Isı Geri Kazanım Sistemleri Termodinamik Esaslar, Ekipman Seçimi ve Mühendislik Uygulamaları

Modern yapılarda sızdırmazlık standartları hızla yükseliyor. Dolayısıyla iç hava kalitesini korumak için gereken taze hava miktarı da artıyor. Ancak dış ortamdan aldığımız taze havayı şartlandırmak ciddi enerji harcar. Hatta bu işlem, toplam HVAC yükünün yüzde 30 ila 50’sini oluşturur. İşte bu noktada ısı geri kazanım sistemleri devreye girer. Bu sistemler, iç ortamdan atılan kirli havanın termal enerjisini geri kazanır. Ardından bu enerjiyi dışarıdan alınan taze havaya aktarır. Böylece sistem, binanın ısıtma ve soğutma yükünü doğrudan minimize eder.

Bu teknik incelemede, ısı geri kazanım sistemleri ve termodinamik altyapılarını ele alacağız. Ayrıca eşanjör tiplerini karşılaştıracak ve enerji tasarrufu hesaplama yöntemlerini inceleyeceğiz. Son olarak iklimlendirme ve havalandırma teknolojileri kapsamındaki projelendirme kriterlerini tüm mühendislik detaylarıyla değerlendireceğiz.

1. Isı Geri Kazanım Sistemleri Temel Çalışma Prensipleri ve Termodinamik Esasları

Bir ısı geri kazanım ünitesi temel bir görev üstlenir. Cihaz, taze hava ve egzoz havası arasında ısı enerjisi alışverişi sağlar. Üstelik bu işlemi yaparken hava akımlarını birbirine karıştırmaz. Termodinamiğin birinci yasası bu durumu net açıklar. Adyabatik bir eşanjörde egzoz havasının kaybettiği enerji, taze havanın kazandığı enerjiye eşittir. Diğer yandan termodinamiğin ikinci yasası ısı akış yönünü belirler. Isı akışı her zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru gerçekleşir.

İklimlendirme mühendisleri ısı geri kazanım sistemleri içindeki ısı transferini iki ana bileşende inceler:

Duyulur Isı (Sensible Heat) Transferi

Duyulur ısı, havanın kuru termometre sıcaklığındaki değişimi ifade eder. Bu süreçte yoğuşma veya buharlaşma gibi bir faz değişimi gerçekleşmez. Mühendisler duyulur ısı transfer kapasitesini şu formülle hesaplar:

Qs = m . cp . ΔT

Burada m kütlesel debiyi (kg/s) gösterir. cp ise havanın sabit basınçtaki özgül ısısını (yaklaşık 1,005 kJ/kg.K) ifade eder. Son olarak ΔT giriş ve çıkış sıcaklık farkını temsil eder. Örneğin standart alüminyum veya polipropilen plakalı eşanjörler yalnızca duyulur ısı transferi yapar.

Gizli Isı (Latent Heat) ve Toplam Enerji (Entalpi) Transferi

Gizli ısı transferi, havadaki su buharı miktarının (özgül nem, w) değişimiyle gerçekleşir. Özellikle yaz aylarında kıyı bölgelerinin dış hava nem yükü çok yüksektir. Benzer şekilde kışın kurak iklimlerde iç ortam nemini korumak gerekir. Dolayısıyla bu bölgelerde gizli ısı transferi kritik önem taşır. Gizli ısı ve toplam ısı (entalpi) denklemleri şu şekildedir:

Ql = m . hfg . Δw

Qtoplam = m . Δh = m . (hgiriş – hçıkış)

Bu formülde hfg suyun buharlaşma gizli ısısını (kJ/kg) temsil eder. Δw mutlak nem farkını (kg_su / kg_kuru_hava) gösterir. Ayrıca Δh ise özgül entalpi farkını (kJ/kg) ifade eder. Higroskopik kaplamalı rotorlar hem duyulur hem de gizli ısı transferi yapar. Aynı şekilde membran yapılı entalpik plakalı eşanjörler de her iki ısıyı aynı anda aktarır.

