Havalandırma Sistemleri Tasarımında Enerji Verimliliği

7 Mayıs 2012 | TEKNİK MAKALE
196. Sayı (NİSAN 2012)

3.782 kez okundu

Sarven ÇİLİNGİROĞLU

Çilingiroğlu MühendislikTürk Tesisat Mühendisleri Derneği (TTMD) İstanbul Temsilciliği tarafından 3 Mart’ta İTÜ Makina Fakültesi’nde gerçekleştirilen “Havalandırma Sistemlerinde Test, Ayar ve Dengelemenin (Tasarım ve Uygulama Aşamasındaki) Enerji Verimliliğine Etkileri” konulu seminerin Soru-Yanıt bölümünü 195. sayımızdaki Sektörel Forum bölümünde siz değerli okuyucularımız için yayımlamıştık. Bu sayımızda ise Seminerin Oturum Başkanlığını üstlenen Sarven Çilingiroğlu’nun “Hava Sistemleri Tasarımında Enerji Verimliliği” başlıklı sunumunu paylaşıyoruz.

Tüm hava sistemleri tasarımında enerji verimli bir havalandırma sistemi kurulumunda 3 önemli ana öğe vardır:

Hava Koşullandırma Cihazları (klima cihazları, fanlar, eksoz fanları gibi),
Hava Kanalı Tasarımı ve
Oda Hava Dağıtımı.

Bir hava koşullandırma cihazı tasarlanırken dikkat edilmesi gereken hususlar;

Yer seçimi,
Hava koşullandırma cihazlarının konstrüksiyonu (ihale evraklarında belirtilmesi gereken hususlardan biri),
Isıtma ve soğutma serpantini ve
Fanlardır.

1. Yer Seçimi

Yer seçimine bakıldığı zaman önce ekonomik nedenler göz önüne alınmalı. Yaklaşık 12 katlı bir ofis binası var ve bu binanın enerji merkezini çatıya kurduğumuzu düşünelim, santralleri de çatıya kurup bütün katlara çatıdan şaftlar vasıtasıyla aktarırsak, enerjiyi hava kanalıyla, havaya aktarmış olacağız. Bu işletme açısından çok tasarruflu bir yöntem değildir. Fakat bütün klima cihazlarını katlarda yerleştirdiğimiz zaman daha fazla enerji tasarruflu bir sistem elde etmiş oluyoruz. Böylece bütün ısıyı borular vasıtasıyla katlara taşımış oluyoruz. Bunun da ilk yatırım açısından bazı sakıncaları var, seçim yaparken dengelemek gerekiyor.

İkinci önemli husus ses seviyesi üzerindeki etkilerdir. Bu tasarladığımız klima santrallerini koyacağımız mekanlara göre önem kazanıyor. Bir

konferans salonunun yanına koymak sakıncalı olabilir. Fakat diğer mekanlarda gerekli önlemler alındıktan sonra kullanabiliriz.

2. Hava Koşullandırma Cihazlarının Konstrüksiyonu

Hava koşullandırma cihazlarının konstrüksiyonlarında enerji verimliliğine etkisi tasarımcı tarafından düzenlenmelidir.

1) Klima santrali izolasyonu tanımlanmalı,

2) Termik geçirgenlik sınıfı tanımlanmalı,

3) Taşıyıcı panellerin ısı köprüsü tanımlanmalı,

4) Sızdırmazlık sınıfı tanımlanmalı ve

5) Defleksiyon sınıfı tanımlanmalıdır.

Tüm bunları ENBC 4086’ya göre yazıyoruz, detaylı bilgileri alabilirsiniz.

3. Isıtma ve Soğutma Serpantin

Isıtma ve soğutma serpantinine baktığımız zaman hava santrali hızını, alın hızlarını önceden ayarlamamız gerekiyor. Alın hızlarının, projelerde genellikle 2,5 metre saniyenin üzerinde olması istenmiyor. 2,5 metre saniyenin üzerinde seçilecek bir hava santralinde boyutlar ufaldığı için sürtünmeler artacak ve dolayısıyla iç kayıtlarımız artacaktır. Benzer şekilde boyut küçüldüğünden ısıtma ve soğutma serpantininde boyutlar küçülecek fakat sıra sayısı artacaktır. Bu hem hava tarafında hem de su tarafında bir direnç yaratacaktır. Sıra sayısının artması pompalarımızı da etkileyecektir. Bu husus da önemlidir ve proje aşamasında tanımlamak gerekir.

4. Fanlar

Son önemli konumuz da fanlardır. Fanların şekli çoğunlukla havanın üzerinden akış yönüne göre santrifüj ve aksiyal olarak ikiye ayrılıyor.

Santrifüj fanlar da kendi aralarında öne eğimli kanatlı fanlar, geriye eğimli kanatlı fanlar ve airfoil fanlar olmak üzere üçe ayrılıyor. Burada daha ziyade iklimlendirme tesisatlarında kullanılan kullanan santrifüj fanlarını inceleyeceğiz.

