Enerji Kullanımının Azaltılmasında Fan Verimliliğinin Rolü

05 Haziran 2013 Dergi: Haziran-2013

ASHRAE’nin 90.1-2013 Standardı, bu standardın fan güç sınırlaması ile beraber fan verimlilik gerekliliklerini nasıl şekillendirecek?

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 (Şekil 1). 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 (Fan statik ve toplam basıncı yan bilgisine bakınız*).

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 (ŞEKİL 2). 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 (1)

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) = (P_T/η_T) ≤ α + (A/Q) (2)

P_T = fan toplam basıncı

η_Τ = fan toplam verimliliği

Ticari HVAC sistemlerinde enerji kullanımı

SFP’nin küçük değerleri için, fan toplam basıncı (P_T) düşüktür ve/veya fan toplam verimliliği (η_Τ) 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 ft³ başına 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.

ÖZET

Fanlara düzenlemeler getirmek enerji tasarrufu sağlarken, çok daha büyük miktarlarda enerji tasarrufu, düşük basınç kayıplı sistemlerin tasarımı, kurulumu ve yüksek verimli fanların kullanımından gelebilir. Standart 90.1-2013 enerji hedeflerinin yakalanabilmesi için uygun sistem tasarımını ve yüksek verimli fanlarının kullanımını teşvik etmektedir.

*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.

ŞEKİLLER ve TABLOLAR

ŞEKİL1 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

ŞEKİL2 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

ŞEKİL3. 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)

Tablo 1. 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