Abstract: Energy saving ways are explained for air conditioning (HVAC) systems such as design of building , design of air conditioning system, waste energy recovery and respect to operation (maintenance and etc.) of system. Waste energy recovery systems that are used in air conditioning system (air to air heat exchanger) are examined as generally. Determination of exhaust temperature from waste energy recovery systems with plate type air to air heat exchanger is carried out by using thermoeconomic technique. Separately an example application is given and the best air exhaust temperature is calculated as 35oC for the sample system.

1- Giriş

İklimlendirme tesislerinde, ısıtma ve soğutma işleminin gerçekleştirilmesinde enerji taşıyıcı akışkan olarak havanın kullanılması ve iç ortamın ihtiyacı kadar bir taze havanın, iç ortama sürekli ilave edilmesinden dolayı, ortamdan konfor şartlarındaki bir miktar havayla birlikte dış ortama sürekli enerji atılmaktadır. Bu atılan enerjiden dolayı, klasik ısıtma ve soğutma sistemlerine göre klima sistemlerinde daha fazla işletme ve yatırım maliyetleriyle karşılaşılmaktadır. Yaz iklimlendirmesi yapılan tesislerde soğutmayı temin etmek için elektrik enerjisi kullanılmakta, kış iklimlendirme tesislerinde ise alışılmış yakıtlar kullanılmaktadır. Bu tür sistemlerde alınabilecek enerji tasarrufu tedbirleri sayesinde, önemli miktarlarda enerji tasarrufu sağlanabilir.

Binanın mimari tasarımı aşamasında, dış yüklerini azaltacak şekilde, binanın geometrisi, pencere yönleri ve boyutları, dış yüzey kaplama ve boyasının renginin seçilmesi konularında uygun tercihler yapılabilir. Ayrıca yaz uygulamalarında gündüz ve gece arasındaki sıcaklık farkı kullanılarak, gündüz binanın iç ortam havasında ve yapı bileşenlerinde depolanan enerji, gece çekilerek sistemin normal çalışma saatlerindeki yükleri azaltılabilir [2].

Ayrıca binanın dış duvar yüzeyi ve pencerelerine, güneş radyasyonu etkisini azaltacak tedbirler ile beraber binanın dış yapı kabuğunun ısı yalıtımı yapılması sonucu, daha küçük kapasiteli cihazlar ile daha az işletme maliyeti temin edilebilir [9].

2- İklimlendirme Tesisinin Projelendirilmesi Aşamasında Göz Önünde Bulundurulması Gerekli Hususlar

İklimlendirme tesisinin projelendirme aşamasında gerçek iklim verileri kullanılmalıdır. Isı kazancı ve kaybı yükleri doğru tayin edilmeli, bu kazançların soğutma ve ısıtma yüklerine dönüşümleri doğru tespit edilmeli ve lüzumsuz yere büyük kapasiteli cihaz seçimi önlenmelidir [1], [8]. Şehir kenarında bulunan otel, alışveriş merkezleri veya binaların soğutma yükünün önemli bir kısmı, eğer fazla derin (pahalı) olmayan su kuyuları açma imkanı varsa, yer altı suyu kullanılarak karşılanabilir. Ayrıca absorbsiyonlu soğutma sistemleri kullanılarak soğutma için sarf edilen elektrik enerjisi çok düşük seviyelere çekilebilir. Kış klimasında da ısı pompalarının bu tür sistemlerde kullanılmaları değerlendirilmelidir. Kanal tasarımında da optimum kanal tasarım yöntemleri kullanılarak hem işletme hem de yatırım maliyetleri uygun seviyelerde olan kanal sistemleri elde edilebilir.

İklimlendirme tesislerinde kurulacak, egzoz havası ile çalışacak ön ısıtma ve ön soğutma yapabilen enerji geri kazanım cihazlarının kullanımı çok büyük boyutlarda enerji tasarrufu sağlayabilmektedir. Ayrıca tesisin işletilmesinde değişik yükler için sistemi ayarlayarak, maksimum kapasitesinde çalıştırılmasını önleyecek otomatik kontrol sistemleriyle donatılması sonucu da önemli miktarlarda enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.

