Klima Santrali (AHU) Nedir? Nasıl Çalışır?

Günümüzde, modern yaşamın vazgeçilmez bir parçası haline gelen iklimlendirme sistemleri, binaların konfor seviyesini artırmak ve iç mekan hava kalitesini sağlamak için kritik bir öneme sahiptir. Bu sistemlerin temel yapı taşlarından biri olan klima santrali (Air Handling Unit – AHU), havayı temizleyen, ısıtma veya soğutma işlemlerini gerçekleştiren ve nihayetinde binaların içindeki ortamı istenen seviyede tutan sistemdir.

Klima santralleri, endüstriyel tesislerden hastanelere, otellerden ofislere kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu makalede, klima santrallerinin çalışma prensibini ve kullanım alanlarını detaylı bir şekilde ele alacağız. Ayrıca, HVAC mühendisliğini öğrenmenize yardımcı olması için damperler, ısıtma ve soğutma serpantinleri, ısı geri kazanım çarkları, nemlendiriciler, ısı eşanjörleri gibi bileşenleri inceleyeceğiz.

İngilizce’deki karşılığının (Air Handling Unit) baş harfleri ‘AHU’ ile anılan klima santralleri, genellikle orta ve büyük yapıda ticari ve endüstriyel binalarda tercih edilmektedir. Yapılara dışarıdan temiz hava tedariki sağlayan klima santralleri, aynı zamanda içerideki istenmeyen havanın da tahliye edilmesini sağlar. Klima santralleri genellikle bodrum katında, çatıda veya binanın katlarında yer alır. AHU’lar, bir yapının doğu tarafı, 1. ve 8. katlar arası gibi belirli alan ve bölgeler için ya da sadece bina tuvaletleri gibi tek bir amaca hizmet etmesi için kullanılabilmektedir. Bu nedenle, bir binada birden fazla kurulu AHU olması olasıdır.

Özellikle eski ve yüksek binalarda taze hava tedariki genellikle çatıda bulunan tek bir büyük AHU üzerinden sağlanır. Bu sistem tüm binayı besler. İçerdeki havayı dışarı taşıyan geri dönüş kanallarının olmadığı tasarımlar da vardır. Bu tip tasarımlar verimleri çok düşük olduğundan artık yeni binalarda tercih edilmiyor. Birden fazla ve nispeten küçük sistemlerle farklı bölgelerin ihtiyacının karşılanması fikri uygulamada çok daha yaygın. Ayrıca yeni binalarda hava sızdırma oranı daha düşüktür. Dolayısıyla sadece taze hava sağlayan sistemler bina içi pozitif basıncın artmasına neden olur. Bir geri dönüş kanalının olması, bu pozitif basıncın dengelenmesine yardımcı olur.

Klima santralleri havayı şartlandırır ve bina içerisine dağıtır. Dışarıdan taze ortam havasını alır, temizler, ısıtır veya soğutur ve talebe göre nemlendirir. Daha sonra bina içerisinde yer alan kanallardan havayı gerekli yerlere ulaştırır. Çoğu ünitede, binadaki kirli havayı odalardan dışarı atarak klima santraline gönderen ilave kanallar yer alır. Kirli hava buradan da bir fan yardımıyla atmosfere bırakılır. Bu dönüş havasının bir kısmı, enerji tasarrufu için temiz hava kaynağına geri gönderilebilmektedir. Bunun mümkün olmadığı durumlarda, dönüş havasındaki termal enerjiyi çekerek temiz hava girişine vermek de bir alternatiftir.

Tipik bir klima santralinde yer alan bileşenleri inceleyecek olursak;

İncelediğimiz tipik bir klima santrali tasarımında akış ve dönüş havası için iki AHU kanalı bulunmaktadır. Her bir kanalın giriş ve çıkışının atmosfere açık tarafında grid dediğimiz ızgaralar vardır. Bu metal ızgaralar, mekanik bileşenlere dış ortamdaki nesnelerin ve hayvanların girmesini engelleyerek sistemi korur.

