Havadan Havaya Isı Geri Kazanım - FFT | Endüstriyel Fanlar ve

Havalandırma Sistemlerinde Enerji Verimliliği
Kısım 3: Havadan Havaya Isı Geri Kazanım Sistemleri
Dr. İbrahim ÇAKMANUS
Özet
Yeşil veya sürdürülebilir binalarda LEED ve BREEAM sürecinde ön şartlardan birisi havalandırma yapılmasıdır.
Bunun nedeni iyi havalandırılan ve temiz ortamlarda insanların daha huzurlu, konforlu ve üretken olduklarının
kanıtlanmış olmasıdır. Bu nedenle LEED, ASHRAE 61.1 Standardındaki minimum hava debilerinin en az %30
artırılması şartını koşmaktadır. Havalandırma mekanik veya doğal olarak iki şekilde yapılabilir. Isıl ve konfor
şartlarının korunması bağlamında Ülkemizin bir çok yerinde doğal havalandırma kesin çözüm değildir, ancak
mekanik havalandırmada enerji tasarrufuna destek sağlayabilir. Bu nedenle konfor ve miktar olarak
gereksinimleri tam olarak yerine getirebilen sistemler mekanik havalandırmadır. Isıtma ve soğutma mevsimsel
olarak yapıldığı halde havalandırma tüm yıl boyunca yapılmak durumundadır. Hem hava debilerinin artırılması
hem de tüm yıl boyunca çalışma zorunluluğu, havalandırma sistemlerinde enerji tasarrufuna azami dikkat etmek
gerektiği anlamına gelmektedir. Bu yazı ve bunu takip edecek bazı yazılarda bu konudaki enerji verimliliği
incelenecektir.
Yukarıdaki açıklama Haziran 2013 sayısının özeti idi. Bundan önceki sayılarda klima santrallarında enerji
verimliliği ve fanlarda enerji verimiliği paylaşılmıştı. Bu sayıda ise havalandırmada enerji tasarrufu için önemli yer
tutan ısı geri kazanım sistemleri hakkında bilgi verilmiştir.
1. Giriş
Bir klima santrali için, havadan havaya ısı geri kazanımı, enerji tasarrufu bakımından en önemli
konudur. Bu proses, yüksek sıcaklık ve/veya nem oranına sahip bir hava akımından, daha düşük
sıcaklık ve/veya nem oranına sahip olan hava akımına enerjinin geri kazandırılması anlamına gelir.
Havalandırma sistemlerinde, egzoz havasından %90 lara ulaşan muazzam bir enerji geri kazanım
potansiyeline sahip olmasına rağmen, ısı geri kazanım sistemleri henüz pratikte pek kullanım alanı
bulamamış durumdadır (Riviere, 2011). Bu makale, ısı geri kazanım sistemlerini, enerji verimliliği
açısından incelemektedir. Henüz yaygın olarak kullanılmayan veya pratikte pek bilinmeyen diğer ısı
geri kazanım sistemleri de, tasarımcıların pratikte kullanabilecekleri sistemleri tamamlamaları
açısından tanıtılmışlardır.
2. Etkinlik
Isı geri kazanım sistemleri, ısı ve nemi transfer etmek için ısı değiştiricileri kullanırlar. Isı
değiştiricilerinin performansını değerlendirmek için “verimlilik1” terimi yerine “etkinlik” terimi
kullanılmıştır. Pratikte bu terimlerin tanımlarının farklı olması sebebiyle teknik olarak doğru
olmamasına rağmen, verimlilik terimi genellikle etkinlik terimi yerine kullanılmaktadır.
Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman sıcaklığın yüksek olduğu bölgeden düşük olan
bölgeye doğru akar. Nem de aynı şekilde yoğunluğunun yüksek olduğu bölgelerden düşük olan
bölgelere aktığı için, bu yasa neme de uygulanabilir. Bir ısı değiştiricisinin etkinlik ve buna mukabil
olarak ısı geri kazanım ünitesinin etkinlik, ısı değiştirme yüzeyinin sınırsız olduğu kabul edildiğinde, ısı
değiştiricisinde bir sıvıdan diğer sıvıya geçen ısı miktarının, bu iki sıvı arasında transfer edilebilecek
maksimum ısı miktarına olan oranıdır. Bu denklem aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
Burada ılık hava akışı w, soğuk hava akışı c, hava sıcaklığı T, hava akışı kütlesi m ve sabit basınçtaki ısı
cp ile gösterilmiştir.
