Modern Birim Vantilatörler

Okullarda, her bir sınıf için bağımsız olarak kullanılan birim (unit) vantilatörler, 70 veya 80 yıldır, okul ısıtma ve soğutmasında yaygın olarak kabul görmüş bir çözümdür. Fakat, gerek işlevsel, gerekse konfor problemleri ortaya çıkınca, birim vantilatörler rağbet görmemeye başladı. Bütün yasal gereklerin karşılandığı, sorunların giderildiği durumlarda, halâ birim vantilatörler (UV) modern okul tasarımlarında yer almaktadır. Bu yazıda, algılanan birim vantilatör problemleri ve bir tasarımcının başarılı çözümleri ele alınmaktadır.

Kısa bir tarih dersi

Herman Nelson 1917?de birim vantilatörü icat etti. Sistem; duvarda genişçe bir delik, bir fan ve buharlı bir radyatörden oluşuyordu. O yıllarda okullarda taze havanın yetersiz olduğu ve bu sorunu ortadan kaldırmanın en iyi yolunun da havanın açık pencerelerden veya bina şaftlarından süzülerek içeri girmesi yerine bir mühendislik çalışması ile taze hava beslemesi olacağı düşünülüyordu. Nelson?un geliştirdiği bu sistem, özel bir koşul için tasarlanmış ilk ISK ekipmanı sayılabilir; aynı zamanda okullara yönelik geliştirilen ilk ISK ekipmanı.

1917?den sonraki yıllarda, soğutmanın çeşitli alt başlıkları ortaya çıktı ve ısıtma sistemlerine de buhar, sıcak su, elektrikli rezistanslar, hava, su, toprak kaynaklı ısı pompaları gibi pek çok seçenek eklendi. Okul birim vantilatörlerin iki büyük avantajı, mekanik olarak kurulumunun ucuz olması ve büyük kanallar gerektirmemesi sonucu dar asma tavan boyutları ile bina yüksekliğinin daha az olabilmesidir. Birim vantilatörün, ?fan coil?den farkı ve avantajı, ekonomizer soğutmasında % 100 dış hava oranına ulaşabilmesidir.  Birçok birim vantilatör üreticisi, farklı klima santralleri ile birlikte sorunsuz işlev görecek esnek seçenekler sunabilmektedir. Klasik pencere altı, kabin tipi birim vantilatörlere ek olarak (Resim 1), kanallarla hava dağıtımı yapan dikey modern birim vantilatörleri bulunmaktadır (Resim 2).

Ön şartlar

Bir ISK çözümü, diğerlerinden daha az maliyetli olması gözetilmeksizin, istikrarlı iç hava kalitesi, insan konforu ve nem kontrolünü sağlaması gereklidir. Bu birincil derecede önemli koşullar sağlandığında, ikinci etapta tesisat uygulama maliyetleri, işletim ekonomisi, uzun ömürlülük ve bakım kolaylığı gibi koşullar dikkate alınabilir. Bir diğer kritik ön şart ise dijital kontroldür. Eskiden var olan birçok birim vantilatör problemi, günümüzün akıllı DDC teknolojileri ile çözülebilir.

Sorunlar ve çözümler

İç hava kalitesi (istikrarlı taze hava): Bu konuda, ekipman tasarımı, bina sistem tasarımı ve konstrüksiyon problemleri gibi değişik açılardan pek çok beklenti mevcuttur.  Teorik olarak, uygun taze hava miktarı için bir dış hava damperi kullanmak kolay ve tekrarlanabilir olabilir. Fakat eski tip pencere altı birim vantilatörlerin damper şaftları, uzun oldukları için bükülmeye, eğilmeye müsaittir. Bu da taze hava girişindeki istikrarı bozabilir. Modern dikey birim vantilatörlerde ise daha iyi bir en/boy orantısı olduğu için, damper problemleri ortadan kalkar. Ayrıca eski tip birim vantilatörlerde filtre kirliliği arttığında hava debisinde farklılık olması sıklıkla görülen problemlerdendir. Bu problemler, emiş tarafındaki statik basıncı otomatik olarak dengeleyen sabit torklu motorların kullanılması ile aşılır.

