Isıtma Havalandırma ve Klima Sistemlerinde Enerji Ekonomisi Dersi 3. Ünite Özet

Giriş

Isıtma sistemleri insanların konforlu, güvenli ve ekonomik şekilde yaşayabileceği ortamları sağlamak üzere tasarlanmalıdır. Ortam sıcaklığı ve nemi, insanların çalışma isteğini ve verimliliklerini çok fazla etkilemektedir. Yapıların ısıtma sistemlerinin uygun bir şekilde tasarlanması enerji tasarrufu ve çevre kirliliğinde azalma sağlamaktadır.

Isıtma Tesisatı Elemanları ve Cihazları

Isıtma tesisatındaki ana bileşenler denilince ilk başta; kazanlar, kat kaloriferleri ve kombi cihazları sayılmaktadır.

Isıtıcı eleman olarak ise radyatörler, konvektörle, radyant ısıtıcılar ve çıplak borular sayılmaktadır.

Diğer cihazlar ise genleşme depoları, pompa ve vanalar ile armatürlerdir.

Sıcak su kazanları ve ısıtıcı cihazlar

Malzeme açısından;

• Döküm kazanlar ve
• Çelik kazanlar olarak sınıflandırılmaktadır.

Çalışma sistemi bakımından ise;

• Atmosferik brülörlü ve
• Üflemeli brülörlü kazanlar olarak sınıflandırılmaktadır.

Sıcak su kazanlarının seçiminde iki önemli faktör;

• Kazan kapasitesi ve
• İşletme basıncıdır.

Döküm kazanlar TS430 standardına uygun olarak üretilmektedir. Döküm kazanlar ömür açısından daha avantajlıdır ve 30 yıla kadar kullanılabilmektedir. Döküm kazanlar geç ısınıp geç soğurlarken, çelik kazanlar çabuk ısınıp çabuk soğuyabilmektedir.

Çelik kazanlar; 1000 kW kapasiteye kadar TS EN 303- 1/2/3, 1000 kW’tan daha yüksek kapasitede ise TS 497 standardına göre monoblok olarak üretilmektedirler. Döküm kazanlardan daha ucuzdurlar. Ömürleri döküm kazanlara göre çok daha azdır. Tamir ve bakımları daha kolay olmasına rağmen korozyona karşı daha hassastırlar.

Üflemeli brülörlü kazanlarda; yanma için gerekli olan hava bir fan aracılığıyla kazana verilmektedir. Yanma düşey doğrultuda gerçekleşmektedir. Bu tip kazanlarda hava ayarı iyi yapılabildiğinden yakıt tüketimi daha düşüktür. Ayrıca çift yakıtlı brülörlerle alternatif yakıtların da kullanılabilme olanağı bulunmaktadır.

Atmosferik brülörlü kazanların üflemeli brülörlü kazanlardan temel farkı, yanma odası için gerekli olan hava kazan dairesi ortamından sağlanmaktadır. Bu tip kazandaki brülörlerde baca; yanma hücresi ve yakıt havası birbirleriyle uyumlu olması gerekmektedir.

Bu tip kazanların avantajları; sessiz çalışmaları, basit yapıda olmaları, aşınacak parçalarının olmaması ve dolayısıyla arıza yapma ihtimallerinin az olmasıdır. Bu kazanlar sadece doğalgaz ve LPG yakabilmekte olup sıvı yakıt için uygun değildir.

Kat kaloriferleri; bir veya birkaç dairenin ısınma ihtiyacını karşılayan bileşendir. Yakıt tipine göre farklı tasarımlı kat kaloriferleri kullanılmaktadır. Kat kaloriferinin çalışma prensibinde, daire veya konut bazında ısınan suyun borularla ısıtıcı elemanlara ulaştırılması ve ortama bu yolla ısının aktarılması prensibine dayanmaktadır.

Boylerler; konut, otel, hastane, turistik tesis ve benzeri yerlerde sıcak su ihtiyacının karşılanabilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Boylerler;

• Gömlekli ve
• Serpantinli olmak üzere iki tipte imal edilebilmektedir.