2.1 Klimalı Binaların ve Kanalların Yalıtılmasının Kazançları

İklimlendirme yapılacak binanın yükleri değerlendirilirken, iç ve dış yükler olarak iki grup altında değerlendirilmektedir. Dış yükler binanın dış yapı kabuğundan geçerek binanın içine gelen yükler olup bu yükler duvar, çatı, pencere ve kapıdan iletimle gelen ayrıca şeffaf yüzeylerden güneş ışınımı ile gelen ve sızıntı veya havalandırma havası ile gelen yükler olarak tanımlanabilir. İnsan ve cihaz yoğun olmayan binalarda dış yüklerin payı daha büyük değerlere ulaşabilir. Dış yükler içinde iletimle ortama ulaşan yüklerin payını, binanın dış yapı kabuğuna yalıtım yaparak azaltma potansiyeli mevcuttur. Bu potansiyel de yalıtım kalınlığına bağlı olarak değişmektedir. Binanın tasarımı aşamasında yalıtım kalınlığı sorgulanmalıdır [9]. Yalıtım veya diğer tedbirlerden dolayı yükün azaltılması oranına bağlı olarak, kullanılan klima cihazlarının boyutları ve kapasiteleri ile beraber kanal boyutları ve işletme maliyetleri de azalmaktadır [9].

Klima santrallerinde yüksek maliyette hazırlanan havanın özelliklerinin bozulmadan klima yapılacak ortama ulaştırılması gerekmektedir. Eğer kanalların ısı kaybına karşı yalıtımı yetersizse bunun işletme maliyeti, kanaldaki hava dolaştırma maliyetinden daha büyük değerlerde çıkabilir ve yalıtım kalınlığı kanal içi ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkına bağlı olarak tespit edilmelidir. En iyi çözüm ise kanal tasarımı aşamasında optimum kanal kesitiyle beraber optimum yalıtım kalınlığının da elde edilmesidir [10].

2.2 İklimlendirme Sistemlerinde Enerji Geri Kazanımı

İklimlendirme sisteminden atılan egzoz havası ile yaz veya kış iklimlendirilmesi durumlarında sisteme ilave edilecek bir enerji geri kazanma ünitesi ile dış havanın ön soğutulması veya ön ısıtılması yapılabilir. Bu sayede ısıtıcı ünite soğutucu ünite ile birlikte diğer ısıtma ve soğutma grubunun kapasiteleri azaltılarak, hem bu cihazların yatırım maliyetleri hem de işletme maliyetleri azaltılabilmektedir. İklimlendirme tesislerinde aşağıda belirtilen dört değişik tip enerji geri kazanım sistemi kullanılmaktadır [7], [5], [8].

- Sıcak ve soğuk (gidiş ve dönüş) hava kanallarına yerleştirilmiş, kanatlı borulu selpantinler arasında pompa yardımı ile suyun dolaştırılması
- Plakalı tip ısı değiştirgeci kullanılması
- Dönel tip ısı değiştirgeci kullanılması
- Isı borulu ısı geri kazanım cihazının kullanılması

Öncelikle sisteme ilave edilecek bir enerji geri kazanım cihazının ek bir basınç kaybı yükü getireceği unutulmamalıdır. Bununla birlikte yukarıda açıklanan her bir enerji geri kazanım cihazının avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır [5], [7]. Örneğin suyun iki hat arasında sirkülasyonu ile enerji geri kazanımında (bataryalı tip EGK) enerji geri kazanma miktarı çok fazla olamamaktadır (yaklaşık % 40). Dönel tip enerji geri kazanımı cihazında, ısı tekerleğinin sürekli döndürülmesinden dolayı ilave elektrik enerjisi ve dönel elemanların bulunmasından dolayı bakımının ve kontrolünün sık sık yapılması gerekmektedir. Bu tip EGK sistemlerinde temiz havaya kirli hava karışma riski vardır. Bununla birlikte duyulur ve gizli ısı kazanımını da birlikte gerçekleştirebilmektedir. Isı borulu geri kazanım sistemlerinin yatırım maliyetlerinin büyük olduğu söylenebilir.

Plakalı enerji geri kazanım cihazları; genellikle alüminyum özel plaka profillerinden imal edilirler. Gizli ısı kazanım arzu edilirse selüloz esaslı malzeme (nem geçişine müsaade edebilir) kullanılabilir. Plakalı ısı değiştirgecinin, ısı borulu yada dönel tip EGK sistemlerinde olduğu gibi, yağlanma, ayar ve parça değişimi, ısı taşıma gazı özel kaplama v.b. gibi ihtiyaçları yoktur. Montajı kolaydır ve basınç kaybının dışında ilave bir işletme maliyeti yoktur. Plakalı enerji geri kazanım cihazında enerji geri kazanım miktarı % 65 ila % 75 oranındadır [7].

