Bu incelememizde Amerikan Soğutma Enstitüsü’nün (American Refrigeration Institute- ARI) su soğutmalı soğutucular (chiller) için düzenlediği ARI 550/590-98 standardındaki Tümleşik Kısmi Yük Değeri-TKYD (Integrated Part Load Value- IPLV)formülünü irdeleyecek ve buna bağlı olarak su soğutma tesislerinin kontrolünde oldukça karmaşık süreçleri içeren çoklu su soğutuculu tesislerin kontrolünü tartışacağız. TKYD formülü, ARI Standart Değerlendirme Puanı’nda öngörülen su soğutucu verimliliğinin hesaplanmasında kullanılır. Bu verimlilik puanına göre, standardın belirttiği ortalama ölçütlere (kriter) dayanarak su soğutucunun kısmi yük koşullarında nasıl çalışacağı ön görülür.
TKYD formülü, coğrafi bölgeler ve bina tipleri gibi gerçek saha çalışmaları koşullarının daha doğru temsil edilmesi için tasarlanmıştı. Fakat, formüldeki bir çok varsayım her hangi belirli bir su soğutucu kurulumuna tam olarak uymadığı için gerçek bir soğutucu sistemi benzeştirmek için hala en doğru yol değil. Hatta, ASHRAE (Amerikan Isıtma-Soğutma ve Hava Koşullandırma Mühendisleri Birliği- American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) dergisinde yayınlanan, ARI Standart 550/590-98 resmi raporda şunlar belirtiliyor:
“TKYD ortalama tek bir soğutucu uygulamasını temsil ettiği için belirli bir işteki kurulumun temsilcisi olamaz. En iyisi, soğutucu tesisatı verimini hesaplarken, gerçek hava verilerini, bina yük özelliklerini, su soğutucu sayısını, çalışma saatlerini, ekonomizer kapasitesini ve pompa ve soğutma kuleleri gibi yardımcı donanımdan çekilen enerjiyi yansıtan kapsamlı bir analiz kullanmaktır”.
Su soğutucuların %86’sının çoklu tip olarak tasarlandığı tahmin ediliyor. Bu nedenle ve özellikle birçok mühendisin, sistemde birden çok makine olmasına rağmen, sadece tek bir makine olduğunu kabul ederek değerlendirdiği için tipik su soğutucu sistemlerinin bir bütün olarak nasıl çalışacağını anlamak önemlidir. Soğutucular bir sisteme yerleştirildiklerinde, tekli bir soğutucu uygulamasına göre çok farklı çalışırlar. Bu incelemede çoklu soğutucu sistemlerin nasıl çalıştığını ve nasıl kontrol edildiğini açıklanacaktır.
Binanın yük koşullarını sürdürmek için çoklu soğutucu kullanırken, devamlı değişen bina gereksinimlerini karşılamak için uygun kontrollerin sağlanması kritik öneme sahiptir. İlk adım, binanın yük gereksinimlerini karşılamak için ihtiyaç duyulan su soğutma sisteminin tipini belirlemektir. İkinci adım, sistemi denetlemek ve işletmesini en iyi şekilde uygulamak için buna uygun bir su soğutma kontrol sistemi sağlamaktır. Tesisin bütün bileşenleri dikkate alınmalıdır; soğutma kuleleri, pompalar, değişken frekans sürücüleri- DFS (variable frequency drives- VFD), ısı değişitiricileri (heat exchanger) ve binanın hava işleyicilerinde (air handler) kullanılan kontrol vanaları gibi.
Su Soğutma Sistemleri 2 Soğutucu Eşit Kapasite
Bu tartışmanın kapsamında iki tip alışılmış su soğutma uygulaması inceleyeceğiz.
Önce eşit kapasitede iki soğutucu kullanılan bir uygulamayı inceleyelim. Bu uygulamada, her makine, %100 kapasiteyle çalışırken toplam bina yükünün %50’sini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarımda birincil ve ikincil hidronik ayırıcılı (hydronic decoupler) soğuk su döngüsü vardır. Sistemin besleme ve dönüşü boyunca fark basıncını koruyabilmek için, ikincil soğuk su pompaları DFS ile donatılmış ve yük tarafında iki-yollu kontrol vanaları kullanılmıştır. Şekil 1’de bu sistemin şematik gösterimi verilmiştir.
