İKLİMLENDİRME SİSTEMLERİNDE VANALAR VE ENERJİ
TÜKETİMİNİN KONTROLÜ
Etkisini artık yitirdiği düşünülen, 2020 yılı başından beri yaşadığımız Covid-19 pandemisi, insanların çevre sorunları ile güvenli ve sağlıklı alanlarda yaşamanın önemi konusundaki farkındalığını artırmıştır. Bina sistemlerinin tasarımında, sağlık, çevresel sürdürülebilirlik, enerji tasarrufu ve rahat bir yaşam ana öncelikleri etrafında inşa edilen ve bu ihtiyaçları sürdürülebilir bir şekilde dengeleyen yeni bir yaklaşım ihtiyacı doğmuştur. Binanın enerji performansını ve güvenliğini iyileştirmek ve aynı zamanda enerji yönetim maliyetlerinin azaltılmasını garanti etmek için bina-tesisat sisteminin tasarlanma biçiminde de bir değişiklik gerekmektedir. Enerji sistemleri ve binalar için, havalandırmayı temel unsur olarak alan ve enerji ve çevresel etkilerini en aza indirebilecek tüm teknik ve teknolojik düzenlemeleri benimseyen bütünsel bir tasarım yaklaşımının geliştirilmesine ihtiyaç vardır.
Bu amaçla;
• Havalandırmanın etkin kullanımı: iç mekanlarda, özellikle değişken debili sistemlerde hava sızıntısının optimizasyonu, kontrolü ve hava kanallarının sızdırmazlığı
• Belirli kirleticilerin azaltılması için seçici sistemlerin benimsenmesi, filtreleme sistemleri
• Isı geri kazanım sistemleri: bu tür teknolojiler piyasada halen mevcuttur, ancak, kirlenmeye izin vermeyerek hava akışlarının ayrılmasıyla ilgili verimlilik ve güvenlik açısından optimize edilmelidir.
• “free cooling”
gibi uygulamalardan yararlanılabilir. Bu çözümlerin etkinliği, aynı anda kullanılmaları durumunda, optimize edilerek daha da artabilir; enerji maliyetlerini düşürmek için karışım havasının yeniden kullanımı, geri kazanım ünitelerinin yanında gündeme gelebilir; bina kullanımları ve enerji sistemleri tipolojilerini hedefleyen doğru ve özel fizibilite çalışmaları geliştirilebilir.
Enerji, toplumların ekonomik ve sosyal gelişmeleri için en önemli girdilerin başında gelir. Fosil yakıt rezervlerinin hızla azalması, fiyatların Rusya-Ukrayna savaşı gibi öngörülemeyen nedenlerle yükselmesi, ozon tabakasının yok edilmesi ile birlikte sera gazlarının insan sağlığını tehdit eder boyutlara çıkmasına neden olan endüstriyel süreçlerdeki tüketimin hızla artması, enerji üretimini ve verimli kullanımını günümüzün en çarpıcı ve rekabetçi konuları arasına sokmuştur. Enerji kaynaklarının paylaşımı ile ilgili krizler, gittikçe etkinleşen çevre bilinci, hızlı nüfus artışı ve buna bağlı olarak artan ekonomik rekabet, insanları, ellerinde bulunan olanakları daha rasyonel kullanmaya zorlamaktadır.
Covid-19 pandemisi, havalandırmanın, kapalı ortamlara dış ortam havasının verilmesinin, "normal" mevsimsel grip de dahil olmak üzere hava yoluyla bulaşan enfeksiyon riskinin önlenmesi ve azaltılması için ne kadar temel bir unsur olduğunu göstermiştir. Daha önce fizyolojik bir ihtiyaçtan ziyade, bir algı olarak düşünülen, iç hava kalitesi (IAQ) koşullarını garanti edebilen ve sürdürebilen uygun sistemlere duyulan ihtiyaç güçlenmiştir. Ofislerden okullara, tiyatrolardan spor salonlarına, ibadethanelere ve toplu taşıma gibi çok sayıda insanın bulunduğu tüm ortak alanlarda havalandırma artık isteğe bağlı, üretkenliği artıran bir iyileştirme değil zorunluluk haline gelmelidir. Doğal havalandırma, gerekli dış hava miktarını ve kalitesini sağlamak ve dış havada bulunan toz veya kirleticileri etkin bir şekilde filtrelemek için yeterli olmadığından, konutlar dışında tüm binalarda zorunlu olarak mekanik havalandırma sistemleri kurulmalıdır.