Havadan havaya ısı geri kazanım ünitelerinin etkinlik genellikle tek bir sayı olarak veya (1) ısı etkinliği,
(2) nem etkinliği ve (3) entalpi etkinliği kombinasyonu olarak verilir.
Sıcaklık etkinliği, sıcak egzoz havasından geri kazanılan hissedilebilir ısının, geri kazanılabilecek
maksimum hissedilebilir ısıya oranıdır. Örnek olarak, egzoz hava akışının, dışarıdaki soğuk hava
derecesine getirilmesi gibi. Hava kütle akışı ve cp değerlerinin sabit olduğu, her iki hava akışı için de
düşünülürse, bu durum aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
Burada, hissedilir ısı transfer etkinliği , dış hava sıcaklığı T1, egzoz hava sıcaklığı T2, hava çıkış
sıcaklığı ise T3 ile ifade edilmiştir.
Nem etkinliği, nemli çıkış havasından geri kazanılan nemin, havadaki nemin dış havadaki nem
miktarına eşit olduğu takdirde geri kazanılabilecek maksimum neme olan oranıdır. Hava kütle
akışının sabit olduğu her iki hava akışı için de düşünülürse, bu durum aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
Burada, nem transfer etkinliği , dış havadaki mutlak nem x1, egzoz havasındaki mutlak nem x2, çıkış
havasındaki mutlak nem ise x3 ile ifade edilmiştir. Isı değiştiricilerinin nem etkinliği, her iki hava
akışındaki nem miktarının farkı ile güçlü bir şekilde ilişkilidir. Soğurmalı ısı değiştiricilerinde ise, nem
etkinliği aynı zamanda iki hava akışı arasındaki sıcaklık farkına da bağlıdır.
Entalpi etkinliği, çıkış havasından geri kazanılan entalpinin, havadaki entalpinin dış havadaki entalpi
miktarına eşit olduğu takdirde geri kazanıla1bilecek maksimum entalpi miktarına olan oranıdır. Hava
kütle akışının sabit olduğu her iki hava akışı için de düşünülürse, bu durum aşağıdaki gibi ifade
edilebilir:
Burada, entalpi transfer etkinliği , dış hava entalpisi x1, egzoz hava entalpisi x2, çıkış hava entalpisi
ise x3 ile ifade edilmiştir.
Pratikte, veri sayfalarında sıcaklık etkinliği, genellikle bir ısı geri kazanım ekipmanının nominal
performans verileri ile en çok verilen değerdir. Eğer bir ısı geri kazanım ünitesi, ayrıca nem transferi
de yapabiliyorsa, nem etkinliği de verilmelidir. Eğer veri sayfası bir ısı değiştiricisinin her iki
tarafındaki etkinliğini de veriyor ise, tedarik tarafındaki bilgiler dikkate alınmalıdır.
Avrupa standartları EN 13053’te ısı geri kazanım ünitelerinin sınıflandırma kriterleri belirlenmiştir. Bu
sayede ısı geri kazanımının enerji verimliliği sınıfı klima santralinin hesap cetvellerinde verilebileceği
için tasarım mühendisleri, geri kazanım ünitelerinin enerji verimlilik2 değerlerine zahmetsiz bir
şekilde ulaşabilirler. Bu değer aşağıdaki şekilde tanımlanabilir;
Burada, enerji verimliliği n, ısı değiştiricisinin sıcaklık etkinliği ve COP performans katsayısıdır ve
aşağıdaki şekilde tanımlanır;
COP=QHRS/Pel
Burada, ısı geri kazanım ünitesi ile kazanılan ısı, kW cinsinden olmak üzere Qhrs, ısı geri kazanım
ünitesinin iki ucu arasındaki basınç kaybını karşılamak için harcanan elektrik miktarı kW cinsinden
olmak üzere Pel ile gösterilmiştir.