Taze hava kanalının girişinde ve dönüş hava kanalının tahliyesinde damperler yer alır. Bu bileşenler eş zamanlı dönebilen çok sayıdaki metal levhadan oluşur. Havanın girmesini veya çıkmasını önlemek / izin vermek için duruma göre tamamen açılabilir ya da kapanabilirler. Ayrıca giren veya çıkan hava miktarını belirli yüzdelerde sınırlamak için ara bir konumda sabitlenebilirler.

Damperlerden sonra filtreler yer alır. Bunlar sisteme ve binaya giren tüm kir, toz vb. partikülleri yakalar. Eğer sistemde filtre olmazsa kanalların ve mekanik ekipmanların içinde toz birikmeye başlar. Bir aşamadan sonra bu partiküller içeriye giren taze havanın kalitesini düşürür. Bina sakinleri tarafından solunan bu hava aynı zamanda içeriyi de kirletir. Bu nedenle, mümkün olduğu kadar bu partikülleri filtrelemek isteriz.

Filtreler kiri toplarken, içinden geçebilecek hava miktarı kısıtlanır. Bu da filtreler arasında bir basınç düşüşüne neden olur. Her filtre grubunda bir basınç sensörü yer alır. Bu, filtrelerin ne kadar kirli olduğunu ölçer. Böylelikle filtrelerin değiştirme zamanı geldiği kolayca anlaşılır. Tipik olarak, panel filtre veya ön filtre sisteme ilk girişteki büyük partikülleri yakalar. Akabinde daha küçük toz parçacıklarını tutmak için torba filtreler yer alır.

Bir sonraki bileşenlerimiz soğutma ve ısıtma serpantinleridir. Bunlar havayı ısıtıp soğutarak istenen sıcaklığa getirir. Besleme havasının sıcaklığı, kanal sistemine girerken ve ısıtma/soğutma sonrası AHU’dan çıkarken ölçülmektedir. Binaya gönderilen hava içerideki insanları rahat tutmak için tasarlanan sıcaklıkta olmalıdır. Bu tasarlanan sıcaklığa referans sıcaklık noktası denir. Hava sıcaklığı bu değerin altındaysa, ısıtma serpantini hava sıcaklığını artırmak ve ayar noktasına getirmek için aktif hale gelir. Aynı şekilde eğer hava çok sıcaksa bu sefer soğutma serpantini hava sıcaklığını düşürmek için devreye girer. Serpantinler temelde ısı eşanjörleridir. İçlerinde sıcak veya soğuk bir akışkan vardır. Bu akışkan genellikle sıcak su, soğuk su, soğutucu gaz veya buhardır.

Son olarak kanal içerisinde hava akışını sağlayan fanlar yer alır. Besleme kanalındaki fan, dışarıdan aldığı taze havayı damperlerden, filtrelerden ve serpantinlerden çekerek binadaki kanal sistemine doğru gönderir. Özellikle eski kurulu AHU’larda santrifüj fanlar çok yaygındır. Ancak artık yeni sistemlerde EC fanlar tercih edilmektedir.

EC fanlar, motor aksamları değişimiyle soğutma ünitesine entegre olan doğrudan tahrikli fanlardır. Yani motor doğrudan fan şaftını döndürür. Hareketi aktarmak için kayış-kasnak vb. ekipman yoktur. Dolayısıyla bakımları daha kolaydır. Tasarımları nedeniyle geleneksel santrifüj fanlardan daha verimlidirler. EC fanlarda, fana verilen DC voltaj değiştirilerek hız kontrolü sağlanır. Bu da ihtiyaç oranında kullanım imkanı sağlayarak sistemin enerji verimliliğini artırır.

Fanın karşısında ayrıca bir basınç sensörü yer alır. Bu sensör fanın çalışıp çalışmadığını algılar. Fan çalışırken basınç farkı yaratır. Bu sayede olası bir durumda fan ekipmanındaki arızayı tespit etmek mümkün olur.

