Natural ventilation design for historic libraries with CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation

Abstract

Libraries accumulate and protect written and printed works that make permanent knowledge and cultures have been accumulated throughout human history. Paper-based collections kept in libraries are the heritage of humanity. They are under risk of mechanical, biological and chemical degradation over the years caused by the fluctuations in temperature and relative humidity values and inability to control these values. The aim of the Thesis is to reduce degradation risks on paper-based collections in historic libraries by providing preventive conservation without damaging the structure of the building. The historic Necip Paşa Library which is home for 1147 manuscripts was chosen as a case study. In order to provide preventive conservation for manuscripts, firstly indoor microclimatic data were collected for one year and analyzed to observe the risks that may cause degradation types on manuscripts. Only chemical degradation risk was detected. Window controlled seven natural ventilation scenarios were developed to reduce the risk. Finally, ventilation scenarios were analyzed by Ansys Fluent 17.1. Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling was used to observe the effect of natural ventilation scenarios on indoor relative humidity according to outdoor relative humidity and wind direction. Finally, k-? turbulence model was used in CFD analysis. Results shows that during the high chemical degradation risk period (May-October), outdoor air temperature and relative humidity are suitable only 7.53% of the total time which allows appropriate natural ventilation. As a conclusion, natural ventilation is not enough to decrease chemical degradation risk totally for the Library. Therefore, additional mechanical ventilation is required.

Kütüphaneler, insanlık tarihi boyunca biriktirilen bilgi ve kültürlerin kalıcı olmasını sağlayan yazılı ve basılı eserleri biriktirir, korur ve geleceğe aktarılmasını sağlar. İnsanlığın mirası olan bu belgeler, yıllar içinde mekanik, biyolojik ve kimyasal bozulma riski taşımaktadır. Risklerin temel nedenleri sıcaklık ve nem değerlerinde meydana gelen dalgalanmalar ve bu değerlerin gerektiği gibi kontrol edilememesidir. Bu tezin amacı, tarihi kütüphanelerdeki kağıt bazlı eserlerin binanın yapısına zarar vermeden önleyici koruma sağlayarak bozulma riskini azaltmaktır. 1827 yılında Tire-İzmir-Türkiye'de inşa edilen ve XII. yüzyıla dayanan 1147 değerli el yazmasına ev sahipliği yapan Necip Paşa Kütüphanesi örnek çalışma olarak incelenmiştir. Binanın ana yapısında ısıtma/soğutma ve mekanik havalandırma sistemi yoktur. El yazmalarının önleyici korunmasını sağlamak için, ilk olarak iç ortam mikroklima verileri bir yıl boyunca toplanmıştır. Veriler, el yazmalarının kimyasal, biyolojik ve mekanik bozulmalarına neden olabilecek riskleri belirlemek için analiz edilmiş. Yalnızca kimyasal bozulma riski tespit edilmiştir. Kimyasal bozulma riskini azaltmak için pencere kontrollü doğal havalandırma senaryoları geliştierilmiştir. Son olarak, bina modellenmiş ve pencere kontrollü yedi doğal havalandırma senaryosu dış ortamdaki bağıl nem, sıcaklık ve rüzgâr yönüne bağlı olarak iç ortamdaki bağıl nem üzerindeki etkisini gözlemlemek için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yönetemi kullanılarak Ansys Fluent 17.1 ile analiz edilmiştir. HAD analizinde k-? türbülans modeli kullanılmıştır. Sonuçlar kimyasal bozulma riski olan dönem (Mayıs-Ekim) için dış hava sıcaklığı ve bağıl nem değerlerinin uygun doğal havalandırma senaryosu kullanıldığında 7.53% iyileşme meydana geldiğini gösterdi. Ayrıca sonuç göre doğal havalandırmanın tek başına kullanılmasının Necip Paşa Kütüphanesi-Tire-İzmir-Türkiye içinde bulunan kağıt bazlı koleksiyonların korunmasında yetersiz kaldığını ve ek olarak mekanik havalandırma gerektiğini ortaya koydu.