DEĞİŞKEN HAVA DEBİLİ KLİMA SİSTEMLERİ – Bölüm 1 – DEĞİŞKEN HAVA DEBİLİ KLİMA SİSTEMLERİ

1.1 Klima Sistemlerinin Genel Tanımı

Klima sistemlerini “Merkezi Sistemler” ve “Üniter Sistemler” olarak iki ana gruba ayırmak mümkündür. Merkezi sistemlerde bütün mahallerin klima yükleri tek veya birkaç merkezde bulunan ekipmanlar tarafından karşılanır ve projede belirlenen ihtiyaçlara göre mahallere dağıtılır. Dağıtım için hava kanalı, boru sebekesi gibi elemanlar kullanılır. Üniter sistemlerde ise her mahal için bağımsız bir klima ünitesi vardır. Buna örnek olarak “split” klima cihazları gösterilebilir. Bazen odalar birleştirilip çoklu “split” (multi-split) uygulamalarda yapılır ve bu uygulama da bir üniter sistemdir.

Merkezi klima sistemleri  ASHRAE’e göre üç ana gruptan oluşur. Bu gruplar “Tümü Havalı Sistemler”, “Tümü Sulu Sistemler” ve “Kompozit Sistemler”dir. Tümü havalı klima sistemlerinde mahallerin duyulur ve gizli ısı yükleri bir veya birkaç merkezde şartlandırılmış hava ile karşılanır. Aynı hava ısınma gereksiniminin olduğu zamanlarda ısıtmayı da temin etmekte kullanılır.

“Tümü Havalı Sistemler” kendi içlerinde “Sabit Debili Sistemler” ve “Değişken Debili Sistemler” olarak iki grup içinde toplanır. Tümü havalı sistemlerin müşterek bir yanı merkezi ekipmanların, bazı ayrıntılar dışında, benzerlik taşımalarıdır. Bu sistemlerin tamamında merkezi bir klima-havalandırma santralı bulunur. Keza bu sistemlerin tamamında merkezi klima santralında şartlandırılan hava, hava kanalları vasıtasıyla mahallere dağıtılır.

Tümü havalı sistemleri iki ana kategoride incelemek mümkündür. Bu kategoriler “Tek Kanallı Sistemler” ve “Çift Kanallı Sistemler”dir. Tek kanallı sistemlerde ısıtma ve soğutma bataryaları aynı kanal sistemi içinde yer alır, mahallere tek bir kanal dağıtım sistemi ile dağıtılır. Çift kanallı sistemlerde ise sıcak hava ve soğuk hava birbirinden ayrı dağıtım sistemlerine sahiptir.Merkezi şartlandırma tek ve iki santraldan meydana gelebilir. Bu sistemleri aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:

• Tek Kanallı Sistemler

-Tek kanallı sabit debili sistemler

-Tek kanallı değişken debili sistemler

-Tek kanallı, zon ısıtıcılı sistemler

• Çift Kanallı Sistemler

-Çift kanallı değişken debili sistemler

-Çok zonlu sistemler

Tümü havalı sistemlerin sağladığı avantajları şu şekilde özetleyebiliriz:

• Ana ekipmanların merkezi bir mahalle yerleştirilebilmeleri. Bu sayede işletme ve bakım kolaylığı sağlanmış olmaktatır.
• Klimatize mahallerde,yüksek güçlü elektrik dağıtım sistemlerine, hidronik boru şebekesine, özellikle drenaj sistemlerine gereksinim göstermez.

• Dış havanın soğutma amaçlı kullanılabilinmesine olanak sağlar. Bu sayede özellikle geçiş mevsimlerinde mekanik soğutmaya ihtiyaç göstermeksizin klimatizasyonu temin eder.
• Zonlamaya, dolayısıyla sıcaklık ve nem kontrolunda esnekliğe imkan verir.
• Isı geri kazanım sistemlerine kolaylıkla adapte edilebilir.

Ancak bu avantajlarının yanı sıra bazı dezavantajları da bulunmaktadır.

• Kanallar çok yer işgal etmektedir. Bu nedenle kolonlar için oldukça geniş şaftların ayrılması gerekir.
• Yatay kanal dağıtımı için kat yüksekliklerinin arttırılması, birçok yerlerde asma tavan uygulaması kaçınılmazdır.
• Dış duvarı ve penceresi olan perimetre hacimlerde ısıtma işlemi için uzun süreli vantilatör çalışmaları gerekebilir.
• Otomatik debi reglaj üniteleri bulunmayan tümü havalı, sabit debili sistemlerde debi reglajı oldukça zordur.

“Tümü Sulu Sistemler”de veya daha doğru bir tanımla “Hidronik Sistemler”de mahal soğutma ve ısıtma gereksinimleri, bir veya birkaç merkezde şartlandırılmış sıvı akışkanın, genellikle suyun, boru şebekesi yardımıyla mahallere dağıtımı  ve mahallerdeki terminal üniteleri ile karşılanır. Bu uygulama için  gösterilebilecek en güzel örnek fan-coil’li klima uygulamalarıdır.

“Kompozit Sistemler” ise bu iki ana grubun karışımdan meydana gelir. Kompozit sistemlerde hem merkezi hava şebekesi, hava kanalları hem de merkezi hidronik şebeke örneğin sıcak ve soğuk su hatları yer alır. Bu sistem, ASHRAE el kitaplarında “Havalı-Sulu Sistemler” (Air-Water Systems) olarak da tanımlanmaktadır. Bu sistemin en belirgin örneği endüksiyon cihazlarının kullanıldığı klima sistemleridir. Bu sistemlerde fan-coil ünitelerine benzer cihazlar klimatize mahallere yerleştirilmektedir. Ancak içinde fan bulunmayan bu cihazlara primer hava kanallar vasıtasıyla iletilmektedir. Nozıllardan yüksek hızda üflenen primer hava serpantin arkasında bir kısmi  vakum  meydana getirmekte  ve  bu sayede  “sekonder” olarak adlandırabileceğimiz mahal havası ısıtıcı/soğutucu serpantin üzerinden endüklenerek lokal ihtiyaçlar paralelinde ısıtılmakta veya soğutulmaktadır. Isıtıcı/soğutucu bataryanın ihtiyacı olan sıcak ve soğuk su merkezi hidronik şebeke sayesinde cihazlara iletilmektedir.

