Isıtma Sistemlerinde Besleme Suyu Sıcaklığının Düşürülmesi – Bölüm 1

Yazan: John Siegenthaler

Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Termal güneş kolektörlerinin, hidronik ısı pompalarının ve bio-kütle kazanlarından beslenen ısıl depolama tanklarının ortak karakteristikleri nedir? Cevap: Hepsi düşük besleme suyu sıcaklığında çalışabilen dağıtım sistemlerine bağlandıklarında en yüksek performansı gösterirler. Fakat birçok Kuzey Amerika evinde durum bu şekilde değildir. Kuzey Amerika’daki evlerde, modern düşük sıcaklıklı ısı kaynaklarının orijinalinde 180°F gibi yüksek sıcaklıkta çalışmak için tasarlanmış dağıtım sistemlerine bağlandığı vakalar ile çok yaygın olarak karşılaşılmaktadır. Bunun sebebi, yüklenicilerin evden sadece yüksek sıcaklıklı ısı kaynağını çıkarıp yerine düşük sıcaklıklı yenilenebilir enerji ısı kaynağını kurması ve dağıtım sisteminde hiçbir değişiklik yapmamasıyla meydana gelecek problemlere davetiye çıkarmasıdır.  

Örneğin, yeni jenerasyon sudan-suya ve havadan-suya ısı pompaları sadece 120-130°F aralığında sıcak su sağlayabilirler. Eğer bu ısı pompası, tasarım yükünü karşılamak için ortalama 180°F’lık su sıcaklığı gerektiren bir dağıtım sistemine bağlanırsa, yüksek sıcaklık limitinde sigorta attıracak ve her sigorta attırdığında da manuel olarak yeniden başlatılmaya ihtiyaç duyacaktır. Mevcut dağıtım sistemi, ısı pompasından gelen ısı girdisini, tasarım sıcaklığından 50-60°F daha düşük su sıcaklığı ile dağıtamayacaktır.

Sıcaklığı Düşürmek

Herhangi bir hidronik sistemin besleme su sıcaklığını düşürmek için iki temel yol vardır:

1. Ek yalıtım, daha yüksek ısıl performanslı pencelereler ve hava sızıntısının azaltılması gibi iyileştirmeler ile bina zarfının tasarım yükünün azaltılması
2. Mevcuttaki sisteme ısı yayıcıların eklenmesi

Bu iki yaklaşımın kombinasyonu da mümkündür. Bina zarfı iyileştirmeleri binanın tasarım yükünün azaltılmasını sağlar. Bu iyileştirmelerin yapılmasından sonra mevcut hidronik dağıtım sistemi, azaltılmış bina tasarım yükünü daha düşük besleme suyu sıcaklıkları ile karşılayabilir. Besleme suyu sıcaklığındaki değişim, tasarım yükündeki değişim ile orantılıdır. Yeni besleme suyu sıcaklığı, dış ortam sıcaklığı bazlı ayar kontrolü ile aynı konsept ile belirlenebilir. Yeni su sıcaklığı Formül 1 ile bulunabilir

Formül 1:

Tnew – Tin + (Qnew/Qexisting) X (Tde – Tin)

Burada:

Tnew = Bina zarfı iyileştirmelerinden sonra tasarım yükündeki besleme suyu sıcaklığı (ºF)

Tin = istenilen iç ortam hava sıcaklığı (ºF)

Qnew = Bina zarfı iyileştirmelerinden sonra tssarım ısıtma yükü (Btu/hr)

Qexisting = Bina zarfı iyileştirmelerinden önce tasarım ısıtma yükü (Btu/hr)

Tde = Bina zarfı iyileştirmelerinden önce tasarım ısıtma yükünün karşılanması için gereken besleme suyu sıcaklığı (Btu/hr)

Örneğin, tasarım ısıtma yükü 100.000 Btu/hr olan ve iç ortam hava sıcaklığının 70°F’ta tutulduğu bir ev varsayalım. Mevcutta, süpürgelik tip kanatlı-boru kullanan ve tasarım yükünde 180°F’lık besleme su sıcaklığı gerektiren bir hidronik dağıtım sistemi olsun. Ayrıca, bina zarfında yapılan iyileştirmeler ile tasarım yükünün 100.000 Btu/hr’dan 70.000 Btu/hr’a düşmüş olduğunu da varsayalım. Mevcuttaki hidronik dağıtım sistemi ile tasarım yükü şartlarındaki yeni besleme suyu sıcaklığı Formül 1 ile hesaplanır.

