Havalandırma Sistemlerinde Enerji Verimliliği Kısım 1: Klima Santrallarıu 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. 1. Giriş Konforun tam olarak sağlanması bir zorunluluktur. Bu koşulu sağlamak kaydı ile havalandırma sistemleri verimli biçimde kurulup işletilmelidir. Havalandırma sistemi bileşenleri; hava kanalları, kanallar üzerindeki menfez, damper, susturucu vb. ile klima santralından oluşmaktadır. Verimli bir havalandırma sisteminde her bir bileşenin önemi vardır. Burada verimlilik açısından ele alınması gereken başlıca konular; a. Klima santralı, b. Fanlar, c. Filtreler, d. Isı geri kazanım sistemleri, e. Talep esaslı havalandırma (Demand Controlled Ventilation DCV) f. Hava kanallarının tasarımı ve balanslanması, g. Kazanlar, chillerler ve ısı pompaları, h. Pompalar ve hidronik sistemler, i. Elektrik motorları ve değişken devirli sistemler, Şeklinde özetlenebilir. Bu yazı ile birlikte yukarıdaki sıra ile bu sistemlerdeki enerji verimliliği incelenecektir. Her ne kadar mekanik tesisat konusu olsa bile verimlilik yeşil bina sürecinin bir parçası olduğu için ilgili okuyucuların ilgi alanına gireceğini umuyoruz. Diğer yandan sağlanması gereken iç çevre koşullarına ilişkin bilgiler daha önceki yazılarda verilmişti. İlave bilgiler ASHRAE Standart 62.1 den ve ASHRAE Standart 90.1 den ve REHVA Yayınlarından vb. edinilebilir.
2. Klima Santralları 2.1. Genel Havalandırma sistemlerinde en öenmli enerji tüketen bileşen klima santrallarıdır. Bu cihazlar, mahallere verilecek havanın koşullandırılmasını (ısıtma, soğutma, nemlendirme, nem alıma, filtreleme vb.) gerçekleştirirler. Klima santralı içindeki fanlar kanallardaki basınç kayıplarının yanında santral içi kayıpları da yenecek kapasitede olmalıdır. Fanlardaki enerji tüketiminin azaltılması için klima santralı seçim prosesine özen gösterilmelidir. Genel olarak klima santralarında enerjinin verimli kullanılması için; Klima santralarında alın hızı 1.5 m/s nin altında olmalıdır. Ofis tipi bir klima santralında toplam basınç kaybının 250 Pa civarında olmasına gayret edilmelidir. Klima santralları EUROVENT A Class seçilmelidir. Gürültü seviyesinin kontrol edilmesi gerekir. Özellikle sönümlemesi en zor olan 250 Hz değeri kontrol edilmelidir. Fanlarda spesifik enerji tüketimi 1.3 kw/(m3/s) değerinin altında olmasına dikkat edilmelidir. Verimliliği eşit olan iki fandan oktav bandı 250 Hz altında olanı seçilmelidir. Klima santralı içinde kontrolsüz yoğuşmaya meydan verilmemelidir. Taze hava emiş ağızları kar ve yağmurun girişine engel olunmalıdır. Taze hava alış ve egzos atış ağızları kuş, sinek vb. girişine karşı tel kafesi ile donatılmalıdır. 2.2. Düşük Alın Hızı Verimli bir klima santralı konfigürasyonu oluşturmada ilk adım düşük alın hızı seçmektir. Bu, ilk yatırım maliyetini artırmakla birlikte ömür boyu maliyette önemli tasarruflar sağlamaktadır. Geleneksel klima santrallarında alın hızı 2-3 m/s arasında alınmaktadır.bu, santral içinde 1000 Pa veya daha fazla basınç kaybı anlamına gelmektedir. Şekil 1 de ofis binalarında fanlarda ömür boyu maliyet bileşenleri görülmektedir. Şekil 1. Ofis binalarında fanlarda tipik ömür boyu maliyet bileşenleri (1). Fakat günümüzde, enerji verimliliğinin gerekliliğinin farkında olan mühendisler santralda alın hızını 1.5 m/s altında ve toplam basınç kaybı 250 Pa veya daha düşük seçmelidir. Tablo 1, alın hızına bağlı olarak spesifik santral içi bileşenlerdeki basınç düşümleri verilmektedir. Tablo Standard EN 13779; 2007 ye dayanmaktadır. İyi bir klima santralında spesifik fan gücü (SFP Spesific Fan Power) aşağı yukarı 1.3 kw/(m3/s) civarında tutulmaya çalışılmalıdır.
