HVAC Tasarımında Motor Seçimi

Genellikle, HVAC sistem tasarımı bütünsel bir sistem yaklaşımı ile değil, bireysel bileşen seçimi ile yapılır. Bu durum makina mühendisleri için yaygın bir uygulama haline gelip yetersiz sistem performansına sahip ve oldukça verimsiz HVAC sistemlerinin tasarlanmasına sebebiyet vermektedir. Bileşen yaklaşımının dezavantajlarından biri de  ekipman üreticilerinin pompa ve fanlar için, tüm sistem üzerindeki etkilerini göz önüne almadan 60Hz’den daha yüksek hız değerlerinde çalışan motorlar seçmesidir.

Üreticiler, ekipman kurulum maliyetlerinden tasarruf edebilmek için, pompa ve motorları tasarım sırasında belirledikleri boyutlardan %25 oranında daha düşük seçerler. Bazı durumlarda, üreticilerin seçtiği fanlar ve pompalar 100Hz’in üzerinde çalışacak şekilde seçilirler. Yükü karşılayabilmek için, bu motorlar tasarlandıklarından daha yüksek frekansta çalışmak zorunda kalırlar. Sadece uygulama yönetimi safhasındaki ekipman teknik özellik dokümanlarını detaylı bir gözden geçirmesinin yapılması çoğu zaman bu idealin altında performans gösteren seçimleri göz önüne sermeye yetmektedir. Mühendisler ekipman teknik özellik dokümanlarının tasarlanan HVAC sisteminin performansı üzerindeki etkilerini tam olarak anlamadan kabul yapıp yapmayacakları konusunda karar verirlerken zorluk yaşamaktadırlar. Mühendisler ayrıca “Motorların yüksek frekansta çalıştırılmasının akım, voltaj, tork, dayanıklılık, verimlilik ve uzun dönem performansı üzerindeki etkileri nelerdir?” sorusu ile baş etmek zorundadır.

Farklı üreticilerde bu sorunun cevapları çeşitlilik gösterse de, yaygın olarak motorun bağlanacağı ekipmana, servis faktörüne ve motor ve ekipmanın frekans spesifikasyonlarına bağlıdır. Bu makalede HVAC tasarımına özellikle motorlar açısından sistem yaklaşımının faydaları anlatılırken, motorlar, fanlar ve pompaların aşırı hızda çalıştırılmalarının dezavantajları tartışılacaktır.

Yakın zamandaki çalışmalar ticari binalarda tüketilen enerjinin %25’inin ısıtma, havalandırma ve hava koşullandırma için harcandığını belirtmektedir. Bu enerjinin büyük bir bölümü (%30 ile %60 arasında) pompalar ve fanlar tarafından tüketilir. Bir fanın veya pompanın en önemli bileşeni, HVAC prosesleri için hayati önem taşıyan faydalı işi yapmalarını sağlayan motorlardır : sistem içerisinde akışkanın ve havanın hareket ettirilmesi.

Elektrik motorları dünya üzerindeki tek ve en büyük elektrik son kullanıcı grubudur. Endüstriyel uygulamalardaki elektrik tüketiminin %55’ini elektrik motorları kullanmaktadırlar. Proses endüstrilerinde ise bu değer %60’ın üzerine çıkmaktadır. Elektrik motorları bu uygulamalarda oldukça yaygındır çünkü verimli, güvenilir ve uzun süreli servis sunarken çoğunluğu nispeten az miktarda bakım gerektirir. Bu avantajlara karşın, motor seçimi, tasarımı ve bakımı doğru yapılmadığında, kullanıldığı sistemlerin verimini düşürebilir ve işletimleri çok maliyetli olabilir. HVAC tasarımcıları enerji tüketiminde, bakım sayılarında ve maliyetlerdeki gereksiz artışlara; kullanılacakları uygulamalara uygun olan motorları seçip bakımlarının doğru şekilde yapılmasını sağlayarak önüne geçebilirler.

