BİNALARDA KONFOR VE ENERJİ VERİMLİLİĞİ İÇİN ENERJİ SİMULASYONU
Özet
Yeni bir bina çok dikkatli planlanmış olsa bile, kullanıcıların tüm gereksinmeleri karşılanmamış olabilir. HVAC sistemlerinin enerji maliyeti, yazın aşırı ısınma ve istenmeyen havalandırma gibi sorunlar bunlardan en çok rastlanananlarıdır. Bu sorunların temel nedenleri, bina planlamasının sınırları ve olanakları içerisindedir. Durumu çözüme kavuşturmak için yeni yöntemler önermek ve yeni teknolojiler geliştirmek için geniş bir çaba harcanması gerekmektedir.
Örnek: Londra’daki İsviçre bankası tasarım yanlışları nedeniyle 20.000.000 ₤’dan fazla kayba uğramıştır. Dünya'nın hemen her ülkesinde benzer durumlarla kaşılaşmak olasıdır.
Sonuç olarak bina planlaması ve inşaatı ile ilgili değişik bireyleri olaya dahil etmek için “binaların bütüncül planlaması “ gibi yeni bir kavram geliştirilmiştir. (IPB). Buradaki amaç, uzmanlarımızın ve bina simülasyonları yapan modern bilgiayar sistemlerimizin yardımıyla yatırım ve işletme maliyetlerinin düşürülmesidir. Bütüncül planlama her proje partnerinin (mimar, mühendis, inşaatçı ve yatırımcı) gereksinimlerinin erkenden saptanmasını içerir.
1. Binaların Bütüncül Planlaması
Bir binanın enerji tüketimi, projenin başlangıç aşamalarında bir mimari öneriyle aşağı yukarı belirlenmiştir. İnşaat alt yapısının ve bu değerlerin değişmesi olasılıkları oldukça sınırlıdır. Buna göre teknik planlamacılar ve mühendislerin proje tasarımını değiştirmeksizin ellerinden geleni yapmak zorundadırlar.
Bir binanın güç gereksinimi geniş ölçüde tasarım sürecinde belirlenir. Bu gün, belirli bir tasarım için optimal bir enerji kavramı geliştirmek mühendisin görevidir. Çok başlardan itibaren yatırımcı, mimar, mühendis ve simülasyon uzmanı arasındaki koordinasyon güç gereksinimlerini ve sonuçta bina maliyetini azaltmakta, en yüksek iç mahal konforu bağlamında anahtar öneme sahiptir.
Bütüncül (ya da bütünler planlama) binanın mimari potansiyelini, HVAC ekipman ve tesisatını optimalleştirmek üzere ilgili her kesimin ilgilerini yönetmek, ortaya mükemmel bir ürün koymak adına yatırımı, işletme maliyetlerini optimaleştirmek üzere bir yol ortaya koyar. Diğer bir değişle, yılın her saatinde iç mahal konforu sağlayan bir optimal bina elde etmek olanaklıdır.
Bu bağlamda önemli bir uzmanlık aracı simülasyon yazılımıdır. Bina simülasyonu, kritik tasarım kararları alınmadan önce optimal bina performansını desteklemek üzere önemli bir görüş sağlar. Çalışmamızı konforlu bir iç mahal iklimi ile işletme (aydınlatma, ısıtma, soğutma, havalandırma) ve sermaye maliyetlerinin azaltılmasına odaklanırız. Aynı zamanda Gün-ışığından yararlanma ya da hava hızı/hava çekmeleri ile iligli değişik yazılımlar kullanırız.
Bina projesinde enerji tasarruflu planlama ya da etkin enerji yönetimine göre tasarımda aşamalar aşağıdaki gibi olmalıdır.
- Konunun analizi. Teknik ve ekonomik sınır koşulların analizi .
- Ayrıntılı mühendislik ve mimari analiz. Enerji tasarrufu potansiyelinin belirlenmesi.Amortisman hesapları.
- Sözleşme hazırlanması. Planlanan adımların gerçekleştirilmesi. Binanın işletimi/yönetimi.Tasarruf edilen enerji maliyetleri bağlamında amortisman
2. Bina simülasyonu
Girdiler
Yeni veya mevcut bir binada, iç mahal konforunu sağlamak,cekipman boyutlandırması yapmak, ve enerji talebi belirlemek için bina simülasyonu, meslek adamlarının değişik ısıtma/soğutma alternatiflerini karşılaştırma olanağı veren ve değişik cephe tasarımı yapmaya olanak sağlayan tam bir süreçtir. Öncelikle gerek duyulan şey; bir 3-D modelleme yapabilmek veya bir CAD-dosyası import edebilmek için binanın planlarıdır.
Adım1 - Geometri
Binanın 3D-modelini yarattıktan sonra zonları grafik olarak oluştururuz. Bir zon, bir ofis, bir daire, bir giriş holü,ya da bir alış-veriş alanı olabilir ve buraların iç koşulları, kullanım programları (schedule) ve hava değişimleri belirlenmelidir.
