MERDIVEN AYDINLATMASININ PASIF KIZILÖTESI YAKLASIM SENSÖRÜ ILE KONTROLÜ. Cemal YILMAZ Osman GÜRDAL Erdal IRMAK

Transkript

1 MERDIVEN AYDINLATMASININ PASIF KIZILÖTESI YAKLASIM SENSÖRÜ ILE KONTROLÜ Cemal YILMAZ Osman GÜRDAL Erdal IRMAK Gazi Üniversitesi Teknik Egitim Fakültesi, Elektrik Egitimi Bölümü Teknik Okullar, Ankara ÖZET Bu çalismada apartmanlardaki merdiven aydinlatmasinda geleneksel zamanlayici ile aydinlatma ve PIR (Pasif Kizilötesi yaklasim sensörü) ile kontrol edilen aydinlatma yöntemleri karsilastirilmistir. Binalardaki merdiven aydinlatmasinda enerji tasarrufu saglamak amaciyla klasik aydinlatma yerine PIR kontrolu aydinlatma metodu tasarlanmistir. Klasik aydinlatma yöntemi ve PIR kontrollu metod; kurulus maliyeti, kullanislilik, ve enerji tasarrufu yönünden karsilastirilmistir. PIR kontrollu metod klasik aydinlatmaya göre bir çok avantaja sahiptir. Merdiven aydinlatmasi PIR ile yapilan 10 katli 40 daireli bir apartmanda % enerji tasarrufu saglanmistir. Tasarim kendisini 3 yilda amorti etmektedir. Bu enerji tasarrufu hem insanlarin hem de uluslarin ekonomileri için büyük fayda saglamaktadir. Anahtar Kelimeler: Pasif Kizilötesi Yaklasim Sensörü, Merdiven Aydinlatmasi, Enerji Tasarrufu ADVANTAGES OF PIR CONTROLLED STAIRS LIGHTING TO CONVENTIONAL TIMERED AUTOMATS ABSTRACT In this study, a comparison between conventional timered and PIR (Passive Infrared) controlled stairs lighting in residential apartments has been done. In order to provide energy saving in stairs lighting of buildings, PIR controlled lighting method has been designed instead of classical lighting method. PIR controlled stairs lighting and timered classical stairs lighting methods are compared in view of; installation expense, usage, energy saving. PIR controlled method has many advantage over to classical timered lighting. By making stairs lighting using PIR sensors provided % energy saving in a ten levels 40 flats apartment. This huge saving is benefit of both the inhabitants s and the nation s economy. Key Words: Passive Infra Red Sensor, Stairs Lighting, Energy Saving 1

