Klima Santrallerinde Enerji Sınıfı Hesaplama Metodu

Yazan: Volkan Arslan, Alarko Carrier Ticari Klimalar Ürün Yöneticisi

Günümüzde klima santralleri çoğu ticari binada kullanılan temel iklimlendirme cihazlarından biridir. Klima santralinin seçimi, çok detaylı ama ilk yatırım ve işletme maliyetini düşürmek için de bir o kadar da önemlidir. Türkiye’de 40’a yakın firma üretici veya tedarikçi olarak klima santrali pazarında faaliyet göstermektedir. Diğer iklimlendirme ürünlerinin aksine klima santrali enerji sınıfı hesaplama metodu hem çok bilinmemekte hem de çok kullanılmamaktadır. Bunun birkaç sebebi var. Birincisi hesaplama metodunun diğer ürünlere göre çok daha karmaşık olması. Soğutma grubu, split klima gibi ürünlerde verim ve enerji sınıfı genel olarak cihazdan alınan soğutma veya ısıtma yükünün cihazın çektiği kompresör ve fan gücüne bölünmesi ve bazı ufak düzeltme katsayılarının da hesaba katılarak uygulanması ile hesap edilmektedir. Bir diğer sebep ise klima santralinde EN 1886 mekanik performans sınıflarının veya özgül fan gücünün (SFP) enerji sınıfına göre şartnamelerde daha çok aranmasıdır. Ayrıca diğer soğutma grubu, split klima gibi ürünlerde enerji sınıfı bir EN standardı baz alınarak hesaplanmaktadır ama klima santrali için enerji sınıfı Eurovent’in AHU PG (Product Group) ve CC (Compliance Committee) toplantılarında katılımcılar tarafından alınan kararlar sonucu oluşturulan bir hesaplama metodudur. Bu yüzden daha az bilinen bu hesaplama yöntemi aşağıda Eurovent’in kitapçığından Türkçe’ye çevrilerek özetlenmiştir.

Hesaplama Yöntemi

Klima santrallerine (KS) gelen enerji, iki ana gruba ayrılabilir:

Termal enerji (ısıtma ve soğutma için) ve elektrik enerjisi (fanlar için).

Isıtma için farklı termal enerji tüketiminin farklı seviyeleri, Isı Geri Kazanım Sistemi (IGKS) verimliliği dikkate alınarak kapsanmıştır. Termal enerji tüketimi için iklim bağımlılığı dikkate alınmış ve termal enerji ile elektrik enerjisi arasındaki birincil enerji farkı, IGKS boyunca basınç düşüşlerinin etkisini değerlendirmek amacıyla hesaba katılmıştır. Soğutma için termal enerji dikkate alınmamıştır çünkü bunun etkisi daha azdır (Avrupa’nın çoğu için gözardı edilebilir).

Fanlar için elektrik enerjisiyle ilgili olarak, bu yöntem ünite boyutunun etkisi ve fan teçhizatının verimliliği için geçerlidir. Farklı KS uygulamalarındaki bileşenlerin kullanımındaki büyük farklılıklar nedeniyle diğer bileşenler (bataryalar gibi), birer birer kapsanmaz (bundan dolayı fanlar için toplam basınç dikkate alınmaz). Etkileyen ana faktörler; hız, IGKS basınç düşüşü, besleme ve/veya egzoz hava fanının genel statik verimliliği ve elektrik motorunun/motorlarının verimliliği, fanlar için kullanılan enerji hakkında iyi bir tahmin verecektir. Ancak sınıflandırma, bir sistem enerji etiketi sayılamaz.

Hesaplamalarda kullanılan sınıflar için gerekli olan değerler, EN13053: “Binalar için Havalandırma - Klima Santralleri - Üniteler, Bileşenler ve Bölümler için Güç ve Performans” Avrupa Standardından alınmıştır.