Sistem tasarımları da detaylı olarak karşılaştırılmalıdır: Pencere altı ünite vantilatörlerinin, tipik olarak, panjurları zemine yakındır ve bu panjurlar, çim kırpıntıları veya kar sürüklenmeleri ile tıkanabilirler. Birim vantilatörlerin, birçok hava koşullandırma cihazından farklı olarak düşük statik basınçlı fanları vardır ve bu sebepten tahliye havalarını bina dışına itme kapasiteleri yoktur. Dikey birim vantilatörlerin tipik olarak dış hava panjurları yükseğe monte edildikleri için tıkanmaya karşı eğilimleri azdır. Tahliye havası problemleri yerçekimi ile değil zorlanmış taşınım ile çözülür.

Konstrüksiyon kaygıları, kurulum detaylarını içerir. Birçok pencere altı birim vantilatör dış duvarlara karşı ve iç duvarlara karşı köpük sızdırmazlık elemanı vasıtasıyla kurulur. 8 x 2.5 x 1.5 ft kesite sahip bir kaba konstrüksiyonun doğruluğu, düzlüğü ve eninin boyuna oranı; taze havanın istendiği gibi dışarıdan içeri mi alınacağı, yoksa iç havanın, yetersiz sızdırmazlık yüzünden dışarı mı kaçacağını belirler. Dış hava bölmesinin sızdırmazlığındaki yetersizlik, birçok birim vantilatörün neden yeterli ekonomizer soğutması yapmadığının yanıtıdır. Dikey birim vantilatörlerin dış hava panjurlarına kanal ile bağlantıları vardır.

Yetersiz hava dağıtımı ve üfleme havasının kısa devre yapması. Pencere altı ünite vantilatörlerin, tüm odanın şartlandırılması için havayı tavanda süpüren tek bir hava çıkışı vardır. Bu olgu, ısıtma işleminde çok güzel çalışır. Çünkü dış duvarlar ve çatı ısı kaybının gerçekleştiği yerlerdir. Ayrıca bazı oda yapılandırmalarında yeterli şekilde çalışırken, bazılarında da zayıf kalmaktadır. Öğretmen sınıfta tavandan asılı pankartlar koymaya veya cihazın üzerine kitaplar yığmaya kalktığında sistem kısıtlanacaktır. Yazın yaşanılacak problemlerden biri ise, koşullanmış havanın, soğuyan havanın alçalması prensibi sebebiyle, üflemeden dönüşe kısa devre yapmasıdır. Kısa devre, gürültü veya kapasite sebeplerinden fan hızının düşürülmesi ile daha da artar. Dikey birim vantilatörlerin, tavan menfezlerine kanallar ile hava dağıtımı, her türlü oda yapılandırmasına, kısa devre olmadan uyum sağlamaktadır.

Nem kontrolü: Nem kontrolü veya azlığı, kontrol şekli ?sabit hacim, vana kontrolü? olduğunda her zaman problem yaratmıştır. Okullar, kişi sayısından meydana gelen yüksek dış hava oranı sebebiyle bu probleme karşı daha hassastırlar. Bir birim vantilatörün, eğer kontrolü sabit debi ve vana kontrolü şeklinde yapılıyorsa, klima santrali veya fancoil?den farkı olmayacaktır. Modern birim vantilatörlerde hem face/by-pass, tekrar ısıtma (reheat) veya bir çeşit dış hava koşullandırması vardır. Hem konstrüksiyon hem de işletme açısından, pek çokları, en ucuz kontrolün face/by-pass kontrolü olduğunu düşünmektedirler. Face/by-pass yaklaşımı, doğru şekilde uygulandığında, ülkenin yüksek nem oranlı bölgelerinde dahi, nem seviyesini % 60?ın altında tutacaktır.

Derslikteki gürültü: ANSI S12.60 standardı, sınıfta ekipman gürültü seviyesinin, öğrenci duymasına zarar vermemesi için 35dB?in altında tutulmasını gerektirtmektedir. Nitel açıdan bakıldığında, 35dB çok düşük bir değerdir ve çok sesiz bir ortam demektir. Muhtemelen, kulak seviyesinde tek ve yüksek hızlı çıkış noktası olan bir sistemin bu değere ulaşabilmesi imkansızdır (pencere altı birim vantilatör). Bu gereklilik, ayrıca, müstakil DX veya ısı pompası gibi kompresör gerektiren cihazların da kullanımını engelleyecektir. Perdeler, akustik tavan ve halı, ekipman gürültüsünün azaltılmasına yardım edecektir. Çözüm, hava dağıtımını kanallar ile gerçekleştirerek dikey birim vantilatörü büyük ve sessiz olarak tasarlamak ve onu yüksek yalıtımlı bir kabine koymaktır. Buna ilaveten, hem pencere altı birim vantilatörlerden, hem de dikey birim vantilatörlerden ortaya çıkacak ses; fan hızı değişimi birincil kontrol ile yapılırsa belirgin bir şekilde düşecektir. Çünkü birim vantilatörler orta veya düşük hızla çalışacaktır.

