Ünite 7: Klima Sistemlerinde Enerji Ekonomisi

Klima Sisteminde Enerji Ekonomisi ile İlgili Kavramlar

HVAC Tesisat dilinde ısıtma, havalandırma, iklimlendirme anlamına gelen ve sıkça kullanılan bir kısaltmadır.

Enerji tasarrufu için ilk adım olarak ısı yalıtımı tanımlanabilir. Isı yalıtımı ile yapılardaki ısı kayıpları minimuma indirilmeye çalışılmaktadır. Pencere alanlarının azaltılması ve pencerelerde çift cam kullanılması, enerji tasarrufu için kullanılmaya başlanmış ve aynı zamanda kapılar ve pencereler gibi dış kabuk açıklıları, sızdırmaz hale getirilmiştir.

Binaya doğru olan kontrolsüz hava sızıntısı, contalı pencere camlarıyla durdurulmuş ve bunun sonucunda ısıtma ve soğutma yükleri azaltılarak tasarruf sağlanmıştır. Ancak mekanik havalandırma olmayan binalarda dolap, mobilya, halı ve boyalardan yayılan kimyasal gazlar, iç hava kalitesini bozarak alerjik hastalıklara neden olmaktadır.

Kazan, pompalar, jeneratör, fanlar ve soğutma grubu gibi elemanlar ve borular, hava kanalları gibi ısı enerjisini taşıyan elemanlar, verimsizlikleri nedeniyle enerji kaybına neden olur. Bunların daha verimli hâle getirilmesi ile ciddi miktarlarda enerji tasarrufu sağlanır.

Değişen iklim koşullarında, bina koşullarında ve işletme koşullarında konforun sağlanması, sadece otomatik kontrolle gerçekleştirilebilir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda akıllı binalar ortaya çıkmıştır. Akıllı binalarda mekanik tesisatın tamamı otomasyonla verilen bir program dahilinde kendi kendine çalışmaktadır.

Optimizasyon; bir problemde ya da uygulamada belirli koşullar altında mümkün olan seçenekler arasından en iyi olanı seçmektir. Optimizasyon kavramı, enerji tasarrufu fikri yerine, enerji ekonomisi yani enerjinin doğru kullanılması fikrini getirmektedir. Ulusal yönetmeliklerin bakış açısına göre, enerji tasarrufu değil, enerjinin doğru kullanılması sağlanmalıdır.

Klimalardaki enerji ekonomisi tek başına ele alındığı zaman, kullanılan enerji, esas olarak elektrik enerjisidir. Yani klima sistemlerinde en değerli enerji kaynağı kullanılmaktadır. Petrol fiyatlarıyla paralel bir şekilde değişkenlik gösteren elektrik fiyatları, enerji maliyetlerinin, sistemlerin en önemli özelliği hâline geldiği söylenebilir.

Kompresör ve Dönüştürücü (İnverter) Sistemler

Kompresör soğutucu akışkan çevriminde soğutucu akışkanı dolaştırmak için bir pompa gibi çalışır. Düşük basınç ve sıcaklıktaki soğutucu akışkan evaporatörde (buharlaştırıcı) buharlaştırılır ve soğutucu akışkan buharı kolayca sıvı faza geçebileceği basınca kadar konderserde sıkıştırılır. Kompresörler, sıkıştırma işlemine göre santrifüj (merkezkaç etkisini kullanarak bir döner çark ile) sıkıştırma ve volumetrik (hacimsel) sıkıştırma olarak sınıflandırılır.

Doğru akımı (DC), alternatif akıma (AC) dönüştürebilen, gerilimi ve frekansı birbirinden bağımsız ayarlanabilen cihazlara dönüştürücülü (İnverter) sistemler denir. Klasik on-off kontrollü sisteme göre, kısmi yükte çalışan dönüştürücülü kompresörlü sistem daha verimlidir. Klasik kompresörlerdeki kompresör rotasyonu sabittir. İnverter kompresörler kapasitelerini modüle edebilmektedir. İnventer sistemlerinde Isıtma ve soğutma kapasitesi; dış ortam, iç ortam ve ayar sıcaklığına bağlıdır. İnverterli sistemlerde defrost süresi çok kısadır. Frekans kontrolü kullanıldığında çoklu kompresörlü cihazlarda, yüke göre % 4-100 çalışma kapasitesi aralığında tüketim gücü ayarlanarak kompresörün minimum enerji tüketmesi sağlanır. Isı dalgalanmalarını ve nem sorunlarını, oda sıcaklığını ayarlanan sıcaklığa göre % 0,1 °C hassasiyetle sabit tutarak ortadan kaldırır. İlk çalıştırıldıkları zaman dışında Cihaz düşük kapasitede çalıştığı için yüksek enerji verimliliğine sahiptir. Ortama üflenecek olan taze havayı mümkün olduğu kadar üst kottan almak gerekir. Başka kısıtlamalar olmaması durumunda en uygun olanı taze havanın çatının alınmasıdır.