2 1. GIRIS Günümüzde sinirli olan enerji kaynaklarinin her geçen gün önemi artmaktadir. Bu durum karsisinda insanoglu yeni enerji kaynaklari arayisina girmis olmanin yani sira elindeki mevcut kaynaklari en verimli sekilde kullanmaya çalismaktadir. Enerjinin verimli olarak kullanilmasi ise, nerede, ne zaman, ne kadar sorulari ile karsimiza çikmaktadir. Enerjinin ne zaman, ne kadar kullanilacagi sorularina verilecek cevap ise tasarrufdur. Elektrik enerjisi diger enerjilere göre günlük hayatimizda vazgeçilmez bir konumdadir. Bu kadar önemli bir enerjinin verimli olarak kullanilmasi ülke ekonomisi açisindan son derece önemlidir. Elektrik enerjisinin en büyük kullanim alanlarindan birisi aydinlatmadir. Ticari binalarda kullanilan elektrik enerjisinin % 58 inin aydinlatma için harcandigi gözönüne alinirsa yapilacak dogru ve kontrollü aydinlatma ile enerji tasarrufu saglanabilecegi açiktir [1]. Aydinlatmaya yönelik enerji tasarrufunda birçok yöntem kullanilmaktadir. Bu yöntemler iki ana baslik altinda toplanabilir. Bunlar, sürekli olarak aydinlatilan alanlara yönelik yöntemler ve aralikli olarak kisa süreli aydinlatilan alanlara yönelik yöntemlerdir. Binalardaki merdivenlerin aydinlatilmasi aralikli olarak kisa süreli aydinlatma grubuna girmektedir. Merdivenlerin aydinlatilmasi merdiven otomatigi ile lambalarin kontrolü esasina dayanmaktadir. Bu kontrolde anahtara basildiginda binanin merdivenlerindeki bütün lambalar yanar ve merdiven otomatiginde ayarlanan süre sonunda ise söner. Lambalarin yanma süresinin uzun olmasi ve kisinin kullanmayacagi katlardaki lambalarin da yanmasi enerjinin kötü kullanimi olarak karsimiza çikmaktadir. Merdivenlerin aydinlatilmasinda PIR (Pasif Kizilötesi) dedektörlerin kullanilmasi enerjinin yüksek verim ile kullanilmasini saglamaktadir. Hareketi algilayan PIR dedektöleri algilama alanlarindan hareketli bir cisim veya insan geçtigi zaman her dedektör kendisine bagli bulunan lambayi yakar. Merdivenlerin neresinde hareketli bir cisim veya insan var ise sadece o bölgenin lambasi yanmaktadir. Bu tasarimin merdiven otomatigi sisteminden farki, kullanilmayan bölgelerin lambalarinin yanmamasi ve yanan lambalarin da ihtiyaç süresince yanmasidir. 2. SISTEMIN ELEMANLARI Tasarlanan sistemde PIR dedektörleri kullanilmistir. Bu dedektörler isi enerjisi olarak adlandirilabilen kizilötesi enerjilerin farkliligini algilarlar. Mutlak sifir olan 273 C den daha büyük sicakliga sahip bütün nesneler kendi isilarina göre enerji yayarlar. Örnegin vücud isisi 37 C olan bir insan, isisi 20 C olan bir duvardan daha fazla enerji 2

3 yayar [2]. Dedektörün algilama alanindan bir canli veya cisim geçtigi zaman, termal enerjideki Infrared (IR -Kizilötesi) farklilik hemen tespit edilebilir. Bu tip dedektörler güvenlik ve enerji kontrolünde çok sik kullanilmaktadir. PIR algilama elemanlari, canlilarin yaydigi termal enerjinin çogunun yogunlastigi 4 20 µm spektral araligindaki uzak kizilötesi isinima tepki verebilirler. PIR dedektörlerinde kullanilan algilama elemaninin üç tipi vardir. Bunlar termistörler, termopiller ve piroelektrik elemanlardir. Piroelektrik elemanlar özellikle hareket dedeksiyonu için kullanilir. Bu nedenle tasarimda piroelektrik algilama elemanina sahip PIR dedektörü kullanilmistir. Piroelektrik malzeme üzerinden geçen termal enerji akisina tepki olarak bir elektrik yükü meydana getirir. Sekil 1 de görüldügü gibi termal genlesmenin ikincil bir etkisi olarak tanimlanabilir [3]. Bütün piroelektrik malzemeler ayni zamanda birer piezoelektrik malzeme oldugundan emilen isi, algilama elemaninin ön tarafinin (Ta) genlesmesine neden olur. Gerilme, genlesmis ön yüzey (Ts) li eleman elektrodlari arasinda bir piezoelektrik yük olusmasini saglar. Bu yük malzemenin diger kismindaki elektrodlardan gerilim (V) olarak açiga çikar (Sekil 1). Destek Ta Ta IR Ts Ta IR Ta Ts V Kizilötesi Isin Piroelektrik malzemenin ön ve arka yüzeyi Genlesmis ön yüzey Gerilim V = 0 V =0 Ts Ta Sekil 1. Termal enerjinin piroelektrik malzeme üzerinde elektrik yükü olusturmasi Kiziliötesi hareket dedektöründe algilama elemanindan baska odaklayici bir elemanin da bulunmasi gerekir. Fresnel (Yakin alan) mercekler ucuz ve bükülgen olmanin yanisira dedektörü dis etkilerden de korudugundan tercih edilirler. Bükülgen fresnel mercek ve piroelektrik filmin kullanildigi Infrared Hareket Dedektörü Sekil 2 de görülmektedir [3]. Hareket dedektöründe, polietilen çok yüzeyli egimli bir mercek 3