Ön Koşullar

- Hesaplamalar, standart hava yoğunluğu ile (1,2 kg/m³) yapılmalıdır.

- Sınıflandırma değerlendirmesindeki hesaplamalarda, kış zamanı için tasarım koşulları, hava debileri, dış hava sıcaklığı, karışım oranı, ısı geri kazanım verimliliği vs. için kullanılmalıdır.

- Hesaplamalardaki hızlar, besleme için ünite alanının içini, sırasıyla klima santralinin çıkış hava debisini temel alan KS çapraz kesitteki hava hızlarıdır. Hız, ilgili ünitenin filtre bölümün alanını temel alır ya da eğer takılı bir filtre yoksa, fan bölümünün alanını temel alır.

- Ünitenin çapraz kesitindeki hız ile iç statik basınç düşüşü arasındaki ilişki, 1,4’ün kuvvetine üst sayılır.

- Dengeli hava debilerindeki ısı geri kazanım kurutma verimliliği kullanılmalıdır. Eğer ısı geri kazanım bölümü boyunca çıkan (“egzoz hava girişi” olarak da adlandırılır) hava debisi, ısı geri kazanım bölümü boyunca olan besleme hava debisinden farklı olursa, besleme hava debisine eşit her iki hava debisi için de verimlilik hesaplanmalıdır. Isı geri kazanım bölümü için besleme havası debisi verimlilik değerlendirmesi için, kış zamanı alınmalıdır (ünitenin besleme hava debisi, bir karışım hücresi durumunda daha yüksek olabilir).

- Isı geri kazanım bölümünün basınç düşüş değerlendirmesi için, kış zamanı için olan ısı geri kazanımı boyunca tasarım hava debileri alınmalıdır. Basınç düşüşü, yoğuşma dikkate alınmadığından artar.

- Isı borulu sistemler için ısı geri kazanım verimliliği figürleri, gerçek etilen glikol tasarım yüzdeli sıvı, tasarım sıvı akışları ve tasarım giriş sıcaklıkları tabanlı olmalıdır.

- Elektrik enerjisi ve termal enerji arasındaki ağırlık oranı 2’dir (1 kWh elektrik enerjisi ≈ 2 kWh (birincil) termal enerji).

- Bir ısı geri kazanım sisteminin basınç düşüşü ile verimliliği arasındaki eşitlik için ampirik bir formül, dış iklimin bir fonksiyonu olarak, tüm Avrupa’da yapılan çeşitli enerji tüketim hesaplamalarından elde edilmiştir (bkz. Şekil 1)

Şekil 1. Eşitlik Verimliliği / Basınç Düşüşü

Klima Santrali Alt Grupları

Farklı etiket işaretlerine sahip üç alt grup tanımlanmıştır:

1) Tasarım kış sıcaklığındaki tam veya kısmi ≤ 9 °C dış hava kullanan üniteler.

Bu alt grup, dış havaya tasarım dış hava sıcaklığı ile bağlı ünitelerden oluşur, kış zamanı ≤ 9 °C. Eğer ünite bir karışım bölümü içeriyorsa, resirkülasyon havasının miktarı % 85’ten az olduğu sürece bu grup içindeymiş gibi davranılacaktır. Eğer daha fazla resirkülasyon talep edilirse, basınç düzeltmesi Δ_pz için uygulanabilir eşitlikte % 85 için hesaplama değeri kullanılmalıdır. Bu alt grup, filtre çapraz kesitindeki hızı, IGKS verimliliğini ve basınç düşüşünü ve de fan(lar) için şebeke güç tüketimini dikkate alacaktır. Sınıf işaretleri şeklindedir.

2) Resirkülasyon üniteleri veya tasarım giriş sıcaklıkları > 9°C olan üniteler.

