Sürdürülebilir Binalarda Isıl Depolama Dr. İbrahim Çakmanus Özet LEED puanlama sisteminde enerji puanlamada %35 civarında bir yer tutmaktadır. Bunun için bina kabuğu performansının artırılması, yüksek verimli HVAC sistemleri, yeenilenebilir enerji teknolojilerinin kullanımı gibi hususların gerçekleştirilmesi gerekir. Avrupa Birliği nde ısı pompalarının yenilenebilir enerji kaynağı olarak kabul edilmesine benzer şekilde ısıl depolama (Thermal Energy Storage-TES) da USGB tarafından sürdürülebilir bir teknoloji olarak kabul edilmektedir. Burada ısıl depolamanın binalarda enerji verimliliğine sağladığı katkı üzerinde durulmuştur. Giriş LEED enerji puanlama sistemi ASHRAE 90.1-2007 Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings i esas almaktadır. Bu Standard enerji tasarrufundan ziyade parasal tasarrufu esas almaktadır ki simulasyon programlarındaki karşılaştırmalar da bune göre yapılmaktadır. Maliyetler tüm enerji verimliliği olanaklarının değerlendirilmesinde ve bina sahiplerinin kararlarını etkileyen en önemli unsurlardan birisidir. LEED puanlama sisteminde bina ASHRAE 90.1 standardına göre daha iyi performans sergilemesi gerekir. Standardın öngördüğü asgari değer baraj kabul edilir. LEED de başvurabilmek için bu barajın geçilmesi gerekir. Baraj geçildikten sonra iyileşme oranının yüksekliğine göre enerji puanı alınır. LEED ve TES Isıl depolamanın LEED puanında etkili olmasının bazı sebepleri bulunmaktadır. Bunlar; a. Gece elektrik tarifelerinin gündüze göre düşük olması (bu şekilde çoğu binada işletmede önemli düşüş sağlamak mümkündür), b. Soğutmada gecenin serinliğinden yararlanılarak daha verimli soğutma gruplarının daha verimli çalışmaları, c. Kojenerasyon, ısı pompası gibi sistemlerin küçük kapasitelerde seçilmesi ve çalışma sürelerinin uzatılması (ilk yatırım maliyetinde düşüş, işletmede verimlilik artışı), d. Gündüzleri pik yükleri traşlayarak sistem verimliliğini artırır, e. Heat recovery özelliğine sahip su kaynaklı ısı pompalarında ısı geri kazanımın depolanmasını sağlar.
f. HVAC sistemlerinin verimli biçimde devreye girip çıkmalarına olanak sağlar. g. Kojenerasyon veya başka şekilde atık ısı çıkaran sistemlerin atık ısılarının ihtiyaç olmayan zamanlarda depolanarak ihtiyaç olan zamanlarda kullanılmasına katkı sağlar. h. Güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerjinin depolanarak ihtiyaç olan saatlerde kullanımını sağlar. Buz depolamada olduğu üzere faz değiştiren malzemelerle küçük hacimlerde önemli miktarda sıcak depolamak da mümkündür. i. Free cooling yapmaya olanak sağlar. Yapılan araştırmalarda pik (peak) dışı zamanlarda (örneğin geceleri) kwh enerji üretiminde daha az fosil enerji tüketildiği tespit edilmiştir (1). Bunun nedenleri; a. Pik zamanlarda elektrik üretim santralarındaki türbinler daha düşük verimle çalışmaktadır. b. Elektrik iletim hatlarındaki kayıplar pik dışı zamanlarda (örneğin geceleyin) daha düşüktür. Çünkü geceleri daha az enerji nakli gerçekleştirilmektedir. c. Enerji santrallarında generatörlerde pik dışı zamanlarda kayıplar daha azdır. d. Geceleri, pik dışı zamanlarda, emisyonu düşük ve daha verimli santralların çalıştırılması ve diğerlerinin devre dışı bırakılma olanağı bulunmaktadır. Bu da çevre dostu bir uygulamadır. Kaliforniya