Enerji Kullanımının Azaltılmasında Fan Verimliliğinin Önemi
Fanlara düzenlemeler getirmek enerji tasarrufu sağlarken, çok daha büyük
miktarlarda enerji tasarrufu, düşük basınç kayıplı sistemlerin tasarımı,
kurulumu ve yüksek verimli fanların kullanımından kaynaklanabilir.
Bu makale yeni bir fan verimlilik gerekliliği, Standart 90.1’in fan güç sınırlaması ile nasıl
işleyeceğini incelemektedir. Birleşik Devletler’de, ticari binaların enerji
tüketim bütçelerinin büyük bir kısmını HVAC sistemleri tüketmektedir.
Besleme, dönüş ve egzoz fanları yıllık yaklaşık olarak 1,25 katrat (veya 225
milyar varil petrole eş değer) enerji tüketimi yapmaktadır. Bu yılın sonbaharında, ANSI/ASHRAE/IES
Standard 90.1, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential
Buildings (Alçak Meskun Binalar Harici Binalar için Enerji Standardı),
ANSI/AMCA Standard 205-12, Energy Efficiency Classification for Fans (Fanlar
için Enerji Verimlilik Sınıflandırılması)’nı baz alan bazı fan verimlilik
gereklilikleri içerecektir. Bu makale, fan verimliliğinin Standart 90.1’de
nasıl bir rol oynayacağını, standartta fan güç sınırlaması ile fan
verimliliğine verilen özel ilgi üzerinden incelemektedir.
Temeller
HVAC performans
hedeflerine ulaşmak için gerekli olan hava debisini ısıl yükler ve havalandırma
gereksinimleri belirler. Gerekli olan hava debisi fanlar ile sağlanır. Hava
debisine olan direnç, bir fan tarafından hava akımına enerji uygulanması ile
yenilir. Fan tarafından hava akımına enerji uygulama hızına güç denir ve hava
debisi miktarı ile fanın toplam basınç artışının çarpımı ile bulunur. Fan
toplam basınç artışı, sistemin toplam basınç düşümünü dengeler.
Bir hava dağıtım
sisteminde, toplam basınç kaybı ile statik basınç kaybı arasında kayda değer
bir fark olduğunun göz önünde bulundurulması gereklidir. Hava dağıtım sistemi
içerisindeki hava akımı, çoğunluğu sürtünme kaynaklı olmak üzere toplam bir
enerji kaybına maruz kalır. Bu enerji kaybı, statik basınç kaybı ile değil
toplam enerji kaybı ile temsil edilir. Statik basınç, her zaman düşüş göstermez
ve kanal genişlemelerinde, daralmalarında ve branşmanlarda hız basıncına dönüştürülebilir.
Benzer şekilde fan
verimliliği, fan toplam verimliliği ile açıklanır ve havaya verilen enerji ile
fan şaftına uygulanan enerjinin birbirine oranlanması ile bulunur. Yaygın
uygulama olarak, fan seçiminin fan statik basıncı üzerine kurulması yanlıştır
ve enerji tasarrufu her geçen gün önem kazandıkça tekrar gözden geçirilmeye
ihtiyaç duyacaktır.
Bir çalışma noktasındaki
hava debisi ve basıncı için, en yüksek verimli fan en az enerji tüketimi yapan
fandır. Fakat, en verimli fanın seçimi özellikle hava dağıtım kanal sisteminin
zayıf tasarlanması ve kurulması durumunda en düşük enerji tüketimini
sağlayamayacaktır. 20.000 ft3/dk debi gerekliliği olan iki sistemi
ele alalım. Sistem A’nın toplam basınç kaybı 5,5 in.wg (inç su sütunu) iken
Sistem B’nin uygunsuz biçimde konumlanmış dirsekler sebebiyle toplam basınç
kaybı 7 in.wg’dir. Sistem A’nın fanı % 65 toplam verimlilikte
çalışırken, Sistem B’ninki %70 verimlilikte çalışmaktadır. İlk bakışta daha
verimli olan fan daha az enerji tüketiyormuş gibi görünür fakat gerçekte bu
şekilde değildir. Basit hesaplamalar ile Sistem A’nın fanı 26,6 hp güç
tüketirken, bu değerin Sistem B için 31,4 hp olduğu bulunabilir. Bu farkın asıl
sebebi fan verimliliği değil, Sistem B’nin toplam basınç kaybının daha yüksek
olmasıdır.
