Birincil / İkincil Çevrimli ve Sadece Birincil Çevrimli Sistemler için Tasarım Kritlerleri
Çoklu chillerli sistemlerde soğutma yükünün ayarlanması hatta chiller eklenmesi veya hattan chiller çıkarılması ile gerçekleştirilir. Hatta çalışan chiller sayısı ise daha önceden ayarlanmış kilowatt maksimum ve kilowatt minimum (her bir chillerin çeşitli soğutma yüklerindeki bireysel elektrik enerji kullanımının, kW/ton olarak değeridir) noktalarına bağlıdır.
Bu kontrol stratejisine ek olarak, chiller evaporatörlerinden geçen kabul edilebilir maksimum ve minimum su debisi gereklilikleri, enerji kullanımının optimize edilebilmesi için; hem değişken debili birincil/ikincil çevrimli sistemlerde (makalenin devamında P/S olarak gösterilecektir) hem de değişken debili sadece birincil çevrimli sistemlerde (makalenin devamında PLOVF olarak gösterilecektir) karşılanmalıdır. Bu şartlar karşılanmadığında, enerji tasarrufu açısından, P/S sistemleri PLOVF sistemlerine göre daha üstündür.
P/S ve PLOVF sistemleri tek çevrimli sistem olarak çalıştıkları sürece, üretilen soğuk su hem tasarım hem de tasarım dışı şartlarda akar ve dağıtım borulama sistemleri eşitlenir. (Şekil 1’de WCPGS = WCPDS) Bu durumda yıllık elektrik enerji tüketimi optimumda ve eşit kalır (İki sistemin de aynı ana parametrelere, eş chiller ve evaporatör dizilişlerine, eş soğuk su pompa gücüne, toplam akışa, hidrolik basınca, değişken frekanslı pompalara vb. sahip olduğu varsayımı ile).
Erişilebilir evaporatör soğuk su debisi devrilme oranı
Bir chiller evaporatörünün seçimi için kullanılan erişilebilir tasarım soğuk su debisi devrilme oranı (WFTDRDEAVL) aşağıdaki gibi bulunur:
WFTDRDEAVL= ΔTDEMAX ÷ ΔTDEDP (1)
ΔTDEMIN≤ΔTDEDP≤ΔTDEMAX (2)
Burada;
ΔTDEMAX= bir chiller için maksimum evaporatör tasarım soğuk su sıcaklık farkı, derece Fahreneit
ΔTDEMIN= bir chiller için minimum evaporatör tasarım soğuk su sıcaklık farkı, derece Fahreneit
ΔTDEDP= dağıtım borulama sistemi tasarım sıcaklık farkı ΔTDEMAX ve ΔTDEMIN arasında seçilir
ΔTDEDP’in büyüklüğü optimize edilmelidir çünkü bu değer chiller’lerin, dağıtım borulama sisteminin ve nihai ünitelerin (örneğin soğutma serpantinleri vb.) kurulum ve işletme maliyetlerini etkilemektedir. Bu optimizasyonun tamamlanmasından sonra ΔTDEDP bulunur ve WFTDRDEAVL değeri Denklem 1’den hesaplanır.
Şekil 2’de P/S ve PLOVF sistemlerinin erişilebilir soğuk su devrilme oranlarının karşılaştırılması görülmektedir. İki çevrimli sistemin birbirinden bağımsız çevrimli düzeni ve eşsiz mimarileri ile P/S sistemleri, erişilebilir evaporatör soğuk su debisi devrilme oranının hepsini kullanabilme yetisine sahiptirler. Diğer yandan, bir PLOVF sistemi, kendine özgü mimarisi ve üretim ve dağıtım borulama sistemi sonucu, akışlarının birbirine sağlam bağımlılığı ile erişilebilir evaporatör soğuk su devrilme oranının tamamından biraz azının kullanma yetisine sahiptir. Şekil 2’de (F1HL ve F1LL için iş güvenliği faktörlerini de içeren) PLOFV sisteminin yüksek ve düşük chiller evaporatör akışlarından ya da hattan zamansız chiller/yardımcı eleman devreye alınması/devreden çıkarılması durumlarından korunmak için önerilen parametreler özetlenmiştir.
