Endüstriyel Havalandırmada Enerji Verimliliği: Fan, Kanal ve Isı Geri Kazanımı

Bir fabrikada havalandırmanın elektrik tüketimi tek bir bağıntıyla okunur: fan mil gücü P = Q · Δp / η. Q taşınan hava debisi, Δp fanın yendiği toplam basınç kaybı, η ise fan, motor ve tahrik verimlerinin çarpımıdır. Örnek olarak 20.000 m³/h debiyi 1.200 Pa toplam basınçla taşıyan ve toplam verimi 0,60 olan bir emiş sistemi yaklaşık 11,1 kW çeker; yılda 4.000 saat çalışırsa tüketim yaklaşık 44.400 kWh olur. Endüstriyel havalandırmada enerji verimliliği bu üç terimi ayrı ayrı küçültmek ve kışın emilen havanın yerine giren dış havayı ısıtmanın maliyetini de ayrıca ele almaktır. Debinin nasıl belirlendiği ve sistemin bileşenleri endüstriyel havalandırma sistemleri sayfasında; ofis, otel ve AVM gibi ticari binalardaki karşılığı ise enerji verimli havalandırma sistemleri yazısında anlatılıyor.

Birinci terim: gereğinden fazla hava taşımamak

Kirletici kaynağında yakalanırsa bütün salonun havasını seyreltmek gerekmez; genel havalandırma debisi düşer, kış ısıtma yükü de onunla birlikte azalır. Kaynakta emişte debiyi belirleyen şey, emiş ağzının kaynağa uzaklığıdır. ACGIH'in Industrial Ventilation kılavuzunda yer alan Dalla Valle bağıntısı, flanşsız bir emiş ağzı için Q = V · (10 · X² + A) verir; V kaynakta istenen yakalama hızı, X ağız ile kaynak arasındaki mesafe, A ağız alanıdır.

Mesafe iki katına çıkınca debi yaklaşık dört katına çıkar. Kaynak ve taşlama gibi işlerde emiş ağzını operatörle birlikte hareket ettiren akrobat kol havalandırma bu yüzden sabit bir tavan davlumbazından çok daha düşük debiyle aynı yakalamayı sağlar. Ağzın çevresine flanş eklemek, yanlardan çekilen gereksiz havayı keserek debiyi yaklaşık dörtte bir azaltır.

İkinci adım, emişi makinenin çalışmasına bağlamaktır. Her emiş noktasına makine çalışınca açılan motorlu bir damper konur; ana kanalda sabit tutulan basınç, frekans invertörüyle fan devrini ayarlar. Aynı anda çalışan makine sayısı azaldıkça fan devri ve gücü de düşer. Toz taşıyan hatlarda bunun bir sınırı vardır: açık kalan kollarda ve ana kanalda taşıma hızı tozun çökmesine izin vermeyecek düzeyde kalmalıdır. Bu, toz toplama sistemleri tasarımında kanal çaplarının kademeli seçilmesiyle sağlanır. Kaynakhanelerde aynı mantık kaynak dumanı emiş sistemi için de geçerlidir.

İkinci terim: basınç kaybını küçültmek

Fanın yendiği basınç kaybı kanaldan, bağlantı parçalarından, filtreden ve emiş ağzından gelir. Aynı örnekte toplam basınç 1.200 Pa'dan 950 Pa'ya indirilirse fan gücü 11,1 kW'tan yaklaşık 8,8 kW'a düşer; 4.000 saatlik çalışmada fark yaklaşık 9.300 kWh'tir. Kayıpların toplandığı başlıca yerler:

• Bağlantı parçaları: keskin dirsek, ani genişleme ve fan ağzının hemen önündeki dirsek, kanal boyunca harcanan basıncın önemli bir kısmını tek noktada tüketebilir. Geniş yarıçaplı dirsek, kademeli geçiş parçası ve fan girişinde düz kanal boyu bu kaybı azaltır.
• Kanal hızı: basınç kaybı hızın karesiyle artar. Toz taşımayan genel havalandırma kanallarında gereğinden küçük kesit seçmek ilk yatırımı düşürür ama fan gücünü kalıcı olarak artırır. Kesit seçimi için hava kanalı hesabı aracını kullanabilirsiniz.
• Filtre: torbalı ya da kartuşlu filtrede basınç kaybı toz yüküyle yükselir. Jet pulse temizlemeyi sabit zaman aralığı yerine filtre fark basıncına bağlamak hem basınç kaybını dar bir bantta tutar hem de basınçlı hava tüketimini azaltır; basınçlı hava, fabrikada üretilen en pahalı enerji biçimlerinden biridir. Filtre alanını ve torba sayısını belirleyen hava/kumaş oranı ile temizleme için gereken basınçlı hava miktarı jet pulse filtre hesabı aracında hesaplanıyor.
• Kaçak: sızdıran kanal birleşimleri, fanın emiş ağzına hiç ulaşmayan havayı taşımasına yol açar. Dikdörtgen kanallarda EN 1507, dairesel kanallarda EN 12237 sızdırmazlık sınıflarını tanımlar; sınıf projede yazılır ve devreye almada test edilir.