Bina yükü soğutma ihtiyacını gösterdiğinde, sistem kontrolörü önce bir soğutucuyu kullanır, buna öncü soğutucu diyoruz. Bu soğutucunun, ikinci –veya gecikmeli- makineyi çalıştırmadan önce besleme suyunu soğutmasına izin veren bir çekmeli zamanlayıcı (pulldown timer) programı vardır. Öncü soğutucu, yükün gereksinimlerini karşılamak için üretimini artırmaya devam eder. Tam kapasiteye ulaşırken ve bina yükünün yaklaşık %50’sini karşılarken (sistemin su besleme ısısı, dönüş suyu ısısı, delta ısısı veya kW yüzdesine dayanarak), su soğutucu kontrol sistemi öncü soğutucuyu yavaşlatır ve gecikmeli soğutucuyu çalıştırır. Gecikmeli soğutucuyu çalıştırmadan önce öncü soğutucunun yavaşlatılması bir soğutucu tam kapasite çalışırken diğeri çalıştırıldığında oluşabilecek talep giderlerinden kaçınmaya yardım ediyor. Bu noktadan sonra, eğer bina yükü artarsa, bina talebini karşılamak için, iki soğutucu birlikte bir sistem olarak üretimlerini artırıyorlar. Gecikmeli soğutucunun ne zaman durdurulacağına ilişkin bir yük tahmini hesaplaması da sistem kontrolüne dahil edilmiştir. Bu kontrol, mevcut soğutucu kapasitesini, durdurulacak olan gecikmeli soğutucunun kapasitesini ve kısa çevrimi önlemek için ayarlı ölübantı baz alarak, düşük bir soğutma kapasitesi kW ayar noktası hesaplar.
Su soğutucu kontrol sistemi, soğutuculara ek olarak, soğuk su pompaları (birincil ve ikincil), yoğuşturucu (kondenser) su pompaları, soğutma kuleleri fanları ve yan geçiş (by pass) vanası ve DFS’ler gibi sistemdeki diğer aygıtları da kontrol etmek zorundadır.
Öncü yoğuşturucu su pompalarının (Bakınız Şekil 1) tipik kontrolü aşağıdaki gibidir: Öncü yoğuşturucu su pompası soğutma için bir çağrı geldiğinde çalışmaya başlar. Bina yükü arttıkça ve soğutma için ek çağrı varsa, gecikmeli pompa devreye sokulur. Genel uygulamada, öncü veya gecikmeli pompalardan birinin arıza yapmasına karşı yedek bir yoğuşturucu su pompası bulundurulur.
Şekil 1’e bakarak, bina yükünün soğutma bataryalarında ikiyollu vanalar olduğunu varsayalım. İkincil su sisteminde kabul edilebilir bir basınç farkını sürdürebilmek için, her ikincil su pompası için değişken hız sürücüleri vardır. Pompaların hızı, bu sistemin su basınç farkını sürdürebilmesi için döngünün sonunda yer alan aktarıcıların (transmitter) algılayışına uygun olarak kontrol edilir. Sistem çalışırken öncü pompa etkinleştirilir. Bu pompa, sistemin talebine göre çalışmasını tam kapasiteye kadar çıkartır. Bu pompa tam çıkış hızına ulaştıktan bir süre sonra, gecikmeli pompa devreye girer. İkincil pompa çıkış hızını arttırır ve sistem basınç farkını sürdürebilmek için öncü pompayı izler.
3 Soğutuculu Sistem İkisi Eşit Biri Düşük Kapasiteli
Şimdi, iki eş kapasiteye sahip olan su soğutucu ile daha düşük kapasiteli üçüncü bir soğutucunun bulunduğu sistemi değerlendirelim.
İki büyük makinenin her biri, toplam bina yükünün %40’ını karşılayacak kapasitede olsun. Üçüncü, daha küçük makine ise kalan %20’yi karşılayacak boyuttadır ve öncü soğutucu olarak kullanılır (Bakınız Şekil 2).
Bina yükü soğutma için gereksinim gösteriyorsa, en düşük kapasiteli soğutucu devreye girer. Bina yükü, toplam bina yükünün %20’sinin üstüne çıkınca, ilk gecikmeli makine çalışmaya başlar. Bu makine gücünü arttırdıkça, öncü makine (en düşük kapasiteli olan) devreden çıkar.