Son ısıtıcılı VAV terminal üniteleri de komposit sistemlere ait diğer bir örnektir.

Tümü sulu sistemler bu kitabın kapsamı dışında olduğundan yalnız endüksiyon cihazları ile son ısıtmalı değişken hava debili “VAV” sistemleri ele alınacaktır.   Ayrıca kitabımızda sabit debili sistemler ve değişken debili sistemler incelenecek, iki sistemin mukayesesi yapılacaktır.

 1.2. Sabit Debili Sistemler

Tümü havalı sabit debili sistemler en yaygın uygulamaya sahip klima ve havalandırma sistemleridir. Bu sistemde mahallere sevk edilecek hava debisi o mahallin maksimum duyulur ısı yüküne göre belirlenir.

Burada: Q_duy= Mahal duyulur ısı kazancı (kCal/h)

c_p = Havanın sabit basınçtaki özgül ısısı (0,24 kCal/kg)

ϒ  = Havanın özgül hacmi (m³/kg)

Δt= Oda ile üfleme havası arasındaki sıcaklık farkı (^oC)

Ancak hava debisi değişen mahal yüküne bağlı olmayıp sabittir. Diğer bir ifade tarzıyla, mahal yükü ne olursa olsun üflenen hava debisi daima sabittir. Ancak değişen yük üflenen havanın sıcaklığının kompanzasyonu ile sağlanır. Bu özelliği bir örnekle gösterelim.

Örnek-1: Bir mahallin toplam klima yükü 8600 kCal/h, duyulur ısı oranı %82’dir. Mahal sıcaklığı 26^oC, istenen üfleme sıcaklığı 16^oC olduğuna göre mahal hava debisini hesaplayın.

 

Bu hesabımızı yeni “SI” birimleri ile yaparsak:

Q_duy= 8600×0,82kCal/h=7052 kCal/h= 7052x(4,1868 kJ/kCal)=29525 kJ/h

c_p        = 0,24 kCal/kg       = 1,00483 kJ/kg

ϒ = 0,87 m³/kg

Δt= 10^oC

Yukarıdaki örneğimizde 26^oC mahal kuru termometre sıcaklığı, 16^oC ise arzu edilen klimatize hava üfleme sıcaklığıdır ve bu sıcaklık maksimum yükte gerçekleştirilecek olan üfleme sıcaklığıdır.

Hesapladığımız debi dış hava şartları ve mahal yükü ne olursa olsun sabittir. Mahal kuru termometre sıcaklığı dönüş hava kanalı veya mahalle yerleştirilen bir termostat veya sıcaklık algılayıcısı ile ölçülüp kumanda paneline (DDC panel veya BMS) bildirilir. Bu panelden gelen komutlar ile kış çalışmasında ısıtıcı batarya üzerindeki, yaz çalışmasında ise soğutucu batarya üzerindeki oransal motorlu vanaya kumanda edilerek mahal sıcaklığı  sabit tutulmaya çalışılır. Bu sabit tutulma işlemi üflenen havanın sıcaklığını değiştirmek suretiyle gerçekleştirilir. Yaz klimasında 16^oC olarak belirlenen sıcaklık değişen yüke bağlı olarak oransal olarak 16-26^oC arasında değiştirilir.

1.2.1. Maksimum ve Kısmi Yüklerde Çalışma Karakteristikleri

Klimatize bir mahallin projelendirilmesinde maksimum şartlar esas alınır. Ancak bu şartlar bir işletme sezonu boyunca çok kısa süreli olarak meydana geldiğinden klima sistemi ekseriyetle kısmi yüklerde çalışır. Örnek olarak duyulur ısı yükünün %50 olduğu bir durumu inceleyelim.

Örnek-2: Toplam klima yükü 8600 kCal/h (36006 kJ/h), duyulur ısı oranı %82 olan bir mahallin sıcaklığı 26^oC, maksimum yükte istenen üfleme sıcaklığı 16^oC’tır. Belirlenen hava debisi 2600 m³/h olduğuna göre %50 duyulur ısı yükündeki üfleme sıcaklığını hesaplayın. (Dış hava şartları 33^oCKT, 24^oCYT’dir).

 Tam yükteki duyulur ısı (Q_duy-100)=36006 x 0,82 = 29525 kJ/h

Tam yükteki gizli ısı        (Q_giz-100) =36006 – 29525= 9481 kJ/h

%50 yükteki Q_duy= 29525 kJ/h x 0,50= 14763 kJ/h

%50 duyulur ısı yükündeki duyulur ısı oranı (RSHR)=14763/(14763+9481)=%61

(Gizli ısı kazancı insanlardan ve dahili ekipmanlardan kaynaklandığı varsayımıyla sabit kabul edilmiştir.)

Bu durumda üfleme sıcaklığı:

 

14763 =3002,94 x(26-T)

T= 21,08^oC……………………….. bulunur.

Tam yük ve %50 duyulur ısı yükündeki soğutma ve mahalde ısı kazanma proseslerini psikrometrik diyagram üzerinde gösterirsek mahalde istenen bağıl nem seviyesinin tutturulamadığını ve bu seviyenin %50 ile %58 arasında değiştiğini görürüz. Aşağıdaki psikrometrik diyagramda kırmızı hatlar tam yükteki (RSHR=%82) prosesi, yeşil hat ise %50 duyulur ısı yükündeki prosesi göstermektedir.

Bu diyagramda “OA” dış hava şartlarını, “RA” mahal şartlarını, “SA” üflenen klimatize hava şartlarını, “ADP” de cihaz çiy noktasını göstermektedir. “RSHR” ise mahal duyulur ısı oranıdır.

Kış uygulamasında tam veya kısmi yüklerde çalışma karakteristiklerinde önemli değişiklikler  gözlenmemekte,  istenen mahal  şartları  daha büyük  bir  hassasiyetle gerçekleştirilebilmektedir. Bu durumu aşağıdaki psikrometrik diyagram üzerinde görmek mümkündür.