Fan enerji tüketiminin
en aza indirilebilmesi için ilk adım hava dağıtım sistemi tasarımının dikkatle
yapılması sayesinde toplam basınç kaybının minimize edilmesidir. Fanı, bir
sisteme (yüke) hareket veren bir motor gibi düşünün. Yük ne kadar küçük olursa,
motor o kadar az enerji harcar. Öncelikle sistem tasarımı ve dikkatli kurulum;
sonra da en verimli fan seçimi önem arz eder.
Mevcut Gereklilikler
Yıllardır, Standart
90.1, hem sistem tasarımına hem de fan verimliliğine etki eden bir fan gücü
sınırlaması dayatmakta idi. Örneklemek gerekirse, fan gücü sınırlaması olan
Opsiyon 2, (Standard 90.1 Tablo 6.5.3.1.1A) bir sistemdeki tüm fanların net
şaft gücünün, belirtilen maksimum değerin altında olmasını gerektirmektedir.
Denklem 1 bu gerekliliği genel bir şekilde göstermektedir:
H ≤ αQ + A
H = fan güç limiti, fren
beygir gücü
α = sistem tipine bağlı
olan katsayı (sabit veya değişken debili)
Q = besleme hava debisi,
ft3/dk
A = basınç kaybı
düzeltme değeri, belirli sistem konfigürasyonları ve/veya özel bileşenler
Pratikte, tüm fanlar
(besleme, dönüş ve egzoz) fan gücü hesaplamasına dahil olurlar. Bu makalede,
fan gücü sınırlamasının sistem tasarımı ve fan verimliliği üzerindeki etkisini
örnekleyebilmek için tek bir besleme fanı olan basit bir sistem göz önüne
alacağız
Denklem 1’in iki
tarafını da hava debisine (Q) böldüğümüzde, spesifik fan gücü (SFP) ifadesine
ulaşırız (Denklem 2)
SFP = (H/Q)
= (PT/ηT) ≤ α + (A/Q)
PT = fan toplam basıncı
ηΤ = fan toplam verimliliği
SFP’nin küçük değerleri
için, fan toplam basıncı (PT) düşüktür ve/veya fan toplam
verimliliği (ηΤ) yüksektir. Fan verimliliği her zaman
%100’den daha düşük olacağı için, fan gücü sınırlaması fan toplam basıncına
(sistem toplam basınç kaybına eşit olan) bir üst limit koyar. Bu değer, sistem
basıncının fan verimliliğine oranına eşit olduğu için, sistem tasarımcılarını
sistem basınç kaybını minimize edip yüksek verimli bi fan seçmeye iter.
Basınç kaybı düzeltme
değeri olmadığında (A=0), ve değişken hava debili (VAV) katsayının (α)
1,3 hp/kcfm (Çevirmen Notu: bu katsayının birimi 1000 ft3başına
uygulanan gücü beygir gücü cinsinden göstermektedir) olduğu durumda, Standart
90.1’e göre, farklı fan seçimleri için kabul edilen maksimum sistem hava
direnci hesaplanabilir. Örneğin, toplam basınç kaybı 6,5 in.wg olan sistemde
1,3 hp/kcfm gerekliliğini karşılamak için minimum %79 toplam verimliliği olan
bir fan kullanılmalıdır. Diğer yandan, fan toplam basıncı 2 in.wg olan bir
sistemin gerekli minimum fan verimliliği sadece %25’tir. Sistem basınç kaybı ne
kadar yüksekse, standardı karşılamak için gerekli olan fan verimliliği o kadar
yüksektir.
