Havalandırma Sistemlerinde Enerji Verimliliği. Kısım 3: Havadan Havaya Isı Geri Kazanım Sistemleri. Dr. İbrahim ÇAKMANUS

Transkript

1 Havalandırma Sistemlerinde Enerji Verimliliği Kısım 3: Havadan Havaya Isı Geri Kazanım Sistemleri Dr. İbrahim ÇAKMANUS Özet Yeşil veya sürdürülebilir binalarda LEED ve BREEAM sürecinde ön şartlardan birisi havalandırma yapılmasıdır. Bunun nedeni iyi havalandırılan ve temiz ortamlarda insanların daha huzurlu, konforlu ve üretken olduklarının kanıtlanmış olmasıdır. Bu nedenle LEED, ASHRAE 61.1 Standardındaki minimum hava debilerinin en az %30 artırılması şartını koşmaktadır. Havalandırma mekanik veya doğal olarak iki şekilde yapılabilir. Isıl ve konfor şartlarının korunması bağlamında Ülkemizin bir çok yerinde doğal havalandırma kesin çözüm değildir, ancak mekanik havalandırmada enerji tasarrufuna destek sağlayabilir. Bu nedenle konfor ve miktar olarak gereksinimleri tam olarak yerine getirebilen sistemler mekanik havalandırmadır. Isıtma ve soğutma mevsimsel olarak yapıldığı halde havalandırma tüm yıl boyunca yapılmak durumundadır. Hem hava debilerinin artırılması hem de tüm yıl boyunca çalışma zorunluluğu, havalandırma sistemlerinde enerji tasarrufuna azami dikkat etmek gerektiği anlamına gelmektedir. Bu yazı ve bunu takip edecek bazı yazılarda bu konudaki enerji verimliliği incelenecektir. Yukarıdaki açıklama Haziran 2013 sayısının özeti idi. Bundan önceki sayılarda klima santrallarında enerji verimliliği ve fanlarda enerji verimiliği paylaşılmıştı. Bu sayıda ise havalandırmada enerji tasarrufu için önemli yer tutan ısı geri kazanım sistemleri hakkında bilgi verilmiştir. 1. Giriş Bir klima santrali için, havadan havaya ısı geri kazanımı, enerji tasarrufu bakımından en önemli konudur. Bu proses, yüksek sıcaklık ve/veya nem oranına sahip bir hava akımından, daha düşük sıcaklık ve/veya nem oranına sahip olan hava akımına enerjinin geri kazandırılması anlamına gelir. Havalandırma sistemlerinde, egzoz havasından %90 lara ulaşan muazzam bir enerji geri kazanım potansiyeline sahip olmasına rağmen, ısı geri kazanım sistemleri henüz pratikte pek kullanım alanı bulamamış durumdadır (Riviere, 2011). Bu makale, ısı geri kazanım sistemlerini, enerji verimliliği açısından incelemektedir. Henüz yaygın olarak kullanılmayan veya pratikte pek bilinmeyen diğer ısı geri kazanım sistemleri de, tasarımcıların pratikte kullanabilecekleri sistemleri tamamlamaları açısından tanıtılmışlardır. 2. Etkinlik Isı geri kazanım sistemleri, ısı ve nemi transfer etmek için ısı değiştiricileri kullanırlar. Isı değiştiricilerinin performansını değerlendirmek için verimlilik 1 terimi yerine etkinlik terimi kullanılmıştır. Pratikte bu terimlerin tanımlarının farklı olması sebebiyle teknik olarak doğru olmamasına rağmen, verimlilik terimi genellikle etkinlik terimi yerine kullanılmaktadır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman sıcaklığın yüksek olduğu bölgeden düşük olan bölgeye doğru akar. Nem de aynı şekilde yoğunluğunun yüksek olduğu bölgelerden düşük olan bölgelere aktığı için, bu yasa neme de uygulanabilir. Bir ısı değiştiricisinin etkinlik ve buna mukabil olarak ısı geri kazanım ünitesinin etkinlik, ısı değiştirme yüzeyinin sınırsız olduğu kabul edildiğinde, ısı değiştiricisinde bir sıvıdan diğer sıvıya geçen ısı miktarının, bu iki sıvı arasında transfer edilebilecek maksimum ısı miktarına olan oranıdır. Bu denklem aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Burada ılık hava akışı w, soğuk hava akışı c, hava sıcaklığı T, hava akışı kütlesi m ve sabit basınçtaki ısı c p ile gösterilmiştir. Havadan havaya ısı geri kazanım ünitelerinin etkinlik genellikle tek bir sayı olarak veya (1) ısı etkinliği, (2) nem etkinliği ve (3) entalpi etkinliği kombinasyonu olarak verilir.