Kış klima proseseinde “0A-1” hattı dış havanın ısıtılmasını , “1-2” hattı ise havaya buhar püskürtülmek suretiyle bağıl ve mutlak nemin arttırılmasını göstermektedir. Kısmi yüklerde ısıtıcı bataryanın yükü azalmakta, ancak buharlı nemlendiricinin oransal kontrolu ile “2-RA” doğrusu yakalanmaktadır.Bu diyagramda “2-RA” hattı mahallin ısı kaybı neticesi soğumayı göstermektedir.

1.2.2. Çok Hacimli Binalarda Uygulama

Tümü havalı sabit debili klima sistemleri yapısı nedeniyle yalnız bir termostadın uyarılarına göre kontrol  edilebilir. Bu termostat çok hacimli yapılarda müşterek dönüş kanalı üzerine yerleştirilir. Bu nedenle ancak benzeri karakteristiğe sahip hacimler merkezi tek bir klima santralına bağlanabilirler. Bu durum da çoğu zaman yeterli olmaz, ani yük değişiklikleri nedeniyle mahallerde sıcaklık ve bağıl nem dalgalanmaları meydana gelir. Bu nedenle eğer bir bina değişik karakteristikte ve değişik soğutma/ısıtma ihtiyaçlarına sahip hacimlerden meydana geliyorsa her hacim müştakil bir klima sistemine sahip olmalıdır.

Bu hususu gerçekleştirmek için soğutucu batarya ve vantilatörden meydana gelen bir merkezi klima santralına ilaveten aşağıdaki iki uygulamanın yapılması gereklidir.

• Merkezi klima santralında soğutulmuş primer hava ile sıcak havanın, örneğin soğutulmamış dış havanın mahal şartlarına göre karıştırılarak sevki. Ancak bu uygulamada primer hava ile soğutulmamış dış havanın debilerinde devamlı değişiklik gerekeceği için bu uygulamayı sabit debili sistemlerde yapmak mümkün değildir.
• Zon ısıtıcısı kullanımı.

1.2.3. Zon Isıtıcısı Kullanımı

Zon ısıtıcılı bir sabit debili klima sistemi aşağıda görülmektedir. Bu uygulamada üfleme sıcaklığı en kritik, soğutma yükü en fazla olan mahalle göre belirlenir. Soğutma yükünün fazla geldiği mahallerde, yaz uygulamasında, zon ısıtıcıları devreye girerek aşırı soğutmayı giderirler.

Kış uygulamasında ise en yaygın uygulama mahallere klima santralından mahal sıcaklığında, sabit sıcaklıkta ve debide hava gönderilmesidir. Mahallerin ısı kaybı zon ısıtıcıları ile karşılanır. Zon ısıtıcıları mahallerde bulunan termostatlar ve motorlu vanalar ile kontrol edilir.

Bu uygulama esasında “Tümü Havalı Sabit Debili Klima Sistemleri”nden ziyade “Kompozit Sistemler”in alt grubunu oluşturan “Tek Kanallı Son Isıtmalı CAV Sistemleri”ne aittir.

1.3. Değişken Debili Klima Sistemleri

Değişken debili klima sistemlerinin en büyük özelliği mahallere sabit sıcaklıkta hava sevk etmesi, ancak mahal klima gereksinimleri paralelinde üflenen klimatize hava debisini modüler olarak değiştirmesidir.

Yukarıdaki şematik çizimde tek kanallı bir değişken debili klima sistemi görülmektedir.

Değişken debili klima sistemleri, veya kısa tanımıyla “VAV” sistemleri ASHRAE’in klima sistemleri tanımına göre “tüm havalı” ve hava-su karışımı “kompozit” sistemlerin her ikisi içinde de yer alır. Tüm havalı klima sistemleri de kendi içlerinde “tek kanallı sistemler” ve “çift kanallı sistemler” olarak ikiye ayrılır. VAV sistemleri bu iki sistemin her ikisinin içinde de yer almaktadır.

Tek kanallı değişken debili sistemlerde, kış çalışmasında perimetrik hacimlerin ısıtma ihtiyaçlarını karşılayabilmek amacıyla VAV terminal ünitelerine hava ısıtıcı bataryalar da takılabilmektedir.Bu uygulama nendeniyle VAV sistemlerini kompozit sistemler içinde de yorumlamamız mümkündür. Değişken debili kompozit sistemlere diğer bir örnek te endüksiyonlu klima sistemleridir.

1.3.1. Maksimum ve Kısmi Yüklerde Çalışma Karakteristikleri

Değişken debili klima sistemlerinde de bir mahal için gerekli hava debisi sabit debili sistemlerde olduğu gibi hesaplanır. Burada, her iki sistemde de müştereken yapılan uygulama oda kuru termometre sıcaklığı ile üfleme havası kuru termometre sıcaklığı arasındaki farkın kabulüdür. Bu fark genelde 8^oC ila 10^oC olarak alınır. Daha önce sabit debili sistemlerle ilgilibölüm 1.2. “Sabit Debili Sistemler”de vermiş olduğumuz formülü burada tekrarlayacağız.

Burada: Q_duy= Mahal duyulur ısı kazancı (kCal/h)

c_p = Havanın sabit basınçtaki özgül ısısı (0,24 kCal/kg)

ϒ  = Havanın özgül hacmi (m³/kg)

Δt= Oda ile üfleme havası arasındaki sıcaklık farkı (^oC)

Oda kuru termometre sıcaklığı ile üfleme havası kuru termometre sıcaklığı arasındaki fark genelde 8^oC ila 10^oC alınır. Örnek-1’deki hesabı tekrarladığımızda gerekli hava debisinin 2556,35 m³/h olduğunu, 2600 m³/h değerinin kabul edildiğini görürüz. VAV klima sistemlerinin en büyük özelliğinin, değişen mahal şartlarını karşılamak için hava debisini değiştirdiğini ancak üfleme sıcaklığını sabit tuttuğunu belirtmiştik. Bu durumu bir örnek ile gösterelim (mukayese kolaylığı açısından Örnek-2’deki değerler aynen alınmıştır).

Örnek-3: Toplam klima yükü 8600 kCal/h (36006 kJ/h), duyulur ısı oranı %82 olan bir mahallin sıcaklığı 26^oC, maksimum yükte istenen üfleme sıcaklığı 16^oC’tır. Belirlenen hava debisi 2600 m³/h olduğuna göre %50 duyulur ısı yükündeki gerekli hava debisini hesaplayın. (Dış hava şartları 33^oCKT, 24^oCYT’dir).