Sonuç olarak, PLOFV sistemi için erişilebilir soğuk su debisi devrilme oranı (WFTDRAVLP), (Şekil 2’de gösterilen ve sistem su debisinin kontrol edilebildiği aralığı temsil eden), P/S sisteminin erişilebilir soğuk su debisi devrilme oranını (WFTDRAVLP/S), tüm sistemin işletim güvenlik faktörü (OSOSF) (0,82-0,9) ile çarpılarak azaltılmalıdır. Yani:
WFTDRAVLP/S = WFTDRDEAVL
WFTDRAVLPLOVF= (0,82’den 0,9’a) x WFTDRDEAVL
Gerekli evaporatör soğuk su debisi devrilme oranı
Bir chiller sistemi uygulaması için P/S veya PLOVF sistemlerinden birinin seçilmesi için önemli olan diğer bir parametre gerekli evaporatör soğuk su debisi devrilme oranıdır (WFTDRREQ). Bir chiller uygulamasının WFTDRREQdeğeri P/S ve PLOVF sistemleri için aşağıdaki denklem ile hesaplanabilir. Bu denklem gerçek koşullarda, chiller sisteminin bağıl soğuk su debisi değişiminin bağıl sistem soğutma yükü ile doğru orantılı olduğu kabulüne dayanmaktadır. W≈Q
WFTDRREQ= (CPDCL ÷ CPCLMFC) x SCSCF (3)
Burada:
CPDCL = chiller tasarım soğutma yükü, ton
CPCLMFC = chiller sisteminin mekanik soğutma sezonu sonunda veya çeşitli kontrol stratejilerinin uygulamaya geçirilmesi durumundaki (ayarlanmış soğuk su sıcaklık kontrolü) soğutma yükü, ton
SCSCF = sistem kontrol stratejisi düzeltme faktörü, 1’e eşit veya 1’den az. Chiller sisteminde ayarlanmış soğuk su sıcaklık kontrolü veya yardımcı ünitelerde değişken hava debisi vb. kullanmayan sistemlerde SCSCF değeri 1’dir. Aksi durumda SCSCF değeri 1’den daha azdır.
Ayarlanmış sıcaklık kontrolü ve chiller sistemi soğuk su devrilme oranı
Şekil 3’te ayarlı soğuk su sıcaklık kontrol stratejisinin etkileri gösterilmektedir. Bu analiz tasarım yükü 28,5 ton olan soğutma serpantini ile yapılmıştır (ideal temizlikteki ısı değiştiricisi koşullarında tutulduğu varsayımı yapılarak). Klima santralleri sabit debili olarak çalıştırılmış, mekanik soğutma yükü ise 2,9 ton olarak kabul edilmiştir. En üstteki grafik, soğuk su besleme sıcaklığına bağlı olan 4 opsiyonel kontrol stratejisini göstermektedir.
Opsiyon 1’de sistemin tüm çalışma saatleri boyunca sabit bağıl soğuk su sıcaklığı = 1’dir (T1 = 40˚F). (bağıl parametreler üzeri çizilmiş olarak gösterilmiştir). Opsiyon 2, tasarım koşullarındaki bağıl soğutma yükü = 1’deki bağıl soğuk su sıcaklığını T1 = 40˚F’tan (=1), bağıl soğutma yükü =0,1’deki T1 = 47,5 ˚F’a (=1,19) ayarlar.
Opsiyon 3 ve 4, Opsiyon 1 ve 2’nin bir kombinasyonudur. Opsiyon 3, tasarım soğuk su sıcaklığını, değeri 0,52’ye düşünceye kadar 40˚F’ta tutar (=1). Akabinde, bağıl soğuk su sıcaklığını, = 0,1’de kademe kademe 47,5˚F’a (=1,19) ayarlar. Opsiyon 4 ise tasarım soğuk su sıcaklığını, değeri 0,29’a düşünceye kadar 40˚F’ta tutar (=1). Akabinde, bağıl soğuk su sıcaklığını, = 0,1’de kademe kademe 47,5˚F’a (=1,19) ayarlar.
Şekil 3’te bulunan ortadaki grafik, üstteki grafikte gösterilen kontrol stratejileri ile bağıntılı bağıl sıcaklık aralık değişimlerini göstermektedir. Opsiyon 1 için bağıl sıcaklık farkı (),= 1’de = 1’den; = 1,25’e (veya 1,25 in katlarına) çıkarken , tasarım değeri olan 1’den 0,1’e düşer. değeri Opsiyon 2, 3 ve 4 için, tasarım yükü = 1 iken 1’den, 0,2’ye; =0,1’de 5’in katında azalır.
