Header Reklam

Büyük Merkezi Klima Santral Tasarımları için ECM Motorları

14 Ekim 2016 Dergi: Ekim-2016

Yazan: Gary Hamilton P.E.
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Tarih boyunca düşük yüklü konut alanlarında kullanılan ECM teknolojisi (Elektronik Komütasyonlu Motorlar), mühendisler arasında artan farkındalık ve son dönemdeki gelişmeler sayesinde sıçrama yapmıştır. Temel prensiplerle başlayın, avantaj ve dikkat edilmesi gereken noktalara geçin ve ECM tasarımlarının hava hareketinin ekonomisini nasıl şekillendirebileceğini düşünün.

ABD Enerji Bakanlığına göre, evlerdeki ve ticari binalardaki motorlar bu binalarda kullanılan tüm elektriğin üçte birinden fazlasını tüketmektedir. Ticari ve endüstriyel sistemlerde kullanılan enerjinin yüzde altmış beşi santrifüjlü pompaları ve fanları çalıştıran elektrik motorlarını beslemeye gitmektedir.

Bu durum, motoru, HVAC sistemlerinin en önemli parçası haline getirmektedir. HVAC sisteminin etkinliği ve güvenilirliği tüm pompa ve fanların başlıca yapı taşı olan motorun performansına bağlıdır.

Elektrik motorları nedir?

Elektrik motorları, mili döndürmek için gereken kuvveti üretmek için elektromanyetiğin ilkelerini kullanmaktadır. Akım tel bobininden geçtiğinde, manyetik alan bobin düzlemine dik olarak indüklenir. Elektrik akımı tarafından üretilen manyetik alan elektromıknatıs olarak adlandırılır. Tel, demir içeren bir metale sarıldığı zaman akım döngüsü sonucu oluşan bu manyetik etki genişler. Manyetik kuzey kutbu manyetik güney kutbunu çeker ve manyetik kuzey kutbunu iter. Bu çekici ve itici güçler, mil üzerinde torku veya döndürücü kuvveti üretmek için elektrik motor içerisinde kullanılır.

HVAC sistemindeki en yaygın iki motor, endüksiyon motoru ve senkronize motordur. Endüksiyon motorları,  gerilim rotora indüklendiği için bu şekilde anılırlar (yani fırçaya gerek kalmaz), fakat bunun gerçekleşmesi için, indüklenen gerilimin varlığına izin verilmesi adına rotor manyetik alandan daha düşük bir hızda dönmelidir. Motor ve manyetik alan arasındaki bu fark ‘kayma’ olarak bilinir. (Kayma: senkron hızı ve gerçek rotor hızı arasındaki fark.) Bu tip motorların en yaygın olanı sincap kafesli motorlardır. Endüksiyon motorları düşük yatırım maliyeti ve yüksek güvenilirliklerinden dolayı HVAC sistemlerinde en yaygın olanlardır.

Senkronize motorlar, rotorun statörde dönen manyetik alanla aynı hizaya gelmeye çalışmasından dolayı bu şekilde anılır. Endüksiyon motorunun statörüne, fakat DC motorun rotoruna sahiptirler. Bu iki motor arasındaki fark, senkronize motorun hat frekansıyla tamamen eş zamanlı dönmesidir. Bu motor, rotorun manyetik alanını oluşturabilmek için endüksiyon akımına bağımlı değildir. Bu tip motorlar yüksek hassasiyete sahip sabit hızın gerektiği ekipman ve aletlerde kullanılmaktadır.

ECM motorları

Motor teknolojilerindeki son gelişmeler ve ilerlemeler, HVAC endüstrisine değişken frekans sürücüleri (VFD) ile kullanıldığında bile endüksiyon motorlarından daha verimli olan bir motoru tanıştırdı. Bu motorlar “Elektronik Komütasyonlu Motorlar” (ECM) olarak bilinmektedir. ECM motorları daha öncesinde mikroişlemciler tarafından elektronik olarak kontrol edilen entegre kontrol motorları (ICM) olarak adlandırılmaktaydı.

Kontrol modülü ECM motorun beynidir. Motorun iç elektroniğini çalıştırabilmek için kontrol cihazı, AC gücünü DC gücüne dönüştürür ve bu sayede motorun DC motor gibi hareket etmesine izin verilir. Kontrol modülündeki mikroişlemci, motoru sürebilmek için DC gücünü 3 fazlı sinyale çevirmeye programlanmıştır ki bu da motoru 3 fazlı motor yapmaktadır. Ayrıca (RPM bazında hızı kontrol eden) frekansı ve motora ilettiği torkun miktarını (akım / güç) kontrol etmek gibi ek bir özelliği vardır.

