Ünite 1: Klima Sistemlerinde Enerji Ekonomisi

Giriş

Klima sistemlerinde, ülkemizde birim enerji maliyeti (T/kWh) en yüksek olan elektrik enerjisi kullanılmaktadır. Elektrik enerjisinin kullanıldığı bu sistemlerde konfordan fedakârlık etmeden gerçekleştirilebilecek tasarruf, işletme maliyetlerinde önemli karlılıklar sağlayacaktır.

HVAC (ısıtma (heating), havalandırma (ventilating), iklimlendirme (air conditioning)) tesisatı gereksiniminde, ısıtma ve soğutma öne çıkmaktadır. HVAC tesisatı, önce ısıtma ve soğutma ihtiyacı için gerekli gözükmektedir.

Klima Sisteminde Enerji Ekonomosi ile İlgili Kavramlar

Isı Yalıtımı; enerji tasarrufu için bir ilk adım olarak tanımlanabilir. Burada, yapılardaki ısı kayıplarının azaltılmasına çalışılmıştır.

Pencereler ve Enfiltrasyon; binalarda kullanılan yapı elemanlarının aralıklarından veya dışa açılan pencere ve kapılardan giren havaya denir. Pencere boyutlarının küçültülmesi kışın ısı kayıplarını, yazın da özellikle güneşten gelen ısı kazançlarını azalttığı için, enerji ekonomisi sağlanır.

İç Hava Kalitesi; contalı pencere doğramalarıyla, binaya kontrolsüz hava sızıntısı durdurulmuş ve böylece ısıtma soğutma yükleri azaltılarak enerji ekonomisi sağlanmıştır. Ancak mekanik havalandırma olmayan binalarda (özellikle konutlarda) halı, dolap, mobilya ve boyalardan yayılan kimyasal gazlar, iç hava kalitesini bozarak alerjik rahatsızlıklara sebep olmaktadır.

Cihaz Verimleri; yapılarda enerji tasarrufu, ısı yalıtım yönetmelikleriyle sağlanırken, enerji ekonomisinin diğer önemli bir ayağı olan cihaz ve sistem verimlerinin artırılması başka bir çalışma alanı olmuştur.

Kazan, soğutma grubu, jeneratörler, pompalar, fanlar gibi ekipmanlar ve borular, hava kanalları gibi ısı enerjisini taşıyan elemanlar, verimsizlikleri nedeniyle enerji kaybına neden olmaktadır. Bunların daha verimli hale getirilmesi, önemli ölçüde enerjinin tasarrufu anlamına gelmektedir. Enerji tüketen cihazlar, enerji verimliliklerine göre A’dan G’ye kadar sınıflandırılırlar.

Otomatik Kontrol; her türlü değişen iklim koşullarında, bina koşullarında ve işletme koşullarında konforun sağlanması, ancak otomatik kontrolle gerçekleşebilir. Uygun sistem seçimi, ısı geri kazanma cihazlarının sisteme dahil edilmesi, uygun kontrol ve bina otomasyon sistemlerinin kullanılması, enerji ekonomisinin en kuvvetli enstrümanlarıdır. Akıllı binalar bu ihtiyaçlar için ortaya çıkmıştır.

Optimizasyon; enerji tasarrufu fikri yerine, enerji ekonomisi, enerjinin doğru kullanımı fikrini getirmektedir. Özellikle ulusal yönetmeliklerin bakış açısı, enerji tasarrufu değil, enerjinin doğru kullanımını sağlamaktır. Yani ne pahasına olursa olsun enerji tasarrufu yerine,akılcı ve enerjinin en ekonomik şekilde kullanımı, birinci önceliğe sahiptir.

Elektrik Tüketimi; klimada enerji ekonomisi ele alındığında, kullanılan enerji, esas olarak elektrik enerjisidir.

Kompresörler ve Dönüştürücülü (İnverter) Sistemler

Düşük sıcaklık ve düşük basınçlı soğutucu akışkan, evaporatörde buharlaştırılır ve soğutucu akışkan buharı, kondenserde kolayca sıvı faza geçebileceği basınca kadar sıkıştırılır.

Kompresörler; sıkıştırma şekillerine göre volumetrik (hacimsel) sıkıştırma ve santrifüj (merkez kaç etkisini kullanarak bir döner çark ile) sıkıştırma olarak sınıflandırılırlar. En çok bilinen ve yaygın olarak kullanılan kompresör tipleri aşağıda sıralanmıştır:

• Pistonlu kompresörler,
• Döner (rotary) kompresörler
• Spiral (scroll) kompresörler,
• Vidalı kompresörler,
• Santrifüj kompresörler.