Gömlekli boylerler silindirik olarak imal edilir. Serpantinli boylerler i se düşey ya da yatay olarak yerleştirilen deponun içinde kazandan gelen sıcak suyun dolaşımını sağlamaktadır.

Kombi cihazları; hem ısınma hem de sıcak su temininde kullanılmaktadır. Bireysel olarak ısınmada tercih edilmektedir. Şofben ve kat kaloriferinin işlevini bir arada yerine getirmektedir. Kombiler doğalgaz veyahut LPG ile çalıştırılabilmektedir. Kombiler baca tipine göre üçe ayrılmaktadır:

• Bacalı kombi,
• Bacalı fan kitli kombi,
• Hermetik kombi.

Bacalı tip kombide, yanma havası kombinin bulunduğu ortamdan sağlanmakta olup atık baca gazı, baca kanalı ile atmosfere atılmaktadır. Bacalı fan kitli kombi; baca sorunu olan daireler için geliştirilmiştir. Fanlı kombilerin bacalı kombilerden farkı, atık baca gazının bir fan kiti aracılığıyla yine baca yolu ile dışarı atılmasıdır. Hermetik kombilerde ise yanma için gerekli olan taze hava bir fan kiti ile dış ortamdan sağlanmaktadır.

Isıtıcı elemanlar

Ortam ısıtmasında ısıtıcı elemanlar kullanılmaktadır. Kazan, kat kaloriferi ya da kombi aracılıyla üretilen sıcak suyun ısıtıcı elemanlara gönderilerek sıcak suyun enerjisinin ortama verilmesi ile ortamın ısıtılması sağlanır.

Radyatörler; kazandan gönderilen sıcak suyun veya buharın ısısının, çevreye ışınım ve taşınım yoluyla yayılmasını sağlayan ve ortamın ısınmasını gerçekleştiren elemandır. Klasik ısıtma sistemleri; kazandan çıkan suyun sıcaklığı 90 °C olarak, dönüş sıcaklığı ise 70 °C olarak tasarlanır. Kısacası bu sisteme 90/70’lik sistem denir ve bu sistemlerde radyatörlerin ortalama yüzey sıcaklıkları 80 °C’dir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan panel radyatörlerin ömürleri 15-20 yıl arasında değişmektedir.

Konvektörler; kanatlı borulardan oluşan ve baca etkisi yaratması amacıyla kanatlı boruların bir kasa içerisine alındığı elemanlardır. Uygulamada konvektörler panel radyatörlerde olduğu gibi doğal hava sirkülasyonuyla ısıyı yayabildikleri gibi, fan kullanımıyla da üflemeli tipte ısıyı yayabilmektedir.

Radyant ısıtıcılar; doğalgazlı radyant borular ve sıcak sulu radyant paneller olarak iki tipi mevcuttur. Radyant ısıtıcılar genellikle sanayide büyük hacimlerin ısıtılmasında kullanılmaktadır. Radyant ısıtma sisteminin çalışma prensibi olarak geçtiği hava ortamını ısıtmaksızın doğrudan ısıtılacak cismi ısıtır. Endüstride rastlanan radyant ısıtıcılar açık alevli ve boru radyant ısıtıcılardır.

Çıplak borular, ısıtıcı elemanların en basit şeklidir. Düz boru ya da kanatlı boru olarak uygulanmaktadır. Düz borular kolay uygulanabilir ve temizlenme avantajına sahiptir. Çıplak borulara seralarda ve bazı fabrika alanlarında rastlanmaktadır.

Genleşme depoları; ısıtma sisteminde suyun farklı sıcaklıklarda farklı hacimlerde bulunmasından dolayı, hacmi arttığında suyun depolandığı yer olarak tanımlanmaktadır.

Hava ayırıcılar; tesisatta bulunan havanın tesisattan atılması için bulunan elemandır. Tesisattaki havanın dışarıya atılması “pürjör” ile sağlanmaktadır.

Pislik ayırıcılar; tesisat içerisinde bulunan kalıntı, tortu ve pisliğin alınabilmesi amacıyla sistemde bulunan elemandır.