Tek fanlı bir sistemde,
fan gücü sınırlaması ile fan toplam verimliliği arasındaki ilişki Şekil 3’te
gösterildiği gibidir. Burada, fan toplam verimliliği, fan toplam basıncının bir
fonksiyonu olarak çizilmiştir. Orijinden uzanan radyal çizgiler, sabit SFP çizgileridir.
1,3 hp/kcfm çizgisinin soluna düşen tüm fan basınç ve verimlilik
kombinasyonları fan güç sınırlaması şartlarına uymaktayken, sağ taraftakiler
uymamaktadır. Düşük toplam basınç gerekliliği olan sistemler, standardı düşük fan
toplam verimliliği ile karşılayabilirler.
SFP limitine, sistem
basınç kaybının fonksiyonu olan bir fan verim gerekliliği de denilebilir.
Basınç kaybı düzeltme değeri sıfır olmasaydı, 1,3 hp/kcfm limiti daha yüksek
olacaktı. Örneğin, tüm dönüşlerin kanal yoluyla yapıldığı sistemlere 0,5 in.wg
basınç kaybı kredisi verilmektedir. Standart tarafından kabul edilen tüm basınç
kaybı düzeltme değerleri, %65 verimli bir fan ile karşılanabilen SFP değerinde
kabul edilebilir bir atrışa neden olur.
Fan güç sınırlamasına
uyumluluk, dikkatli sistem tasarımı ve mevcut fan teknolojisi ile elde
edilebilir. Fan güç sınırlamasına uygunluğun sağlanması, özellikle sistem
basınç kaybı düşük olduğunda kolaydır.
Fanların verimliliğini
bir minimum enerji verimliliği ile sınırlama ile çok daha fazla enerji
tasarrufu yapılabilir (özellikle düşük verimliliğe sahip fanlar fan güç
sınırlaması gerekliliklerini daha geniş bir aralıkta sağlayabilirler). Buna
karşın, gereklilikleri sadece fan verimliliği alt limiti ile karşılamaya
çalışmak beklenmeyen sonuçlar doğurabilir. Küçük fanlar, çeşitli faktörler
sebebiyle (hava viskozite etkisi, yetersiz oransal üretim toleransları ve
geleneksel fan kanunlarının ölçeği dışında kalan kayıplar sebebiyle) büyük
fanlara nazaran daha az verimlidir. Kanat çapı 10 in. olan bir fanın, gemoterik
olarak benzer kanat çapı 25 in. olan fana göre daha düşük bir en yüksek
verimlilik değeri vardır.
Minimum fan verimliliği
değerini çok yüksek belirlemek, daha küçük fanların ve ekipmanların kullanımına
engel olacaktır. Buna karşın, fan enerji verimliliğini sınıflandıran başka bir
seçenek vardır.
Fan Verimlilik Sınıfı
Fan verimlilik sınıfı
(FEG), en yüksek toplam verimlilik ile kanat çapı arasındaki ilişkinin farkına
varılabilmesi için yeni bir metriktir. FEG, ANSI/AMCA Standard 205 ve ISO
12759, Fans – Efficiency Classification for Fans (ISO 12759 Fanlar –
Fanların Verimlilik Sınıflandırmaları)’da tanımlanmıştır. FEG, bir fanın en
yüksek toplam verimliliğini baz almaktadır ve o fanın aerodinamik kalitesinin
göstergesidir. Belirli bir kanat çapında, FEG değeri 85 olan fanın, 67 olan
fandan daha yüksek aerodinamik verimliliği vardır fakat, bu değer belirli bir
uygulama için çalışma verimliliğini temsil etmez.
Standart 90.1-2013,
şartlandırılmış havaya hareket veren tüm fanlara minimum 67 FEG değeri
sınırlaması koymuştur (belirli enerji sınıflamasına giren fanlar, motor güçleri
5hp ve daha az olan fanlar, güçlü çatı vantilatörleri ve acil durum fanları
haricinde). Stadart ayrıca fanların seçiminin, en yüksek toplam
verimliliklerinden en fazla 15 puanlık fark dahilinde yapılmasını
gerektirmektedir.