Şekil 3’teki en alttaki grafik bağıl soğuk su debisinin () bağıl soğutma yükünün fonksiyonu olarak göstermektedir. Opsiyon 1 soğuk su sıcaklık kontrol stratejisi altında, değeri 1’den 0,08’e düşerken, tasarım koşullarındaki = 1’den 0,1 değerine düşer. Aynı zamanda 2, 3 ve 4 opsiyonları tasarım şartlarında 1 olan değeri mekanik soğutma sezonu sonunda 0,5 değerine düşer.
Böylece Şekil 3, ayarlanmış soğuk su sıcaklık kontrolünün, WFTDRREQüzerindeki etkisinin önemine değinmiştir. Göz önüne alınan şartlarda, değiştirilmeyen soğuk su sıcaklığı T1=40°F (Opsiyon 1) bağıl soğuk su debisinin 1’den 0,08’e düşmesine (WFTDRREQ = 12,5 değerine gelmesine) sebep olurken, değeri 1 ile 0,1 arasında dalgalanır. Opsiyon 2 ise, değerinin 1’den 0,5 değerine gelmesine sebep olur (WFTDRREQ=2).
Opsiyon 3 altında, = 0,52’de iken değeri 1’den 0,47’ye (WFTDRREQ=2,1) ve daha sonra = 0,1’de iken değeri 0,5’e çıkar (WFTDRREQ=2). Son olarak Opsiyon 4 altında, W değeri =1’den =0,24’e (WFTDRREQ=4,2) ve daha sonra bu değer =0,5’e yükselir (WFTDRREQ=2). Sistemin WFTDRREQdeğerinin yakalanabilmesi için Opsiyon 3 ve 4’e ait olan devrilme değerleri arasından yüksek olanın seçilmesi gereklidir.
Chiller santrali gerekli olan chiller sayısı
Chiller santrali elektrik enerjisi kullanımının optimize edilebilmesi için, verilen bir chiller soğutma yükü güvenlik faktöründeki tüm chiller santralinin soğutma yükünü paylaşan chiller sayısının seçimi; hem P/S hem de PLOVF sistemlerinde, WFTDAVL’yi WFTDRREQ’e eşit veya WFTDRREQ’ten yüksek yapma amacını gütmelidir.
Santralin optimum işletimi için gerekli olan chiller sayısı aşağıdaki denklemden hesaplanabilir:
NREQ= (WFTDRREQ ÷ WFTDRAVL) x CPLSF (4)
burada:
WFTDRAVL=P/S ve PLOVF sistemli chiller santrallerinin erişilebilir soğuk su devrilme oranı.
WFTDRREQ= P/S ve PLOVF sistemli chiller santrallerinin gerekli soğuk su devrilme oranı.
CPLSF = chiller santrali yük güvenlik faktörü
Santraldeki kurulu chiller sayısı (NI), NREQ değerinden az ise; WFTDRREQ, WFTDRAVLP/S&PLOVF değerinden büyüktür. Bu da P/S sisteminin enerji tasarrufu bakış açısı ile PLOVF sistemine göre daha üstün olduğunu gösterir. NI değeri NREQ değerine eşit veya NREQdeğerinden büyük ise, WFTDRREQ değeri, WFTDRAVLP/S&PLOVFdeğerinden az ya da bu değere eşittir. Bu durumda da P/S ve PLOVF sistemleri eş miktarda enerji verimlidir.
Paralel ve Seri Bağlı Chiller Evaporatörleri
P/S ve PLOVF sistemleri chiller santrallerinin paralel ve seri bağlı evaporatör dizilişlerinin şematik görünüşü Şekil 1’de verilmiştir. Paralel evaporatör dizilişli soğuk su sistemleri daha fazla yaygındır (Şekil 1A). Chiller santralinin yükü ve bağıl su debisi (÷2) hattaki chiller sayısı ile paylaşılır. Paralel chiller bağlantısı işletim ve bakım açısından basittir.