Bu sınıflandırma, standart durumda sıcaklık etkinliği ve ünite boyunca basınç düşümünü de içine
alan, ısı geri kazanımı enerji verimliliği temelinde oluşturulmuştur. Tablo 16’da ısı geri kazanımı
verimliliği sınıfları görülmektedir. H1 sınıfına, ısı değiştiricisinin 0.75 değerinde ısıl etkinliği ile ve her
hava akışı için 280 Pa değerinde bir basın düşümü değeriyle ulaşılabilmektedir. Aynı sınıfa, daha
düşük bir sıcaklık etkinliği gerektiren daha düşük bir basınç düşümü ile de ulaşılabilir. Performans
katsayısı, geri kazanılan enerjinin, harcanan toplam elektrik enerjisine olan oranı olarak tanımlanır.
1
Avrupa Standardı En 13053 “etkinlik” terimi yerine “verimlilik” terimini kullanmaktadır. Fakat bu kullanım,
genel olarak bu iki terim arasında kesin bir ayrım yapan uluslararası kullanım ile paralellik göstermez. Bu
yüzden bu makalede doğru olan terim “etkinlik” kullanılmıştır.
Tablo 1. EN 13053’e göre ısı geri kazanım ünitelerinin sınıflandırması
Sınıf
Sıcaklık Verimliliği
H1
H2
H3
H4
H5
0.75
0.67
0.57
0.47
0.37
Toplam
Basınç
Kaybı (Pa)
2x280
2x230
2x170
2x125
2x100
Performans
Katsayısı
19.5
21.2
24.2
27.3
26.9
Enerji Verimliliği
0.71
0.64
0.55
0.45
0.36
3. Havadan Havaya Isı Gerik Kazanım Cihazları
Isı geri kazanım değiştiricileri genel olarak 4 gruba ayrılabilirler: (1) Plaka tipi ısı değiştiricileri
(recuperator), (2) Isı geri kazanım tekerleri ve paketleri. (3) çevresel borulu ısı değiştiricileri ve (4) ısıl
borulu ısı değiştiricileri.2
Not: Bu bölümdeki tablolarda görülen bütün hesaplar, aksi beyan edilmedikçe aynı çevresel şartlar
düşünülerek yapılmışlardır. Egzoz ve besleme hacimsel hava akışı 2.78 m3/sn (10.000 m3/s) olarak
belirlenmiştir. Dış havanın psikrometrik durumu sıcaklık -10 oC ve bağıl nem %90, çıkış havası ise 20 oC
sıcaklık ve %40 bağıl nem olarak alınmıştır. Geri kazanım tekerlerinin hızı yoğuşma ve entalpi tekerleri
için dakikada 10 tur, soğurma tekerleri için ise 20 tur olarak alınmıştır.
3.1. Plaka tipi ısı değiştiricileri
Şekil 1. Plaka tipi ısı değiştiricisi – fonksiyonel şema
Plaka tipi ısı değiştiricileri hemen hemen her türlü büyüklük, konfigürasyon, şekil ve malzemeden
temin edilebilmektedir. Dayanıklılığı ve yanmama özellikleri yüzünden tipik olarak alüminyumdan
üretilirler. Polimerden üretilen plaka tipi ısı değiştiricileri korozyon problemi yoktur ve akış kanalında
türbülans oluşturarak ısı transfer oranını biraz arttırabilirler. Genel olarak plaka tipi değiştiriciler
sadece hissedilir ısıyı iletirler. Bazı daha küçük ünitelerde nem transferi için işlenmiş kağıt ve mikro
gözenekli polimer zarlar gibi su buharı geçirebilen malzemeler de kullanılır. Bu teknoloji henüz büyük
ölçekli sistemlere girememiş durumdadır. Plaka aralığı genel olarak 2.0 ve 12.5 mm arasında değişir
ve mühendisler optimum aralığı, basınç düşümü ve ısı değiştirme verimliliği gibi parametrelere göre
belirlerler.
2
EN 13053’e göre ısı geri kazanım ünitesinin enerji verimliliği, basınç düşümünün üstesinden gelmek için
kullanılan elektrik miktarını da kapsadığı için “verimlilik” terimi kullanılmıştır.
Şekil 2 gösteriyor ki, verimliliğin arttırılması için ön yüz hızı ve/veya plaka aralığı düşürülmelidir.
Plakalı ısı değiştiricilerin verimliliği plakaların kuru veya nemli (egzoz havasının yoğuşma durumuna
bağlı olarak) olmalarına göre değişiklik gösterir. Islak durumlarda verimlilik genel olarak kuru duruma
göre %5 civarında daha yüksektir.