2 Sıcaklık etkinliği, sıcak egzoz havasından geri kazanılan hissedilebilir ısının, geri kazanılabilecek maksimum hissedilebilir ısıya oranıdır. Örnek olarak, egzoz hava akışının, dışarıdaki soğuk hava derecesine getirilmesi gibi. Hava kütle akışı ve c p değerlerinin sabit olduğu, her iki hava akışı için de düşünülürse, bu durum aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Burada, hissedilir ısı transfer etkinliği, dış hava sıcaklığı T 1, egzoz hava sıcaklığı T 2, hava çıkış sıcaklığı ise T 3 ile ifade edilmiştir. Nem etkinliği, nemli çıkış havasından geri kazanılan nemin, havadaki nemin dış havadaki nem miktarına eşit olduğu takdirde geri kazanılabilecek maksimum neme olan oranıdır. Hava kütle akışının sabit olduğu her iki hava akışı için de düşünülürse, bu durum aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Burada, nem transfer etkinliği, dış havadaki mutlak nem x 1, egzoz havasındaki mutlak nem x 2, çıkış havasındaki mutlak nem ise x 3 ile ifade edilmiştir. Isı değiştiricilerinin nem etkinliği, her iki hava akışındaki nem miktarının farkı ile güçlü bir şekilde ilişkilidir. Soğurmalı ısı değiştiricilerinde ise, nem etkinliği aynı zamanda iki hava akışı arasındaki sıcaklık farkına da bağlıdır. Entalpi etkinliği, çıkış havasından geri kazanılan entalpinin, havadaki entalpinin dış havadaki entalpi miktarına eşit olduğu takdirde geri kazanıla 1 bilecek maksimum entalpi miktarına olan oranıdır. Hava kütle akışının sabit olduğu her iki hava akışı için de düşünülürse, bu durum aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Burada, entalpi transfer etkinliği, dış hava entalpisi x 1, egzoz hava entalpisi x 2, çıkış hava entalpisi ise x 3 ile ifade edilmiştir. Pratikte, veri sayfalarında sıcaklık etkinliği, genellikle bir ısı geri kazanım ekipmanının nominal performans verileri ile en çok verilen değerdir. Eğer bir ısı geri kazanım ünitesi, ayrıca nem transferi de yapabiliyorsa, nem etkinliği de verilmelidir. Eğer veri sayfası bir ısı değiştiricisinin her iki tarafındaki etkinliğini de veriyor ise, tedarik tarafındaki bilgiler dikkate alınmalıdır. Avrupa standartları EN te ısı geri kazanım ünitelerinin sınıflandırma kriterleri belirlenmiştir. Bu sayede ısı geri kazanımının enerji verimliliği sınıfı klima santralinin hesap cetvellerinde verilebileceği için tasarım mühendisleri, geri kazanım ünitelerinin enerji verimlilik 2 değerlerine zahmetsiz bir şekilde ulaşabilirler. Bu değer aşağıdaki şekilde tanımlanabilir; Burada, enerji verimliliği n, ısı değiştiricisinin sıcaklık etkinliği ve COP performans katsayısıdır ve aşağıdaki şekilde tanımlanır; COP=Q HRS/P el Burada, ısı geri kazanım ünitesi ile kazanılan ısı, kw cinsinden olmak üzere Q hrs, ısı geri kazanım ünitesinin iki ucu arasındaki basınç kaybını karşılamak için harcanan elektrik miktarı kw cinsinden olmak üzere P el ile gösterilmiştir. Bu sınıflandırma, standart durumda sıcaklık etkinliği ve ünite boyunca basınç düşümünü de içine alan, ısı geri kazanımı enerji verimliliği temelinde oluşturulmuştur. Tablo 16 da ısı geri kazanımı verimliliği sınıfları görülmektedir. H1 sınıfına, ısı değiştiricisinin 0.75 değerinde ısıl etkinliği ile ve her hava akışı için 280 Pa değerinde bir basın düşümü değeriyle ulaşılabilmektedir. Aynı sınıfa, daha düşük bir sıcaklık etkinliği gerektiren daha düşük bir basınç düşümü ile de ulaşılabilir. Performans katsayısı, geri kazanılan enerjinin, harcanan toplam elektrik enerjisine olan oranı olarak tanımlanır. 1 Avrupa Standardı En etkinlik terimi yerine verimlilik terimini kullanmaktadır. Fakat bu kullanım, genel olarak bu iki terim arasında kesin bir ayrım yapan uluslararası kullanım ile paralellik göstermez. Bu yüzden bu makalede doğru olan terim etkinlik kullanılmıştır.

