ORHAN EKREN, Sinan AKTAKKA, Macit TOKSOY

Isı Pompası Entegre Edilmiş Isı Geri Kazanımlı Havalandırma Cihazlarının Tasarım Kriterleri

Sürdürülebilir binalar oluşturabilmek için enerji dönüşüm sistemlerinin yüksek verime sahip olmasıgerekir. Bir binada enerji kullanımının yoğun olduğu ısıtma-soğutma, havalandırma sistemleri buanlamda önemli olup ısı geri kazanımlı havalandırma sistemi kullanımı enerjinin verimli kullanımınakatkı sağlayabilir. Örneğin Avrupa Birliği, binalarda enerji tüketiminin düşürülmesi için havalandırmasistemlerinde ısı geri kazanımlı havalandırma cihazlarının kullanımını zorunlu tutarak bunlariçin Ecodesign kurallarını uygulamaktadır. Bu kurallara göre ısı geri kazanımlı havalandırmacihazlarının enerji verimlerini 2016’da minimum %67 iken 2018 yılından itibaren %73’e çıkarmıştır.Isı geri kazanımlı havalandırma cihazlarının ısıl performans değerlendirmesi için sıcaklık verimi,performans katsayısı, ısıl verim, özgül fan gücü gibi EN308 ve EN13053’te tanımlanmış eşitliklerkullanılır. Isı geri kazanımlı havalandırma sistemlerinde verimi doğrudan etkileyen temel ekipmanolan ısı değiştirgeçleri reküperatif (plakalı) veya rejeneratif (rotorlu) olabilir. Günümüz teknolojisiısı geri kazanımlı havalandırma cihazlarında sıcaklık verimi (EN308’e göre) için, kullanılan havadanhavaya ısı değiştirgeçlerine bağlı olarak, belirli maksimum değerlere ulaşılmasını sağlamaktadır.Genel olarak denilebilir ki, uygulama sınırları içinde olası maksimum sıcaklık verimi çaprazakımlı ısı değiştirgeçlerinde en düşük, ters akımlı olarak adlandırılan çapraz-ters-çapraz akımlıdeğiştirgeçlerde daha yüksek, rotorlu ısı değiştirgeçlerinde en yüksek değerdedir. Isı geri kazanımıyapılan havalandırma sistemlerinde, besleme havasının iç ortam sıcaklığına getirilmesi için değişendış hava sıcaklığına göre gereksinim duyulan enerjinin, egzoz edilen yüksek sıcaklıklı havayıkullanarak mümkün olan en düşük enerji kullanımı (en büyük COP) ile sağlanmaktadır. Bu açıdanbakıldığında bir binada enerji kullanımının yoğun olduğu ısıtma-soğutma, havalandırma sistemlerioldukça önemli olup ısı pompalı ısı geri kazanımlı havalandırma sistemi kullanımı enerjinin verimlikullanımına katkı sağlama potansiyeli yüksektir. Bu nedenle bu çalışmada, ısı geri kazanımlı havalandırmaünitelerinde ısı pompası entegrasyonunun optimum tasarım kriterleri ve verimin ifadesiele alınmıştır.

Design Criteria of Heat Pump Integrated Heat Recovery Ventilation Units

In order to build for sustainable buildings we need high energy efficient energy conversion systems. For this reason, heating ventilation and air conditioning systems which have high amount of energy utilization in a building are crucial and ventilation system with heat recovery may help for efficient utilization of energy. For example, in Europe Ecodesign rules are applied and utilization of heat recovery is mandotary in order to reduce energy consumption in buildings. According to these rules, energy efficiency of ventilation system with heat recovery is increased from 67% (in 2016) to 73% (in 2018). For the thermal evaluation of ventilation unit with heat recovery, temperature efficiency, performance coefficient, thermal efficiency, specific fan power are used and these are introduced in EN308 and EN13053. Heat exchangers which have direct effect on efficiency of ventilation with heat recovery systems can be recuperative (plate type) and regenerative (rotary). In the current technic, temperature efficiency (according to EN308) of heat recovery ventilation system can be reach a maximum efficiency value depending to the air to air heat exchangers. In general, possible maximum temperature efficiency in the application ranges is the lowest in crossflow, higher in counter flow and the highest in roatary type heat exchangers. In ventilation systems with heat recovery, energy requirement to equalize the supply and indoor air temperature at different outdoor air temperatures is met by using high temperature exhaust air with the highest coefficient of performance. When viewed from this aspect, heating ventilation and air conditioning systems which have high amount of energy utilization in a building and utiliation ventilation systems with heat recovery and heat pump has great potential for higher efficiency. Therefore, in this study, optimum design criteria and efficiency expression for the heat pump integration to heat recovery ventilation units have been addressed.