Boru, vana, pompa, kollektörler ve brülörler

Isıtma sistemlerinde suyun dağıtım ve kontrolü; boru, pompa ve vanalarla sağlanmaktadır.

Borular; suyun dağıtımı için kullanılmaktadır. Sıcak sulu ısıtma sisteminde kullanılan boruların anma basıncı çoğunlukla 10 bardır. Borularda yalıtım önem arz etmektedir. Genellikle ısıtma tesisatında çelik, bakır ve plastik boru kullanılmaktadır.

Vanalar; tesisatta su akışını düzenlemek ve tesisatın bir bölümünü diğer bölümünden ayırmak için kullanılmaktadır. Vanalar kazan, pompa gibi ısıtma sistemi elemanlarının giriş ve çıkışlarına, kolonlara ve branşmanlara yerleştirilmektedir.

Pompalar; ısıtma tesisatında sıcak suyun tesisat içerisinde dolaşmasını sağlayarak, sudaki enerjinin ortama aktarılmasını sağlayan elemandır.

Kollektörler; sıcak sulu ısıtma tesisatında, kazandan çıkan sıcak suyun dağıtımının kontrolünde ve sistemden gelerek kazana dönecek suyun kontrolünde kullanılan elemandır.

Brülörler; yakıtı hazırlayarak yanma odasına sevk edilmesini ve havayla karıştırıp yanmasını sağlar. Katı, sıvı ve gaz yakıtlar için farklı tipte brülörler mevcuttur.

Isıtma Sistemleri, Sistem Seçimi ve Enerji Ekonomisi

Isıl konfor ortamı; insanların kendilerini konforlu hissettikleri ortamdır. Isıl konforu etkileyen dört önemli faktörden;

• Birincisi ortam sıcaklığıdır. Konfor için ortam sıcaklığı; normal şartlarda 19-21°C arasıdır.
• Isıl konforu etkileyen ikinci faktör ortamın nemidir. Kış mevsiminde %40-70’lik bağıl nem normal bir iç ortam sıcaklığı ile birlikte konfor hissi vermektedir.
• Bir diğer ısıl konforu etkileyen parametre ortamdaki havanın hızıdır. Hava sıcaklığına bağlı olarak ortamdaki hava hızının 0,15 m/sn civarında olması ısıl konfor için yeterli görülmektedir.
• Isıl konforu etkileyen son parametre ise; dış ortama bakan duvarların iç yüzey sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkıdır. Konforlu bir ortam için sıcaklık farkı 2-3 °C arasında olmalıdır.

Suyun faz durumuna göre ısıtma sistemleri;

• Sıcak sulu ısıtma sistemi ve
• Buharlı ısıtma sistemi şeklinde ikiye ayrılmaktadır.

Suyun gidiş dönüş boru sayısına göre ısıtma sistemleri;

• Çift borulu ısıtma sistemi ve
• Tek borulu ısıtma sistemi olarak ikiye ayrılmaktadır.

Suyu binadaki dağıtma ve toplama şekline göre ısıtma sistemleri;

• Alttan dağıtmalı ve alttan toplamalı ısıtma sistemi,
• Üstten dağıtmalı ve alttan toplamalı ısıtma sistemi,
• Üstten dağıtmalı ve üstten toplamalı ısıtma sistemi olmak üzere üçe ayrılmaktadır.

Suyun dolaşımını sağlama şekline göre ısıtma sistemleri;

• Zorlanmış dolaşımlı yani pompalı ve
• Doğal dolaşımlı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Genleşme deposuna göre ısıtma sistemleri;

• Açık genleşme depolu ve
• Kapalı genleşme depolu olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Suyun sıcaklığına göre ısıtma sistemleri;

• Düşük sıcaklıklı ısıtma sistemleri (75/65 °C, 55/45 °C),
• Klasik sıcaklıklı ısıtma sistemleri (90/70 °C) ve
• Kaynar sulu ısıtma sistemleri (120 °C’nin üstünde) olmak üzere üçe ayrılmaktadır.