da yapılan çalışmalarda yukarıdaki faktörler nedeniyle pik dışı zamanlarda enerji üretiminin %10 - %30 daha verimli olduğu belirlenmiştir. Teknik olarak bu durumun Türkiye için de geçerli olduğu söylenebilir. Isıl Depolama Yukarıdaki hususlar dikkate alındığında ısıl depolamanın gerçektende yeşil olduğu söylenebilir. Diğer yandan çoğu HVAC tasarımcısı %20 ye kadar emniyet faktörü uygulamaktadır. Buna karşın, HVAC sistemleri ömürleri boyunca %100 kapasitede %5, %75 kapasitede %15, %50 kapasitenin altında %80 süre çalışmaktadır. Dolayısıyla emniyet faktörleri ile büyütülen sistemler ömürleri boyunca kapasitelerinin çok altında çalışmaktadır. Halbuki ısıl depolama yapılırsa emniyet faktörü ile cihaz kapasiteleri ile büyütmek yerine aynı oranda küçültmek olanaklı olmaktadır. Böylece ilave bir masraf gerekmeksizin sistem kapasitelerini küçültmek ve daha verimli bir işletme gerçekleştirmek mümkün olabilmektedir. Yukarıda açıklandığı üzere ısıl depolama sistemleri, ısıyı başka bir zamanda kullanmak üzere çeken ya da bir ortama ekleyen ve verimliliği artıran sistemlerdir. HVAC uygulamaları için ısıl depolama, ısının ısıtma ve soğutmada kullanılan sıcaklıklarda depolanmasını içerir. Yüksek sıcaklıkta depolama genellikle güneş enerjisi ya da yüksek sıcaklıklı ısıtmayla ilgili iken, soğuk depolama iklimlendirme ve soğutma sıcaklık uygulamalarını içerir. Şekil 1 de bir soğutma sistemi ısıl depolama prensip şeması verilmiştir (2).
Şekil 1. Chiller ile ısıl depolama (2). Isıl depolama ile enerji, yüklenebilir, depolanabilir ve günlük, haftalık vb. temelde ya da hızlı proses çevrimleri biçiminde dağıtılabilir. Duyulur ısıl depolamada çok kullanılan ortamlar su, toprak, kaya, tuğla, seramik, beton ve bina yapısının ısıtılan ya da soğutulan değişik kısımları (ya da proses akışkanı) şeklindedir. İklimlendirme, mahal ısıtma gibi HVAC uygulamalarında su, genellikle seçilen depolama ortamı olup, kaynama ve donma sıcaklıkları arasında tutulduğunda arzu edilen özelliklerin hemen hepsine sahiptir. Isıl Depolamanın Yararları Yukarıda açıklandığı üzere ısıl depolama için birincil neden ekonomiktir. Aşağıdakiler ısıl depolamanın anahtar önemdeki yararlarından bir bölümünü oluşturmaktadır. Ekipman büyüklüğünün azaltılması. Eğer ısıl depolama ısıtma ya da soğutma yükünün tamamı ya da bir kısmını karşılamak üzere kullanılırsa, seçilecek olan ekipman büyüklüğü pik yükü karşılamak için seçilenden daha küçük olacaktır. (Yukarıda da açıklanmıştır). Küçük sistemler ömür boyunca etiket değerlerine daha yakın çalışacakları için daha verimli olacaklardır. Sermaye maliyeti kazanımı. Sermaye kazanımları hem ekipman büyüklüğünün düşürülmesinden hem de gece elektrik tarifelerinin düşüklüğü ile gece serinliğinde soğutma sistemlerinin verimli çalışmasından kaynaklanır. Bütün bunlar depolama maliyetlerini rahatlıkla dengeleyebilecek niteliktedir. Düşük sıcaklıktaki hava ve su dağıtım sistemleriyle
