Header Reklam

İklim Değişikliği ile Mücadele için Alternatif Soğutucu Akışkanların Geliştirilmesi

25 Mart 2021 Dergi: Mart-2021

Yazan: Yensi Izquierdo, P.E., Sara Kingman, LEED AP ve Julian Parsley, P.E., LEED AP
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

İklim değişikliğinin negatif etkileri, ekstrem, ölümcül ve maliyetli hava olaylarına sebep olmaya devam ettikçe, bina tasarım profesyonelleri binalarda kullanılan soğutucu akışkanların (özellikle florin bazlı olanların) iklim değişikliğindeki rolünün büyük olduğunun farkındadırlar.

U.S. Environmental Protection Agency (Birleşik Devletler Çevre Koruma Ajansı – EPA) tarafından yakın zamanda sunulan verilere göre, florinli gazlar Birleşik Devletler’deki sera gazı emisyonlarının %3’ünü oluştururken, bu florinli gazların %92’si binalardaki ve taşıtlardaki soğutucu akışkanlardan gelmektedir. Buna ek olarak, iklim değişikliği çözümlerindeki küresel bir kaynak olan Drawdown Projesi, inşaat endüstrisindeki bir numaralı ve en etkili stratejiyi soğutucu akışkan yönetimi olarak tanımlamıştır. 

farkli-gazlarin-ve-sogutucu-akiskanlarin-kuresel-isinma-potansiyeli-gwp-kilogram-co2Farklı gazların ve soğutucu akışkanların Küresel Isınma Potansiyeli (GWP – kilogram CO2)

Montreal Protokolü, EPA’nın Significant New Alternative Policy’si (SNAP) ve California Cooling Act gibi girişimler soğutucu akışkanları adreslerken; mühendislik uzmanları, bina sahipleri ve HVAC endüstrisi soğutucu akışkan alternatifleri ile cevap vermeye başlamıştır. Fakat, soğutucu akışkanların küresel ısınma üzerindeki etkisinin azaltılması için daha agresif önlemler alınması gereklidir. Ayrıca soğutucu akışkanların zehirlilik, parlayıcılık, asfiksasyon gibi farklı zararlı etkileri de sayılabilir.

Günümüzde Durum

1987 Montreal Protokolü; özellikle kloroflorokarbon (CFC) ve hidrokloroflorokarbon (HCFC) yüksek ozon tabakasına zarar verme potansiyeli (ODP) olan soğutucu akışkanların gelişmiş ülkelerde kullanımının aşamalı olarak durdurulması için 2020 yılını hedef koymuştur. Endüstriler, karşılık olarak ozon tabakasına zarar vermeyen fakat florinli gazlar sebebiyle hâlâ yüksek küresel ısınma potansiyeli (GWP) olan hidro-floro-karbonları (HFC) kullanmaya geçmiştir. HFC’ler, karbondioksitten 1000 ile 9000 kat arasnda daha fazla küresel ısınmaya sebebiyet verirler. Sonuç olarak Montreal Protokolü 2016 yılında, HFC kullanımını en erken 2024 yılından başlayan ve artan kısıtlamalar vasıtasıyla 2036 yılına kadar %85 oranında azaltılmasını gerekli kılan Kigali Düzeltmesi’ni eklemiştir.

karbonun-sosyal-maliyeti-degeri-niceleyen-kaynaga-bagli-olarak-degismektedirKarbonun sosyal maliyeti değeri niceleyen kaynağa bağlı olarak değişmektedir.

Kaliforniya, HFC emisyonlarında 2013’ten başlayarak 2030’a kadar %40 azaltmayı hedeflemektedir. Kaliforniya bu hedefe ulaşabilmek amacıyla, yeni ticari chiller’larda yaygın olarak kullanılan farklı soğutucu akışkanların 2024 başından itibaren yasaklanmasını da içeren EPA’nın Significant New Alternatives Policy’sinin (SNAP) iki ana kuralını benimsemiştir. Bu HVAC mühendislerinde ve chiller imalatçılarında büyük bir etki yaratacaktır çünkü birçok ticari chiller günümüzde sadece HFC’ler ile uyumludur ve bu soğutucu akışkanların kullanımın kaldırılması ile piyasadaki geçerliliğini kaybetmeye başlayacaktır. Kaliforniya’nın büyük bir market olduğu unutulmamalıdır. 

tablo-1-yaygin-hfc-ve-hfo-sogutucu-akiskanlarin-kuresel-isinma-potansiyeliTablo 1. Yaygın HFC ve HFO soğutucu akışkanların Küresel Isınma Potansiyeli

Günümüzde chiller’lar genellikle bu iki soğutucu akışkandan biri ile uyumludur. Chiller imalatçılarının büyük bir çoğunluğu orta basınçlı sistemler için R-134a’yı ve yüksek basınçlı sistemler için R-410A’yı kullanmaktadır. Fakat, Kaliforniya’da R-134a ve R-410A 2024 yılında yasaklanacak veya kullanımı sınırlandırılacak. Bu tip soğutucu akışkanlarına gelen yasaklamalar değişken (soğutucu akışkan) akışlı (VRF) gibi diğer ticari uygulamalara eğilimi artıracaktır.

