İklimlendirme Cihazlarında UV Lamba Kullanımı

30 Ekim 2020 Dergi: Ekim-2020

Hazırlayan: Mak. Yük. Müh. Süleyman Kavas, Doğu İklimlendirme A.Ş. İş Geliştirme Müdürü

1. Giriş

UV (ultraviyole ya da mor ötesi) dalga boyu 10 nm ila 400 nm arasında değişen ışınıma denmektedir. İnsan gözü 400 nm dalga boyunun üstündeki ışınları algılayabildiğinden UV ışınlarını göremeyiz. Dalga boylarına göre UV ışınları dörde ayrılmaktadır. Tesisat sektöründe dezenfeksiyon amacıyla UV-C tipi kısa dalga ışınlar kullanılmaktadır.

tablo-1-uv-isini-turleriTablo 1. UV Işını Türleri

UV lambalar her ne kadar çok yeni bir teknoloji gibi dursa da geçmişi 100 yıldan fazladır. UV ışınları ise çok daha eskiye dayanır. Evrenin yaratılmasından bugüne kadar var olan UV ışınları çok uzun bir süre keşfedilmeyi beklemiştir. Mor ötesi ışınların varlığını ilk keşfeden Alman bilim adamı Johann Wilhelm Ritter olmuştur. 

sekil-1-elektromanyetik-spektrumŞekil 1. Elektromanyetik Spektrum

Şekil 2’deki grafikten de görüleceği gibi UV ışınının mikrop öldürme etkisi 220-300 nm dalga boyu aralığındadır. Bu etkinin en yüksek olduğu dalga boyu ise 265 nm’dir. Piyasadaki birçok UV-C lamba düşük basınçlı cıvalı tip lambalardır ve büyük oranda 253,7 nm dalga boyunda ışın üretirler. 253,7 nm değeri her ne kadar tepe noktaya yakın olsa da %100 verimle mikrop öldürülmediği bilinmelidir. Ayrıca lambaların balastlarından kaynaklanan kayıplar da dikkate alındığında UV lambaların verimlerinin bir hayli düşük olduğu söylenebilir. Ortalama bir düşük basınçlı cıvalı UV lambanın etiket elektrik güç değerinin yaklaşık %25-35’i oranında UV ışını ürettiği kabul edilmektedir. 

sekil-2-Dalga-Boyu-Mikrop-Oldurme-Etkisi-GrafigiŞekil 2. Dalga Boyu-Mikrop Öldürme Etkisi Grafiği [1]

2. UV Işınımının Mikroorganizmalara Etkisi

UV ışınımı mikroorganizmaların DNA/RNA’larını bozarak bu organizmaların canlılara etki etmesini engeller. UV ışınımı ile her tür mikroorganizmaya karşı sonuç alınabilir ancak bu sonuç farklı canlılar için aynı ölçüde değildir. Genel olarak UV ışınımı en kolay virüslere karşı etkisini gösterirken mantarlar UV ışınımına daha dirençlidir. Bu yüzden sistem tasarımı yapılırken hedef mikroorganizma bilinmeli ve buna bağlı olarak ışınım miktarı ve temas süresi belirlenmelidir. 

sekil-3-uv-isinimi-etki-gucuŞekil 3. UV Işınımı Etki Gücü [1]

3. UV Lambalar ile İlgili Temel Terimler

Işıma (Irradiance) (W/m2): Birim alana düşen elektromanyetik ışınım gücü

UVGI: Mikrop Öldürücü UV Işınımı (Ultraviolet Germicidal Irradiation) anlamına gelmektedir. Zararlı mikroorganizmaları öldüren UV ışınımı olarak da tanımlanabilir. 

UV Dozu (J/m2): Yüzeye veya mikroorganizmaya temas süresi boyunca gelen ışıma miktarını belirtir. (UV exposure dose veya fluence) D harfi ile belirtilir ve genelde mikropların %90’ını yok edecek doz olarak hesaplanır (D90). Bir diğer doz ise D99 olarak belirtilen mikropların %99’unu yok eden dozdur. 
UV Dozu=Işıma*temas süresi olarak hesaplanmaktadır. 