 Tam yükteki duyulur ısı (Q_duy-100)=36006 x 0,82 = 29525 kJ/h

Tam yükteki gizli ısı        (Q_giz-100) =36006 – 29525= 9481 kJ/h

%50 yükteki Q_duy= 29525 kJ/h x 0,50= 14763 kJ/h

%50 duyulur ısı yükündeki duyulur ısı oranı (RSHR)=14763/(14763+9481)=%61

(Gizli ısı kazancı insanlardan ve dahili ekipmanlardan kaynaklandığı varsayımıyla sabit kabul edilmiştir.)

Bu durumda kısmı yükteki hava debisi: 

V =1.278 m³/h …………………..bulunur.

Maksimum ve kısmi yükteki tek kanallı VAV uygulamalarının priksometrik diyagramı aşaıda gösterilmektedir.

Yukarıdaki örnekte yalnız duyulur ısı yükünün %50 oranında azaldığı ancak gizli ısı yükünün değişmediği varsayımı ile olaşan kısmi yük prosesi gösterilmiştir. Bu nedenle oda duyulur ısı oranı “RSHR” %61 olmuştur. Bu durumda da mahal kuru termometre sıcakığı 26^oC olarak kalmakta, ancak bağım nemin %50’den %58’e yükseldiğini görürüz. Bu en ekstrem durumdur. Ancak gizli ısı yükünün önemli bir kısmının enfiltrasyon ile geldiğini kabul edersek gizli ısı yükününde değişeceğini kabul etmemiz gerekir. Duyulur ısı yüküne paralel olarak gizli ısının da azalacağını kabul ettiğimizde, örneğin enfiltrasyondan gelen gizli ısı yükünün azalacağını dikkate aldığımızda “RSHR” oda duyulur ısı oranının %61’den daha yüksek değerlere ulaşacağını ve mahal şartları olan “RA” bağıl nem değerinin maksimum yükteki değere çok yakın olacağını görürüz.

Kış rejiminde ise iki değişik uygulama karşımıza çıkmaktadır.

• Minimum sabit debi, üfleme sıcaklığının modüler kompanzasyonu.
• Sabit üfleme sıcaklığı, üfleme debisinin “VAV” olarak uygulanması.

Bu sistemlerden hangisinin tercih edileceği proje müellifi kadar mimari projenin özelliklerine de bağlıdır. Tümü dış duvarlı olan, perimetrik odalara sahip bir konstrüksiyonda tesisat projesini yapan mühendis kış uygulaması için iki sistemden birini tercih edebilir. Ancak bina perimetrik hacimlere ilaveten dış duvarı olmayan iç hacimler içeriyorsa sabit debili uygulamayı seçebilir. Bu durumda perimetrik hacimlerin  ısı kayıplarının  kompanzasyonu için  VAV  terminal ünitelerinin çıkışlarına

Isıtıcı bataryalar konulması, bu bataryaların motorlu vanalar ile donaltılması ve motorlu vanalara oda termostatları ile kumanda edilmesi gekekmektedir. Her iki uygulama aşağıdaki psikrometrik diyagramnda görülmektedir.

1.3.2. Sağladığı Avantajlar ve Üstünlükleri

Tümü havalı klima sistemlerinde gerekli hava debisi mahal soğutma yüküne bağlı olarak belirlenmektedir. Ancak bu debi maksimum yüke tekabül etmektedir. Maksimum yaz klima yükünün tüm çalışma sezonu boyunca ancak birkaç günde ve bu günlerde yalnız azami iki ila üç saat için gerekeceğini düşünürsek bu debinin kısmi yük altındaki çalışmalarda gereksiz olduğu ortaya çıkar. Bu mahsur VAV uygulamaları ile giderilmektedir. İlerideki bölümlerde anlatılacağı gibi, VAV terminal üniteleri bünyelerinde debi ölçme ve reglaj sistemleri sayesinde mahalle, ancak o andaki ihtiyacı kadar hava sevkini sağlar. Terminal ünitelerindeki bu reglaj, doğru bir otomatik kontrol sistemi seçimi ile merkezi klima santralına da yansır  ve santralın üfleme  ve emme-egzost debileri  VAV terminal ünitelerindeki azalma ve çoğalmalar paralelinde otomatik olarak azalır veya artar. Ancak klima yükünün “sıfır” olduğu durumlarda üflenen klimatize hava debisi asla sıfıra eşit olmaz. Mimimum yükteki klimatize hava debisi mahallin IAQ paralelinde, mahalde mevcut insan sayısının altına düşmeyecek tarzda belirlenir. Bu uygulama gerek hava debisinin reglajı, gerekse ısıtma-soğutma   için   enerji   kullanımındaki   değişimler   nedeniyle  önemli  enerji tasarrufları sağlar. Doğru bir projelendirme ile %40’a varan hatta bu değerin dahi üstünde enerji tasarrufu sağlamak mümkündür.

VAV sistemlerinin sağladığı diğer bir avantaj da her mahallin bağımsız bir zon olarak çalışabilmesidir. Sabit debili klima sistemleri değişik hacimlerin değişen klima taleplerini karşılayamaz. Sabit debili üfleme havasının sıcaklığı kritik olarak seçilen bir mahalle veya daha yaygın bir uygulamayla dönüş kanalına yerleştirilen bir termostat veya sıcaklık sensörü ile yapılır. Bu durumda ortalama mahal sıcaklığı algılanıp ona göre üfleme sıcaklığı ayarlandığı için mahallerdeki yaz kliması gereksinimlerine istenen hassasiyetle cevap veremez, mahallerdeki sıcaklıklarda dalgalanma olur. Kış klimasında bu eksiklik zon ısıtıcıları ile kısmen giderilse de bu uygulama yaz kliması için mümkün değildir. Çünkü soğutucu serpantinlerin büyüklüğünden meydana gelen basınç kayıpları, yüzey kondansasyonu, damla tutucu ve terleme tavası gereksinimleri buna engel olan ana nedenlerdir.