Yapılarına göre kompresörler üçe ayrılmaktadırlar:

• Açık tip kompresörler,
• Yarı hermetik tip kompresörler,
• Hermetik tip kompresörler.

İnverter Teknolojisi; doğru akımı (DC), alternatif akım (AC) biçimine dönüştürebilen, frekansı ve gerilimi birbirinden bağımsız ayarlanabilen cihazlara dönüştürücülü (İnverter) sistemlerdir. Isı kazancı hesabı ile mahalin pik soğutma yükü hesaplanır ve bu hesaba göre kapasite tayin edilir.

Klasik kompresörlerde, kompresör rotasyonu sabittir. Kompresör sabit kapasitede çalışır. İnverter kompresörler kapasitelerini modüle edebilmektedir. İnverter teknolojisi şebekeden gelen sabit frekanslı elektriğin frekansını değiştirerek kompresör devrini ayarlar.

İnverter sistemlerde konfor şartlarından sapma yoktur. Elektrik harcaması klasik kompresörlü sistemlere göre yaklaşık %30 daha azdır.

İnverter Sistemler, Enerji Tasarrufu ve Konfor Sağlanması

• Oda sıcaklığı,
• Mekanı ısıtma süresi ve hızı,
• Kompresör motorunun devri,
• Frekans kontrollü (İnverter) olması,
• Defrost süresi,
• Kompresörün tasarruf amaçlı modüle edilebilirliği,
• Harcanan güç oranı,

gibi unsurların maliyeti azaltıcı ve tasarruf sağlayıcı etkileri bulunmaktadır.

Soğutma ve ısıtma kapasitesi;

• Dış ortam sıcaklığı
• İç ortam sıcaklığı ve
• Ayar sıcaklığına bağlı olarak değişir.

Enerji Verimliliği; frekans kontrolü ile çoklu kompresörlü cihazlarda, yüke göre %4-100 çalışma kapasitesi aralığında tüketim gücü ayarlanarak kompresörün minimum enerji tüketimi sağlanır.

Hassas Kontrol Sistemi; oda sıcaklığını, ayar sıcaklığına göre 0,1°C hassasiyetle sabit tutarak rahatsız edici ısı dalgalanmalarını ve nem sorunlarını ortadan kaldırır. Yüksek verim ve konfor sağlar.

Güçlü, Sessiz ve Verimli Çalışma; inverter kompresörler ilk çalıştırma anında, ayarlanan oda sıcaklığına daha kısa sürede ulaşmak için kapasitelerini en yüksek seviyeye çıkarırlar. Ayarlanan oda sıcaklığına bir kez eriştikten sonra, kapasite azaltılır. Ayarlanan sıcaklığı sabit tutmak için genellikle cihaz düşük kapasitede çalışır.

Üfleme Havası ve Oda İçi Hava Dağılımı

İstenilen miktarda ve istenilen şartlarda hava odaya verilse bile, eğer oda içine verilen havanın düzgün dağılımı sağlanamazsa, beklenilen etki gerçekleşmez ve konfor oluşmaz. Bunun için soğutma ve havalandırma için gerekli üfleme havası ortama mümkün ise tavandan verilmeli ve üfleme havasının sıcaklığı, oda sıcaklığından daha düşük olmalıdır. Böylece;

• Hava, ortama yaz-kış yüksek olmayan hızlarda üflenir.
• Taze hava veya karışım havası tavandan ve oda sıcaklığı altında üflendiği için, egzoz menfezine by-pass riski önlenir.
• Statik ısıtma varsa, kışın da ortama hava, oda sıcaklığının biraz altındaki sıcaklıkta üflenmelidir.
• Özellikle değişken hava debili ve hava kanallı split klima sistemlerinde karışım havasını ısıtmaya ihtiyaç olmaz (İstanbul, İzmir, Ankara benzeri iklimlerde).
• Isı geri kazanımı sağlanırken, ilave bir enerji de gerekmez.

