Ankara'da havuz yapımı: karasal iklimde don ve ısıtma yükü nedir?

Havuz projesinin sayısal omurgası aylık sıcaklık ve yağış serisidir. Aşağıdaki tablo Ankara için 1991-2020 dönemi ortalamalarını verir. Havuz tasarımcısı için üç sütun belirleyicidir: aylık ortalama en düşük sıcaklık (donma kaç ay sürüyor), aylık ortalama sıcaklık (ısıtma açığı) ve yağış (havuzun kendi kendine dolup taşmadığı, aksine buharlaşmayla su kaybettiği aylar).

Tablodan üç sonuç çıkar. Birincisi, aralık, ocak ve şubat aylarında ortalama gece sıcaklığı sıfırın altındadır; yani havuz kabuğu ve derzler üç ay boyunca hemen her gece donup gündüz çözülür. İkincisi, temmuz ve ağustosta gece-gündüz farkı 13,6 ile 13,8 °C arasındadır; havuz suyu gündüz ısınır, gece bulutsuz kuru havaya ışıma ve buharlaşmayla ısı kaybeder. Üçüncüsü, temmuz-eylül toplam yağışı 47,3 mm iken buharlaşma bunun çok üstündedir; havuzun su seviyesi yağmurla değil, şebekeyle tutulur.

Sahada iki olgu birbirine karıştırılır. Tek seferlik don kırılması, boşaltılmamış bir boruda ya da su dolu bir taşma kanalında suyun donup hacminin yaklaşık yüzde dokuz artmasıyla parçayı çatlatmasıdır; olay bir gecede olur ve nedeni bellidir. Donma-çözülme yorulması ise betonun ve kaplama altı harcın kılcal boşluklarındaki suyun her gece donup her gündüz çözülmesiyle, onlarca döngü sonunda yüzeyin pul pul dökülmesi, derzlerin açılması ve seramiğin altından boşalmasıdır. Wikipedia'nın "Frost weathering" maddesine göre -22 °C'de buz büyümesi 207 MPa'ya kadar basınç üretebilir ve süreç -3 ile -8 °C arasında, su mevcutsa etkindir; Ankara'da kış gecelerinin büyük kısmı tam bu aralıktadır.

Aynı maddeye göre modern açıklama hacim genleşmesinden çok buz ayrışmasıdır: su kılcal yolla donma cephesine göç eder, mercek biçiminde buz büyür ve malzemeyi içten çatlatır. Havuz için pratik sonucu şudur: sorun yalnızca havuzdaki suyun donması değil, betonun ve harcın doygun kalmasıdır. Kış boyunca suya doymuş, üstü açık, drenajsız bir havuz kabuğu her gece bu mekanizmaya maruz kalır.

Karar kriteri iki eksende kurulur: kabuğun kışı hasarsız geçirmesi ve kısa sezonun ısıtmayla uzatılması. İlk eksende betonarme havuz için karışım, derz ve drenaj kararları; ikinci eksende ısı pompası kapasitesi ve örtü kararı yazılır. Aşağıdaki liste, havuz projesi teknik şartnamesine doğrudan aktarılabilecek maddeleri toplar.

Derece-gün mantığı bir örnekle açılır. Hedef su sıcaklığı 26 °C alınırsa, tablodaki aylık ortalamalarla açık: mayısta 26 eksi 16,5 eşittir 9,5 K, 31 günle çarpınca yaklaşık 295 derece-gün; haziranda 5,4 K ile 162; temmuzda 1,8 K ile 56; ağustosta 1,7 K ile 53; eylülde 6,4 K ile 192. Mayıs ve eylülün ikisi, yazın üç ayının toplamından fazla ısıtma açığı taşır. Bu hesap sadece havadan gelen açığı gösterir; buharlaşma, rüzgar ve gece ışıması ayrıca eklenir. Bu yüzden Ankara'da ısı pompası kapasitesi hep sezon uçlarına göre, hava sıcaklığı düşükken COP değerinin de düştüğü hesaba katılarak seçilir.

