24 Ekim 2013 | TEKNİK MAKALE 21. Sayı (Eylül-Ekim 2013)

Dr. İbrahim Çakmanus Çakmanus Mühendislik Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti.


Özet
Yeşil veya sürdürülebilir binalarda LEED ve BREEAM sürecinde ön şartlardan birisi havalandırma yapılmasıdır. Bunun nedeni, iyi havalandırılan ve temiz ortamlarda insanların daha huzurlu, konforlu ve üretken olduklarının kanıtlanmış olmasıdır. Bu nedenle LEED, ASHRAE 61.1 standardındaki minimum hava debilerinin en az %30 artırılması şartını koşmaktadır. Havalandırma, mekanik veya doğal olarak iki şekilde yapılabilir. Isıl ve konfor şartlarının korunması bağlamında ülkemizin birçok yerinde doğal havalandırma kesin çözüm değildir; ancak mekanik havalandırmada enerji tasarrufuna destek sağlayabilir. Bu nedenle konfor ve miktar olarak gereksinimleri tam olarak yerine getirebilen sistemler mekanik havalandırmadır. Isıtma ve soğutma mevsimsel olarak yapıldığı halde havalandırma tüm yıl boyunca yapılmak durumundadır. Hem hava debilerinin artırılması hem de tüm yıl boyunca çalışma zorunluluğu, havalandırma sistemlerinde enerji tasarrufuna azami dikkat etmek gerektiği anlamına gelmektedir. Bu yazı ve bunu takip edecek bazı yazılarda bu konudaki enerji verimliliği incelenecektir.
Yukarıdaki açıklama, geçen sayının özetiydi. Söz konusu sayıda klima santrallarında enerji verimliliği incelenmiş ve ikinci sırada fanların inceleneceği belirtilmişti. Aşağıda bu konu hakkında bilgi verilmiştir.
1. Giriş
Fanlar, havayı basınçlandırarak belirli bir akış yolu içinde hareket etmesini (bir yerden başka bir yere naklini) sağlayan turbo makinalardır. İyi bir fan, istenilen performansı yerine getirirken, az enerji tüketen (yüksek verimli), mümkün olduğunca az gürültülü ve ömür boyu maliyeti düşük olan fandır. Fanlar; binalarda HVAC sistemleri, egzoz sistemleri, garaj havalandırması, soğutma kulelerinde, hava soğutmalı soğutma sistemlerinde geniş biçimde kullanılmaktadır. Benzer şekilde endüstrinin hemen hemen her alanında geniş biçimde kullanılmaktadır.  
Türkiye’de binalarda ve sanayide verimleri yüksek olmayan çok sayıda fan vardır. Bu nedenle enerji verimliliğinin artırılmasında fanların ve fan sistemlerinin önemli katkısı olacaktır. Fan sistemlerinde enerjinin verimli kullanılması ,seçim, tasarım, imalat ve işletme süreçlerinin incelenmesi ile sağlanabilir. Çünkü fanların ömür boyu maliyeti içinde enerjinin oranı %90, ilk yatırım maliyeti ise %10 civarındadır. Bunun anlamı; bir işletme için en iyi fanın ilk yatırım maliyeti en düşük fan olmadığıdır. Bu nedenle fan, ömür boyu maliyeti minimum olacak şekilde seçilmelidir. Diğer yandan HVAC sistem tasarımcıları genellikle sistem debisi ve basınç belirlenirken tasarımda emniyet faktörlerini dikkate alırlar. Bu gibi hususlar ile eskime gibi nedenler mevcut fanlarda enerji verimliliğinin artırılmasında potansiyel oluşturur. Burada bir başka faktör de, fan imalatçılarının kendilerine verilen debi, basınç ve sıcaklık değerleri için en verimli noktada seçim yapmalarıdır. Eğer işletmede yukarıdaki nedenlerle bu değerlerin dışına çıkılırsa fan verimsiz çalışır. Bu nedenle montajdan sonra fanların istenilen verimde çalışıp çalışmadıkları kontrol edilmelidir.
2. Fan Çeşitleri
Fanlar; aksiyal fanlar, santrifüj fanlar, çatı tipi fanlar, jet fanlar, propeller fanlar şeklinde sınıflandırılabilir. Aksiyal fanlar tünellerde havalandırma ve duman kontrol fanları şeklinde (ayrıca jet fanlar), soğutma kulelerinde ve soğutma grubu kondenserlerinde kullanılır. Ayrıca son yıllarda otoparklarda havalandırma ve yangın fanları olarak da kullanılmaktadır. Santrifüj fanlar klima santrallerinde ve endüstride kullanılmaktadır. 
3. Fan Seçimi
Fanların Performans Değerleri
Fanlar, V (m3/s veya m3/h) debideki havayı ∆P (mmSS) basıncına yükselterek, çalıştığı sistemin basınç kayıplarını yenerek bir yerden bir yere iletirler. Bir binanın havalandırılmasında dışarıdan alınan taze hava klima santralinde ısıtılıp veya soğutularak fan ile basınçlandırılması suretiyle tüm binaya dağıtılması, bir endüstriyel tesiste atık gazların filtrelenerek atmosfere atılması örnek verilebilir. Fanlarda havanın hareketi akışkanlar mekaniğinin temel prensipleri ile açıklanabilir.
Fan gücü (kW)
N (kW) = Vx∆P /(3600x102xηfan)     [1]
Şeklinde ifade edilir. ηfan sürtünmeler ve kaçaklar nedeniyle tahrik motorundan fandaki hidrolik güce dönüşüme kadar meydana gelen kayıpları ifade eder. 
Fan Performans Değerlerinde Düzeltme Yapılması
Fan performans eğrileri genellikle deniz seviyesi (1 bar atmosfer basıncı) ve 15 °C hava sıcaklığı esas alınan standart koşullar için hazırlanır. Bu şartlardaki havanın yoğunluğu ρ=1.205 kg/m3 - referans yoğunluk- olarak alınır. Ancak fanlar genellikle bu referans şartların dışında çalışırlar. Örneğin yüksek rakımlı yerlerde, deniz kıyısında ama yüksek sıcaklıkta veya hem yüksek rakımlarda ve de yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler. Fanın bu gibi koşullarda çalışabilmesi için fan kanunlarında gösterilen yoğunluk düzeltmelerinin (rakım ve sıcaklık için) yapılması gerekir. Bunun için ideal gaz denkleminden (PV=mRT) yararlanılır. Bu denklem yoğunluk için düzenlenirse m/V=ρ=P/(RT) olur. Havanın yoğunluğu, yerin rakımına (atmosfer basıncının değişmesi nedeniyle) ve sistemdeki sıcaklığa bağlı olarak değişir. Yoğunluk, tablolardan doğrudan alınabilir veya ideal gaz denkleminden hesaplanabilir (aşağıdaki Fan Kanunları tablosuna bakınız).
Fan kanunlarından yararlanılarak bir durum için bilinen değerlerden hareketle yoğunluk, devir sayısı, rotor çapı gibi parametrelere bağlı olarak yeni bir durumda çalıştırılması durumundaki debi, basınç, güç, gürültü hesaplanabilir.
4. Fanlarda Enerji Verimliliği
Yukarıda açıklandığı üzere binalarda fanlar klima santralleri, egzoz fanları, garaj havalandırma vb. gibi çok çeşitli amaçlarla kullanılmakta olup, fanın ömrü boyunca tüketeceği enerji, bu fanın imalat (ilk yatırım) maliyetinin onlarca katı olabilmektedir. Bu nedenle ömür boyu maliyeti (ilk yatırım ve ömür boyu enerji maliyetlerinin toplamı) az olan fan seçilmelidir. Fan verimi, fandan alınan hidrolik gücün fan şaftında fana verilen güce oranı şeklinde tanımlanır.
 