Eğer plaka aralığı (sargılı finlerin arasındaki açıklık vs.) etkinliği arttırmak için düşürülürse, basınç
düşümü ve fanların elektrik kullanımı artacaktır. (Şekil 3).
Plakalı ısı değiştiricileri, tuvaletler ve diğer odaların egzoz havalarından, EN 13779’un 3. kategori
egzoz havası özelliklerine göre ısı geri kazanımı yapabilirler. Basınç eğrisinin, ısı değiştiricinin besleme
tarafından egzoz tarafına doğru olması için, ısı değiştirici boyunca oluşan basınç değerlerine dikkat
edilmelidir. Tuvaletlerden atılan toplam egzoz hava miktarının bir ofis binasının diğer bölümlerine
görece daha yüksek olduğu göz önüne alındığında, egzoz havasından ısı geri kazanımı dikkate değer
tasarruflar sağlayarak düşük bir geri ödeme süresi sunar.
Şekil 2. Dört farklı plaka aralığı için plakalı ısı değiştiricisinin kuru sıcaklık etkinliği (üstte) ve ıslak
sıcaklık etkinliği (altta). Etkinlik plaka aralığının ve ön yüz hızının düşürülmesi ile artmaktadır.
Şekil 3. Plaka mesafesinin, basınç düşümüne etkisi. Şekilden görülüyor ki, plaka aralığı belli bir oranda
düşürüldüğünde basınç düşümü de yaklaşık aynı oranda oluyor.
3.2. Isı (enerji) geri kazanım tekerleri ve paketleri
Isı (enerji) geri kazanım tekerleri, ısı (ve nem) depolama kapasitesine sahip, geçirgen dönen
silindirlerdir. Isı (enerji) geri kazanım paketleri is yüksek derecede duyarlı toplayıcı kütleleri olan iki
adet ısı paketinden oluşur. Bu iki ısı paketinden dış hava ve egzoz havası değişmeli olarak geçirilir.
Paket sistemi, teker sistemi kadar yaygın değildir fakat 20 yıldan uzun süredir bu sistemler %92’den
yüksek olan ısı transfer verimlilikleri ile kendilerini ispat etmişlerdir.
Depolama yapısı, genellikle düz ve kıvrımlı alüminyum folyoların sıralanması ile oluşmuştur. Rotorlar,
6000 mm çapa kadar üretilebilmektedir. İki alüminyum folyo arasındaki uzaklık genellikle 2.0 mm
civarındadır ama rotorlar daha düşük veya yüksek aralıklı olarak da sipariş edilebilirler. Karşılıklı
sızıntı, karşılıklı karışma veya besleme ve egzoz hava akışlarının karışması geri kazanım tekerlerinde
iki mekanizma sebebiyle oluşur; aktarma ve conta sızıntısı. Aktarma, havanın dönüş yapan
materyalin içinde sürüklenmesi ve diğer hava akışına karışması ile oluşur. Kurulacak bir boşaltma
bölümü ile aktarma miktarı %0.1’in altına indirilebilir fakat tamamen yok edilemez. Sızıntının sebebi
her iki hava akışı boyunca oluşan diferansiyel statik basıncın, havayı yüksek statik basınçtan
düşüğüne doğru itmesidir. Karşılıklı karışma, besleme havası tarafındaki basıncın egzoz tarafındaki
basınçtan daha yüksek olmasını sağlayacak şekilde konumlandırılan fanlar sayesinde, sızıntının
besleme havasından egzoz havasına doğru olmasını sağlayarak azaltılabilir. Egzoz fanının büyüklüğü
hesaplanırken, sızıntı ve boşaltma hava akımları da dikkate alınmalıdır.
Rotorlar, metal folyoların üzerindeki kaplamaya göre basınçlı hava buhar veya su ile temizlenebilir.
Rotor ve ısı geri kazanım materyalleri sadece hissedilir ısıyı geri kazanma ve transfer etme amaçlı
veya toplam ısıyı (hissedilen ve hissedilemeyen) geri kazanma amaçlı olarak seçilebilir. Kaplama
materyalleri tipik olarak zeolitler, sentetik polimerler, silika jel, etkinleştirilmiş alümina, titanyum
silikat, lityum klorid veya alüminyum oksittir. Kullanılan kaplama materyaline bağlı olarak, aşağıdaki
ısı veya enerji geri kazanım tekerleri veya değiştiricileri üretilebilir.
