Merkezi Sistemlerin Gerçek Verimi Yaygın Olarak Kullanılan Altı Tür Merkezi Soğutma Sistemi İçin Telden Suya Verim (*)
Bu yazı Güney Kaliforniya?da denenen su ile soğutma çalışmalarını değerlendirecektir. Yaygın olarak kullanılan altı tür sistemin- havalı soğutucu kullanılan sistemler, ısı enerjisi deposu, büyük kampüs sistemleri, hibrit sistemler, değişken hızlı vidalı soğutma sistemleri,yüksek verimli tam değişken hız kontrollü yağsız kompresör sistemleri- telden suya verimi (kW/ton) bütün soğutucuları, soğutucu dağıtım pompaları, yoğuşturucu pompaları ve kule/yoğuşturucu fanları göz önüne alınarak rutin işletme günlerindeki değerlerle hesaplanmıştır.
Veriler şunu güçlü şekilde kanıtlıyor: Eğer kaybolan enerjiyi tutma şansımız olsaydı, kısa vadede pek çok sektörün enerji ihtiyacındaki artışı karşılayabilirdik.
Verim Beklentileri
Sistemlerin performanslarını kıyaslamak üzere, 300 ton altındaki hava ve su soğutmalı soğutucuları dışarıda tutarak, Şekil 1?de görülen enerji kullanım spektrumu oluşturulmuştur. Daha küçük hava soğutmalı soğutucular için, ton başına 0.1 kW, su soğutmalı soğutucular için ise 0.35 kW düzeltme faktörü eklenir.
Hava Soğutmalı Soğutucu Üniteleri
5471 m2 alana kurulu bir hastane kompleksini soğutmak üzere kurulmuş unite, iki adet 88 tonluk hava soğutmalı soğutucu (her birinde ikişer adet 37 kW güce sahip yarı hermetik kompresör vardır) ve 5.5 kW gücünde sabit kapasiteli dağıtım pompalarından oluşur ve 3 yollu pnömatik vanalara sahip hava işleyicilere soğuk suyu basar. ISK sistemi 1996 yılında kurulmuştur. Şekil 2 ve 3, ilgili iki gün için performans verilerini ve operasyon şartlarını göstermektedir.
Sorunlar ve Pürüzler: Bu soğutucu ünitesi, ton başına 1.5 kW ortalama enerji harcamıştır. Verimsiz bir soğutucu ünitesi, sabit hızlı ekipmanlarla beraber hava işleyici içinde bulunan pnömatik vanalar sorun yaratır. Pnömatik kontrolun soğutucu ile senkronizasyonu ve dış havayı kesme (14.5¡C dan düşük sıcaklıkları) özelliği kısıtlıdır. Düşük yüklerde verim daha çok azalır. Çünkü kapasite kontrolü kompresör tahliyesi, çevrim kompresörleri ve kondenser fanlarının açık/kapalı durumuna göre yapılır. KiloWatt/Ton eğrilerinin pikleri (Şekil 2 ve 3), delta T sıcaklık farkının -16¡C ve -14¡C arasında olduğu ve kompresörün açık veya kapalı konumları arasında çevrime uğradığı durumda ortaya çıkmıştır.
Isı Enerjisi Depo Sistemi
Bir hava soğutmalı buz ısı enerji deposu sistemi; 400 tonluk hava soğutmalı bir vidalı soğutucuya, 20 adet ısı enerjisi deposu, 15 kW gücünde sabit hızda glikol pompası, plakalı ısı değiştirici ve iki adet 30 kW?lık soğutulmuş su dağıtım pompasından oluşur. Şekil 4 ve 5, Ağustos 2006?da müteakip günler için şarj ve deşarj performanlarını ortaya koymaktadır.
Sistem, tankları ton başına 2.20 kW güç harcayarak doldurmuştur( 1115 kWh enerji kullanarak 506 ton-saat). Bir sonraki gün sistem, ton başına 0.582 kW(248 kWh enerji kullanarak 426 Ton-saat) güçle deşarj etmiştir. Basit matematik sonucu kullanılabilir enerjinin sistem verimi ton başına 3.20 kW civarı olur (1363 kWh enerji harcayarak 426 ton). Günün en sıcak anı 15 Ağustos?da 29¡C olarak ölçülürken, en düşük sıcaklık bir önceki gece 17¡C olarak ölçülmüştür.