PDF

___

[1] Türk Standartları, TS EN 308, “Isı Eşanjörleri- Havadan Havaya ve Atık Gazlardan Isı Kazanımı Cihazlarının Performansının Tayini Için Deney Metotları”, 21.10.1997.
[2] Almeida, A. T., Fonseca, P., Falkner, H., Bertoldi, P., “Market Transformation of Energy-Efficient Motor Technologies in the EU”, Energy Pol. 31 (6), 2003.
[3] Olympia Zogou and Anastassios Stamatelos, “Effect Of Climatic Conditions on the Design Optimization of Heat Pump Systems for Space Heating and Cooling”, Energy Convers. Mgmt Vol. 39, No. 7, pp. 609-622, 1998.
[4] S. A. Tassou, R. K. Green and D. R. Wilson, “Energy Conservation Through the Use of Capacity Control in Heat Pumps”, J. Inst. Energy 54, 30-34 (1981).
[5] S. A. Tassou, C. J. Marquand and D. R. Wilson, “The Effect of Capacity Modulation on the Performance of Vapour Compression Heat Pump System”, International Syrup. on the Industrial Application of Heat Pumps, UK, 1982, pp. 187 195.
[6] K. Lida, T. Yamamoto, T. Kuroda and H. Hibi, “Development of an Energy-Saving-Oriented Variable-Capacity System Heat Pump”, ASHRAE Trans. 88, 441-49 (1982).
[7] S. A. Tassou, C. J Marquand, D. R. Wilson, “Comparison of the Performance of Capacity- Controlled And Conventional-Controlled Heat Pumps”, Appl. Energy 14, 241-256 (1983).
[8] C. J. Marquand, S. A. Tassou, Y. T. Wang and D. R. Wilson, “An Economic Comparison of a Fixed Speed, a Two Speed, and a Variable Speed Vapour Compression Heat Pump”, Applied Energy Volume 16, Issue 1, 1984, Pages 59-66.
[9] C. K. Rice, “Efficiency Characteristics Of Speed-Modulated Drives At Predicted Torque Conditions for Air-To-Air-Heat Pumps”, ASHRAE Trans. 94, 892 921 (1988).
[10] S. A. Tassou, “Experimental Investigation of the Dynamic Performance of Variable-Speed Heat-Pumps”, J. Inst. Energy 64, 95-98 (1991).
[11] C. K. Rice, “Benchmark Performance Analysis of an ECM-Modulated Air-To-Air Heat Pump with a Reciprocating Compressor”, ASHRAE Trans. 98, 430-450, (1992).
[12] R. S. Adhikari, N. Aste, M. Manfren and D. Marini, “Energy Savings Through Variable Speed Compressor Heat Pump Systems”, Energy Procedia 14, (2012), 1337-1342.
[13] Young Sung Park, Ji Hwan Jeong, Byoung Ha Ahn, “Heat Pump Control Method Based on Direct Measurement of Evaporation Pressure to Improve Energy Efficiency and Indoor Air Temperature Stability at a Low Cooling Load Condition”, Applied Energy 132, (2014), 99- 107.
[14] Amir A. Safa, Alan S. Fung, Rakesh Kumar, “Performance of Two-Stage Variable Capacity Air Source Heat Pump: Field Performance Results and TRNSYS Simulation Energy and Buildings”, 94, (2015), 80-90.
[15] Türk Standartları, EN 14511, “Mekan Isıtma ve Soğutma İçin Elektrikle Tahrik Edilen Kompresör ile Calışan İklimlendirme Cihazları, Sıvı Soğutma Paketleri ve Isı Pompaları”, 2007.