4.1. Öne eğimli kanatlı fanlar

Öne eğimli kanatlı fanlar çarkın dönüş yönüne doğru eğilmişler, öne eğimli kanatlı çapta düşük hızda çalışır ve genelde böyle düşük statik basınçları da büyük hava miktarları belirler. Genelde bu tip fanlarda sınırlamalarımız, toplam basıncın 500 paskalın altında olduğu yerlerde kullanıyoruz. 500 paskalın üzerinde tip değiştiriyoruz. Öne eğimli fanların, havanın maksimum yüzde 80’i ile yüzde 35’i arasında çalışma alanı vardır. Yüzde 35’in üzerindeki bölgede bu fanlar çalışmaz. Search bölgesindekiler dengesizdir. Yüzde 80’in altındaki bölümde de yine gürültüler meydana gelir. Öne eğimli kanatlı fanlarda verim yüzde 60 ile yüzde 68 arasında değişir. Dolayısıyla HVAC uygulamalarında verimliliği en düşük fan öne eğimli fanlardır.

4.2. Geriye eğimli fanlar

Geriye eğimli fanlar, çark dizayn kanatların çark dönüş yönüne göre geriye meyilli olarak yatmış olmasıdır. Bu tip fanların da yüzde 40 ila yüzde 85 arasında bir çalışma bölgesi vardır. Bunlar öne eğimli kanatlılardan çok daha verimlidir. Yüzde 75 ila yüzde 80 verimlerde çalışırlar. 500 paskalın üzerindeki toplam basınçlarda geriye eğimli kanatlı fanları kullanmak durumundayız. Daha iyi bir performans vermekteler.

4.3. Airfoil kanatlı fanlar

Airfoil kanatlı fanlar da, dizayn kanatlarının çark dönüş yönüne göre geriye meyilli olarak yapmış olmasıdır. Airfoil, geriye eğimli fanla aynı şekilde yalnız, kanat yapısı biraz daha aerodinamiktir. Verimleri de yine yüzde 80 ila yüzde 86 arasında değişmektedir. Uygulama alanları yüzde 50 ile yüzde 85 arasındadır.

5. Uygulamada Fan Seçimi

Fan seçiminde dikkat edilmesi gereken hususlardan biri; sabit devirli bir klima santralimiz varken, seçtiğimiz fan, maksimum verimle seçilmelidir.

Ama VAV santrali seçiminde fan önem kazanmaktadır. Maksimum verimle seçilecek bir fan, search bölgesinde yaklaşık yüzde 50’lere varan kısılma sağlamaktadır. Bunu nasıl seçeceğimizi ASHREA’nin Aplication Handbook’ta görüyoruz. VAV santralimizi bir veya iki küçük çart seçerek ya da bizim ihtiyacımız olan maksimum debiyi yüzde 75 ila yüzde 80’i arasında bir değer alarak seçmemiz gerekiyor.

Bu durumda seçilecek değer, maksimum verimden biraz aşağıda oluyor, fakat sürekli fanı frekans invertörlü kullandığımız için yüzde 25’lere kadar kısabiliyorsunuz. Dolayısıyla VAV seçimlerinde verim önemli olmayacak ve daha küçük çapta seçmemiz gerekecek. Ama sabit debili sistemlerde yüksek devirli fanları seçmemiz gerekiyor. Düşük devirle çalıştığınız zaman yüzde 100 çalışan noktalarda da VAV çapına göre yaklaşık 5 desibellik biraz daha gürültü ile çalışacak.

Özgün fan gücü, fan seçimleri için çok önemli bir kriterdir. Mustafa Bilge ilk sunumunda anlattığı için bu konuya çok fazla değinmeyeceğim. Özgün fan gücünü etkileyen sadece fan içi yapısı değil, aynı zamanda dış kanal tasarımı da özgün fan gücüne etki etmektedir. Bunu da göz önüne almamız gerekir.

6. Hava Kanalı Tasarımı

Bir kanal sistemi, hava koşullandırma cihazı ile havası koşullandırılacak ortam arasında havanın taşınmasını sağlar.

Bu işlevin kullanışlı bir şekilde yerine getirilmesi için sistem, kullanılan alanlarla ilgili sınırlandırıcı kurallar, sürtünme kayıpları, havanın hızı, ses seviyesi, ısı, ısı kaybı ve kazancı gibi etkenler dikkate alınarak tasarlanmalıdır.

7. Kanal Tasarımında EkonomikEtkenler

Aşağıdaki unsurlar ilk yatırım maliyetini ve işletme giderlerini doğrudan etkiler:

Kanaldaki ısı kaybı ya da kazancı,
Kanalın kenar boyut oranı,
Kanal sürtünme değeri ve
Bağlantı elemanlarının (fittings) tipidir.

8. Isı Kaybı ve Kazancı

Kanallarda, kanal boyut oranları düşükten büyüğe doğru gidildikçe ısı kaybımız veya ısı kazancımız artmaktadır.

Aynı hava miktarını taşımalarına karşın, daha büyük kenar oranlı kanallarda daha küçük kenar oranlı kanallara göre daha fazla ısı kazancı olur.

Düşük hızda az miktarda hava taşıyan kanalda daha fazla ısı kazancı olur.