Isıtma derece-günü kavramı bina mühendisliğinden gelir: Wikipedia "Heating degree day" maddesine göre günlük ortalama sıcaklıktan taban sıcaklığı çıkarılır, pozitifse o günün derece-günüdür ve bir binanın ısıtma enerjisi, özgül ısı kaybı ile dönem derece-gün toplamının çarpımıyla kestirilir. Havuzda aynı mantık su sıcaklığı tabanıyla uygulanır.

Ankara'nın villa havuzu talebi ağırlıkla Çankaya'nın güney kuşağı, İncek ve Gölbaşı çevresinde toplanır. Tipoloji büyük ölçüde parsel ve iklimle belirlenir: parseller kıyı kentlerine göre geniş, havuzlar 8 ile 12 m boyunda dikdörtgen, çoğunlukla skimmerli ya da tek kenardan taşmalı, teknik hacim bahçe kotunun altında ve don derinliğinin altında kalacak biçimde gömülü. Gölbaşı tarafında yer altı su seviyesi bazı parsellerde yüksek olduğundan boş havuzun kaldırma kuvvetiyle yüzmesi hesaba girer; bu da havuzun kışın boşaltılmaması kuralını pekiştirir.

Kapalı havuz, Ankara'da villa ölçeğinde de anlamlı bir seçenektir. Açık sezon mayıs-eylül arasında beş aya sığarken kapalı havuz on iki ay kullanılır; buna karşılık nem kontrolü ve havalandırma yükü eklenir. Kapalı havuzda dış donma-çözülme yükü kabuktan kalkar, ancak iç mekan yoğuşması ve ısı geri kazanımlı nem alma cihazı kapasitesi tasarımın merkezine gelir. Ankara'nın kuru dış havası nem alma için avantajdır: dış hava ile iç hava arasındaki nem farkı büyük olduğundan taze hava karışımıyla nem düşürmek kıyı kentlerinden daha az enerji ister. Kapalı havuz projesinde kabuk yine betonarme havuz olarak kalır, ancak hava sürüklenmiş beton yerine geçirimsizlik ve ısı yalıtımı öne çıkar.

Hava sürüklenmiş beton, Wikipedia "Air entrainment" maddesine göre 1930'ların ortasında tesadüfen bulundu: çimento öğütmede kullanılan bir katkının, elde edilen betona beklenmedik özellikler kazandırdığı ve donma-çözülme direncini artırdığı görüldü. O tarihten sonra soğuk iklimlerde hava sürüklenmiş beton istisna değil standart uygulama haline geldi. Mekanizma bugün de aynı açıklanır: 10 ile 500 mikrometre çapındaki kapalı kabarcıklar, donan suyun genleşmesine iç gerilme oluşturmadan yer açan basınç tahliye hacimleridir.

Havuz yapımı bu bilgiyi geç aldı. Yol ve köprü betonunda onlarca yıldır kullanılan hava sürüklemesi, havuz kabuklarında su geçirimsizlik kaygısıyla uzun süre atlandı; oysa kapalı kabarcıklar kılcal ağ oluşturmadığından geçirimliliği artırmaz. Ankara gibi kış gecelerinin çoğu -3 ile -8 °C bandında geçen bir kentte, kabuk ve taşma kanalı betonunda bu katkıdan vazgeçmek için teknik gerekçe yoktur.

Derece-gün yöntemi ise yakıt planlamasından doğdu ve havuz ısıtmasına aynı biçimde aktarıldı. Bina için taban sıcaklık ülkeden ülkeye 12 °C (İsviçre) ile 18,3 °C (ABD) arasında değişir; havuz için taban, hedef su sıcaklığıdır ve bu yüzden Ankara'da mayıs ve eylül, bina ısıtması açısından ılık sayılırken havuz açısından ağır aylardır. Betonarme havuz kabuğunun kışı hasarsız geçirmesi ve ısı pompasının sezon uçlarına göre seçilmesi, Ankara'da havuz projesinin iki değişmez sayısal girdisidir.