Yaklaşık Sıfır Enerjili Binalar ve Havalandırma Sistemleri

Yazan: Sedat Taşkın, Systemair HSK Proje ve İş Geliştirme Mühendisi

1. Giriş 

AB Binalarda Enerji Performansı Direktifine göre, (EPBD) yaklaşık sıfır enerjili binalar (nnZEB), yüksek enerji performansı veya düşük primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi olarak tanımlanır. Bu tür binalarda binanın enerji ihtiyacının bir bölümü binada üretilen yenilenebilir enerjiden sağlanır. Net sıfır enerjinin anlamı ise binanın 0,0 kwh/m²yıl primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi, yaklaşık sıfır enerjinin anlamı ise binanın primer enerji tüketimi ˃0,0 kwh/m²yıl primer enerji tüketimine sahip olmasıdır. EPBD, 2018’den sonra inşa edilecek binaların yaklaşık sıfır enerjili binalar olmasını öngörüyor. Bina sınırları içindeki yapılması gereken hususlar EN 15603; 2008’de tanımlanmıştır. Binaların havalandırma tarafında ise atılan enerjinin geri kazanılması mantığı ile çalışan ısı geri kazanımlı havalandırma üniteleri kullanılması yaklaşık sıfır enerjili binaların yapılmasına destek sağlar [1].

Avrupa ülkelerinde, 2050 yılına kadar insanlar tarafından üretilen CO₂ emisyonlarının kalıcı zararlarının önlenebilmesi için yüzde 50 oranında azaltılması amaçlanıyor. Bu gelişmenin bina sektörüne yansıması ise enerji tüketimini azaltılması, yaklaşık sıfır enerjili ve yeşil binaların yaygınlaştırılması ile olacaktır. Avrupa enerji hedeflerine göre, kamu binaları 2018/2019, diğer binalar da 2020/2021 yılına kadar sıfır enerjili binalar olması hedefleniyor. Ancak bunu pratikte, çeşitli verimlilik artışlarıyla enerji gereksinimi en aza indirilmiş konut ve ticari bina olarak algılayabiliriz [2].

2. Avrupa’da Konutlarda Enerji Tüketiminin Tarihi

Avrupa’da ısıtma ihtiyacı için enerji tüketimi konutlar bazında incelendiğinde; Grafik 1’de Avrupa’da konutlarda m² başına yıllık ısıtma ihtiyacının 100 yıllık süreçte nasıl değiştiğini görebiliriz. Isı Yalıtım Yönetmeliği ve Enerji Tasarrufu Yönetmeliklerinin çıkarılması, bina teknolojilerinin gelişmesiyle enerji tüketimleri görülür şekilde azaltmıştır.

Enerji Tüketiminin Tarihi: 1918-2018

Grafik 1. Avrupa’da konutlarda enerji tüketim tarihi [3].

2014 yılı için konutlarda hedeflenen 45 kWh/m² olan ısıtma gereksinimi için enerji tüketiminin 2018 yılında Passive House Enerji Performansı Standartlarına göre 15 kWh/m²’ye düşürülmesi hedefleniyor. Yaklaşık sıfır enerjili binaların temel özellikleri; ısı yalıtımlarının çok iyi olması, hava sızdırmazlığı ve yazın güneş ısı kazançlarından çok iyi biçimde korunuyor olmasıdır. Böylelikle EPBD’ye göre 1Yaklaşık Sıfır Enerjili Bina”ların yaygınlaştırılması sağlanacaktır [3].

Binaların Enerji Tüketimi: 1918-2018

Grafik 2. Almanya’daki konutların enerji tüketiminin değişimi [4].