4 Film odagi Fresnel mercek Piroelektrik film Ortak elektrod Gövde f + _ Cisim Ara elektrodlar Elektronik modül Sekil 2. Bükülgen fresnel mercegin ve piroelektrik filmin kullanildigi infrared hareket dedektörü ile egimli bir PVDF film sensör vardir (4). Film daima merceklerin odak düzlemindedir. Filmin mercege bakan yan yüzeyi uzak kizilötesi spektral araliktaki emilmeyi artirmak için organik bir kaplama ile kaplanmistir. Bu tasarim hassas çözünürlük (uzak mesafelerdeki küçük yer degisiminin dedeksiyonu) ve dedektör hacminin küçük olmasini saglar. Sekil 3 de 360 görüs elde edilmesi görülmektedir. Sekil 3. Infrared dedektörde 360 görüs açisi elde edilmesi Bütün PIR dedektörleri ayni fiziksel piroelektrik etki ile çalisirlar. Böyle bir sensörün performansini analiz etmek için, öncelikle algilama elemani tarafindan elektrik yüküne dönüstürülen kizilötesi güç ün (termal aki) hesaplanmasi gerekir. Optik aygit, sensörün yüzeyine termal isinimi minyatür bir termal görüntü olarak odaklar. 4

5 Görüntünün enerjisi algilayici eleman tarafindan emilir ve isiya dönüstürülür. Bu isi daha sonra piroelektrik kristal eleman ile çok küçük elektrik akimina dünüstürülür. Algilama elemaninin yüzeyine mercek ile odaklanan kizilötesi aki, cisme olan uzakligin karesi ile ters orantili, mercek ve cismin alanlari ile dogru orantilidir. Dedektörün maksimum çalisma uzakligi dedektörün gürültü seviyesi ile belirlenir. En kötü durum için gürültü gücünün sinyalin gücünden 3-5 kat daha küçük olmasi gerekir. Algilama elemaninin inceligi ile dedektörün duyarliligini artirmak mümkündür. Mercek alani da sinyalin büyüklügünü dogru orantili olarak artirir. Ancak piroelektrik akim sensörün alanina bagli degildir. Çikis gerilimi ise dedektör ile cisim arasindaki uzakligin fonksiyonu olarak degisir (Sekil 4). Çikis gerilimi, mv Ideal durum Deneysel sonuç Uzaklik, m Sekil 4. PIR dedektöründe uzakligin bir fonksiyonu olarak elde edilen çikis sinyali PIR dedektörlerinin etki alanlari kesiksiz olmayip bir elin açilmis parmaklari gibidir. Aktif bölgeler arasinda aktif olmayan pasif bölgeler vardir. Algilama iki aktif bölgenin kisa bir süre içinde kesilmesi sonucu olur. Sekil 5 de bu durum görülmektedir [2]. Bu dedektörlerin genis etki alanli tiplerinde algilama mesafesi metredir. Dar açili fakat uzun algilama mesafesi olan tiplerinde ise algilama mesafesi 30 m den 300 m ye kadar farklilik gösterir. Pasif IR dedektörler uygulamasi oldukça kolay ve kullanisli dedektörlerdir. Ultrasonik ve mikrodalga dedektörlerde yanlis alarma neden olan rüzgar, yagmur, hava türbülasyonu, hareketli sinyaller gibi dis etkenler PIR dedektörlerinin çalismasini etkilemezler [5]. 5