Pompalar ve fanlar için motor seçimi yapılırken, servis faktörü çok önemlidir. Servis faktörü, bir motorun belli koşullar altında arızalanmadan çalışabileceği, tam yük değeri üzerindeki yük değerlerinde beygir gücü (veya tork gibi bir motor etiket değeri) yüzdesini gösteren bir çarpandır. 1,10 ve 1,15 yaygın servis faktör değerleridir. 1’den büyük bir servis faktörü değerinde sürekli olarak çalışan bir motor, motor etiket değerindeki beygir gücünde çalışan bir motora göre daha düşük bir çalışma ömrüne sahip olacaktır.

AIA Masterspec tarafından hazırlanan “Common Motor Requirements of HVAC Equipment” (HVAC Ekipmanları için Yaygın Motor Gereksinimleri) Bölüm 230514, motorların servis faktörü gereksinimlerini sıralamaktadır. Mühendisler, fanlar ve pompalar için tanımlama bölümleri, bölüm 230513 -  “Motor Seçimleri için Servis Faktörleri” bölümüne atıfta bulunduğundan emin olmalıdırlar. Tablo 1, sızdırmaz motorların “National Electrical Manufacturers Association”ın eş zamanlı hızlarda (d/dk) servis faktörülerini göstermektedir. Servis faktörünü ve motor amperi ve uygun kurulum şartlarını anlayarak, mühendis uzun hizmet ömrü olan bir motor belirleyebilecektir.

Makina mühendisleri münferit ekipman seçimlerine odaklanıp, motor ve tahrik sistemlerinin HVAC sisteminin bir parçası olarak nasıl analiz edeceklerini unutmaktadırlar. Yaygın HVAC tasarımı yaklaşımı, bir sistemi bileşenlerine ayırmak, bu ayrı ekipmanların seçimini belli bir tasarım şartına uygun olarak optimize etmek ve daha sonra da bu bileşenleri birbirlerine monte ederek hepsini bir arada sistem olarak ilan etmektir. Bu metodun avantajı tasarımı basitleştirmesi, dezavantajı ise farklı bileşenlerin birbirleri ile etkileşimini göz ardı etmesidir.

Diğer yandan, sistem yaklaşımı mühendislerin sistemin talep ve arz taraflarını ve beraber nasıl çalıştıklarını analiz etmelerini sağlar. Mühendis, son kullanıcı gereksinimlerinin en etkin ve verimli şekilde nasıl karşılanacağını değerlendirir. Sisteme odaklanmak demek, en kötü durumdaki gereksinimleri karşılayan bir küçük ekipmanı aramaktan; bileşenlerin çalışma şartları aralığındaki yüksek performansını koruyacak şekilde konfigürasyon yapılıp yapılmayacğını araştırmaya kadar, imkanları genişletmek demektir.

Bu sistem yaklaşımının faydalı olacağı alan HVAC sistem fan ve pompalarının seçilmesidir. Mühendis gerekliliklerin hem en yüksek yükte hem de en verimli çalışma aralığında karşılandığını garanti altına almak için motor seçimini analiz etmekle sorumludur. Çok yaygın bir örnek, yarıdan daha az veya servis faktörü kadar çalışıp, yarım yükten tam yüke kadar en verimli olan motoru seçmektir.

Tablo 1. Güç, servis faktörü ve eş zamanlı hız arasındaki ilişki



Tablo 2. Inverter kontrollü motorların aşırı hız kabiliyetleri

Mühendisten yüklerin hesaplanması kadar, enerji modelini de, sistemin yıl boyunca nasıl bir performans göstereceğinin belirlenebilmesi adına analiz etmesi beklenir. Bu sistem analizi, tasarıma destek olacak ve mühendise sistemin enerji verimliliğini maksimize edecek motor ve tahrik boyutunu seçmekte yardımcı olacaktır. Bileşen yaklaşımı kullanmak moturun yıl boyunca nasıl yüklendiğini tanımlamayacak ve sonucunda verimli olmayan bir motor ve tahrik seçimi ile sonuçlanacaktır.

