İklimlendirme

İklimlendirme terimi çoğunlukla soğutma yapılarak iç mekanlardaki havanın ısı konforu sağlanması ve neminin alınması işlemlerine denir. Daha geniş bir anlamda, terim HVAC, ısıtma, soğutma ve havalandırma veya havanın durumunu iyileştirmek için dezenfeksiyon işlemleri için de kullanılır.^[1] Bir klima (AC veya Kuzey Amerika İngilizcesinde A/C, İngiliz ve Avustralya İngilizcesinde aircon) bir çevrimi kullanarak, çoğunlukla binalardaki ve taşıma araçlarındaki konfor için ortamdaki ısıyı çeken, bir aygıt, bir sistem veya bir mekanizmadır.

Carrier, 1901'de Cornell Üniversitesi elektrik mühendisliği bölümünden mezun oldu; aynı yıl Temmuz ayında Buffalo'daki Buffalo Forge Company'de çalışmaya başladı. Altı ay içinde şirketin araştırma geliştirme laboratuvarının başına getirildi. Buradaki ilk projelerinden biri, ısıtma bobinlerinden oluşan bir sistemden geçirildiğinde havanın ne kadar ısı soğurabileceğini belirlemekti; bulguları şirketin ısınma giderlerinde binlerce dolar tasarruf sağladı. İlk projelerinden bir başkası da soğutmaya yönelikti. Brooklyn'de Sackett-Wilhelms Lithographing and Publishing adlı matbaa şirketi, ısı ve nem değişimleri yüzünden kağıdın genleşmesi ve büzüşmesi sonucu baskı sürecinde renklerin donuklaşması gibi bir sorun yaşıyordu. Willis H. Carrier; 17 Temmuz 1902'de bu şirket için dünyanın ilk klimasının tasarımlarını tamamladı: Klima, matbaanın ısı ve nem oranını hassasiyetle denetleyen 30 tonluk bir makineydi.

İklimlendirme sağlamak için ısıyı makineleri kullanarak taşımak görece modern bir icattır, binaları soğutmak ise değildir. Antik Romalılar’ın belirli evleri soğutmak için su kemerinden gelen suyu o evlerin duvarlarında dolaştırdığı bilinmektedir. Bu şekilde suyun kullanımı pahalı olduğu için, sadece zengin kişiler böyle bir lüksü karşılayabiliyorlardı.

Orta Çağ İran’ı ise sarnıçlarla ve rüzgâr kuleleriyle sıcak mevsimde soğutulan binalar vardı: sarnıçlar(merkezi bir avluda bulunan geniş havuzlar, yer altı tankları değil) yağmur suyunu toplardı; rüzgâr kuleleri rüzgâra karşı pencerelere ve hava akışını binanın altına yönlendirmek için dahili pervanelere sahipti, genellikle sarnıcın üzerine ve rüzgâr soğutma kulesine doğru yönlendirirler.^[2]. Sarnıçtaki su buharlaşarak binanın içindeki havayı soğuturdu.

1820’de, İngiliz bilim adamı ve mucidi Michael Faraday sıkıştırılan ve sıvılaştırılan amonyağın, buharlaşabildiğinde, havayı soğuttuğunu keşfetti.1842’de, Florida’lı doktor John Gorrie buz üretmek için ki bu buzları Apalachicola’daki hastanesindeki havayı soğutmak için kullanıyordu, kompresör teknolojisini kullandı ^[3] Buz yapan makinesini sonunda binaların sıcaklıklarını ayarlamak için kullanmayı umuyordu. Tüm şehri soğutan merkezi bir sistemi dahi düşünüyordu.^[4] Prototipinde kaçak olmasına ve düzgün çalışmamasına rağmen, Gorrie buz yapan makinesi için patenti 1851’de aldı. Hemen ardından baş finansal destekçisi ölünce başarı umutları yok oldu, Gorrie makineyi geliştirmek için ihtiyaç duyduğu parayı alamadı. Biyografi yazarına göre (Vivian M. Scherlok) “Buz Kralı” Frederick Tudor’u, kendi başarısızlığından dolayı suçluyordu, çünkü Tudor’un kendi icadına karşı bir kampanya yürüttüğünden şüpheleniyordu. Dr.Gorrie 1855’de fakirlik içinde öldü ve iklimlendirme fikri 50 yıllığına ortadan kayboldu.