Bu alt grup, % 100 resirkülasyon havasına sahip üniteleri, kış zamanı > 9 °C sırasında tasarım dış hava sıcaklığı dış havaya bağlı üniteleri veya bir ilave hava ünitesinin yukarı akışından yayılan (önceden ayarlanmış) giriş sıcaklığı > 9°C olan üniteleri içerir. Bu alt grup, sadece filtre bölümünün çapraz kesit hızını ve fan/fanlar için şebeke güç tüketimini dikkate alır. Sınıf işaretleri arasındadır.

3) Sadece egzoz üniteleri

Sadece egzoz üniteleri için alt gruptur (Bu bir ünite uygulamasına bir enerji etiketi uygulamanın ilk sebebi, bunların ısı geri kazanımı içerebilmeleridir. Diğer sebep ise tasarım dış hava sıcaklığının bu tür üniteler için herhangi bir alakaya sahip olmamasıdır). Bu alt grup, sadece filtre bölümünün çapraz kesit hızını ve fan/fanlar için şebeke güç tüketimini dikkate alır. Sınıf işaretleri arasındadır.

Tablo 1. Enerji verimliliği hesaplamaları için tablo

Metodoloji

Prensip, farklı enerji parametrelerine sahip seçilen ünitenin, Tablo 1’de hedeflenenler için gereklilikleri tam olarak karşılayacak bir üniteden daha fazla enerji tüketip tüketmediğini belirlemektir. İlgili hava tarafları, besleme ve/veya egzoz için şu dört adımı gerçekleştir:

1. Bir KS’nin belirli bir sınıfın gerekliliklerini karşılamak için tasarlandığını varsayın ve Tablo 1’den ilgili sınıf değerlerini (“sınıf” alt simgesi):

• hız v_sınıf için

• kullanılan motor gücü f_sınıf–P_ref

Eğer alt grup 1 ise (tasarım kış sıcaklığı ≤ 9 °C’deki tam veya kısmi dış hava için üniteler), ayrıca şunu uygulayın:

• ısı geri kazanım verimliliği

• basınç düşüşü Δp_sınıf

2. Tasarım hava debisi, kış zamanı, gerçek seçim değeri (alt simge “s”) değerlerinde sınıflandırılacak gerçek klima santrali için kullanın:

• fan statik basınç artışı Δ_ps-statik

• cihaz dışı basınç düşüşü Δ_ps-dış

• hız v_s

• eğer besleme havası tarafı ise şebekeden seçilen fana beslenen güç P_s-sup aksi halde P_s-ext

Eğer alt grup 1 ise, şunu da kullanın

• IGKS kuru verimlilik

• IGKS basınç düşüşü Δ_ps-IGKS

3. Hıza bağlı basınç düzeltmesini hesaplayın Δ_px

Eğer alt grup 1 ise, o zaman şunu hesaplayın:

• IGKS basınç düşüşüne bağlı basınç düzeltmesi Δ_py

• IGKS verimliliğine bağlı basınç düzeltmesi Δ_pz

4. Gerçek klima santrali tarafı için fan referans gücünü hesaplayın. Phava tarafı-ref, yani P_sup-ref eğer besleme hava tarafı veya egzoz çıkan hava tarafı ise P_ext-ref

Son kontrol, seçilen ünitenin hedeflenen sınıf için kullanılan güç tüketimi kriterlerini karşılayıp karşılamadığını doğrulamaktan oluşur. Yani kullanılan güç faktörünü hesaplayın f_s–Pref

Eğer hedeflenen sınıf için Tablo 1’de, f_s-Pref değeri fclass–Pref değerine eşit veya bundan düşükse, ünite sınıf gerekliliklerini karşılar. Aksi halde, aynı hesaplama prosedürü, daha düşük bir sınıf için tekrarlanmalıdır.