Fanlar için yürürlülüğe
konan yeni bir düzenleme için 67’lik FEG değeri kabul edilebilir bir başlangıç
noktasıdır. Standarda yapılacak muhtemel revizyonlar daha yüksek seviyeler ve
daha sıkı seçim sınırlamaları getirecektir. Günümüzde, pazardaki fanların büyük
bir kısmı bu yeni gerekliliği karşılayabilir seviyededir.
5in.wg’den daha yüksek
basınç kaybı olan hava dağıtım sistemleri için, fan güç sınırlamasının
gereksinimlerinin karşılanabilmesi adına Standart 90.1 FEG değeri 67’den daha
yüksek olan fanların seçimini teşvik etmektedir. Tablo 1, ek basınç kaybı
düzeltme katsayısının sıfır olduğu tekil fanlı bir VAV sistemi için birçok fan
seçimini göstermektedir. Sadece FEG değerinin 67’den daha yüksek olması ve
çalışma verimlilik şartlarının karşılanması dışında hiçbir ek adım ve
hesaplamaya gerek yoktur. FEG, çalışma toplam verimliliği ve en yüksek toplam
verimlilik, fan üreticilerinin katalogları veya seçim yazılımları yolu ile
bulunabilir.
Örnekler
Aşağıdaki örnekler bir
fanı Standart 90.1 fan gücü limitlerini baz alarak ve % 15 puan verimlilik
sınırlamalı FEG kriterinde seçmenin sonuçlarını göstermektedir. Tüm örneklerde
fanın çalışma noktası 20.000 cfm debide ve 6 in.wg basınçtadır.
·
Örnek 1: En yüksek toplam verimlilikten bir puan düşük noktada çalışan ve
FEG değeri 85 olan bir fan seçilmiş olsun. Hesaplanan SFP değeri 1,14
hp/kcfm’dir ve FEG, fan gücü sınırlaması ve verimlilik kriterleri
karşılanmıştır.
·
Örnek 2: Fan FEG değeri 80 ve en yüksek verimlilikten 4 puan aşağıdadır.
Hesaplanan SFP 1,28 hp/kcfm olduğundan FEG, fan gücü sınırlaması ve verimlilik
kritlerleri karşılanmıştır.
·
Örnek 3: Fan FEG değeri 67 olup en yüksek toplam verimlilik değerinden 2
puan aşağıda seçilmiştir. Buna karşın, hesaplanan SFP 1,50 hp/kcfm olduğundan
standart kriterlerini karşılamamaktadır.
·
Örnek 4: Fan FEG değeri 85, fakat en yüksek toplam verimlilikten çok
aşağıda seçilmiştir (18 puan). Dolayısıyla SFP değeri 1,3 hp/kcfm limitini
aşmaktadır.
·
Örnek 5: Fan FEG değeri 63’tür ki bu değer ile fan elenmektedir. Seçim en
yüksek toplam verimlilik değerine çok yakındır (iki puan) fakat SFP değeri
uygun değildir.