3 Tablo 1. EN e göre ısı geri kazanım ünitelerinin sınıflandırması Sınıf Sıcaklık Verimliliği Toplam Basınç Performans Kaybı (Pa) Katsayısı Enerji Verimliliği H x H x H x H x H x Havadan Havaya Isı Gerik Kazanım Cihazları Isı geri kazanım değiştiricileri genel olarak 4 gruba ayrılabilirler: (1) Plaka tipi ısı değiştiricileri (recuperator), (2) Isı geri kazanım tekerleri ve paketleri. (3) çevresel borulu ısı değiştiricileri ve (4) ısıl borulu ısı değiştiricileri. 2 Not: Bu bölümdeki tablolarda görülen bütün hesaplar, aksi beyan edilmedikçe aynı çevresel şartlar düşünülerek yapılmışlardır. Egzoz ve besleme hacimsel hava akışı 2.78 m 3 /sn ( m 3 /s) olarak belirlenmiştir. Dış havanın psikrometrik durumu sıcaklık -10 o C ve bağıl nem %90, çıkış havası ise 20 o C sıcaklık ve %40 bağıl nem olarak alınmıştır. Geri kazanım tekerlerinin hızı yoğuşma ve entalpi tekerleri için dakikada 10 tur, soğurma tekerleri için ise 20 tur olarak alınmıştır Plaka tipi ısı değiştiricileri Şekil 1. Plaka tipi ısı değiştiricisi fonksiyonel şema Plaka tipi ısı değiştiricileri hemen hemen her türlü büyüklük, konfigürasyon, şekil ve malzemeden temin edilebilmektedir. Dayanıklılığı ve yanmama özellikleri yüzünden tipik olarak alüminyumdan üretilirler. Polimerden üretilen plaka tipi ısı değiştiricileri korozyon problemi yoktur ve akış kanalında türbülans oluşturarak ısı transfer oranını biraz arttırabilirler. Genel olarak plaka tipi değiştiriciler sadece hissedilir ısıyı iletirler. Bazı daha küçük ünitelerde nem transferi için işlenmiş kağıt ve mikro gözenekli polimer zarlar gibi su buharı geçirebilen malzemeler de kullanılır. Bu teknoloji henüz büyük ölçekli sistemlere girememiş durumdadır. Plaka aralığı genel olarak 2.0 ve 12.5 mm arasında değişir ve mühendisler optimum aralığı, basınç düşümü ve ısı değiştirme verimliliği gibi parametrelere göre belirlerler. 2 EN e göre ısı geri kazanım ünitesinin enerji verimliliği, basınç düşümünün üstesinden gelmek için kullanılan elektrik miktarını da kapsadığı için verimlilik terimi kullanılmıştır.