Eğer yük toplam bina yükünün %40’ını geçerse, ikinci gecikmeli makine devreye girer. Öncü makine, gecikmeli makineyle bağlantılı olarak yavaşlar ve hızlanır. Binanın yükü toplam bina yükünün %80’ini aşarsa, öncü makine bina yük gereksinimini karşılamak üzere tekrar devreye girer.
Yoğuşturucu Suyu ve Kontrolleri
Yoğuşturucu (kondenser) suyu sistemi buharlaştırıcı (evaporatör veya soğutucu) sisteminden birkaç şekilde farklıdır. Yoğuşturucu bir açıkdöngülü sistemdir, buharlaştırıcı ise kapalı döngülüdür. Ek olarak yoğuşturucu sistem tipik sabit akışlı, soğutucu döngüsü ise değişken akışlı olabilir. Buharlaştırıcı sistem tipik olarak şöyle çalışır: su soğutucu, yoğuşturucu pompası ve soğutma kulesinin devreye girmesini talep eder. Su soğutucu eğer bir kesme vanası ile donatılmışsa, musluğun konumu pompayı çalıştırmaya başlatmadan önce (açık/ kapalı) belirlenmelidir.
Akış başlarsa ve bu akış basınç farkı (veya akış) anahtarı ile doğrulanırsa ve diğer bütün güvenlik koşulları sağlanıyorsa su soğutucu çalışmaya başlar. Su soğutucu yüklenirken, soğutma devresinin ısısı soğutma kulesine alınır. Su ısısı artmaya devam ettikçe, arzu edilen ısı ayarını sürdürebilmek için soğutma kulesi fanları devreye girer.
Yoğuşturucu suyu ısısı düştükçe, soğutucunun işi azalır ve bu nedenle enerji kullanımı düşer, verimlilik artar. Genel kural şudur: yoğuşturucu suyu ısısının her bir derece düşüşünde, soğutucu verimliliği %2 artacaktır. Yoğuşturucu suyu ısısını düşürürken asgari “kaldırma” (lift) sürdürülmelidir. Kaldırma, kompresörün sıkıştırması sonucu soğutkanın soğutucudan (cooler) yoğuşturucuya akması için gerekli basınç farkı miktarıdır. Yetersiz kaldırma soğutkanın soğutucuda ”yığılması” (stacking up) ile sonuçlanır; aşırı kaldırma kompresörün “kazıklaması”na neden olur. Kazıklama bir santrifüj kompresörün bastığı soğutkan momentumunun ısıl basıncı yenecek yeterlilikte olmaması ile gerçekleşen durumdur. Bu durumda basınç gereksinimleri azalana kadar bir süre akış yönü tersine döner.
Soğutma kulesinin alabileceği ısı miktarı açısından sınırlıdır. Bu miktar, soğutma kulesinin tasarımına ve yaş termometre (YT) sıcaklığına bağlıdır. Bir su soğutma kulesi ya da buharlaşmalı yoğuşturucuda, cihazdan çıkan dolaşım suyu sıcaklığı ile giren havanın yaş termometre sıcaklığı arasındaki farka soğutma kulesinin “yaklaşımı” denir. Tipik olarak, soğutma kuleleri suyunun sıcaklığını yaklaşık 3,5 – 4 K (YT) kadar düşürür. Verimliliği en yüksek seviyeye çıkarmak ve yoğuşturucu sistemin toplu enerji maliyetini düşürmek için aşağıdaki adımlar atılmalıdır:
• Su soğutucunun kaldırma koşulları belirlenir. Bu belirleme su soğutucunun çalışabileceği en düşük yoğuşturucu suyu ısısını gösterir.
• Soğutma kulesi tasarımı ve yaklaşımı belirlenir. Yeni bir kurulumda yaklaşım etkenini azaltmak için daha geniş bir kule seçilmesine ve/veya akışın artırılmasına dikkat edilmelidir.
• Soğutma kulesi ve fanları hesaplamak ve kontrol etmek için doğrudan dijital kontrol- DDK (direct digital control- DDC) sistemi kurulmalıdır.