Tablo 1. Alın hızına bağlı olarak spesifik santral içi komponentlerdeki basınç düşümleri. Parametre Birim Kötü tasarım Tipik tasarım İyi tasarım KLİMA SANTRALI İÇİ Alın hızı m/s 2.5 2.0 1.5 Filtre, G3- torbalı Pa 80 70 50 Filtre, M5- torbalı Pa 140 115 75 Filtre, F9- torbalı Pa 190-250 160 110 Rotary ısı geri kazanım Pa 200-250 150 90-100 Isıtma serpantini Pa 120 80 40 Soğutma serpantini Pa 140 100 60 Nemlendirici hücresi Pa 60 40 20 Ses yutucu -susturucu Pa 80-235 50 30 Toplam santral ΔP değeri Pa 670 420 250 HAVA DAĞITIM Hava kanalları üfleme Pa 300-490 200-300 100-115 veya egzos Kanal tipi susturucu Pa 15 10 0 VAV kutusu Pa 112 112 25 Terminal reheat serpantini Pa 105 50 25 Plenum box Pa 100 50 30 Hava dağıtım ünitesi Pa 70 50 20 (üfleme veya emiş) Egzos atış Pa 175 175 175 FAN VERİMLİLİĞİ Fan sistem verimliliği % 40 50 65 SFP kw/(m3/s) 6 3 1.3 Eğer ihale dökümanlarında alın hızı ve basınç düşümü konusunda bir değer yoksa, Yüklenici, doğal olarak en ucuz (alın hızı en yüksek- EUROVENT F,G) klima santralını tercih edecektir. Bu, işletme maliyetlerinin dikkate alınmaması anlamına gelir. Bu durum ilk yatırım bedeli düşük, küçük ve basınç kaybı yüksek bir klima santralı demektir. Bu durumdan düşük alın hızı seçilerek kaçınılabilir. Küçük alın hızı tesisat dairesinde daha fazla yer ihtiyacı gerektirir. Ancak ömür boyu maliyeti, CO2 emisyonları düşüktür. İyi bir tasarım ile geleneksel tasarım farkı tablo 1 de açıkça görülmektedir. 3. Eurovent Sertifikasyonu Ve Enerji Verimliliği Sınıflandırması Eurovent Sertifikasyon sistemi, üretilen ve montajı yapılan ürünler için gönüllü bir sertifikasyon sistemidir. Bu sistem mühendisler, üreticiler, tasarımcılar, danışmanlar için güvenilebilir bir sertifikasyon markasıdır. Bu sertifikayı alan ürünler Şekil 2. deki ürün performans logosunu kullanırlar. Şekil 2. Eurovent logosu Bu sertifikasyon sistemi klima santralları ve filtreler için çok sayıda kategoriden oluşmaktadır. Klima santralarının mekanik özellikleri pren 1886:1997 standardı ve pren 13053:1999 standardına göre sınıflandırılır. Bu kısım gövde mukavemeti, gövdedeki hava kaçakları, filtrelerdeki bypass kaçakları,
gövdeden olan ısı kayıpları, ısı köprüleri ve gövdenin akustik yalıtımını kapsamaktadır. Sertifikasyon ayrıca santralın hava debisi, fanın statik basıncı ve elektrik tüketimi, kanal içindeki gürültünün oktav bandı, gövdeden yayılan gürültü, ısıtma ve soğutma kapasitesi, ısı geri kazanım, su ve hava tarafındaki basınç kayıpları gibi performans özelliklerini de kapsamaktadır. Test edilen santralların enerji performansları da belirlenmektedir. Test sonuçlarına göre santrala aşağıdaki gibi enerji sınıfı etiketi almaktadır. Şekil 3. Klima santralı enerji verimliliği etiketi. Bu sertifikasyon