Mikroorganizmaya Özgü UV Duyarlılık Sabiti (m2/Jul): Her mikroorganizma için deneylerle belirlenen organizmayı öldürecek UV ışınımı katsayısı. Bu katsayı hava, su ve yüzey dezenfeksiyonu için ayrı ayrı verilmektedir. 

Işınım Süresi (saniye): UV ışınının mikroorganizmayla temas süresini ifade etmektedir. 

4. UV Lamba Seçim Kriterleri

Hava Hızı

UV lamba kanalda veya iklimlendirme cihazı içinde kullanıldığında mikroorganizmalara etki etmesi için belli bir temas süresine ihtiyaç vardır. Akan hava içinde hareket eden mikroorganizmalar hava akış hızına bağlı olarak UV ışınımına az veya çok maruz kalırlar. Hava hızı yükseldikçe UV ışınımı etkisi azalır. 

Hava Debisi

Bir havalandırma sisteminde filtre seçimine benzer olarak UV lamba seçiminde de hava debisi dikkate alınarak seçim yapılmalıdır. Hava debisi arttıkça UV ışınımı miktarı artırılmalıdır. 

Kesit Alanı

UV ışını kaynağından çıktıktan sonra tüm yönlerde yayılarak ortama dağılır. Etkisi ise kaynakla arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olarak azalır. Bu yüzden kanal ve cihaz içine UV lamba/lambalar homojen bir şekilde yerleştirilmeli ve üzerlerinden geçen hava akımının tamamını görebilmelidir. UV ışını ulaşmadığı (görmediği veya üzerine yansımadığı) yüzeylerde etki göstermez. 

Sıcaklık

İklimlendirme sistemindeki sıcaklık aralığı göz önüne alındığında sıcaklığın mikroorganizmaların etkisiz hale getirilmesi üzerine kayda değer bir etkisi bulunmadığı söylenebilir. 
Sıcaklık UV lambanın performansı üzerinde ise etkilidir. Çoğu UV lamba ortalama 20-22 0C aralığında ve 2-2,5 m/s hava hızlarında çalışması için tasarlanmıştır. Bu değerlerin dışında lambaların verimleri değişmektedir. Mutlaka UV lamba üreticisinden bu aralıkların dışındaki lamba verimlerinin nasıl değiştiği öğrenilmelidir. 

Bağıl Nem

Nemli havanın içindeki su buharından dolayı UV ışığın hareketi azalmaktadır Ortamdaki nem miktarı arttıkça ışığın geçişi ve yayılması zorlaşmaktadır. Bu etki UV lamba seçiminde ve hesaplarında mutlaka dikkate alınmalıdır. 
Ayrıca genel olarak yüksek bağıl nem mikroorganizmaların etkisiz hale getirilmesine karşı negatif etkiye sahiptir. Bağıl nem arttıkça mikroorganizmaları etkisiz hale getirmek zorlaşmaktadır. Ancak bu durum tüm mikroorganizmalar için geçerli değildir. Bu yüzden bağıl nemin artması tüm mikroorganizmalar için negatif etki eder denemez. Dolayısıyla hedef mikroorganizmaya uygun şekilde UV lamba seçimi ve sistem tasarımı yapılmalıdır. 
UV lambaların nemli ortamlarda kullanılması durumunda mutlaka IP sınıflarına dikkat edilmeli ve lamba içine nem girişi olmamalıdır. 

Yüzey Yansıtma Oranı

Görünür ışıkta olduğu gibi UV-C ışını da bazı yüzeyler tarafından soğurulurken bazı yüzeyler tarafından yansıtılır. Daha fazla etki göstermesi için UV lambaların yerleştirileceği hacimlerin UV ışınını mümkün olduğu kadar yansıtması istenir. Bazı malzemelerin yansıtma oranları Tablo 2’de verilmiştir. Alüminyumun yansıtma oranı yüksek olduğu için lamba konulacak kanalın iç yüzeyinin alüminyum ile kaplanması önerilir. 

