Isı Geri Kazanım Cihazı Nedir, HRV Nasıl Çalışır?

Kışın -3 °C dış havada kullanılan bir toplantı salonu düşünün: havalandırma saatte 3.000 m³ temiz hava alıyor ve aynı miktarda 22 °C'lik kullanılmış havayı dışarı atıyor. Isı geri kazanımı olmayan bir sistemde bu taze havanın tamamı -3 °C'den oda sıcaklığına ısıtılır, atılan havanın enerjisi ise doğrudan kaybolur. Isı geri kazanım cihazı, atılan hava ile gelen havayı birbirine karıştırmadan bir eşanjörden geçirir ve egzozun ısısının büyük kısmını taze havaya aktarır. Bu salonda %75 sıcaklık verimli bir cihaz, taze havayı ısıtıcıya ulaşmadan yaklaşık 15,8 °C'ye getirir; hesabı aşağıda adım adım veriyoruz.

"Isı geri kazanım cihazı", "ısı geri kazanımlı havalandırma cihazı" ve "HRV cihazı" aynı ürünü anlatır. HRV, İngilizce heat recovery ventilator ifadesinin kısaltmasıdır; ısının yanında nemi de aktarabilen tiplere ERV (energy recovery ventilator) denir. Tavan tipi cihazlar genellikle birkaç yüz m³/h'ten birkaç bin m³/h'e kadar debilerde üretilir. Daha büyük debilerde aynı işi klima santrali içindeki ısı geri kazanım bölümü yapar.

Cihazın içinde ne var?

Bir HRV cihazının dört kanal ağzı vardır: dış hava girişi, mahale üfleme, mahalden emiş ve dışarı atış. Gövdenin içinde şu parçalar bulunur:

• İki fan: Biri taze havayı mahale basar, diğeri kullanılmış havayı dışarı atar. Yeni cihazlarda devri ayarlanabilen EC motorlu fanlar yaygındır.
• İki filtre: Taze hava filtresi mahale giden havayı temizler, egzoz filtresi eşanjörü tozdan korur. Taze hava tarafında daha üst sınıf filtre kullanılır.
• Eşanjör: İki hava akımının ısı alışverişi yaptığı çekirdek.
• By-pass damperi: Isı aktarımı istenmeyen günlerde taze havayı eşanjörün yanından geçirir.
• Yoğuşma tavası ve drenaj: Kışın egzoz tarafında yoğuşan suyu toplar.
• Kontrol kartı: Fan kademeleri, by-pass, filtre uyarısı ve varsa ısıtıcı kontrolü.
• Seçenekler: Elektrikli ön ısıtıcı, sulu ya da elektrikli son ısıtıcı, DX batarya, susturucu.

Isı geri kazanım cihazı nasıl çalışır?

Plakalı bir cihazda eşanjör, ince alüminyum ya da polimer levhaların aralarında dar kanallar bırakacak şekilde istiflenmesiyle oluşur. Taze hava bir kanaldan, egzoz havası yanındaki kanaldan geçer; iki akım levhanın iki yüzünde yan yana akar ama birbirine karışmaz. Isı sıcak taraftan soğuk tarafa levha üzerinden geçer.

Kışın sıcak olan egzoz havasıdır ve ısı taze havaya aktarılır. Yazın dış hava iç havadan sıcaksa yön tersine döner: serin egzoz havası gelen sıcak havayı bir miktar ön soğutur. Dış havanın iç havadan serin olduğu yaz geceleri ve geçiş mevsiminde ise ısı aktarımı istenmez, çünkü serin dış havanın olduğu gibi içeri alınması binayı soğutur. Bu durumda by-pass damperi açılır ve taze hava eşanjöre uğramadan mahale gider.

Eşanjör tipleri

Çapraz akışlı plakalı

İki akım birbirini dik açıyla keser. Yapısı basit ve dayanıklıdır; sıcaklık verimi karşı akışlı tiplere göre düşüktür. Eski ve küçük cihazlarda yaygındır.

Karşı akışlı plakalı

Akımlar levhalar boyunca birbirine ters yönde akar; sıcaklık farkı bütün eşanjör boyunca korunduğu için verim belirgin biçimde yükselir. Güncel tavan tipi cihazların çoğu bu tiptedir.

