Genel olarak A/C veya AC olarak kısaltılan klima, kapalı bir alandaki ısıyı uzaklaştırarak ve nemi kontrol ederek termal konfor sağlayan çok önemli bir teknolojidir. Bu işlem, mekanik klimalar, pasif soğutma ve havalandırmalı soğutma teknikleri gibi çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilebilir. Klima, toplu olarak konforlu bir iç ortam sağlayan ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme (HVAC) sistemlerinin temel bir bileşenidir. İklimlendirmenin yaygın kullanımı, modern mimariyi ve bina tasarımını önemli ölçüde etkilemiş, derin planlı binaların oluşturulmasına ve insanların daha sıcak bölgelerde rahatça yaşamalarına olanak sağlamıştır. Bununla birlikte, iklimlendirmeye yönelik artan talep, enerji tüketimi ve çevresel etki ile ilgili endişeleri artırmış ve sürdürülebilir ve alternatif soğutma teknolojilerinin geliştirilmesine yol açmıştır (Uluslararası Enerji Ajansı, 2018; Birleşmiş Milletler, t).

Klima Sistemleri Türleri

Her biri belirli ihtiyaç ve tercihleri ​​karşılamak üzere tasarlanmış çeşitli iklimlendirme sistemleri mevcuttur. Örneğin, merkezi klima sistemleri geniş alanları soğutmak için idealdir ve bir dış ünite, bir iç ünite ve soğutulmuş havayı binanın her yerine dağıtmak için bir kanaldan oluşur. Split sistemler ise bireysel odalar için uygundur ve bir dış kompresör ve bir iç hava işleyiciden oluşur. Bu sistemler ayrıca, birden çok odada bağımsız sıcaklık kontrolüne izin veren mini split (kanalsız) ve multi split sistemler olarak sınıflandırılabilir.

Diğer bir klima sistemi türü, tek oda soğutması için tasarlanmış kompakt, bağımsız bir sistem olan pencere ünitesidir. Taşınabilir klimalar işlev olarak benzerdir ancak bir odadan diğerine kolayca taşınabilir. Bataklık soğutucuları olarak da bilinen buharlaşmalı soğutucular, havayı soğutmak için doğal buharlaşma sürecini kullanır ve özellikle kuru iklimlerde etkilidir. Son olarak, jeotermal sistemler, hem ısıtma hem de soğutma sağlamak için dünyanın sabit sıcaklığından yararlanır ve bu da onları enerji açısından verimli ve çevre dostu bir seçenek haline getirir.

Klimaların Bileşenleri ve Çalışması

Klimalar, kapalı bir alandan ısı ve nemi uzaklaştırmak için bir buhar sıkıştırmalı soğutma döngüsü kullanarak çalışır ve böylece daha konforlu bir ortam yaratır. Bir iklimlendirme sisteminin ana bileşenleri arasında kompresör, kondenser, evaporatör ve genleşme valfi bulunur. Kompresör, yüksek ısı emme kapasitesine sahip bir madde olan soğutucu akışkanı yüksek basınçlı, yüksek sıcaklıkta bir gaza dönüştürerek basınçlandırır. Bu gaz daha sonra kondansatöre akar ve burada çevredeki ortama ısı vererek soğutucu akışkanın yüksek basınçlı bir sıvıya yoğunlaşmasına neden olur. Sıvı soğutucu daha sonra evaporatöre girmeden önce basıncını ve sıcaklığını düşüren genleşme valfinden geçer. Evaporatörde, soğutucu akışkan iç ortam havasından ısıyı emerek, işlem sırasında buharlaşmasına ve havayı soğutmasına neden olur. Soğutulan hava daha sonra tüm mahalde sirküle edilirken, düşük basınçlı soğutucu gaz döngüyü tekrarlamak için kompresöre geri döner (ASHRAE, 2017; US Department of Energy, t).