Kış aylarında iç ortam ile dış hava sıcaklığı farkı fazla olduğu için, termostatik radyatör vanası veya oda termostatı kullanarak her odanın sıcaklığı ayrı ayrı kontrol edilmelidir. Yaz mevsiminde sıcaklık farkı düşük olduğu için, her odanın sıcaklığının ayrı ayrı kontrol edilmesi gerekmez.

Isı enerjisinin taşınması sırasında dikkat edilmesi gereken iki önemli konu vardır: Isı enerjisinin taşınacağı mesafe ve Enerjinin taşınma şekli. Taşıma işleminde elektrik enerjisini fanlar değil, hava kanalları; pompalar değil, borular tüketir. Yani hava kanallarındaki direnç ne kadar az olursa elektrik tüketimi de o kadar azalır ve ihtiyacı karşılamak için daha küçük bir fan motorunun kullanılması yeterli olur. Aynı şekilde borulardaki basınç kaybı ne kadar az olursa, elektrik tüketimi o oranda azalır ve daha küçük bir pompanın kullanılması yeterli olur.

Hava veya su ile taşınan ısı enerjisi miktarı aynı eşitlik ile hesaplanır (bknz: Eşitlik 7.1). Aynı güçte enerjinin taşınması için; hava kanalının çapı su borusunun çapına göre daha küçük olacaktır. Su borularındaki ve hava kanallarındaki hızlar çok farklıdır. Su borularında, hız daha düşüktür. Suyun hareketi için sulu sistemlerde sağlanması gereken basınç, havanın hareketi için havalı sistemlerde sağlanması gereken basınçtan daha yüksektir.

Havalandırmadan olan ısıl kazançları önlemek amacıyla bazı yöntemler kullanılabilir. Bu yöntemler aşağıda verilmiştir;

• İç ortamdaki enerji tüketen cihazlardan kaynaklanan ısıl kazançları azaltmak,
• Havalandırma sistemi ile ilişkili olan ısıl kazançları azaltmak,
• İç ortama bağlı olan ısıl kazançları azaltmaktır.

Fanlarda ve Kanallarda Enerji Tasarrufu

Fanlar, sirkülasyon pompaları gibi sürekli çalıştığı için, HVAC sistemlerinde enerji tüketim payları çok önemlidir. Binaların mekanik tesisatında klima santrali fanları, hava soğutmalı çiller fanları, havalandırma fanları ve kule fanları gibi farklı amaçlarla kullanılan fanlar bulunur.

Fanlar genelde sürekli çalıştığı için, çok enerji tüketirler. Ancak fana verilen enerji esas olarak dağıtım kanallarında tüketilir. Uygun tasarlanan bir hava kanal sisteminde havanın dağıtımı basit olmalı, fazla dolaşmamalı, fazla fitting (boru bağlantı parçaları) kullanılmamalı ve enerji tüketimi optimum düzeyde olmalıdır.

Prensip olarak kanal sistemindeki boruların kesiti ne kadar küçük olursa, kanal yatırım maliyeti de o kadar az olacaktır. Fakat, fandaki yıllık enerji tüketimi ve fan yatırım maliyeti artar. Bunlar birbirine ters olarak işleyen temel parametrelerdir. Soğutulmuş su borularında da (aynen hava kanallarında olduğu gibi) boru çapı ne kadar büyük olursa

• Su akışına karşı olan direnç o kadar azalır.
• Pompalama enerjisi azalır.
• Pompa küçülür ve maliyet azalır.

Buna karşılık,

• Boru maliyeti artar.
• Vana, fitting ve armatür maliyeti artar.
• Boru yalıtım maliyeti artar.
• Isı kazancı artar.

Avrupa standartlarında hava kanallarında üç sızdırmazlık sınıfı tarif edilmektedir. Bu sızdırmazlık sınıfları; A (düşük), B (orta) ve C (yüksek) olarak verilmektedir.

Sadece havalandırma yapılması durumunda hava kaçaklarının enerji maliyeti fan enerji tüketiminde ortaya çıkmaktadır. Şartlandırılan hacimlerden geçen kanallardaki sızma, yine iklimlendirilen hacme olacağından, bir kayıp oluşturmayacağı ileri sürülebilir. Sızdırmaz kanal kullanıldığında menfez bağlantılarına özel önem verilmeli ve bağlantılar tekniğine uygun yapılmalıdır.

Merkezi soğutulmuş sulu klima sistemlerinde, örneğin fan coil sistemlerinde, büyük miktarda su, sistemde sürekli dolaşmaktadır. Şartlandırılmamış hacimlerden geçen borulara çevreden ısı kazancı olur. Eğer boru yüzeylerinde yoğuşma olursa aynı zamanda dış havadan boruya nem transferi de gerçekleşir. Bu sirkülasyon borularında ısı ve nem geçişine karşı yalıtım yapılmakla birlikte, ısı geçişi tamamen önlenemez. soğutulmuş su borularında da ekonomik izolasyon kalınlığı dikkate alınmalı ve izolasyon kalınlıkları artırılmalıdır. Üzerinde durulması gereken bir başka konu, yalıtımın cinsidir. Kullanılacak yalıtımın aynı zamanda nem geçirmemesi gerekir. Eğer ısı yalıtım tabakası içinde nem difüzyonu gerçekleşiyorsa, tabaka içinden difüzyonla boru yüzeyine ulaşan su buharı burada yoğuşur ve izolasyonu ıslatır. Bu yoğuşma olayı, yalıtım tabakasının geçirgen olması halinde sürekli olacaktır. Bu nedenle ısı yalıtımıyla birlikte, yalıtımın dışına bir nem yalıtımı uygulanmalıdır.