Problemler&Pürüzler: Sistem, buz tanklarının -3¡C sıcaklığa sahip glikol ile doldurulacak şekilde tasarlanmışsa da, ancak 0¡C ila 1.5¡C arasında sıcaklığa sahip glikol üretilebilmektedir. Buz oluşmaz, aksine tanklar sadece hassas enerjiye sahip soğuk su deposu olarak çalışır. Bu durum sistemin düşük ağırlıktaki kapasitesini ve işletme mühendislerinin her yükleme saati başına 45 dakika faydalı deşarj imkanı elde etmelerini açıklıyor.
Ayrıca;
Kullanım zamanı bina operatörleri tarafından düzenli takip edilmemiştir.
Sistemin ömrünü doldurmak üzere olduğunun belirtileri vardır. (Glikol/su kaçakları)
Hava soğutmalı soğutucular akşamları daha etkin çalışsa da (örneğin düşük kuru termometre sıcaklıkları arasında) ihtiyaç duyulan çıkış glikol sıcaklığından ötürü önemlidir.
Ciddi montaj hataları sonucu soğutucu ünite ayrı bir destek sayacı ile sunulur. Bu durum ayrıca bir talep masrafına yol açar ve tesis ne kadar verimli olursa olsun ısı enerji depolarından verim alınmasını imkansız kılar.
Büyük Kampüs İçinde Merkezi Soğutma
73114 m2 alan üzerine kurulu ofis ve ortak kullanım alanlarını soğutmak üzere üç kademeli,delta T sıcaklık farkı -8 ¡C olan,toplam 3200 ton kapasitesli (800ton kapasiteli 4 adet) soğuk su ünitesi kullanılmıştır(Tamamen değişken klima santralı). 3 adet 4160v gecikmeli santrifüj soğutucu, bütün kondenser pompaları, ve ön soğutulmuş su pompaları sabit hızla çalışırken, ikincil pompalar ve öncü soğutucular değişken frekans kontrolüyle çalışır. Soğutma kuleleri çift hızlı fanla donatılmıştır. Bu sayede yoğuşturucu suyu sabit bir sıcaklıkta (genellikle 23¡C referans sıcaklık alınır) tutulabilir. Şekil 6 ve 7 iki seçilmiş gün için operasyon koşulları ve performans verilerini göstermektedir.
Sorunlar ve Pürüzler: Sabit hızlı ekipman kullanılmasından ötürü, düşük yüklerde verim çok düşük gerçekleşmektedir.(Şekil 7) Ayrıca ikincil akım genellikle birincil akımı aşar; akım "kapalı" soğutuculardan geri döner(soğutucularda izolasyon vanası yoktur) ve besleme suyu sıcaklığını düşürür. Bu durum sistemin tam kapasite çalışmasını engel olur ve soğutucu serpantinlerin kapasitesi düşer. Nihai sonuç, klima santralında, soğutucu ve artan fan hızları (dolayısıyla harcanan enerji) arasında prematüre bir senkronizasyon olur. Soğutucunun besleme suyu ile soğutucu akışkan arasında 3¡C delta T sıcaklık farkı görmek olağandışı değildir. Üniteden yılda ton başına 0.85kW güç harcar (3. kademe pompa hariç). Pek çok güncel uygulamanın yanında bu değer makuldür ancak hali hazırda bu derece büyük ve kompleks bir sistemden beklentinin altındadır.
Hibrit Merkezi Sistem
Bir hastaneye hizmet vermek üzere 1200 ton kapasiteli, delta T sıcaklık farkı 10¡C olan bir hibrit çift kademeli soğutucu tasarlanmıştır. Santrifüj soğutucu (600 ton), yoğuşturucu pompalar ve birincil soğutulmuş su pompaları sabit hızla çalışırken, soğutma kulesi fanları ve ikincil pompalar frekans kontrollüdür. Direkt püskürtmeli doğal gaz absorbsiyonlu soğutucu öncelikle kış aylarında çalıştırılır (elektrikli soğutucunun düşük güçlerde verimsiz kalmasından ötürü) ve yaz aylarında ise 7/24 çalışır. Soğutma kulesi yoğuşturucu suyunu sabit bir sıcaklıkta (örneğin 27¡C) tutmak üzere çalışır. Bu ünite, tasarlanandan daha fazla enerji tüketmektedir. Şekil 8 ve 9 sadece elektrik tüketimini göstermektedir, absorpsiyonlu soğutucuda harcanan ton başına 0.2 therm doğalgaz hesaba katılmamıştır.