Pasif Soğutma ve Havalandırmalı Soğutma Teknikleri

Pasif soğutma ve havalandırmalı soğutma teknikleri, enerji tüketimini ve çevresel etkiyi azaltmayı amaçlayan geleneksel iklimlendirme sistemlerine sürdürülebilir alternatiflerdir. Pasif soğutma, mekanik sistemlere dayanmadan konforlu iç mekan sıcaklıklarını korumak için bina tasarımı ve malzemelerinin kullanılması anlamına gelir. Bu, uygun bina yönelimi, gölgeleme cihazları, termal kütle ve doğal havalandırma gibi çeşitli yöntemlerle elde edilebilir. Havalandırmalı soğutma ise, bir binadaki fazla ısıyı uzaklaştırmak için doğal hava akışının stratejik kullanımına odaklanır. Bu, çapraz havalandırma, yığın etkisi ve rüzgar yakalayıcılar gibi tekniklerle gerçekleştirilebilir. Hem pasif hem de havalandırmalı soğutma yaklaşımları geleneksel mimaride yüzyıllardır kullanılmaktadır ve şimdi yeniden canlandırılmakta ve enerji verimliliği ve sürdürülebilirliği desteklemek için modern bina tasarımlarına uyarlanmaktadır (Kleerekoper, van Esch ve Salcedo, 2012; Santamouris, 2014).

Isıtma, havalandırma, ve klima

Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme (HVAC) sistemleri, modern bina tasarımının ayrılmaz bir parçasıdır ve bina sakinleri için termal konfor ve kabul edilebilir iç hava kalitesi sağlar. Bu sistemler, bir bina içindeki sıcaklığı, nemi ve hava sirkülasyonunu düzenleyerek konforlu ve sağlıklı bir ortam sağlar. HVAC sistemleri tipik olarak fırın veya kazan gibi bir ısıtma bileşeninden, klima veya ısı pompası gibi bir soğutma bileşeninden ve mekanik veya doğal olabilen bir havalandırma bileşeninden oluşur. Isıtma ve soğutma bileşenleri, istenen iç ortam sıcaklığını korumak için birlikte çalışırken havalandırma bileşeni, iç ortam havasındaki kirleticileri, kokuları ve fazla nemi gidermeye yardımcı olur. HVAC sistemleri, güneş panelleri, jeotermal ısı pompaları ve enerji geri kazanım vantilatörleri gibi sürdürülebilir teknolojileri birleştirerek enerji açısından verimli ve çevre dostu olacak şekilde tasarlanabilir. HVAC sistemlerinin uygun tasarımı, kurulumu ve bakımı, optimum performans ve uzun ömürlerinin yanı sıra bina sakinlerinin refahı için çok önemlidir (ASHRAE, 2017; ABD Enerji Bakanlığı, 2020).

Isı Pompaları ve Hava Kaynaklı Isı Pompaları

Isı pompaları ve hava kaynaklı ısı pompaları, kapalı mekanlar için hem ısıtma hem de soğutma sağlayan enerji tasarruflu sistemlerdir. Isı pompaları, buhar sıkıştırmalı soğutma ilkelerini kullanarak ısıyı bir konumdan diğerine aktararak çalışır. Isıtma modunda dış havadan veya yerden ısıyı alıp içeriye aktarırlar, soğutma modunda ise iç havadan ısıyı alıp dışarıya verirler. Belirli bir ısı pompası türü olan hava kaynaklı ısı pompaları, ısı kaynağı veya batağı olarak yalnızca dış havayı kullanır. Bu sistemler, geleneksel HVAC sistemlerine kıyasla daha az çevresel etki ile verimli ısıtma ve soğutma sağlama yetenekleri nedeniyle son yıllarda, özellikle daha soğuk iklimlerde popülerlik kazanmıştır (Uluslararası Enerji Ajansı, 2018). Sürdürülebilir ve alternatif soğutma teknolojilerine olan talep arttıkça, ısı pompalarının ve hava kaynaklı ısı pompalarının iklimlendirme ve bina tasarımının geleceğinde önemli bir rol oynaması beklenmektedir (Birleşmiş Milletler, t).

Enerji Tüketimi ve Çevresel Etki

İklimlendirme sistemlerinin enerji tüketimi, binalardaki küresel elektrik kullanımının yaklaşık %20'sini oluşturduğu için önemli bir endişe kaynağıdır (Uluslararası Enerji Ajansı, 2018). Bu yüksek enerji talebi, artan sera gazı emisyonlarına katkıda bulunur ve iklim değişikliğini şiddetlendirir. Ayrıca, klima sistemlerinde kullanılan kloroflorokarbonlar (CFC'ler) ve hidrokloroflorokarbonlar (HCFC'ler) gibi soğutucu akışkanların ozon tabakasına zarar verdiği, hidroflorokarbonların (HFC'ler) ise küresel ısınmaya katkıda bulunduğu bulunmuştur (Birleşmiş Milletler, nd). Bu soğutucu akışkanların genellikle onarımlar sırasında atmosfere salınması önemli bir çevresel tehdit oluşturur. Bu sorunları ele almak için pasif soğutma, buharlaşmalı soğutma ve daha iyi ısı yalıtımı gibi alternatif soğutma teknolojilerinin kullanımı teşvik edilmiştir. Ek olarak, daha düşük küresel ısınma potansiyeline ve sıfır ozon tüketme potansiyeline sahip olan hidrofloroolefin (HFO) soğutucu akışkanların benimsenmesi yeni ekipmanlarda daha yaygın hale geliyor.