1.4. CAV ve VAV Sistemlerinin Karşılaştırılması

CAV ve VAV sistemleri arasındaki en önemli fark temel felsefelerinden kaynaklanmaktadır. CAV sisteminin felsefesi basit debide hava ile klimatizasyonu gerçekleştirmek, mahal sıcaklık ayarlarını ise üfleme sıcaklığının modülasyonu ile gerçekleştirmektir. VAV sistemlerindeki temel felsefe ise üfleme sıcaklığını sabit tutmak, mahal sıcaklığını debi regrajı ile gerçekleştirmektir. Diğer farklılıklar bu iki temel felsefenin uygulamalarından kaynaklanmaktadır.

Değişken hava debili klima sistemleri sabit debili sistemlerin eksikliklerini gidermek üzere 1960’lı yıllarda ilk olarak ABD’lerinde ortaya çıkmıştır. 1970 sonrası yaşanan gelişmelerde VAV terminal ünitelerinin otomasyon sistemlerindeki hassasiyet arttırıcı ve maliyet düşürücü gelişmelerin neticesi ABD dışına da çıkmış, Avrupa ve Asya ülkelerinde de geniş tatbikat alanı bulmuştur. Özellikle temiz oda teknolojisinde HEPA filtrelerinin kullanımı VAV terminal ünitelerinin kullanımlarını vazgeçilmez bir unsur haline getirmiştir.

Her iki sistem arasındaki temel farklılıkları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.

• Hava debisi: Her iki sistemde de hava debileri mahallin maksimum klima yükü dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Bu debi genellikle IAQ iç hava kalitesinin gereksinimi olan taze hava debisinin çok üzerindedir. CAV sistemlerinde hesaplanan maksimum debi tüm uygulama esnasında sabit tutulmaktadır. Bu da mahallere, maksimum yük durumları haricinde gereksiz klimatize hava sevkiyatı ile neticelenmektedir. VAV sistemlerinde ise hava debisi aynı yöntemle hesap  edilmekle birlikte mahal şartları  paralelinde modüler  olarak kontrol edilmekte, yalnız gerektiği kadar hava üflenmektedir. VAV sisteminde mahallere sevk olunan minimum hava debisi o mahallin IAQ gereksinimlerine göre belirlenmiş hava debisine eşittir. Özetle CAV uygulamasında devamlı sabit debi kullanılmasına karşıt VAV uygulamalarında değişken hava debileri kullanılmaktadır. Bu da işletme ekonomisi açısından VAV lehine büyük bir avantaj sağlamaktadır.Maksimum dizayn şartlarına göre hesaplanmış hava debisini CAV uygulamalarında mahallere sevk ettiğinizde kısmi yüklerde mahalde ısıtma gerekir. Bunun alternatifi de değişken üfleme sıcaklığıdır. Halbuki VAV uygulamalrında bu iki uygulama handikapının üstesinden gelinmiştir. Bu hususu aşağıdaki grafikte görebilirsiniz:

Bu grafik gösterimde, CAV uygulamasında eğer üfleme sıcaklığı sabit tutulursa sarı kısımlar yaz klimasında dahi ısıtma ihtiyacı olacağını göstermektedir. CAV uygulamaları içinde bu handikapa üfleme sıcaklığının kontrolu ile çözüm bulunmaya çalışılmıştır. VAV sistemleri ise bu hususu debi reglajı ile gerçekleştirmektedir.

Sabit debili klima sistemlerindeki üfleme sıcaklık modülasyonu ile değişken debili klima sistemlerinde hava debisi modülasyonu yukarıdaki grafikte görülmektedir.

CAV uygulamalarında debinin sabit olduğunu daha önce de belirtmiştik. Yukarıdaki grafik örnekte 300 W/m²maksimum yükte 24 litre/saniye debideki üfleme havasının oda sıcakılığından 10^oC daha düşük sıcaklıkta, örneğin oda sıcaklığı 26^oC ise, üfleme havasının 16^oC olduğu bir sistem gösterilmektedir. CAV uygulamasında mahal yükü 180 W/m²’ye düştüğünde üfleme sıcaklığı ile oda sıcaklığı arasındaki farkın8^oC’a, 60 W/m²’ye düştüğünde de 2^oC’a düştüğünü görmekteyiz. Bu uygulama, oldukça düşük sıcaklık farklılıklarında oldukça zor ve dalgalanmalı bir uygulamadır. VAV uygulamalarında ise sıcaklık sabit olup kontrolu son derece kolaydır. Mahal gereksinimini debi reglajı ile gerçekleştirilmektedir.

• Zonlama:Bir bina yön itibariyle günün değişik saatlerinde maksimum yüke sahip olan hacimlere sahip olabilir. Örneğin bir binanın hakim cepheleri Doğu ve Batı ise Doğu’ya bakan mahaller sabah saatlerinde, örneğin saat 9:00, 10:00’da maksimum yüke sahiptirler. Batı yönündeki mahaller ise maksimum yüke saat 16:00 ila 18:00 arasında erişirler. Doğu hacimler maksimum yükteyken Batı yönlü hacimler minimumda, Batı yönlü hacimler maksimum yüke sahipken Doğu’ya bakan mahaller ise minimum yüktedir. Bu husus sabit debili sistemlerde bu durumun çözümü binayı iki zona ayırıp iki değişik klima santralı kullanımı ile çözülmektedir. Benzeri uygulama aşağıdaki şemada gösterilmektedir.

Değişken debili sistemlerde iki binayı zonlamaya gerek kalmadığı gibi tek klima santralı ile sistemi çözmek mümkündür.Her oda için bağımsız debi reglajı VAV terminal üniteleriyle yapılması bu olanağı sağlamaktadır.Bu uygulamayı aşağıdaki şemada görüyoruz.