Hıza bağlı basınç düzeltmesi; Δpx

Burada:

Δp_x = hıza bağlı basınç düzeltmesi [Pa]

Δps-iç = Δp_s–statik - Δp_s–dış komponentlerdeki iç basınç düşüşü; sistem etki basınç düşümü hariç [Pa]

Δp_s-statik = fan girişi ve fan çıkışı [Pa] arasında ölçülen kullanışlı fan statik basınç artışı

Δp_s-dış = harici (kanal sistemi) basınç düşüşü [Pa]

Δp_s-IGKS = IGKS basınç düşüşü [Pa] (0 eğer hiç IGKS yoksa ya da alt grup 2 veya 3)

v_sınıf = Tablo 1’deki değer [m/s]

v_s = KS filtresi (eğer filtre yoksa fan) çapraz kesitindeki hız [m/s]

Hız için basınç düşüş düzeltmesi, ana enerji için eşitlik figürleri ve ısı geri kazanımı için düzeltmeler ile, enerji sınıfı ile tam uyumlu bir üniteyle karşılaştırıldığında ortaya çıkan statik basınç fazlalığına veya eksikliğine bir dönüşüm yapmak mümkündür. Statik basınçta fazlalık olması, gerçek ünitenin daha yüksek bir statik basınç talep etmesi anlamına gelir; statik basınçta eksiklik olması ise gerçek ünitenin sınıfla uyumlu üniteden daha düşük bir statik basınca ihtiyaç duyduğu anlamını taşır. Bu yüzden, bir statik basınç fazlalığı, daha yüksek bir enerji tüketimi, bir statik basınç eksikliği ise daha az enerji tüketimi demektir.

IGKS basınç düşüşüne bağlı basınç düzeltmesi; Δp_y     

Burada:

Δp_y = IGKS basınç düşüşüne bağlı basınç düzeltmesi [Pa]

Δp_s-IGKS = IGKS basınç düşüşü (0 eğer hiç IGKS yoksa ya da alt grup 2 veya 3) [Pa]

Δp_sınıf =Tablo 1’den değer [Pa] (eğer alt grup 2 veya 3 ise 0)

IGKS verimliliğine bağlı basınç düzelmesi; Δp_z

Burada:

Δp_z = IGKS verimliliğine bağlı basınç düzeltmesi [Pa]

η_s= IGKS kuru verimlilik kış [%] (0 eğer hiç IGKS yoksa ya da alt grup 2 veya 3)

η_sınıf = değer Tablo 1'den [%] (eğer alt grup 2 veya 3 ise 0)

mr = karıştırma oranı, kış (resirkülasyon havası / besleme havası; maksimum), izin verilen aralık 0 - 85 [%]

f_pe = basınç – verimlilik faktörü = (–0,0035 t_ODA–0,79) tODA+8,1 [Pa/%]

t_ODA = tasarım dış hava sıcaklığı, kış [°C]

c_fısıtıcı = elektrikli ısıtıcı için düzeltme (ilave ısıtıcı, yani ısıtıcı akışın alt tarafına IGKS).

= elektrikli ısıtıcı olmadığında 0

= bir elektrikli ısıtıcı olduğunda 1

Fan referans gücü; P_sup–ref eğer besleme havası tarafı ise, P_ext-ref eğer egzoz hava tarafı ise

Toplam statik basınç düzeltmesi Δp_x + Δp_y + Δp_z pozitif veya negatif bir değere sahiptir. Negatif bir değer, seçilen ünite için gerekli olan statik basıncın, sınıfla uyumlu ünitenin olabileceği statik basınçtan daha düşük olduğu anlamına gelir. Pozitif bir basınç değeri içinse durum tam tersidir. Şimdi, seçilen ünitenin mevcut statik basıncından, hesaplanan basınç düzeltmeleri hesaba katılarak, bir sınıf uyumlu ünite için fan referans gücü elde edilmelidir.,

Burada:

P_{hava tarafı-ref} = fan referans gücü [kW] (besleme havası tarafı için P_sup–ref ya da egzoz havası tarafı için P_ext–ref kullanın)

q_v-s = hava debisi [m³/s]