Tablo-2-Bazi-Malzemelerin-Yansitma-OraniTablo 2. Bazı Malzemelerin Yansıtma Oranı

UV-C Lamba Gücü

UV lambanın ürettiği ışınım gücü arttıkça daha etkili bir dezenfeksiyon sağlamak mümkündür. Ancak maliyetler göz önüne alınarak temas süresi, kesit alanı vb. gibi diğer parametreler ile birlikte lamba gücü belirlenmelidir. Önemli olan tasarım şartlarını dikkate alarak hedef mikroorganizmayı etkisiz hale getirecek UV dozunu belirleyip buna uygun lamba seçimi yapmaktır. 

Temas süresi 

Kanal ve cihaz içi uygulamalarda alan kısıtlı olduğu için yüksek yoğunlukta bir UV ışınına ihtiyaç vardır. Mikroorganizmalar bu tür uygulamalarda genelde 0,1 s ile 0,3 s arasında bir temas süresi boyunca UV ışınına maruz kalırlar. Yüzey dezenfeksiyonunda ise temas süreleri daha uzun olabildiği için UV ışının şiddeti daha düşük olabilir. Temas süresi arttıkça UV ışınım etkisi artmaktadır. 

Hedef Mikroorganizma

Her mikroorganizma için farklı dozlarda UV ışınımına ihtiyaç vardır. Şekil 3’te de gösterildiği gibi virüslerin, bakterilerin ve diğer mikroorganizmaların UV ışınına karşı dirençleri farklıdır. Deneyler sonrasında mikroorganizmaları etkisiz hale getirmek için belirlenen ve k katsayısı olarak adlandırılan değerler Tablo 3’te verilmiştir. K değeri büyüdükçe mikroorganizmanın etkisiz hale getirilmesi daha kolay anlamına gelmektedir.

Tablo-3-bazi-mikroorganizmalar-icin-%90-oldurme-etkisinde-K-katsayisiTablo 3. Bazı Mikroorganizmalar için %90 Öldürme Etkisinde K Katsayısı

*Farklı Corona virüsleri için ortalama değerlerdir. 
* Tablodaki değerler hava akımının içindeki mikroorganizmalar için verilmiştir. Yüzey ve su dezenfeksiyonu için k değerleri farklıdır. 

Tablo-4-corona-virus-ailesi-icin-k-katsayilariTablo 4. Corona Virüs Ailesi için k Katsayıları [4]

5. UV-C Lamba Tipleri 

Şu an piyasadaki hemen hemen tüm lambalar floresan tip alçak basınçlı cıvalı lambalardır ve büyük oranda 253,7 nm dalga boyunda ışın üretirler. Bu lambalar çalıştığında elektrik alanın etkisiyle içindeki cıva molekülleri buharlaşarak harekete geçerler. Harekete geçirilmiş cıva atomları enerjilerinin yaklaşık %85’ini 253,7 nm dalga boyunda etrafa yayarlar. Geri kalan enerji ise çoğunlukla 185 nm dalga boyunda olmak üzere farklı dalga boylarında etrafa yayılır. 
Alçak basınçlı UV lambalardan başka yüksek basınçlı UV lambalar da bulunmaktadır ve bu lambalar daha geniş bir bant aralığında yayın yapmaktadırlar. Ancak bu lambaların verimleri alçak basınçlı lambalara göre daha düşüktür ve geniş bant aralığında ışın ürettikleri için ozon üretme olasılıkları daha yüksektir. 
UV lambalar farklı şekillerde üretilmektedir. Genelde silindir şeklinde, “U” şeklinde “J” şeklinde ve çift silindir şeklindedirler. Günümüzde silindirik lambalar yaygın olarak bulunmaktadır. Kullanım yerine göre lambaların boyları ve şekilleri tercih edilmektedir. Örnek olarak dar alanlarda “U” ve “J” şeklinde lambalar daha kullanışlı olurken geniş alanlarda silindirik lambalar tercih edilmektedir. 

sekil-4-sekillerine-gore-uv-lambalarŞekil 4. Şekillerine Göre UV Lambalar

Ayrıca lambalar ozon üreten ve üretmeyen lambalar olarak da sınıflandırılmaktadırlar. 