Formül 1

Tnew = 70 + (70,000/100,000) X (180 – 70) = 140°F

Şekil 1 ortam sıcaklığına karşılık besleme suyu sıcaklığının, hem orjinal tasarım yükünde hem de yapılan iyileştirmeler sonrasında azaltılmış tasarım yükünde, değişimini göstermektedir. 

Bu vakada, tasarım yükünün 100.000 Btu/hr’dan 70.000 Btu/hr’a düşürülmesi, besleme suyu sıcaklığını 180°F’tan, 147°F’a düşürmüştür. Her ne kadar bu bir iyileştirme olsa da, bu besleme suyu sıcaklığı seviyesi yenilenebilir enerji kullanan ısı kaynaklarının sürekli olarak karşılayabileceği sıcaklık seviyesinden hatrı sayılır miktarda yüksektir.

Daha Çok Sayıda Isı Yayıcı Kullanılması

Şekil 1.

Binanın tasarım ısıtma yükünün azaltılması gerekli olan besleme suyu sıcaklığını istenilen seviyeye getirmede yetersiz kalıyor ise, sisteme ek ısı yayıcıların eklenmesi gereklidir.

Eğer orijinal sistem süpürgelik tip kanatlı-boru ısı yayıcı kullanıyor ise, aynı ısı yayıcılardan sisteme bir miktar daha eklenmesi mümkün olabilir. Diğer bir opsiyon da bu ısı yayıcıları daha yüksek ısı çıktısı olanları ile değiştirmektir. Ayrıca panel radyatör, fan-coil ve seçilen mahallere radyan paneller gibi farklı ısı yayıcıların da sisteme dahil edilmesi mümkündür.

Sisteme eklenecek ısı yayıcının tipi aşağıdaki faktörlere bağlı olarak belirlenir:

1. Farklı modeldeki ısı yayıcıların ulaşılabilirliği.
2. Yeni ısı yayıcıların maliyeti.
3. Yeni ısı yayıcıların binaya entegrasyonunun zorluk/kolaylık seviyesi.
4. Estetik tercihler.
5. Zemin kaplamaları (radyan zemin panellerinin seçilmesi durumunda).
6. Yüzey sıcaklık sınırlamaları (radyan panellerinin seçilmesi durumunda).
7. Yenilenmiş dağıtım sisteminde tasarım yükünün karşılanması için gerekli olan besleme suyu sıcaklığı.

Daha Çok Sayıda Süpürgelik Tip Isı Yayıcı Eklenmesi

Şekil 2.

Daha çok sayıda süpürgelik tip kanatlı-boru ısı yayıcı eklendiği varsayımı ile ilerleyelim. Aşağıdaki prosedür, tasarım yükündeki besleme suyu sıcaklığının önceden belirlenmiş bir seviyeye indirilmesi için sisteme eklenmesi gereken süpürgelik tipi ısı yayıcı sayısını hesaplamada kullanılabilir. Bu hesaplamada yeni eklenecek süpürgelik tipi ısı yayıcıların, mevcuttakiler ile birebir aynı olduğu varsayımını da kullanır. Ayrıca mevcuttaki süpürgelik tip ısı yayıcıların 2,25 in.² alüminyum kanatlı, I=B=R Kategorisi ve 200°F su sıcaklığında yaklaşık olarak 600 Btu/hr/ft ısı çıktısına sahip olduğu varsayımını da yapmaktadır.

Adım 1: Binanın tasarım ısıtma yükünü “El Kitabı J” veya eşdeğer prosedürleri kullanarak doğru şekilde belirle.

Adım 2: Mevcut dağıtım sistemindeki kanatlı-borunun toplam uzunluğunu belirle. Üzerinde kanat olmayan boru uzunluğunu dahil etme. Mevcuttaki kanatlı-boru uzunluğu Le ile adlandırılacaktır.