Ticari binalarda kullanılan en popüler hava dağıtım sistemlerinden biri de VAV (Varial Air Volume – Değişken debili sistem) sistemleridir. Bu sistemlerde, motorla tahrik edilen bir fan birçok VAV kutusuna hava beslemesi yapar ve kanal sisteminin tasarımını karşılayacak miktarda hava debisi gereksinimi vardır. Fanların bu hava debisi şartlarını karşılayacak şekilde seçimi yapılır. Buna karşın, gerçek çalışma şartları mevsime, günün zamanına ve binanın iskan şekline göre değişiklik gösterir.

Değişken hava debisi gereksinimlerini karşılamak için, sistem VFD (Variable Flow Damper – Değişken Debili Damper) damperleri ile donanmıştır. HVAC sistemlerinde havanın kontrol metodları arasındaki en az verimli metod damperlerdir. Fakat, bir damperin VFD sürücüsü ile kombinasyonu bir VAV sisteminin işletilmesindeki en verimli metoddur. Bunun sebebi motor güç kullanımının VFD kullanılarak sistemin motor gücü kullanımını sistem yük profilini baz alıp ayarlayarak daha iyi bir şekilde yönetilebilmesidir.Artan enerji maliyetlerine ek olarak, düşük verimli bir motor ve tahrik sistemi genellikle bakım maliyetlerini arttırır. Sistemler verimli olarak çalışmadığında, sistemdeki enerji kayıplarının sebebiyet verdiği gerilmeler; borulama sistemi, yapılar, damperler ve valfler ile giderilmelidir. 

Tasarım üzerine harcanan eforun kayda değer miktarda yüksek olmasına karşın, inşaa sürecinde ekipman teknik özellik dokümanlarını tekrar gözden geçirilmesine aynı miktarda efor sarfedilmemektedir. Genellikle, yeni mezun mühendisler seçmedikleri HVAC ekipmanlarının kabulünde sıkıntı yaşamakta ve çoğu zaman ekipman teknik özellik dokümanlarında dikkat edilmesi gereken noktaları anlamamaktadırlar. Bu uygulama yönetim safhası ekipman seçim sürecinin en önemli bölümüdür. Mühendislerin seçtikleri ekipmanların tasarladıkları sistemin taleplerini karşılayıp karşılamadığı noktasındaki son sözü söyledikleri safha bu safhadır.

Üretici temsilcilerinin veya satışçıların tasarlanan ekipmanları tekrar seçmeleri bina sahipleri tarafından yönetilen klişe bir değer mühendisliği uygulaması haline gelmiştir (veya basitçe rekabeti yenmek). Bu baskı, seçilen klima santrali fan ve pompalarının tasarım yükünü karşılayabilmek için 100Hz’lere kadar çıkmasına sebep olmaktadır. Bu noktada, proje değişkenleri, projeyi istenilen verimlilik ve performans seviyelerinde çalışacağı konusunda güven verip sonlandırma konusunda zorluk çıkarmaktadır.


Şekil 1. Değişen frekans değerlerine göre tork ve gücün değişimi

Servis faktörü 1 olan ve tam yükteki akım değeri 25 amper olan, 25 amper’lik ve 60Hz’de çalışan bir motoru örnek alalım. Frekansın 65Hz’e çıkarılması motora aşırı akım yüklenmesine sebep olacaktır. Deviri (Hz) arttırıp gerilimi (V) aynı oranda arttırmamak er ya da geç motorun yanmasına sebep olacaktır. Değişken frekans sürücüler motorun gerilimini frekans (Hz) ile doğru orantılı olarak değiştirir. Böylelikle değişken akışlar oluştururken motorun korunmasını sağlar. Değişken frekans sürücülerinin ardındaki prensip budur. Sadece motorun frekans çıktısının arttırılması motorun daha çok akım çekmesi için yeterli değildir. Çekilen akım, tork ve kaymanın bir fonksiyonudur. Motor torku, kaymanın artışını engellemeye yeterli ise motorun akım çekme miktarı artmayacaktır. Fakat frekansın motor tasarım noktasından daha yukarıda bir noktaya arttırılması motorun tork kaybettiği anlamına gelir. Bu yüzden düşük servis faktörlü bir motor seçmek motorun aşırı yüklenmesine sebebiyet vererek arıza yapmasına neden olur.