Bu farklılığı şu şekilde rakamlar kullanarak özetleyebiliriz:

Sabit debili (CAV) klima sistemi uygulamasında her zon için ayrı bir klima santralı kullanılacaktır. Doğu zonu klima santralının hava debisi 13.500 m³/saat ,batı zonunun klima santralının hava debisi ise 16.000 m³/saat olacaktır. Halbuki binanın maksimum yükü saat 16:00’da meydana gelmektedir ve gerekli olan hava debisi 21.500 m³/saat’tir. Kurulu iki klima santralının toplam hava debisi 13.500+16.000=29.500 m³/saat olmasına karşılık maksimum kullanma miktarı 21.500 m³/saat’ten ibarettir. Değişken hava debili uygulamada ise 21.500 m³/saat hava debili tek bir klima santralı kullanılacaktır. Mahal debi gereksinimleri ise her mahallin üfleme kanalı üzerine yerleştirilen bir adet VAV terminal ünitesi ile sağlanacaktır. VAV terminal ünitesine o mahalle yerleştirilen bir termostat kumanda edecektir. Mahal dönüş havası kanalı üzerine de bir adet VAV terminal ünitesi konulması gereklidir. Bu durumda üfleme tarafındaki VAV asil (master), dönüş havası tarafındaki VAV ise ikincil(slave) olacaktır.

---

Yukarıdaki tablo ile ilgili işlemlerde debi duyulur ısı yükünün havanın sabit basınçtaki özgül ısına( C_p=0,24), özgül yoğunluğuna (δ=1,159 ve oda sıcaklığı ile üfleme sıcalığı arasındaki farkın 8^oC alınması ile bulunmuştur. Duyulur ısı yükü toplam yük ile mahal duyulur ısı ornaının (RSHR) çarpımına eşittir.

Bu uygulama önemli bir miktarda işletme ekonomisi sağlamaktadır. CAV uygulamasındaki     sabit     29.500 m³/saat      hava   debisine      karşılık    VAV uygulamasında ise maksimum 21.500 m³/saat olacak, bu debi de mahallerin ve mevsimsel gereksinimlerin paralelinde minimum debi ile maksimum debi arasında değişecektir.

Yukarıdaki grafikte “İKİ ZONUN MAKSİMUMLARININ TOPLAMI” tanımıyla gösterilen çizgi aynı zamanda iki zona hitap edenCAV sistemi klima santralarının toplam hava debisini ,“TOPLAM YÜK” eğrisi ise tüm binaya hizmet eden tek VAV klima santralının değişken hava debisini göstermektedir.

• Mahal sıcaklık kontrolu:Değişken debili sistemlerde mahal sıcaklığı mahalle üflenen klimatize havanın debisinin reglajı ile sağlanmaktadır. Bu husus VAV terminal ünitesinin üzerindeki mikro-işlemcili servomotora mahalle yerleştirilen bir elektronik termostat veya BMS (bina otomasyon sistemi)’den gelen sinyaller ile gerçekleştirilmektedir. Bu sayede son derece hassas, esnek ve ekonomik bir oda sıcaklık kontrolu yapılabilmektedir.

Sabit debili sistemlerde ise mahalle sevk olunan debi sabittir. Mahal sıcaklıklarının müstakilen kontrolu mümkün değildir. Termostat dönüş kanalı üzerine konulmakta ve o klima santralının beslediği hacimlerin ortama bir değeri dönüş kanalı üzerinden ölçülebilmektedir. Bu uygulamada mahal sıcaklıklarının hassas bir şekilde kontrolu gerçekleştirilememektedir. Bu mahsur kış uygulamasında zon ısıtıcıları konması ile kısmen giderilse de yaz uygulamasında bu mümkün değildir. Çünkü soğutma serpantinlerinin ısıtma serpantinlerine nazaran çok daha sıra sayısına sahip olmaları basınç kaybını arttırmaktadır. Soğutucu   bataryaların  satıhlarında   genelde    kondansasyon meydana gelmektedir. Kondansasyonun kanala sürüklenmemesi için serpantin çıkışına damla tutucu ve altına da terleme tavası konması gerekmektedir. Damla tutucu da ilave bir basınç kaybı getirmektedir. Meydana gelen bu yüksek basınç kaybı uygulamanın ekonomik boyutlarını aşmakta, meydana gelen yoğuşmanın drene edilmesi için ilave bir drenaj şebekesine gerek duyulmaktadır.  Bu nedenle zon soğutucu uygulaması tercih edilmemektedir.

• Kanal Uygulaması:CAVuygulamalarında klimatize hava genellikle sevk kanallarında düşük hız ve düşük basınçlı hava kanalları kullanılmaktadır. Bunun temel nedeni de ses ve gürültü nedeniyle belirli seviyelerin üstüne çıkamamaktır. Bu nedenle birçok uygulamalarda 60 ila 80 cm, hatta daha fazla asma tavan arası boşluklara gerek görülmektedir.Bu hızlar ana kanallarda 8 ila 10 m/san hava hızı, branşmanlarda da 4 ila 6 m/san hava hızı ile sınırlı kalmaktadır. Ancak VAV uygulamalarında VAV terminal ünitelerine kadar herhangi bir mahalle çıkış noktası olmadığından çok daha hızların uygulanması mümkündür. Ancak muhtemel hava kaçağının yüksek hızlarda büyük ses seviyelerine neden olacağı nedeniyle yüksek hız ve yüksek basınçlı kanal uygulamalarında dikdörtgen kesitli hava kanalları yerine spiral kenetli dairesel veya yassılaştırılmış dairesel hava kanalları (flat-oval air ducts) tercih edilmelidir.VAV terminal ünitelerinden sonra ise düşük hızlı ve düşük basınçlı kanal uygulamalarına geçilmelidir. Aşağıdaki kanal basınç kaybı diyagramında tavsiye edilen ve genelde uygulanan kanal hız ve basınç kayıpları görülmektedir.

• Statik hava sorunu: Değişken hava debili klima sistemlerinde en çok karşılaşılan sorunlardan biri de statik (stagnant=durağan) hava sorunudur. VAV sistemlerinde de gerek kanal hesabı, gerekse menfez, difüzör gibi terminal ünitelerin seçimi maksimum yükteki hava debisine göre yapılır. Özellikle menfez-difüzör seçim ve yerleştirilmesinde mahalde hava cereyanı yaratmayan pozitif bir hava sirkülasyonu, insanların baş seviyesinde optimum hava hızları dikkate alınır. Sabit debili sistemlerde mahal klima yükündeki değişikler üflenen havanın sıcaklığının değiştirilmesi suretiyle regüle edildiği için hava debisi tüm işletme süresince sabittir. Eğer terminal ünite seçim ve yerleştirilmesi uygun bir biçimde yapılmışsa, bu uygunluk işletme süresince devam eder ve bir problem yaratmaz. Ancak değişken hava debili sistemlerde bu durum farklıdır. Kısmi yüklerdeki hava debilerinin düşük değerlerde olması mahallin üfleme elemanına uzak kısımlarında statik ve durağan havanın yaratılmasına neden olabilir.