Isıtma ihtiyacını statik ısıtma yapmadan, tavandan havayı sıcak üfleyerek karşılamak istenirse;

• Daha yüksek oda sıcaklığına dolayısıyla daha fazla yakıt tüketimine ihtiyaç duyulur.
• Oda havasının nemlendirme ihtiyacı artar.
• Daha yüksek hızla üflemek gerekir ve elektrik tüketimini ve dolayısıyla gürültü (hava sesi) artırır.
• Havanın egzoz menfezine doğru by-pass riski daha fazla olur.
• Havadan havaya ısı geri kazanım cihazlarında ilave direnci yenmek için kullanılan fan motorları yaz kış sürekli taze hava temini ve egzoz yapmak için çalışırlar ve sürekli enerji harcarlar. Böyle durumlarda mümkün olduğu kadar by-pass damperleri kullanılmalıdır.

Taze Hava Alışı; mümkün olduğu kadar üst kottan almak gereklidir. Başka kısıtlamalar yoksa taze havanın çatıdan alınması idealdir. Bu durumda;

• Üst seviyelerde daha az kirli dış hava
• Daha geç tıkanan filtreler,
• Daha uzun filtre ömrü,
• Daha az enerji tüketimi,
• Daha iyi İç hava kalitesi ve konfor, temin edilir.

Klimada Oda Sıcaklığı; ısıtma mevsiminde dış hava sıcaklık farkı çok fazla olduğu için, her odanın sıcaklığı termostatik radyatör vanası veya oda termostatı ile ayrı ayrı kontrol edilmelidir. Soğutmada ise, iç-dış ortam sıcaklık farkı çok daha azdır. Ancak güneş etkisi saatlere ve yönlere göre farklıdır.

Enerjinin Taşınması; enerjinin taşındığı mesafe ve enerji taşınım şekli önemli iki unsurdur. Taşıma işleminde, su veya havanın hareketini sağlayan pompalar veya fanlar, elektrik ile çalışır. Tesisattaki direnç arttıkça, pompa ve fan motorları da çok daha fazla elektrik tüketecektir.

Diğer önemli bir konuysa, fanların ve pompaların sürekli çalışmalarıdır. Dolayısıyla enerji tüketimleri süreklidir, bundan kaynaklanan ısı kazancı süreklidir. Isı taşıyıcı akışkan gazının evaporatörlerde sıvı halden gaz haline geçerken oluşturduğu soğutma potansiyelinin en kısa mesafede kullanılması, ciddi oranda enerji ekonomisi sağlar

Enerjinin Hava veya Suyla Taşınması Maliyetlerinin Karşılaştırılması

Enerjiyi uzak mesafelere su ile taşımak, havayla taşımaktan için gerekli güç soğutmada 10, ısıtmada ise 60 kat kadardır.

Mekanik sistemlerin merkezi dağıtım avantajlarına karşın enerjiyi taşıma mesafesi, taşınırken oluşan kayıplar, verim düşüşü ve farklı çalışma saatleri gibi dezavantajlar dikkate alınmalıdır.

Kapasitenin Yüksek Seçilmesi ve Aşırı Büyük Boyutlandırma (Oversizing)

Günümüzde geliştirilen cihazlardaki mükemmel kapasite kontrol sistemleri, kısmi yüklerdeki verim düşümlerini azaltmış olsalar da bu genel doğru, kazan, soğutma grubu, fanlar, pompalar gibi pek çok cihaz için geçerli değildir. Bu nedenle aşırı büyük cihaz ve sistem seçimlerinden mümkün olduğunca kaçınmak gerekmektedir.

Havalandırmadan Olan Isıl Kazançları Azaltma Önlemleri

İç ortamdaki enerji tüketen cihazlarından kaynaklanan ısıl kazançları azaltmak, havalandırma sistemi ile ilişkili olan ısıl kazançlar ve iç ortama bağlı olan ısıl kazançlar gibi yöntemler bulunmaktadır.

Soğuk-Sıcak Bölge Şartları; dış havanın kışın çok soğuk olduğu günlerde aşırı basınç farkı nedeniyle dışarıdan içeriye kontrolsüz hava girişi artar. Sıcak bölge şartlarında genellikle dış hava yüksek nem oranına sahiptir. Kontrolsüz hava girişi içeride nem yükünü (gizli ısı kazancı) de artırır.

Havalandırmayı Koşullara Göre Ayarlamak; taze hava miktarlarını yazın güneşten kazancın en fazla olduğu saatlerde azaltmak, buna karşılık özellikle gece saatlerinde havalandırma yapmak ve free cooling imkânından mümkünse yararlanmak en etkin önlemdir.