2.2.1 İklimlendirme Sistemine İlave Edilecek Enerji Geri Kazanımı Cihazının Seçimi ve Örnek Sistem

Enerji geri kazanım cihazının seçiminde iki durum söz konusudur. Birincisi iklimlendirme tesisi mevcuttur ve bu tesis için enerji geri kazanım cihazı seçimi yapılacaktır. Bu durumda böyle bir enerji geri kazanımı cihazının yatırım maliyeti ile ömrü boyunca cihazın çalışması için gerekli ilave masraflar ile birlikte yine ömrü boyunca sistemin ısıtma veya soğutma yükünde yapacağı tasarruf miktarı da dikkate alınarak, toplam işletme maliyetleri elde edilerek, sistemin toplam (yatırım+işletme) maliyetinin en düşük düzeyde olacağı cihaz seçilmelidir [5]. İkinci durum ise iklimlendirme sistemi için kullanılacak cihazların henüz seçim aşamasında olunduğu durumdur. Seçilecek bir enerji geri kazanım cihazı, kapasitesine bağlı olarak, iklimlendirme santralinde kullanılacak ısıtıcı ünite, soğutucu ünite, ısıtma grubu ve soğutma grubunun hem yatırım hem de işletme maliyetlerini azaltacaktır.

Sisteme ilave edilen uygulanabilir bir ısı geri kazanım cihazının seçiminde takip edilecek en uygun yol, değişik kapasitelerde yapılabilecek böyle bir ilavenin sisteme sağlayacağı avantaj ve dezavantajların ortaya konularak, ekonomik olarak değerlendirilmesidir [4], [6].

2.2.1.1 Örnek Sistemle İlgili Termodinamik Bağıntılar

Sistem kararlı rejim durumu için analiz edilmiştir. Sistemin toplam soğutma yükü Q olmak üzere ortama üflenmesi gerekli havanın debisi Şekil 1 esas alınmak üzere,

m3=m5=m6= Q/(h₆-h₅)   (1)

bağıntısı ile elde edilebilir. Egzoz havası ile dışarıdan alınan hava miktarlarının eşit olduğu ve ön soğutucuda duyulur ısı geçişinin olduğu yaklaşımı ile, enerji geri kazanım cihazına, akış hatlarındaki kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilerek, kararlı rejim için termodinamiğin 1. kanununu uygulanırsa,

m₇ C_ph (T₈-T₇)=m₁ C_ph (T₁-T₂)   (2)

T₂=T₁-T₈+T₇    (3)

bağıntıları elde edilir. Nemli havanın özgül entalpisi de aşağıdaki bağıntı yardımı ile hesaplanır.

h=(C_ph+w.C_ps)T+w.h_fg   (4)

Bu bağıntıda C_ph=1.0035, C_ps=1.8723 kJ/kg ve h_fg =2501 kJ/kg olarak alınmıştır. Resirküle havası ile ön soğutma cihazından çıkan havaların karışması sonucu elde edilen 3 noktasının özellikleri ise,

h₃=(m₉ h₉+m₂ h₂) / (m₉+m₂)  (5)

w₃= (w₉ m₉+ w₂ m₂) / (m₉ + m₂)  (6)

T₃=(h₃-w₃h_fg)/(C_ph+w₃C_ps)  (7)

şeklinde elde edilir. Td cihaz çiğ noktası sıcaklığını ifade etmektedir ve bu örnek çalışmadaki karışım sıcaklığı aralığı (33-26 0C ) için, T3 sıcaklığının fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi elde edilmiştir. Hesaplamalar için gerekli diğer psikrometrik özellikler aşağıdaki bağıntılar yardımı ile elde edilir

T_d=-24.804+2.03868T₃-0.02847 T²₃    (8)

P_bd=0,5664+0.0694 T_d-0.0007 T_d²+8.10^-5 T_d³     (9)

W_d=0.622(P_bd / 101.34-P_bd)     (10)

Doymuş durumdaki nemli havanın özgül entalpisi, (4) nolu denklemde ki sıcaklık ve özgül nem yerine doyma sıcaklığı ve doyma durumundaki özgül nem kullanılarak, elde edilebilir. Soğutucu ünite için bypass faktörü (BF), 4 noktasının özellikleri yardımı ile aşağıdaki bağıntıdan elde edilir.

BF=(T₄-T_d)/(T₃-T_d)   (11)

Ayrıca soğutma grubunun kapasitesi ve çillerin kompresör gücü için gerekli bağıntılar,

Q_soğ =m₃(1-BF) (h₃-h_d)   (12)

PW _çil =(Q_soğ / STK)    (13)

şeklinde elde edilir.