Yukarıdaki resimde görünen durumum izale edilmesi için menfez ve difüzörlerin maksimum ve minimum debilerdeki performansları incelenmeli, seçim ona göre yapılmalıdır. Önerilen çözümlerden biri de menfezlerin mümkünse karşıt duvarlara konularak çapraz süpürmenin gerçekleştirilmesidir. Bu uygulama da sorunu büyük ölçüde ortadan kaldırır. Aynı durum asma tavana yerleştirilen difüzörler için de geçerlidir. Fanlı VAV terminal üniteleri ve endüksiyonlu VAV ünitelerinin kullanımı yetersiz hava dağılım sorunu için alternatif çözümler oluşturmaktadır. Fanlı ve endüksiyonlu VAV terminal üniteleri ileriki sayfalarda ele alınacaktır.

• Ses seviyeleri: Değişken hava debili klima sisitemlerinde tam kapasitede çalışma durumunda ses seviyesi önemli bir sorun değildir. Ancak kısmi kapasitelerde, özellikle maksimum debi için VAV terminal ünitesi yüksek hızlarda, örneğin 10 m/s – 12 m/s gibi limit değerlerde seçildiyse, özelikle kısmi yük durumundaki çalışmalarda ses seviyesi istenen konfor şartlarının üzerinde oluşabilir. Çünkü kısmi yük durumundaki çalışmalarda VAV terminal ünitesi içindeki reglaj damperi kısmen kapalı (kısık) durumda olacaktır. Bu konum da basınç kaybına bağlı olarak ses seviyesinin artmasına neden olacaktır. Aşağıdaki diyagramda bir  VAV  terminal  ünitesi   içindeki   reglaj damperinin ( dairesel klapenin) kanat açısına bağlı olarak basınç kayıplarını göstermektedir.

VAV terminal ünitesinde meydana gelen ses seviyesi de basınç kaybının bir fonksiyonu olarak gelişmektedir. Aşağıdki tablo İMEKSAN A.Ş. üretimi IDH-D serisi VAV terminal ünitelerinin ses seviyelerini göstermektedir.

Odaya yansıyan ses seviyesi arzu edilenin üzerinde ise ünite çıkışına susturucu konulmalıdır. VAV terminal ünitelerine entegre ssuturucular 2. Bölüm’de incelenecektir.

• Yetersiz havalandırma sorunu:

Yanlış uygulamalar sonucu değişken hava debili sistemlerde IAQ şartlarına uymayan yetersiz  havalandırma ile karşılaşılmaktadır. Yetersiz havalandırma bu sistemin bir eksikliği olmayıp yanlış projelendirilmeden kaynaklanmaktadır. Değişken hava debilerinde  bir mahallin maksimum hava debisi o mahallin maksimum klima yüküne göre belirlenir. Minimum hava debisi ise o mahalde mevcut insan sayısı için IAQ şartlarına göre gerekli olan hava debisidir. İmalatçı firma kataloglarında VAV terminal ünit debileri genellikle  2 m/s ila 12 m/s arasındaki alın hızlarına göre verilir. Maksimum hava debisi de proje müellifi tarafından seçilen büyüklükteki ünitenin yine proje müellifi tarafından seçilen alın hızındaki debidir. Minimum debi ise mahaldeki insan sayısına göre belirlenir. Seçilen VAV terminal ünitesindeki minimum debi bu debi olacaktır. Bu debinin tekabül ettiği alın hızı 2 m/s’nin üzerinde olabilir. Örneğin bir VAV ünitesinde istenen maksimum debi 2800 m³/saat , minimum debi de 500 m³/saat olsun. Bu durumda 2800 m³/saat için 10 m/s alın hızı olan bir ünite seçilirse minimum debinin tekabül edeceği hız 1,78 m/s bulunur. VAV uygulamalarında 2 m/s alın hızı altındaki uygulamalar  sağlıksız bir çalışma olacağı için yapılacak şey iki uygulamadan birini yapmaktır.

a) Bunlardan birincisi 2 m/s’nin karşıtı olan 560 m³/saat’i miminum debi olarak seçmektir.Bu durumda VAV ünitesi 2800 m³/saat maksimum (10 m/s alın hızı), 560 m³/saat (2 m/s alın hızı) minimum debilerde çalışacaktır.

b) İkinci seçim ise bir büyük VAV terminal ünitesine geçip 2800 m³/saat için daha yüksek alın hızına sahip, örneğin bu debiyi 12 m/s’de veren bir ünite seçmektir. Bu durumda 500 m³/saat debiyi ünite 2,14 m/s alın hızında verecektir.

Bu uygulamalardan her ikisi de doğrudur ve tercih tamamen projenin insiyatifine kalmıştır.

Yukarıdaki örneklerde %100 dış hava ile çalışan bir değişken havalı klima sistemi kabul edilmiştir. Ancak sistem karışım havası ile çalışıyorsa, örneğin %50 karışım havası ile çalışıyorsa yukarıdaki uygulama, eğer gerekli önlem alınmamışsa, eksik ve yanlıştır. Bu durumda merkeziklima santralının %50 dış havasının debisinin maksimum yükteki debisinin sabit tutulması, dönüş havası debisinin ise gereksinimler paralelinde regüle edilmesidir. Bu husus yukarıdaki grafikte gösterillene uygun bir otomatik kontrol donanımı ile gerçekleştirilebilir. Bu husus 2. Bölüm, 2.2.3. “Klima santarlı Otomatik Kontrolu”na detaylı bir şekilde incelenmektedir.