6 Bitisik Duvarlar PIR sensörü Aktif Bölgeler Pasif Bölgeler Sekil 5. Pasif kizilötesi yaklasim sensörünün algilama alani Tasarimda kullanilan PIR dedektörlerinin montaj ve çalistirilmasinda asagida verilen teknik özellikleri dikkate alinmistir. Çalisma gerilimi: V AC Kontak çalisma gücü: max 2000 W. Zaman ayari: 0 s ile 10 dak. arasi Çalisma frekansi: 50 Hz Algilama mesafesi: 10 m Mercek sistemi: 3 sira 28 bölüm, 120 açi Hareket: Yukari-asagi 180, saga-sola 180 Tasarimda kullanilan PIR sensörü isik seviye ayari ile istenilen karanlik seviyesinde çalisma özelligine sahiptir ve elektriksel baglanti semasi Sekil 6 da görülmektedir [6] Lamba Nötr 220 V AC, 50Hz Faz PIR Dedektörü Sekil 6. PIR sensörü elektriksel baglanti semasi 6

7 Binalarda merdiven aydinlatmasinda kullanilan lambalarin belli bir süre için yanip sönmesini saglayan eleman merdiven otomatigidir [7]. Her katin kendine ait isik butonu vardir. Hangi katin butonuna basilirsa basilsin bütün katlardaki lambalar yanar. Lambalar merdiven otomatiginde istege bagli olarak ayarlanan süre sonunda söner. Sekil 7 de merdiven otomatigi ile yapilan aydinlatmanin kapali tesisat semasi görülmektedir. 10.Kat 9.Kat 8.Kat 7.Kat 6.Kat 5.Kat 4.Kat 3.Kat 2.Kat 1.Kat M.O Bina girisi M.O Sigorta Merdiven Otomatigi Lamba Buton Sekil 7. Merdiven Otomatiginin Kapali Devre Tesisat Semasi Merdiven aydinlatmasinda uluslararasi standartlara göre en az 50 lüx aydinlik gerekir [8]. Bu aydinlik 120 lüx e kadar çikabilmektedir. 10 katli 40 daireli bir binanin merdiven aydinlatmasi incelendiginde su sonuçlar ortaya çikmaktadir. Her katta 4 adet 7

8 olmak üzere toplam 40 adet isik butonu vardir. Binada 40 adet 75 W lik akkor flamanli lamba kullanilmistir. Bu sistemin kontrolü ise binanin giris katina konulan merdiven otomatigi ile yapilmaktadir. Merdiven otomatiginin zaman ayari 30 s olarak ayarlanmistir. Kurulu olan mevcut sistemin çalismasi incelendiginde günde ortalama olarak 600 ile 750 defa merdiven otomatiginin çalistigi ortaya çikmistir. Kullanim sikliginin günün saatlerine göre dagilimi Sekil 8 deki grafikte görülmektedir. 70 Kullanma sikligi (defa) Saat Sekil 8. Merdiven Otomatiginin günün saatlerine göre kullanim sikligi Merdiven otomatiginin günlük kullanim sikligi 675 olarak alinirsa, her kullanimda lambalarin yanma süresi 3 s olarak ayarlandigindan, bir günde merdiven otomatiginin kullanilma süresi; 675 x 30 = saniye =337.5 dakika = 5 saat 37 dakika 30 saniyedir. Bu sonuçlar günde yaklasik 5.5 saat olarak dikkate alinabilir. 3. TASARIM Merdiven aydinlatmasinin PIR dedektörü ile yapilan yerlesim plani Sekil 9 da görülmektedir. Merdiven otomatiginde kullanilan lambalar yerleri degistirilmeden kullanilmistir. Ancak lamba butonlari iptal edilmistir, butonlarin görevini PIR dedektörleri yapmaktadir. Tasarlanan sistemde 180, 12 m etki alanina sahip PIR (OGSM 2000) dedektörleri kullanilmistir. Dedektörlerin montaji ise merdiven boslugundaki kullanim alaninin tamamini kapsayacak sekilde yapilmistir. Bu durumda bir dedektörün algilama alanindan çikildigi noktada diger dedektörün algilama alanina 8