Üçüncü terim: fan, motor ve tahrik verimi

Bir fanın verimi, çalışma noktasının fan eğrisindeki en iyi verim noktasına ne kadar yakın olduğuna bağlıdır. Debisi ve basıncı hesaplanmadan "bir boy büyük" seçilen fan, damperle kısılarak eğrinin verimsiz bölgesinde çalıştırılır. Geriye eğimli kanatlı radyal fanlar yüksek basınçlı emiş hatlarında yüksek verimle çalışır; öne eğimli kanatlı (sirocco) salyangoz fanlar kompakttır ama tepe verimleri genellikle daha düşüktür. Fan tipini ve motor gücünü ön boyutlandırmak için fan seçim hesabı aracı kullanılabilir.

Motor tarafında AB'nin 2019/1781 sayılı ekotasarım tüzüğü, 0,75–1000 kW aralığındaki üç fazlı asenkron motorlar için Temmuz 2021'den itibaren IE3'ü, 2, 4 ve 6 kutuplu 75–200 kW motorlar için Temmuz 2023'ten itibaren IE4'ü alt sınır yapmıştır. Türkiye'de aynı tüzüğe dayanan tebliğ 28.04.2021 tarihli Resmî Gazete'de yayımlanmıştır (SGM 2021/16). Mevcut bir tesiste asıl kazanç çoğu zaman, sargısı defalarca yenilenmiş ve ihtiyaçtan büyük seçilmiş eski motorların değiştirilmesinden gelir. Kayışlı tahrikte kayış kaybı gevşek ya da hizasız kayışta artar; direkt akuple fanda ya da EC motorlu fanda bu kayıp yoktur.

Frekans invertörlü fan ve fan yasaları

Fan yasalarına göre debi devirle, basınç devrin karesiyle, güç ise devrin küpüyle değişir. Debiyi %80'e indirmek teorik olarak gücü 0,8³ ≈ %51'e düşürür. Aynı debi düşüşü fan çıkışındaki bir damperi kısarak sağlanırsa fan neredeyse aynı gücü çekmeye devam eder; aradaki enerji damperde ısıya ve gürültüye dönüşür. Gerçek sistemlerde kazanç teorik küp yasasının altında kalır, çünkü sabit basınçla çalışan kollar, filtreler ve invertörün kendi kaybı devreye girer. Yine de yükü değişen emiş sistemlerinde devir kontrolü genellikle ilk değerlendirilecek önlemdir; yumuşak kalkış, kayış ve rulmanlardaki darbe yükünü de azaltır.

Görünmeyen kalem: emilen havanın yerine giren hava

Salondan atılan her metreküp havanın yerine dışarıdan bir metreküp hava girer. Kışın bu havanın ısıtılması, çoğu tesiste fan elektriğinden çok daha büyük bir kalemdir. Duyulur ısı gücü Φ = ρ · c_p · V · ΔT ile bulunur: 20.000 m³/h taze havayı 20 K ısıtmak için 1,2 × 1,005 × 5,56 × 20 ≈ 134 kW gerekir. Aynı sistemin fan gücü 11 kW civarındaydı.

• Isı geri kazanım: egzoz havası yağ buharı, toz ya da koku taşıyorsa iki hava akımını birbirine hiç değdirmeyen bataryalı (glikollü ara devreli) sistem tercih edilir; egzoz ve taze hava kanalları birbirinden uzakta olsa da uygulanabilir. Temiz egzozda plakalı eşanjör ya da ısı borusu kullanılabilir. Her durumda egzoz tarafına eşanjörü koruyan filtre konur.
• Kontrollü taze hava girişi: taze hava kapı ve pencere aralıklarından rastgele değil, ısıtılmış ve dağıtılmış olarak verilir. Böylece salonun negatif basınç dengesi kontrol altında kalır ve soğuk hava akımı çalışma noktalarına inmez.
• Isıtmayı havadan ayırmak: yüksek tavanlı üretim salonlarında havayı ısıtmak yerine çalışma alanını radyant ısıtıcıyla ısıtmak, tavan altında biriken sıcak havanın egzozla atılmasını azaltır. Cihaz seçimi ısıtma sistemleri sayfasında; holün ısı kaybı ve gereken cihaz adedi radyant ısıtıcı kapasite hesabı aracında bulunur.
• Geri döndürme: filtrelenmiş havayı salona geri vermek ısı kaybını azaltır, ancak zararlı ya da yanıcı madde içeren havada uygulanmaz. Kararı iş sağlığı ve güvenliği risk değerlendirmesi verir.

Değişiklikten önce ve sonra ölçüm

Endüstriyel havalandırmada enerji verimliliği yatırımının geri dönüşü ancak mevcut durum ölçülmüşse hesaplanabilir. Bir ölçüm turunda fan motorunun çektiği aktif güç, fan girişi ve çıkışındaki statik basınç, kanalda pitot tüpüyle debi, çalışma saatleri ve aynı anda çalışan makine sayısı kaydedilir. Değişiklikten sonra aynı noktalarda ölçüm tekrarlanır ve emiş ağızlarında duman testiyle yakalamanın bozulmadığı doğrulanır. Debi düşürülürken yakalamanın zayıflaması, enerji kazancını bir iş sağlığı sorununa çevirir.

Fabrika ve atölye projelerinde tasarım ve uygulama endüstriyel havalandırma sistemleri hizmetimiz kapsamındadır; sahadan bir uygulama için endüstriyel kanal montajı referansına bakabilirsiniz. Maliyet kalemleri endüstriyel havalandırma fiyatları sayfasında açıklanıyor. Mevcut sistemin ölçümü ve iyileştirme planı için havalandırma bakım ve onarım sayfasına bakabilir ya da iletişim sayfasından keşif talep edebilirsiniz.