4 Şekil 2 gösteriyor ki, verimliliğin arttırılması için ön yüz hızı ve/veya plaka aralığı düşürülmelidir. Plakalı ısı değiştiricilerin verimliliği plakaların kuru veya nemli (egzoz havasının yoğuşma durumuna bağlı olarak) olmalarına göre değişiklik gösterir. Islak durumlarda verimlilik genel olarak kuru duruma göre %5 civarında daha yüksektir. Eğer plaka aralığı (sargılı finlerin arasındaki açıklık vs.) etkinliği arttırmak için düşürülürse, basınç düşümü ve fanların elektrik kullanımı artacaktır. (Şekil 3). Plakalı ısı değiştiricileri, tuvaletler ve diğer odaların egzoz havalarından, EN un 3. kategori egzoz havası özelliklerine göre ısı geri kazanımı yapabilirler. Basınç eğrisinin, ısı değiştiricinin besleme tarafından egzoz tarafına doğru olması için, ısı değiştirici boyunca oluşan basınç değerlerine dikkat edilmelidir. Tuvaletlerden atılan toplam egzoz hava miktarının bir ofis binasının diğer bölümlerine görece daha yüksek olduğu göz önüne alındığında, egzoz havasından ısı geri kazanımı dikkate değer tasarruflar sağlayarak düşük bir geri ödeme süresi sunar. Şekil 2. Dört farklı plaka aralığı için plakalı ısı değiştiricisinin kuru sıcaklık etkinliği (üstte) ve ıslak sıcaklık etkinliği (altta). Etkinlik plaka aralığının ve ön yüz hızının düşürülmesi ile artmaktadır.

5 Şekil 3. Plaka mesafesinin, basınç düşümüne etkisi. Şekilden görülüyor ki, plaka aralığı belli bir oranda düşürüldüğünde basınç düşümü de yaklaşık aynı oranda oluyor Isı (enerji) geri kazanım tekerleri ve paketleri Isı (enerji) geri kazanım tekerleri, ısı (ve nem) depolama kapasitesine sahip, geçirgen dönen silindirlerdir. Isı (enerji) geri kazanım paketleri is yüksek derecede duyarlı toplayıcı kütleleri olan iki adet ısı paketinden oluşur. Bu iki ısı paketinden dış hava ve egzoz havası değişmeli olarak geçirilir. Paket sistemi, teker sistemi kadar yaygın değildir fakat 20 yıldan uzun süredir bu sistemler %92 den yüksek olan ısı transfer verimlilikleri ile kendilerini ispat etmişlerdir. Depolama yapısı, genellikle düz ve kıvrımlı alüminyum folyoların sıralanması ile oluşmuştur. Rotorlar, 6000 mm çapa kadar üretilebilmektedir. İki alüminyum folyo arasındaki uzaklık genellikle 2.0 mm civarındadır ama rotorlar daha düşük veya yüksek aralıklı olarak da sipariş edilebilirler. Karşılıklı sızıntı, karşılıklı karışma veya besleme ve egzoz hava akışlarının karışması geri kazanım tekerlerinde iki mekanizma sebebiyle oluşur; aktarma ve conta sızıntısı. Aktarma, havanın dönüş yapan materyalin içinde sürüklenmesi ve diğer hava akışına karışması ile oluşur. Kurulacak bir boşaltma bölümü ile aktarma miktarı %0.1 in altına indirilebilir fakat tamamen yok edilemez. Sızıntının sebebi her iki hava akışı boyunca oluşan diferansiyel statik basıncın, havayı yüksek statik basınçtan düşüğüne doğru itmesidir. Karşılıklı karışma, besleme havası tarafındaki basıncın egzoz tarafındaki basınçtan daha yüksek olmasını sağlayacak şekilde konumlandırılan fanlar sayesinde, sızıntının besleme havasından egzoz havasına doğru olmasını sağlayarak azaltılabilir. Egzoz fanının