Isıl Etkinlik (Effectiveness – ε) Kavramı

Mühendisler eşanjör performansını ısıl etkinlik (ε) kavramı ile ölçer. Bu değer, gerçekleşen ısı transferinin maksimum olası ısı transferine oranıdır. Kütlesel debilerin eşit olduğu (m_taze = m_egzoz) dengeli akışta sıcaklık ve entalpi etkinliklerini şöyle tanımlarız:

εT = (Ttaze,çıkış – Ttaze,giriş) / (Tegzoz,giriş – Ttaze,giriş)

εh = (htaze,çıkış – htaze,giriş) / (hegzoz,giriş – htaze,giriş)

Eşanjör içindeki akış düzeni bu etkinliği doğrudan belirler. Örneğin ters akışlı (counter-flow) düzenekler, logaritmik ortalama sıcaklık farkını (LMTD) maksimize eder. Bu sayede ters akışlı modeller, çapraz akışlı (cross-flow) eşanjörlere kıyasla çok daha yüksek verim sunar.

2. Isı Geri Kazanım Sistemleri Ekipman Karşılaştırması ve Seçim Kriterleri

Her mimari projenin hijyen gereksinimi ve iklimsel yük profili farklıdır. Bu nedenle her projede tek tip eşanjör kullanmak mühendislik açısından yanlıştır. Sektörde en sık kullandığımız dört ana ısı geri kazanım sistemleri teknolojisi şunlardır:

Plakalı (Sabit) Isı Eşanjörleri (Çapraz ve Ters Akışlı)

Üreticiler bu eşanjörleri ince metal veya polimer plakaları üst üste dizerek üretir. Böylece taze hava ve egzoz havası birbirine karışmadan komşu kanallardan geçer. Cihazda hareketli parça yoktur. Bu yüzden arıza riski düşüktür ve bakım ihtiyacı minimumdur. Çapraz akışlı modeller yüzde 50 ila 65 arasında duyulur verim sağlar. Buna karşın ters akışlı (counter-flow) geometride bu oran yüzde 75-85 seviyelerine çıkar. Ayrıca özel polimer membran kullanan entalpik modeller nem transferi de yapar.

Rotorlu (Döner Tamburlu) Isı Eşanjörleri

Rotorlu eşanjörler petek yapılı döner bir tamburdan oluşur. Hava akımları bu tamburun içinden geçer. Tambur dakikada 10 ila 20 devirle döner. Bu esnada egzoz havasından aldığı ısıyı taze hava tarafına taşır. Eğer yüzeyde higroskopik silika jel kaplama varsa nemi de aktarır. Bu cihazların verimleri yüzde 75-85 aralığındadır. Üstelik kompakt yapıları sayesinde klima santrallerinde (KSS) az yer kaplarlar.

Ancak bu sistemin önemli bir dezavantajı vardır. Sızdırmazlık fırçaları yüzde 1 ila 3 oranında hava kaçağına (carry-over) yol açar. Üreticiler bu durumu önlemek için temizleme sektörü (purge sector) kullanır. Yine de tasarımcılar hastane enfeksiyon alanlarında veya kimyasal egzozlarda bu cihazları tercih etmez.

Bataryalı (Run-Around / Ara Akışkanlı) Sistemler

Bazı projelerde taze hava ve egzoz kanalları birbirinden uzaktır. Mühendisler bu durumda bataryalı sistemleri kullanır. Sistem, her iki hava kanalına yerleşen kanatlı borulu ısı serpantinlerinden oluşur. Kapalı devre bir borulama hattı ve sirkülasyon pompası bu bataryaları birbirine bağlar. Boruların içinde donmaya karşı glikol-su karışımı dolaşır.

Bu teknoloji hava akımları arasında sıfır çapraz bulaşma (yüzde 0 kaçak) garantisi sunar. Dolayısıyla ameliyathaneler, laboratuvarlar ve zehirli gaz egzozları için standart çözümdür. Fakat sistem ısı transferini iki aşamada (hava-sıvı ve sıvı-hava) gerçekleştirir. Ayrıca glikolün özgül ısısı suya göre düşüktür. Sonuç olarak bu sistemlerin ısıl verimleri yüzde 45-60 seviyelerinde kalır.

