HVAC Uygulamalarında kullanılan UV-C Lambalarının Doğru Boyutlandırılması

ASHRAE Handbook – HVAC Applications (ASHRAE El Kitabı – HVAC Uygulamaları), UV-C lamba boyutlandırmasına sayısal bir yaklaşım getirmektedir. Bu makale bu yaklaşımı özetlemekte ve gelecekteki tasarımları basitleştirmek için bir metod sunmaktadır.

Zamanla, organik parçaçıklar HVAC soğutma serpantinlerinde birikim yaparak ısı transferi etkinliğini azaltırlar. Sistem kontrolleri ve bina mühendisleri bu birikimi fan hızını artırarak, soğuk su sıcaklığını düşürerek hatta daha çok soğutucu akışkan pompalayarak kopmanse etmektedirler fakat tahmin edeceğiniz gibi bu yollar enerji verimliliğine negatif etki ederler. Ultraviyole-C (UV-C) enerjisi HVAC soğutma serpantinlerini ışınlandırmakta, hava akış direncini ve ısı transfer verimliliğini sistemin ilk kurulduğu gündeki seviyelere getirmekte, bina mühendislerinin fan ve frekans sürücülerinin hızlarını düşürmesine ve çillerlerin orjinal tasarım parametrelerinde çalıştırmasına imkan vermekte kullanılabilir. Sadece serpantin kapasitesinin korunması ile % 10 - % 30 arasında enerji tasarrufu yapıldığı kaydedilmiştir. UV-C lambalarının HVAC soğutma serpantinlerinin ışınlandırılması için boyutlandırılması deneme-yanılmaya ve ampirik yöntemlere bağlıdır. Bu bilgi, 2011 edition of ASHRAE Handbook—HVAC Applications (ASHRAE El Kitabı HVAC Uygulamaları 2011 baskısı) ile değişmiştir. Kitabın 60. Bölümü, sistemin performans gerekliliklerini yerine getirebilmesi ve en düşük kurulum ve uzun dönem işletim maliyetlerine ulaşılabilmesi için lamba boyutlandırmasına sayısal bir yaklaşım getirmektedir. Bu makale bu sayısal yaklaşımı özetlemekte ve gelecekteki tasarımların basitleştirilebilmesi için bir metot sunmaktadır.

UV-C Enerjisinin Hesaplanması

UV-C enerjisini tanımlanması, ışık dağıtımının önem arz ettiği küçük bir odanın ışıklandırılması ile yapılabilir. Örnek olarak bir konferans odasını aldığımızda, ışıklandırma mühendisleri konferans masasına vuran belli bir ışık miktarı için bir endüstriyel referans kullanırlar (lumen/ft2). Bu tip bir oda için yaygın olarak 4 ft boyundaki uzun floresan lambalar kullanılır. Işıklandırma mühendisi bu bilgi doğrultusunda, 4 ft uzunluğundaki floresan lambanın Watt başına düşen lumen (lumen/Watt) değerini kullanarak odayı aydınlatmak için kaç adet floresan lamba kullanacağını bulabilir. Benzer olarak, ASHRAE UV-C terminolojisinde serpantin yüzeyine gelen, santimetrekare başına mikrowatt (µW/cm2) gibi bazı tavsiyeler sunmaktadır. Lamba güçleri (watt) daha sonra tartışılacaktır. ASHRAE’nin µW/cm2 seviyeleri, UV-C dozlarının birikimli olduğunu kanıtlayan büyük miktardaki uygulama verilerini baz almaktadır. Örneğin, 30 günlük bir ayda 2.592.000 saniye vardır (60sn x 60dk x 24sa x 30gün) ve bir mikrowatt’ın bir ay boyunca yaklaşık olarak 2,6 milyon microwatt-saniyelik birikimli UV-C enerjisi uygulayacağı anlamına gelmektedir. Serpantin yüzeylerinin UV-C dalga formunu yansıtıcılığı arttıkça UV-C enerjisinin serpantin temizleme etkisi zamanla hız kazanacak, uygulamanın serpantin içlerindeki verimliliği de artacaktır.   Bölüm 60’a göre, reflektör kullanımı serpantin ışınlandırılması için gerekli olan lamba sayısını azaltabilir fakat bu şekildeki kullanım havadaki enfeksyon yapıcı mikrop öldürme sayısını azaltmaktadır. Dolayısıyla, serpantin ışınlandırılması için ASHRAE tavsiyeleri, yansıyan lamba enerjisi sonucu ortaya çıkan pahalı armatürler, özel yapım lambalar ve alışılagelmemiş plenum düzenleri ile alakalı değildir. UV-C ekipmanlarının boyutlandırılmasında amacın mikrop öldürme oranlarını mümkün olan en yüksek seviyede tutmak olması gereklidir.  