1-  Ozon Üretmeyen Lambalar - alçak basınçlı dar bantta yayın yapan UV lambalar
2-  Kısmi Ozon Üreten Lambalar - yüksek basınçlı geniş bantta yayın yapan UV lambalar
3-  Ozon Üreten Lambalar - çoğunlukla 187 nm dalga boyunda yayın yapan ve özellikle ozon üretmesi istenen UV lambalardır. Bu lambalar UV ışınımı etkisinin yanında ozonun indirgeme etkisini de kullanarak mutfak egzoz uygulamalarında hem yağların parçalanması hem de koku moleküllerinin yok edilmesi amacıyla kullanılmaktadır. 

Lamba seçilirken dikkat edilmesi gereken noktalar şu şekildedir:

  • Lamba gücü (Watt)
  • Lamba efektif boyu (lambanın UV ışını yaydığı kısmı)
  • Lamba çapı
  • Lambanın şekli
  • Balastlar
  • Üreticinin belirttiği diğer hususlar

5.1 UV LED Lambalar

Klasik UV lambalardan farklı olarak LED UV lambalar da mevcuttur. Başlıca avantajları klasik lambalara göre daha az yer kaplamaları ve zehirli ağır metal bulundurmamalarıdır. Öte yandan çıkış güçleri klasik lambalara göre çok düşüktür (yaklaşık 100 mW civarı). İstenen etkili gücün elde edilmesi için LED’ler sıra halinde dizilerek çalıştırılmaları gerekir. Böyle bir tasarımın klasik lambalara göre oldukça maliyetli bir çözüm olduğu bilinmelidir. LED’lerin bir diğer önemli özelliği ise bir bant aralığında değil, tek bir dalga boyunda ışın üretebilmeleridir. Dolayısıyla LED’ler ile mikroorganizmaları öldürmek için gerekli optimum dalga boyu olan 265 nm’de ışın üretmek mümkündür. 

sekil-5-LED-lamba-UV-isinimi Şekil 5. LED Lamba UV Işınımı [1]

6. UV-C Lamba Uygulamaları

İklimlendirme ve havalandırma uygulamalarında UV-C lambaların iki temel uygulama alanı mevcuttur: Dezenfeksiyon ve Filtrasyon. Genelde UV lambalar mutfak egzoz uygulamalarında yağ ve kokuyu filtre etmek amacıyla kullanılmaktadırlar. 

6.1. Dezenfeksiyon

UV lambalar ile hava, su ve yüzey dezenfeksiyonu yapılabilmektedir. Su dezenfeksiyonu bu belgenin kapsamı dışında olduğu için bahsedilmeyecektir. Hava dezenfeksiyonuna baktığımızda ise 3 ayrı yöntemin olduğunu görebiliriz: Merkezi cihaz içi uygulama, kanal içi uygulama ve oda içi lokal cihaz uygulaması.  