büyüklüğü hesaplanırken, sızıntı ve boşaltma hava akımları da dikkate alınmalıdır. Rotorlar, metal folyoların üzerindeki kaplamaya göre basınçlı hava buhar veya su ile temizlenebilir. Rotor ve ısı geri kazanım materyalleri sadece hissedilir ısıyı geri kazanma ve transfer etme amaçlı veya toplam ısıyı (hissedilen ve hissedilemeyen) geri kazanma amaçlı olarak seçilebilir. Kaplama materyalleri tipik olarak zeolitler, sentetik polimerler, silika jel, etkinleştirilmiş alümina, titanyum silikat, lityum klorid veya alüminyum oksittir. Kullanılan kaplama materyaline bağlı olarak, aşağıdaki ısı veya enerji geri kazanım tekerleri veya değiştiricileri üretilebilir. Yoğuşmalı ısı değiştiricisi (ST1) hissedilebilir ısı geri kazanımı yapar. Depolama kütlesi, nemi sadece sıcak hava tarafında yoğunlaşma olduğunda transfer eden pürüzsüz yüzeye sahip işlenmemiş metalden (çoğunlukla alüminyum) oluşur. Nem sadece egzoz havasının atıldığı tekerleğin yüzey ısısının çiğleşme noktasının altına indiğinde transfer edilebilir. Büyük sıcaklık farkları ve yoğuşma sayesinde, nem geri kazanımı %60 seviyesine ulaşabilir. Bu tip bir teker, mekanik soğutması olmayan bir sistem için iyi bir sıcaklık ve nem geri kazanımı seçimidir. Higroskopik tekerle karşılaştırıldığında, besleme havası nem oranı sadece -5 o C ve +10 o C arasında biraz daha düşüktür. Higroskopik (entalpi) ısı değiştiricisi (STE1) hissedilebilir ve hissedilemez (belli bir yere kadar) ısı geri kazanımı yapabilir. Metalden oluşan depolama kütlesinin yüzeyi kimyasal

6 işlemler sayesinde kapiler bir yapıya sahiptir. Bu yüzden tekerlekteki egzoz havasının sıcaklığı çiylenme noktasının altında olduğu zamanlar nem transferi çiylenme ile, yılın diğer zamanlarında ise soğurma ile nem transferi yapabilirler. Fakat soğurmanın bu olayda katkısı çok azdır ve üreticiye göre değişiklik gösterebilir. Bu tip ısı geri kazanım değiştiricileri genel amaçlı havalandırma ve klima uygulamalarında kullanılır. Soğurma (kurutucu) ısı değiştiricisi (HX1) hissedilebilir ve hissedilemeyen ısı geri kazanımı yapabilir. Depolama kütlesi, nemi sadece soğurma ile transfer edebilen bir materyal ile doyurulmuştur. Nem transfer kapasitesi sürekli olarak yüksek seviyelerdedir ve neredeyse tamamen yoğunlaşmadan bağımsızdır. Soğurmalı moleküler elek ısı değiştiricisi (HM1) hissedilebilir ve hissedilemeyen ısı geri kazanımı yapabilir.. Depolama kütlesi, nemi sadece soğurma ile transfer edebilen bir materyal ile doyurulmuştur. Su moleküllerini emen moleküler eleklerin, karşılıklı karışma ve koku problemlerinin olabileceği yerlerde kullanılması tavsiye edilir. Büyük klima santralleri için, enerji tüketimi açısından ısı geri kazanım tekerleri en iyi çözümdür. Bü tür ısı geri kazanım tekerlerinin basınç düşümleri azdır, yüksek etkinliğe sahiptirler ve plaka tipli ısı değiştiricileri gibi klima santralinin uzunluğunu arttırmazlar. Tekerleğin etkinliği uzunluğuna ki tipik olarak 200 mm dir, folyo kalınlığına ve dalga yüksekliğine bağlıdır. Folyo kalınlığı etkinliğe en az katkıyı yapan kısımdır. Diğer yandan dalga