İyileştirilmiş Konfor, Enerji Verimliliği ve İç Ortam Hava Kalitesi için Yüksek Performanslı Havalandırma Sistemleri

Hazırlayanlar: John E. Bade/Johnson Controls, Gus Faris/Nailor Industries Inc., Dan Int-Hout/Krueger, Mark Terzigni/Sheet Metal and Air Conditioning                             Constractors’National Association
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Deneyimli tasarımcılar güzel tasarlanmış bir yüksek performanslı iklimlendirme sisteminin birçok bina için en maliyet etkin ve verimli sistem olduğunu bilirler. ASHRAE yenilikleri ve endüstri sayesinde hiçbir iklimlendirme teknolojisi geçtiğimiz on yılda bu kadar hızlı gelişmemiştir. 

Son on yıl içerisinde, hiçbir havalandırma sisitemi tipi değişken hava debili (VAV) sistemleri kadar yenilik ve ilerleme görmemiştir. En iyi uygulamaların adapte edilmesi ve modern bileşenlerin kullanılması ile yeni jenerasyon bir VAV sistemi ortaya çıkmıştır : Yüksek Performanslı Havalandırma Sistemleri (HPAS). Bu şekilde isimlendirilmelerinin sebebi teknolojik atalarının zaten yüksek seviyede olan performanslarını daha da yüksek seviyelere çıkarmalarıdır. Statik basınca veya besleme havası sıcaklığına göre ayar gibi teknikler ile beraber ekonomizer kontrol ve güvenilirliğindeki dikkate değer iyileştirmeler, enerji tüketimine darbe vurmuştur. Chiller ve çatı üstü ünitelerin kısmi yük verimlilikleri, fanlar ve kompresörler için geliştirilen değişken hız teknolojisinin eklenmesi ile 50% oranında artmış ve günümüzde jeotermal alanlarda da kullanımı ile verimlilikleri daha da yüksek seviyelere gelmiştir. Fan dizileri, direkt sürücülü fanlar ve ileri düzeyde motorlar klima santrali bakım gereksinimlerini ve boyutlarını azaltıp verimliliğini arttırırken; ön işlem, seri enerji geri kazanımı, by-pass ve ısıl geri kazanım prosesleri reheat için gerekli olan birincil enerji miktarını neredeyse sıfıra kadar düşürmüştür.

ASHRAE’nin yaptığı araştırma ANSI/ASHRAE Standart 62.1 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality (Kabul Edilebilir İç-Ortam Hava Kalitesi için Havalandırma)’deki HPAS’nin tipik bir  Dış Havaya Tahsisli Havalandırma Sisteminden (DOAS) daha az miktarda dış ortam havasını iç ortama almasına izin veren ve operasyon sıralamasını standartlaştırarak HPAS’ni kontrol elemanlarının belirlenmesi açısından en kolay sistem yapan  değişimlerin öncüsü olmuştur. Daha çok kanıt için, son 5 yıldaki bina tasarım ödül programlarının kazanan projelerine bakıldığında HPAS’lerinin çok iyi şekilde temsil edildiğini görebilirsiniz. Aslında 2016’dan 2018’e kadar ASHRAE Teknoloji Ödülleri Programı tarafından fark edilen her bir hastane veya büyük ofis binası projesi bir HPAS kullanmıştır. 

KONFOR VE İÇ ORTAM HAVA KALİTESİ

Ticari bir binanın tasarımında, bina içinde yaşayanların konforundan daha önemli bir konu yoktur. Bir işverenin HVAC maliyetleri; çalışanlarına yaptığı toplam ödemelerin 130 katıdır ⁽¹⁾. Bu yüzden bina sahiplerinin kira kontratlarının neden yenilenmediği sorusuna verdiği cevap kiracıların genellikle iç ortam hava kalitesinden (IEQ) memnun kalmamasıdır ⁽¹⁾. 