6.1.1. Merkezi Cihaz İçi Uygulama 

Merkezi sistemlerde UV lamba kullanılması durumunda lambalar iklimlendirme veya havalandırma cihazının içine yerleştirilmektedir. Lambalar toz ve benzeri kirleticilerden korumak için filtrelerden sonra, mümkünse fana yakın bir konuma yerleştirilmelidirler. UV lamba için ayrı bir hücre yapılması daha uygun olacaktır. Eğer cihazda herhangi bir filtre yoksa UV lambaların önüne G4, mümkünse G4 ve F7 sınıfı filtrelerin birlikte kullanılması lambaların sağlıklı çalışmasını sağlayacaktır. Lambaların olduğu hücreye gözetleme camı eklenebilir. 
Eğer çalışan bir cihazda UV lamba ilavesi yapılacaksa, lambalar fana yakın hücreye veya fan hücresine yerleştirilebilir. Bu durumda lambalar tüm hava akımını görecek şekilde yerleştirilmelidir. UV lambanın etkinliğini artırmak için hücre yüzeyi yansıtma oranı yüksek malzeme ile (örneğin alüminyum folyo) kaplanabilir. UV ışını organik moleküller ile birlikte cihaz içi malzemeye de zarar vermektedir. Bundan dolayı UV ışınına maruz kalan yüzeylerin ve parçaların aşınmasını engellemek için gerekli önlemler alınmalıdır.  

sekil-6-cihaz-ici-uv-lamba-uygulamasiŞekil 6. Cihaz içi UV lamba Uygulaması

6.1.2. Kanal İçi Uygulama

Merkezi iklimlendirme/havalandırma cihazı içine UV lambanın konulmasının mümkün olmadığı durumlarda lambalar kanal içinde de kullanılabilir. Kanal içi uygulamada da cihaz içi uygulamadaki kurallar geçerlidir. Kanaldaki hızlar cihaz içindeki hızlardan yüksek olduğu için UV verimine dikkat edilmelidir. Lambalar çoğunlukla 2-2,5 m/s hava hızlarında optimum çalışacak şekilde tasarlanmışlardır. Bu yüzden kanal içi hava hızlarının bu mertebelere getirilmesi gerekir. Bunun için lambalar bir box içinde konumlandırılabilirler. Lambaların balastları kanal dışına alınırsa basınç kayıpları azalacağı için fana ilave bir yük bindirilmemiş olur. Lambaların bakımları ve değiştirilmesi için mutlaka boxta müdahale kapağı olmalı ve box kolay ulaşılabilen bir noktaya yerleştirilmelidir. 

sekil-7.-kanal-ici-UV-Lamba-UygulamasiŞekil 7. Kanal içi UV Lamba Uygulaması

6.1.3. Lokal Cihaz içi Uygulama

Oda içindeki havayı dezenfekte etmek amacıyla kullanılan bu cihazlar içerisindeki küçük bir fanla mahal havasını emerek UV lamba üzerinden geçirir. Genelde 90-1.000 m3/h debi aralığında üretilen mahal içi UV lamba üniteleri tek bir odanın veya ofisin dezenfeksiyonu için uygundur. Genellikle oda içinde zemine konumlandırılır. Lambanın tozdan korunması için ön filtre kullanılmalıdır. Lokal UV cihazlarında yeterli UV temas sürelerine ulaşılamayabilir. Bundan dolayı %100 etkin bir çözüm sunmayabilir. Bu cihazlar mahal içinde kullanıldığı için cihazda var olabilecek boşluklardan UV ışınının sızmadığından emin olunmalıdır. 

6.1.4 Batarya Yüzey Dezenfeksiyonu

Klima santrallerinde bataryaların temiz tutulması için de UV lambalar kullanılmaktadır. Batarya yüzeyinde zamanla bakteri ve diğer mikroorganizmaların oluşturduğu film tabakası ısı transferini engellemekte ve batarya verimini azaltmaktadır. Bunu engellemek için bataryanın önüne veya arkasına UV lambalar konularak film oluşumu engellenebilir. Dolayısıyla ısı transfer miktarı arttığı için enerji ekonomisi sağlanır. Bu tarz uygulamalarda ilk hedef bataryanın temiz tutulması olsa da lambalar hava akımı içinde olduğu için hava dezenfeksiyonu işlevi de görürler. Ancak bu durumdaki havanın dezenfeksiyonu yeterli değildir. 
Batarya dezenfeksiyonunda ışığın bataryanın içine kadar işlemesi gerekir. Tek tarafta lamba kullanıldığında ışık bataryanın arka yüzeyine kadar ulaşmıyorsa çift taraflı UV lamba kullanılmalıdır. 