 Yoğuşmalı ısı değiştiricisi (ST1) hissedilebilir ısı geri kazanımı yapar. Depolama kütlesi, nemi
sadece sıcak hava tarafında yoğunlaşma olduğunda transfer eden pürüzsüz yüzeye sahip
işlenmemiş metalden (çoğunlukla alüminyum) oluşur. Nem sadece egzoz havasının atıldığı
tekerleğin yüzey ısısının çiğleşme noktasının altına indiğinde transfer edilebilir. Büyük sıcaklık
farkları ve yoğuşma sayesinde, nem geri kazanımı %60 seviyesine ulaşabilir. Bu tip bir teker,
mekanik soğutması olmayan bir sistem için iyi bir sıcaklık ve nem geri kazanımı seçimidir.
Higroskopik tekerle karşılaştırıldığında, besleme havası nem oranı sadece -5oC ve +10oC
arasında biraz daha düşüktür.
 Higroskopik (entalpi) ısı değiştiricisi (STE1) hissedilebilir ve hissedilemez (belli bir yere
kadar) ısı geri kazanımı yapabilir. Metalden oluşan depolama kütlesinin yüzeyi kimyasal
işlemler sayesinde kapiler bir yapıya sahiptir. Bu yüzden tekerlekteki egzoz havasının sıcaklığı
çiylenme noktasının altında olduğu zamanlar nem transferi çiylenme ile, yılın diğer
zamanlarında ise soğurma ile nem transferi yapabilirler. Fakat soğurmanın bu olayda katkısı
çok azdır ve üreticiye göre değişiklik gösterebilir. Bu tip ısı geri kazanım değiştiricileri genel
amaçlı havalandırma ve klima uygulamalarında kullanılır.
 Soğurma (kurutucu) ısı değiştiricisi (HX1) hissedilebilir ve hissedilemeyen ısı geri kazanımı
yapabilir. Depolama kütlesi, nemi sadece soğurma ile transfer edebilen bir materyal ile
doyurulmuştur. Nem transfer kapasitesi sürekli olarak yüksek seviyelerdedir ve neredeyse
tamamen yoğunlaşmadan bağımsızdır.
 Soğurmalı moleküler elek ısı değiştiricisi (HM1) hissedilebilir ve hissedilemeyen ısı geri
kazanımı yapabilir. . Depolama kütlesi, nemi sadece soğurma ile transfer edebilen bir
materyal ile doyurulmuştur. Su moleküllerini emen moleküler eleklerin, karşılıklı karışma ve
koku problemlerinin olabileceği yerlerde kullanılması tavsiye edilir.
Büyük klima santralleri için, enerji tüketimi açısından ısı geri kazanım tekerleri en iyi çözümdür. Bü
tür ısı geri kazanım tekerlerinin basınç düşümleri azdır, yüksek etkinliğe sahiptirler ve plaka tipli ısı
değiştiricileri gibi klima santralinin uzunluğunu arttırmazlar. Tekerleğin etkinliği uzunluğuna ki tipik
olarak 200 mm dir, folyo kalınlığına ve dalga yüksekliğine bağlıdır. Folyo kalınlığı etkinliğe en az
katkıyı yapan kısımdır. Diğer yandan dalga yüksekliği, ünitenin etkinliğinin önemli bir oranda
etkileyebilir. Düşük bir dalga yüksekliği etkinliği arttırırken aynı zamanda basınç düşümünü de arttırır,
yüksek bir dalga yüksekliği ise etkinliği azaltır ama aynı zaman da basınç düşümü de daha az olur.
Şekil 4’te etkinliğin dalga boyunun (hazne yüksekliği) azalması ve ön yüz hızının azalması ile nasıl
arttığı görülebilir. Böylece düşük ön yüz hızının etkisi ikiye katlanmış olur. Bütün klima santrali
üzerindeki basınç düşümü, ısı geri kazanım değiştiricisi dahil olmak üzere azalacaktır ve ısı geri
kazanım etkinliği artacaktır.