Isı Borulu (Heat Pipe) Eşanjörler

Isı borulu eşanjörler vakumlu kapalı bakır boru demetlerinden oluşur. Boruların içinde R134a, R410A veya HFO gibi faz değiştiren soğutucu akışkanlar bulunur. Sıcak hava tarafındaki (evaporatör) akışkan ısıyı çekerek buharlaşır. Ardından buhar, borunun diğer ucuna (kondenser) hareket eder. Burada soğuk havaya ısısını bırakır ve tekrar yoğuşur. Yoğuşan sıvı, kılcallık etkisi veya yerçekimi yardımıyla sıcak tarafa geri döner. Bu sistemde hareketli parça yoktur. Ek olarak cihaz harici pompa enerjisi tüketmez ve hava sızıntısı yapmaz. Verimleri ise yüzde 50-70 aralığındadır.

Ekipman Karşılaştırma ve Seçim Tablosu

3. İklimlendirme Projelerinde Atık Isı Potansiyeli ve Enerji Tasarrufu Hesaplamaları

Isı geri kazanım sistemleri yatırımının fizibilitesini görmek için saha verileriyle hesap yapmak gerekir. Aşağıdaki örnek mühendislik hesabı, bir klima santralindeki anlık güç düşümünü adım adım gösterir.

Örnek Proje Tasarım Parametreleri (Kış Şartları)

Bir ofis binasında 10.000 m³/h kapasiteli bir klima santrali (KSS) bulunduğunu varsayalım. Sistemin taze hava ve egzoz hava debileri birbirine eşittir.

• Hava Debisi (V): 10.000 m³/h = 2,78 m³/s
• Hava Yoğunluğu (ρ): 1,2 kg/m³
• Havanın Özgül Isısı (cp): 1,005 kJ/kg.K
• Dış Hava Kuru Termometre Sıcaklığı (Ttaze,giriş): -3 °C
• İç Ortam (Egzoz) Sıcaklığı (Tegzoz,giriş): 22 °C
• Ters Akışlı Plakalı Eşanjör Duyulur Etkinliği (εT): %72 (0,72)

Termal Kazanç ve Çıkış Sıcaklığı Hesabı

İlk olarak sistemden geçen havanın kütlesel debisini (m) buluruz:m = V . ρ m = 2,78 m³/s x 1,2 kg/m³ = 3,336 kg/s

İkinci adımda eşanjörden çıkan taze havanın sıcaklığını (Ttaze,çıkış) hesaplarız:εT = (Ttaze,çıkış – Ttaze,giriş) / (Tegzoz,giriş – Ttaze,giriş) 0,72 = (Ttaze,çıkış – (-3)) / (22 – (-3)) Ttaze,çıkış + 3 = 0,72 x 25 Ttaze,çıkış = 18 – 3 = 15 °C

Bu sonuç bize çok önemli bir veri sunar. Dışarıdan -3 °C’de aldığımız hava, sadece egzoz havasının atık ısısıyla 15 °C’ye kadar ısınır. Üstelik bu süreçte ısıtıcı batarya hiçbir enerji harcamaz.

Üçüncü adımda geri kazandığımız anlık ısıl gücü (Qkazanım) belirleriz:Qkazanım = m . cp . (Ttaze,çıkış – Ttaze,giriş) Qkazanım = 3,336 kg/s x 1,005 kJ/kg.K x (15 – (-3)) K = 60,35 kW

Görüldüğü üzere bu yatırım, binanın kazan veya ısı pompası kapasitesini anlık olarak 60,35 kW düşürür.

Fan Gücü Tüketimi ve Net Tasarruf (COP Analizi)

Elbette eşanjör, hava akışına karşı bir direnç oluşturur. Taze hava ve egzoz tarafındaki basınç kaybını (ΔP) ayrı ayrı 180 Pa kabul edelim. Fan toplam verimini (ηfan) ise %70 (0,70) alalım. Bu durumda iki fanın eşanjör direncini yenmek için harcadığı ilave elektrik gücü (Wfan,ek) şöyledir:

Wfan,ek = 2 x [(V . ΔP) / ηfan] Wfan,ek = 2 x [(2,78 m³/s x 180 Pa) / 0,70] = 1430 W = 1,43 kW

Buradan hareketle cihazın kendi performans katsayısını (COP_IGK) buluruz:

COP_IGK = Qkazanım / Wfan,ek COP_IGK = 60,35 kW / 1,43 kW = 42,2

Sonuç olarak fanlarda harcadığımız her 1 kW elektrik enerjisine karşılık 42,2 kW termal enerji kazanırız. Sistemin günde 12 saatten yılda 180 gün çalıştığını düşünelim. Ortalama sıcaklık farkı tasarım değerinin yarısı kadar olsa bile net tasarruf yılda 62.000 kWh seviyesine ulaşır.