• Enerji Tasarrufu: Klima yükünün kaydırılabilir ve değiştirilebilir olması değişken hava debili sistemlerin en büyük avantajıdır. Sabit hava debili sistemlerde maksimum hava debisi maksimum yüke göre belirlenir. Bu yük ısı iletimi, radyasyon, enfiltrasyon, aydınlatma, ekipman ve insanlardan kaynaklanan ısı kazançlarının toplamından meydana gelir. Aynı hesap tarzı değişken hava debili sistemler için de geçerlidir. Her iki sistemde de maksimum hava debisi aynı yöntemle hesaplanır. Hesaplama en kritik şartlar dikkate alınarak yapılmaktadır. CAV sistemlerinde maksimum yüke göre belirlenen debi sabittir ve değişmez. Halbuki VAV uygulamalarında değişen ve azalan yüklere göre hava debilerini de azaltmak mümkündür. Değişen hava debileri paralelinde merkezi klima santralının hava debisinin de değişmesi işletme açısından çok büyük tasarruflar getirir. Günümüzde merkezi klima santralarının vantilatör ve aspiratör debilerinin reglajında frekans konvertörleri kullanılmakta, güç kullanımında önemli tasarruflar sağlamaktadır.

Diğer önemli bir husus ta kullanılmayan mahallerin devre dışı bırakılabilmesidir. 2-10 VDC kumanda sinyali ile çalışan bir VAV terminal ünitesi 2VDC’de minimum, 10VDC’de ise maksimum hava debisini mahalle sevk eder. Diğer bir deyişle 10VDC sinyalde kontrol klapesi en açık konumunda, 2 VDC’de ise minimum açıklıktadır. 0 VDC sinyal ise klapenin tam kapanması manasına gelir ki bu uygulamada kullanılmayan mahal devre dışı bırakılmış olur.

VAV uygulamalarında çok zonlu bir sistemin klimatizasyonunun tek bir klima santralı ile sağlanabileceğini önceki bahislerimizde (bkz. Konu No. 1.4. “CAV ve VAV Sistemlerinin Karşılaştırılması, sayfa-17) detaylı bir biçimde anlatmıştık. Bu uygulama da bize hava debisi açısından önemli bir avantaj sağlar.

VAV uygulamalarında, kısmi yüklerdeki hava debilerinin daha düşük değerlerde olması ısıtıcı ve soğutucu akışkan debi ve kapasiteleri açısından olduğu kadar, ısıtıcı-soğutucu ünitelerle sirkülasyon pompalarının enerji harcamaları açısından büyük tasarruflar sağlar.

VAV sistemleri işletme masraflarının toplamında %40’a varan tasarruf sağlar.

• İlk Tesis Maliyeti: VAV sistemleri ve onların ayrılmaz bir parçası olan VAV terminal üniteleri, ilk kullanıma sunulduğu 1960’lı yıllarda çok yüksek fiyatlara mal oluyor ve satılıyordu. Bu rakamlar ABD Doları bazında üç sıfırlı rakamlardı. Bunun nedenlerinden biri de her VAV üreticisi firmanın kendi otomatik kontrol sistemini geliştirmesi ve bu sistemleri kendi monopollerinde bulundurmalarıydı. Ancak özellikle 1970 sonrası ve 1980’li yıllarda gelişen elektronik ve otomatik kontrol sanayi sayesinde OEM bazında özel servomotorların üretimi başladı. Bunun öncülüğünü yapan firmaların başında İsviçre’de bulunan BELİMO firması gelmektedir. Bu firmanın ve onu takip eden diğer firmaların sayesinde VAV uygulamasına uygun mikro işlemcili özel servomotorların fiyatları ABD Doları bazında iki sıfırlı seviyelere düştü. Bunun neticesi olarak VAV ünite ve sistemleri daha yaygın olarak kullanılmaya başlandı.

 Tek zonlu sistemlerde VAV sistemleri CAV uygulamalarından belirli bir oranda daha yüksek ilk yatırım maliyetleri gerektirmektedir. Bu rakam %30 ila %50 arasında değişebilir. Ancak zon sayısı arttıkça aradaki ilk tesis maliyeti farkı azalmakta, hatta çok hacımlı ve değişik kullanım mahallerine sahip komplike konstrüksiyonlarda daha da ucuza mal olmaktadır. Ancak ilk tesis maliyeti ne kadar yüksek olursa olsun, her geçen gün artmakta olan enerji maliyetleri karşısında VAV klima sistemleri uzun vadede, örneğin 10 yıllık bir çalışma sürecinde ilk tesis ve işletme masrafları dikkate alındığında çok daha avantajlı durumdadır.

1.5. VAV Uygulamalarında Bina Karakteristikleri

1.5.1. Değişken Yük Profilleri

VAV klima sistemlerinin sağladığı en önemli avantajlardan biri, bir binaının değişik hacimlerindeki konfor gereksinimlerini hassas bir şekilde karşılayabilmek ve bu sayede vantilatör/aspiratör ve soğutucu sistemin kullandığı enerjilerden büyük tasarruflar sağlamaktır. Binanın konstrüktif ve kullanım özelikleri termik yüklerin gün boyunca değişimine neden olur. Bu eğişim şematik olarak yukarıdaki resimde gösterilmiştir. Bu değişim yıl boyunca da devam eder. VAV uygulaması ise bu değişmlerin getirdiği gereksinimleri optimum şartlarda minimum enerji tüketimiyle sağlar.

1.5.2. Çoklu ve Bağımsız Hacim Kontrolları

VAV uygulamalarının diğer önemli bir özelliği de bir bina dahilindeki değişik hacimlerin klimatolojik gereksinimlerini verimli bir şekilde sağlayabilmesidir. Bu özellik değişken hava debili sistemlerde her mahallin ayrı bir zon gibi kontrol edilmesinden kaynaklanmaktadır. Bu husus dış duvarı olmayıp kış aylarında dahi soğutma isteyen hacimler için de geçerlidir. İleriki bahislerde detaylı bir biçimde inceleyeceğimiz bu durum perimetrik hacimlerin VAV terminal ünite çıkışlarına ısıtıcı batarya montajı ile karşılanmaktadır.

1.5.3. Müşterek Dönüş-Egzost Kanalı Kullanımı

VAV uygulamalarında her hacim müstakil bir zon olsa dahi müşterek dönüş-egzost havası kanalı kullanırlar. Birçok durumda dönüş havası kanalı dahi kullanmadan, asma tavanın içini plenum hücre olarak kullanarak dönüş havasının merkeziklima santralına iletilmesi gerçekleştirilebilir.