Her ne kadar bu basit
örneklerin amacı fan verimliliği ile fan güç sınırlaması arasındaki ilişkiyi
açıklamak olsa da, pratik sistemler değişik şartlarda çalışan birden fazla fana
sahiptir. Yeni verimlilik kuralları tüm uygulanabilir fanların FEG değerlerinin
en az 67 olmasını gerektirecektir ama fan güç sınırlaması, bir sistemde
kullanılan düşük verimli fanların, yüksek verimli fanlar tarafından
dengelenmesini teşvik edecektir. Bu yeni düzenlemedeki 15 puan seçim
kriteri, fanların en yüksek verimlilik değerine yakın olarak seçilmesi için
anahtar bir bileşendir. 15 puan seçim kuralının amacının örneklenebilmesi
için, FEG değeri 85 olan 27 inç çift genişlikli, çift girişli kanatlı fan Şekil
4’te gösterilmiştir. Minimum ve maksimum sistem eğrileri, en yüksek stoplam
verimlilik değerinden 15 puan aşağısına karşılık gelmektedir. 15 puan
sınırlaması, nispeten yaygındır ve fan performans zarfının büyük bir kısmını
kapsamaktadır. Aslında, fan üreticilerinin sunduğu basılı kataloglarda ve seçim
yazılımlarında bulunan performans zarfına oldukça benzemektedir. Şekil 4’te
ayrıca, 1,3 hp/kcfm’lik SFP eğrisi de gösterilmektedir. Basınç ayarının
olmadığı bir VAV uygulamasına ait olan tekil bir fan için, standardı karşılayan
seçim sadece bu eğrinin altında kalan taranmış bölgeden yapılabilir. Bu da, fan
güç sınırlamasının sistem tasarımlarını düşük dirençlerde yapılmaya zorladığının
bir göstergesidir.
*YAN BİLGİ: Fan Statik
ve Toplam Basıncı
Aşağıda, tekil bir fan
tarafından çalıştırılan, toplam, statik ve hız basınçlarıyla beraber bir hava
dağıtım sistemi gösterilmektedir. Toplam basınç, fan hariç her yerde
azalmaktadır. Toplam basınç kaybı, hava debisine bağlı olan enerji kaybıdır ve
en iyi fan toplam basıncı ile açıklanır. Bu da fan seçiminde, fan toplam
basıncının, fan statik basıncına göre çok daha önemli olduğunun göstergesidir.
Ticari HVAC
sistemlerinde enerji kullanımı
Besleme ve dönüş fanları
%50
Egzoz fanları %30
Fan çalıştıran terminal
kutular %2
Kondenser fanları %5
Soğutma Kulesi Fanları
%1
Isıtma suyu pompaları %5
Kondenser su pompaları
%2
Soğuk su pompaları %2
20.000 cfm debi
gerekliliği olan iki hava dağıtım sisteminin tasarım ve buna bağlı enerji
verimlilik farklılıkları
Fan:65 percent total
efficiency: Fan: %65 toplam verimlilik
Required flow rate, cfm:
Gerekli hava debisi,cfm
Toplam sistem direnci,
in.wg
Fan toplam verimliliği,
%
Şaft gücü, beygir gücü
Standart 90.1’in
fan gücü sınırlaması gerekliliklerinin karşılanabilmesi için gerekli olan fan
toplam verimliliğinin fan toplam basıncının bir fonksiyonu olarak gösterimi
Compliant: Uygun
Non compliant: Uygun
değil
Fan total efficiency,
per cent: Fan toplam verimliliği, %
Spesific fan power,
hp/kcfm: Spesifik fan gücü, hp/kcfm
Fan total pressure, :
Fan toplam basıncı, in. wg (Sistem sınırı)
Fan Verimlilik
Sınıfı (FEG) ve Standart 90.1 fan gücü sınırlaması
Example: örnek
Shaft power: Şaft
gücü,hp
Fan toplam verimliliği,
%
En yüksek fan toplam
verimliliği, %
Verimlilik farkı
FEG
Spesifik dan gücü,
hp/kcfm
Sonuç
Pass : Uygun
Fail: Uygun değil
*Tüm örnekler 6in. wg
basınç kaybı ve 20.000 cfm debiye göredir.
FEG değeri 85
olan 27 inç çift genişlikli çift girişli kanatlı fanın çalışma zarfı
Minimum Select Line:
Minimum seçim çizgisi
Maximum Select Line:
Maksimum Seçim noktası
Peak total efficiency:
En yüksek toplam verimlilik
Flow rate: Hava debisi,
cfm
SİDEBAR
System: sistem
Equipment: Ekipman
FVP: Fan hız basıncı
FTP: Fan toplam basıncı
FSP: Fan Statik Basıncı
Pressure: basınç
+90 212 343 50 40
+90 553 343 50 40
Yorumlar
Yorum Gönder