İsveç’te yapılan bir araştırmada HVAC sistemlerinde fan verimliliğinin Şekil 1’deki gibi olduğu tespit edilmiştir (2). Söz konusu çalışma 767 mevcut fanda 2005-2009 yılları arasında yapılmıştır. Yapılan ölçüm sonuçları Şekil 1’de görülmektedir.  
Belirtilen çalışmada ölçüm yapılan söz konusu fanların ortalama veriminin %33 olduğu ifade edilmektedir. Bu değer çok düşük olup, bunun anlamı, burada çok büyük tasarruf potansiyeli olduğudur. Bu bağlamda %33 olan bu ortalama verimin küçük değişikliklerle %60’ın üzerine çıkabileceği ifade edilmektedir (4) (%60 değeri, şu anda Avrupa Birliği’nde fanlar için minimum olarak kabul edilen verimlilik değeridir). İsveç, fan konusunda gelişmiş ve yetkin bir ülkedir. Bu ülkede bu kadar tasarruf potansiyeli olduğu dikkate alındığında, Türkiye’deki ortalama tasarruf potansiyelinin çok daha fazla olduğu değerlendirilebilir.
Diğer yandan enerji verimliği için fanlar, sistem ve prosesin ihtiyacına uygun biçimde seçilmelidir. Günümüz teknolojisinde fanın cinsine bağlı olarak domestik fanlarda, özellikle EC fanlarda %70’in üzerinde verim elde etmek mümkün olabilmektedir.
Fan Kanunları (Fan Denklemleri)
Fan kanunları en genel hali ile aşağıdaki gibi yazılabilir.
Debi için: V1=V2 x (D1/D2)3 x (n1/n2) x 1[2a] 
Basınç için: P1=P2 x (D1/D2)2 x (n1/n2)2 x (ρ1/ρ2)[2b]
Güç için: N1=N2 x (D1/D2)5x (n1/n2)3 x (ρ1/ρ2) [2c]
Gürültü için: L2 - L1 = 50 Log10(D2/D1) + 50 Log10(n2/n1) [2d]

Kaynaklar
[1] Çakmanus, İ., “Endüstriyel Fanlar: Tasarım, İmalat ve Enerji Verimliliği. Türk Tesisat Mühendisleri Derneği Yayınları, no:23, Ankara, 2009.
[2]  Brelih, N., Seppanen O., vd.,2013, “Design of Energy Efficient Ventilation and Air Conditioning System”, Romania.