yüksekliği, ünitenin etkinliğinin önemli bir oranda etkileyebilir. Düşük bir dalga yüksekliği etkinliği arttırırken aynı zamanda basınç düşümünü de arttırır, yüksek bir dalga yüksekliği ise etkinliği azaltır ama aynı zaman da basınç düşümü de daha az olur. Şekil 4 te etkinliğin dalga boyunun (hazne yüksekliği) azalması ve ön yüz hızının azalması ile nasıl arttığı görülebilir. Böylece düşük ön yüz hızının etkisi ikiye katlanmış olur. Bütün klima santrali üzerindeki basınç düşümü, ısı geri kazanım değiştiricisi dahil olmak üzere azalacaktır ve ısı geri kazanım etkinliği artacaktır. Şekil 4. Bir entalpi teker ısı değiştiricisinin sıcaklık etkinliği (solda) ve nem etkinliği (sağda). Şekil göstermektedir ki, etkinlik azalan dalga yüksekliği ve ön yüz hızı ile artmaktadır. Azalan hazne yüksekliğinin (dalga yüksekliği) negatif etkisi basınç düşümünü arttırmasıdır. Şekil 4 te (sol) basınç düşümünün düşük ön yüz hızı ile nasıl azaldığı ve hazne yüksekliğinin düşürülmesi ile nasıl arttığı görülmektedir. Şekil 5 te (sağ) teker tipinin nem etkinliğine olan etkisi görülüyor. Buradan görülebileceği üzere, kış şartlarında Yoğuşmalı ve entalpi tipi tekerlerde pek fark görülmüyor. Fakat soğurma tekerinin etkinliği oldukça yüksek görünüyor. Sıcaklık artışı ile yoğuşma ve entalpi tekerlerinin nem etkinliği azalmaya başlarken, soğurma tekerinin etkinliği bütün şartlarda yüksek kalır. Yaz aylarında, çıkış havası sıcak olduğu için teker kütlesinin sıcaklığı çiyleşme sıcaklığının altına düşmez ve bu yüzden yoğuşma tekeri herhangi bir şekilde nem transferi yapamaz.

7 3.3. Çevresel borulu ısı değiştiricileri Çevresel borulu ısı geri kazanım değiştiricileri, besleme ve egzoz hava akımlarına yerleştirilen iki ayrı boru bobininden oluşur ve kapalı devre şeklinde ters akış borulaması ile bağlanmışlardır. Çift amaçlı, üç yollu sıcaklık kontrol valfi, egzoz bobininin donmasını engeller. Bu valf, egzoz bobinine giren karışımın 5 o C veya daha yüksek sıcaklıkta olmasını sağlar. Bu valf ayrıca, besleme hava kanalındaki bobinin sıcaklığının belirlenmiş bir sıcaklığı geçmemesini de sağlamak içim kullanılır. Çevresel borulu ısı değiştiricileri oldukça esnek sistemlerdir çünkü besleme ve egzoz hava kanallarının yan yana olmasını gerektirmezler, bu kanallar ayrı yerlerde de olabilir. Bu yüzden çevresel borulu ısı değiştiricileri renovasyon için de uygun bir yapıya sahiptir. Enerji geri kazanım bobin kapalı devresi iki hava akımı arasında nem transferine izin vermez ve conta kaçakları ve taşınma gibi riskleri tamamen elimine eder. Şekil 5. Bir entalpi ısı tekerinin üç farklı hazne yüksekliği için basınç düşümü değerleri (solda). Üç farklı teker tipi için nem etkinliği (sağda). Çevresel borulu ısı değiştiricileri için etkinlik oranı tipik olarak %55 ila %65 arasında değişir. Bu değerler plaka tipi ısı değiştiricileri ve ısı değiştirici tekerlerden daha düşüktür. Plaka tipli ısı değiştiricilerin etkinlik oranlarına yakın oranlar elde etme için çevresel tipli ısı değiştiricilerinin daha yüksek basınç düşümü oranları ile çalışması gerekir.