İklimlendirmenin ilk ticari uygulamaları kişisel rahatlıktan çok endüstriyel işlemlerde kullanıldı. 1902’de ilk modern elektrikli klima Willis Haviland Carrier tarafından icat edildi. Bir basım fabrikasındaki işlem kontrolünü geliştirmek için tasarlanan icadı sadece sıcaklığı kontrol etmekle kalmıyor aynı zamanda nemi de kontrol ediyordu. Düşük ısı ve nem uygun kâğıt ölçülerini yakalamayı ve mürekkep hizalamasını sağlayacaktı. Daha sonra Carrier’in teknolojisi, işyerlerindeki verimliliği artırmak için kullanıldı ve Carrier şirketi artan talebe uymak için şekillendi. Zaman geçtikçe iklimlendirme ev ve araçlarda rahatlığı artırmak için kullanılır hale geldi. 1950’lerde konutlara olan satışlar ani bir şekilde arttı.

1906’da, Amerikalı Stuart W. Cramer, dokuma fabrikasındaki havaya nem eklemek için yeni yollar keşfediyordu. Cramer "air conditioning," terimini aynı yıl yaptığı patent talibinde “water conditioning”in (tekstil işlerini kolaylaştıran bir proses) bir analoğu olarak ilk kez kullandı. Nem ile havalandırmayı birleştirerek ortamı değiştirdi ve ve tekstil fabrikalarında çok önemli olan nemi kontrol ederek fabrikanın içindeki havayı değiştirdi. Willis Carrier terimi kabullendi ve bunu kendi şirketinin isminde kullandı. Havadaki suyun, soğutma etkisi yaratmak için, buharlaştırılmasına buharlaştırmalı soğutma denir.

İlk klimalar ve buzdolapları amonyak, metil klorür ve propan gibi, kaçak durumunda ölümcül kazalara sebep olabilecek, zehirli ve yanıcı gazları kullanıyorlardı. Thomas Midgley, Jr.1928’de ilk kloroflorokarbon gazı olan Freon’u yarattı. Bu soğutkan insan lar için daha güvenliydi fakat daha sonra ozon tabakasına zararlı olduğu anlaşıldı. "Freon" ise tüm kloroflorokarbonlar (CFC), hidrojenli kloroflorokarbonlar (HCFC) veya hidroflorokarbonlar (HFC) için kullanılan, Dupont’a ait bir ticari isimdir, her birinin ismi moleküler kompozisyonlarını anlatan bir sayıya sahiptir (R-11, R-12, R-22, R-134).Doğrudan genişlemeli soğutmada en çok kullanılan karışım ise R-22 diye bilinen bir HCFC’dir. Bunun yeni ekipmanlardaki kullanımı 2010 yılına kadar yavaş yavaş azalacak ve 2020 yılına kadar tamamen bitecektir. R-11 ve R-12 Amerika’da artık üretilmemekte, bunu satın almanın tek yolu ise diğer iklimlendirme sistemlerinden elde edilmiş, temizlenmiş ve saflaştırılmış gazları almaktır. Birçok ozona zarar vermeyen soğutkanlar alternatif olarak geliştirilmiştir. “Puron” marka adıyla bilinen R-410A da bunlara dahildir.

İklimlendirme teknolojilerinde yenilikler, özellikle enerji verimliliğini arttırma ve iç mekan hava kalitesini arttırma konusunda, devam etmektedir.