Havalandırma genelde binaların iklimlendirme sistemlerinin bir parçasıdır ve diğer elemanlarla uyumlu çalıştığı sürece etkili olabilir. İklimlendirme sistemi, bir bina yapısında yer alan birçok sistemin kalbidir; binayı kullanan kişilerin mutluluğu ile doğrudan ilgilidir. Yaz aylarında soğutma sağlarken, kış aylarında olumsuz dış hava şartlarından korur, bina içerisinde oluşabilecek kirleticileri kontrol altında tutarak insanların sağlıklı ve güvenli bir ortamda bulunmalarına katkıda bulunur. Günümüzde kullanılan karmaşık sistemlerde birbiriyle ilişkili yüzlerce parametreyi bilgisayar yardımı olmadan denetlemek ve idare etmek çok zordur. DDC, Doğrudan Dijital Kontrol sistemleri bu hususta bize yardım edebilir. Tasarım parametreleri doğru seçildiğinde, enerjinin verimli kullanılmasına ve enerji giderlerinin azaltılmasına yardımcı olur [1].
Klima sistemleri tasarımında sıcaklık, nem ve hava kalitesi değerleri temel alınarak bu değerlerin belirli sınırlar içerisinde kalmasına özen gösterilir. Bu değerler hem endüstriyel hem de konfor klima uygulamalarının temel tasarım parametreleridir. Sistem performansı, kendisini oluşturan elemanların kaliteli olması yanında, bunların birbirleriyle uyumlu olmaları, doğru kurulmaları ve monte edilmeleri, sistemin doğru işletilmesi ve bu durumun zaman içerisinde de değişmemesi için nasıl kontrol edildiğine de bağlıdır.
Binalarda istenen şartların sağlanabilmesi, elektro-mekanik tesisatın doğru projelendirilmesi ve uygulanması yanında, sistemin işletilmesi sırasında, tasarım değerlerine uyumunun da garanti altına alınmasına bağlıdır. Bir sistemin verimli çalışabilmesi için arz ve talebin dinamik ve eşzamanlı olarak eşleştirilebilmesi gerekir. Örneğin, bir binanın ısıtılmasında ısı kaynağının toplam kayıpları karşılayacak kapasitede olması yeterli değildir. Aynı zamanda üretilen ısıl enerjinin, binanın anlık talebiyle de uyumlu olması ve yönetilmesi gerekir [2].
İyi bir kontrol sistemi, üretilen enerjinin en az kayıpla dağıtılmasını (böylece tam yükte çalışma süresi azaltılır), dış hava sıcaklığı değişse bile oda sıcaklığının istenen değerde tutulmasını, günün bazı saatlerinde ısıtmanın azaltılmasını, mahaldeki iç (insanlar, cihazlar, aydınlatma, vb.) ve dış ısı kaynaklarının (güneş, vb.) kullanılmasını sağlar. Böylece kontrol edilmeyen bir sisteme göre %30 a kadar çıkabilen bir iyileştirme gerçekleşebilir.
Burada en önemli konulardan birisi sistemin dengelenmesidir. Bunu yapmadan sistemin performansını tayin etmek mümkün değildir. Bu ise sistemin devreye alınmasından sonra TAD, test, ayar dengeleme süreciyle sağlanabilir. Özellikle, yeni pandemi şartlarına göre değiştirilen ayarların kontrol edilmesi gerekir. Dengeleme hazırlık aşamalarından biridir, çünkü projede verilmiş olan yeni debilerin gerçekten istenilen miktarda mahallere gidip gitmediği ölçülür [3].
Balans vanaları; ısı transferi beklediğimiz cihazlar ve ünitelerden tasarım debisinin üstünde bir akışı engellemek, sistemi sağlıklı ve dengeli bir şekilde çalıştırmak amacıyla kullanılır. Böylece tasarlanan sıcaklıklara ve istenen konfor şartlarına en ekonomik şekilde ulaşılır. Balans vanası kullanılarak; enerji maliyetleri azaltılır, daha iyi konfor sağlanır, sistemin tasarlanan şekilde çalışması garanti altına alınır ve en önemlisi enerjinin istenen yere istenen miktarda ulaşması temin edilir.
Balans vanalarının çoklu fonksiyon özelliği vardır. Debiler ölçülebildiği gibi, istenen set değeri yakalanabilir, üzerinden fark basınç ve sıcaklık değerleri kolayca okunabilir. Balans vanaları genelde statik, dinamik ve debi sabitleme olmak üzere 3 tiptir.