Aydınlatmadan Olan Kazançları Azaltma Önlemleri; verimli aydınlatma armatürleri, aydınlatma otomasyonu ve Aydınlatmadan oluşan ısı kazancını armatür üzerinden doğrudan dışarı atmaya imkân veren sistemleri kullanmak gerekir.

Ofis Makinelerinden Olan İç Kazançları Azaltma Önlemleri; verimli ofis cihazları kullanmak, bilgisayar vb. makinelerinin enerji tüketimlerini ve bunlardan oluşan ısı kazançlarını azaltmak ve büyük binalarda soğutulmuş su pınarları yerine merkezi soğutulmuş içme suyu tesisatı kullanmak gerekir.

Soğutmada İç Sıcaklığı Artırmanın Etkisi; klima sistemlerinin yazın ortam nemini azaltma etkisi vardır. Sistemin rejime girinceye kadar olan dönemdeki çalışması sırasında mekanik klimatizasyonun yükü çok etkilidir. Bu yükten sonra, sistem sadece iç ve dış nem kazançlarını karşılamaya çalışır ki rejim halindeki bu değer, duyulur ısı kazançları yanında küçük kalır.

Diğer Öneriler; mevsimsel ısı döngüsü, gün ışığı, çalışma şartları vb. taze hava akışı ve ısı değişiminin konfor faktörünü oluşturacak şekilde kullanılması için araştırma yapılmalıdır.

Fanlarda Enerji Tasarrufu

Her şeyden önce “fanlara verilen enerji, hava kanallarında tüketilir” gerçeği akıldan çıkarılmamalıdır. Bunun için de öncelikle kanal sistemi, optimum enerji maliyeti oluşturacak biçimde tasarlanmalıdır. Fan debisinin değişimi, devir sayısını değiştirerek yapılmalıdır.

Hava Kanallarında Enerji Tasarrufu

Uygun tasarlanan bir kanal sisteminde hava dağıtımı basit olmalı, fazla dolaşmamalı, fazla fittings kullanılmamalı ve enerji tüketimi minimize edilmiş olmalıdır.

Havalandırma Sistemlerinde İlave Enerji Tasarrufu Önlemleri; gereksiz çalışması durdurulmalı, taze hava miktarı minimize edilmeli, entalpi kontrolü yapılarak hava tarafına ekonomi çevrimi uygulanmalı ve gece soğutması ve havalandırması yapılmalıdır.

Hava Kanalı ve Boru Boyut Optimizasyonu; kanal sisteminin kesiti ne kadar küçük tutulursa, kanal yatırım maliyeti azalır. Buna karşılık, fandaki yıllık enerji tüketimi ve fan yatırım maliyeti artar. Bunlar ters yönde işleyen temel parametrelerdir. Bunun dışında maliyete etki eden ikinci derecede parametreler de bulunmaktadır.

Hava Kanallarındaki Hava Kaçaklarının Maliyeti; Avrupa standartlarında hava kanallarında üç sızdırmazlık sınıfı A, B ve C şeklinde tarif edilmektedir.

Kanal sistemlerindeki kaçaklar yolu ile kaybedilen enerji ciddi boyutlardadır. Sadece havalandırma yapılması durumunda hava kaçaklarının enerji maliyeti fan enerji tüketiminde ortaya çıkmaktadır. Kaçak ne kadar fazla ise fan gücü bu oranda boşa harcanmış olacaktır. Klima kanallarında ise kaçak hava, aynı zamanda soğutma ve ısıtma enerjisi kaybı anlamına gelmektedir. Dolayısı ile klima sistemlerinde hem fanda, hem de soğutma (veya ısıtma) grubunda enerjinin boşa harcanması söz konusudur.

Merkezi Soğutma Sistemlerinin Sirkülasyon Borularında Isı Kazancı ve Pompalama Enerjisi

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. Dolaşımın sürekli olduğu da dikkate alındığında toplamda gerçekleşen ısı kazancı ve bunu karşılamak üzere soğutma grubunda harcanan elektrik enerjisi önemli boyutlardadır.

Pompalarda Enerji Tasarrufu; ihtiyacın değişken olduğu yerlerde değişken debili pompaların kullanılması büyük enerji tasarrufu sağlar. Ancak mevcut sistemlerin yenilenmesinde, her uygulamada sabit debili pompaları, değişken debili pompalarla değiştirme imkanı yoktur.