Geleneksel klima sistemlerinde soğutma, ısıyı aktarmak için soğutucu akışkanın zorunlu sirkülasyonunu ve gaz ile sıvı arasındaki faz değişimini kullanan buhar sıkıştırma çevrimi kullanılarak yapılır.^[5][6]

Buhar-sıkıştırma çevrimi, ünite veya paketli ekipmanın içinde veya buharlaştırıcı tarafında terminal soğutma ekipmanına (klima santralindeki fancoil ünitesi gibi) ve yoğunlaştırıcı tarafında soğutma kulesi gibi ısı atma ekipmanına birleştirilen soğutucunun içinde oluşabilir. Hava kaynaklı ısı pompası, klima sistemiyle birçok bileşeni paylaşır, ancak ünitenin bir alanı ısıtmanın yanı sıra soğutmak için de kullanılmasına olanak tanıyan bir ters çevirme valfi içerir.^[7]

Evaporatör bobininin yüzeyi çevredeki havanın çiğ noktasından önemli ölçüde daha soğuksa, klima ekipmanı sistem tarafından işlenen havanın mutlak nemini azaltacaktır. Kullanılan bir alan için tasarlanan klima, genellikle kullanılan alanda %30 ila %60 bağıl nem elde eder.^[8]

Çoğu modern klima sisteminin, kompresörün çalıştığı nem alma çevrimi vardır. Aynı zamanda, buharlaştırıcı sıcaklığını azaltmak ve daha fazla suyu yoğunlaştırmak için fan yavaşlatılır. Bir nem alma cihazı aynı soğutma çevrimini kullanır ancak hem buharlaştırıcıyı hem de yoğunlaştırıcıyı aynı hava yoluna dahil eder; hava ilk önce buharlaştırıcı bobinin üzerinden geçer, burada soğutulur^[9] ve yoğunlaştırıcı bobininin üzerinden geçmeden önce nemi giderilir, burada tekrar odaya geri bırakılmadan önce tekrar ısıtılır.

Bazen dış havanın iç havadan daha soğuk olduğu durumlarda serbest soğutma seçilebilir. Bu nedenle kompresörün kullanılmasına gerek kalmaz, bu da bu süreler için yüksek soğutma verimliliği sağlar. Bu aynı zamanda mevsimsel termal enerji depolamayla da birleştirilebilir.^[10]

Bazı iklimlendirme sistemleri, soğutma çevrimini tersine çevirebilir ve hava kaynaklı ısı pompası gibi davranarak iç ortamı soğutmak yerine ısıtabilir. Bunlara genellikle "ters çevrimli klimalar" da denir. Isı pompası, elektrik rezistanslı ısıtmaya göre enerji açısından çok daha verimlidir çünkü enerjiyi havadan veya yeraltı suyundan ısıtılan alana ve ayrıca satın alınan elektrik enerjisinden gelen ısıyı taşır. Isı pompası ısıtma modundayken, iç mekan evaporatör bobini rol değiştirir ve ısı üreten yoğunlaştırıcı bobini haline gelir. Dış yoğunlaştırıcı ünitesi ayrıca evaporatör görevi görecek şekilde rol değiştirir ve soğuk havayı (ortamdaki dış havadan daha soğuk olan) dışarı atar.

Hava kaynaklı ısı pompalarının çoğu, 4 °C veya 40 °F'nin altındaki dış ortam sıcaklıklarında daha az verimli hale gelir.^[11] Bunun nedeni kısmen, dış ünitenin ısı eşanjörü bobininde, bobin üzerindeki hava akışını engelleyen buz oluşmasıdır. Bunu telafi etmek için, ısı pompası sisteminin, ısıtma ve buz çözme amacıyla dış buharlaştırıcı bobinini kondenser bobinine geri döndürmek için geçici olarak normal klima moduna geri dönmesi gerekir. Bu nedenle, bazı ısı pompası sistemlerinde, kışın rahatsız edici olabilecek geçici iç hava soğutmasını telafi etmek için yalnızca bu modda etkinleştirilen iç hava yolunda elektrik dirençli ısıtma bulunur.

Daha yeni modeller -14 °F (-26 °C) kadar verimli ısıtma kapasitesiyle soğuk hava performansını artırmıştır.^[11][12][13] Ancak soğuk hava performansı iyileştirilmiş modellerde bile, buz çözme döngüsünün gerçekleştirilmesini gerektiren, dış ünitenin ısı eşanjöründe yoğuşan nemin donma ihtimali her zaman vardır.

