1. GiriÅŸ

Isıtma, soÄŸutma ve havalandırma sistemlerinde enerji tüketim dağılımı birçok parametreye ve sistemdeki ekipmanların tümüne baÄŸlıdır. Sıcaklık kontrolü gereksinimi, sistemin karmaşıklık derecesine, büyüklüÄŸüne ve kullanılan cihazların tipine baÄŸlı olarak geniÅŸ ölçüde deÄŸiÅŸir. Enerji tüketimini etkileyen parametreler; radyasyon, dış hava sıcaklığı, iç yükler, ayar sıcaklığı, alınan taze hava, bina yapısı, enerji üretim ve transfer verimliliÄŸi. Bu parametrelere baÄŸlı olarak tasarruf edebileceklerimiz ise; pompalama, debi limitleme, soÄŸutma grubu ?t, bölgesel soÄŸutma, terminal üniteler (fan), sıcaklık ayarı ve konfor sıcaklığıdır.

 

Kontrol vanaları ile debi ve sıcaklık kontrol performansını arttırmak tüm kullanıcılara fayda saÄŸlar. Bu fayda konfor seviyesinde artış, düÅŸük enerji tüketimiyle faturalardaki düÅŸüÅŸ ve daha sessiz vana çalışması olarak bize döner. 

 

Otomatik kontrol vanaları ile sıcaklık, nemlilik, akış ve basınç olmak üzere birçok deÄŸiÅŸken kontrol edilebilir. Ancak doÄŸrudan kontrol ettiÄŸimiz iki deÄŸer aslında sıcaklık ve basınçtır. Ä°ki yollu otomatik bir vanaya giren  akışkan termostattan veya bina otomasyonundan aldığı bilgiye dolayısıyla ısıtma ya da soÄŸutma ihtiyacına göre tam ya da azaltılmış debide vanadan çıkar ve terminal üniteye gider. Ä°stediÄŸimiz debiyi tam olarak yakalayabilmek aÅŸağıda bahsedeceÄŸimiz vana otoritesi, vana karakteristiÄŸi ve sistem karakteristiÄŸine baÄŸlı olan vana boyutlandırması ile mümkündür.

 

2. Vana Teorisi

 

2.1 Kv Kavramı

Kv hidrolik kanunlara baÄŸlı bir kavramdır. Vana kapasitesinin en basit ÅŸekilde belirlenmesini saÄŸlayan bir sabittir. Kv deÄŸerleri vana üreticileri tarafından deneyler sonucunda belirlenir. Teknik olarak ifade edersek vananın üzerindeki 1 bar basınç düÅŸümünde 1 saatte geçebilecek debi miktarı kv ile eÅŸittir.

 

Kv kavramı Kasım 1944’de Amerika’da doÄŸmuÅŸtur. Kv faktörü ya da kv deÄŸeri VDI/VDE Richtlinien No 2173 standardında tanımlanmıştır. Bu kavrama göre vana üzerindeki basınç düÅŸümü ?p, debinin Q karesi ile doÄŸru orantılıdır. (Darcy-Weisbach formula => ?p ~ Q2)

 

Yukarıdaki vana kesitinde basınç noktalarını  görebiliyoruz. Bu senaryoda I ve II olmak üzere iki durum sözkonusudur. Kv deÄŸerinde basınç düÅŸümü 1 bar idi dolayısıyla dP2(dPıı)’yi 1 bar, Q2(Qıı)’yi  kv olarak düÅŸünürsek :

 

Q1=kv√(?P1/ 1)=kv√ ?P1

Ve son olarak

kv=Q√ ?P1 m³/h elde edilir.

Formüllere dalmış iken gözden kaçırmamamız gereken bir noktayı sayısal örnek üzerinde açıklayalım. Basınç deÄŸiÅŸirse debi ne kadar deÄŸiÅŸir? Bu hususun önemli olmasının nedeni artık deÄŸiÅŸken debili sistemler tasarlıyor olmamız ve debi-basınç dengelerinin sık sık deÄŸiÅŸmesidir.