HPAS’nin bölgelendirme (tüm binayı belli kısımlara ayırma) kabiliyeti konfor seviyesini yukarı çeker. Bölgesel soğutma sistemlerinde, bina içi ekipmanlar her bir bölge için ayrı ayrı boyutlandırılabilirler. Bölgelerin çoğu için bir VAV terminali yeterlidir. Oldukça büyük açık alan ihtiva eden bölgeler bile nadiren ikiden fazla VAV terminaline ihtiyaç duyar. 
HPAS’leri, bölge kontrolünü, bölgesel soğutma sistemlerine göre çok daha maliyet-etkin şekilde yapabilir çünkü, merkezi bir sistem sadece bir VAV terminali gerektirirken bölgesel sistemler ek fan coil’ler, taze hava dağıtımı, su tesisatı kontrolleri ve genellikle her yeni bölge için yoğuşma suyu toplaması gibi ekipmanları da gerektirir. Ayrıca, binanın herhangi bir bölgenin set değerlerinin değiştirilmesi gerekirse, bir VAV terminalinin kapasitesini değiştirmek bina otomasyon sisteminde birkaç parametreyi değiştirmek kadar kolaydır. Konfor sadece hava sıcaklığı değildir, cereyan, gürültü ve nemi de kapsar.

Mahal içerisinde yaşayanlardan uzağa konumlandırılmış yüksek verimlilikli fanlar ve kompresörler ile HPAS’leri Gürültü Kriteri (NC) seviyelerinde çalışır ve bu seviye rakibi olan birçok sistemden çok daha aşağıdadır. Modern HPAS nem kontrolü çoğunlukla klima santralinde ya da çatı tipi ünitede yapılır. Tasarımcılar soğuk ve kuru havayı tüm bina içinde sirküle ettirmek ve re-heat işlemini minimize ederek ANSI/ASHRAE/IES 90.1, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings’de (Düşük Katlı İskan Binaları Haricindeki Binaların Enerji Standardı) belirtilen maksimum değerin altında tutabilmek için, eşanjör by-pass; dış havayı ön işleme tabi tutma ve seri enerji geri kazanımı gibi yöntemler kullanmaktadırlar. Isı geri kazanımlı chiller’lerin yaygın kullanımı ile, birçok bina re-heat işlemi için neredeyse hiç birincil enerji kullanmamaktadırlar. ANSI/ASHRAE 55, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, (İnsan İskanı için Termal Çevresel Şartlar) standardını kullanan tasarımcılar için HPAS’leri birçok problemin çözümü olmuştur. 

Konfor seviyesinin sağlanması ve korunması sadece hava sıcaklığının kontrolü değildir. Havanın ne şekilde dağıtıldığı da kritiktir. Bir termostatın ayar değeri, hava akımı (cereyan) üzerinde kalan mahal sakinleri olduğu sürece önemsizdir. HPAS ve tedarikçiden sağlanan veriler ile tasarımcılar menfezlerin, dönüşlerin ve difüzörlerin lokasyonlarını belirleyerek mahal içi cereyanları engelleyebilir. Özellikle iskan halindeki mahallerde bulunan ve uygun hava atış hızlarını sağlayamayan bölgesel havalandırma cihazlarının çoğunun üreticisi ANSI/ASHRAE 55 tarafından istenilen veriyi müşterilerine verememektedir ve tasarımcı da bu yüzden standarda uygunluk sağlama konusunda zorlanmaktadır. Bina sahipleri için konforun hemen ardından, İç Hava Kalitesi (IAQ) ana endişe olarak gelmektedir. HPAS’leri binanın her yanına temiz hava dağıtımını garanti ederler. Diğer yandan bölgesel havalandırma sistemleri yüksek verimlilikli filtreleme yapmaya çalışırlar fakat genellikle MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) 13 performansını sağlamaya çalıştıklarında hiç filtreleme yapamazlar. Örneğin 1 ve 2 inç’lik filtreleri çok hızlı bir şekilde tıkanıp daha fazla enerji harcar ve daha sık bakım gereksinimine sebep olurlar. U.S. General Services Administration’a göre yüksek verimlikli filtrelerin bir çatı tipi ünitede veya klima santralinde kullanımı performansa çok düşük seviyede etki ederken bakım gereksinimini de azaltır. ⁽²⁾
Bu sebepten U.S. Environmental Protection Agency, HPAS’lerin okullarda kullanımını tavsiye etmektedir ⁽³⁾.