Grafik 1’de verilen Avrupa’daki konutların enerji tüketim değerlerinin dağılımı, Almanya’da yapılan araştırma sonuçlarına göre Grafik 2’de  görülebilir. Bu grafikten, en fazla enerji kaybının binalarda yalıtımın yetersiz olmasından kaynaklandığı görülür. İkinci sırada ise havalandırma gereksiniminden kaynaklanan enerji kayıpları yer alır.  Teknolojinin gelişmesi ile, binalarda kullanılan yalıtım teknolojisi gelişmiş ve sızdırmaz binalar yapılmaya başlamıştır. Böylelikle binaların dış yüzeyinde oluşan kayıplar azaltılmıştır. Daha önceleri evlerde infiltrasyon ile doğal olarak havalandırma olurken, artık sızdırmaz binalarda havalandırmanın mekanik olarak yapılma zorunluluğu doğmuştur. Pasif konut (yaklaşık sıfır enerjili bina) yapılabilmesi için yapılan mekanik havalandırmanın ısı geri kazanımlı olması, atılan enerjiden mümkün olduğunca faydalanılması gerekir [4]. Böylelikle, verimli havalandırma konusunda EPBD’ye (Türkiye için BEP Yönetmeliğine) uyum sağlanmış olacaktır.
BEP Yönetmeliğine göre Türkiye’de Bina Enerji Performansının hesaplaması için BEP-TR adında bir program hazırlanmıştır. Programın şu an kullanılan mevcut versiyonunda havalandırma modülü bulunmuyor. Şu anki hesaplama mantığında havalandırmanın bina enerji sınıfına bir etkisi yoktur. Ancak, yeni geliştirilen metadolojide mekanik havalandırma da dikkate alınarak referans bina tanımlamasında yer almıştır. Bu sebeple  ısı geri kazanımlı havalandırma ünitelerinin kullanımı bina enerji sınıfının daha yüksek çıkmasına katkı sağlayacaktır.

3. Isı Geri Kazanımlı Havalandırma Üniteleri Tipleri

Havalandırma ünitelerinde; ısı geri kazanım yapılması için çoğunlukla ısı tekerleği (rotary), zıt akışlı (counter flow) ve çapraz akışlı (cross flow) tiplerinde ısı değiştiriciler kullanılır. Daha yüksek verimler elde edilebildiği için günümüzde daha çok rotary tip ve counter flow tip ısı değiştiricili ısı geri kazanım üniteleri tercih edilir.

3.1 Zıt Akışlı (Counter Flow) Isı Değiştirici

Zıt akışlı ısı değiştiriciler; alüminyum plakalı ısı geri kazanım sistemleridir (resim 1). Sistem, zıt akış mantığı ile çalışır. Taze hava ve egzoz havası iki ayrı tabakadan geçer. Plakalar, maksimum ısı transferini sağlamak üzere tasarlanmıştır. Hava akışını kontrol edebilmek, free-cooling ve donmayı önlemek amacıyla ısı geri kazanım hücresinde by-pass damperi ilave edilebilir. Zıt akışlı ısı değiştiricilerde çapraz akışlı ısı değiştiricilere göre yüzey alanı artırıldığı için verim daha yüksek olup yüzde 90’a kadar ısı geri kazanım sağlanabilir.

3.2 Isı Tekerleği Tipi ( Rotary Type ) Isı Değiştirici

Isı tekerleği( rotor), havanın geçebilmesi için gözeneklere sahip dairesel bir alüminyum kütleden oluşur (Resim 2). Isı geri kazanımı, rotorun dönüşü ile sağlanır. Isı değiştirici rotorun dönüş hareketi ile egzoz havasının ısısını ve nemini rotorun kanatlarına aktarır. Aktarılan bu nem ve ısı enerjisi dönme hareketinin devamı sayesinde taze havaya yüklenir. Aynı cihaz ile kışın yapılan ısı transferi dışında yaz aylarında da enerji tasarrufu sağlamak ve nem alma prosesini gerçekleştirmek mümkündür. Isı tekerleği genellikle hız kontrollü olarak kumanda edilir. Rotorlu ısı geri kazanım sistemlerde ısı geri kazanım oranı genellikle yüzde 70-85 arasında değişir. Resim 2’de kış mevsimi için iç ortam sıcaklığının 20°C olduğu yüzde 70 verimle çalışan rotorun İstanbul şartlarında çalışma sıcaklıklarını görebiliriz.