ECM motorlarının avantajları

ECM motorlarının endüksiyon motorlarına kıyasla birçok avantajı bulunmaktadır. Bu avantajlardan en göze çarpanı ise daha verimli çalışma sağlamasıdır; endüksiyon motorlarına nazaran yaklaşık % 50 daha verimlidir. Motor işleyişi mikroişlemci tarafından yönetildiği için, çalışma aralığı ve hassasiyeti bakımından önemli avantajlar sunmaktadır. Bu sebeple, ECM motor dış sensör ve kontrol aygıtları olmadan kendi hızını ve güç çıkışını ölçüp ayarlayabilmektedir. Mikroişlemci, ECM motordaki manyetik alanı hassas bir şekilde kontrol edebilmektedir ve bu yüzden asenkron endüksiyon motorlarının aksine her zaman eşzamanlıdır. Bu gecikme sebebiyle endüksiyon motorlarının yaşadığı ısı kaybının aksine, ECM neredeyse sıfır ısı kaybı ile çalışmaktadır.

Endüksiyon motorundaki değişken frekans sürücüsü nedir?

Geleneksel bir fan grubunda, endüksiyon motorunun değişken frekans sürücüleri ile birlikte kullanıldığı sistemin, klima santrali tasarımındaki en enerji verimli sistem olduğuna dair tartışmalar sürmektedir. Bu fan / VFD düzeneği fanın çalışma esnasında olabilecek en tasarruflu biçimde performans gösterdiğinden emin olmanın en iyi yolu olarak görülmektedir. Fakat endüksiyon motorlarının tek voltajda, yükte ve hızda, genellikle kendisinin nominal yük ve hızında, maksimum verimlilik sağlamak için tasarlandığının altını çizmek gerekir. Motor çalışma noktasını bu noktadan uzaklaştırmak, motorun verimliliğini % 55-65’ten muhtemelen % 12-18’lere kadar düşürecektir. Bir endüksyon motorunun düşük hızda çalışırken, nominal çalışma noktasında tükettiği kadar enerji tüketmesi normaldir. Bu yüzden motorun enerji tüketiminin istenilen seviyeye çekilmesi, motora bağlanan bir değişken frekans sürücüsü vasıtasıyla yapılır.

HVAC endüstrisinde ECM motorları nerelerde yaygın olarak kullanılır?

ECM motorları ağırlıklı olarak konut bazındaki HVAC endüstrisinde kullanılmaktadır. Bunlar modülasyonlu ocaklar ve kazanlar, kondenser üniteleri, ısı pompaları, soğutma kuleleri, jeotermal ısı pompaları, fan-coil üniteleri ve fanlı VAV kutuları için motorlarda kullanılmaktadırlar. Düşük beygirgücü ile çalışan çoğu HVAC sistemlerinde kullanılmaktadırlar.

Klima santrallerinde ECM motorları

Klima santralleri, HVAC endüstrisindeki en yaygın hava dağıtım sistemidir. Şekil 1, soğutma ve havalandırmanın ticari binalardaki enerji kullanımının % 35’inden sorumlu olduğunu göstermektedir. Bu sebeple endüstri, klima santralleri tarafından kullanılan enerjiyi azaltacak teknolojiler kullanarak bu % 35’i azaltmaya odaklanmalıdır. Ticari endüstrideki tipik bir klima santrali şu parçalardan oluşmaktadır: ön filtre ve son filtre, nemlendirici, ısıtma serpantini, soğutma serpantini, besleme ve dönüş fanları. Fanlar klima santrallerinin beygiridir ve kendi başlarına havanın bina içerisindeki her hava dağıtım terminaline iletilmesinden sorumludurlar. Fanlar ne kadar verimli olursa, işleme üniteleri de (dolayısıyla binadaki genel HVAC sistemi) o kadar enerji tasarrufu sağlar.

 

Klima santrallerinde kullanılan birçok çeşit fan vardır, fakat en yaygın olanları; kanatlı, plug, plenum ve radyal fanlardır. Fan verimliliği son on yılda önemli ölçüde artmasına rağmen, söz konusu verimlilik olduğunda fan teknolojisinde gelişime her zaman yer vardır.