Isının ortama verilmesi şekline göre ısıtma sistemleri;

• Isıtma elemanlı ısıtma sistemi ve
• Radyant ısıtma sistemi olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Kazan dairesi konumuna göre ısıtma sistemleri;

• Çatı ısı merkezleri ve
• Klasik ısı merkezleri olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

Isı kapasitesine göre ısıtma sistemleri;

• Bireysel ısıtma sistemleri,
• Merkezi ısıtma sistemleri ve
• Bölgesel ısıtma sistemleri olmak üzere üçe ayrılmaktadır.

Toplu ısınmada sıcaklık tercihi yapılamaması ve enerji tasarrufuna ilişkin önlemlere tüm kullanıcıların özen göstermemesi son yıllarda bireysel ısıtma sistemlerine doğru tercih kaymasına neden olmuştur. Bunun sonucunda toplu ısıtma sistemlerinde pay ölçer seçeneği ortaya çıkmıştır.

Bireysel ısıtma sistemlerin de ise kat kaloriferi, kombi ve soba kullanılmaktadır. Bir veya bir kaç dairenin ısıtıldığı bu sistemlerde akışkan olarak sıcak su kullanılmaktadır. Yakıt olarak doğalgaz, kömür ve sıvı yakıt seçenekleri bulunmaktadır.

Bireysel ısıtma sistemlerinde kombinin avantajları ; çok az yer kaplaması, kolayca duvara monte edilebilmesi, sıcak su sağlayabilmesi ve otomatik kontrol sistemine uygun olmasıdır.

Bireysel ısıtma sisteminde tercih edilen kat kaloriferinin avantajları; tam otomatik modelleriyle enerji tasarrufu ve konforu birlikte sağlayabilmesidir. Boylerle birlikte işletilmesi durumunda, istenildiği anda kullanım için sıcak su sağlayabilmektedirler.

Merkezi ısıtma sistemleri (bina altından ısıtma); bir veya birkaç binanın bir blok altındaki bir kalorifer dairesinden ısıtıldığı sistemlerdir. Sıcak sulu merkezi ısıtma sistemlerinde kullanılan başlıca cihazlar ve armatürler şunlardır; sıcak su kazanı, borular, ısıtıcı elemanlar (radyatör, konvektör), sirkülasyon pompası, vanalar, genleşme tankı, otomatik kontrol cihazı ve diğer armatürlerdir. Su dolaşımının pompayla sağlandığı sistemler, daha ekonomik ve konforlu bir ısıtma sağladığından son yıllarda tercih edilmektedir.

Yakıt maliyeti ve cihaz verimliliği açısından bakıldığında; merkezi sistemlerde kullanılan kazanların verimleri kombiye göre daha yüksektir. Ayrıca kazanlarda otomatik kontrol sistemleri uygulanarak, verimlerini arttırmak mümkündür. Kombiye göre merkezi sistemlerde yakıt tüketimi daha azdır.

Bölgesel ısıtma; çok sayıdaki binanın ısıtma sisteminin tek bir ısı merkezine bağlı olduğu sistem olarak tanımlanmaktadır. Ayrıca uzaktan ısıtma sistemi olarak da adlandırılmaktadır.

Tek borulu dağıtma sisteminde, kazandan çıkan ana besleme hattı sırayla tüm radyatörleri dolaşır. En büyük dezavantajı dönüşe yakın olan radyatörlere giren su sıcaklığının daha az olması ve bu yüzden aynı hat üzerine konacak radyatör sayısının sınırlamasıdır. Diğer dezavantajı da ana borudan radyatöre verilen su debisinin ayarlanmasından kaynaklanmaktadır. Avantajları ise ilk yatırım maliyetinin düşüklüğü, hacimde daha az boru dolaşması (estetik avantaj), montajının basitliği ve duvarlarda daha az deliğe ihtiyaç duyulmasıdır.

Alttan dağıtma alttan toplama sisteminde; bodrum katına yerleştirilen sıcak su kazanından ana besleme hattı çıkmaktadır. Bu sistemde gidiş hattında bir gidiş kollektörü, dönüş hattında bir dönüş kollektörü bulunmaktadır.

