Bır mahalın termal konfor şartlarının hesaplamalı akışkanlar dınamığı yöntemı ıle analızı
Numerical analysis of thermal comfort in a small office room
Yazar: SEMİH ÖZSAĞIROĞLU
Danışman: PROF. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Havalandırma, kapalı bir hacimde bulunan havanın, taze hava beslenerek yenilenmesi olayıdır. İklimlendirme sistemleri, tanımlanmış öngörü ve standartlara uygun olarak, talep edilen iç ortam havasının konfor şartlarını sağlamak için tasarlanır. Günümüzde insanlar yaşamlarının büyük kısmını çalışma ortamı, ofis ya da alışveriş merkezi gibi kapalı ortamlarda geçirmektedir. Bu sebeple, mahal iklimlendirmesinin önemi gün geçtikçe artmaktadır. Mahal iklimlendirmesindeki en önemli şartlardan birisi konfordur. Konfor şartları oluşturulurken, odaya gönderilen taze havanın miktar ve mahal içerisindeki dağılımı, konforu belirleyen şartlar olarak öne çıkmaktadır.
Bu çalışmada ele alınmış olan mahal 1,8x1,8x2,85 m boyutlarında, bir yüzeyi ve tabanı iyice yalıtılmış ve adyabatiktir. Yan yüzeyler ve tavandan ısı alışverişi olmaktadır. İncelenen kapalı mahal, 30 °C hava sıcaklığındadır ve ışınımla ısı transferi etkileri de göz önünde bulundurulmuştur. Mahal içerisinde ısı kaynağı olarak kullanılan bir bilgisayar, mahal içerisinde oturan bir insan ve masabulunmaktadır. Mahalde bulunan bilgisayar 25W gücünde, çalışır vaziyettedir ve ısı kaynağı olarak vaziyet görmektedir, oda ile mahal arasında ısı transferi vardır. Bilgisayar, ısı transferi ihmal edilmiş bir masa üzerinde durmaktadır. Bilgisayarın ölçüleri HP ProOne 600 AIO markalı bilgisayarın ölçüleri ve ortalama sıcaklığı firma kataloğundan alınmıştır. Mahal içerisinde bir kişi, oturur vaziyette bulunmaktadır. Odada bulunan insanın masada oturur vaziyettedir ve ortalama metabolik aktivitesi 50-70 W arasındadır.
Odada bulunan bilgisayar gibi, insan da ısı kaynağı vazifesi görmektedir, mahal ile odada bulunan insan arasında ısı transferi vardır. Bu çalışma, 30 °C dış ortam sıcaklığı olduğu ve üstte belirtildiği ısı geçişi koşullarında, kapalı bir mahalde oturur vaziyette bulunan insanın, bilgisayar da çalışır vaziyetteyken odanın tabandan, tavandan ve klima ile soğutulmasını inceler.
Odaya beslenen 15°C hava ve hava değişim katsayısı 1,3,5,10,15 olduğu senaryolar ayrı ayrı Ansys Fluent aracılığıyla modellenmiştir. Bu değerler hem birbirleri ile hem de taban, tavan ve klima ile soğutulması durumunda odadaki hız ve sıcaklık dağılımları incelenmiş, ayrıca insanın bilek mesafesi olan 0,1m ve omuz mesafesi olan 1,1m kesitlerindeki konfor değerlerini, ASHRAE-55' e göre incelemiştir. Kapalı mahalin hacmi 9,234 m3' dür. Elde edilen sonuçlar hem mahale beslenen ACH debilerinin sonuçlarının birbirleri arasında karşılaştırılması olarak, hem de ISO-7730 ve ASHRAE-55' e göre termal konfor şartlarına uygunluğu olarak incelenmiştir. Bu standartlara göre, bilek ve omuz hizasından alınan kesitler ile hız, sıcaklık, değerleri okunarak konfor parametresi değerleri irdelenmiştir. Odadaki bağıl nem %50, metabolik aktivite oda içerisinde oturma pozisyonuna denk gelen 1,2 met ve kıyafet etkisi kısa şort ve tişört olarak 0,67 clo' dur olarak kabul edilmiş ve analizler bu değerlere göre yapılmıştır.
Bu çalışmanın simülasyon modeli, literatür aracılığı ile doğrulama yöntemi seçilerek doğrulanmıştır. Literatürden, Çakır' ın İstanbul Teknik Üniversitesinde, 2009 yılında yapmış olduğu İç Hacim Konfor Şartlarının Sayısal Ve Deneysel Olarak İncelenmesi adlı çalışması seçilmiş ve bu çalışmada yapılmış olan deneysel veriler HAD ortamında simüle edilmiştir. Çakır, çalışmasında sabit sıcaklık ortamı oluşturduğu 1x1x1,5m boyutlarında, 0,05x0,05m besleme ve egzoz kesiti boyutlarına sahip ve 300K sabit sıcaklıkta tutulan deneysel bir düzenek kurmuş vebu düzeneğe besleme kesitinden 1,44 m/s hızında, 288K sıcaklığında taze hava beslemiştir. Bu deney sonucunda, taban kesitinden olmak üzere 25cm, 40cm, 60cm, 80cm ve 92cm yüksekliklere yerleştirdiği sensörler ile kesitlerde oluşan hız ve sıcaklık değerlerini ölçmüştür. Aynı zamanda Çakır, yapmış olduğu çalışmasını HAD ortamında türbülans model kurgulayarak, deneysel düzeneğini de doğrulamıştır. Bu tez, Çakır' ın deneysel düzeneğini HAD ortamında simüle edip, deneyindeki kesitlerde ölçtüğü hız ve sıcaklık sonuçlarını, HAD ortamında kurgulanmış olan model sonuçları ile kıyaslayıp, simülasyonun doğruluğunu sağlamıştır. Simülasyon doğrulamasına ek olarak, mesh yapısının da doğrulanması amacıyla, Çakır' ın çalışması düşük sayılı (496,491 hücre), ortalama sayılı (1,631,504 adet), yüksek sayılı (2,906,674 adet) ve çok yüksek sayılı (6,305,847 adet) 4 farklı mesh sayısına sahip model ile tekrar çözülüp, gerçek sonuçlara en yakın hangi mesh sayısı ile varılacağının da tespiti yapılmıştır.