Adım 3: Sistemin hem tasarım yükünü karşılayabilen hem de yenilenebilir enerji ısı kaynağının üretebileceği istenen (düşük seviyeli) besleme suyu sıcaklığını belirle. Tavsiye edilen değer 120°F’tır.

Adım 4: Adım 3’te belirlenen besleme suyu sıcaklığından 5-10°F çıkararak ortalama su çevrim sıcaklığı tahmini yap.

Adım 5: Yeni ortalama su çevrim sıcaklığını Şekil 2’de verilen grafiğin yatay ekseninde bul. Bu noktadan kırmızı eğriyi kesene kadar dikey bir doğru çiz. Bu kesişimden grafiğin dikey eksenine kadar yatay bir doğru çizerek düşük ortalama su çevrim sıcaklığındaki kanatlı-boru ısı çıktısını oku. Bu değer qL ile gösterilecektir. Şekil 2’deki yeşil doğrular ve sayılar 115°F sıcaklığındaki ortalama su devresi için qL değerinin nasıl belirlendiğini göstermektedir.

Adım 6: Formül 2’ yi kullanarak eklenmesi gereken süpürgelik tip ısı yayıcı uzunluğunu belirle.

Formül 2:

Ladded = tasarım yükü/qL – Le

Burada:

Ladded = eklenmesi gereken aynı model ve özelliklerdeki kanatlı-boru uzunluğu (feet)

tasarım yükü = binanın tasarım ısıtma yükü (Btu/hr)

qL = düşük ortalama su sıcaklığındaki süpürgelik tipi ısı yayıcı çıktısı (Btu/hr/ft)

Le = Mevcuttaki süpürgelip tipi ısı yayıcı sistemin toplam uzunuğu (feet)

Bu hesabı bir örnek ile pekiştirelim. Tasarım ısıtma yükünün 40.000 Btu/hr olduğu ve ısı dağıtım sisteminin 120 ft uzunluğunda süpürgelik tip kanatlı-boru sistemine sahip olduğu varsayımını yapalım. Isı kaynağı konvansiyonel döküm tip kazan olsun. Hedefimiz daha fazla süpürgelik tip ısı yayıcı kullanarak besleme suyu sıcaklığını tasarım şartlarında 120°F’a düşürmek olsun. Dağıtım sisteminin sıcaklık düşüşünün 10°F olduğunu varsayalım. Eklenmesi gereken süpürgelik tip ısı yayıcı miktarını belirleyin.

Çözüm:

Adım 1: Tasarım yükü 40.000 Btu/hr olarak hesaplanmıştır.

Adım 2: Sistemdeki kanatlı-boru uzunluğu 120 ft’dir.

Adım 3: Tasarım ısıtma yükündeki düşük besleme su sıcaklığı 120°F olacaktır.

Adım 4: Ortalama düşük su çevrim sıcaklığı 120 – (10/2) = 115°F.

Adım 5: 115 °F’lıkortalama su çevrim sıcaklığındaki kanatlı-boru ısı çıktısı 146 Btu/hr/ft.

Adım 6: Eklenmesi gerekli olan kanatlı boru uzunluğu Formül 2 kullanılarak hesaplanır.

Formül 2

Ladded = tasarım yükü/qL – Le = [40,000 Btu/hr/146 Btu/hr∙ft– 120] = 154 ft

154 ft’lik süpürgelik tip ısı yayıcının sisteme eklenmesi mümkün olsa da, bu kadar büyük bir uzunluk oldukça fazla duvarın da evde mevcut olarak bulunmasını gerektirecektir. Birçok binada, bu miktarda süpürgelik tip ısı yayıcı eklemek pratik bir çözüm olmayacaktır. Gerekli olan tasarım ısıtma yükünü karşılamak için yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcılar veya diğer tip ısı yayıcılar gibi alternatifler tercih edilmelidir.

Şekil 3.

Diğer bir seçenek de, standart yerine yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcının sisteme eklenmesinin değerlendirilmesidir. Şekil 3 yüksek ısı çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcıdan elde edilen ısı çıktısı (mavi eğri) ile stadart süpürgelik tip ısı yayıcının (kırmızı eğri) ısı çıktılarını karşılaştırmaktadır.