Problemler ve Pürüzler: Bu hibrit sistemin sorunları evrenseldir: Düşük delta T sıcaklık farkı değerleri (genellikle 6¡C dizayn için 1¡ veya 2¡C gerçek fark), tam yükle çalışma yetersizliği, belirgin karışma, ayrık pompalar, aşırı büyük pompalar, sabit hızlı ekipman kullannımı. Hiç hatasız, ikinci soğutucu genelde düşük yüklerde çalışmak durumunda kalır, bundan ötürü ünitenin verimliliği kötüye gider.
Gaz absorpsiyonlu ve elektrkli hibrid soğutucu sistemler yoğuşturucu başlığında da sorun yaşar. Santrifüj soğutucular düşük yoğuşturucu suyu sıcaklıklarında daha yüksek verim ortaya koyarken, gaz absorpsiyonlu sistem yüksek yoğuşturucu suyu sıcaklıklarında daha kararlı bir performans sergiler. Netice; yıl boyu, daha yüksek sıcaklıklarda yoğuşturucu besleme suyu sıcaklığı (minimum 27¡C sıcaklıkta) ve buna bağlı olarak santrifüj soğutucunun daha fazla enerji harcaması olur.
Değişken Hızlı Vidalı Soğutucu
Çift kademeli soğutucu, 2 yaşında, 6¡C delta T sıcaklık farkında çalışan 440 ton kapasiteli olarak dizayn edilmiş olup, iki adet 220 tonluk yüksek verimli -tam yüklü iken 0.539 kW/ton, değişken yüklerde 0.487 kW/ton- vidalı soğutucuya sahiptir. İki adet 11 kW güce sahip soğutma kulesi fanı, iki adet 18 kW güce sahip yoğuşturucu pompası, iki adet 7.5 kW birincil soğutulmuş su pompası, iki adet 18 kW güce sahip ve ikincil soğutulmuş su pompası frekans kontrol üniteleriyle donatılmıştır. Şekil 10 ve 11 iki olağan gün için ünitenin performansını göstermektedir.
Problemler ve Pürüzler: Ünite, olması gerekenden % 21 daha verimli olacak şekilde tasarlanmışsa da yıllık ortalama güç sarfiyatı 1.2 kW/ton olarak gerçekleşir. Yüksek güçlerde çıkan pikler (Şekil 10) ikinci soğutucu devreye girdiği anlarda oluşurken Şekil 11 de görünen pikler soğutucuların düşük yükte devreden çıktığı ancak pompaların çalıştığı durumda görülür. Ne yazıkki dizayn Ğniyet- ve uygulama arasında bu kopukluk vardır; kontrol devreleri eklenmediğinden ötürü enerji yönetimi açısından sistem değişken değildir.
Yüksek Verimli Tam Değişken Hız Kontrollü Yağsız Kompsresörlü Ünite
Bu ünite 1998 yılında kurulmuştur, 750 ton kapasiteyle cezaevi, büro ve adliyeye hizmet vermektedir. 2005 yılında sistem, hem 450 tonluk hem de 300 tonluk soğutucuların üzerinde yağsız kompresörlerle modifiye edilmiş olup yoğuşturucu pompaları, soğutulmuş su pompaları ve soğutma kulesi fanları tamamen frekans kontrollü hale gelmiştir. Bütün ayırıcılar devre dışı bırakılırken bütün vanalar çift yönde dijital kontrollü hale getirilmiştir ve talebe bağlı olarak enerji yönetimi gerçekleştirilebilir durumdadır. Şekil 12 ve 13 operasyon koşullarını ve performans verilerini vermektedir.