Etkin Işınlandırma Seviyelerinin Garanti Altına Alınması

UV-C lamba üreticileri, lamba-watt başına düşen mikrowatt (µW/W) verileri yayınlamaktadırlar. Ölçümler lamba yüzeyinden 1m uzaklıkta alınmıştır. Plenumlarda, lambalar genellikle serpantin yüzeyinden 12 in. uzaklığa kurulurlar. Çünkü, UV-C ışığı ters kare kanununa uyar (yoğunluk = 1÷ uzaklık2). Lamba serpantine yaklaştıkça, serpantin yüzeyine uygulanan enerji miktarı artar.  UV-C lambaları doğrusal olarak 48 in. uzunluğa kadar ulaşırlar. Kaynak noktası değildirler dağınık alan kaynağıdırlar. Bu yüzden bir yüzey tarafından alınan enerjiyi daha güzel temsil ettiği için yoğunluk ve görüş faktörleri geliştirilmiştir. Keitz tarafından yapılan çalışma baz alındığında (Şekil 1), Tablo 1’deki faktörler başarılı bir şekilde kullanılmıştır.

Tablo 1 ve görüş-faktörü modellemesi (Şekil 2) tasarımcılara, lamba üreticilerinin watt ve/veya mikrowatt çıktı verilerini, kaynağa farklı uzaklıklarda alınan enerji dozlarına mikrowatt değerlerinde dönüştürülmesini mümkün kılar.

Ortalama UV-C lamba uzunluğu 36 inç’e yakındır. Bir üretici verisine göre, 80W’lık ve 36 inç’lik bir yüksek çıktılı (HO) lamba; 1m uzaklıkta, santimetrekare’ye 245 µW UV-C ışık dalga enerjisi (µW/cm2) vermektedir (radyometrik ölçümler baz alındığında). Yoğunluk faktörü çizelgesi kullanıldığında (Tablo 1), 12 inç uzaklıktaki yoğunluk 1.588 µW/cm2 (245 x 6,48) olmaktadır. Daha kesin olan silidirik görüş faktörü modeli kullanıldığında, aynı değer 1.375 µW/cm2 olarak bulunmaktadır. İki sonuç da Handbook tavsiyelerinden fazladır. Şekil 2’de gösterildiği gibi, doğrusal lamba enerjisinin en büyük miktarının uyguladığı bölge serpantinin ortası iken, en az uygulandığı bölgeler ise serpantinin uçlarıdır. Serpantine sadece bir adet lamba konulduğunda, ışınlandırma, görüş faktörü modellemesi ile belirtilebilir. Tasarımcının, Elkitabı’nın tavsiyesi olan 100 µW/cm2 değerinin, serpantinin uçlarında ve köşelerinde de karşılandığını garanti altına alması gereklidir. Bu yüzden, lambanın çalışacağı ortamın sıcaklığı, hava hızı ve reflektansının (yansıtıcılığı) da göz önünde bulundurulması önem kazanır. 

İncelenecek ilk faktör sıcaklıktır. Hava koşullandırma sistemlerinde bu lambalar çoğunlukla soğutma serpantinlerinin çıkışına konumlandırıldıklarından, lambanın güç çıktısının azaltılması gereklidir. 500 ft/dk’lık 55°F hava akımında %50’lik çıktı azaltılmasını örnek aldığımızda, yoğunluk faktörü çizelgesinden 12 inç’de 794 µW/cm2 (1.588 ÷ 2) değerine; daha konservatif olan görüş faktörü modeline göre ise 688 µW/cm2 (1.375 ÷ 2) değerine ulaşılır. Buradan sonra görüş faktörünü kullanacağız Belirlenmesi gereken diğer faktör serpantin köşelerindeki (en uzak noktalar) minimum enerji miktarıdır. 1 m2’lik yüzey alanı için, görüş faktörü bu değerin en yüksek değerin %25 olduğunu ön görür. Bu da 172 µW/cm2’dir (688 × 0,25) (Şekil 2). Güç çıktısı azaltıldığı için, sistemlerin birçoğunun genellikle günün bir kısmında ve yılın belli zamanlarında soğutma modunda çalıştığı göz önünde bulundurulmalıdır. Diğer zamanlarda sıcaklıklar daha yüksek olup, mikrop öldürme oranlarının artmasını sağlar. Bu bilgi kış aylarında önem kazanır. Göz önüne alınması gereken diğer konu reflektans, yani plenumun üstüne, altına ve yanlarına çarpıpı serpantinin üzerinden yansıyan UV-C enerji miktarıdır (Şekil 4).

