Verimli HVAC Tasarımı

Isıtma, havalandırma ve klima (HVAC) sistemleri, ABD’deki ticari binalarda kullanılan enerjinin % 39’undan sorumludur. Hemen hemen her işletme veya devlet kurumu, HVAC sistemlerini iyileştirerek ve kullandığı sistemin verimliliğini artırarak önemli tasarruf yapma potansiyeline sahiptir.

Yüksek performanslı HVAC ekipmanlarının kullanılması, önemli miktarda enerji, emisyon ve maliyet tasarrufu (% 10-40) sağlar. Tüm bina tasarımı, HVAC sistemler “genişletilmiş konfor bölgesi” yaklaşımı ile kurgulandığında daha fazla tasarruf sağlanabilir (% 40-70). Genişletilmiş konfor bölgesi enerji yüklerini azaltmak için bir verimlilik yaklaşımıdır. Konfor sıcaklığı olarak belirlenecek değeri bir-birkaç derece aşağıda veya yukarıda tutmak gibi… Genişletilmiş konfor; yaz aylarında desikkantlı nem alıcılarla ortam havasını nemden arındırma, böylece sıcak fakat kurak bir hava sağlayarak sıcağın insan üzerindeki olumsuz etkisini azaltma gibi yöntemleri de içerir. Ayrıca yüksek performanslı HVAC sistemleri de, ısıl konforu sağlarken iç ortam çevre kalitesinin (IEQ) gelişmesine katkıda bulunur.

Bütünleşik bina tasarımı ile birlikte yüksek performanslı HVAC ekipmanı kullanmak, önemli miktarda enerji tasarrufu sağlar. Tipik olarak, yıllık enerji maliyetlerinde % 30’luk bir azalma, yaklaşık üç ilâ beş yıllık bir geri ödeme süresini göze alarak başarılabilir. Eğer geri ödeme süresinin yedi yıla kadar uzaması göze alınabilirse bu tasarruf % 40’lara çıkabilir. Verilen bu değerler, konvansiyonel konfor sunan binalar için geçerlidir (örneğin, kışın 70 °F, yazın 76 °F – 21.1 – 24.4 ᵒC).

Konfor bölgesi yaz aylarında doğal havalandırma ve kışın ısıtma sisteminin daha düşük sıcaklık değerine ayarlanması (yüksek düzeyde yalıtılmış ve bu nedenle duvar ve pencere yüzeylerinin ılık kalması sağlandığında) ile genişletilirse, elde edilecek tasarruf daha büyük olacaktır. Örneğin, ASHRAE Standardı 90.1’e asgari düzeyde uyan tipik bir ofis binası 75.000 Btu / ft²/yıl kullanabilir. ABD’de birçok kamu yapısının hedefi 50.000 Btu /ft²/yıl’dır. Konvansiyonel konfor sıcaklıklarını kullanan enerji açısından verimli bir binada ise bu değer, 40.000 Btu /ft²/yıl veya daha az enerji tüketebilir. Genişletilmiş konfor stratejileri ile tasarlanan ve işletilen bir bina ise sadece 20.000 ilâ 30.000 Btu /ft²/yıl arasında enerji kullanır.

Bununla birlikte, yüksek performanslı HVAC ekipmanlarını kullanan yüksek enerji tasarruflu tasarımların, sıradan yaklaşımların dışında, daha fazla çaba ve işbirliği gerektirdiği unutulmamalıdır.

Enerji ve Kaynak-Verimli HVAC Tasarımının Esasları

• Binanın tüm yönlerini, gereklerini, detaylarını aynı anda, birlikte ele alın.

Enerji verimli, iklim duyarlı yapı; mimari ve mühendislik endişelerini tasarım sürecinin en başında bir araya getiren bütünleşik bina tasarım perspektifini gerektirir. Örneğin, bir bina zarfı tasarımı, soğutma yükleri ve gün ışığı etkisi üzerindeki etkisi gözetilerek değerlendirmelidir. En son teknoloji ürünü aydınlatma sistemi ve verimli, uygun boyutta HVAC ekipmanıyla birleştirilmiş enerji tasarruflu bir bina zarfı birlikte kurgulandığında, sistemleri birbirlerinden ayrı olarak seçilen bir bina ve işletme maliyetinden büyük oranda tasarruf sağlanabilecek.