 

AÅŸağıdaki örnekte kontrol devresindeki basınç 50kPa, bunun karşılığı olarak bataryada 15 kPa, kontrol vanasında 35 kPa’dır. Bataryadan geçmekte olan debi ise 3,6 m³/h’dir.

 

Kontrol devresindeki basıncın sistemdeki basınç deÄŸiÅŸikliklerinde etkilenerek 100 kPa çıktığını öngörüyoruz. Bu basınç alt veya üst katlardaki sistemlerin kapanması sonucu artış gösterebilir.

 

GörüldüÄŸü gibi basıncın 2 katına çıkması %41,4 daha fazla suya neden oluyor. Sistemimizde 3,6 m³/he ihtiyaç var iken, kontrol vanası ikinci durumdaki yükselen basınç ve debi ile savaÅŸmak durumundadır. Bu ise daha çok enerji sarfiyatı, daha zor kontrol ve daha kısa vana ömrü demektir.

 

2.2 Sistem KarakteristiÄŸi 

Sistemin karakteristiÄŸi bir baÅŸka deyiÅŸle çalışma ÅŸekli aslında sistemdeki tüm ekipmanlara baÄŸlıdır. AÅŸağıdaki grafiklerin sonuncusunda görülen yeÅŸil çizgi bir terminal ünitenin kontrol vanası ile çalışması sonucu elde edilen emisyonu gösteriyor. Kırmızı çizgiye sahip olan grafik sudan havaya bir eÅŸanjörün su debisine göre emisyonunu gösterir. Mavi çizgiye sahip grafik ise logaritmik bir vananın karakteristiÄŸini göstermekte. Bu iki eÄŸriyi birbiri ile çakıştırırsak sonucunda elde etmek istediÄŸimiz yeÅŸil çizgiyi elde ediyoruz.

 

Farklı karakteristikte motorlu vanalara ihtiyaç duyuyoruz çünkü sudan suda ısı deÄŸiÅŸimi yaptığımızda farklı, havadan havaya ısı deÄŸiÅŸimi yaptığımızda farklı bir eÄŸride ısımız oluyor dolayısıyla motorlu vana karakteristikleri çeÅŸitlenmektedir. Lineer tip vanalarda milin hareketi ile debide görülen artış eÅŸittir. Bu karakteristik örneÄŸin buhar serpantinleri için uygundur. EÅŸit yüzdesel vanalarda mil kapalı konudan açık konuma doÄŸru giderken üssel bir debi artışı oluÅŸur, yani milin pozisyonundaki eÅŸit deÄŸiÅŸimlere karşı  debi eÅŸit yüzdelerle artar. AÅŸağıdaki ÅŸekilde görülen ikinci grafik eÅŸit yüzdesel bir vananın eÄŸrisidir. Örnek olarak vermek gerekirse mil pozisyonu (strok) %50’den %70’e çıkarsa debi %150 artarak %10’dan %25’e çıkar. Mil pozisyonu %80’den %100’e çıkarsa debi yine %150 artarak %40’dan %100’e çıkar. Bu karakteristik ise sulu serpantinlerde kullanılmalıdır.

 

EÅŸit yüzdesel vananın karakteristiÄŸi

Isıtma ve soÄŸutma cihazlarının performansı aÅŸağıdakilerin hepsinin doÄŸru seçimine baÄŸlıdır: 

Kontrol vanası boyutu, kontrol vanası karakteristiÄŸi, balans vanası boyutu, kontrol vanası ve balans vanasının basınç düÅŸümü.

 

2.3 Vana KarakteristiÄŸi 

En çok karşılaÅŸtığımız iki vana karakteristiÄŸini aÅŸağıdaki eÄŸrilerde görebiliriz.  Ancak her bir grafikte birkaç farklı eÄŸri var. Bunun nedeni mavi çizgiyle görülen eÄŸriye sahip olduÄŸunu düÅŸünerek kullandığımız kontrol vanasının karakteristiÄŸi ancak otoritesinin “1” olması durumunda geçerlidir.Aksi takdirde eÄŸrimiz olması gereken yerden sapacaktır. Otorite deÄŸerimizin düÅŸmesi ile eÄŸri istenilenden daha da uzaklaÅŸmaktadır.