2.2.1.2 Örnek Sistemle İlgili İşletme Maliyetleri

Ele alınan sistemle ilgili olarak değişen işletme maliyetleri olarak çillerin kapasitesindeki değişme sonucu, kompresörün işletilme maliyeti azalacaktır, buna karşın ön soğutucunun hem egzoz havası tarafında hem de taze hava tarafında oluşturduğu ek basınç kayıplarından dolayı vantilatörlerin işletme maliyetleri artacaktır. Vantilatörler için gelecek ek elektrik enerjisi gereksinimi, aşağıdaki bağıntı yardımı ile elde edilir.

        

2.2.1.3 Örnek Sistemle İlgili Yatırım Maliyeti Bağıntılar

Ekonomik değerlendirmede seçilen parametrelerle soğutucu ünite, soğutma gurubu ve hava ön soğutma cihazlarının yatırım maliyetlerinde değişmeler olacağı için bu maliyetlerin hesaplanmasında aşağıdaki bağıntılar kullanılmıştır.

Soğutucu ünite için verilen yatırım maliyeti 0.55 - 176 kW arasında geçerli olup, ? tm = 15oC içindir. Logaritmik sıcaklık farkının 15 oC den farklı olması durumunda aşağıdaki bağıntı şeklinde kullanılabilir [3] .

       

_{Ön soğutucunun yatırım maliyeti bağıntısı, ön soğutucunun etkinliğine ve dolaştırılan havanın debisine bağlı bir şekilde, yaklaşık olarak,}

    

şeklinde hesaplanabilir. Bu bağıntıdaki ?, ön soğutucunun etkinliğini göstermekte olup soğuk ve sıcak akışkan hava debi miktarlarının da, birbirine eşit olduğu duruma göre,

 

              

Sistemde maliyeti değişen her bir cihaza ait yakıt veya elektrik tüketimi dışındaki yıllık yatırım yükü aşağıdaki bağıntı yardımı ile elde edilebilir [4], [6].

       

Amaç fonksiyonu değişik egzoz sıcaklıklarına göre hesaplanmış ve minimum değeri grafik yolla tespit edilmiştir. Termodinamik hesaplama sonuçları Tablo 1 'de özetlenmiştir. Tablo 2'de ise ekonomik hesap sonuçları özetlenmiştir. Şekil 2' de de toplam yatırım maliyeti yükü, toplam işletme maliyeti ve amaç fonksiyonu değişik egzoz sıcaklıklarının (T8) fonksiyonu olarak gösterilmiştir.

Tablo 1: Örnek çözüm için değişik egzoz sıcaklıklarında elde edilen termodinamik
hesaplama sonuçları

Tablo 1 den görüleceği gibi örnek hesaplamada, önce hava ön soğutucusu yokken, daha sonrada çeşitli egzoz sıcaklıklarında hava ön soğutucusu varken, Şekil 1'de belirtilen noktalardaki özellikler ile cihaz çiğ noktası özellikleri, bypass faktörü, soğutucunun kapasitesi ve soğutma grubunda kullanılan kompresörün gücü elde edilmiştir. Egzoz sıcaklığının 37 oC' ye yükseltilmesi ile hava ön soğutucusu kullanmayan ilk duruma göre, kompresör gücünde yaklaşık % 20' lere varan bir azalma olduğu görülmektedir.



Şekil 2: Değişik egzoz sıcaklıklarıyla yatırım, işletme ve toplam maliyetlerin değişimi

Şekil 2' den; artan egzoz sıcaklığı ile yatırım maliyetlerinin arttığı ve işletme maliyetlerinin azaldığı, bununla beraber amaç fonksiyonunu oluşturan toplam maliyetin azalarak 35oC'de bir minimumdan geçerek tekrar arttığı gözlenmiştir. Böylece en uygun hava ön soğutucu egzoz sıcaklığının, verilen bu şartlarda T8 = 35 oC olduğu görülür.

Tablo 2:Örnek çözüm için değişik egzoz sıcaklıklarında elde edilen maliyetler

Tablo 2, Şekil 2'nin hazırlanması için gerekli bilgilerin bulunduğu tablo olup, incelendiğinde, egzoz sıcaklığının soğutucu ünitenin ilk yatırım maliyetinde pek büyük değişiklik oluşturmadığı, 35oC de elde edilen optimum sonuçtaki toplam yatırım maliyetinin, hava ön soğutmasız sisteme göre ((29084-24845)/24845 = % 17 ) daha fazla gerçekleştiği ve buna karşın işletme maliyetinin ((3.622 -3.0843) /3.622 = %14.85) daha azaldığı görülmektedir.