Evaporatörleri seri bağlı olan chiller sistemlerinde bağlantılar genellikle siparişe dayalı uygulamalar ile yapılırlar. Benzer bir seri bağlama, P/S, PLOVF ve değişken hızlı pompa kontrol sistemlerinde eş şekilde uygulanabilirdir. Seri chiller bağlantı dizilişi (hem paralel hem de seri chiller dizilişlerinde özdeş chillerlerin çalıştırıldığı kabulü yapıldığında) evaporatör tarafında önemli ölçüde basınç düşüşüne neden olur (bunun sebebi tasarım koşullarındaki chillerin bağıl su debisindeki iki katı artıştır). Bu sefer, seri dizilişteki basınç düşüşü (Şekil 1B), paralel dizilişteki basınç düşüşünden (Şekil 1A) 8 kat daha yüksek olacaktır.
Seri diziliş işletim açısından daha az güvenilirdir ve soğutma yükünü ayarlamak için hatta bir chillerin devreye alınması ya da devreden çıkarılması ya da hatta arızalanan bir chillerin izole edilmesi için ek olarak elektrikle çalışan kontrol vanalarının kullanımını gerektirir (Şekil 1B). Seri chiller dizilişi ayarlanmış soğuk su sıcaklık kontrol stratejisini uygulamayı daha zor kılacaktır. Bu zorluk P/S sisteminde dahi Chiller 1’den çıkan ve Chiller 2’ye giren su sıcaklığı gibi ek değişken parametrelerin dahil olması sebebiyle zor olacaktır (Şekil 1B’deki TINT).
Tüm evaporatör dizilişlerinde, ister paralel ister seri olsun, özdeş ve eş sayılı ve de benzer yük paylaşım stratejileri kullanıldığında soğuk su devrilme oranı aynı olacaktır.
Chillerlerin Nitelendirilmesi
Tablo 1 ve Tablo 2 P/S ve PLOVF sistemleri için gerekli olan chiller miktarlarının karşılaştırmalı analizini göstermektedir. Bu tablolardaki veriler dağıtım borulama sistemi için iki değerler bütününe bağımlıdır: ΔTDEDP = 15°F (Tablo 1) ve ΔTDEDP = 10°F (Tablo 2). ΔTDEDPdeğerinin gerekli olan chiller sayısı üzerindeki etkisinin analiz edilebilmesi için, soğutma serpantini parametrelerinin değişmediği kabulü yapılmıştır. Her bir tablo 0,9 (Opsiyon 1A) ve 0,82 (Opsiyon 2A) OSOSFV değerlerine göre opsiyonları içermektedir. Denklem 4’ün kullanılmasıyla gerekli olan chiller sayısı hesaplanarak mekanik soğutma sezonunu dekuplaj borulama sisteminden su akışı olmadan geçirebilmek için gerekli olan şartlar bulunur. Şekil 3’te dört kontrol stratejisi özetlenmişti. Tablo 1’de gösterilen opsiyon 1 şartları altındaki bir P/S sistemi dokuz adet 67 tonluk chiller kurulumunu gerektirmektedir (ayarlanmış soğuk su sıcaklık kontrolü kullanılmadan). Aynı opsiyonlara sahip olan bir PLOVF sistemi 10 adet 60 tonluk (Opsiyon 1A) veya 11 adet 55 tonluk (Opsiyon 1B) chiller kurulumu gerektirir. Sonuç olarak, verilen şartların karşılanması için PLOVF sistemi daha fazla sayıda chiller kullanacaktır. Tablo 1, Opsiyon 2 altında çalışan bir P/S sistemindeki (tüm soğutma sezonu boyunca ayarlanmış su sıcaklığı kontrolünün sürekli olarak kullanıldığı varsayımı ile) kurulması gereken chiller sayısının (NI) iki adet 300 tonluk chillere kadar indirilebileceğini göstermektedir. Opsiyon 3 ve 4 altında çalışan bir P/S sistemi için kurulması gereken chiller sayısı (tasarım dışı şartlarda ayarlanmış su sıcaklığı kontrolünün kullanıldığı varsayımı ile) iki adet 300 tonluk (Opsiyon 3 için) veya üç adet 200 tonluk (Opsiyon 4 için) chillere kadar azaltılabilir.