Temiz hava sağlayabilmelerine ek olarak klima santrallerinin temiz tutulması kolaydır ve ANSI/ASHRAE Standard 62.1’in erişilebilirlik gerekliliklerini karşılarlar. Diğer taraftan birçok direkt genleşmeli (DX) fan-coil, temizlenmesi için tamamen bileşenlerine ayrılması gerekmektedir. Tüm havalandırma komponentlerini UV ışığı ile donatmank isteyen bir bina sahibini göz önünde bulundurursak; bu istek küçük DX fan-coil’ler için zor ve genellikle güvenli değilken; HPAS’lerde standart bir seçenektir. Bu sayede HPAS’ler biyolojik kirlilik riskini neredeyse elimine ederler. 

EKONOMİZER UYGULAMASI

Enerji tasarrufu elbette bina sahibinin de devamlı aklında olan endişelerden biridir. Meslekten olmayan birini bölgesel sistemlerin daha az fan enerjisi tüketeceğine ikna etmek kolaydır, ama yakından incelediğinizde merkezi bir sistemin avantajları hızlıca kendini gösterecektir. Deneyimli tasarımcılar herhangi bir sistemde, kompresörlerin enerji tüketiminin fanların enerji tüketimlerini 5’e katladığını bilirler. Bu sebepten HVAC enerji tüketimini azaltmanın en kesin yollarından biri kompresörleri kapatmak veya üzerlerindeki yükü azaltmaktır. Dış ortam havasının enerjisinin iç ortam havasının enerjisinden daha az olduğu saatlerde iç ortama %100 dış ortam havası alınmasına (bu zamanlarda pencerelerin açılması gibi) ekonomizer yoluyla tasarruf etme denir. Tabi ki bu uygulama IAQ savunucularını mutlu etmektedir çünkü binalar belli iklim koşullarında zamanın büyük bir kısmında %100 dış ortam havası ile çalışabilmektedir. 

ANSI/ASHRAE/IES 90.1 and the International Energy Conservation Code (IECC – Uluslararası Enerji Koruma Yönetmeliği) ekonomizer uygulaması ile enerji tasarrufunun faydalarının farkındadır ve ılık iklime sahip bölgelerde zorunlu kılmıştır. Bölgesel sistemler bu gereklilikten muaftırlar çünkü bu sistemlerde ekonomizer uygulaması ekonomik açıdan fizibil olmamaktadır. HPAS ile ekonomizer uygulaması pratikte bedavadır. Kanal sistemi ve VAV kutuları zaten hava akışı için tasarlandığından sistemin ana unsurlarıdır. Bu ana unsurlara ek olarak gerekli olanlar; bir fan, bir damper ve kontrol elemanlarıdır. Kaliforniya eyaleti ekonomizer kontrol operasyonu ve kalitesi ile ilgili gereklilikleri Code of Regulations Konu 24 ile standart hale getirmiştir. ANSI/ASHRAE/IES 90.1 and the IECC’de aynı şekilde tedarikçileri; dayanıklı ve bina yöneticilerini ekonomizer sistemi doğru çalışmadığında anında uyaran sistemler sağlamaları konusunda kontrole başlamıştır. 

Kanallı Yüksek Performans Havalandırma Sistemi

Outside air: Dış hava, Exhaust Air: Egzoz Havası, Return Air: Dönüş havası, Supply Air: Besleme Havası, 
Low pressure ducting employing static regain: Statik basınç geri kazanımını kullanan düşük basınçlı kanal
Small zones of temperature control: Sıcaklık kontrolü yapılan küçük kısımlar
VAV diffuser or low pressure drop VAV box and high induction diffuser : VAV difüzörü veya düşük basınç düşülü VAV kutusu ve yüksek indüksyonlu difüzör

To other floors: Diğer katlara
A:Düşük sızıntılı/düşük basınçlı ekonomizer/dış hava damperi
B:MERV 13 veya daha yüksek sınıf filtreler
C:Enerji gerikazanım by-pass damperi
D:Toplam ısıl enerji geri kazanım çarkı
E:İdeal olarak boyutlandırılmış eşanjörler
F: Değişken hızlı sürücüleriyle beraber yüksek verimlilikli fan veya fan dizisi 
G: Düşük sızıntılı/Düşük basınçlı sirkülasyon damper
H: Değişken hızlı sürücüleriyle beraber yüksek verimlilikli fan veya fan dizisi/düşük basınçlı geri tepme damperi

FAN GÜCÜ

HPAS’lerine statik basınç ayar prensibi uygulandığında, eskiden olduğundan çok daha az fan enerjisi tüketirler. Bir binanın tasarım değerinde, bölgesel sistemlere göre daha fazla fan enerjisi tüketseler de, geri kalan %99’luk sürede fanlar çok daha düşük yüklerde çalışırlar. Aslında, bir yıl boyuncaki çalışma süresinin büyük bir kısmında HPAS fan motorları, tam hızda çalıştıkları durumdan %30 veya daha az güç tüketirler.