tasarımcı ve danışmanlar için enerji verimli santral seçiminde kolaylık sağlamaktadır.burada A dan E ye kadar 5 enerji verimliliği sınıfı söz konusudur. E en düşük sınıftır. Yukarıdaki etiketteki F ve G artık dikkate alınmamaktadır. Etiket filtre kısmındaki alın hızı, diğer bölümlerdeki basınç kayıpları ile standartlardaki diğer sınıflandırmalara göre verilmektedir. E den düşük olan sınıflarda herhangi bir alt limiti yoktur. A dan E ye kadar olan sınıflandırmadaki teknik özellikler Tablo 2 de görülmektedir. Tablo 2. Enerji verimliliği hesapları. Hesaplarda kullanılan referans değerler Sınıf (Class) Tüm alt gruplar Alt grup 1 Hız Isı geri kazanım sistemi Vref (m/s) ηref, % ΔPref (Pa) A 1.8 75 280 B 2.0 67 230 C 2.2 57 170 D 2.5 47 125 E 2.8 37 100 <E Zorunluluk yok 4. Ömürboyu Maliyet Esaslı Santral Seçimi Diğer sistemlerde olduğu gibi klima santralları da genel olarak ilk yatırım tutarına bakılarak seçilmektedir. Küçük santrallarda (düşük enerji sınıfı) alın hızı ve dolayısıyla enerji tüketimi yüksektir, buna karşın ilk yatırım bedeli düşüktür. Yüksek Class santrallarda ise alın hızı ve enerji tüketimi daha düşük ilk yatırım maliyeti daha yüksektir. Klima santralarında kullanılan fanlarda enerji tüketimi sınırlaması SFP tanımlaması ile sağlanmıştır. SFP değerinin 1.3 civarında veya en fazla 2 nin altında kw/(m37s) olması gerekmektedir. Bu durum tasarımcıyı daha düşük alın hızında santral seçmeye
zorlamaktadır. Bu ise santralların klima santralları Ömür boyu maliyete (Life Cycle Cost LCC) seçilmesini gerektirmektedir. Şekil 4 de klima santralarında ömür boyu maliyet (LCC) analizine ilişkin bir örnek görülmektedir. Bu tabloda ilk yatırım maliyeti ve işletmede elektrik maliyeti dikkate alınmıştır. Şekil 4. 5 farklı santral için LCC analizi (kaynak: AL-KO). 5. Sonuç Yüksek Class klima santralarında (örneğin class A, B) ömür boyu maliyetin daha düşüktür. Öte yandan LEED sertifikasyonu, enerji verimliliği için fosil tabanlı enerji tüketiminin azaltılmasını şart koştuğundan Class A ve B tipi santrallar LEED sertifikasyonu için de bir gerekliliktir. Bu nedenle tasarımcıların EUROVENT A veya enve SFP<2 olmasına özen göstermesi yararlı olur. Ayrıca işletmede de gerekli özen gösterilmelidir. Modern santrallar, cihaz içi sıcaklık, basınç, nem vb. sensörleri donatılıp Bina Otomasyon Sistemine bağlanmaktadır. Bu bağlamda işletme ve bakım personelinin daha iyi kontrol yapabilmesi için lokal izlenebilir sensörlerin de kullanılması yararlı olur. Kaynaklar 1 Brelih, N., Seppanen O., vd.,2013, Design of energy efficient ventilation and air conditioning system, Romania. [2] Wahlström, A, Is it possible to achieve zero energy demand while rebuilding multı-dwelling buildings?, Rehva Journal, August 2011.