Sürdürülebilir Binalarda Isıl Depolama
Özet
LEED puanlama sisteminde enerji
puanlamada %35 civarında bir yer tutmaktadır. Bunun için bina kabuğu
performansının artırılması, yüksek verimli HVAC sistemleri, yeenilenebilir
enerji teknolojilerinin kullanımı gibi hususların gerçekleştirilmesi gerekir. Avrupa
Birliği’nde ısı pompalarının yenilenebilir enerji kaynağı olarak kabul
edilmesine benzer şekilde ısıl depolama (Thermal Energy Storage-TES) da USGB
tarafından sürdürülebilir bir teknoloji olarak kabul edilmektedir. Burada ısıl
depolamanın binalarda enerji verimliliğine sağladığı katkı üzerinde
durulmuştur.
LEED enerji puanlama sistemi ASHRAE 90.1-2007 Energy Standard for Buildings Except
Low-Rise Residential Buildings’i esas almaktadır. Bu Standard enerji
tasarrufundan ziyade parasal tasarrufu esas almaktadır ki simulasyon
programlarındaki karşılaştırmalar da bune göre yapılmaktadır. Maliyetler tüm
enerji verimliliği olanaklarının değerlendirilmesinde ve bina sahiplerinin kararlarını etkileyen en
önemli unsurlardan birisidir. LEED puanlama sisteminde bina ASHRAE 90.1
standardına göre daha iyi performans sergilemesi gerekir. Standardın öngördüğü
asgari değer baraj kabul edilir. LEED’de başvurabilmek için bu barajın
geçilmesi gerekir. Baraj geçildikten sonra iyileşme oranının yüksekliğine göre enerji puanı alınır.
LEED
ve TES
Isıl depolamanın LEED puanında etkili olmasının bazı
sebepleri bulunmaktadır. Bunlar;
a. Gece
elektrik tarifelerinin gündüze göre düşük olması (bu şekilde çoğu binada
işletmede önemli düşüş sağlamak mümkündür),
b. Soğutmada
gecenin serinliğinden yararlanılarak daha verimli soğutma gruplarının daha
verimli çalışmaları,
c. Kojenerasyon,
ısı pompası gibi sistemlerin küçük kapasitelerde seçilmesi ve çalışma
sürelerinin uzatılması (ilk yatırım maliyetinde düşüş, işletmede verimlilik
artışı),
d. Gündüzleri
pik yükleri traşlayarak sistem verimliliğini artırır,
e. Heat
recovery özelliğine sahip su kaynaklı ısı pompalarında ısı geri kazanımın
depolanmasını sağlar.
f. HVAC
sistemlerinin verimli biçimde devreye girip çıkmalarına olanak sağlar.
g. Kojenerasyon
veya başka şekilde atık ısı çıkaran
sistemlerin atık ısılarının ihtiyaç olmayan zamanlarda depolanarak ihtiyaç olan
zamanlarda kullanılmasına katkı sağlar.
h. Güneş
enerjisi gibi yenilenebilir enerjinin depolanarak ihtiyaç olan saatlerde
kullanımını sağlar. Buz depolamada olduğu üzere faz değiştiren malzemelerle
küçük hacimlerde önemli miktarda sıcak depolamak da mümkündür.
i. Free
cooling yapmaya olanak sağlar.
Yapılan araştırmalarda pik (peak) dışı zamanlarda
(örneğin geceleri) kWh enerji üretiminde daha az fosil enerji tüketildiği
tespit edilmiştir (1). Bunun nedenleri;
a.
Pik zamanlarda elektrik üretim santralarındaki türbinler daha düşük verimle
çalışmaktadır.
b.
Elektrik iletim hatlarındaki kayıplar pik dışı zamanlarda (örneğin geceleyin)
daha düşüktür. Çünkü geceleri daha az enerji nakli gerçekleştirilmektedir.
c.
Enerji santrallarında generatörlerde pik dışı zamanlarda kayıplar daha azdır.
d.
Geceleri, pik dışı zamanlarda, emisyonu düşük ve daha verimli santralların
çalıştırılması ve diğerlerinin devre dışı bırakılma olanağı bulunmaktadır. Bu
da çevre dostu bir uygulamadır.