Statik vanalar işletme sırasında oluşabilecek dolaşım sorunlarının tespit edilerek çözülmesinde kullanılır. Sabit debili, fark basıncın frekans değiştiricili pompalarla sabit tutulduğu sistemler için uygundur. Tesisat ve üzerindeki tüketim noktaları değiştiğinde yeniden ayarlanmalıdır.
Dinamik vanalar, akışın kısılma veya kesilmesinin söz konusu olduğu, değişken debili, ancak sabit devirli pompalı sıcak sulu ısıtma ve soğuk sulu soğutma sistemlerinde gidiş ve dönüş hatlarında fark basıncı ve hidrolik dengeyi korumak için kullanılır. Debinin tasarım değerini aşmamasını sağlar. Tesisat ve üzerindeki tüketim noktaları değiştiğinde yeniden ayarlanmaları gerekmez.
Debi sabitleme vanaları ise sistemin bazı noktalarında akışın kısılması (termostatik vana) ile yükselen basıncı dengeleyerek hattaki debinin artmasını önler. Bir orifis ve yay ile çalışırlar. Farklı bir debi kontrol edilecekse orifis veya yay değiştirilir.
Tesisat armatürleri zaman içerisinde gelişme göstermiştir. Üretilen yeni ürünler birden fazla görevi üstelenmeye başlamıştır. Devreleri hidrolik olarak dengelemek için kullanılan balans vanaları, kontrol vanaları ve hat kesme vanaları birleşmiştir. Dinamik balanslama kontrol vanaları, kontrol hassasiyeti de getirmiştir. Üretim teknolojilerindeki dijitalleşme etkisi burada da görülmektedir. Akışın miktarını sınırlamak, değiştirmek, anlık debiyi ölçmek, ısı değiştiricisi önüne ve sonuna eklenen iki sıcaklık duyargasını vana motoruna bağlayarak akan enerjiyi hesaplamak, haberleşme fonksiyonu ile sonuçları kablosuz olarak aktarmak mümkündür.
Merkezi bina otomasyon sistemi üzerinden kontrol ekipmanları ile bağlantı kurularak (IoT uygulamaları) tüm ısıtma-soğutma sisteminin tasarım değerlerine en yakın şartlarda çalışması sağlanmaktadır. Örneğin sıcaklık sensörleri ile sistem dönüş suyu sıcaklığının kontrolü sağlanıp, soğutma grubunun etkinlik katsayısı işletme sırasında en yüksek seviyede tutulabilmektedir. Böylece, mekanik tesisat daha verimli hale getirilirken enerji maliyetleri, arıza ve bakım süreçleri de izlenebilmektedir.
Şekilde su tesisatıyla ilgili dengeleme vanaları görülüyor (Şekil 1). Sistem, daha başında istenen ayarların yapılması için uygun tasarlanmamışsa çok büyük sorunlar çıkar. Eğer sonunda bu tip işleri yaptırmak istiyorsak, bunu daha başından dikkate almamız ve bu işi bilen bilinçli kişileri mutlaka o projeye dahil etmemiz gerekir. Dengelemenin düzgün olmadığı anlaşılınca bir kumanda vanası takmak istenir, ancak sistem kurulmuşsa bu kolay olmayabilir.
The Technology and Innovation Report 2018: Harnessing Frontier Technologies for Sustainable Development” raporuna göre, güçlü dijital platformlar ve farklı teknolojilerin yenilikçi (inovatif) kombinasyonları sonucu her gün inanılmaz ürünler yaratılmaktadır [5].
Yeni teknolojilerin ortaya çıkmasında lokomotif sektör dijital teknolojilerdir. Vanaların üretim ve işletme sürecinde de yansımalarını görmek mümkündür. Büyük Veri, gerçek zamanlı bilgi akışı sağlayarak karar verme süreçlerini iyileştirebilir. Nesnelerin İnterneti, ağa bağlı nesnelerin izlenebilmesi ve yönetilmesini sağlayarak sanayinin verimli çalışmasını ve insanların konforunu iyileştirebilir. Yapay Zeka, görüntü tanıma, problem çözümü ve mantıklı düşünmede insanlardan daha başarılı olabilmektedir. Özellikle robotlarla birlikte kullanıldığında üretimde çok etkilidir. 3D Yazıcılar, karmaşık parçaların az sayıda üretiminde, prototip hazırlanmasında ve nakliye masraflarının azaltılmasında kullanılmaktadır. [5].