Mevsim geçiş dönemlerinde ısı geri kazanımlı havalandırma ünitelerinde bulunan by-pass damperleri açılarak ve rotorun dönmesi durdurularak üniteler çalıştırılır. Bu işlem, binaların mevsim geçişlerinde daha az enerji harcayarak havalandırılmasını sağlar.
Ünitelerde frekans invertörlü veya EC motorlu fanlar kullanılarak ünitelerin enerji tüketim değerleri daha da azaltılabilir, daha verimli üniteler üretilebilir.
Binaların havalandırma ünitelerinin ısı geri kazanımlı olması; ısıtma ve soğutma kapasitelerini büyük oranda azaltır, böylelikle; ısı geri kazanımsız duruma göre daha küçük kapasitelerde kazan ve soğutma grupları kullanılabilir, hem ilk yatırım maliyeti hem de enerji tüketimi tüm sistem için aşağılara çekilebilir.

Resim 3’te zıt akışlı ve rotorlu tip ısı değiştiricili ısı geri kazanım üniteleri görülür. Piyasada, asma tavan arası, çatı arası, duvara monte edilen, zemine monte edilen dik tip gibi modeller mevcuttur. Ayrıca, Resim 4’te görüldüğü üzere konutlarda mutfaklarda ocak üzerine duvara monte edilen davlumbaz özellikli ısı geri kazanımlı konut havalandırma üniteleri de mevcuttur. Bu tip üniteler; davlumbaz ihtiyacı olduğunda davlumbaz olarak kullanılır, diğer durumlarda havalandırma için çalışır. Böylelikle yerden de tasarruf edilebilir.

Resim 4. Isı Geri Kazanımlı Konut Havalandırma Ünitesi [5].

4. En Çok Uygulanan Yeşil Bina Sertifikasyon Sistemleri

Passive House: 1990 yılında Almanya’da kurulan Passive House Institute tarafından oluşturulan sertifikasyon sistemidir. Çoğunlukla Almanya ve İskandinav ülkelerinde uygulanır.

BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Method): 1990 yılında İngiltere’de oluşturulan bir sertifikasyon sistemidir. Çoğunlukla Almanya, Hollanda, İskandinav ülkeleri ve Birleşik Krallık’ta uygulanır.

LEED (Leadership in Energy and Environment Design): 1998 yılında Amerika’da Yeşil Binalar Konseyi (USGBC: en: U.S. Green Building Council) tarafından oluşturulmuş sürdürülebilir yeşil bina sertifikasyonudur. Dünyada en çok uygulanan yeşil bina sertifikasyon sistemi olarak kabul görür.

MINERGIE: 1994 yılında İsviçre’de kurulan, bir sertifikasyon sistemidir. Çoğunlukla İsviçre’de uygulanır.

Tüm sertifikasyon sistemlerinde atılan enerjinin geri kazanılması amacıyla, binaların ısı geri kazanımlı havalandırma ünitesine sahip olması talep edilir.

Sonuç

Yukarıda belirtildiği üzere Avrupa’da 2018’den sonra yeni binaların yaklaşık sıfır enerjili (nZEB) binalar olması hedefleniyor. Burada binaların sızdırmaz hale getirilmesi, yüksek verimli ısı geri kazanımlı ünitelerin kullanılmasıyla ısıtma, soğutma yüklerinin minimize edilmesi, özellikle konutlarda genellikle görmezden gelinen insan sağlığı için büyük önem taşıyan taze hava ihtiyacı düzenli olarak sağlanacaktır. Yeşil Bina Sertifikasyon sistemlerinde de çevre dostu binaların yapılması için havalandırma ünitelerinin zorunlu olarak ısı geri kazanımlı olması gerekliliği, enerji tüketimini düşürmesinin yanında CO₂ salımlarını da minimize edebilecektir.

Kaynaklar:

[1]   Kurnutski vd, “How to define nearly net zero energy buildings”, Rehva Journal, May 2011.
[2]   http://www.izoder.org.tr/upload/dergiler/izolasyon-dunyasi-60.pdf  (Erişim tarihi: 14 Ocak 2015).
[3]   http://www.fgk-cro.de/  ( FGK Research Association ) (Erişim tarihi: 14 Ocak 2015).
[4]   Handel C, “ Ventilation with heat recovery is a necessaty in nearly zero energy buildings”, Rehva Journal, May 2011.
[5]   Systemair Academy Documents