Yerküremizde kaynakların giderek tükenmesi ve enerji maliyetlerinde yaşanan artışlar sebebiyle, günümüzde insanlar, yüksek kalitede ve enerji verimliliğinde HVAC sistemlerine daha çok önem vermektedir. Mekanik sistemler büyüdükçe, değişken debili sistemler günden güne daha çok kullanılmakta ve daha büyük bir öneme sahip olmaya başlamaktadır.

 

Değişken debili sistemler, cihaz, branşman ve ana hatlardaki debilerin, şartlandırdığı mahalin anlık ısı (soğutma ya da ısıtma) ihtiyacına göre değiştiği sistemlerdir. Yılın büyük bir kısmında HVAC sistemimizin, tasarımımız pik ihtiyaçlar göz önünde bulundurularak hesaplandığı için, tasarım debisinden aşağıda çalıştığı bir gerçektir. Bu sebeple değişken debili sistemler, değişken koşullara göre çalışma kabiliyetine sahip olduğundan, enerji verimliliği yüksek sistemlerdir. 

 

Değişken debili sistemlerin kontrolünde, yeni bir kontrol vanası – basınçtan bağımsız kontrol vanası – yüksek kontrol kabiliyetini dinamik balanslama ile birleştirdiği için günden güne daha çok sistemde tercih edilmektedir. 

 

Bu yazıda basınçtan bağımsız kontrol vanalarının (kombine vanalar) geleneksel kontrol vanalarına karşı avantajlarına, basınçtan bağımsız kontrol vanalarının çalışma prensiplerine ve bu vanalar yardımı ile değişken debili sistemin tümünün nasıl hidronik dengeye ulaşabileceğine değineceğiz.

 

1.HVAC Sistemleri Kontrol Yönteminin Evrim Süreci

HVAC sisteminin nihai hedefi, insanlara konforlu bir ortam sağlamak ya da teknik gereksinimleri karşılayacak şekilde ortam sıcaklığını kontrol etmektir.

 

Genellikle eski HVAC sistemlerinde, sabit debili bir hidronik sisteme sahip ekipmanların, hava debileri kontrol edilerek istenilen ortam sıcaklıklarına ulaşılırdı. Örneğin, Fan-coiller ve 3 hız anahtarı ile hava debisi kontrolü veya değişken hava debisine sahip klima santrallerindeki kontroller gibi. Bu tür sistemler, düşük hassasiyetli kontrol sağlar, basittir ve hataya açıktır. Bunun yanı sıra, ilk kurulumda doğru yapılan bir hidronik balanslamadan sonra sistemi tekrar ayarlamaya gerek kalmaz. 

 

İnsanların daha konforlu bir ortam istemeleri ve enerji tasarrufuna daha fazla önem vermeleri sebebiyle, bu tip sistemler artık ihtiyaçları karşılayamamaktadır. Bunun sonucu olarak, insanlar değişken su debili ve değişken hava debili sistemleri kullanmayı tercih etmeye başlamış ve bu sayede hava sıcaklığını daha doğru ve hassas kontrol edebilir hale gelmiştir.

 

Oransal kontrol vanaları sadece bir sensöre yada lokal bir kontrolöre bağlı olmak zorunda değildir. Merkezi bir kontrol sistemi ile tüm vanalar, damperler ve diğer saha ekipmanları, tek merkezden kontrol edilebilir. Bu sayede bütün sistemin ortam sıcaklıklarını kontrol kabiliyeti fark edilir derecede artırılabilir.

 

Ancak, bu tip büyük değişken debili sistemlerin ısı ihtiyaçları da sürekli olarak değişir. Isı ihtiyaçlarının sürekli değişmesi, tüm oransal vanaların birbirinden bağımsız olarak açmaya veya kısmaya gitmesini gerektirebilir. Bu durumda birbirinden bağımsız olarak açıp kapayan bir çok kontrol vanası değişken debili sistemin hidronik dengesini bozabilir, kararsızlaştırabilir. Hidronik dengenin kararsızlaşması ise bizi problemin başına yani kontrol kabiliyetinin azalmasına götürebilir.

 

Bu nedenle, artık büyük değişken debili merkezi HVAC sistemlerinde, yeni bir tür dinamik dengeleme/kontrol vanası kombinasyonu (kısaca kombine vana) kullanılmaya başlanmıştır. Bu sayede kontrolü sağlayan vana, aynı zamanda hidronik dengelemeyi de sağlamakta, hem kontrol hassasiyetini  hem de enerji verimliliğini artırmaktadır.

 

2.Kombine Vananın Karakteristiği ve Geleneksel Kontrol Vanasına Karşı Avantajları

Kombine vanaları kullanım şekline göre kendi içerisinde ikiye ayırabiliriz: 

• Dinamik balans ve on/off kontrol vanası

• Dinamik balans ve oransal kontrol vanası

 

Dinamik balans ve on/off kontrol vanası: Bu tip on/off kontrol vanası, geleneksel kontrol vanasından farklı yeni bir üründür. Bu vana sadece geleneksel on/off kontrol vanasında olduğu gibi, bağlı bulunduğu termostattan aldığı bir aç/kapa sinyali ile kontrol sağlamaz ayrıca hidronik dengeleme sağlar. Bağlı bulunduğu hattın basınç dalgalanmasından etkilenmeden debiyi sabit tutar. Bu sayede, kontrol ettiği cihaza tasarım debisinden fazla debi gitmesini önleyerek, mahalin sıcaklık dalgalanmasının ve ayar değerine yakın sıcaklıklardaki kontrol kabiliyetinde oluşabilecek azalmanın önüne geçer. 