Sürdürülebilir ve Alternatif Soğutma Teknolojileri

Sürdürülebilir ve alternatif soğutma teknolojileri, geleneksel iklimlendirme sistemlerinin enerji tüketimi ve çevresel etkileri konusundaki artan endişeler nedeniyle son yıllarda önem kazanmıştır. Bu tür teknolojilerden biri, mekanik sistemlere ihtiyaç duymadan rahat iç mekan sıcaklıklarını korumak için bina tasarımı ve malzemelerini kullanan pasif soğutmadır. Bu, doğal havalandırma, gölgeleme ve termal kütle gibi tekniklerle sağlanabilir. Diğer bir alternatif ise, havayı soğutmak için suyun doğal buharlaşma sürecine dayanan ve geleneksel iklimlendirme sistemlerine kıyasla önemli ölçüde daha az enerji tüketen buharlaşmalı soğutmadır.

Doğrudan güneş ışığını engellemek için stratejik olarak gölgelikler veya panjurlar yerleştirmeyi içeren bir teknik olan seçici gölgeleme, aynı zamanda iç mekan sıcaklıklarını ve enerji tüketimini azaltmaya yardımcı olabilir. Eski bir mimari özellik olan rüzgar yakalayıcılar, doğal havalandırma ve soğutmayı desteklemek için modern binalara entegre edilebilir. Ayrıca binalarda ısı yalıtımının iyileştirilmesi, iç ve dış ortamlar arasındaki ısı transferini en aza indirerek iklimlendirme ihtiyacını azaltabilir. Enerji verimli ve çevre dostu soğutma çözümlerine olan talep artmaya devam ederken, gelecekte daha yenilikçi ve sürdürülebilir teknolojilerin ortaya çıkması beklenmektedir (IEA, 2018; Birleşmiş Milletler, 2019).

İklimlendirme Tarihi ve Pasif Teknikler

İklimlendirmenin tarihi, konforlu iç mekan ortamlarını korumak için pasif soğutma tekniklerinin kullanıldığı eski uygarlıklara kadar izlenebilir. Örneğin, eski Mısırlılar, daha sonra İber Yarımadası, Kuzey Afrika, Orta Doğu ve Kuzey Hindistan'a yayılan mimari tasarımlarında pasif iklimlendirme yöntemlerini kullandılar [8][9]. Bu pasif teknikler, elektrikli klima sistemlerinin pazara hakim olmaya başladığı 20. yüzyıla kadar popülerliğini korudu. Bununla birlikte, geleneksel binalara yönelik son mühendislik çalışmaları, artık uyarlanmakta ve modern mimari tasarımlara entegre edilmekte olan pasif soğutma yöntemlerine olan ilginin yeniden canlanmasına yol açmıştır [10][9].

Modern iklimlendirme sistemlerinin gelişimi, 19. yüzyılda mekanik soğutmanın icadıyla başlamıştır. 1902'de Willis Carrier, çağdaş klima endüstrisinin temelini oluşturan ilk elektrikli klima ünitesini icat etti. Yıllar geçtikçe, teknolojideki ilerlemeler, alternatif soğutucu akışkanların kullanımı ve enerji tasarrufu özelliklerinin dahil edilmesi dahil olmak üzere daha verimli ve çevre dostu klima sistemlerinin oluşturulmasına yol açmıştır. Sürdürülebilir soğutma çözümlerine olan talep artmaya devam ederken, pasif soğutma tekniklerinin ve yenilikçi teknolojilerin iklimlendirme sistemlerine entegrasyonunun endüstrinin geleceğini şekillendirmede önemli bir rol oynaması bekleniyor [11].