Kullanılan güç faktörü; f_s–Pref

Burada:

f_s-Pref = kullanılan güç faktörü

P_s-sup = şebekeden beslenen aktif güç, her türlü motor kontrol ekipmanı dahil, seçilen besleme hava fanına [kW]

P_s-ext = şebekeden beslenen aktif güç, her türlü motor kontrol ekipmanı dahil, seçilen çıkış hava fanına [kW]

P_sup-ref = besleme hava fanı referans gücü [kW]

P_ext-ref = çıkış hava fanı referans gücü [kW]

Isı borulu sistemler için ısı geri kazanımı Isı borulu sistemler için aşağıdakiler geçerlidir.

Glikol veya sıcaklıkla ilgili olarak, hiçbir verimlilik düzeltmesi dikkate alınmamalıdır: Verimlilik, gerçek glikol yüzdesi ile gerçek sıcaklıklar üzerinden değerlendirilecektir. Dengeli hava akışlarındaki verimlilik için bir düzeltme uygulanmalıdır. Gerçek düzeltme seçim yazılımından elde edilebiliyorsa, bunu kullanmak her zaman mümkündür. Aksi halde şu eşitlik kullanılmalıdır:

Φ_1:1 = Dengeli hava debileri için verimlilik (%)

Φ_s = Dengesiz hava debileri için gerçek verimlilik (%)

ṁ_ODA = Dış (besleme) hava debisi (kg/s)

ṁ_ETA = Egzoz havası debisi (kg/s)

Eşitlik, minimum 0,6 egzoz hava debisi x besleme hava tarafı veya maksimum 1,2 egzoz hava debisi x besleme hava tarafı için geçerlidir. Eğer oran limitlerin dışına çıkarsa, 0,6 ve 1,2 düzeltmeleri kullanılmalıdır.

Sonuç

Bu çalışmada belirtildiği üzere, klima santrali enerji sınıfı hesaplamasında çok fazla parametre belirleyici rol oynamaktadır. Sistemlerin doğru seçimi ve verimli işletilmesi için tüm bu parametrelerin enerji sınıfına etkisinin bilinmesi son derece önemlidir. Hesaplamayı yaparken sadece tek bir parametreyi değil onu değiştirirken diğer sistem parametrelerine olumlu/olumsuz etkisi iyi değerlendirilmelidir. Eurovent’in sitesinden enerji sınıfı hesaplama föyü online olarak kullanılabilmekte ayrıca excel formatında bilgisayara kopyalanabilmektedir. Özellikle excel dosyası farklı koşullarda hesaplamalar yapmak ve hesaplama yönteminin algoritmasını anlamak için oldukça faydalıdır. Eurovent AHU PG ve CC komiteleri mevcut hesaplama metodunu geliştirmek için üzerinde çalışmalar yapmaktadırlar. Bu çalışmalar yakında Avrupa’da CE belgesinin bir gerekliliği olacak Ecodesign kriterleri ve diğer üye ülkelerdeki enerji sınıfı hesaplama yöntemlerine adaptasyon ile ilgili olarak devam etmektedir. Mayıs 2015 itibarıyla 94 firma klima santrali için Eurovent sertifikasına sahiptir. Bu firmalardan 16 tanesi Türkiye’de üretim yapan ulusal veya uluslararası firmalardır. Sertifikasyon sürecine katılan Türk firmalarının 6 ayda bir düzenlenen ve bu sertifikasyon sürecinin her aşamasındaki kararların alındığı CC ve PG toplantılarına katılmaları ve söz sahibi olmaları oldukça önemlidir. Şu ana kadar bu toplantılara 1-2 Türk firması harici maalesef katılım olmamaktadır.

Kaynaklar

[1] EN 13053, “Binalar için Havalandırma - Klima Santralleri - Üniteler, Bileşenler ve Bölümler için Güç ve Performans”, 2006+A1:2011.

[2] Eurovent Air Handling Units Energy Efficiency Class, Fourth Edition, 2013.