Üstten dağıtma üstten toplama sistemi, kazan dairesinde boruları geçirmek için yeterli mesafe bulunmaması durumunda tercih edilir. Bu sistem şemsiye sistemi olarak da adlandırılır.

Çatı ısı merkezleri çok yaygın değildir. Yakıt olarak fuel oil ve kömür kullanımında ısı merkezinin çatıda olması, yakıtın çatıya çıkarılması, depolama ve emniyet gibi sorunları mevcuttur.

Düşük Sıcaklıklı Isıtma Sistemleri

Isıtma sistemlerinde verimi yükseltme ve düşük enerjili sistemlere geçme eğilimi gün geçtikçe artmaktadır. Klasik 90/70’lik sistem yerine 70/55, 65/45, 55/40 gibi sistemler ortaya çıkmıştır. Düşük sıcaklıklı ısıtma sistemlerinin en önemli avantajı ; suyu daha yüksek sıcaklıklara kadar ısıtmak için gerekli enerji yerine daha az enerji harcanması ve ısı kayıplarındaki azalmadır.

Yüzeyden ısıtma sistemleri, enerji tasarrufu sağlaması nedeniyle son yıllarda daha çok tercih edilmektedir. Yüzeyden ısıtma sistemleri duvardan, yerden ve tavandan gerçekleştirilebilmektedir.

Yerden ısıtma sisteminin hem olumlu hem de olumsuz yönleri mevcuttur:

• Kısaca olumlu yönleri , homojen bir ısı dağılımı sağlaması, zemin seviyesinin oda sıcaklığı ile aynı sıcaklıkta bulunabilmesi, bakım ve temizlik ihtiyacı bulunmaması, estetik açıdan boru ve benzeri elemanların bulunmamasıdır.
• Kısaca olumsuz yönleri ise döşeme sıcaklığının ayaklarda şişme ve sorunlar çıkartmaması için belirli bir sıcaklıkta tutulması gerekliliği, geç ısınıp geç soğuma özelliği, döşemede halı kullanımında sakıncalarının olması, belirli bir ömre sahip olması sayılmaktadır.

Duvardan ısıtma-soğutma sisteminde; binanın ısıtma ve soğutma ihtiyacını karşılayabilmek üzere duvar yüzeyine boru demetlerinden oluşan paneller yerleştirilmektedir. Boru demetlerinin içerisinde dolaştırılan akışkan ile ortamın soğutulması ya da ısıtılması gerçekleştirilmektedir.

Duvardan ısıtma-soğutma sisteminin;

• Avantajları; hem ısıtma hem soğutma yapılabilmesi, duvarlardaki ısıtma yüzeyi alanının fazlalığı, insan yapısına daha uygun bir ısı dağılımının sağlanabilmesi sayılmaktadır.
• Dezavantajları; ısı ataleti yüksektir ve ortaya bir arıza çıkması durumunda tüm duvarın yenilenmesi gerekmektedir.

Yoğuşmalı sistemler; baca gazı içerisinde bulunan buharın yoğuşturulmasıyla ortaya çıkan enerjiden yararlanma prensibine dayanmaktadır. Yoğuşmalı sistemlerde yoğuşmanın tam olarak sağlanabilmesi önemli bir parametredir.

Isıtmada Güneş Enerjisi Desteği

Güneş enerjisi başlangıçta sadece kullanım sıcak suyu amacıyla hayatımıza girmiştir. Daha sonra ısıtmaya destek ve elektrik enerjisi üretiminde de güneş enerjisinden yararlanma, uygulamada da kullanıma girmiştir.

Güneş enerji sisteminde dolaşan akışkanın donma riskine karşı gerekli önlemler alınarak katkı maddeleri eklenmelidir.

Isıtmada kazanla birlikte güneş enerjisi desteği kullanılan bir sistem için basit bir şema Sayfa 83’deki Şekil 3.6’da verilmiştir.

Güneş enerjisi sistemlerinde; hijyen, donma, kireçlenme, ömür, enerji kaybı, verim gibi faktörler göz önüne alınarak kapalı sistemler tercih edilmektedir. Kapalı sistemlerde de pompalı dolaşım sistemi tercih edilmektedir.