VRV Sistemler

Tek bir dış üniteye (veya dış ünite grubuna) tek bir bakır boru hattı ile bağlanabilen çok sayıda iç ünite ile tüm bağımsız mekanlarda ısıtma ve/veya soğutma ve kısmi havalandırma yaparak istenilen iklim koşullarını sorunsuz sağlayan bir klima teknolojisidir.

Son yıllarda enerji tasarrufunun, konforun, işletme maliyetlerinin ve hassas kontrolün ön plana çıkmasıyla VRV (Variable Refrigerant Volume-Değişken Soğutucu Akışkan Debisi) sistemler HVAC sektöründe önemli bir yer almıştır. Günümüzde 6 seri VRV sistem bulunmaktadır:

• Sadece Soğutma (Cooling Only),
• Isıtma ve Soğutmayı Yapan Isı Pompaları (Heat Pump),
• Isı Geri Kazanımlı (Heat Recovery),
• Su Soğutmalı VRV Isıtma ve Soğutmayı Yapan Isı Pompaları (Water Cooled Heat Pump),
• Su Soğutmalı Toprak kaynaklı VRV Isıtma Soğutma (Ground Source Water Cooled Heat Pump),
• Su Soğutmalı VRV Isı Geri Kazanımlı (Water Cooled Heat Recovery).

Oda Sıcaklık Kontrolü, Enerji Ekonomisi; akışkan sıcaklığına bağlı iç ünite fan devir ayarı, talebe bağlı kompresör tüketim kontrolü imkânı (dönüştürücülü (inverter) kompresör), elektronik genleşme valfleri ile akışkan miktar ve basınç kontrolü olanağı, hassas oda sıcaklık kontrolü ve buna bağlı olarak enerji tasarrufu sağlanır.

Enerjinin Paylaşımı; VRV sistem ünitelerinin gelişmiş elektronik özellikleri sayesinde toplam enerji harcaması, her iç ünitenin çalışma süresi, ünite başına harcanan enerji miktarı ve iç ünitelerin çalışma eğrileri kolayca grafik halinde elde edilebilmekte ve bu sayede enerjinin eşit paylaşımı sağlanabilmektedir.

Bireysel Soğutma Sisteminde Enerji Tasarrufu

Kanal tipi cihazlar dışarıdan aldıkları taze havayı filtre edip (tozdan arındırıp); kışın ısıtarak, yazın ise soğutarak en iyi konfor şartlarında ortama vermekte ve böylece soğutma için zaten kullanılan klima sistemi ile havalandırmayı da gerçekleştirmektedirler.

En iyi konfor, en ucuz maliyetle bu sayede sağlanabilmektedir. Havalandırma yeteneğinin yanında ortamda havanın homojen dağıtılabilmesi, sessizlik, iç ünitenin komşu hacimlere konularak servis işlemlerinin yaşam mahali dışında gerçekleştirilmesi, yüksek kapasite, uzun ömür, iç-dış ünite montaj mesafesinin uzunluğu ve optimum maliyet, kanal tipi klimaların diğer önemli avantajlarıdır.

Kanallı Split Klima ve Çatı Tip Klimada, Klima Havalandırma Otomasyonuyla Enerji Tasarrufu

Ekonomizör Kullanımı (Free Cooling İmkânı); karışım havası damperlerinin kontrol edilmesi olup bu işlem;

• Sıcaklık kontrolü ve
• Entalpi kontrolü olmak üzere iki biçimde gerçekleştirilebilir (S:21, Şekil 1.6).

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.

Split Klima Cihazlarının Verimli Kullanılması İçin Faydalı Bilgiler; Termostat mümkün olan en yüksek sıcaklıkta tutulmalı. Günün sıcak saatlerinde içeriye hava alınmamalı ve serin olan saatlerde hava alımı yapılmalıdır, Filtreli veya güneş ışığını yansıtabilen tipte cam kullanın, fan içerde kalınmadıkça açılmamalı vb. (S:22-23, Maddeler).

Hava Perdesi Kullanılmasının Avantajları Hava perdeleri, dış ortama kapıları sürekli açılıp kapanan hacimlerde, iç mekânı, dış ortamın olumsuz etkilerinden korur. İzolasyonu) yeteneği ile birlikte, ısıtma sistemi sayesinde iç ortamdaki ısı kaybını engelleyerek, ısıtma enerjisinden de büyük oranda tasarruf sağlar (S:23, Şekil 1.7).

Klimada Enerji Tasarrufu İçin Ana Başlıklar

Tasarruf, farklı yapılarda ve sistemlerde farklı olacaktır.

• 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.