• Tasarım hedeflerine olabildiğince erken karar verin

Enerji ile ilgili yasal kodun gereğinin % 40 altında enerji kullanan yapılar, sadece kodun gereğini karşılayan yapılardan farklı bir HVAC sistemine sahip olacaktır. Fark, muhtemelen sadece ekipmanların kapasite büyüklüğünde değil, aynı zamanda temel sistem tipinde de olacaktır.

• HVAC sistemlerinin verimli çalışmasını sağlamak için “Doğru Kapasite” seçin

HVAC sistemleri seçiminde hesaba katılan emniyet faktörleri, binanın nihai dizaynı, yapımı ve kullanımı hususunda bir miktar belirsizliğe izin verir, ancak bunun sınırı vardır. Önemli ölçüde büyük seçilmiş bir ekipman, daha az verimli çalışır ve doğru boyutlandırılmış ekipmanlardan daha fazla masraflıdır. Örneğin, büyük boyutlu seçilmiş soğutma sistemleri havayı nemden arındırmayabilir, ortamı serin ancak “nemli” tutar. Tüm yük bileşenleri (mekânı kullananlar, aydınlatma, gölgelendirme sistemleri, hava durumu) için eşzamanlı en kötü senaryoyu varsaymak mantıksız ve pahalıdır. Daha sonra yeniden kapasite artırım ihtiyacını öngörecek en yüksek emniyet faktörlerini hesaba katmak da maliyeti artıran gereksiz bir şeydir.

• Ekipman seçilirken kısmi yük performansını düşünün

Ekipmanın kısmi yük performansı, HVAC boyutlandırması için kritik önem taşıyan bir konudur. Isıtma ve soğutma ekipmanı, tamamen yükte (yani, maksimum kapasite ve yakınında çalışırken) maksimum verimlilikle çalışır. Genellikle maksimum yükler % 1 -% 2,5 aralığında görülür. Böylece, HVAC sistemleri kasıtlı olarak zamanın en az % 97.5 ilâ % 99’u kadar büyüktür. Birçok ekipman, maksimum yük ihtiyacı ve emniyet faktörleri öngörülerek gereğinden daha büyük boyutlara sahiptir. Bu yüzden sistemler neredeyse hiçbir zaman tam yük altında çalışmaz. Aslında, çoğu sistem kapasitelerinin % 50’sinde veya daha azında çalışır.

• En yoğun talep dönemleri için elektrik yüklerini kaydırın veya azaltın

Elektrikli aletler genellikle geceleri, şebeke yükünün yoğun olmadığı periyotlarda daha düşük fiyatlı elektrik tüketir, tasarruflu çalışır. Mümkün olması halinde sistemleri bu durumdan yararlanacak şekilde tasarlayın. Örneğin, enerji yönetimi sistemleri, kısa süreli pik elektrik taleplerinin tüm yıl boyunca enerji faturalarını etkilemesini önlemek için kritik olmayan yükleri göz ardı edebilir veya pik yükler için termal buz depolama sistemleri kullanabilir. Termal buz depolama sistemleri geceleri düşük elektrik tarifesinden elektrik kullanarak buz üretir ve depolar, ertesi gün öğle saatlerinde pik yük ihtiyacında binanın soğutulması için kullanır.

• Genişleme planı yapın, ancak bunun için boyutlandırma yapmayın

Bina kullanımında bir değişiklik veya yeni teknolojilerin getireceği durum değişikliği, soğutma talebinin artmasına neden olabilir. Fakat aşırı kapasite sağlamak müsriflik olacaktır, fazla kapasite belki de asla kullanılmayacak veya gerektiği zamana kadar ekipman, kullanılamaz hale gelebilecek. Gelecekteki genişleme ihtiyacını öngörecek şekilde ekipman ve alan planlamak daha iyidir. Örneğin, mekanik odalar gelecek ihtiyaçları da öngörecek şekilde boyutlandırılmalı ve modüler ekipmanların kullanımı göz önünde bulundurulmalıdır

• Commissioning

Ticari HVAC sistemleri her zaman beklendiği gibi çalışmaz. Sorunlar, HVAC sisteminin tasarımından kaynaklanabilir veya ekipman ve kontroller yanlış bağlanmış veya kurulmuş olabilir. Devreye girme aşamasında, HVAC sistemlerinin tüm operasyonel açıdan test edilmesi, sorunların ortaya çıkması ve düzeltilmesini ve her şeyin planlandığı gibi işletilebilmesini sağlayacaktır. Kapsamlı bir devreye alma programı ayrıca, işletme ve bakım personelinin, tüm sistemlerin doğru işleyişi konusunda iyi bir eğitim almasını sağlayacaktır.

