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. 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..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 Buz yapan makinesini sonunda binaların sıcaklıklarını ayarlamak için kullanmayı umuyordu. Tüm şehri soğutan merkezi bir sistemi dahi düşünüyordu. 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 arttırmak için kullanıldı ve Carrier şirketi artan talebe uymak için şekillendi. Zaman geçtikçe iklimlendirme ev ve araçlarda rahatlığı arttırmak 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.

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. 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.

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.

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.

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. 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.

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.

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.