Bilgi teknolojisi, son 50 yılda rekabet ve stratejinin iki radikal dönüşüm geçirmesine neden olmuştu; bugün üçüncü bir dönüşüm gündemdedir. Modern bilgi teknolojisinden önce ürünler mekanikti ve değer zincirindeki aktiviteler kâğıt üzerinden elle yapılır, sözlü iletilirdi. 1960 ve 70’lerdeki ilk dalga IT, sipariş süreci, fatura ödeme, bilgisayar destekli tasarım ve üretim kaynak planlaması gibi değer zincirindeki münferit aktiviteleri otomatikleştirdi. Aktivitelerin verimliliği artış gösterdi; bunun nedenlerinden biri her aktivitede büyük miktarda verinin elde edilip analiz edilebilmesiydi [6].
İlk sanayi devrimi (Endüstri 1.0) su ve buhar gücünü kullanan mekanik üretim sistemleri ile karşımıza çıktı [2]. Mekanik Üretim Tesislerinin Uygulanması (Şekil 2, 18. Yüzyıl)
• 1712 Buhar Makinesi
İkinci sanayi devrimi (Endüstri 2.0) elektriğin kullanılması, elektrik motorlarını devreye girmesi ve bunun sonucunda seri üretimin başlaması ile gelişti [7].
Elektrik ve İş Bölümüne Dayalı Seri Üretime Geçilmesi (Şekil 2, 19. Yüzyıl)
• 1840 Telgraf ve 1880 Telefon
• 1920 Taylorizm (Bilimsel yönetim)
Üçüncü sanayi devrimi (Endüstri 3.0) ise dijital devrim, elektronik sistemlerin kullanılması ve IT (Bilgi Teknolojileri) 'nin gelişmesiyle geldi. Üretimde otomasyon sağlandı [7]. Üretim Süreçlerinin Otomasyonu (Şekil 2, 20. Yüzyıl)
• 1971 İlk mikro bilgisayar (Altair 8800)
• 1976 Apple I (S. Jobs ve S. Wozniak)
Dördüncü sanayi devrimi (Endüstri 4.0) genel hatlarıyla; robotların üretimi tamamen devralması, yapay zekanın gelişimi, üç boyutlu yazıcılarla üretimin fabrikalar yerine evlerde yapılması, büyük miktarda bilginin (verinin) analizi ve değerlendirilmesi gibi yenilikleri içermektedir. Gelecekte içerisinde insan olmayan ve ışığa ihtiyaç duymayan robotlarla çalışan fabrikalar devreye girecek, insanlar belki de robotlarla yarışacaktır [8]. Endüstri 4.0 terminolojisinde, Big Data (Büyük Veri), IOT – Internet of Things (Nesnelerin İnterneti), Smart Factory (Akıllı Fabrika), CPS – Cyber-Physical Systems (Siber fiziksel sistemler), Cloud (Bulut teknolojileri), M2M – Machine-to-Machine (Makinadan makinaya), Internet of Services (Servislerin İnterneti) Smart Products (Akıllı Ürünler) gibi terimlere alışmalıyız. Otonom Makineler ve Sanal Ortamlar (Şekil 2, 21. Yüzyıl)
• 1988 AutoIDLab. (MIT)
• 2000 Nesnelerin İnterneti
• 2010 Hücresel Taşıma Sistemi
• 2020 Otonom Etkileşim ve Sanallaştırma
Endüstri 4.0'ın, sistemin izlenmesinin ve arıza teşhisinin kolaylaşması, sistemlerin ve bileşenlerinin kişilik kazanması, çevre dostu ve kaynak tasarruf ederek sürdürülebilir olması, yüksek verimlilik sağlaması, üretimde esnekliği arttırması, maliyeti azaltılması, yeni hizmet ve iş modelleri geliştirmesi gibi avantajları bulunmaktadır. Endüstri 4.0, robot teknolojileri, yapay zeka, büyük veri, otonom araçlar, nesnelerin interneti gibi teknolojiler ile yaşamımızı temelden değiştirecek yenilikler getirmektedir.