 

2.4 Vana Otoritesi

Vana otoritesi kontrol vanasının kontrol kabiliyetini etkileyen sistem çalışma eÄŸrisinin kaymasına neden olan bir deÄŸerdir. “a” ile sembolize edilen otorite kontrol vanası %100 açıkken üzerinde oluÅŸan fark basınç ?Pv100 ile vananın tamamen kapalı olması durumunda-tüketim yok- olan basınç ?Pv0 arasındaki iliÅŸkidir. (bir baÅŸka deyiÅŸler kontrol devresindeki toplam basınç)  

 

Kontrol vanası seçimi yapılırken dikkat edilmesi gereken vana otoritesinin min. %50 olmasıdır. Yani kontrol vanası basınç düÅŸümü toplam basınç düÅŸümünün en az yarısı kadar olmalıdır. Ya da kontrol vanası basınç düÅŸümü sistemin kalanındaki basınç düÅŸümünden fazla olmalıdır. 

 

Yoksa vana karakterisitiÄŸi bozulur!

 

3. Vana Boyutlandırma 

Elde ettiÄŸimiz sonuçları görebilmek adına örnek boyutlandırmalar yapalım. Sistemimizdeki debi ve basınç deÄŸerleri aÅŸağıda verilmiÅŸtir.

 

Kontrol vanasını seçelim:

?P= 100 – 15 – 3 = 82 kPa = 0,82 bar 

Kv= Q/√?p  [m³/h]  

Kv=7,2 √0,82 = 8

 

Motorlu vanalar kvs tablosu:  

DN 15  - Kvs = 1,6 m³/h

DN 20  - Kvs = 2,5 m³/h

DN 25  - Kvs = 4,0 m³/h

DN 32  - Kvs = 6,3 m³/h

DN 40  - Kvs = 10  m³/h

 

Seçilen Kvs = 10 m³/h, dolayısıyla gerçek basınç düÅŸümü:

?Pkv = (7,2/10)2 = 0,52 bar = 52 kPa

Vana otoritesi:

a = ?Pkv /?H =  52/100 = 0,52 -  kabul edilebilir mi?  Evet

 

3.1 Tipik Vana Boyutlandırma

Bir örnek üzerinde tekrar hesabımızı yapalım:

Kontrol vanasını seçelim;

DP= 50 – 20 – 3 = 27 kPa    => 0,27 bar 

Kv= Q/√?p [m³/h] böylece  Kv= 0,7 /√ 0,27 = 1,35 [m³/h]

Seçilen Kvs = 1,6 m³/h, dolayısıyla gerçek basınç düÅŸümü:

?Pkv =(0,7/1,6)2 = 0,19 bar =19 kPa

 

Vana otoritesi:

a = ?Pkv /?H =  19/50 = 0,38 -  kabul edilebilir mi (…?)

 

3.1.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite KarakteristiÄŸi

Vana karakteristik eÄŸrimizle terminal ünite ısı emisyonunu birleÅŸtirdiÄŸimiz zaman çıkan sonuç görüldüÄŸü gibi pek de içaçıcı olmamakta. Ancak bu bile aÅŸağıda göreceÄŸimiz ve maalesef en çok rastlanan yaklaşımdan daha saÄŸlıklıdır.

 

3.2 Kolay Vana Boyutlandırma ÖrneÄŸi 

Boru çapının aynısı veya bir çap küçüÄŸünü seçtiÄŸimizi düÅŸünelim

 

Q=0,7 m³/h  Standart olarak kullandığımız tabloya göre bu deÄŸer 580 ve 1100 kg/h arasında kalıyor ÅŸu durumda emniyetli olması adına boru çapı DN25 olarak kabul ediliyor.