Tasarım ısıtma yükünde besleme suyu sıcaklığının düşürülmesi için sisteme eklenmesi gereken yüksek ısı çıktılı süpürgelik tip kanatlı-boru miktarının belirlenmesi için bir önceki prosedürün adımları değiştirilir.

Adım 1-4: Aynı kalır.

Adım 5: Şekil 3’ ü kullanarak ortlama su çevrim sıcaklığındaki yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcının ısı çıktısını belirle (veya bu değeri üretici kataloğundan bul).

Adım 6: Sisteme eklenmesi gereken yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcı uzunluğunu Formül 3 ile hesapla.

Formül 3

Lho = tasarım yükü – (qL)(Le)/qho

Burada:

Lho = eklenmesi gereken yüksek çıktılı süpürgelik tip kanatlı-boru uzunluğu (feet)

tasarım yükü = binanın tasarım ısıtma yükü (Btu/hr)

qL = mevcuttaki süpürgelik tip ısı yayıcıların düşük ortalama su devresi sıcaklığındaki ısı çıktısı (Btu/hr/ft)

Le = Mevcuttaki süpürgelip tipi ısı yayıcı sistemin toplam uzunuğu (feet)

qho = Yüksek çıktılı ısı yayıcıların düşük ortalama su devresi sıcaklığındaki ısı çıktısı (Btu/hr/ft)

Şimdi de bunun bir örneğini verelim: Tasarım ısıtma yükünün 40.000 Btu/hr olduğu ve ısı dağıtım sisteminin 120 ft uzunluğunda standart süpürgelik tip kanatlı-boru sistemine sahip olduğu varsayımını yapalım. Hedefimiz besleme suyu sıcaklığını tasarım şartlarında 120°F’a düşürmek olsun. Bu hedefe ulaşabilmek için daha yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcıları sisteme ekleyeceğimizi varsayalım.

Diğer örnekteki gibi dağıtım sisteminin tasarım yükündeki sıcaklık düşüşünün 10°F olduğunu varsayalım (115°F’lık ortalama su devresi sıcaklığında 146 Btu/hr/ft). Şekil 3’ te gösterilen performans eğrileri baz alınarak sisteme eklenmesi gereken yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcı uzunluğunu bulunuz.

Çözüm:

Adım 1: Tasarım yükü 40.000 Btu/hr olarak hesaplanmıştır.

Adım 2: Sistemdeki kanatlı-boru uzunluğu 120ft’dir.

Adım 3: Tasarım ısıtma yükündeki düşük besleme su sıcaklığı 120°F olacaktır.

Adım 4: Ortalama düşük su çevrim sıcaklığı 120 – (10/2) = 115°F.

Adım 5: Yüksek ısı çıktılı süpürgelik tip kanatlı-borunun 115 °F’lık ortalama sıcaklıktaki ısı çıktısı 335 Btu/hr/ft olarak bulunur.

Adım 6: Sisteme eklenmesi gereken yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcı uzunluğunu Formül 3 ile hesaplanır.

Formül 3

Lho = tasarım yükü – (qL)(Le)/qho = 40,000-(146)(120)/335 = 67 ft

Bir önceki örnekteki 154 ft ile karşılaştırıldığında kayda değer bir kıslatma olsa da, yine de 67 ft yüksek bir uzunluk miktarıdır. Bu eklemenin uygulamaya geçilmesinden önce bina uygulanabilirlik açısından dikkatlice değerlendirilmelidir.

Eğer yüksek çıktılı süpürgelik tip kanatlı-boru ek uzunluğu için binada yeterince yer yok ise, tasarım yükü şartlarında besleme suyu sıcaklık kısıtlaması 120°F’tan 130°F’a çekilmesi de bir seçenek olarak değerlendirilebilir. Bu şekilde eklenmesi gereken yüksek çıktılı süpürgelik tip ısı yayıcı uzunluğu 40ft’e kadar düşürülebilir.