Özellikle tam sulu klima sistemlerinde, yıllık elektrik enerjisi tüketiminde pompalar önemli paya sahiptir. Bu tür klima sistemlerinde, pompaların HVAC cihazlarının toplam elektrik tüketimleri içinde payı % 3-12 mertebesindedir.

VRV sistemler, tek bir dış üniteye (veya dış ünite grubuna) tek bir bakır boru hattı ile bağlanabilen çok sayıda iç ünite ile tüm bağımsız mekânlarda ısıtma ve/veya soğutma ve kısmi havalandırma yaparak istenilen iklim koşullarını sorunsuz sağlayan bir klima teknolojisidir. Modüler, kompakt ve esnek yapıları ile çok katlı binadan tek bir villaya kadar tüm yapılarda esnek uygulama imkânı sunmaktadır. Bu sistemler bir tek gidiş ve dönüş bakır boru hattı ile birden çok iç üniteyi çalıştırabilen sistemlerdir. Günümüzde 6 seri VRV sistem bulunmaktadır:

1. Sadece soğutma
2. Isıtma ve soğutmayı yapan ısı pompaları
3. Isı geri kazanımlı
4. Su soğutmalı VRV ısıtma ve soğutmayı yapan ısı pompaları
5. Su soğutmalı koprak kaynaklı VRV ısıtma + soğutma
6. Su soğutmalı VRV ısı geri kazanımlı

Kanallı Split Klima ve Çatı Tipi Klimada, Klima-Havalandırma Otomasyonuyla Enerji Tasarrufu

Kanallı split klima ve çatı tipi klimada çeşitli yöntemlerle enerji ekonomisi sağlamak mümkündür. Karışım havası damperlerinin kontrol edilmesi durumu olan ekonomizör ile binayı ısıtma ve soğutma kontrolünün birbirinden bağımsız yapıldığı zon kontrolünün uygulanması ile büyük miktarlarda enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.

Soğutma sırasında, uygun dış ortam şartları mevcutken, dış hava-dönüş havası karışım damperi kullanılarak taze hava oranı arttırılabilir ve böylece kompresör kullanılmadan soğutma yapılabilir. Bu şekilde karışım havası damperlerinin kontrol edilmesi durumu ekonomizör olarak adlandırılır. Sıcaklık kontrolünde alınan dış hava miktarı, dış hava ve ortam havasının kuru termometre sıcaklığına göre izin verilen minimum oran ile maksimum oran arasında değiştirilir.

Entalpi kontrollü sistemlerde, dış hava entalpi değerinin sabit bir geçiş entalpi değeri ile karşılaştırılması, tek entalpi kontrolü olarak adlandırılır. Hem dış hava hem de dönüş havası entalpi değerlerinin ölçülüp karşılaştırıldığı sistemlere ise fark entalpi kontrolü denir.

Zon kontrolü, binayı ısıtma veya soğutma kontrolünün birbirinden bağımsız yapıldığı bölgelere ayırmaktır. Bu sayede, her ayrı bölgenin ayrı bir ayar değeri, kontrolörü ve ilgili bölgeye giden ısıyı kontrol eden son kontrol elemanı bulunur. İlk yatırım maliyeti karşılaştırıldığında, iki zonlu bir sistemi iki ayrı klima cihazı yerine bir klima cihazı ve zon kontrolü ile çözmek daha ekonomik olmaktadır. Zon sayısı arttıkça aradaki fark daha da artmaktadır.

Klima enerji tasarrufu için yapılabilecekler şöyledir:

• Direkt güneş enerjisi kazançlarını azaltmak
• Dış duvar yüzeylerini izole etmek
• Havalandırmadan olan kazançları azaltmak
• Oda sıcaklığı ayar noktasını yükseltmek
• Hava kanallarında basınç kayıplarını ve hava kaçaklarını azaltmak
• Değişken devirli fanlar kullanmak
• Borulardaki basınç kayıplarını azaltmak
• Değişken devirli pompalar kullanmak
• Hava kanalları, borular ve cihazlarında çok iyi ısı yalıtım yapmak
• Uygun ve yüksek verimli klima sistemleri kullanmak
• İç ve dış hava sıcaklık farklarına göre tasarım

Çeşitli yöntemlerle enerji geri kazanmak mümkündür. Uygulamanın cinsine ve kullanılan sisteme bağlı olmakla birlikte, iyi bir mimari ve mekanik tasarımla klima sistemi elektrik enerjisi giderlerini % 80 oranlarına kadar azaltmanın mümkün olduğu anlaşılmaktadır.