Geçmişte makina mühendislerinin motor tasarımı ve seçimine %20’lik bir “yanılma payı”nı dahil etmeleri yaygın bir yöntem idi. Motorun tasarımında gerekli olan tork Xft/lb, devir 1.725 d/dk olsun. Bu değerlere göre de beygir gücü Y(HP) olarak hesaplansın. Motor üretici kataloğu baz alındığında, elimizde nominal beygir gücü değeri %5 fazla olan bir motor (Y+%5) ile bir aralık üstünde %20 fazla olan diğer bir motor (Y+%20) arasında seçim yapılması gerektiğinde, tasarımcı daha büyük olan motoru seçer ve bu da %20 daha fazla maksimum tork değeri anlamına gelmektedir (X+%20). Bu uygulama yeterlidir fakat enerji verimliliği rüzgarı yüzünden artık kullanılmamaktadır. Sonuçta, Y beygir gücünde bir motor gerekli ve bu beygir gücüne en yakın olan standart boyut Y+%5 ise seçilen motor bu olacaktır. Bu, motorun mevcut olan tork miktarının %5’inden daha yüksek bir tork değerinde çalıştırıldığında motor tasarlandığı seviyede performans gösteremez. Düşük tork daha fazla kaymaya, yüksek kayma daha fazla akım çekilmesine, yüksek akım çekilmesi daha fazla ısınmaya (veya aşırı yüklenmeye) ve daha fazla ısınma daha kısa motor ömrüne sebebiyet verir.

Bunlara ek olarak, pompa ve fan gibi santrifüjlü yükler, fan kanunları ile belirlenirler (Şekil 1)

Fan kapasitesi

Bir santrifüjlü fanın debi kapasitesi aşağıdaki gibi bulunur

q1 / q2 = (n1 / n2)(d1 / d2)3 ………………………….. (1)

q = fan kapasitesi (m3/s, gpm, cfm)

n = fan çark hızı – devir/dakika - (d/dk)

d = çark çapı

Bir santrifüjlü fanın basıncı aşağıdaki gibi bulunur:

dp1 / dp2 = (n1 / n2)2 (d1 / d2)2 ……………………… (2)

dp = basma yüksekliği veya basınç (m, ft, Pa, psi, ..)

 

Bir santrifüjlü fanın güç tüketimi aşağıdaki gibi bulunur:

P1 / P2 = (n1 / n2)3 (d1 / d2)5 …………………………(3)

P = Güç (W, bhp)

Çark çapı sabit ise – fan çarkı hızındaki değişim fan kanununu aşağıdaki haline indirgenir :

Fan kapasitesi

q1 / q2 = (n1 / n2) …………………………………..(1a)

Basma yüksekliği veya basınç

dp1 / dp2 = (n1 / n2)2 …………………………. (2a)

P1 / P2 = (n1 / n2)3 ……………………………(3a)

İnrgenmiş denklemlerden aşağıda sıralanan bilgilere ulaşılır:

•    Debideki değişim fan şaftındaki hız değişimi ile doğru orantılıdır

•    Basınçtaki değişim, şafttaki hız değişiminin karesi ile doğru orantılıdır

•    Tüketilen güçteki değişim, şaft hızındaki değişimin küpü ile doğru orantılıdır.

Değişken frekans sürücülü bir uygulamada, alternatif akımlı (AC) motor; hızının değiştirilmesi ile kontrol edilir. Bu, motorun torkunda ve beygir gücünde değişime sebebiyet verecektir. Şekil 1’de, motorun 60Hz’deki nominal gücü 100HP’dir. 60Hz’de beygir gücü ve torku %100’dedir. 60Hz’in altındaki hızlarda motorun performansını fan kanunları belirler. Buna karşın, motor hızı motor baz hız değerinin üzerine çıktığında, beygir gücü sabit kalırken tork düşer. Tork düşer çünkü motor empedansı artan frekans ile artış gösterir. Değişken frekans sürücüsü, besleme voltaj değerinden daha fazla voltaj besleyemeyeceğinden frekans arttıkça akım düşer ve dolayısıyla torkun düşmesine neden olur. 