Isıtmada destek amacıyla uygulanan güneş enerjisi sistemleri kazana gidecek suyun ön ısıtılmasında kullanılmasıyla enerji tasarrufu sağlamaktadır.

Güneş enerjisi sistemlerinin ısıtma destek amacıyla kullanımındaki en ideal sistem, yerden ve duvardan ısıtma sistemleri dir.

Kaskad Sistemler

Merkezi ısıtma sistemi kullanılan binalarda, ısıtma sistemini mevsime göre ihtiyaç duyduğu optimum düzeyde çalıştırarak enerji ekonomisi sağlamaktadır. İhtiyaç olan ısı kapasitesini tek bir kazan yerine birçok duvar tipi cihazdan sağlamaktadır. Kaskad kazan sistemi olarak adlandırılan bu sistem, ihtiyaca göre sıralı olarak devreye girerek yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Ayrıca kazan yedeklemeye de gerek bulunmamaktadır.

Tipik bir kaskad sistemi altı ana bölümden oluşmaktadır. Sırasıyla;

• Cihazlar,
• Hidrolik sistem,
• Gaz sistemi,
• Baca sistemi,
• Elektrik sistemi ve
• Kontrol sistemidir.

Kaskad uygulamalarında en az iki , en çok yirmibeş cihaz birbirine bağlanabilmektedir.

Avantajları; verimli bir işletme olabilmesi, az yer kaplayabilmesi, suyun daha kısa sürede istenilen sıcaklık değerine ulaştırılabilmesidir.

Otomatik Kontrol ve Enerji Ekonomisi

Kazan işletmesinde, insan inisiyatifinden otomatik sistemlere geçilmesi yakıt tasarrufu, işletme kolaylığı ve konfor gibi avantajlar sağlamaktadır. %40’a varan enerji tasarrufu otomatik kontrol sistemlerinin kullanılmasıyla ortaya çıkabilmektedir. Isıtma sistemleri TS2164 standardı dikkate alınarak tasarlanmaktadır. Isıtma sistemlerinde kullanılan başlıca kontrol cihazları ve sistemleri şunlardır; Oda termostatı, Termostatik radyatör vanası, Kazan termostatı, Pay ölçer, Tam otomatik sistemli kazan kontrolü, Yakma yönetim sistemleri ve motorlu vanalarla sistem veya zon kontrolüdür.

Oda termostatı; önceden ayarlanan bir set değerine bağlı olarak odanın arzu edilen sıcaklıkta tutulmasını sağlayan elemandır.

Termostatik radyatör vanası; oda sıcaklığının belli bir düzeyde tutulmasıyla enerji tasarrufu sağlayan bir uygulamadır.

Kazan termostatı; kazandaki su sıcaklığını ayarlanan sabit bir değerde tutarak enerji tasarrufu sağlayan elemandır.

Pay ölçer; merkezi sistemlerde her dairenin tükettiği ısı miktarını harcadığı yakıt miktarına göre belirleyen cihazdır.

Motorlu vanalarla sistem ve zon kontrolü, ısıtma sisteminde enerji tasarrufu sağlayan ve son yıllarda pek çok tesisatta uygulanan bir sistemdir. Bu yöntem, sisteme veya belirli bir zona giden suyun sıcaklığı veya debisi değiştirilerek kapasite kontrolü yapma prensibine dayanmaktadır. Bu işlem iki veya üç yollu kontrol vanaları ile gerçekleştirilebilmektedir.

İki yollu vanalar, merkezi sistemdeki farklı dirençlerden oluşabilecek su sirkülasyonu farklılıklarını, fazla su geçen yerleri kısarak dengelemektedir.

Üç yollu vana kullanımında ise merkezi sistemde dolaşan su debisi sabit kalmaktadır. Isınma ihtiyacının az olduğu sürelerde bile borularda aşırı soğumalar ortaya çıkmamaktadır.

Dört yollu karıştırma vanasında, üç yollu karıştırma vanasının yanı sıra kazan dönüş suyu sıcaklığının yükseltilmesi de söz konusudur.