Entalpik (membranlı) plakalı

Levhalar nem geçirebilen bir membrandan yapılır; ısının yanında nem de aktarılır. İstanbul'un nemli yazında taze havanın nemini daha içeri girmeden egzoz tarafına vererek soğutma yükünü azaltır, kışın da iç havanın aşırı kurumasını önler.

Dönen tamburlu (rotorlu)

Yavaş dönen bir tambur egzoz akımında ısınıp taze hava akımında bu ısıyı bırakır. Verimi yüksektir ve higroskopik kaplamalı tipleri nem de aktarır; ancak az miktarda egzoz havası taze hava tarafına taşınabildiği için hastane steril alanları ve kimyasal egzoz gibi yerlerde kullanılmaz. Çoğunlukla klima santrali içinde görülür.

Bataryalı (run-around) ve ısı borulu

Bataryalı sistemde egzoz ve taze hava kanallarına birer batarya konur, aralarında pompalı bir su-glikol devresi dolaşır. Kanalların yan yana gelmesi gerekmez ve akımlar hiç temas etmez. Isı borusu ise içinde buharlaşıp yoğuşan bir akışkanla hareketli parça olmadan ısı taşır. İki tipte de verim plakalı karşı akışlı eşanjörün gerisindedir.

Hangi tipin hangi binada öne çıktığı ve bina ölçeğinde enerji tasarrufu tarafı enerji verimli sistemler yazısında ele alınıyor.

Verim nasıl okunur?

Kataloglarda verilen değer çoğunlukla taze hava tarafındaki sıcaklık verimidir ve TS EN 308'deki test yöntemine dayanır:

η = (t_üfleme − t_dış) / (t_emiş − t_dış)

Okurken üç noktaya dikkat edilir. Birincisi, verim eşit taze hava ve egzoz debisi için verilir; taze hava debisi egzozdan fazla ayarlanırsa verim düşer. İkincisi, kışın egzoz tarafında yoğuşma olduğunda açığa çıkan gizli ısı nedeniyle ölçülen verim kuru şarttakinden yüksek görünebilir; karşılaştırma aynı test şartında yapılmalıdır. Üçüncüsü, verim fan kademesine bağlıdır; düşük kademede yüksek, yüksek kademede daha düşüktür.

Mevzuat tarafında iki referans vardır. Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği, yeni binalarda 500 m³/h ve üzerindeki havalandırma ve iklimlendirme sistemlerinde ısı geri kazanım tasarımı yapılmasını, ilk yatırım ve işletme ekonomisi uygunsa yaz ve kış şartlarında en az %50 verimli sistemin uygulanmasını öngörür. Avrupa Birliği'nin 1253/2014 sayılı ekotasarım tüzüğü ise konut dışı binalardaki çift yönlü havalandırma cihazlarında en az %73, bataryalı sistemlerde en az %68 ısıl verim ister; aynı tüzük bu cihazlarda by-pass, kademeli ya da değişken devirli fan ve filtre kirlilik uyarısını da zorunlu tutar.

Örnek hesap: kazanılan ısı ve ek fan enerjisi

Girişteki toplantı salonu için değerler: 3.000 m³/h dengeli debi, dış hava -3 °C, emiş havası 22 °C, cihazın sıcaklık verimi %75.

1. Havanın kütlesel debisi: 3.000 × 1,2 / 3.600 = 1,0 kg/s
2. Eşanjör çıkışındaki taze hava sıcaklığı: −3 + 0,75 × (22 − (−3)) = −3 + 18,75 ≈ 15,8 °C
3. Geri kazanılan ısı: 1,0 × 1,005 × 18,75 ≈ 18,8 kW
4. Cihaz olmasaydı taze havayı 20 °C'ye ısıtmak için gereken güç: 1,0 × 1,005 × 23 ≈ 23,1 kW
5. Cihazla birlikte son ısıtıcıda kalan güç: 1,0 × 1,005 × (20 − 15,75) ≈ 4,3 kW

Eşanjör her iki hava akımına direnç ekler. Bu ek direnç akım başına 150 Pa, fan ve motorun toplam verimi 0,5 kabul edilirse ek fan gücü her akım için 0,83 m³/s × 150 Pa / 0,5 ≈ 250 W, toplamda yaklaşık 0,5 kW olur. Bu şartlarda 18,8 kW ısı geri kazanmak için yaklaşık 0,5 kW ek elektrik harcanır. Yazın tablo farklıdır: 33 °C dış hava ve 26 °C iç havada sıcaklık farkı yalnız 7 K olduğundan aynı cihaz duyulur ısıda yaklaşık 5 kW kazandırır. İstanbul'da yaz kazancını büyüten şey nem aktarımıdır; bu yüzden entalpik eşanjörlerin yaz performansı ayrıca değerlendirilir. Kendi debi, sıcaklık ve verim değerlerinizle hesap için klima santrali hesabı aracının ısı geri kazanım modunu kullanabilirsiniz.