Daha Düşük Etkili Soğutucu Akışkanlar

Bu karşılaştırmaları akılda tutarak, makina mühendisleri ve üreticileri küresel ısınma üzerinde daha az etkisi olan soğutucu akışkanlara (başta hidro-floro-olefinler (HFO) olmak üzere) doğru yönelmektedirler. Bu “yeni jenerasyon” soğutucu akışkanlar HFC’ler ile benzer performans gösterirken sıfır ODP ve oldukça düşük GWP ile çevresel etkileri çok daha azdır. HFO’lar florin içermelerine rağmen GWP değerleri HFC’lere göre dikkate değer miktarda azdır. Örneğin, R-410A’nin GWP’si 2090 iken (yani R-410A’nın iklim değişikliğindeki etkisi, CO2’nin etkisinden 2090 kat daha fazladır) R-454B’nin GWP’si 466’dır ki bu %75 daha az GWP anlamına gelir. Tablo 1, farklı soğutucu akışkanların GWP değerlerini göstermektedir. 

Sonuç olarak daha yeni teknolojiler fonksiyonelliği ve verimliliğini korurken, yeni jenerasyon soğutucu akışkanlar ile uyumluluğu da garanti altına almalıdır. 

Buna ek olarak bazı HFO’ların parlayıcılık ve zehirlilik gibi dezavantajları olduğundan bu yeni jenerasyon soğutucu akışkanların da geliştirilmeye ihtiyacı vardır. Autocase’de kıdemli ekonomist olan ve yakın zamanda Buro Happold ile birlikte sosyal maliyet analizi üzerine makale kaleme alan Erin Bishop’a göre, iklim değişiminin negatif etkilerine ek olarak, sera gazı emisyonlarının gelecekteki iklim değişikliği kaynaklı hasarların parasal değeri olarak tanımlanan bir de sosyal maliyeti vardır. Autocase’in raporuna göre, artan sıcaklıklar sebebiyle iklim değişikliğinin toplum üzerindeki negatif sonuçlarına, kıyı bölgelerde seller, kuraklıklar, ısı dalgaları ve büyük yangınlar gibi sıradışı hava olaylarının dahil edilmesine bilimsel olarak mutabık kalınmıştır. 

karbonun-sosyal-maliyetiKarbonun Sosyal Maliyeti

Karbonun evrensel sosyal maliyeti üzerine yaygın bir mutabakat yok iken (tabiatı gereği nicelemesi zor olması sebebiyle) yeni ortaya çıkan bir konsensus bu sosyal maliyetin her bir ton CO2 eşleniğine karşılık $30 - $100 olarak belirlemiştir ve zaman içerisinde de artmaktadır. 

Makina Mühendisleri Ne Yapabilir?

Drawdown Projesi’nin tavsiyelerine göre, soğutucu akışkanların çevre üzerindeki etkilerini azaltmak konusunda aşağıdaki stratejiler etkin olarak değerlendirilmiştir

1. Cihazlara olan talebi azaltarak soğutucu akışkan üretimini düşürmek
2. Geleneksel soğutucu akışkanların yerini yeni jenerasyon soğutucu akışkanlarla değiştirmek
3. Cihazlardaki soğutma verimliliğini artırarak soğutucu akışkan kullanımını azaltmak
4. Mevcuttaki cihazlardaki soğutucu akışkan kaçaklarını iyileştirilmiş yönetim uygulamaları ile kontrol altına almak
5. Kullanım ömrünün sonuna gelen soğutucu akışkanların geri kazanımı, geri dönüşümü ve imhasının garanti altına almak. 

HVAC mühendisleri, bir sistemin soğutma kapasitesini düşürerek gerekli olan soğutucu akışkan hacmini azaltmak gibi kayda değer bir fırsata sahiptirler. Bunu başarabilmek için en yüksek yükte kullanılması için termal depolama, yüksek verimlilikli merkezi santraller tasarlamak, hava tarafına enerji geri kazanım sistemleri seçmek ve yüksek verimlikli bina zarfı seçimi gibi enerji tüketim azaltma stratejilerini hayata geçirmelidir. Bu stratejiler binanın soğutma talebini azaltıp santral boyutunu ve dolayısıyla kullanılan soğutucu hacmini azaltacaktır. 