3- İklimlendirme Sistemlerinde İşletmede Enerji Tasarrufu açısından yapılması Gerekenler

Tesis edilen iklimlendirme sistemlerinde, santral ve kanal içinde oluşan kirliliklerden dolayı ve mekanik aksanlardaki aşınmalardan dolayı zamanla ortaya çıkan enerji kayıpları da iyi bir bakım ve temizlik programı ile ortadan kaldırılabilir. Kanalların temizliği işleminde uzaktan kumandalı robotlar kullanılarak etkin temizlik yapılabilmektedir. Hava filtreleri sık sık kontrol edilerek, gerekli değiştirmeler ve temizlikler öngörüldüğü şekilde yapılmalıdır.

4- Tartışma ve Sonuçlar

Bu çalışmada iklimlendirilecek bir mekanın yapı proje tasarımı, iklimlendirme projesi tasarımı , klima santrali ve elemanlarının seçimi ve sistemin işletilmesi aşamalarında, enerji tasarrufu açısından göz önünde bulundurulması gerekli hususlar açıklanmaya çalışılmıştır. Enerji tasarrufu açısından binanın geometrisinin, yalıtımının, atık enerji geri kazanımı sisteminin ve otomatik kontrol sistemin bulunmasının önemli olduğu vurgulanmaya çalışılmıştır.

Ayrıca iklimlendirme tesislerinde kullanılan atık ısı geri kazanım sistemi (havadan havaya ön soğutma yapan plakalı ısı değiştirgeci) örnek bir sistem için uygulanarak, termoekonomik metot kullanarak en uygun egzoz sıcaklığının nasıl elde edileceği açıklanmış ve örnek sistem için bu değer 35oC olarak elde edilmiştir. Ayrıca tam klima yani yaz + kış klimasını uygulayan sistemlerde kullanılan atık ısı geri kazanımı sisteminin kullanma faktörü büyük olduğu için sağlanan kazançta daha da büyümektedir.

Klima sistemlerinde,binaların yalıtım kalınlığı, ısıtıcı ve soğutucu grubu sıcaklık seviyeleri, soğutma performans katsayısı gibi parametrelerde göz önünde bulundurularak daha bir kapsamlı optimizasyon çalışması yapılabilir.

KAYNAKLAR

[1] ARISOY, A., Türkiye İklim Verileri, TTMD Teknik Yayınları, 2000.

[2] ARISOY, A., CETEGEN, E., Gece Soğutmasında Binaların Isıl Performansı, TTMD V. Uluslararası Yapıda Tesisat Teknolojisi Sempozyumu, 29-30 Nisan/1 Mayıs, 2002, İstanbul.

[3] Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, 2002 Yılı İnşaat ve Tesisat Birim Fiyatları, Ankara.

[4] BEJAN, A., TSATSARONIS, G., and MORAN, M., Thermal Design And Optimization, 1997, John Wiley & Sons Inc.

[5] BESANT, R., W. And SIMONSON, C., J., Havadan Havaya Isı Geri Kazanımı, (Çeviren: ÇAKMANSU İ.), Kasım- Aralık 2001, Sh: 37-42, TTMD Dergisi.

[6] CAMARATA, G., FICHERA, A., MAMMINO, L. And MARLETTA, L., Exergonomic Optimization Of An Air Conditioning System, Vol. 119, 1997, Transactions of the ASME.

[7] DEMİREL, Ö., Klima Sistemlerinde Isı Geri Kazanımı, Kasım- Aralık 2001, Sh: 30-32, TTMD Dergisi.

[8] MC QUISTON, F.C. and PARKER, D.J. and SPITLER, D.J. 2000. Heating Ventilating And Air Conditioning, Analysis and Design, John Wiley & Sons Inc.

[9] ÖZTÜRK, İ., Klima ve Yalıtım, Yalıtım Kongresi, 2001, MMO Eskişehir.

[10] ÖZTÜRK, İ. ve KARABAY H., İklimlendirme Tesislerinde Kullanılan Hava Kanallarının Optimum Boyutlandırılması ve Yalıtım Kalınlığının Elde Edilmesi, TTMD V. Uluslararası Yapıda Tesisat Teknolojisi Sempozyumu, 29-30 Nisan/1 Mayıs, 2002, İstanbul.