Geliştirme ve Önceki Keşifler

Modern iklimlendirme sistemlerinin gelişimi, birkaç önemli keşif ve yeniliğe kadar izlenebilir. 1558'de Giambattista della Porta, Natural Magic (Porta, 1558) adlı kitabında buzu potasyum nitratla karıştırarak donma noktasının çok altındaki sıcaklıklara soğutma yöntemini açıkladı. Daha sonra, 1620'de, Cornelis Drebbel, bir yalak ve fıçı aparatı kullanarak Westminster Abbey Büyük Salonunun bir bölümünü soğutarak İngiltere kralı I. James için "Yazı Kışa Çevirmek"i gösterdi (Bacon, 1620). 1758'de Benjamin Franklin ve John Hadley, bir nesneyi hızlı bir şekilde soğutmanın bir yolu olarak buharlaşma ilkesini keşfetmek için bir deney yaptılar ve oldukça uçucu sıvıların buharlaşmasının, bir nesnenin sıcaklığını donma noktasının üzerine düşürmek için kullanılabileceğini doğruladılar. su (Franklin & Hadley, 1758). Bu erken keşifler, o zamandan beri gelişmiş teknolojiler ve malzemeleri birleştirmek için gelişen ve geniş bir uygulama yelpazesi için daha verimli ve sürdürülebilir soğutma çözümleri sağlayan modern iklimlendirme sistemlerinin geliştirilmesinin temelini attı.

Modern Mimaride ve Bina Tasarımında İklimlendirme

Klima sistemleri, bir yapının genel konforuna ve enerji verimliliğine önemli ölçüde katkıda bulunduğundan, modern mimarinin ve bina tasarımının ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Mimarlar ve mühendisler, doğal havalandırmayı optimize etmek ve mekanik soğutma sistemlerine olan bağımlılığı azaltmak için bina yönü, yalıtım, pencere yerleşimi ve gölgeleme cihazları gibi faktörleri göz önünde bulundurarak iklimlendirme sistemlerini tasarım sürecine dahil etmek için işbirliği yaparlar. Ek olarak, Yapı Bilgisi modellemesi (BIM) gibi ileri teknolojilerin kullanımı, en verimli ve sürdürülebilir çözümlere ulaşmak için çeşitli iklimlendirme konfigürasyonlarının simülasyonuna ve analizine olanak tanır.

Son yıllarda, enerji tüketimini ve çevresel etkiyi en aza indirmek için pasif soğutma ve havalandırmalı soğutma tekniklerinin bina tasarımlarına entegre edilmesine artan bir vurgu yapılmıştır. Bu stratejiler, mekanik iklimlendirme sistemlerine ihtiyaç duymadan iç ortam sıcaklıklarını düzenlemek için termal kütle, doğal havalandırma ve gölgeleme cihazlarının kullanımını içerir. Ayrıca, hava kaynaklı ısı pompaları gibi enerji tasarruflu HVAC sistemlerinin benimsenmesi ve sürdürülebilir ve alternatif soğutma teknolojilerinin uygulanması, küresel enerji tüketimi ve iklim değişikliği endişelerini gidermek için modern bina tasarımlarında giderek daha yaygın hale geliyor (IEA, 2018; Birleşmiş Milletler, nd).

İklimlendirmede Gelecek Trendler ve Yenilikler

İklimlendirmede gelecekteki eğilimler ve yenilikler, öncelikle enerji verimliliğini artırmaya ve çevresel etkiyi azaltmaya odaklanmaktadır. Bu tür yeniliklerden biri, soğutma işlemine güç sağlamak için güneş enerjisinden yararlanarak elektrik tüketimini ve sera gazı emisyonlarını önemli ölçüde azaltan güneş enerjisiyle çalışan klima sistemlerinin geliştirilmesidir (Li ve diğerleri, 2017). Ek olarak, bina tasarımında faz değiştiren malzemelerin (PCM'ler) kullanımı, bu malzemeler termal enerjiyi depolayabildiği ve serbest bırakabildiği ve böylece mekanik iklimlendirme sistemlerine olan bağımlılığı azalttığı için ilgi görmektedir (Kuznik ve diğerleri, 2011). Ayrıca, sensör teknolojisindeki gelişmeler ve yapay zekanın (AI) HVAC sistemlerine entegrasyonunun enerji tüketimini optimize etmesi ve iç mekan hava kalitesini iyileştirmesi bekleniyor (Shaikh ve diğerleri, 2016). Son olarak, daha düşük küresel ısınma potansiyeline (GWP) ve sıfır ozon tüketme potansiyeline (ODP) sahip alternatif soğutucu akışkanların benimsenmesinin, klima sistemlerinin çevresel etkisini azaltması beklenmektedir (Zhang ve diğerleri, 2017).