Baca Etkisinde İleri Analiz: Multizone (Zone) Model ve CFD Karşılaştırması

Bir önceki yazımızda baca etkisi kavramından ve yüksek binalarda yarattığı önemli sonuçlardan söz etmiştik. Bu sefer konuyu biraz daha derinleştirerek, aynı binada yapılan “multizone (zone) model” analizlerinin sonuçlarını ve bu sonuçları nasıl CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleriyle karşılaştırdığımızı ele alacağız. Böylece binalarda hava akışının neden ve nasıl kontrol edilmesi gerektiğini, daha kapsamlı bir bakış açısıyla inceleme fırsatımız olacak.

1. Baca Etkisine Kısa Bir Hatırlatma

Baca etkisi, iç ortam ve dış ortam arasındaki sıcaklık ve yoğunluk farklarından kaynaklanan doğal bir hava hareketidir. Yüksek binalarda bu etki daha belirgindir ve şu temel dinamiklere sahiptir:

• Kış Aylarında: Binanın içi dışarıya göre daha sıcak olduğunda sıcak hava üst katlara doğru yükselerek tavana yakın açıklıklardan kaçma eğilimindedir. Alt katlarda ise oluşan negatif basınç dışarıdaki soğuk havayı içeri çekebilir.
• Yaz Aylarında: Durum tersine dönebilir. Dışarısı içeriden daha sıcaksa, sıcak hava içeri sızarken soğuk hava aşağı yönlü hareket ederek binanın alt katlarından dışarı çıkma eğiliminde olur.

Kontrol edilmediğinde bu hava akışı; konfor problemleri, kapı-pencere basınç sorunları, akustik rahatsızlıklar, yangın ve dumanın hızlı yayılması gibi birçok olumsuz etkiye neden olabilir. İşte bu yüzden mühendislik projelerinde baca etkisinin hesaplanması ve kontrolü hayati öneme sahiptir.

2. Multizone (Zone) Model Nedir?

Multizone model, bir binanın farklı bölümlerinin (zonların) basit akış bağlantıları ile temsil edildiği, görece hızlı ve pratik hesaplamalara olanak sağlayan bir yaklaşımdır. Her kat ya da her bölüm bir “zone” olarak tanımlanır. Bu zonlar arasındaki kapı, pencere, şaft gibi alanlardaki sızıntı, hava giriş-çıkış açıklıkları ve basınç farkları, modelde matematiksel olarak ifade edilir.

2.1. Neden Multizone Model?

• Hızlı Simülasyon: Kompleks CFD modellerine göre çok daha kısa sürede sonuç verir.
• İlk Tasarım Aşamasına Uygun: Tasarımın erken safhalarında, farklı senaryoları hızla test etmek ve sistemin genel davranışını öngörmek için idealdir.
• Daha Az Detay Gereksinimi: Üç boyutlu geometri ile uğraşmadan, kat yükseklikleri ve sızıntı alanları gibi temel parametrelerle çalışmak yeterlidir.

3. CFD Analizi ile Karşılaştırma

CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizi, akışkanın (hava akışının) üç boyutlu hareketini ve her noktadaki hız, basınç, sıcaklık dağılımını detaylı şekilde hesaplamamıza olanak tanır. Bu yöntem daha gerçekçidir ancak model kurulumundan hesaplama süresine kadar birçok aşamada daha fazla emek ve kaynak ister.

Sunumdaki çalışmamızda, aynı bina için hem multizone model hem de CFD tabanlı simülasyon yaptık. Kullanılan temel varsayımlar şu şekildeydi:

1. İç Ortam Koşulu: Her kat ve asansör bölgesi başlangıçta 20°C olarak tanımlandı.
2. Dış Ortam Koşulu: Kış senaryosunda 0°C.
3. Asansör Şaftı Sızıntısı: Katlarla asansör şaftı arasında 400 cm²’lik bir sızdırma alanı.
4. Pencere Açıklıkları: Her katta dış cephede 0,5 m²’lik bir açıklık tanımlandı (zemin katta kapı alt boşluğu ile benzer bir sızdırma alanı kabul edildi).
5. Model Formatı: Multizone model metin tabanlı (.prj formatında) tanımlamalar içerir. CFD tarafında ise 3 boyutlu geometri ve detaylı ağ (mesh) oluşturuldu.