bütünleştirilen soğuk depolama daha küçük su soğutucular (chiller) pompa, boru tesisatı, kanal ve fanlar nedeniyle kurulum maliyetlerinde kazanımlar getirir. Depolama, çok kısa süren ısıtma ve soğutma pik yüklerine sahip sistemlerde sermaye maliyetlerinde bir kazanım potansiyeline de sahiptir. Enerji maliyetinden kazanım. Elektrik talep bedelleri gibi zamana bağlı enerji maliyetlerinin önemli ölçüde düşmesi ve pik zaman kullanım bedellerinin azalması ısıl depolamanın sağladığı en önemli tasarruflardır. Enerji tasarrufları. Isıl depolama sistemleri enerji tasarrufundan çok, enerji kullanımına zamansal bir kaydırma getirmelerine karşın, depolama enerji tüketimi ve maliyetlerinde kazanımlar sağlayabilmektedir. Ülke enerji üretim sistemine katkı. Yukarıda açıklandığı üzere pik dışı zamanlarda enerji santralları daha verimli çalışmaktadır. Isıl depolama bu duruma yardımcı olmaktadır. Buradaki iyileşme CO 2 emisyonlarının azalmasına da katkı sağlamaktadır. Diğer yandan düşük kondenser sıcaklıkları ekipman verimini iyileştirdiğinde, soğuk depolama sistemleri su soğutucuların (chiller) gece daha fazla çalışmasına izin vermekte olup, düşük kondenser sıcaklıkları ekipman verimini artırdığında, depolama ekipmanın yetersiz kısmi yük performansı ile değil tam yükte çalışmasını da sağlar. Soğutulmuş su depolama sistemleri kullanan iklimlendirme sistemlerinin kwh temelinde yıllık %12 ye varan enerji tasarruf sağladıklarına ilişkin döküman bulunmaktadır. Chiller kondenserlerinden geri kazanım yoluyla elde edilen ısı da ısıtma ekipmanına duyulan gereksinimi ve sonuçta enerji tüketimini ortadan kaldırabilir ya da önemli ölçüde düşürebilir. HVAC çalışmasının iyileştirilmesi. Isı depolama bir sistemin ısıl depolama yeteneğine, yük profilinin ekipman çalışmasından ayrılmasına olanak sağlayan yeni bir eleman ilave eder. Bu ilave esneklik, güvenirlik ya da sistem kontrol ve çalışmasında yedekleme olanağı yaratır. Diğer yararlar. Depolama diğer bazı yararları da beraberinde getirir. Örneğin soğuk depolama soğuk hava dağıtım sistemi ile bütünler hale getirilebilir. Isıl depolama, soğuk suyla yapılan depolamada çoğunlukla uygulandığı gibi ikincil bir işlev olan yangından korunma amacıyla da düzenlenebilir. Bazı soğuk depolama sistemleri serbest soğutma yoluyla yeniden yüklenebilir niteliktedir. Isıl depolama, temel yüke sahip buhar santrallerinden elde edilen atık enerjinin bir absorpsiyonlu chiller de üretilen ısının daha sonra kullanılmak üzere depolanması gibi enerji geri kazanım yönünde de kullanılabilir. Ekonomi. Isıl depolama sistemleri temelde iki amaç için kurulurlar. a Kurulum maliyetini,
b.işletme maliyetini düşürmek. Yük süresinin düşük ve yükün ortaya çıkması için geçen sürenin uzun olduğu cami, kilise ve spor tesisleri gibi yerlerdeki uygulamalar, genellikle ısıl depolama için en düşük kurulum maliyetine sahip alanlardır. Soğuk su depolama gibi modüler olmayan geniş ısıl depolama uygulamaları önemli bir ekonomi ortaya koyarken, eşdeğerdeki depolama kullanmayan sistemlerden daha düşük maliyettedir. Bu bağlamda buz depolama sistemleri de kompakt oluşları pompa, boru, hava hazırlama birimi, kanallar ve bu ekipman için gerekli ekipman kapasitesinde azalmalara yol açarak ek kazanımları da ortaya koyar. Isıl depolamada ikincil sermaye maliyetleri de düşük olabilir. Örneğin elektrik tüketimi pik enerji talebi düşük olduğundan azaltılabilir. Kaynaklar [1] MacCracken, 2004, Thermal Energy Storage In Sutainable Buildings, ASHRAE Journal, September 2004. [2] ASHRAE Application Handbook, 2006, Thermal Energy Storage, Chapter 34.