Kanalın yalıtılması ısı kazancını azaltır. Örneğin: yalıtım değeri (U) 0,12 olan bir malzeme ile yalıtılan bir kanalda ısı kazancı %90 azalır.

9. Kenar Oranı

Kenar oranı, önemli bir faktör olup, kanalın uzun kenarının kısa kenarına oranıdır. Bu oran tasarıma başlarken mutlaka dikkate alınması gereken önemli bir etkendir. Kenar oranı büyürse montaj ve işletme masrafları artar. Kanal sınıfı, aynı zamanda, ilk yatırım maliyetinin sayısal gösterimidir. Kanal sınıfı arttıkça kanalın maliyeti artar. Aşağıda maksimum kenar uzunluğu ile tanımlanan bir kanal sınıfı tanımlanıyor.

Burada (tablo) kenar oranının değişimini görüyoruz. Kanalın yarı çevresi ve kanal yüzeyine etki ediyor. Kenar oranı arttıkça kanal yüzeyimiz de artıyor. Kanal yüzeyi arttıkça ısı kayıpları ve sürtünme hızı daha da artıyor. Kanal oranı, malzeme bağımlılığına etki ediyor. Malzeme alımını da etkileyerek, ilk yatırıma etkiliyor.

Örnek olarak şu iki tabloyu inceleyelim. Aynı hava miktarını eşit oranlarda kanal ebatlarıyla taşıdığımızı düşünelim, burada kanal sınıfları 6’dan başlıyor ve 5, 4 şeklinde gidiyor.

Kalınlıklarına baktığımız zaman kenar uzunluğu 2350 olanın ağırlığı 6. sınıfa girdiği için kalınlığı 1,3 mm, yüzey alanı 5,30 m²/m, ağırlığı da 56,6 kg/m’dir. Görüldüğü gibi oran yükseldikçe; kalınlık, yüzey alanı, ağırlıkları ve maliyet artacak. Bunu da grafikte kanal kenar oranlarına baktığımızda artışı görüyoruz.

Böylece düşük ilk yatırım maliyeti için kanal en düşük sınıfta, en küçük kenar oranıyla, verilen en hafif malzeme kalınlığı ile tasarlanması olasıdır. Bire bir oranı kullanmak bize hem enerji tasarrufu hem de ilk yatırım açısından en düşük maliyeti getirecektir.

10. Sürtünme Katsayısı

Sürtünme konusuna da baktığımız zaman burada yine aynı kapasitede bir hava geçtiğini düşünelim. Bu yaklaşık 6.800 metreküp saatlik bir kanalla.

Alanları yine aynı tutuyoruz. 750, 400 oranlar artırılıyor. Kesit, hız, kapasite aynı fakat sürtünme oranları gittikçe artıyor. Oran yükseldikçe sürtünme hızı da artıyor. Kenar oranları yükseldikçe sürtünme hızı arttığı için işletme masraflarımız da artmış oluyor.

En düşük işletme masrafı dairesel ya da spiral boru kullanıldığı zaman sağlanır. Alan yetersizliğinden dairesel kanal kullanılmazsa kanal olabildiğince kare olmalı, 1:1 kanal kenar oranı tercih edilmelidir.

11. Kanal Planlamasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

Kanal boyutlandırmasına başlamadan önce belirlenmesi gereken bir çok değişken vardır.

Bu değişkenler, boyut değiştiriciler (transformation), dirsekler, bağlantı elemanları(fittings), ara parçalar, yoğuşma ve hava kontrolü, yani hava damperleridir.

Bu konu üzerinde fazla durmayacağım, çünkü SMACNA gibi bazı kaynaklara baktığımız zaman bunların basınç güçlerini görmek mümkün. Bu kaynaklarda seçip projelerde değerlendirmek gerekiyor.

12. Tasarım Yöntemlerine

Hava kanalı tasarımlarında düşük hızda bir verici kanal sisteminin tasarımı, aşağıdaki üç yöntemden biriyle yapılabiliyor.

Bunlar:

Hız azaltma,
Eşit sürtünme ve
Statik kazanım yöntemleridir.

Bu yöntemlerde önemli olan hava kanallarında mümkün olduğu kadar damper değerini azaltmaktır.

Sürtünmeyi azaltmak için dengelemeyi azaltmak isteriz. Fakat eşit sürtünme ve diğer hız azaltma yöntemiyle yapılan tasarımlarda muhakkak her bir branşmana volume damper kullanmak ve bunları dengelemek durumundayız.

Oysa statik bir kazanım yöntemiyle tasarlanan bir hava kanalında bu volumetrik damperlere ihtiyaç yoktur. Kanalın kesitleriyle bunu dengeleme, tüm basınç her bir branşmanda eşit olmaktadır. Dolaylısıyla statik kazanım, işletme anlamında bize ciddi bir tasarruf sağlamaktadır.

Statik kazanıma göre tasarlanan bir sistem için gereken metal kanal ağırlığı eşit sürtünme yönteminde tasarlanan sistem için gerekenden yüzde 13 daha fazladır. Yani ilk yatırımı daha fazla ama hem voltajda hem dengelemede biz bunu sürekli geri kazanıyoruz.

İlginizi çekebilir...