Filtrasyon verimi: ASHRAE 52.2 standardı minimum MERV 6 filtrasyonunu tavsiye etmektedir. Eski birim vantilatörlerde MERV 2 sınıfında 1 inç?lik filtreler bulunmaktadır. Daha yüksek bir filtre sınıfının ortaya çıkaracağı ek basınç artışı, hava debisini etkileyecek, pencere altı birim vantilatörlerdeki düşük statik basınçlı fanlar yetersiz kalacaktır. Yine, dikey birim vantilatörlerin fanlarının daha yüksek statik basınç kapasitesi vardır ve yüksek verimli filtre, basınç kaybını karşılayabilmektedirler.

Donmalar: Bu büyük sorun, birçok faktörün sonucudur. Bir önce bahsedilen, başta damper problemi olmak üzere tüm problemler face/by-pass kontrolü ile kolaylıkla çözülebilir. Yıllar önce bazı mühendisler, emişe çalışan fan serpantin konfigürasyonu yerine, üflemeye çalışan fan serpantin konfigürasyonunun kullanılmasının belirgin bir faydası olduğunu düşünmekteydi. Üflemeye çalışan tipte hava serpantine gelmeden karıştırılır ve bu da stratifikasyona (bir başka donma sebebi) neden olur. Buna karşın, daha büyük bir donma sebebi, sıcak su serpantininin vana kontrolüdür. Bir pencere altı birim vantilatörde, serpantin 5-6 ft uzunluğunda ve bir taraftan beslenmektedir. Oda termostat kontrolü, ortalama sıcaklığa dayanmaktadır ve serpantinin bir yanından diğerine sıcaklık farkının 30-40 °F?a çıktığı sıklıkla görülmektedir.

Bakım: Birim vantilatörlerin, merkezi bir sisteme (örneğin VAV sistemi) karşı en büyük artısıdır; çünkü herhangi bir kesinti, tüm binayı değil sadece bir odayı etkileyecektir. Buna karşın, büyük bir eksisi ise, pencere altı birim vantilatörlerin, bakıma ihtiyaç duyulduğunda, bakımın yerde yatılarak veya dizler üzerine çökülerek yapılması sebebiyle, büyük bir efor sarf edilmesidir. Pencere altı birim vantilatörlerinin son bölmeleri, borulama ve kontrol elemanları yüzünden o kadar kalabalık olacaktır ki herhangi bir bileşene ulaşmak zorluk çıkaracaktır (bu face/by-pass kontrolün başka bir avantajıdır, çünkü daha az cihaz çalıştırıldığı için bu karışıklık gerçekleşmez). Dikey birim vantilatörlerin borulama ve kontrol elemanları için daha fazla alanı vardır ve bakım için sadece ayakta durmak yeterlidir.

Sonuç

Birim vantilatörlerin halâ okul iklimlendirme tasarımında yeri vardır, ama bundan 20 yıl önce yapıldığı gibi değildir. Birim vantilatörler, bu sistemlerin mevcut olduğu okulların yenilemesi yapılırken düşünülmelidirler. Yine bu sistemler, kanallar için tavanda yeterli yeri olmayan binalar için kesinlikle düşünülmelidirler. Ayrıca uygun şekilde uygulandıklarında, diğer alternatiflere göre kurulumları ve işletilmeleri daha ucuz, bakımları daha kolay olurken iç hava kalitesi, konforu ve nem kontrolünden de taviz verilmesi gerekmez.

Dikey Birim Vantilatörlerin işletimi

?    Tam akış soğuk su serpantini

?     Termostatik kontrol ile ayarlanan face ve by-pass damperleri. Damperler, face ve by-pass

     operasyonundaki basınç düşü farkını dengelemek amacıyla asimetriktirler.

?     Tasarım dönüş havası by-pass şeklindedir. Soğuk su serpantini, nemli dış havanın öncelikli olarak soğuk hava serpantininden geçmesi için tasarlanmıştır. Dış hava ile dönüş havasının karıştırılması paralel kanatlı dış hava/dönüş havası damperlerin kullanılması ile minimize edilmiştir. 