Bunun haricinde kanaldaki statik basıncı okuyan bir sensör daha vardır. Bazı klima santrallerinde fan hızı, kanalda oluşan ve sensörle ölçülen basınca göre ayarlanır. Sabit hacimli, yani sürekli aynı miktardaki havayla çalışan sistemlerde buna ihtiyaç yoktur. Ancak değişken hacimli sistem kullanıyorsanız fana bağlı değişken hızlı bir sürücünün de olması gerekir.

Nihayetinde şartlandırılan bu taze havayı binadaki istenilen bölgelere dağıtan kanallar da AHU’ların temel bileşenlerindendir. Binada kirli havayı dışarı taşıyan bir kanal sistemi daha vardır. Bu dönüş kanalları genellikle besleme kanallarının yanında yer alır. Ancak bu şekilde tasarlanması gerekmez. Uygun başka bir hat üzerinden de kirli hava tahliye edilebilir.

En basit haliyle dönüş kanalında sadece bir fan ve damper bulunmaktadır. Fan, binadaki kirli havayı içeri çekerek atmosfere tahliye eder. Damper ise AHU muhafazasının çıkışında yer alır. Klima santrali kapandığında otomatik olarak kapanır.

Tipik bir klima santralinde olması gereken minimum bileşenleri inceledik. Peki farklı koşullarda ne tür bileşenler ve tasarımlar kullanmamız gerekir?

Hava sıcaklığının donma noktasına ulaştığı veya ona yakın olduğu dünyanın soğuk bir bölgesindeyseniz ön ısıtıcı kullanmanız gerekir. Taze hava girişine konan bu ünite genellikle elektrikli bir ısıtıcıdır. Havanın çok soğuk olduğu zamanlarda ısıtıcı devreye girer ve AHU bileşenlerini dondan korumak için havayı ısıtır. Aksi takdirde soğuk hava direk temas halinde içerideki ısıtma ve soğutma serpantinlerini dondurup patlatabilir.

Örneğin müzelere ait teşhir ürünlerini ve eser depolarını ele alalım. Bu tarz yapılarda içeriye sağladığınız havanın nem oranını kontrol altında tutmanız gerekir. Bunun için besleme kanalındaki havanın nemini ölçen sensör kullanılır. Tasarım kriterlerine göre içeri giren hava şartlandırılmaktadır. Havanın nem içeriği bu değerin altındaysa bir nemlendirici kullanarak havaya nem vermemiz gerekir. Bu nemlendirici, kanal içindeki sıralama açısından AHU’daki son ünitelerden biridir. Fanın hemen önüne konur. Bu cihaz genellikle havaya ya buhar ekler ya da su sisi püskürtür.

Hava çok nemliyse bu sefer soğutma serpantini devreye girer. Nemli hava soğutma serpantinine çarptığında, soğuk yüzey havadaki nemin yoğuşmasına neden olur. Yoğuşan suyu toplamak ve boşaltmak için soğutma serpantininin altında tahliye tavasının olması gerekir. Havadaki nem oranı çok yüksek ve sizin nispeten kuru bir havaya ihtiyacınız varsa soğutma serpantinini çok daha düşük derecelere getirmeniz gerekir. Bu noktada AHU’daki taze havanın istenen sıcaklığın altına düşme ihtimali ortaya çıkar. Dolayısıyla ısıtma serpantini ile soğuttuğunuz havayı tekrar ısıtmanız gerekir. Bu da işletme açısından yoğun bir enerji kullanımına ve çok yüksek maliyetlere neden olur.

Klima santrallerinde dikkat etmeniz gereken faktörlerden biri de işletme maliyetidir. Şartlandırma yapmanız gereken hacim ne kadar büyükse maliyetiniz de o kadar yüksek olur. Dolayısıyla geri dönüş kanallarıyla atmosfere atılan havanın enerjisinden faydalanmak bu maliyeti azaltır. Besleme ve geri dönüş kanalları farklı alanlarda bulunuyorsa termal enerjinin bir kısmını geri kazanmanın yaygın bir yolu serpantin kullanmaktır. Taze hava ve geri dönüş kanallarındaki serpantinler birbirlerine borularla bağlantılıdır. Sisteme bağlı pompa iki serpantin arasındaki suyun dolaşımını sağlar.