Ağırlıkla minimum hava debisinde çalıştırılan sistemlerde; HPAS’leri DOAS’lerine göre çok daha az fan gücü tüketirler. İki sistemin de aynı hava miktarını sirküle ettiği durumda; HPAS’leri bu görevi daha verimli fanlar ve daha düşük basınç düşümü ile başarırlar. HPAS’lerinin DOAS’lerine göre çevrimde daha az miktarda hava sirküle etmesinin iki sebebi vardır:

• Talep bazlı kontrol edilen havalandırma HPAS ile kolaydır ve neredeyse maliyetsizdir. Bunu DOAS ile yaptığımızda ekipman ve kontrol maliyetleri belirgin şekilde artar.
• ANSI/ASHRAE Standard 62.1’in yayınlandığı 2016 yılından beri; içerisinde iskan olmayan mahallere dış hava beslemesi kapatılabilir ki bu dış hava gereksinimini %15 oranında düşürebilir.

YATIRIM VE İŞLETİM MALİYETLERİ 

Hemen hemen tüm vakalarda HPAS’ler; eşdeğer kabul edilebilecek diğer sistemler ile karşılaştırıldığında; en düşük kurulum maliyetine sahip sistemlerdir. Aşağıda çeşitli sistemlerin beklenen yatırım maliyetleri sıralanmıştır:

•    Değişken Soğutucu Akışkan Debili (VRF): 20 – 27 $/ft2
•    Soğuk Tavan: 30 – 45 $/ft2
•    VAV Çatı Tipi Klima Santralli HPAS: 15 – 20 $/ft2
•    Chiller’lı HPAS: 17 – 24 $/ft2

Bir bina sahibi için daha önemli olacak bir diğer konu da bakım maliyetleridir. Merkezi bir klima santralinin ya da çatı tipi ünitenin periyodik bakımı sadece bir lokasyonda yapılır. Bunu, bünyesinde her biri hizmet ettiği mahalin içerisinde olan ve erişim için merdiven ve en az iki kişi gerektiren, 30 veya daha fazla fan coil’i veya ısı pompasını barındıran bir sistem ile karşılaştırın. 

Onarım gereksinimi olduğunda, fan-coil veya VRF’li sistem özel ise; parçaların değiştirilmesi ve problemlerin tehşisinin konulması için gerekli ekipman veya uzman personel sadece bir kaynaktan sağlanabilir. Diğer taraftan, klima santrali veya çatı tipi üniteler için gerekli olan uzman personel ve yedek parça tüm marketlerde yaygın bir şekilde kolaylıkla bulunabilir. 

YAKIN ZAMANDAKİ GELİŞMELER

Yıllar boyunca HPAS’lerin tasarımı iki nedenden çok karmaşıktı:

•    Merkezi sistemlerin kontrol sistemlerinin tasarımının zorluğu.
•    ANSI/ASHRAE Standard 62.1’deki “çoklu-mahal denklemi”nin DOAS için gerektirdiğinden çok daha fazla dış ortam hava girdisi gerektirmesi

2018 yılında ASHRAE bu bariyerlerin ikisini de yıkmıştır. Kontrol sistemi problemi; ANSI/ASHRAE/IES 90.1, ANSI/ASHRAE Standard 62.1, ve Konu 24’te belirtilen gereklilikleri karşılayan, verimli ve dayanıklı bir VAV sistemi için gerekli olan kontrol sistemlerini belirleme konusunda kolay yollar sunan Guideline 36, High Performance Sequences of Operation for HVAC Systems’ın (HVAC Sistemlerinin Operasyonunda Yüksek Performans Sekansları) yayınlanması ile çözülmüştür.