9 girilmektedir. Her dedektör kendi algilama alanini aydinlatan bir lambayi kontrol etmektedir. Hareketli bir cisim veya canli sensörün algilama alanina girdiginde o bölgenin lambasi yanacaktir. Cisim sensörün algilama alanindan çiktiginda lamba, hemen veya ayarlanan süre sonunda sönecektir. Zaman ayari sensör üzerindeki zaman ayar dügmesi ile yapilabilmektedir. Daire 3 Yangin merdivenine Daire 4 Daire 1 Daire 2 Bina Girisi Sekil 9. PIR dedektörlerinin yerlesim plani Sekil 9 da binanin bir kati görülmektedir. Merdiven boslugunun ortasinda asansör bulunmaktadir. Bu durum tasarlanan sistemin önemini artirmaktadir. Çünkü eski sistemde herhangi bir butona basildiginda binanin bütün lambalari yanmaktadir. Merdivenlerden inis-çikislarda asansör kullanildigi durumda yanan lambalarin ise yaradigi süre azalacaktir. Böylece harcanan enerji miktari içindeki yararli enerji miktari daha da azalacak ve verim düsecektir. Bu durum tasarlanan sistem ile tamamen ortadan kaldirilmistir. Bir dedektörün etki alaninda bulunuldugunda sadece o alanin lambasi yanmaktadir, etki alanindan çikildigi anda veya bir müddet sonra (bu zaman ayarlanabilir) lamba sönmektedir. Böylece asansörün kullanilmasi sistemin verimini etkilememektedir. Bu çalisma sistemi ile enerji %100 e yakin verim ile kullanilmaktadir. 9

10 Tasarimda her bir lamba için bir sensör olmak üzere toplam 41 adet PIR sensörü kullanilmistir. Yeni sistemin kurulus maliyeti : 41 x 20 milyon = 820 milyon, lamba ve baglanti kablolari eski sistemde vardir. Tasarimda lamba butonlari kullanilmayacagindan tasarimin kurulus maliyeti daha da düsecektir. Bir adet buton 1.5 milyon, 41 x 1.5 milyon = 61.5 milyon, = milyon olarak tasarimin kurulus maliyeti bulunur. Çalisma maliyeti : Daha önce yapilan hesaplamalarda merdiven otomatiginin 1 günde ortalama 5.5 saat kullanildigi tespit edilmistir. Merdiven otomatiginin her çalismasinda lambalar ayarlanan süre boyunca (bu süre yaklasik 30 sn.) yanmaktadir. Bu sürenin büyük bir kisminin kullanilmadigi dikkate alinirsa; Tasarlanan sistemde PIR sensörlerinin günlük kullanilma süresi yaklasik 3 saat olacaktir. Bu süre boyunca sadece bir lamba yaniyor olarak düsünebiliriz. Kullanilan lambalarin gücü ise 75 W olarak alinmistir. Tasarlanan sistemde yillik enerji tüketimi; 75 W x 3 saat x 365 gün = W Eski sistemde yillik enerji tüketimi; 75 W x 41 adet = 3075 W ve 3075 x 5.5 saat x 365 gün = W Aralik 99 enerji tüketim fiyatlarina göre; tasarlanan sistemin yillik enerji tüketim maliyeti = 82,125 KW x = TL. Eski sistemin yillik enerji tüketim maliyeti = 6173,062 x = TL Yeni sistemin kurulus maliyetinin eski sisteme göre daha pahali olmasi sorun olmamalidir. Çünkü elde edilen sonuçlar yeni sistemin kendisini 3 yilda amorti ettigini göstermektedir. Binadaki kat sayisi arttikça sistemin kendini amorti etme süresi azalmaktadir. Elde edilen sonuçlar dikkate alinarak eski sistem ile yeni sistemin yillik enerji tüketimleri karsilastirildiginda, tasarlanan sistemde % enerji tasarrufu saglandigi görülmektedir. 4. SONUÇ VE IRDELEME Son yillarda ülkemizde yasanan enerji sikintisinin giderilmesinin yollarindan biri nükleer santraller oldugu gibi, enerjinin maksimum verim ile kullanilmasi da dikkate alinmasi gereken önemli bir çözüm yoludur. Bu amaç ile yapilan tasarimda, enerjinin en düsük verim ile kullanildigi yerlerden biri olan binalardaki merdiven aydinlatmasi incelenmistir. Tasarimda merdivenlerin aydinlatilmasinda pasif kizilötesi yaklasim sensörü kullanilmistir. Eski sistemde herhangi bir katta merdiven otomatigi 10