Plenum galvanizli çelikten yapılmışsa, üzerine düşen UV-C enerjisinin %50’sini tekil bir yansıma değeri ile yansıtacaktır. Buna karşın, bu değer görüş faktörü modelinde 7 kere yansımadır. Tekil yansıma varsayımında, en azından ek bir 86 µW/cm2 (172 × 0.50) ortaya çıkmaktadır. Bu değer en uçtaki 172 değerine eklendiğinde serpantinin en ucunda 258 µW/cm2’ye ulaşılır ki bu Handbook tavisye değerinden oldukça yüksektir. Paslanmaz çelik ve alüminyum yüzeyler sırasıyla % 40 ve % 75’lik reflektanslara sahiptirler. Reflektansın arttırılması, serpantine uygulanan enerjinin artmasına ve mikroorganizmaların öldürülmesi için hava akımına daha çok enerji geçmesine sebep olur. Hava ışınlandırma alanında sirküle ettikçe her geçişinde hacme düşen mikrop sayısında ek bir azalma sağlar. ASHRAE’nin UV komitesindeki lamba üreticileri lambaların kalite bazında farklılık gösterebilceklerini kabul etseler de, fonksiyonel olarak bu farkın % 5’in üstüne çıkmaması gerektiğini bildirmektedirler. ASHRAE’nin gereksinimleri karşılandığında, elde edilen veriler gelecekteki tasarımların basitleştirilmesinde kullanılabilir. Örneğin bir 80 W’lık, 36 inç boyundaki HO lamba; 1m2’lik veya 10,76 ft2’lik yüzey alanına sahip olan bir soğutma serpantininde başarılı olduğu görülmüştür. Lamba gücünü, serpantin yüzeyinin alanına (ft2) bölündüğünde (80 ÷ 10.76 = 7.43) tavsiye değerlerini kolaylıkla karşıladığı veya aştığı görülebilir. Bu yol, gelecekteki UV kurulumlarını çeşitli serpantin boyutlarına göre boyutlandırmayı basitleştirir. Örneğin, bir klima santrali soğutma serpantini yüksekliği 85 inç, boyu 120 inç olsun. Bu değerler ile serpantinin yüzey alanı 70,8 ft2 olarak bulunur. Bu değeri 7,43 ile çarptığımızda 526 W değerine ulaşılır. Dolayısıyla bu serpantine dört adet 61 inç’lik ve 145 Watt’lık (toplam 580W), HO (360 derece) lamba verimli ve karşılanabilir şekilde hizmet edebilir. Mikrop öldürme oranının garanti altına alınabilmesi için bu değerin üstüne biraz olsun çıkılabilir. UV-C iyileştirmeleri uygulanması oldukça basittir. Uygun şekilde tasarlanmış 10.000 ft3/dk’lık bir sistem için UV-C maliyeti en fazla 15 cent/cfm’dir. Bu değer, tam anlamıyla uygulaması gerçekleştirilen bir serpantin temizliğinden daha az maliyetlidir.



Birden fazla lamba sırası gerektiren daha büyük kurulumlar için ışık enerjisinin üst üste binmesi durumu ortaya çıkar (alttaki sıralardan gelen ışık plenumun en üstüne ulaşırken, üst sıralardan gelen ışık da plenumun alt kısmına ulaşarak üst üste binerler [Şekil 4]). Bu durum, mikrop öldürme oranına pozitif etkide bulunur.

Tüm bunlara ek olarak, soğutma serpantinininden sonraki plenum bölümleri kirleticilerin birikmesine ve yoğuşma oluşumuna maruz kalır ki böyle bir ortam mikrobik büyüme için oldukça uygundur. 360 derece UV armatürleri ile (Şekil 5), plenum yüzeyinin büyük bir bölümü hem direkt hem de yansıma yolu ile UV-C enerjisini görebilecektir. Bu, tüm plenumu temiz tutarken, mikrobik taşınımın şartlandırılan mahallere gitmesini engelleyip bakım gereksinimini azaltacaktır.

Sonuç

Bilginin basitleştirilmesi, mühendislerin daha anlamlı şartnameler hazırlayabilmesine ve kullanıcıların standart lamba watt etiketlemesini, serpantin yüzeyi başına düşen lamba watt’ı yaklaşımına çevrimleri kolaylaştırmasına imkan verecektir. Ek olarak, patenti olmayan bileşenlerin yetkili ajansların onayı, uzun garanti süreleri ve yerel kaynaklı yedekleri ile beraber kullanılması tavsiye edilir. UV-C iyileştirmeleri, epey basit ve dolayısıyla karşılanabilirdir. Bakımları yapıldığı sürece UV lamba sistemleri, yatırımın kısa süreli geri dönüşünü, bakım gereksiniminin ve çalışanların hastalanma vakalarının azalmasını, minimum enerji kullanımı ile sürdürülebilir ısı transferini, daha uzun ekipman yaşam süresini ve daha düşük arıza sürelerini garanti eder.