Bu kılavuz, tek kanallı ve fan tahrikli VAV sistemlerinin; statik basınç ayarlı ve sıcaklık ayarlı, ekonomizer işletimi ve güvenilir uyarı sistemi gerekliliklerinin sekanslarını içermektedir. ANSI/ASHRAE Standard 62.1’e EK F’nin eklenmesi ile “çoklu mahaller denklemi” elimine edilmiştir ve bu standardın 2019 versiyonunda yayınlanacaktır. Daha detaylı açıklamak gerekirse; HPAS’lerinin dış ortamdan alması gereken hava miktarı hesaplaması DOAS’lerindeki gibi olacaktır: bölge gerekliliklerinin toplamı. Artık tasarımcılar bu denklemi nasıl kullanacaklarını öğrenmek için uzun süreli dersler almak zorunda kalmayacaklar ve hesap tablolarıyla saatler harcamayacaklar. Bu gelişmeler hakkında daha fazla bilgi almak için ASHRAE Journal’ın Ağustos 2018 sayısında bulunan ve Steven T. Taylor tarafından kaleme alınan “Making VAV Great Again” isimli makaleyi okuyabilirsiniz. 

ŞEFFAF VE SERTİFİKALI PERFORMANS

HPAS’lerinin güzelliklerinden bir diğeri de hiçbir bilinmeyeni olmamasıdır. Her bir önemli bileşeninin yaygın şekilde kabul edilmiş performans sertifikasyon programı bulunmaktadır. Fan, damper ve menfez performansı için Air Movement and Control Association International programları; eşanjör, klima santrali, chiller ve VAV terminal performansı için Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute programları üreticilerin söz verdikleri hizmeti sunup sunmadığını garanti altına almaktadır. Diğer taraftan DOAS sistemleri için herhangi bir sertifikasyon programı bulunmamaktadır. 
 
Tasarlandığı binaya özgü control sistemleri dikkatlice gizlenmiş bölgesel sistemlerden farklı olarak, HPAS control sistemleri tamamen açıkta ve ulaşılabilirdir. Tasarımcılar bu sayede kritik komponentleri kolaylıkla anlayabilirler ve sistemin çalışma şekli üzerinde tam bir kontrol sahibi olabilirler. HPAS’lerinin çalışması için minimum gerekliliklere ANSI/ASHRAE/IES 90.1’den ulaşılabilirken; tasarımcıların en yüksek performansa ulaşabilmesi için Guideline 36 gibi bir çok araç da bulunmaktadır. 

SONUÇ

Sistemlerin kısmi yükteki çalışma şekli üzerindeki yeni yaklaşım, merkezi klima santralli ve çatı tipi klima santralli VAV sistemleri için büyük şans olmuştur. Mühendisler anlamlı seviyede enerji tasarrufu elde edebilmeleri için gerçek kısmi yük performansının doğru şekilde modellemesinin öneminin farkına varmıştır. Bunu başarmalarının yolu en iyi uygulamaları tasarımlarında kullanmalarından ve bu makalede tartışılan konulara dikkat etmelerinden geçmektedir. Sakın ANSI/ASHRAE/IES 90.1 Appendix G’yi kullanma hatasına düşmeyin çünkü bu bölüm sadece standardın çizdiği sınırların mümkün olan minimumunu içermektedir. HPAS’leri, temelinde küçük binalar için tasarlanan sistemler ile karşılaştırıldığında her zaman daha fazla enerji tasarrufu sağlamaktadır. İlk yatırım maliyetleri, IEQ seviyeleri ve bakım konusundaki faydaları dikkate alındığında yapılacak olan seçim daha da netleşir. Daha fazla bilgi için, ASHRAE tarafından 2017 yılında yayınlanan “ASHRAE Design Guide for Air Terminal Units: Selection, Application, Control, and Commissioning,” isimli makaleyi okuyabilirsiniz. 

REFERANSLAR
1) Int-Hout, D. (2013, July). Engineer’s notebook: Comfort vs. energy use. ASHRAE Journal. Retrieved from http://bit.ly/Comfort_vs_Energy
2) GSA Public Buildings Service. (2009). Energy savings and performance gains in GSA buildings: Seven cost-effective strategies. Retrieved from http://bit.ly/GSA_Energy_Strategies
3) EPA. (n.d.). Heating, ventilation and air-conditioning systems, part of indoor air quality design tools for schools. Retrieved from http://bit.ly/EPA_School_IAQ