• Bir işletme ve bakım programı oluşturun

HVAC sistemlerinin doğru performansı ve enerji tasarruflu çalışması, ancak başarılı bir işletme-bakım programı ile sağlanabilir. Bina tasarım ekibi, bina işletmecisinin sağlayabileceği bakım seviyesinde etkili bir şekilde çalışacak sistemler tasarlamalıdır. Bununla birlikte, bina sahibi/işletmecisi de, HVAC sisteminin farklı bileşenlerinin sorunsuz bir şekilde çalışabilmesi için farklı derecelerde bakım gerektirdiğini anlamalıdır.

Tasarım Önerileri

Bina, ısıtma ve soğutma yüklerini azaltacak -mümkün olduğunca- çok özellik içermelidir, örneğin:

1. Cephe yükü ağırlıklı yapılarda, pasif ısıtma veya soğutma stratejileri (örneğin güneş kontrollü gölgelendirme sistemleri) kullanın.
2. İç mekân yükleri ağırlıklı yapılarda yüksek soğutma endeksine sahip camlar kullanılabilir.
3. Isı köprüsü oluşturmayı önleyen dış duvar konstrüksiyonları gözetilmelidir.
4. Dış duvar konstrüksiyonları hava bariyeri sistemlerle detaylandırılabilir.
5. En yüksek ısı direnç (R) değerine sahip duvar ve tavan konstrüksiyonu, maliyet açısından avantaj sağlar.
6. Verimli aydınlatma sistemleri tasarlanmalıdır.
7. Mümkün olduğunca gün ışığı varken ışık kısma kontrolleri kullanılabilir.
8. Etkin ofis ekipmanları tanımlanmalıdır (örneğin, EPA Energy Star^® Büro Donanımları).
9. Ekipmanlar için 20 ilâ 25 yıl, duvarlar ve camlar için 50 ilâ 75 yıl arasında yaşam döngüsü olduğu kabul edilebilir.

Tasarım hedeflerine olabildiğince erken karar verilmelidir. Tasarım ekibinin, yapı ruhsatı aşamasından çok önce nereye doğru gittiğini bilmeleri önemlidir.

1. Tasarım süreci boyunca tasarım ekibinin tüm üyeleri arasındaki iletişimin önemini vurgulayın.
2. Enerji verimliliği için proje hedeflerinin tüm üyelerine yazılı olarak iletilecek “Tasarımın Temel Prensipleri”ni belirleyin. Örneğin, böyle bir “Tasarımın Temel Prensipleri” listesinde, günışığı aydınlatma ve yüksek performanslı cam kullanımı, uygun aydınlatma kontrolleri ve iç mekân düzenlemesi gibi hedefler vurgulanmalıdır.
3. Yıllık enerji tüketimi ve yıllık enerji maliyetleri için niceliksel bir hedef belirlenmelidir.
4. Şematik tasarım sırasında kodların veya düzenlemelerin minimum gereksinimlerini karşılamak veya aşmak için hedefler belirtilmelidir.

HVAC sistemleri verimli çalışmasını sağlamak için “Doğru Boyut”

1. ANSI / ASHRAE / IES 90.1’de belirtilen HVAC emniyet faktörleri ve toplam yük miktarı üst sınır olarak kabul edilebilir.
2. Emniyet faktörleri makul bir seviyede uygulanmalıdır. Hiç şüphe yok ki en sıcak gün içinde, hiç gölgeleme olmadığı, tüm ışıkların açık olduğu, her bağımsız bölümde yangın kodları tarafından izin verilen azami sayıda insan bulunduğunu varsaymak mantıksızdır (Bu sayı, zaten binada bulunması mümkün olan en fazla insan sayısını bile aşmaktadır). Emniyet faktörleri, makul varsayımlar kullanılarak oluşturulmuş bir senaryoya uygulanmalıdır.
3. Belirsizliği azaltmak ve aşırılık boyutunu ortadan kaldırmak için güvenilir, yeni nesil bilgisayarlı analiz araçlarından yararlanmak gerekecektir. Bilgisayar simülasyonları ile bina tasarımının operasyonun tepe yüklerini nasıl etkilediği saatlik değerlerle tahmin edilebilir. Belirsizlikler azaltıldığında, aşırı büyük kapasite seçimleri faktörleri de azaltılabilir veya en azından daha gerçekçi bir çizgiye getirilebilir.

