neden olur. Bu, özellikle gece geç saatlerde ‘bina az kullanıldığı ve binaya birisi girip çıktığında güvenlik sistemi alarma geçince’ güçtür. Ölçüm için geçici olarak ekonomizör devre dışı bırakıldı ve bina, soğutma kompresörleri, sürekli soğutma sağlayacak şekilde, 24 saat işletmede bırakıldı.
Yetersiz soğutma kapasitesi
Binada, insanların yoğun yaşadığı, bilgisayarların yoğun kullanıldığı çevreler ve açık ofis mobilyalarının (aydınlatmalı) bulunduğu kısımlar, çatı ünitesinin sağladığı soğutmadan daha fazla soğutma yüküne ihtiyacı vardır.
Bu, bina sakinlerinden gelen sayısız ‘ortamın aşırı sıcak olduğu’ konusundaki şikayetleriyle kanıtlanmış ve çatı ünitesini inceleyen işletme mühendisleri tarafından teyit edilmiştir. Tadilat işinin tamamlanması esnasında, hava denge testleri yapılırken de, bu durum gözlenmiştir. Planlanmış veya tasarlanmış hava debisi, çatı ünitesinin sağladığı hava debisinden fazladır.
Tüm bu problemler, çatı mevcut şaftın üzeri açılarak, çatı ünitesine kanal bağlantıları o şafttan yapılarak, her çatı ünitesine dönüş/egzost fanı takılarak, her çatı ünitesinin dönüş havası odasına yerleştirilen yeni iki sıra soğutucu batarya vasıtasıyla ek soğutma sağlayarak ve bataryaları aşırı kapasitede besleyerek çözüldü (Şekil 3). Proje, binada ciddi aksamalar olmaksızın tamamlandı. Çünkü işin büyük bir kısmı mevcut sistem kullanılarak, ağırlıklı olarak çatıdan müdahale edilerek yapıldı. Proje, dört yıldan daha kısa bir sürede kendi kendini amorti etti.
DURUM İNCELEMESİ CINEPLEX
Kuzey Kaliforniya’da, sekiz sinema salonundan oluşan kompleksin HVAC sistem dizaynı incelendiğinde, binada sık sık basınçlandırma ile ilgili sorunlar olduğu görüldü. Her bir gösterimin ardından çıkış kapılarının hemen kapatılması için fazladan eleman çalıştırılması gerekiyordu. Aynı şekilde her bir gösterime seyircilerin içeriye alınmasında da, ücret ödenmeden geçişi engellemek için kapı görevlilerini artırmak gerekiyordu. Ayrıca gişe personelinin, kağıt para alırken ve verirken çok dikkatli olmaları gerekiyordu. Aksi takdirde gişe cam standı arasındaki cereyan yüzünden paraların uçuşmasını engelleyemiyorlardı. Bir diğer sorun, hem fuayede, hem de salon içinde duyulan, Hvac sisteminden kaynaklanan gürültü idi.
Önce binanın çok kapsamlı Hvac sistem araştırmasını yaptık. Bu araştırmada, direkt, dijital kontrol sistemleri, bina otomasyonu sistem ve komponentlerini satan kuruluşlarla da görüştük. Binanın Hvac sisteminin nasıl kontrol edildiği, hangi kontrollerin daha ön planda tutulduğu konularında bilgiler aldık. Daha sonra tüm binanın Hvac sistem yönetimini, %100 taze hava alışı ve dönüş hafası modlarında test ettik. Aynı zamanda, otomatik kapı kapatıcılarının her modunda, bina hava basıncı ölçümleri alındı. Tüm ses tayfı güç testleri yapıldı. Ses testleri tüm film sistemleri için yapıldığı gibi, özellikle sorun yaşanılan THX ses bandı kullanan filmler (NC 30) için özel olarak uygulandı. Tüm bu testler neticesinde; Hvac sisteminin dönüş/egzos fanını gerektiği gibi kullanamadığını ve egzos havasının her bir salondan, %100 dış hava modunda bile dönüş hava kanalına kısmen geçebildiğini, paket tip Hvac çatı ünitesine geri dönen havanın, çatı kanallarına metal barometrik damperden gerekenden az geçebildiğini gördük. Dönüş havası/egzos sistemi analizinde , 0.05 inç statik basınç kaybının (otomatik kapıların kusursuz çalışıyor olması halinde izin verilen maksimum kod değeri) kolaylıkla modifiye edilmesinin mümkün olmadığı görüldü. Çözüm olarak , dönüş havası kanalı büyütüldü. Sistem %100 dönüş havası modunda çalışırken, bu bir gürültü kaynağı yaratacak gibi görülse de, tam ekonomizer modunda iken böyle bir sorun söz konusu olmayacaktır. Çünkü havanın sadece bir kısmı, dönüş/egzos kanalından geçecektir. Genişletme, var olan dönüş havası kanalının kopyalanarak artırılması yolu ile gerçekleştirildi. %100 dış hava ile çalışma koşulu için egzos fanları ve motorlar güçlendirildi, taze hava tedariki ve egzosunda balans ayarı yapıldı. Salonlar, nötr hava basıncına getirildi. Fuayedeki ciddi gürültü problemi, fuayedeki hava tedarik menfezini kapatıldığından, bina basınçlandırma probleminin çözülmesi ile beraber, özellikle fuaye kapılarında gözlemlenmiş, ancak binanın genelinde ortaya çıkmıştır. Yani, basınçlandırma ile ilgili problemin çözülmesi, gürültü gibi yeni bir problem yaratmıştır.
Bu tartışmanın son noktası, Hvac mühendislerini, bina basınçlandırması konusunda kendi uzmanlıklarını geliştirmeleri gerekir. Başka bir deyişle, ‘ya kontrol edecekler, ya da kontrol edilecekler’. Basit bir az katlı binanın bile, gerçek mühendislere ihtiyaçları vardır.
Yazan : James P. Waltz, Pe, Cem Acfe
Çeviren : Mustafa Kemal Sevindir