4. Isı Geri Kazanım Sistemleri İçin Klima Santrali Entegrasyon Kriterleri

Isı geri kazanım sistemleri kağıt üzerinde yüksek verim değerleri sunar. Ancak bu değerleri sahada yakalamak doğru aerodinamik ve hidronik entegrasyona bağlıdır. Bu nedenle projelendirme aşamasında aşağıdaki dört temel kriteri mutlaka kontrol etmeliyiz:

Alın Hızı (Face Velocity) ve Basınç Düşümü Optimizasyonu

Eşanjör kesitinden geçen havanın hızı (alın hızı), ısıl verimi ve basınç kaybını doğrudan etkiler. Hava hızı düştükçe havanın eşanjör yüzeyleriyle temas süresi uzar. Bu durum ısıl etkinliği (ε) doğrudan artırır. Ayrıca basınç düşümü hızın karesiyle (ΔP ~ v²) orantılıdır. Yani düşük hızlar fan enerji tüketimini dramatik biçimde azaltır. İdeal bir klima santrali tasarımında eşanjör alın hızını 1,5 m/s ile 2,2 m/s arasında tutarız. Eşanjör başına basınç düşümü ise 150 – 200 Pa sınırını aşmamalıdır.

Yoğuşma ve Donma Koruması (Defrost Stratejileri)

Kış aylarında sıcak ve nemli iç ortam havası eşanjörden geçerken soğur. Egzoz havası çiy noktası sıcaklığının (dew point) altına düştüğü anda yüzeylerde yoğuşma başlar. Aslında bu durum gizli ısıyı da geri kazandırır ve verimi artırır. Ancak yoğuşan suyu tahliye etmek şarttır. Bunun için eşanjör altına uygun sifon yüksekliğine sahip bir drenaj tavası yerleştiririz.

Diğer taraftan dış sıcaklık -5 °C ve altına indiğinde bu yoğuşma suyu donar. Buzlanma hava kanallarını tıkar, debiyi düşürür ve plakalara mekanik hasar verir. Mühendisler bunu önlemek için üç farklı yöntem uygular:

1. By-pass Damperi: Fark basınç presostatı eşanjörde buzlanma kaynaklı basınç artışı algılar. Hemen ardından otomasyon, soğuk taze havayı geçici olarak by-pass kanalından geçirir. Sıcak egzoz havası bu sürede eşanjördeki buzu çözer.
2. Ön Isıtıcı (Pre-heater) Kullanımı: Tasarımcı taze hava girişine elektrikli veya sulu bir batarya koyar. Bu batarya dış havayı donma sınırının üzerine (örneğin -2 °C’ye) ısıtarak eşanjöre gönderir.
3. Rotor Hız Kontrolü: Otomasyon sistemi rotorlu cihazlarda devir sayısını inverter ile düşürür. Böylece ısı transferini kasıtlı olarak azaltır ve egzoz çıkış sıcaklığını donma sınırının üzerinde tutar.

Serbest Soğutma (Free-Cooling) ve By-Pass Entegrasyonu

Bahar aylarında veya yaz gecelerinde dış hava sıcaklığı örneğin 16 °C olabilir. Aynı anda iç ortam (ofis, AVM) insan ve ekipman yükleri nedeniyle 24 °C’ye çıkar. Dolayısıyla bina soğutma talep eder. Eğer bu durumda havayı eşanjörden geçirirsek büyük bir hata yaparız. Çünkü 24 °C’lik egzoz havası, dışarıdan gelen 16 °C’lik serin havayı gereksiz yere ısıtır.

Bu hatayı önlemek için tüm IGK sistemlerine yüzde 100 kapasiteli motorlu by-pass damperi ekleriz. Otomasyon sistemi dış ve iç sıcaklıkları sürekli karşılaştırır. Uygun şartlar oluştuğunda (ekonomizer modu) havayı eşanjöre sokmadan doğrudan içeri alır. Böylece soğutma grubunu (chiller/VRF) çalıştırmadan doğal soğutma yaparız.