sekil-8.-batarya-onunde-UV-lamba-uygulamasıŞekil 8. Batarya Önünde UV Lamba Uygulaması

7. UV Lamba Seçiminde Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

1- UV lambaların havalandırma sisteminde filtreler ile birlikte kullanılması durumunda daha yüksek verimlere ulaşılabilir. UV lambalar bu durumda mutlaka filtrenin arkasında kullanılmalıdır. 
2- Lambaların akışa dik veya paralel konulması projeye özgü olarak değerlendirilmeli ve en uygun konfigürasyona karar verilmelidir. 
3- Lamba seçimi yapılırken, hava akımının sıcaklığı ve nemi, hava debisi, hava hızı, kanalın veya cihazın iç yüzey kaplaması, etki etmesi istenen mikroorganizma bilinmelidir.
4- UV lambalar cihaz içinde kullanılacaksa filtrelerin ardında ayrı bir hücre içinde kullanılmalıdır. Ayrı bir hücre yapmak mümkün değilse lambalar fana en yakın yere konulabilir. Bu durumda hava akımının tamamının UV ışınımına maruz kaldığından emin olunmalıdır. 
5- Kanal içi UV lamba uygulamasında lambalar taze hava hattı üzerine müdahalesi kolay olan bir alana yerleştirilmelidir. 
6- UV lambaların kullanıldığı hücrelerin UV ışınımına dayanıklı malzemelerle kaplanması cihaz ömrünü artıracaktır. 

8. İşletme ve Bakım Talimatları

1- UV lambanın yerleştirildiği hücrede mutlaka güvenlik şalteri olmalı ve hücre kapısı açıldığında lambanın enerjisini kesmelidir. 
2- Lamba kırılırsa mutlaka ortam havalandırılmalıdır. Lamba içindeki cıva buharı kesinlikle solunmamalı ve lamba kırıldıktan 15 dakika sonra içeri girilmelidir. 
3- UV lambalar çalışırken kesinlikle çıplak gözle lambalara bakılmamalıdır. UV ışını kornea zedelenmesine ve geçici körlüğe sebep olabilir. Uzun süreli maruziyetlerde deride kızarmaya ve yanığa da neden olmaktadır. 
4- UV lambanın yaydığı mavi ışık verimli çalıştığı anlamına gelmez. Lambanın mikrop öldürücü olarak etki ettiği dalga boyu gözle görünmeyen kısımdadır ve gözle verimi tespit edilemez. 
5- UV lambaların montajı tamamlandıktan sonra üzerinde herhangi bir toz, el izi veya farklı bir kirletici olmadığı kontrol edilmeli varsa nemli bir bezle silinip temizlenmelidir. 
6- Cihaz veya kanal içinde lambaya toz veya kirletici gelmiyorsa ekonomik ömürleri içinde herhangi bir bakıma ihtiyaç duymazlar. 
7- Belli aralıklarla (3 veya 6 ay) lambaların elektrik aksamları kontrol edilmeli ve lambalara enerji gittiğinden emin olunmalıdır.  
8- Ömrü biten lambalar en kısa sürede değiştirilmelidir. Lambaların ömürleri tiplerine göre farklılık göstermektedir. Tedarikçiden alım esnasında lamba ömürleri öğrenilmelidir. 

Kaynaklar

1- Ultraviolet Lamp Systems, ASHRAE Chapter 16, 2008
2- Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook, Wladyslaw Kowalski, 2009
3- Ultraviolet Air and Surface Treatment, ASHRAE Chapter 62
4- 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, Wladyslaw J. Kowalski, Technical Report, Mart 2020



Söyleşi