4. Analiz Sonuçları: Basınç Farkları ve NPL (Neutral Pressure Level)

Binalarda “Neutral Pressure Level (NPL)”, iç ve dış ortam basınçlarının eşitlendiği kat düzeyini ifade eder. Bu seviye, baca etkisinin hangi yükseklikte basınç nötrlediğini gösterdiği için kritik bir parametredir.

• Multizone Model Sonuçları:
  • Zemin kat ile asansör şaftı/oda arasındaki ortalama basınç farkı: 16,4 Pa
  • NPL katındaki ortalama basınç farkı: 0,4 Pa
  • En üst kattaki ortalama basınç farkı: 30,4 Pa
• CFD Analizi Sonuçları:
  • Zemin kat ile asansör şaftı/oda arasındaki ortalama basınç farkı: 16 Pa
  • NPL katındaki ortalama basınç farkı: 0,1 Pa
  • En üst kattaki ortalama basınç farkı: 32,2 Pa

5. Sonuçların Değerlendirilmesi

1. NPL (Neutral Pressure Level) Konumu: Her iki modelde de NPL binanın üst katlarına yakın bir noktada görülür. Kış koşullarında rüzgârsız bir senaryoda NPL, yaklaşık 13-14. kat civarında konumlanırken, rüzgâr etkisiyle bu seviyenin yukarı ya da aşağı yönlü kayabileceğini gözlemledik.
2. Basınç Farkları: CFD ve multizone modelleri arasındaki ufak farklılıklar normaldir. CFD’de yerel etkiler ve türbülans modelleri daha detaylı ele alındığından, rakamsal sonuçlar multizone modeline kıyasla biraz farklı olabilir.
3. Kontrol Tedbirleri:
   • Asansör kapıları üzerindeki basınç yükleri (25 Pa ve üzeri) kapıların açılma-kapanma performansını etkileyebilir.
   • Döner kapılar ise yaklaşık 130 Pa mertebesine kadar dayanıklıdır, ancak bu seviyelere yaklaşan basınçların konfor ve güvenlik açısından ayrıca incelenmesi gerekir.
   • Pencere ve kapılardaki sızdırma alanlarının inşaat aşamasında doğru şekilde hesaplanması, baca etkisini kontrol altına almak için kritik bir adımdır.

6. Baca Etkisi Yönetiminde İpuçları

• Erken Aşamada Modelleme: Yüksek yapılarda proje aşamasında hem hızlı multizone analizleri hem de gerektiğinde CFD analizleri yapılması, sonradan oluşabilecek sorunları engeller.
• Basınç Eşitleme Stratejileri: Kapı altı sızdırma, kontrollü hava girişleri, katlar arası perdeler veya hava perdeleri gibi yöntemler, istenmeyen basınç farklarını azaltabilir.
• Yangın ve Duman Kontrolü: Baca etkisi, yangın durumunda dumanın hızla yayılmasına neden olabilir. Hem proje hem de işletme aşamalarında uygun duman kontrol sistemlerini tasarlamak şarttır.
• Dönemsel Bakım: Özellikle kış ve yaz aylarında farklı yönde işleyen hava akışlarını gözlemleyerek, havalandırma ve basınç dengeleme ekipmanlarını periyodik olarak kontrol etmek gerekir.

---

7. Son Söz

Binalarda hava akışının en kritik faktörlerinden olan baca etkisi, yüksek yapılarda çok daha ciddi boyutlara ulaşabilir. Yapılan multizone (zone) model analizleri, bu etkinin tahmini ve basınç farklarının belirlenmesi açısından hızlı ve pratik bilgiler sunar. CFD ise detaylı yerel veriler elde etmek için güçlü bir yöntemdir. İki yaklaşımı birleştirdiğimizde, hem zamandan hem maliyetten tasarruf ederek daha gerçekçi sonuçlara ulaşmak mümkündür.

Bu makalemizdeki veriler, binanızda oluşabilecek sızıntı alanlarının ve basınç farklarının nasıl kontrol edilebileceğine dair fikir verir. Katlar arası hava hareketinin doğru yönetimi, ısıtma-soğutma maliyetlerini düşürmekten yangın güvenliğine kadar pek çok konuda avantaj sağlar.