Buzlanma sorunu, düşük dış ortam sıcaklıklarında çok daha şiddetli hale gelir, bu nedenle ısı pompaları bazen elektrikli ısıtıcı, doğal gaz, kalorifer yakıtı veya odun yanan şömine veya merkezi ısıtma gibi daha geleneksel bir ısıtma biçimiyle birlikte kurulur. Daha sert kış sıcaklıklarında ısı pompasının yerine veya ona ek olarak kullanılır. Bu durumda, daha ılıman havalarda ısı pompası verimli olarak kullanılır, dış hava sıcaklığının düştüğü durumlarda ise sistem geleneksel ısı kaynağına geçirilir.

Bir iklimlendirme sisteminin performans katsayısı (COP), sağlanan faydalı ısıtma veya soğutmanın gerekli işe oranıdır.^[14][15] Daha yüksek COP'ler daha düşük işletme maliyetlerine eşittir. COP genellikle 1'i aşar; ancak kesin değer büyük ölçüde çalışma koşullarına, özellikle mutlak sıcaklığa ve havuz ile sistem arasındaki bağıl sıcaklığa bağlıdır ve genellikle beklenen koşullara göre grafik haline getirilir veya ortalaması alınır.^[16]

ABD'deki klima ekipmanının gücü genellikle "ton soğutma" olarak tanımlanır ve her biri yaklaşık olarak 24 saatlik bir süre içinde bir kısa ton (2.000 pound (910 kg) buz eritmenin soğutma gücüne eşittir). Değer saatte 12.000 BTU_IT'e veya 3.517 Watt'a eşittir.^[17] Konut merkezi hava sistemlerinin kapasitesi genellikle 1 ila 5 ton (3,5 ila 18 kW) arasındadır.

Klimaların verimliliği genellikle İklimlendirme, Isıtma ve Soğutma Enstitüsü tarafından 2008 standardı AHRI 210/240, Üniter İklimlendirme ve Hava Kaynaklı Isı Pompası Ekipmanlarının Performans Değerlendirmesi 'nde tanımlanan mevsimsel enerji verimliliği oranı (SEER) ile derecelendirilir.^[18] Benzer bir standart, Avrupa mevsimsel enerji verimliliği oranıdır (ESEER).

İklimlendirme mühendisleri iklimlendirme uygulamalarını geniş olarak “konfor” ve “işlem (proses)” olarak ayırmışlardır.

Konfor Uygulamaları dış havada veya iç ısı yüklerinde bir değişiklik olsa dahi iç mekanda insanlar tarafından tercih edilen ısıl konforu sağlamayı amaçlar.

Bir ofiste oturarak çalışan insanların, en yüksek performanslarını 22.2 °C ‘te sergilemeleri beklenmektedir. Oda sıcaklığındaki her 0,61 °C ‘lik değişiklikte, performans yaklaşık %1 azalır.^[19] Ayakta durarak çalışırken en yüksek performans ise biraz daha az sıcaklıklarda sergilenir. Daha şişman insanların maksimum performansı ise biraz daha düşük sıcaklıkta gerçekleşir. Daha zayıf insanların maksimum performansı ise biraz daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir. Genel olarak kabul edilse de, bazı insanlar işçilerin verimliliğinin, Hawthorne etkisinde açıklandığı gibi, ısıl konforla değişmediğini düşünmektedirler.

Konfor için iklimlendirme geniş binaları uygun hale getirir. İklimlendirme olmadan, binalar daha dar veya içerisi doğal havalandırmayla yeterince hava alabilsin diye kuyularla beraber inşa edilmeleri gerekirdi. İklimlendirme, ayrıca, binaların daha yüksek olmasına da izin verir, çünkü rüzgâr hızı, çok yüksek binalarda doğal havalandırmaya elverişsiz olacak şekilde, aşırı derecede artar. Çeşitli bina tipleri için konfor uygulamaları oldukça farklıdır ve aşağıdaki gibi kategorize edilebilirler;

• Alçak, konut binaları, tek katlı aile evleri, dubleks evler ve küçük apartmanlar dahil.
• Yüksek, konut binaları, yüksek yurtlar ve apartmanlar gibi.
• Ticari binalar, ticaret için inşa edilirler, ofisler, alışveriş merkezleri, restoranlar, vb.
• Kurumsal binalar, bunlara hastaneler, devlet binaları ve akademik binalar dahildir.
• Endüstriyel alanlar; buralarda işçilerin konforu arzulanmaktadır.