Adım 2 – zonlar
Bundan sonra, doğrudan ve dağınık radyasyonun hesaplanması için yılın her saatine göre bina yerleşimi, çevredeki binalar ve ufuk çizgisi dikkate alınarak binanın bir gölgeleme simülasyonu yapılır.
Adım 3 - 3-D-model ve gölgeleme durumu
3D simülasyon modelimiz, gerçekçi biçimde fiziksel dünyayı temsil eder. Doğal hava akışını ve bina yapısından gün ışığı geçişini tahmin edebilir binanın dinamik tepkisini belirleyebiliriz. Isıl kütlenin etkin kullanımı, güneşten korunma ve doğal ya da karışık mod havalandırma rejimlerinin hepsi, bütüncül bir simülasyonda görülebilir. Pencerelerin açılması, güneş kontrollerinin kullanımı, meskun mahal ve dış iklime göre bir dizi performans parametresine göre programlanabilmektedir.
İç koşullar
Bir binadaki insan sayısı, değişik günler ve kullanım programlarına göre bir takvim oluşturur.
Adım 4 – İç koşullar / Isıtma yükleri.
Dış hava koşulları
Dünya genelinde 2,500’den fazla kayıtlı hava istasyonuna ulaşmış durumdayız. Bunlardan elde edilen veriler güneş radyasyonu saatlik değerleri,sıcaklık, nem, rüzgar hızı ve yönüdür.
Adım 5 – Pencereler, çatı pencereleri ve çift camlı cepheden doğal havalandırma.
Isıtma/ HVAC
Bir eleman kitaplığından [component library] seçilen simgelerle bir system diyagramı oluşturulur. Bu basit süreç, sistem ve kontroller için bir simülasyon modeli oluşturur. Binanın ve tesisin birleşik simülasyonu ekipman büyüklüklerini, hava debilerini, ekipman ve tesis bağlamında enerji tüketimini otomatik olarak verir. Fanlar, chiller’ler, kazanlar vb’nın kısmi yük karakteristikleri açıklanabilir.
Adım 6 – Bir havalandırma sistem şeması
Gün-ışığı analizi
Simülasyon modeli gün-ışığı analizine de uygulanır. Radyasyon hesapları için hazırlanmış üçgen haldeki ızgara yapısına ship değişik konstrüksiyon ve cam türleri de eksport edilebilir. Gökyüzü koşullarını belirleyerek, binayı herhangi bir tarih ve zamanda dünyanın herhangi bir yerine yerleştiririz.
Aydınlatma simülasyonu bittiğinde sadece bir görünüş değil bütün binaya ait fotoğraf kalitesinde model oluşturulur. Bu model, her hangi bir konumdan görüntülenebilir ve bölümler arasında uçuş yapılabilir. Gün-ışığı analizi, her hangi bir iç yüzeydeki gün ışığı düzeylerini belirlemek üzere mahallere göre de yapılabilir.
Aydınlatma lüks düzeyleri sınır çizgileri veya renkli harita görünümü ile verilebilir.
Sonuçlar
Isıtma ve soğutma yüklerinin belirlenmesi mühendisin önemli görevlerindendir. Değişik ısıtma ve soğutma stratejilerinin yararlarını karşılaştırmak için simülasyonu kulolanırız. Bu yolla, standart fasn-coil veya vav sistemleri de dahil olmak üzere yer-değiştirme havalandırması, soğuk tavanlı mahallerde taze havanın döşemeden verildiği daha yeni sistemler de analiz edilebilmektedir.
Öncelikle aşırı yaz ve kış performanslarını belirlemek için tipik hava koşulları araştırılır.
Adım 1: Tipik yaz ve kış durumlarını gösteren diyagram T
Yeşil çizgiler: Güneş radyasyonu (W/m²)
kırmızı çizgiler: Dış sıcaklık(°C)
Mavi bölgenin içinde en iyi konforu garanti ederiz.Sarı bölgenin içinde konfor olfukça iyi durumdadır. Renkli bölgenin dışında sıcaklıkloar çok yüksek veya çok düşüktür.
Adım 2:Konfor dış (x ekseni) ve iç (y ekseni) sıcaklığa bağlıdır. Her işaret ölçülen bir diğeri ifade eder.BU diyagram, yılda 250 saatten fazla konfor zonunda kalışı göstermektedir. Birçok gün boyunca, sıcaklık dış mahal sıcaklığından 8 .C’ye kadar yüksektir. Burada gölgelemenin yeterli olup olmadığı fazladan, soğutma sistemine gerek olup olmadığı kontrol edilir.
Adım 3:Bütüncül planlamanın yararları, parasal tasarruf sağlamak üzere son derece geniştir. Simülasyon için harcanan ek bedeller, elde edilen tasarruflarla ortalama 1-3 yıl gibi kısa sürede karşılanır.