Örneğin kış aylarında taze hava kanalına dışarıdaki soğuk hava girerken, dönüş kanalından dışarı atılan hava ise nispeten sıcaktır. Bu sistem dönüş kanalındaki atık ısıyı alarak taze hava kanalına aktarır. Böylelikle ısıtma serpantini üzerindeki yük bir nebze azalmış olur. Dönüş kanalında, taze hava girişinde ve kanallardaki havanın karıştığı noktada sıcaklık sensörleri yer alır. Bu sensörler sayesinde pompanın çalışma hızı ayarlanır ve sistemin verimi kontrol edilir. Bu sayede atık ısıdan kazanacağımız enerjinin, pompanın tüketeceği enerjiden daha fazla olduğuna emin oluruz.

Karşımıza çıkan bir başka tasarım ise besleme ve geri dönüş hatlarının birbirine bir kanal ile bağlanmasıdır. Bu tasarımda, ısıtma veya soğutma talebini dengelemek için egzoz havasının bir kısmı taze hava girişine gönderilmektedir. Bunu yapmak için egzoz havasının düşük CO₂ değerlerine sahip olduğundan emin olmanız gerekir. Bu nedenle bunu izlemek için CO₂ sensörlerini kullanırız. Eğer egzoz havası yüksek CO₂ değerlerine sahipse kullanılamaz. Gidiş ve dönüş hatlarını birbirine bağlayan kanaldaki damper kapanarak egzoz kanalındaki havanın tamamının binadan dışarı atılmasını sağlar.

Devirdaim modundayken ana giriş ve çıkış damperleri tamamen kapanmaz. Her halükarda belirli miktarda temiz hava girişinin olması gerekir. Kışın, egzoz havası dışardan daha sıcakken veya yazın egzoz havası dışarıdan daha soğukken serpantinlerin yükünü azaltmak için bu sistemden faydalanırız. Önceki tasarımda olduğu gibi taze hava, egzoz havası ve ikisinin karıştığı noktada sıcaklık sensörleri yer alır.

Bazı binalarda %100 taze hava kullanılması yasalarla ve düzenlemelerle zorunlu kılınmıştır. Özellikle egzoz havasının çok kirli olduğu endüstriyel fabrikalarda, atölyelerde ya da virüs vb. tehlikelerin hava yoluyla bulaşabileceği hastane gibi yapılarda bu konulara dikkat etmeniz gerekir.

Bir başka tasarım şekli de ısı çarkının kullanıldığı sistemlerdir. Daha yeni ve kompakt klima santrallerinde tercih sebebidir. Sistem küçük bir indüksiyon motoruna bağlı olarak dönen bir çark kullanır. Çarkın yarısı egzoz, diğer yarısı ise taze hava kanalı içinde yer alır. Isı çarkı döndükçe egzoz kanalındaki atık ısıyı taze hava kısmına ya da tam tersi taze havadaki ısıyı egzoz kanalına aktarır. Diğer sistemlerdeki gibi amaç soğutma ve ısıtma yükünü bir nebze olsun azaltmaktır.

Isı çarkının bulunduğu kısımda tam bir sızdırmazlık olmadığından taze hava ile egzoz havasının ufak oranlarda birbirine karıştığını belirtelim. Dolayısıyla %100 taze hava kullanımı istenen yerlerde başka bir tasarım seçmeniz gerekir.

Bu tasarımda da aslında bir nevi eşanjör olan reküperatör yer alır. Kompakt klima santrallerinde tercih edilmektedir. İnce metal plakalardan oluşan reküperatör, içinden geçen taze hava ve egzoz havasından sıcak olanının ısısını metal plakalara aktarması sayesinde, aralarında ısı alışverişi yapmalarını sağlar. Reküperatörden geçen taze hava ve egzoz havası hiçbir zaman birbiriyle karışmaz. Dolayısıyla %100 taze hava gerektiren yapılarda kullanılabilmektedir.

İlginizi Çekecek İçerik : ‘Chiller Nedir ve Nasıl Çalışır? Chiller Çeşitleri Nelerdir?’