santa-monica-city-hall-eastDaha ılıman iklimlerde, tasarım ekipleri doğal havalandırmayı da göz önünde bulundurarak mekanik soğutma gerekliliklerini azaltabilir veya tamamen ortadan kaldırabilir. Stratejik olarak konumlandırılmış açılıp kapanabilen pencereler ile birlikte büyük fanlar veya artırılmış egzoz gibi teknikler bir binadaki soğutma gerekliliğini hatrı sayılır miktarda azaltabilir. Örneğin Santa Barbara Kaliforniya’da yakın zamanda yapılan bir projede, ılıman iklim doğal havalandırmayı desteklemiş ve karma-mod soğutma tasarımının yapılabilmesine imkân vermiştir. Bir HFC soğutucu akışkan ve 2090 GWP’ye sahip olan R-410A’yı karşılaştırma amacıyla referans olarak aldığımızda, Buro Happold ve Autocase 150.000 ft2’lik tesisin ne miktarda bir karbon emisyonunun önüne geçildiğini öngörmüştür. 550 pound’luk soğutucu akışkan kullanımı ve yıllık %2’lik kaçak oranı ve kullanım ömrü sonunda %10’luk kayıp öngörüsü ile, doğal havalandırma stratejisi kullanılarak bina sahibinin 200 ton CO2 eşleniği emisyonun önüne geçileceği öngörülmüştür ki bu da Güney Kaliforniya’da 476 MWh elektriğe eşdeğerdedir. 

Mühendisler uygun olan yerlerde HFO’lar ve doğal soğutucu akışkanlar gibi düşük GWP değerli soğutucu akışkanları seçmelidirler. Doğal soğutucu akışkanlar halihazırda gıda soğutma endüstrisi tarafından kullanılmaya başlamıştır fakat bazı zorluklar HVAC endüstrisindeki kabul sürecini yavaşlatmıştır. Örneğin amonyak, yüksek enerji performansı sağlamakla beraber, koku ile kolaylıkla tespit edilir, oldukça ucuzdur fakat U.S Occupational Safety and Health Administration’a (OHSA) göre daha yüksek konsantrasyonlarda zehirlidir. Karbondioksit de doğal soğutucu akışkan olarak kullanılabilir fakat CO2 ile uyumlu ekipmanlar bazen pahalı olabilir.  

Buro Happold ve Autocase, alternatif soğutucu akışkan seçiminin etkisine vurgu yapmak için, yakın zamanda yapılan bir projeye HFO soğutucu akışkan seçimi yaparak çevresel etkisini sayısallaştırmıştır. GWP değeri 7 olan ve HFO soğutucu akışkan olan R-514A seçilmiştir ve bu soğutucu akışkan sadece bir avuç chiller üreticisinin ürünleri ile uyumludur (bunlardan biri de Trane’dir). 3000 pound soğutucu akışkan kullanımı ile, 20 yıl çalışmadan sonra; referans senaryo (R-134A) 753 metrik-ton CO2 eşleniğinde emisyon yapacağı öngörülürken, Burro Happold tarafından tasarlanan HVAC sistemi sadece 3,7 ton emisyon yaparak 749 ton CO2 salımının önüne geçerek 929 MWh elektrik tasarrufuna da eşdeğerdir. 

Araştırma & Geliştirme

Yeni jenerasyon soğutucu akışkanlar genellikle geleneksel soğutucu akışkanlarla benzer verimlilik değerleri sunarlar ve ekipman tasarımlarında asgari miktarda modifikasyon gerektirirler ki maliyeti ekipmanın işletim ömrü göz önünde bulundurulduğunda ihmal edilebilir seviyededir. Alternatif soğutucu akışkanların verimlilik kaybına neden olduğu veya istenilen ekipmanlarla uyum sağlamadığı örnekler vardır. Mühendisler bu detayları farklı ekipman üreticileri ile tartışarak her bir proje için optimum çözümü bulmalıdır. 

Sonuç olarak, üreticileri ürettikleri ürünlerin çevre üzerine etkisi üzerinde kontrolleri vardır. Regülasyonların zorlamasını beklemektense, mühendisler ekipman üreticilerini proaktif bir şekilde çalışıp daha çok HFO soğutucu akışkanlarına uygun tasarımlar yapmaları konusunda cesaretlendirmelidir. Birkaç HVAC üreticisi (Trane, York ve diğerleri) regülasyonların önüne geçip HFO soğutucu akışkanları ile uyumlu ekipmanlar üretirken, diğer taraftan endüstrideki üreticilerin iyileştirme yapacağı alan da çoktur. Mühendisler, ekipman üreticilerini, ürettikleri ürünler üzerinde iyileştirme yapmaları ve ilgili regülasyonlara uyum süreçlerinde karşılaştıkları problemleri çözmeleri konusunda sorumlu tutmalıdır.
 

Kaynak: www.esmagazine.com