Problemler ve Pürüzler: Yeni kademelendirme stratejileri zorunlu olsa da, modüler yağsız kompresörler değişken yüklerde verimi çok ileri taşımıştır; bu yüzden bu çok büyük ünite (kısmen ilave ekipmanlar yüzünden) 0.55 kW/ton yıllık enerji sarfiyatıyla çalışmıştır. Bu başarının sırrı sistem ve buna destek olan ünite tasarımcıları ve bina sorumlularının uyumudur. Bu sistem yılda 100.000 $?dan fazla tasarruf sağlamıştır.
Sonuçlar
Pek çok soğutma ünitesi incelendiğinde, bunların pek çoğunun enerji israfında olduğu görülmüştür. Tamamen hız kontrollü soğutma sistemleri kurarak, hissedilir bir enerji tasarrufu (% 60 civarı) sağlanabilir. Değişken hız kontrolü dışında aşağıda yazılanlar gereklidir:
Soğutucu nominal verimine (tam yüklü durumda kW/ton) yaklaşım değişmelidir.
ANSI/ASHRAE Standartlarından 90.2-2004 sayılı Konut Amaçlı Alçak Binalarda Enerji Verimliliği standardı ve Kaliforniya yasalarından 24 numaralı yasa ile kısmi yüklü durumda enerji verimliliği rehber alınmalıdır. (Tümleşik Kısmi Yük/ Standart dışı Kısmi Yük)
Performansın sürekli takip edilmesi. Amerikan Yeşil Bina Konseyi?nin "Çevre Tasarımlarında Yeni Konstrüksiyon ve Büyük Yenilikler" değerlendirme sisteminde, performans takibi mecburi olmalıdır ve performans hedefleri belirlenerek belgelendirme yapılmalıdır.
Ölçüm kriteri olarak binlerce BTU?nun birim metrekarede yoğunluğu veya ISK güç yoğunluğunu kullanmak genellikle enerji ekonomisi açısından yanlış bir yönlendirmeye sebep olmaktadır. Gerçek işletme zamanları ve aylık/yıllık ortalama kW/ton değerleri bütün yeni tesislerde göz önüne alınmalıdır.
İletişim ağına taşınmış kontroller. Pek çok mühendis halihazırda sistemlerini eskimiş bir nosyon ve manuel kontrole dayanıklı ünitelerden oluşturmaktadırlar. Bütün ISK elemanları koordine ve bağıl kontrol sistemlerine sahip olmalıdır.
Tasarladıkları soğutma sistemlerinin hedef verimini garanti eden firmalar sadece akış şeması ve besleme suyu sıcaklığını öne sürmeyen övülmelidir. Daha çok firma performans bazlı tasarımlar yapmalıdır. Her bir su soğutmalı soğutucu tasarımcısı yılda 0.5 kW/ton?dan düşük enerji sarfiyatını hedeflemelidir.
Notlar:
1.Veriler tipik operasyon koşullarını temsil eder. Bütün üniteler saygın firmalar tarafından kurulmuştur.
2. Hartman, T. (2007, February). The perfect energy resource. HPAC Engineering, pp. 13, 15
3. Absorpisyonlu soğutucuda 15 kW birincil pompa(5.64 litre/dakika), 30 kW soğutma kulesi fanı, 55kW yoğuşturucu pompası ( 10.4 litre/dakika) ve 75 kW ikincil pompa( 13.6 litre/dakika) vardır.
4.Hartman, T. (2002, April). All-variable speed chilled water distribution systems: Optimizing distribution efficiency. AutomatedBuildings.com. Retrieved from http://www.automated buildings.com
5.Juvenile hall's water-cooled chillers retrofitted with oil-less compressors. (2006, May). HPAC Engineering, pp. 68, 69.
6.Erpelding, B. (2006, March). Ultraefficient all-variable-speed chilled-water plants. HPAC Engineering, pp. 35, 36, 38, 40-43.
7.Kavanaugh, S.P., Lambert, S., & Devin, N. (2006). HVAC power density: An alternate path to efficiency. ASHRAE Journal, 48, 40, 41, 44, 45, 47, 48.
8.Hartman, T. (2000, October). Network based control: An imperative for green office buildings. Paper presented at APEC in Taipei, Taiwan. Available at
www.hartman co.com/pdf/pre15.pdf
Yazan: Ben ERPELDING
San Diego Bölgesel Enerji Ofisi /San Diego, California
Çeviren: Okan YUNUSOĞLU