Ne işe yarar, nerede kullanılır?

Cihazın işi, kişi başına gereken taze havayı ısı kaybını küçülterek vermektir. Bu yüzden en çok taze hava ihtiyacının yüksek, mahal havasının temiz olduğu yerlerde anlam kazanır:

• Ofis katları ve toplantı salonları; özellikle VRF ya da fan coil ile iklimlendirilen ve taze havası ayrıca çözülmesi gereken katlar
• Okul sınıfları, kurs ve eğitim salonları
• Restoran ve kafe salonları (mutfak egzozu hariç)
• Spor salonları, mağazalar, klinikler ve bekleme salonları
• Konutlar ve rezidanslar

Uygun olmadığı yerler de bellidir. Davlumbaz egzozu yağ buharı taşıdığı için eşanjörü kısa sürede kirletir ve yangın riski oluşturur; mutfak egzozu cihazdan geçirilmez, ayrı bir hatla atılır. Restoran havalandırma sistemlerinde HRV yalnız salon tarafının taze havası için kullanılır. Kapalı yüzme havuzlarında ihtiyaç ısı geri kazanımdan çok nem almadır ve özel nem alma santrali gerekir. Laboratuvar çeker ocakları ve kimyasal içeren proses egzozları da eşanjörden geçirilmez. Binanın genel havalandırma kurgusu havalandırma sistemleri sayfasında.

Donma koruması ve elektrikli ısıtıcı hesabı

Dış hava sıfırın birkaç derece altına indiğinde egzoz havasındaki nem eşanjörün soğuk ucunda yoğuşur ve donabilir. Donan kanallar egzoz akımını tıkar, verim düşer ve levhalar zarar görebilir. Cihazlar bu durumu üç yolla yönetir: taze hava girişindeki elektrikli ön ısıtıcıyla dış havayı donma sınırının üzerine çıkarmak, taze havanın bir kısmını by-pass etmek ya da taze hava fanını geçici olarak yavaşlatmak. Son yöntem mahalde negatif basınç yarattığı için sürekli çözüm olarak tercih edilmez. Dış havanın sıfırın altına sık indiği yüksek kotlu ve iç kesimlerdeki binalarda ön ısıtıcı ayrıca önem kazanır.

Elektrikli ısıtıcı gücü ısıtılacak havanın kütlesel debisi ve istenen sıcaklık artışıyla bulunur: P = ṁ × c_p × ΔT. Örnekteki 3.000 m³/h taze havayı -8 °C'den -3 °C'ye ön ısıtmak için 1,0 × 1,005 × 5 ≈ 5,0 kW gerekir. Eşanjör çıkışındaki 15,8 °C'lik havayı 20 °C üfleme sıcaklığına getirecek son ısıtıcı ise yaklaşık 4,3 kW'tır. Elektrikli ısıtıcılı cihazlarda şu güvenlik elemanları bulunmalıdır: fan çalışmadan ısıtıcının devreye girmesini engelleyen hava akış anahtarı, aşırı ısınmada devreyi kesen elle kurmalı termostat ve ısıtıcı kapandıktan sonra fanın bir süre daha çalışarak rezistansı soğutması.

Kumanda, kontrol paneli ve elektrik bağlantısı

Isı geri kazanım cihazı kumandası ya da kontrol paneli üzerinden genellikle şu işlevler yönetilir:

• Fan kademeleri ya da oransal debi ayarı
• By-pass damperinin otomatik ya da elle açılması
• Zaman sayacı veya fark basınç ölçümüne dayalı filtre kirlilik uyarısı
• Haftalık çalışma programı
• Karbondioksit ya da nem sensörüne göre debi ayarı
• Bina otomasyon sistemine haberleşme bağlantısı

Elektrik bağlantısı üreticinin etiket ve montaj kılavuzundaki değerlere göre yapılır. Küçük ve orta boy cihazların fanları çoğunlukla monofaze beslenir; büyük cihazlar ve elektrikli ısıtıcılar trifaze besleme isteyebilir. Cihaz kendi sigortası ve kaçak akım koruması olan ayrı bir hattan beslenir, elektrikli ısıtıcı varsa güç hattı ayrıca boyutlandırılır. Kumanda ile cihaz arasındaki sinyal kablosu üreticinin belirttiği tip ve uzunluk sınırında, güç kablolarından ayrı güzergâhta çekilir. Bağlantı yetkili elektrikçi tarafından yapılır ve devreye almada fan yönleri ile ısıtıcı kilitlemeleri denenir.