8 Şekil 6. Çevresel borulu (run around) ısı değiştiricisi Fonksiyonel şema 3.4. Isıl Borulu Isı değiştiricisi Isıl borulu ısı değiştiricilerin etkinlik oranları %45 ila %60 arasında değişir ki bu teker ve plaka tipi ısı değiştiricilerin etkinlik oranlarına nazaran düşük bir orandır. En yüksek etkinlik değeri olan %60 seviyesine büyük bir basınç düşümü ile ulaşılabilir. Ancak bu basınç düşümü ön yüz hızının azaltılması ve daha çok sıra boru kullanılması ile azaltılabilir. Bu tip ısı değiştiriciler yüksek verimli uygulamalar için tavsiye edilmezler ve daha önceki bölümlerde bahsedilen daha yüksek etkinliğe sahip sistemler ile kolaylıkla değiştirilebilirler. 4. Ömür Boyu Maliyete Göre Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Seçilmesi Bir önceki bölümde görülen şekiller gösteriyor ki ısı değiştiricilerin etkinliği daha büyük üniteler kullanılması ile veya hazne yüksekliğinin, plaka ve fin aralığının azaltılması ile arttırılabiliyordu. Diğer bir taraftan hazne yüksekliği, plaka ve fin aralıklarının azaltılması ile basınç düşümü de artıyordu. Ayrıca düşük ön yüz hızı elde etmek için klima santralinin büyütmek ise yatırım maliyetlerini arttırıyordu. Her bir klima santralinin seçiminde asıl amaç bütün bu faktörleri dikkate alarak optimum sonuç verecek üniteyi bulmaktır. Böylece yatırımın ömür boyu maliyeti en düşük düzeyde tutulabilir. Pratikte, klima santralleri maalesef hala en düşük ilk yatırım maliyeti göz önüne alınarak seçilmektedir. Bu da demek oluyor ki, klima ünitesinin büyüklüğünü azaltmak için yüksek ön yüz hızına sahip üniteler seçilmekte ve bu da düşük ısı geri kazanım oranlarına sebep olmakta. Şekil 7 de pek çok farklı ısı geri kazanım tekerleri için yapılan LLC (ömür boyu maliyet) analizi görülmektedir. Bu analiz 15 yılı aşkın bir süre için enerji maliyetleri ve VDI e göre fiyat değişim faktörleri göz önüne alınarak yapılmıştır. Isı geri kazanım tekerinin (HRW) çapı, şekildeki tabloda verildiği gibi HRW 1 için en düşük ve HRW 2 için en yüksektir. Bu örnekte kullanılan ısı geri kazanım tekerinin tipi entalpi tipidir.

9 Şekil 7. Örnek bir ısı geri kazanım ekipmanı LCC analizi. Bu ünite haftada 7 gün, günde 24 saat boyunca çalışmaktadır. Şekilden de görülebileceği üzere ısı geri kazanım tekerinin çapı arttıkça 15 yıllık toplam maliyet düşmektedir. HRW 7 ve HRW 8 in toplam maliyeti birbirine oldukça yakındır ve bu büyüklükler optimum maliyeti veren büyüklüklerdir. Eğer teker çapı daha da arttırılırsa ilk yatırım maliyeti çok artacağı için toplam maliyet daha fazla olacaktır. Genel olarak, klima santrallerinde daha düşük basınçlar kullanılması ve daha yüksek etkinliğe sahip ısı geri kazanım sistemlerinin kullanımı, elektrik tüketiminin azaltılmasında çok büyük bir rol oynamaktadır. Bir ünitenin büyüklüğünü, ön yüz hızı 1 m/s olacak şekilde büyütülmesi hemen hemen her zaman toplamda daha düşük bir ömür boyu maliyet (LLC) sunmaktadır. Bu yüzden, düşük ön yüz hızına sahip klima santrali tasarımları ısı geri kazanımı olarak da olduk büyük avantajlara sahiptir. 5. Don Koruması Ve Kontrol Eğer, ısı değiştiricisinin çıkış havası yolundaki hava ısısı 0 o C nin altına düşerse, ısı değiştiricinin yüzeyinde yoğunlaşan su donarak hava geçiş kanallarını tıkayabilir. Dış havanın donma sıcaklığına düştüğü nokta don limiti olarak adlandırılır. Bu problemi çözmek için klima santrali, dışarıdaki havayı ve çıkış havasının nemini ve sıcaklığını sürekli olarak izleyecek bir kontrol sistemi ile donatılmalıdır. Kontrol sistemi, dış havayı izleyerek don noktasına düştüğünü belirlediğinde, ünite içerisindeki nemin donmasını engelleyecek tedbirleri devreye sokar. Soğurmalı