?    Fan hızı, oda sıcaklığı ayar noktasına geldiğinde düşmektedir. Eğer fan motoru PSC tipi ise, üç farklı kademe hız ile gerçekleşir. Eğer motor ECM tipi ise, hız düşürülmesi bir analog sinyali boyunca gerçekleşir. Tasarım mühendisleri ECM motorlarının satış sonrası yenileme maliyetlerinin yüksekliğinden ve bakım maliyetlerinin vereceği yükten haberdar olmalıdırlar.

?     Üfleme fan hızı düştükçe, havalandırma oranını dengelemek için dış hava damperi açılır. Alternatif olarak dış hava/dönüş havası damperleri kontrol cihazından dekuple edilerek, dış hava miktarı

     kontrolü bir CO2 sensörüne verilir.

?    % 100 ekonomizer fonksiyonu da dahildir. Bu olgu, ünite vantilatörlerin enerji tasarrufu açısından oldukça önemli bir özelliğidir ve diğer ISK sistemlerinde böyle bir fonksiyon yoktur.

Dikey BirimVantilatör Uygulamaları için Sıkça Sorulan Sorular

S: Pencere altı birim vantilatörlerin yerine, Dikey Birim Vantilatör kullanmak istiyorum, bunu nasıl yaparım?

C:  Bunun için iki yol vardır:

1.   Eski pencere altı birim vantilatörü duvardan çıkarıp, bırakılan deliği kapayın. Yalıtılmış bir pencere panelini, dikey birim vantilatör ile birlikte kullanılacak yeni bir dış hava giriş panjuru kurulumu için

     kullanın.

2.     Pencere altı birim vantilatörü çıkarın ve arkası yalıtılmış bir plenum olarak tasarlanmış bir kitap rafı kurun. Plenumu eski duvardaki panjurdan dış havayı alacak ve yeni dikey birim vantilatörün arkasındaki ?arka plenuma? verecek şekilde kullanın.

S: Kurulum maliyetleri düşük olduğu için iki borulu dönüşümlü sistem kullanmak istiyorum.  Bu sistem bir okul için uygulanabilir midir, yoksa dört borulu sistem mi kullanmalıyım?

C:  Tasarımda, hızlı bir soğuk su/sıcak su değişimi sağlandığında, iki borulu sistem çok mükemmel bir seçenektir. Diğer bir işletim faydası da sıcak su döngüsünde su sıcaklığı dört borulu sisteme göre daha düşük tutulabilir, çünkü iki boru kullanılan dikey birim vantilatör serpantini daha küçüktür.  Dış hava sıcaklığına bağlı olarak, sıcak su döngüsü 90 °F ? 130 °F aralığında olabilir. Bu da, klasik 180°lik döngüye göre daha düşük ısı kaybının gerçekleşmesini sağlar.

S: Otomatik kontrol vanası yerine neden face ve by-pass damper kullanılmalı?

C:  Face ve by-pass damper sistemi mükemmel sıcaklık ve nem kontrolü sağlarken soğuk suyun

serpantin boyunca tam akışını sağlar. Bunun sonucu olarak da, serpantinden geçen hava, kanatçıklar üzerinde çiğ noktası sıcaklığına ulaşır. Vana kontrolü kullanıldığında, serin ve nemli bir günde, PID döngü kontrolü ile ayarlanan vana ile oda kuru termometre sıcaklığı sağlanırken, serpantin üzerindeki düşük hava debisi sebebiyle yeterli yoğuşma gerçekleşmeyebilir. Ayrıca kışın, hava debisi tamamen durmadıkça, face/by-pass kontrolü yapılan bir serpantin asla donmaz.

S: Florida ve Körfez Sahili?nin iklim koşullarına göre tasarım yapmaktayım. Birim vantilatör sistemi

kullanmam uygun mudur?

C: Bir değişim ile evet. Bu gibi bölgelerde ekonomizer kullanılması değersizdir. Ünitenizin, birincil soğuk hava serpantinine ek olarak, dış hava ön işlem serpantini de bulunmalıdır. Bu çift yollu ünite, Florida?da, 1998?den beri büyük bir başarı ile kullanılmaktadır. Bu üniteler 450 cfm?ye kadar hava debileri sağlayabilirler.

S: Fabrika montajı bir DDC alternatif olabilir mi? Bir yoğuşma pompası derece altındaki odalar için kullanılabilir mi?

C: Dikey birim vantilatörlerde, pencere altı birim vantilatörlere göre kontrollerin fabrika montajı daha kolaydır.  Çünkü, dikey birim vantilatörlerde, bileşenlerin yerleşimi, daha kolay ulaşılabilirlik sağlar. Dikey birim

vantilatörlerde, yoğuşma pompası fabrika montajı olarak yapılabilir.