Diğer Isı Yayıcıların Eklenmesi

Eklenmesi gereken süpürgelik tip kanatlı-boru miktarı binanın boyutlarının izin verdiği sınırlardan çok daha büyük ise, birçok farklı ısı yayıcı tipi eklenebilir. Bunlar panel radyatörler, fan-coil’ler, radyan zemin, duvar ve tavan ısıtıcıları olarak sıralanabilir. Her bir durumda, bu yeni ısı yayıcıların seçimi tasarım yükü şartlarında seçilen bir besleme suyu sıcaklığı (sistemde mevcutta bulunan ısı yayıcılar ile beraber) baz alınarak yapılır. Temel konsept Formül 4 ile gösterilmiştir.

Formül 4

Qn = tasarım yükü – Qe

Burada:

Qn = sisteme eklenecek yeni ısı yayıcılarının düşük besleme suyu sıcaklığındaki gerekli olan ısı çıktısı (Btu/hr)

tasarım yükü = binanın tasarım ısıtma yükü (Btu/hr)

Qe = mevcuttaki ısı yayıcıların düşük besleme sıcaklığındaki ısı çıktısı (Btu/hr)

Qn’in değeri belirlendiğinde, tasarımcı sisteme ekleyeceği spesifik ısı yayıcıların ısı çıktısını belirlemek için içlerindeki suyun ortalama sıcaklığını baz alıp üretici kataloglarındaki tablo ve grafikleri kullanabilir.Ortalama su devresi sıcaklığının besleme suyu sıcaklığından 5-10°F daha düşük olduğu unutulmamalıdır.    

Hedef, belli bir sayıdaki ısı yayıcının toplam ısı çıktısının Formül 4’teki Qn değerine yaklaşık olarak eşit olacak şekilde seçilmesidir.   

Daha fazla anlaşılır olması adına yine bir örnek üzerinde çalışalım. Tasarım ısıtma yükünün 40.000 Btu/hr olduğu ve ısı dağıtım sisteminin 120 ft uzunluğunda standart süpürgelik tip kanatlı-boru sistemine sahip olduğu varsayımını yapalım. Hedef besleme suyu sıcaklığını tasarım yükü şartları altında 120°F’a düşürmek olsun. 70°F’lık iç ortam sıcaklığında ve 115°F’lık ortalama su sıcaklığında çalışan 24 in. x 72 in.’lik bir radyatör 4.233 Btu/hr’lik bir ısı çıktısı verebilmektedir. Bu tasarım yükünün karşılanması için bu radyatörlerden kaç adet gereklidir?

Çözüm: Öncelikle yeni radyatörlerden beklenen ısı çıktısını Formül 4’ü kullanarak bulalım.

Qn = tasarım yükü – Qe = tasarım yükü – (qL)(Le) = 40,000 – (146)(120) = 22,480 Btu/hr

Daha sonra gerekli olan radyatör sayısı aşağıdaki yöntem ile bulunur:

22,480 Btu/hr/4233 Btu/hr/radiator = 5.3 radyatör

Tasarımcı ya bu panel radyatörlerden 6 adet ekleyebilir ya da biraz daha yüksek besleme suyu sıcaklığı ile bu radyatörlerden 5 adet kullanabilir.

Diğer bir seçenek ise, düşük besleme suyu sıcaklığında toplam ısı çıktısının Qn değerini karşılaması şartıyla farklı boyutlarda panel radyatörlerin kullanılmasıdır. Bu örnekte altı yeni radyatör 120 ft’lik mevcuttaki süpürgelik tip ısı yayıcı ile birleştirilerek 40.000 Btu/hr’lik tasarım yükü karşılanmıştır.

Benzer bir hesaplama, fan-coil’ler, klima santralleri veya ısı yayıcılar için de yapılabilir.

Radyan panellerde, tasarımcı panellerin düşük ortalama çevrim sıcaklığında her bir ft²’sinin ısı çıktısını ve spesifik konstrüksyonunu belirlemelidir. Gerekli olan toplam panel alanı bu sayının Qn değerine bölünmesi ile bulunur.

Borulama Seçenekleri

Eklenmesi gereken süpürgelik tip ısı yayıcı miktarı belirlendiğinde, tasarımcılar dikkatini dağıtım sistemine ne çeşit bir borulama sistemi ile bağlayacaklarına çevirmelidir. Bu konu ikinci bölümde tartışılacaktır.