enerji geri kazanım tekerleri dışında bütün engelleyici tedbirler ekstra enerji kullandıkları için sistemin etkinliğini azaltırlar. Plaka tipi ısı değiştiricilerinde, çıkış hava kanalı tarafındaki plakaların sıcaklığı 0 o C seviyesine düştüğünde don olayı başlar. Bu don olayına karşı aşağıdaki tedbirler alınabilir. (1) Dış havaya ön ısıtma yapmak (2) Dış havanın pas geçilmesi (3) Besleme hava akışını azaltmak İlk iki önlemde enerji tüketimi artarken, üçüncü önlem ise ancak minimum havalandırma oranının altına düşülmeyecek ise uygulanabilir. Normal kapalı mekan koşullarında don limiti genel olarak -3 o C ve -5 o C aralığındadır. Yoğuşmalı ve higroskopik geri kazanım tekerlerinde, tekerlek dönüş hızı azaltılarak don engellenebilir. Fakat hız azaldığında etkinlik de azalacağı için havanın fazladan ısıtılması gerekecektir. Soğurma tekerleri, nem transferini adsorban (yüz tutucu) vasıtası ile yaptıkları için çok az miktarda bir nem yoğunlaşması olur. Bu yüzden en verimli çözümdürler. Çevresel sarımlı ve ısıl borulu sistemlerdeki don problemleri plaka tipli ısı değiştiricilerdeki problemlere benzerdir. Her iki sistemde de, iki ısı değiştiricisi arasındaki ısı transferi azaltılarak don

10 olayı engellenebilir. Çevresel sarımlı sistemlerde, çift amaçlı, üç yollu sıcaklık kontrol valfi, egzoz bobininin donmasını engeller. Bu valf, egzoz bobinine giren karışımın 5 o C veya daha yüksek sıcaklıkta olmasını sağlar. Isıl borulu sistemlerde is, borular besleme hava kanalına doğru yaklaştırılır. Böylece, boruların buharlaşma bölümündeki sıcaklık seviyesi 0 o C nin üstünde kaldığı için don olayı engellenebilir. 6. Sonuç Genel Öneriler: En etkin ısı geri kazanım sistemini seçmek için ömür maliyeti analizini kullanınız. Seçim kriterleri en azından geri kazanılan enerji ve nem miktarı, basınç düşümünü engellemek için kullanılacak elektrik maliyeti, yatırım maliyetleri ve buzlanmayı engelleme ile ilgili maliyetleri kapsayacak şekilde olmalıdır. Isı geri kazanım ekipmanlarının yüzeylerinde buzlanma oluşumunu engellemek için soğurmalı ısı geri kazanım tekerleri kullanınız. Diğer bütün ısı geri kazanım sistemlerinde buzlanma, ilave enerji kullanılmadan veya havalandırma sistemleri tamamen kapatılmadan engellenemez. Çevresel ısı değiştiricileri, besleme ve egzoz hava akımlarının yan yana olmadığı durumlarda tavsiye edilir. Aksi takdirde daha verimli ısı değiştiricileri kullanılması tavsiye edilir. Isı borulu ısı değiştiricileri, yüksek performanslı binalarda verimleri düşük olduğu için tavsiye edilmez. Bu durumda daha verimli ısı değiştiricilerine yönelinmesi faydalı olur. Isı Geri Kazanım Tekerleri: Isı geri kazanım tekerleri, en yüksek verimliliği sunarken aynı zamanda en düşük basınç düşümü ve nem geri kazanımı değerlerine sahiptirler. En yüksek sıcaklık ve nem verimliliğine sahip olduklarından dolayı soğurmalı tekerlerin kullanımı tavsiye edilir. En yüksek verimlilik değerlerine ulaşmak için, düşük ön yüz hızı ile düşük hazne yüksekliği kombine olarak kullanılmalıdır. Eğer basınç düşümü çok yüksek ise hazne derinliği arttırılmalıdır. Plakalı Isı Değiştiriciler: Plakalı ısı değiştiriciler, nem geri kazanımının gerekli olmadığı durumlarda için seçilmelidir. En yüksek verimliliği elde etmek için, düşük ön yüz hızı ile fin aralığı küçük olan serpantinlerin kombine olarak kullanılması tavsiye edilir. Eğer basınç düşümü çok yüksek ise, fin aralıklarını arttırınız. Tuvalet egzoz havasından ısı geri kazanımı için plakalı ısı değiştirici kullanınız. Kaynaklar Brelih, N., Seppanen O., vd.,2013, Design of energy efficient ventilation and air conditioning system, Rehva Guidebook.