Tablo 2 ΔTDEDP= 10 °F olan sistem için gerekli olan chiller sayısının, ΔTDEDP = 15 °F yapıldığında 1,5 kat azaltılabileceğini göstermektedir. Bunun sebebi Denklem 1 vasıtası ile hesaplanan WFTDRAVL değerinin daha yüksek olmasıdır. Hâlâ, Opsiyon 2, 3 ve 4 altında çalışan P/S sistemi için gerekli olan chiller sayısı, PLOVF sistemi için gerekli olan chiller sayısından önemli miktarda daha az kalmaktadır.
Gerçek şartlar göze alındığında P/S ve PLOVF sistemli kurulumlarda chiller sayısının 9 veya 10’a (Tablo 1); ya da 6 veya 7’ye (Tablo 2) çıkarılma ihtimali yoktur (modüler chillerler hariç tutulduğunda) çünkü çoklu chiller sistemlerinin ve onların yan ekipmanlarının (kondenser pompası, soğutma kuleleri gibi) ek maliyetleri yüksektir. Bu yüzden de, söz konusu sistem için 2 adet 300 tonluk chillerin seçilme ihtimali en yüksektir. Bu durum, hem P/S hem de PLOVF için, NI değeri NREQdeğerinden az olduğu ve WFTDRREQ değeri WFTDRAVLdeğerinden fazla olduğu şartlar ile aynıdır. Bu senaryolar geçerli olduğunda, bir P/S sistemli chiller santrali bir PLOVF sistemli chiller santraline göre, daha düşük yıllık elektrik enerjisi kullanımı sağlayacaktır. Ek bir fayda olarak, bir P/S sisteminin iki chillerden tek chillere geçiş ya da tek chillerden iki chillere geçiş sayısında; OSOSF değeri 0,9 ve 0,82 olan PLOVF sisteminden sırası ile % 10 ve % 18 daha azalma sağlayacaktır. Bu çalışma, P/S ve PLOVF sistemlerinin, paralel ve seri dizilişlerde ve temelde tek devreli sistem olarak çalışarak enerji israfı yapmadan çalışabilmesi için gerekli olan tasarım kriterlerini belirtmektedir. Hem P/S hem de PLOVF sistemleri bu şekilde çalıştığı sürece (iki tip sistemin de aynı ana parametrelere, eş chiller ve evaporatör dizilişlerine, eşit tasarım soğuk su pompa gücüne, toplam akışa, hidrolik yük basınca, değişken frekanslı sürücülere vb. sahip oldukları varsayımı yapılarak) yıllık elektrik enerjisi kullanımları en uygun ve eşit olacaktır. Makaledeki diğer bulgular aşağıdaki gibi sıralanmıştır:
· Mevcut mühendislik uygulamaları ile kıyaslandığında, P/S ve PLOVF sistemlerinde; yukarıda bahsi geçen şartların sağlanması için düşük tasarım soğutma kapasiteli daha fazla sayıda chiller kullanılması gereksinimi modüler chiller kullanımını ortaya çıkarabilir.
· Gerekli soğuk su devrilme oranının seçilmesi prosedürü P/S ve PLOVF sistemli chiller santralleri için elektrik enerji tüketiminin optimizasyonu için sunulmuştur.
· P/S ve PLOVF sistemleri için gerekli olan chiller sayısının seçimi, gerekli soğuk su devrilme oranının ulaşılabilir oran ile eşleşmesi için borulama sisteminin optimum sıcaklık aralığı ve chiller santrali yük güvenlik faktörü baz alınarak bulunur.
· P/S sistemlerindeki kontrol edilebilir su debisi aralığının daha yüksek olması ve ayarlanmış soğuk su sıcaklığı kontrol stratejisi sayesinde; PLOVF sistemine nazaran, bir P/S sistemi daha az sayıda chiller gerektirir.
· Bir PLOVF sisteminde, bir P/S sistemine nazaran (iki sistem tipinde de eş sayıda chiller ve chiller kapasitesi olduğu varsayımı ile) erişilebilir soğuk su devrilme oranı daha düşük olacağı için çalışır durumda olan chillerlerin ve ilgili yardımcı elemanların sayısının değişimi çok daha sık olacaktır.
· Benzer prosedürler ve tasarım kriterleri, erişilebilir ve gerekli sıcak su kazan santrali devrilme oranının ve gerekli olan sıcak su kazanı sayısının bulunması için P/S ve PLOVF sistemi olan sıcak su kazan santrallerinde kullanılabilir.