Montajda dikkat edilenler

• Dış hava ve atış ağızları: Atılan hava yeniden emilmeyecek kadar uzak ve farklı yönlere bakmalı; dış hava ağzı mutfak bacası, otopark egzozu ve çöp odası gibi kaynaklardan uzakta olmalıdır.
• Soğuk kanalların yalıtımı: Dış hava ve atış kanalları kışın soğuktur ve bina içinden geçerken yoğuşma yapar; buhar kesicili yalıtımla kaplanır. Ayrıntılar havalandırma kanalı izolasyonu yazısında.
• Drenaj: Yoğuşma tavası sifonlu bir hatla ve sürekli eğimle bağlanır.
• Ses: Cihazın üfleme ve emiş ağızlarına gerektiğinde susturucu konur, gövde esnek bağlantı ve titreşim takozlarıyla asılır; seçim için havalandırma susturucusu yazısına bakılabilir.
• Servis erişimi: Filtre ve eşanjörün çıkarılabileceği büyüklükte asma tavan kapağı bırakılır.
• Debi ayarı: Devreye almada taze hava ve egzoz debileri ölçülerek dengelenir; menfez seçimi ve yerleşimi menfez çeşitleri yazısında anlatılıyor.

Cihaza bağlanan kanal şebekesinin imalatı hava kanalı imalatı kapsamındadır.

Poz, fiyat ve teklif

Kamu ihalelerinde ısı geri kazanım cihazları Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı'nın mekanik tesisat birim fiyat tariflerindeki pozlarla tanımlanır; poz numarası cihazın debi aralığına göre değişir ve ilgili yılın güncel listesinden okunmalıdır. Pozların ve birim fiyat mantığının nasıl kullanıldığı mekanik tesisat birim fiyatları sayfasında. Özel projelerde fiyatı debi, eşanjör tipi ve verimi, fan motoru, ısıtıcı seçenekleri, kontrol kapsamı ve kanal işleri belirler; örneğin 4.000 ya da 5.000 m³/h'lik iki cihaz, eşanjör tipi ve ısıtıcı donanımına göre belirgin fiyat farkı gösterebilir. Kalem listesi klima santrali fiyatları sayfasında yer alıyor. Cihaz seçimi, montaj ve devreye alma işleri klima santrali hizmet sayfasında; keşif için iletişim sayfası.

Isı geri kazanım cihazı kapasite hesabı: debi ve dış statik basınç

Cihazın kapasitesi önce taze hava debisiyle belirlenir; ısıl hesap bu debinin üzerine kurulur. Debi kişi sayısı ve taban alanından bulunabilir. TS EN 16798-1'in ikinci kategorisinde kişi başına 7 L/s, düşük kirletici yayan binalarda taban alanının her metrekaresi için 0,7 L/s eklenir. 20 kişilik, 150 m²'lik bir ofiste:

• Kişi payı: 20 × 7 = 140 L/s
• Bina payı: 150 × 0,7 = 105 L/s
• Toplam: 245 L/s × 3,6 = 882 m³/h

İkinci adım, bu debinin kanal şebekesine karşı verilip verilemeyeceğidir. Dış hava panjuru, kanallar, susturucu ve menfezlerin toplam direnci örneğin 150 Pa çıkmışsa cihaz, fan eğrisinde 882 m³/h ve 150 Pa noktasını sessiz çalışacağı orta kademede karşılamalıdır. Katalogdaki nominal debi çoğunlukla belirli bir dış statik basınçta verilir; daha yüksek dirençli bir hatta aynı cihaz daha az hava basar. Proje ya da şartname başka bir taze hava değeri istiyorsa hesap o değerle yapılır. Kanal kesitleri ve direnç için hava kanalı hesabı aracı kullanılabilir.