Şekil 4. Bir entalpi teker ısı değiştiricisinin sıcaklık etkinliği (solda) ve nem etkinliği (sağda). Şekil
göstermektedir ki, etkinlik azalan dalga yüksekliği ve ön yüz hızı ile artmaktadır.
Azalan hazne yüksekliğinin (dalga yüksekliği) negatif etkisi basınç düşümünü arttırmasıdır. Şekil 4’te
(sol) basınç düşümünün düşük ön yüz hızı ile nasıl azaldığı ve hazne yüksekliğinin düşürülmesi ile
nasıl arttığı görülmektedir. Şekil 5’te (sağ) teker tipinin nem etkinliğine olan etkisi görülüyor. Buradan
görülebileceği üzere, kış şartlarında Yoğuşmalı ve entalpi tipi tekerlerde pek fark görülmüyor. Fakat
soğurma tekerinin etkinliği oldukça yüksek görünüyor. Sıcaklık artışı ile yoğuşma ve entalpi
tekerlerinin nem etkinliği azalmaya başlarken, soğurma tekerinin etkinliği bütün şartlarda yüksek
kalır. Yaz aylarında, çıkış havası sıcak olduğu için teker kütlesinin sıcaklığı çiyleşme sıcaklığının altına
düşmez ve bu yüzden yoğuşma tekeri herhangi bir şekilde nem transferi yapamaz.
3.3. Çevresel borulu ısı değiştiricileri
Çevresel borulu ısı geri kazanım değiştiricileri, besleme ve egzoz hava akımlarına yerleştirilen iki ayrı
boru bobininden oluşur ve kapalı devre şeklinde ters akış borulaması ile bağlanmışlardır. Çift amaçlı,
üç yollu sıcaklık kontrol valfi, egzoz bobininin donmasını engeller. Bu valf, egzoz bobinine giren
karışımın 5oC veya daha yüksek sıcaklıkta olmasını sağlar. Bu valf ayrıca, besleme hava kanalındaki
bobinin sıcaklığının belirlenmiş bir sıcaklığı geçmemesini de sağlamak içim kullanılır. Çevresel borulu
ısı değiştiricileri oldukça esnek sistemlerdir çünkü besleme ve egzoz hava kanallarının yan yana
olmasını gerektirmezler, bu kanallar ayrı yerlerde de olabilir. Bu yüzden çevresel borulu ısı
değiştiricileri renovasyon için de uygun bir yapıya sahiptir. Enerji geri kazanım bobin kapalı devresi iki
hava akımı arasında nem transferine izin vermez ve conta kaçakları ve taşınma gibi riskleri tamamen
elimine eder.
Şekil 5. Bir entalpi ısı tekerinin üç farklı hazne yüksekliği için basınç düşümü değerleri (solda). Üç
farklı teker tipi için nem etkinliği (sağda).
Çevresel borulu ısı değiştiricileri için etkinlik oranı tipik olarak %55 ila %65 arasında değişir. Bu
değerler plaka tipi ısı değiştiricileri ve ısı değiştirici tekerlerden daha düşüktür. Plaka tipli ısı
değiştiricilerin etkinlik oranlarına yakın oranlar elde etme için çevresel tipli ısı değiştiricilerinin daha
yüksek basınç düşümü oranları ile çalışması gerekir.
Şekil 6. Çevresel borulu (run around) ısı değiştiricisi – Fonksiyonel şema
3.4. Isıl Borulu Isı değiştiricisi
Isıl borulu ısı değiştiricilerin etkinlik oranları %45 ila %60 arasında değişir ki bu teker ve plaka tipi ısı
değiştiricilerin etkinlik oranlarına nazaran düşük bir orandır. En yüksek etkinlik değeri olan %60
seviyesine büyük bir basınç düşümü ile ulaşılabilir. Ancak bu basınç düşümü ön yüz hızının azaltılması
ve daha çok sıra boru kullanılması ile azaltılabilir. Bu tip ısı değiştiriciler yüksek verimli uygulamalar
için tavsiye edilmezler ve daha önceki bölümlerde bahsedilen daha yüksek etkinliğe sahip sistemler
ile kolaylıkla değiştirilebilirler.