Torktaki düşüş oranı frekanstaki artış ile orantılı değildir. Torktaki düşüş, baz hızın, baz hızdan daha yüksek bir hıza bölünmesi oranında gerçekleşir (örneğin 60Hz/105Hz * 100 = %57). Fakat, pratikteki gerçek düşüş daha fazla, rulman sürtünmesindeki artış, hava sürtünme kayıpları ve fan yüklenmesi sebebiyle meydana gelir. “The National Electrical Manufacturers Association (NEMA) MG1, 12.44”, alternatif akımlı motorların nominal yükte, nominal gerilimde ve nominal frekansın en fazla %10 yükseğindeki (maksimum 2 dakika boyunca) işletim koşullarında sorunsuz olarak çalışacağını belirtmektedir. Bu frekans farkı içerisinde kalan performans değerleri, nominal frekanstaki çalışma için hazırlanmış standartlar ile uyum sağlamak zorunda değildir. Motoru nominal frekanstan daha yüksek bir hızda çalıştırırken, torkun düşürülmesi gereklidir. Rotor balansı, kritik hız ve rulman ömrü, nominal frekanstan daha yüksek frekanslarda çalıştırılan HVAC motorları için kaygılanılması gereken parametrelerdir. 

NEMA MG1 Talimatı’ndan alınan Şekil 2’de, motorun aşırı hızı, maksimum çalışma hızına bağlıdır. Tablodan, 1800 d/dk’da çalışmak için tasarlanmış bir klima santrali fanını örnek olarak ele alalım. İki dakika boyunca motora uygulanabilecek maksimum aşırı hız değeri, değişken frekans sürücüsünü 75Hz’de çalıştırarak elde edilir (1,25 x 60 Hz). Aynı şekilde, 3600 d/dk’da çalışmak için tasarlanmış bir klima santrali fanının motoruna uygulanabilecek maksimum aşırı hız değeri değişken frekans sürücüsünü 72Hz’de çalıştırarak elde edilir (1,20 x 60).

Bir motorun hız kabiliyeti, çoğunlukla dönen yapının mekanik gerilme sınırları ile limitlidir. Sürekli çalışmada, 90 Hz üzerinde çalışan bir motor, 60Hz üzerindeki sabit voltajla sabit bir beygir gücü yükünü sürdürmek için gerekli olan torku sağlayamazlar. Maksimum güvenli çalışma hızları için Tablo 2 baz alınmalıdır. Kontrol sisteminin maksimum hızı, motorun kazara tavsiye edilen hız aralıklarının dışına çıkmayacak şekilde ayarlanmalıdır. NEMA MG 1’de listelenen sürekli çalışma hızlarından daha yüksek bir hız gereksinimi olduğunda, motor üreticisine danışılmalıdır.

Motor ve tahrik seçimindeki en önemli bölüm, motorun kabiliyetlerinin anlaşılmasıdır. Benim tavsiyem üreticilerin motorları aşırı hızda çalıştırdığı HVAC sistemlerini seçmekten kaçınmaktır. Eğer bu müşteri için çok önemli bir değer mühendisliği uygulaması ise, motor performansı en ince ayrıntısına kadar analiz edilmelidir. Motorların teknik özellik dokümanları yeniden gözden geçirilirken sıralanan şu parametrelerin listelendiğine emin olunmalıdır: servis faktörü, motorun akım oranı, maksimum çalışma hızı ve maksimum akıma ulaşılan frekans değeri. Her bir fanın, her bir pompanın ve tüm HVAC sisteminin bir bütün olarak detaylı analizi için tüm bu bilgiler gereklidir.

Motor üreticileri her ne kadar 100Hz hız değerlerine kadar çıkan motorların sistem performansını etkilemediğini iddia etseler de, mühendislerin her bir motoru uzun dönem performans gerekliliklerinin karşılandığına emin olana kadar incelemeleri gereklidir. Ekipman teknik özellik dokümanları gözden geçirildikten sonra, son karar verilmeden önce motor üreticisine de danışılmalıdır.

Referanslar

1. NEMA Publication, Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems
2. NEMA Standards Publication No. MG 1-1998 Motors and Generators