Nesnelerin interneti, IOT, akıllı, bağlantılı ürünlerin artan sayısını yansıtan ve temsil edebilecekleri yeni fırsatları vurgulayan bir terimdir. İnternet, ister insanlar, ister nesneler kullansın, en basit anlamıyla bilgi aktaran bir mekanizmadır. Akıllı, bağlantılı ürünleri temelde farklı kılan internet değil, nesnelerin doğasının değişmesidir. Yeni bir rekabet çağına girmemizi sağlayan, akıllı, bağlantılı ürünlerin geniş yetkinlikleri ve oluşturdukları verilerdir. Bu bilgiler analiz edilerek cihazlara karar verme özelliği de kazandıran, tamamen farklı bir olgu yaratılmaktadır [9].
Sürekli gelişen teknoloji, 18. yüzyılın sonlarından itibaren endüstride üretkenliğin üç ana dalga çevresinde artmasını sağlamıştır; Buhar gücüyle çalışan makinalar, elektriğin üretime girmesi ve 1970 sonrasında yaygınlaşan robotlu otomasyon. Günümüzde artık dijital teknolojilerin getirdiği 4. sanayi devriminden söz edilmektedir. Akıllı robotlar, büyük veri, nesnelerin interneti, 3-D baskı, bulut gibi dokuz teknolojinin bu devrimde çok önemli rolü olduğu görülmektedir. Bu devrimle ortaya çıkan Endüstri 4.0 kavramı, sadece değer zincirlerinin parçalarının kendi içlerinde otomasyonu ötesinde birbirleri ile entegre olması olarak tanımlanmaktadır. Entegrasyonun en önemli özelliği tüm değer zinciri adımlarının birbiri ile gerçek zamanlı ve sürekli iletişim içinde olması ve bu sayede akıllı ve kendisini uyarlayan bir sanayi sürecine ulaşmasıdır.
Almanya ve daha sonra ABD gibi sanayileşmiş ülkeler tarafından ortaya atılmış ve içinde bulunduğumuz dönemde artan bir ivme ile odaklanılan Endüstri 4.0, bu ülkelerin yıllar içinde kaybettikleri üretimde rekabetçi olma avantajını tekrar ele geçirmek için önemli bir fırsat yaratmaktadır. Burada, üretime ilişkin dönüşüm maliyetlerinin % 15-25’ine denk gelen bir sanayi verimliliği artışı sonucu 90-150 Milyar Euro’ya ulaşan bir maliyet azaltıcı etkiden bahsetmek mümkündür. Rekabet gücü yüksek ekonomiler kümesi içinde yer almak isteyen Türkiye için, küresel düzeydeki bu gelişmeleri takip etmek ve bunun ötesinde Endüstri 4.0’ın uygulayıcı öncü ekonomileri arasında yer almak kaçınılmazdır. Türkiye’nin içinde bulunduğu ülke grubundan bir üst seviyeye yükselme hedefine ulaşmasına büyük katkı sağlanacağı da unutulmamalıdır [10].
Kaynaklar
[1] BSD Solutions, HVAC, Direct Digital Control Systems, Nisan 25, 2012. http://www.bsdsolutions.com/about-us/bsd-news/2012/04/3-reasons-to-use-direct-digital-control-systems-in-hvac/
[2] Heperkan, H., “Isıtma sistemlerinin tasarımı, seçimi ve verimliliği”, TermoKlima, Sayı 146, sayfa 14-16, Aralık 2020.
[3] Heperkan, H., “Covıd-19 Mücadele Sürecinde Test Ayar Dengeleme”, TermoKlima, Sayı 144, sayfa 12-16, Ekim 2020.
[4] https:/google.com/balans vanaları görseller
[5] Technology and Innovatıon Report 2018, Harnessing Frontier Technologies for Sustainable Development, Unıted Natıons Publıcatıon UNCTAD/TIR/2018, ISSN 2076-2917, ISBN 978-92-1-112925-0, e-ISBN 978-92-1-363310-6
[6] http://blog.turkcell.com.tr/akilli-baglantili-urunler-rekabeti-nasil-donusturuyor/?sayfa=3
[7] Endüstri Tarihine Kısa Bir Yolculuk - Endüstri 4.0 Platformu, www.endustri40.com/endustri-tarihine-kisa-bir-yolculuk/
[8] http://siemens.com.tr/digital-enterprise
[9] Michael E. Porter, James E. Heppelmann, Akıllı, Bağlantılı Ürünler Rekabeti Nasıl Dönüştürüyor, Harvard Business Review, Kasım 2014, Ekim 2015
[10] Türkiye’nin küresel rekabetçiliği için bir gereklilik olarak sanayi 4.0, TÜSİAD raporu, Yayın No: TÜSİAD-T/2016-03/576, Mart 2016