11 butonuna basildiginda bütün katlardaki lambalar yanmaktadir. Tasarlanan sistemde ise, kisi nerede bulunuyorsa o bölgenin lambasini kontrol eden sensör tarafindan algilanir ve lambanin yanmasi saglanir. Merdivenlerin aydinlatilmasi için kullanilan lambalarin her birinin aydinlatma bölgesi bir sensör tarafindan algilanmaktadir. Kisinin bulundugu bölgeyi aydinlatan lamba o bölgeyi algilayan sensör tarafindan kontrol edilmektedir. Bu yüzden sadece kisilerin bulundugu bölgelerin lambalari yanar. Eski sistemde yillik enerji tüketimi W, yeni sistemde ise W olarak bulunmustur. Yillik enerji tüketimi dikkate alinarak her iki sistem karsilastirildiginda eski sisteme göre % enerji tasarrufu saglandigi görülmektedir. Saglanan bu enerji tasarrufu tüketiciyi büyük bir mali külfetten kurtardigi gibi enerjinin maksimum verim ile kullanilmasinin ülke ekonomisine katkisi küçümsenemeyecek boyutlardadir. Tasarimin bu üstünlüklerinin yaninda; kurulus maliyetinin yüksek olmasi, projelendirme ve montajinin uzmanlik gerektirmesi gibi kullanicinin tercihini olumsuz yönde etkileyecek dezavantajlari da vardir. Tasarimin kurulus maliyeti milyon, tasarimin bir yillik enerji tüketim maliyeti TL, eski sistemin bir yillik enerji tüketim maliyeti TL bu durumda bir yillik kar TL olduguna göre yeni sistem kendisini 3 yilda amorti etmektedir. Tasarimda daha az enerji harcayan fluoresan lamba kullanilarak enerji tasarrufu artirilabilir. Ancak bu lambalarin tepkilerinin yavas olmasi sistemin çalismasini aksatacaktir. Fluoresan lambalarin ani ateslemeli elektronik balastli tipleri sistem için uygun görünse de bu lambalarin ömürlerinin anahtarlama sayisina bagli olmasi, lambalari sürekli açip kapayan bu tasarimda kullanilmasina engel olmaktadir. KAYNAKLAR 1. Philips, Lighting Design Course, Eindhoven Trimmer, H.W., Understanding And Servicing Alarm Systems 3. Fraden, J., AIP Handbook of Modern Sensors, USA Fraden, J., Motion Detector, U.S. Patent No. 4,769,545, Sept. 6, Gürdal, O., Algilayicilar ve Dönüstürücüler, OGSM 2000, Infrared Motion Alarm Detector, Ilgen, A., Elektrik Tesisat Teknigi ve Uygulamasi, Nurol Matbaacilik, Ankara, Demirdes, H., Uygun Aydinlatma ve Bilesenleri, Kaynak Dergisi sayi 6,

12 Not: Bu makale Politeknik dergisinde yayinlanmistir Mart 2000 cilt 3, sayi 1 ANKARA 12