Kaliforniya’da yapılan çalışmalarda yukarıdaki
faktörler nedeniyle pik dışı zamanlarda enerji üretiminin %10 - %30 daha
verimli olduğu belirlenmiştir. Teknik olarak bu durumun Türkiye için de geçerli
olduğu söylenebilir.
Isıl
Depolama
Yukarıdaki hususlar dikkate alındığında ısıl depolamanın
gerçektende “yeşil” olduğu
söylenebilir. Diğer yandan çoğu HVAC tasarımcısı %20’ye kadar emniyet faktörü
uygulamaktadır. Buna karşın, HVAC sistemleri ömürleri boyunca %100 kapasitede
%5, %75 kapasitede %15, %50 kapasitenin altında %80 süre çalışmaktadır.
Dolayısıyla emniyet faktörleri ile büyütülen sistemler ömürleri boyunca kapasitelerinin
çok altında çalışmaktadır. Halbuki ısıl depolama yapılırsa emniyet faktörü ile
cihaz kapasiteleri ile büyütmek yerine aynı oranda küçültmek olanaklı
olmaktadır. Böylece ilave bir masraf gerekmeksizin sistem kapasitelerini
küçültmek ve daha verimli bir işletme gerçekleştirmek mümkün
olabilmektedir.
Yukarıda açıklandığı üzere ısıl depolama sistemleri,
ısıyı başka bir zamanda kullanmak üzere çeken ya da bir ortama ekleyen ve
verimliliği artıran sistemlerdir. HVAC uygulamaları için ısıl depolama, ısının
ısıtma ve soğutmada kullanılan sıcaklıklarda depolanmasını içerir. Yüksek
sıcaklıkta depolama genellikle güneş enerjisi ya da yüksek sıcaklıklı ısıtmayla
ilgili iken, soğuk depolama iklimlendirme ve soğutma sıcaklık uygulamalarını
içerir. Şekil 1’de bir soğutma sistemi ısıl depolama prensip şeması verilmiştir
(2).
Şekil 1. Chiller ile ısıl depolama (2).
Isıl depolama ile enerji, yüklenebilir, depolanabilir
ve günlük, haftalık vb. temelde ya da hızlı proses çevrimleri biçiminde
dağıtılabilir.
Duyulur ısıl depolamada çok kullanılan ortamlar su,
toprak, kaya, tuğla, seramik, beton ve bina yapısının ısıtılan ya da soğutulan
değişik kısımları (ya da proses akışkanı) şeklindedir. İklimlendirme, mahal
ısıtma gibi HVAC uygulamalarında su, genellikle seçilen depolama ortamı olup,
kaynama ve donma sıcaklıkları arasında tutulduğunda arzu edilen özelliklerin
hemen hepsine sahiptir.
Isıl
Depolamanın Yararları
Yukarıda açıklandığı üzere ısıl depolama için birincil
neden ekonomiktir. Aşağıdakiler ısıl depolamanın anahtar önemdeki yararlarından
bir bölümünü oluşturmaktadır.
Ekipman
büyüklüğünün azaltılması. Eğer
ısıl depolama ısıtma ya da soğutma yükünün tamamı ya da bir kısmını karşılamak
üzere kullanılırsa, seçilecek olan ekipman büyüklüğü pik yükü karşılamak için
seçilenden daha küçük olacaktır. (Yukarıda da açıklanmıştır). Küçük sistemler
ömür boyunca etiket değerlerine daha yakın çalışacakları için daha verimli
olacaklardır.
Sermaye
maliyeti kazanımı. Sermaye kazanımları hem ekipman
büyüklüğünün düşürülmesinden hem de gece elektrik tarifelerinin düşüklüğü ile
gece serinliğinde soğutma sistemlerinin verimli çalışmasından kaynaklanır. Bütün
bunlar depolama maliyetlerini rahatlıkla dengeleyebilecek niteliktedir. Düşük
sıcaklıktaki hava ve su dağıtım sistemleriyle bütünleştirilen soğuk depolama
daha küçük su soğutucular (chiller) pompa, boru tesisatı, kanal ve fanlar
nedeniyle kurulum maliyetlerinde kazanımlar getirir. Depolama, çok kısa süren
ısıtma ve soğutma pik yüklerine sahip sistemlerde sermaye maliyetlerinde bir
kazanım potansiyeline de sahiptir.