Binalara ek olarak, iklimlendirme araçlar, trenler, gemiler, uçaklar ve uzay araçları gibi taşıma araçlarının konforu için de kullanılmaktadır.

İşlem(Proses) uygulamaları bir prosesin, iç ısı, nem yükleri ve dış çevre şartlarından etkilenmeden, uygulanabilmesi için uygun bir çevre sağlanmasını amaçlar. Çoğunlukla konfor olarak görülse de, şartları belirleyen insan tercihleri değil, prosesin gereksinimleridir. Proses uygulamalarına şunlar dahildir:

• Hastanelerde ameliyat odaları; burada enfeksiyon riskini azaltmak için hava filtrelenir ve hastanın su kaybını azaltmak için nemlilik kontrol edilir. Sıcaklıklar genellikle konfor bölgesinde olsa da, açık kalp ameliyatı gibi özel uygulamalar düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyarken(yaklaşık 18 °C) ve yenidoğan servisleri gibi diğerlerinde görece yüksek sıcaklıklara(yaklaşık28 °C) ihtiyaç vardır.
• Entegre devrelerin, ilaçların üretildiği, içinde yüksek hava temizliğinin, sıcaklık ve nem kontrolünün prosesin başarısı için gerekli olduğu kontrollü odalar.
• Laboratuvar hayvanlarının beslendiği yerler. Birçok hayvan baharda ürediğinden, şartların sürekli bahar gibi olduğu yerlerde tüm yıl tutulmaları bütün yıl üremelerine sebep olabilir.
• Uçak iklimlendirmesi. Kavramsal olarak yolcular için konfor sağlamayı ve ekipmanları soğutmayı amaçlasa da, uçak iklimlendirmesi, uçağın dışındaki düşük hava basıncından dolayı, özel bir işlemdir.
• Veri işleme merkezleri
• Tekstil fabrikaları
• Fiziksel test merkezleri
• Bitki büyütme alanları
• Nükleer tesisler
• Kimya ve biyoloji laboratuvarları
• Madenler
• Endüstriyel ortamlar
• Yemek pişirme ve işleme alanları

Hem konfor hem de proses uygulamalarında hedef sadece sıcaklığı kontrol etmek değil, ayrıca nemi ve hava kalitesini de kontrol etmektir.

Soğutucu iklimlendirme cihazları genellikle sistem tarafından işlenen havanın nemini azaltır. Görece soğuk(çiğ sıcaklığının altı) evaporator(buharlaştırıcı) boruları işlenen havadan aldığı su buharını yoğunlaştırır, (buz gibi bir içeceğin şişesinin dışında suyun yoğunlaşması gibi), suyu bir kanala gönderir ve su buharını soğutulan alandan alarak, bağıl nemi düşürür. İnsanlar, deriden terlemenin doğal buharlaşmasıyla doğal serinlemeyi sağlamak için terlediklerinden, daha kuru hava(bir noktaya kadar) sağlanan konforu arttırır. İnsanın rahatlığı için klima, yaşanılan yerde, %40-60 bağıl nem yaratacak şekilde tasarlanmıştır. Perakende yemek satış kuruluşlarındaki büyük, açık dondurucular yüksek verimli hava nem giderme üniteleri olarak çalışırlar.

Bazı iklimlendirme üniteleri havayı soğutmadan kuruturlar ve daha doğru şekilde nem giderici olarak adlandırılırlar. Normal bir iklimlendirme cihazı gibi çalışırlar ancak giriş ve çıkış arasında bir ısı değiştiricisi vardır. Konveksiyon fanlarıyla birlikte kullanıldıklarında, nemli tropikal iklimlerde, bir hava serinleticiyle aynı konfor seviyesine ulaşırlar, fakat onların üçte biri kadar elektrik tüketirler. Hava serinleticiler tarafından yaratılan hava akımını rahatsız edici bulanlar tarafından da tercih edilirler.