Vana Kvs deÄŸer tablomuz ise ÅŸu ÅŸekilde:

 

Kontrol vanası tablosu  

DN 15  - Kvs = 0,63 m³/h

DN 15  - Kvs = 1,0 m³/h

DN 15  - Kvs = 1,6 m³/h

DN 20  - Kvs = 2,5 m³/h

DN 20  - Kvs = 3,5  m³/h

DN 25  -  Kvs = 10,0  m³/h

 

Bu noktada ezbere bir çap küçük vana tercih edilecek ama onun da iki ayrı kvs deÄŸeri olduÄŸundan emniyetli olması adına büyük olan yani DN20 kvs=2,5 m³/h seçiliyor.

 

Yapılan bu seçime göre otoritemizi hesaplayalım:

 

Seçilen Kvs = 3,5 m³/h, dolayısıyla gerçek basınç düÅŸümü:

?Pkv =(0,7/3,5)2 = 0,04 bar =4 kPa

a = ?Pkv /?H =  4/50 = 0,08 = 8% -  çok kötü 

 

3.2.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite KarakteristiÄŸi

 

3.3 Kısmi Yükte Tipik Vana Boyutlandırılması Kontrol vanası pozisyonu 

DP= 80 – 2,9 = 77,1 kPa    => 0,77 bar 

Kv= Q/√?p [m³/h]   

Kv= 0,175/√0,77=0,2 [m³/h]

Seçilen vana Kvs = 1,6 m³/h, 

Kv = 0,2 m³/h  

Vananın lineer karateristiğine bağlı olarak:

vana pozisyonu = 0,2/1,6 = 0,12 – %12,5

3.3.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite 

KarakteristiÄŸi

Tam yükteki vana boyutlandırmamız tipik örnek için a deÄŸerimiz 0,38 idi. Grafik üzerinde inceleyelim:

 

Sonuç olarak elde ettiÄŸimiz grafikte iÅŸaretlediÄŸimiz %12,5 vananın kısmi yükü saÄŸlamak için çalışacağı noktayı belirtmektedir.

 

3.4 Kısmi Yükte Kolay Vana BoyutlandırılmasıKontrol vanası pozisyonu 

DP= 80 – 2,9 = 77,1 kPa    => 0,77 bar 

Kv= Q/√?p [m³/h]                                                       

 Kv= 0,175/√0,77=0,2 [m³/h]

Seçilen vana Kvs = 3,5 m³/h, 

Kv = 0,2 m³/h

 

Vananın lineer karaterisiistiğine bağlı olarak:

vana pozisyonu = 0,2/3,5 = 0,057 –  5,7%

 

3.4.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite KarakteristiÄŸi

       

4. Sonuç

Vana boyutlandırılması ve seçimi konusunun çok fazla dikkat edilemeyen bir konu olduÄŸunu kabul edersek, çalışmada karşılaÅŸtığımız sonuçların-özellikle kısmi yükte- ne kadar çarpıcı olduÄŸunu görebiliyoruz. 

 

Debi ihtiyacının fazla olduÄŸu örneÄŸin klima santrali uygulamalarında ya da ısıtma yerine soÄŸutma suyunda yanlış yapılan seçimlerde elde edilen sonuçlar daha vahim olacaktır. Halbuki bu konu gerek konfor gerekse enerji tasarrufu açısında son derece dikkate deÄŸer bir husustur.

 

Yalnız bu çalışmada yapılan örneklerde kullanılan vananın lineer karakteristiÄŸe sahip olduÄŸunu vurgulamakta yarar var. Her ne kadar ülkemizde bu vana karakterisitiÄŸi meselesinin farkında olmasak da logaritmik bir vanada kısmen daha iyi sonuçlar alınacağı açıktır. 

 

Kaynaklar

[1] Benonysson A., Boysen H.; Valve Characteristics for Motorized Valves in District Heating

[2] Boysen H; kv: What, Why, How, Whence?

[3] Kristjansson H; Controls Providing Flexibility for the Consumer Increase Comfort and Save Energy,2008

[4] 2004 Ashrae El Kitabı; Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme Sistemleri ve Ekipmanları, 2007 İstanbul

[5] Tesisat MühendisliÄŸi Uygulama Kitabı,2007 Ä°stanbul

[6] Recknagel-Sprenger S; Isıtma Klima Tekniği El Kitabı, TTMD 97/98.