Son beş yılda ECM teknolojisindeki gelişmeler, klima santrallerindeki fanlarda ECM motorlarının kullanımını artırdı. Geçmişte ECM motorlar çoğunlukla 2,000 cfm altındaki küçük üniteler için kullanılmaktaydı. Fakat günümüzde, klima santrallerinde fan gruplarınının kullanımının artmasıyla, büyük paket klima santrallerinde bile ECM motorlarının kullanımını görmekteyiz.  

Fan grupları, daha büyük santrifüj fanlara kıyasla daha yüksek verimlilik sağlamasından dolayı günümüzde AHU uygulamalarında en çok kullanılan teknolojidir. Daha küçük cfm içerdikleri için, çoklu-fan senaryosu doğal olarak ECM motorlarının kullanımına uygun düşmektedir. ECM fanları günümüzde yükseliştedir çünkü en yüksek etkinlikteki fan motorlarından çok daha fazla verim sağlamaktadırlar. Aşağıdakiler de dâhil olmak üzere ECM’nin geleneksel fan grubu konfigürasyonuna kıyasla birçok avantajı bulunmaktadır.

  • Tipik “fan duvarı veya fan matrisi”nin aksine, fanların tek tek kapatılmasına gerek yoktur.
  • Bir fanın/motorun çalışmaması durumunda, gruptaki diğer fanların sorun çözülene kadar basitçe çıkışları artırılarak telafi edilebilir.
  • Her fanın içinde motor ve sürücü olduğu için, uzun hat çekmeye gerek yoktur ve böylece harmonik problemleri büyük ölçüde azaltılmış olur.
  • Doğrudan bağlı bir motorla kanatlı fan veya geriye eğimli fan kanatları içeren bir tasarım türbülansı ve vibrasyon potansiyelini azaltmakta, katmanlaşmayı gidermekte, kayış ve makara parçalarının meydana getirdiği olağan sesleri önlemektedir.
  • ECM fanları aynı zamanda bazı endüstriler için önemli olan daha birçok fayda sağlamaktadır. Kompakttırlar, daha az alan kaplarlar, çalışma ömrü daha uzundur, çok yüksek cfm aralığına sahiptirler ve üniteler için VFD gerekli değildir.

Klima santrallerine ilişkin en önemli rutin bakım görevlerinden biri, filtre değişimidir. Filtre bakımının doğru şekilde yapılmaması ticari binalarda artan enerji kullanımının başlıca sebeplerindendir.

ECM fanları tüm uygulamalar için uygun değildir. Beygirgücü etmenlerinin yanı sıra, ECM motorları tarafından karşılanabilen maksimum basınç düşümü yüzünden teknolojinin bazı kısıtlamaları bulunmaktadır. Çoğu ECM fanının dış statik basıncı maksimum 5 inç-su sütunu ile sınırlıdır. Bu yüzden, ECM yüksek dış statik basıncı gerektiren büyük uygulamalar için uygun değildir.

Makine mühendisleri, yüksek statik basıncın olduğu uygulamalarda dahi geniş klima santralleri için ECM motorlarını kullanmanın yenilikçi yollarını araştırmaya başlamalıdır. Ben yüksek statik basınç uygulamaları için geniş klima santralleri tasarlarken bu stratejiyi uyguladım. Besleme kısmı için besleme statik basıncı, ECM fanlarını kullanmak için fazla yüksekti, fakat dönüş fanlarının basınçları kullanım için yeterince düşüktü. ECM fan grubunu ünitenin dönüş kısmı için kullanırken, daha yüksek statik basınçlı besleme kısmı için değişken frekans sürücülü (VFD) normal fan grubu düzenini kullandım.

Sonuç

Ticari binalardaki enerji tüketimini azaltmak HVAC endüstrisinin odak noktası olmalıdır. İşletme her zamanki gibi bu vahim durumu iklim değişikliği ile çözemeyecektir. HVAC mühendisleri, binaların enerji tüketimini azaltma potansiyeli olan yeni teknolojileri kullanmaya devam etmelidir. ECM fanlarının kullanımı HVAC endüstrisinde yaygınlaşmaya başlamaktadır. Bu da binalardaki havalandırma ve iklimlendirme için kullanılan enerjiyi % 35 azaltmaya yardımcı olacağı için teşvik edicidir.

Bu teknoloji üzerine devam eden araştırmalar daha geniş uygulamalara katkı sağlayacaktır. ECM, normal fan grubu teknolojisinden daha pahalıdır fakat uygulamalar geleneksel fan grubu konfigürasyonundan, kullanım ömrü açısından daha az maliyetlidir. ECM fanları, hem küçük hem büyük ölçekli klima santrali uygulamaları için fan grubu teknolojisinin geleceğidir.