Farklı ağ yapılarına sahip modellerin benzer sonuçlar verdiği görülse de yüksek ve çok yüksek ağ yapılı modellerin deneysel sonuçlara oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmüştür ve bu iki ağ yapısı üzerinde yoğunlaşılmıştır. Doğrulamadan elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurularak, 3,000,000 civarı mesh adedinin deneysel sonuçlara yakınsadığı görülmüş ve bu tez için kullanılacak mesh adedi belirlenmiştir. Çakır' ın çalışmasının simülasyon ve mesh sayısının doğrulanmasının ardından, kurgulanan model aynı şekilde bu çalışmanın konusu olan tabandan soğutma, klima ve tavandan soğutma sistemlerine uygulanmış ve sonuçları irdelenmiştir. Tabandan soğutma, klima ve tavandan soğutma sistemleri ile yapılan simülasyon sonuçlarına ek olarak, mahalde gerçekleşen ısı transferi ampirik formüller ile de çözülüp, simülasyonun doğruluğu ikinci defa teyit edilmiştir.

Abstract:
Ventilation is the replacement of air in a closed area. Air conditioning systems are design for providing of the indoor air demanded under defined assumptions. Today, people are spending most of their time in closed areas such as offices and shopping malls. For this reason, the importance of area conditioning is increasing nowadays. One of the most important conditions in area air conditioning is thermal comfort.
Thermal comfort determination depends that air velocity and thermal distribution on inside the room. This study examines that thermal comfort, local comfort, draught effect and air velocity and thermal distribution on the closed area via Computational Fluid Dynamics.
The simulation is validated via literature. Similar case study is chosen from literature. The reference is including numerical, experimental values and CFD model is built for this reference and validated it. This CFD model is applied for this study model and results are examined for air speed, thermal distribution and thermal comfort conditions. The reference is including room conditioning that feeding anddeparting from top area of room and examine the conditioning and thermal distribution.
This study examines that closed room dimension on 1,80x1,80x2,85 m and the surfaces are well isolated. Bottom area and one surface are adiabatic and heat transfer is not occurring. The other area insulated, and radiation effect is included this study. There is a computer in the room placed on the table and used as a heat source. The computer in the area operates at 25W and acts as a source of heat. The computer rests on a neglected table of heat transfer.
Computer dimensions HP ProOne 600 AIO brand computer's dimensions and average temperature are taken from the company catalog. Also, a person sitting in the room. The temperature of the person's metabolic rate is 50-70W on the room and the person accepted as heat source. Heat transfer is occuring person between room, radiation effects are accepted. The outside temperature of room is 30 ° C and room is cooling with 3 different scenario as down cooling, air conditioner and up cooling that working on 15 ° C. The fresh air is used for room cooling and 5 different scenarios are examined for airflow rate as 1,3,5,10,15 air change per hour.
All scenarios modeled via Ansys Fluent. Thermal and velocity distribution results on the wrist distance (0,1m) and necklace distance (1,1m) compared to each other as ach rates. Also, cooling systems are compared with each other. All compares are completed depending on ASHRAE-55 and ISO-7730 standards and draught effects. Cooling is calculated for summer scenario. Relative humidity is used %60, metabolic rate is used 1,2 and clothes affect is used 0,67 for all calculations.
The simulation model of this study is validated via literature. Çakır's study is selected from the literature that prepared in Istanbul Technical University in 2009 that name of Numerical and Experimental Analysis of the Internal Comfort Conditions. In this study, the experimental system is prepared, and also these experimental system results are examined on Ansys Fluent and compared with each other. Çakır set up an experimental room that dimension of 1x1x1,5m and this system have and 0,05mx0,05m feeding and an exhaust section. The temperature of the room is stable and 300K. The fresh that have 1,44 m/s velocity, and temperature of 300K is fed on the room, and thermal and velocity distribution on air is examined on 25cm, 40cm, 60cm, 80cm, and 92cm sections via sensors. Cakir, also examinedthis experimental system via Ansys CFD. Cakir is prepared a turbulence model on CFD for this experimental study and compared with real results and simulation results with each other.
Also, In this study, the mesh validation is prepared with Cakir's s experimental system. 4 different mesh number model is prepared and simulated that have low mesh number (496,491 cells), average mesh number (1,631,504 units), high mesh number (2,906,674 units) and very high mesh number (6,305,847 units). High mesh number and very high mesh number model results are shows that almost 3,000,000 mesh numbers almost the same with real results. In this sudy, the down cooling, air conditioner, up cooling room models will be have 3,000,000 and around mesh number. Also, simulation results of down cooling, air conditioner and up cooling systems, total heat transfers are solved with formulas and compared with simulation results and the simulation results are confirmed the second time.