4. Ömür Boyu Maliyete Göre Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Seçilmesi
Bir önceki bölümde görülen şekiller gösteriyor ki ısı değiştiricilerin etkinliği daha büyük üniteler
kullanılması ile veya hazne yüksekliğinin, plaka ve fin aralığının azaltılması ile arttırılabiliyordu. Diğer
bir taraftan hazne yüksekliği, plaka ve fin aralıklarının azaltılması ile basınç düşümü de artıyordu.
Ayrıca düşük ön yüz hızı elde etmek için klima santralinin büyütmek ise yatırım maliyetlerini
arttırıyordu. Her bir klima santralinin seçiminde asıl amaç bütün bu faktörleri dikkate alarak optimum
sonuç verecek üniteyi bulmaktır. Böylece yatırımın ömür boyu maliyeti en düşük düzeyde tutulabilir.
Pratikte, klima santralleri maalesef hala en düşük ilk yatırım maliyeti göz önüne alınarak
seçilmektedir. Bu da demek oluyor ki, klima ünitesinin büyüklüğünü azaltmak için yüksek ön yüz
hızına sahip üniteler seçilmekte ve bu da düşük ısı geri kazanım oranlarına sebep olmakta.
Şekil 7’de pek çok farklı ısı geri kazanım tekerleri için yapılan LLC (ömür boyu maliyet) analizi
görülmektedir. Bu analiz 15 yılı aşkın bir süre için enerji maliyetleri ve VDI 2067-1’e göre fiyat değişim
faktörleri göz önüne alınarak yapılmıştır. Isı geri kazanım tekerinin (HRW) çapı, şekildeki tabloda
verildiği gibi HRW 1 için en düşük ve HRW 2 için en yüksektir. Bu örnekte kullanılan ısı geri kazanım
tekerinin tipi entalpi tipidir.
Şekil 7. Örnek bir ısı geri kazanım ekipmanı LCC analizi.
Bu ünite haftada 7 gün, günde 24 saat boyunca çalışmaktadır. Şekilden de görülebileceği üzere ısı
geri kazanım tekerinin çapı arttıkça 15 yıllık toplam maliyet düşmektedir. HRW 7 ve HRW 8’in toplam
maliyeti birbirine oldukça yakındır ve bu büyüklükler optimum maliyeti veren büyüklüklerdir. Eğer
teker çapı daha da arttırılırsa ilk yatırım maliyeti çok artacağı için toplam maliyet daha fazla olacaktır.
Genel olarak, klima santrallerinde daha düşük basınçlar kullanılması ve daha yüksek etkinliğe sahip ısı
geri kazanım sistemlerinin kullanımı, elektrik tüketiminin azaltılmasında çok büyük bir rol
oynamaktadır. Bir ünitenin büyüklüğünü, ön yüz hızı 1 m/s olacak şekilde büyütülmesi hemen hemen
her zaman toplamda daha düşük bir ömür boyu maliyet (LLC) sunmaktadır. Bu yüzden, düşük ön yüz
hızına sahip klima santrali tasarımları ısı geri kazanımı olarak da olduk büyük avantajlara sahiptir.
5. Don Koruması Ve Kontrol
Eğer, ısı değiştiricisinin çıkış havası yolundaki hava ısısı 0 oC’nin altına düşerse, ısı değiştiricinin
yüzeyinde yoğunlaşan su donarak hava geçiş kanallarını tıkayabilir. Dış havanın donma sıcaklığına
düştüğü nokta “don limiti” olarak adlandırılır. Bu problemi çözmek için klima santrali, dışarıdaki
havayı ve çıkış havasının nemini ve sıcaklığını sürekli olarak izleyecek bir kontrol sistemi ile
donatılmalıdır. Kontrol sistemi, dış havayı izleyerek “don noktasına” düştüğünü belirlediğinde, ünite
içerisindeki nemin donmasını engelleyecek tedbirleri devreye sokar. Soğurmalı enerji geri kazanım
tekerleri dışında bütün engelleyici tedbirler ekstra enerji kullandıkları için sistemin etkinliğini
azaltırlar.
Plaka tipi ısı değiştiricilerinde, çıkış hava kanalı tarafındaki plakaların sıcaklığı 0oC seviyesine
düştüğünde don olayı başlar. Bu don olayına karşı aşağıdaki tedbirler alınabilir.