Kötü bakılan bir iklimlendirme sistemi sıklıkla; Lejyoner hastalığı diye diye bilinen hastalığın virüsü olan Legionella pneumophila veya termofilik actinomycetes gibi ajanların gelişmesini ve yayılmasını sağlayabilir.^[20] Tersine, filtrasyonu, nemlendirmesi, serinletmesi ve dezenfeksiyonu bulunan iklimlendirme sistemleri, hastanelerde hasta güvenliği ve sağlığında uygun atmosferin kritik olduğu ameliyat odaları ve diğer çevrelerde, temiz, güvenli ve daha düşük alerji riski içeren bir atmosfer sağlamak için kullanılabilir. İklimlendirmenin alerji ve astım hastaları üzerinde pozitif bir etkisi de olabilir.^[21]

Ciddi sıcaklık dalgalarında, iklimlendirme yaşlıların hayatını kurtarabilir. Bazı yerel yetkililer evlerinde klimaları olmayanlar için genel serinleme merkezleri bile oluşturmuşlardır.

Kötü çalışan iklimlendirme sistemleri, eğer çok uzun süre maruz kalınırsa, işitme kaybına neden olabilecek seviyelerde sesler üretirler. Bu seviyeler uzun bir süre bir havaalanının veya bir otobanın yanında yaşamakla aynıdır. Düzgün çalışan klimalar ise daha sessizdir.

Termodinamik olarak kapalı sistemlerde, ayarlı bir sıcaklık derecesinde tutulan sistemlere(ki bu günümüz klimalarında standart bir çalışma modudur) herhangi bir enerji girişi, klimadan olan enerji uzaklaştırma oranının yükselmesini gerektirir. Bu yükseliş, sisteme giren her bir birim enerji için (örneğin bir ampulün yakılması), klimanın bu enerjiyi sitemden uzaklaştırması gerekliliği etkisine sahiptir. Bunu yapmak için de giren enerji ile verimin çarpımını azaltarak, tüketimi arttırmalıdır. Örneğin kapalı bir sistemde 100 W’lık bir ampulün çalıştığını varsayalım ve klimanın verimi de %200 olsun. Bunu telafi etmek için klimanın enerji tüketimi 50W artar, böylece 100 W’lık ampul toplamda 150 W enerjiden faydalanmış olur.

hiçbir çevrimin verimi %100 ü geçemez. bu ancak idealde mümkündür

Taşınabilir klimalar veya taşınabilir A/C bir evin veya ofisin içinde kolaylıkla taşınabilen tekerlekli bir klimadır. Günümüzde yaklaşık 6000’den 60000 BTU/h’a(1800’den 4100W çıkış) ve elektrikli ısıtıcılı veya ısıtıcısız olan çeşitleri mevcuttur. Taşınabilir klimaların split ve boru olmak üzere iki çeşidi vardır:

Split bir sistem esnek borularla dış üniteye bağlı tekerlekli bir iç üniteye sahiptir, sabit split sistemlere benzer.

Boru sistemleri ise Havadan havaya ve Monoblok hava kanallarıyla dış havaya bağlanmışlardır. Tüm soğutma sistemlerinin bir özelliği de bir kompresör kullanmanın su üretmesidir. "Monoblok" versiyon suyu bir kovada veya tepside toplar ve dolduğunda durur. Havadan havaya versiyon ise suyu yeniden buharlaştırır ve bunu bir hortumla attığından akış sürekli olur.

Tek bir kanal, kondenseri soğutmak için odanın dışından hava çeker. Daha sonra bu hava dışarıdaki veya diğer odalardaki sıcak hava ile değiştirilir, bu yüzden verim düşer. Bununla birlikte çağdaş üniteler 1’e 3 oranında çalışırlar; yani 3kw’lık bir soğutma için 1 kw enerji kullanılır.

Taşınabilir klimalar arabalarda veya evlerde kullanılanlara benzer şekilde ısı değişimi için havayı kullanan kompresör bazlı soğutkan sistemlerdir. Böyle sistemlerde hava soğutuldukça nemi de azalır.

Yaklaşık olarak, 37 metre karelik bir alan 12000 BTU/h’le soğutulabilir (12000 BTU/h bir tonluk hava soğutmaya eşittir). Bununla birlikte Toplam ısı yükünü etkileyen diğer faktörleri de göz önünde bulundurmamız gerekmektedir.

• Klima
• Termodinamik
• HVAC
• İklimlendirme ve soğutma teknikeri