Enerji
maliyetinden kazanım. Elektrik
talep bedelleri gibi zamana bağlı enerji maliyetlerinin önemli ölçüde düşmesi
ve pik zaman kullanım bedellerinin azalması ısıl depolamanın sağladığı en
önemli tasarruflardır.
Enerji
tasarrufları. Isıl
depolama sistemleri enerji tasarrufundan çok,
enerji kullanımına zamansal bir kaydırma
getirmelerine karşın, depolama enerji tüketimi ve maliyetlerinde kazanımlar
sağlayabilmektedir.
Ülke enerji üretim sistemine katkı. Yukarıda
açıklandığı üzere pik dışı zamanlarda enerji santralları daha verimli
çalışmaktadır. Isıl depolama bu duruma yardımcı olmaktadır. Buradaki iyileşme
CO2 emisyonlarının azalmasına da katkı sağlamaktadır.
Diğer yandan düşük kondenser sıcaklıkları ekipman
verimini iyileştirdiğinde, soğuk depolama sistemleri su soğutucuların (chiller)
gece daha fazla çalışmasına izin vermekte olup, düşük kondenser sıcaklıkları
ekipman verimini artırdığında, depolama ekipmanın yetersiz kısmi yük
performansı ile değil tam yükte çalışmasını da sağlar. Soğutulmuş su
depolama sistemleri kullanan iklimlendirme sistemlerinin kWh temelinde yıllık
%12‘ye varan enerji tasarruf sağladıklarına ilişkin döküman bulunmaktadır.
Chiller kondenserlerinden geri kazanım yoluyla elde edilen ısı da ısıtma
ekipmanına duyulan gereksinimi ve sonuçta enerji tüketimini ortadan
kaldırabilir ya da önemli ölçüde düşürebilir.
HVAC
çalışmasının iyileştirilmesi. Isı
depolama bir sistemin ısıl depolama yeteneğine, yük profilinin ekipman
çalışmasından ayrılmasına olanak sağlayan yeni bir eleman ilave eder. Bu ilave esneklik,
güvenirlik ya da sistem kontrol ve çalışmasında yedekleme olanağı yaratır.
Diğer
yararlar. Depolama
diğer bazı yararları da beraberinde getirir. Örneğin soğuk depolama soğuk hava
dağıtım sistemi ile bütünler hale getirilebilir. Isıl depolama, soğuk suyla
yapılan depolamada çoğunlukla uygulandığı gibi ikincil bir işlev olan yangından
korunma amacıyla da düzenlenebilir.
Bazı soğuk depolama sistemleri serbest soğutma yoluyla
yeniden yüklenebilir niteliktedir. Isıl depolama, temel yüke sahip buhar
santrallerinden elde edilen atık enerjinin bir absorpsiyonlu chiller’de
üretilen ısının daha sonra kullanılmak üzere depolanması gibi enerji geri
kazanım yönünde de kullanılabilir.
Ekonomi. Isıl depolama
sistemleri temelde iki amaç için kurulurlar.
a Kurulum maliyetini,
b.İşletme maliyetini düşürmek.
Yük süresinin düşük ve yükün ortaya çıkması için geçen
sürenin uzun olduğu cami, kilise ve spor tesisleri gibi yerlerdeki uygulamalar,
genellikle ısıl depolama için en düşük kurulum maliyetine sahip alanlardır.
Soğuk su depolama gibi modüler olmayan geniş ısıl depolama uygulamaları önemli
bir ekonomi ortaya k
Kaynaklar
[1]
MacCracken, 2004, “Thermal Energy Storage
In Sutainable Buildings”, ASHRAE Journal, September 2004.
[2]
ASHRAE Application Handbook, 2006, “Thermal
Energy Storage”, Chapter 34.