(1) Dış havaya ön ısıtma yapmak
(2) Dış havanın pas geçilmesi
(3) Besleme hava akışını azaltmak
İlk iki önlemde enerji tüketimi artarken, üçüncü önlem ise ancak minimum havalandırma oranının
altına düşülmeyecek ise uygulanabilir. Normal kapalı mekan koşullarında don limiti genel olarak -3 oC
ve -5 oC aralığındadır.
Yoğuşmalı ve higroskopik geri kazanım tekerlerinde, tekerlek dönüş hızı azaltılarak don
engellenebilir. Fakat hız azaldığında etkinlik de azalacağı için havanın fazladan ısıtılması gerekecektir.
Soğurma tekerleri, nem transferini adsorban (yüz tutucu) vasıtası ile yaptıkları için çok az miktarda
bir nem yoğunlaşması olur. Bu yüzden en verimli çözümdürler.
Çevresel sarımlı ve ısıl borulu sistemlerdeki don problemleri plaka tipli ısı değiştiricilerdeki
problemlere benzerdir. Her iki sistemde de, iki ısı değiştiricisi arasındaki ısı transferi azaltılarak don
olayı engellenebilir. Çevresel sarımlı sistemlerde, çift amaçlı, üç yollu sıcaklık kontrol valfi, egzoz
bobininin donmasını engeller. Bu valf, egzoz bobinine giren karışımın 5oC veya daha yüksek sıcaklıkta
olmasını sağlar. Isıl borulu sistemlerde is, borular besleme hava kanalına doğru yaklaştırılır. Böylece,
boruların buharlaşma bölümündeki sıcaklık seviyesi 0 oC’nin üstünde kaldığı için don olayı
engellenebilir.
6. Sonuç
Genel Öneriler:
 En etkin ısı geri kazanım sistemini seçmek için ömür maliyeti analizini kullanınız. Seçim kriterleri
en azından geri kazanılan enerji ve nem miktarı, basınç düşümünü engellemek için kullanılacak
elektrik maliyeti, yatırım maliyetleri ve buzlanmayı engelleme ile ilgili maliyetleri kapsayacak
şekilde olmalıdır.

Isı geri kazanım ekipmanlarının yüzeylerinde buzlanma oluşumunu engellemek için soğurmalı ısı
geri kazanım tekerleri kullanınız. Diğer bütün ısı geri kazanım sistemlerinde buzlanma, ilave enerji
kullanılmadan veya havalandırma sistemleri tamamen kapatılmadan engellenemez.
 Çevresel ısı değiştiricileri, besleme ve egzoz hava akımlarının yan yana olmadığı durumlarda
tavsiye edilir. Aksi takdirde daha verimli ısı değiştiricileri kullanılması tavsiye edilir.
 Isı borulu ısı değiştiricileri, yüksek performanslı binalarda verimleri düşük olduğu için tavsiye
edilmez. Bu durumda daha verimli ısı değiştiricilerine yönelinmesi faydalı olur.
Isı Geri Kazanım Tekerleri:
 Isı geri kazanım tekerleri, en yüksek verimliliği sunarken aynı zamanda en düşük basınç düşümü
ve nem geri kazanımı değerlerine sahiptirler.
 En yüksek sıcaklık ve nem verimliliğine sahip olduklarından dolayı soğurmalı tekerlerin kullanımı
tavsiye edilir.
 En yüksek verimlilik değerlerine ulaşmak için, düşük ön yüz hızı ile düşük hazne yüksekliği
kombine olarak kullanılmalıdır. Eğer basınç düşümü çok yüksek ise hazne derinliği arttırılmalıdır.
Plakalı Isı Değiştiriciler:
 Plakalı ısı değiştiriciler, nem geri kazanımının gerekli olmadığı durumlarda için seçilmelidir.
 En yüksek verimliliği elde etmek için, düşük ön yüz hızı ile fin aralığı küçük olan serpantinlerin
kombine olarak kullanılması tavsiye edilir. Eğer basınç düşümü çok yüksek ise, fin aralıklarını
arttırınız.
 Tuvalet egzoz havasından ısı geri kazanımı için plakalı ısı değiştirici kullanınız.
Kaynaklar
Brelih, N., Seppanen O., vd.,2013, “Design of energy efficient ventilation and air conditioning system”,
Rehva Guidebook.