Ekipman seçerken kısmi yük performansı gözetilmelidir. Kısmen yükte verimli çalışabilen sistemler seçilmelidir. Örneğin:

- Değişken devirli fan sistemleri ve fan motorları için değişken hız tahrik kumandaları;

- Değişken kapasiteli kazan daireleri (örneğin, kademeli (yüksek / düşük) kazanlar, modüler kazan daireleri, alev modülasyonlu kazanlar);

- Yoğuşmalı kazanlar, kısmi yükün asgari oranına kadar azalmasıyla daha verimli çalışmaktadır (%95 -%96);

- Değişken kapasiteli soğutma sistemleri (örneğin, modüler soğutma grupları, çoklu kompresör donanımı ve değişken hızlı soğutma grupları);

- Değişken kapasiteli soğutma kuleleri (örneğin, değişken hızlı veya iki hızlı fanlı çoklu hücreli kuleler, reset kontrolleri);

- Değişken kapasiteli pompa sistemleri (örneğin, birincil/ikincil pompa çevrimi, değişken hızlı pompa motorları) ve

- Sıcak su, soğutulmuş su ve besleme havası için reset kontrolleri.

Yük, farklı zamanlara kaydırılmalı veya kısıtlanmalıdır.

- Elektrik hizmeti veren şirketlerin tarifeleri araştırılmalıdır; olumlu bir fiyat yapısı için pazarlık yapılabilir.

- Elektriğin en ucuz tarife diliminde olan saatler dikkate alınmalıdır.

- Gereksiz pik yük bedellerinden kaçınmak için enerji yönetimi kontrol sistemleri kullanılmalıdır (pik yükün düşürülmesi ve talebin sınırlandırılması…).

- Termal depolama sistemleri (ör. Termal buz depolaması) göz ardı edilmemelidir.

- Isıtma ve soğutma sistemleri için alternatif yakıtlar incelenmelidir (örneğin, bölgesel ısıtma sistemindeki buhar, çift yakıtlı kazanlar, yenilenebilir enerji kaynakları).

Ekipmanın önemli ölçüde büyütülmesi yerine olası genişleme planlanmalıdır.

Sistemleri doğru olarak boyutlandırmak, şu an için gerekli olan kapasiteden daha fazla kapasiteye sahip sistemleri kullanmaktan kaçınmak anlamına geliyor. Bu konsept, planlanan genişletmeyi sağlayacak şekilde belirli esneklikte tutulabilir. Hiçbir zaman gerekmeyecek gelecekteki bir yük için bugün aşırı kapasite seçilmemelidir:

- Kazanlar, soğutucular, pompalar, soğutma kuleleri gibi ilave ekipmanlar için gerekli fiziksel alan öngörülmelidir.

- Gerektiğinde ilave donanımları kolaylıkla kabul edebilen ve gelecekteki genişleme gereksinimlerini karşılamak için genişlemeye müsait dağıtım sistemleri tasarlanmalıdır.

Sonuçta, genişlemeye müsait, mümkün olduğunca esnek tasarlanmış sistemler, genişleme projesinin ilk maliyetinde ve işletme maliyetlerinde tasarruf anlamına gelmektedir.

HVAC sistemlerinin test, ayar, dengeleme işlemlerinin yapılması, “commissioning” sürecinin uygulanmış olması önemlidir.

ASHRAE Rehber 1.1 şu anda HVAC ekipmanı için kapsamlı bir devreye alma protokolü önermektedir. Yüksek performanslı binalar için daha genel maddeler içeren, “Toplam Bina İşletmeye Alma” prosedürlerinin geliştirilmesi gerekmektedir.

Bir işletme ve bakım programı yapılmalıdır.

- Binanın sahibi veya işletmecisinin sistemlere göre takip etmesi gereken bakım prosedürleri belirtilmelidir.

- Personelin sistem parametrelerini kolayca izlemesi ve ayarlaması için kontrol arayüzleri sağlanmış olmalıdır.

- Sistem kontrolü, işletimi ve bakımı için personele eğitim verilmelidir.

- Tüm ekipman ve kontrol sistemlerinin çalıştırılması ve bakımı ile ilgili belgeler, bina sahibi ile yapılacak sözleşmenin bir parçası olmalıdır.

- Kurulu tesisin, ekipmanın ve sistemlerin gereklerine göre yazılı, kapsamlı bir işletme ve bakım programı oluşturulmalıdır.

Kaynak: https://www.wbdg.org/resources/high-performance-hvac