Filtrasyon ve Bakım Erişimi

Plakalı ve rotorlu eşanjörlerin dar hava kanalları tozla tıkanmaya çok müsaittir. Yüzeyde oluşan 1 milimetrelik kir tabakası bile ısı transfer katsayısını düşürür. Üstelik bu kir tabakası basınç kaybını yüzde 30’a kadar artırır. Bu sebeple hem taze hava girişinde (en az F7 / ePM1 %55) hem de egzoz girişinde (en az M5 / ePM10 %50) filtre kullanmak zorunludur.

5. Güncel Enerji Regülasyonları, Sürdürülebilirlik Standartları ve Çevresel Etkiler

Isı geri kazanım sistemleri günümüzde bir tasarım tercihi olmaktan çıkmıştır. Ulusal ve uluslararası mevzuatlar bu sistemleri yasal bir zorunluluk haline getirmiştir.

Avrupa Birliği Eko-Tasarım (ErP – EcoDesign 1253/2014) Kriterleri

Avrupa Birliği ile uyumlu ErP 1253/2014 Eko-Tasarım Yönetmeliği Türkiye’de de yürürlüktedir. Bu yönetmelik konut dışı havalandırma üniteleri (NRVU) için katı sınırlar çizer. Kurallara göre çift yönlü her klima santralinde ısı geri kazanım sistemleri ve termal by-pass donanımı bulunmalıdır. Ayrıca ErP Tier 2 aşaması minimum ısıl verim ve fan gücü sınırlarını şöyle belirler:

• Bataryalı (Run-Around) Sistemlerde Minimum Isıl Verim: En az yüzde 68 olmalıdır. Üreticiler bu oranı yakalamak için 8-10 sıralı derin bataryalar ve ters akışlı glikol devreleri tasarlar.
• Diğer Tüm IGK Sistemlerinde Minimum Isıl Verim: Plakalı ve rotorlu sistemlerde verim en az yüzde 73 olmalıdır.
• Özgül Fan Gücü (SFPint): Eşanjör verimini artırmak için hava hızını düşürmek gerekir. Bu da cihaz kaset boyutlarını büyütür. ErP yönetmeliği, küçük kaset kullanıp yüksek basınç kaybı yaratmayı engellemek için iç özgül fan gücüne (W / (m³/s)) üst sınır getirir.

Binalarda Enerji Performansı (BEP) ve Neredeyse Sıfır Enerjili Binalar (NSEB)

Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı tarafından yürütülen Binalarda Enerji Performansı (BEP) Yönetmeliği binaların birincil enerji tüketimini düşürmeyi hedefler. Özellikle belirli metrekare üzerindeki yapılarda Neredeyse Sıfır Enerjili Bina (NSEB / nZEB) konsepti zorunludur. Havalandırma kaynaklı ısı kayıplarını yüzde 70’in üzerinde geri kazanan IGK cihazları bu noktada kilit rol oynar. Bu sistemler binanın Enerji Kimlik Belgesi (EKB) sınıfını doğrudan A veya B seviyesine taşır.

Yeşil Bina Sertifikaları (LEED, BREEAM) ve Karbon Ayak İzi

LEED ve BREEAM gibi uluslararası sürdürülebilirlik sertifikaları ASHRAE 90.1 standardını baz alır. Bu standart, çalışma saatlerine ve taze hava oranına bağlı olarak enerji geri kazanımını şart koşar. Sonuç olarak ısı geri kazanım sistemleri iki yönlü çevresel katkı sağlar:

1. Operasyonel Karbon Salımının Azaltılması: Sistem, doğalgazlı kazanların veya elektrikli soğutma gruplarının çalışma süresini kısaltır. Böylece doğrudan CO2 emisyonlarını düşürür.
2. Soğutucu Akışkan Yükünün Düşürülmesi: Üçüncü bölümdeki hesaplamada gördüğümüz gibi, IGK kullanımı binanın pik yükünü küçültür. Daha küçük kapasiteli chiller veya VRF seçimi, sistemdeki toplam F-Gaz miktarını azaltır. Bu durum TEWI (Toplam Eşdeğer Isınma Etkisi) puanını doğrudan iyileştirir.