 

Aslında bu vana, 2 yollu – on/off motorlu bir kontrol vanası ile delta P kontrollü balans vanasının  tek bir gövdede kombinasyonundan oluşmuştur. Kontrol vanasının tamamen açık olduğu durumda, üzerinden geçen debinin sabit olmasını sağlayarak hidronik dengeleme sağlar. 

 

Dinamik balans ve oransal kontrol vanası: Bu tip oransal kontrol vanası, geleneksel oransal kontrol vanasından çok farklı yeni bir üründür. 

 

Genellikle HVAC sistemlerinde kullanılan oransal kontrol vanalarının akış karakteristiğinin düz bir çizgi halinde olması istenir. Başka bir deyişle debi ile vana açıklığı arasındaki oranın sabit bir değer olması istenir. Eğer bağlı bulunduğu değişken debili sistemin ısıl yükleri çok değişken ise vananın akış karakteristiğinin eşit yüzdesel olması istenir çünkü ancak bu sayede farklı ihtiyaçlara karşı farklı debiler ile cevap verebilir. Debinin çok düşük olduğu durumlarda debi artış hızı yavaş olmalı, debinin çok yüksek olduğu durumlarda ise yüksek olmalıdır.   

 

Geleneksel bir kontrol vanasının ideal karakteristik eğrisi genellikle lineer ya da eşit yüzdesel olmalıdır fakat pratikte, özellikle de değişken debili sistemlerin ısı yüklerinde (ısıtma/soğutma yükleri)  çok fazla dalgalanma varsa, gerçekleşen akış karakteristikleri, ideal akış karakteristiklerinden çok ciddi farklılıklar gösterir. Bunun sebebi kontrol vanasının giriş ve çıkışı arası basınç farkının sürekli ve değişken biçimde dalgalanmasıdır. Bu kontrol vanasının pratikte kontrol kabiliyetini ve hassasiyetini kötü yönde etkiler.  Uygulamada, bu vanalar kontrol sinyali kadar, basınç dalgalanmalarının da kontrolü altındadır. Sistem basıncının çok dalgalandığı durumlarda veya vana otoritesinin çok azaldığı durumlarda, vananın kontrol hassasiyeti düşer veya tamamen yok olur. Bundan dolayı, kontrol etmek istediğimiz mahalin sıcaklığı sürekli çok sıcak ile çok soğuk arasında bir salınım yapar.

 

Dinamik balans ve oransal kontrol vanası, tek bir gövde içerisinde 2 yollu motorlu oransal vana ile fark basınç kontrollü balans vanasının kombinasyonudur. Basınç dalgalanmaları meydana geldiğinde, sistemi dinamik olarak dengeler. Bu sayede, kontrol vanasının ideal karakteristiği ile gerçekleşen karakteristiği arasında herhangi bir sapma olmaz. Özel tasarımı, vananın sadece kontrol sinyalleri tarafından kontrol edilmesini sağlar, basınç dalgalanmalarının vana kontrolü üzerinde herhangi bir etkisi olmaz. Vananın her açıklık değerine karşılık gelen, net bir debi değeri vardır. HVAC sistemi için bunun anlamı, vananın herhangi bir oransal açıklığında, ısıtma yada soğutma kapasitesinin sabit olduğudur. Bu sebeple, bu vanalar ısıl yüklerin değişken olduğu sistemlerde, stabil çalışma ve yüksek hassasiyetin gerektiği yerler kullanılmaya uygundur. 

 

Geleneksel oransal kontrol vanası, aynı açıklıkta bile, sistem basınç dalgalanmalarından dolayı farklı ısıtma yada soğutma kapasiteleri verebilir. Bu kontrol hassasiyetin çok düşmesine ve değişken durumlarda kontrolün istenilen tepkiyi verememesine sebep olur. Yeni tasarımlı kombine vana, tüm bu sorunları ortadan kaldırmak için yeterli ve gereklidir.

Şekil 1’de gözüktüğü gibi, vanayı P1 , P2 ve P3 olmak üzere 3 farklı basınç zonuna ayırabiliriz. Isıl yüklerin çok değişken olduğu sistemlerde, sistem basıncındaki dalgalanmalarda dolayı vananın giriş ve çıkışındaki (P1 ve P3) basınçlar çok değişkendir. 

 

(1) Vana girişi yani P1 noktasındaki basınç yükseldiğinde, vana gövdesinde bulunan basınç ileten mekanizma ile P2 - P3 arasından suyun geçtiği kesit daraltılır ve bu sayede P2 noktasındaki basınç yükselir. Sonuç olarak kontrol vanasının üzerindeki fark basıncı sabit kalmış olur. (?PCV= P1 - P2)

(2) Vana girişi yani P1 noktasındaki basınç düştüğünde, vana gövdesinde bulunan basınç ileten mekanizma ile P2 – P3 arasından suyun geçtiği kesit genişletilir ve bu sayede P2 noktasındaki basınç düşer. Sonuç olarak kontrol vanasının üzerindeki fark basınç sabit kalmış olur. (?PCV= P1 - P2)

(3) Sistemin basınç değişikliklerinden bağımsız olarak (P1 – P3), kontrol vanasının iki ucu arasındaki fark basıncı sabit kalır (P1 – P2). Böylelikle, vana motorunun herhangi bir kontrol sinyali alarak açmasıyla, herhangi bir açıklık derecesinde, debi önceden belirlenmiş değerlerde sabit kalır. Vananın gerçekleşen debi karakteristiği ile ideal debi karakteristiği arasında herhangi bir sapma yoktur.

Bu bilgiler ışığında, basınçtan bağımsız kontrol vanası (kombine vana), geleneksel kontrol vanalarına göre, hem kontrol hassasiyeti hemde hidronik dengeleme açısından çok daha üstündür.