Serbest Soğutma: Yıl Boyu Soğutma için Akıllı Bir Çözüm
Daha yüksek soğuk su sıcaklığı, akıllı fan ve kompresör kontrol sisteminin kombinasyonu; serbest veya kısmi serbest soğutma ile çalışma süresini artırır.
Yazan: William Kopko ve Christian Rudio, Johnson Controls, York, Pa.
Çeviren: Meriç Noyan Karataş
Chiller’sız soğutma, soğuk su sıcaklıkları nispeten yüksek (yaklaşık 55˚F ve altı) ve kış koşullarında çalışan sistemlerde onlarca yıldır kullanılmaktadır. Son zamanlarda binalardaki eğilim ve enerji tasarrufu üzerinde önemle durulması; chiller tasarımında genişletilmiş çalışma sıcaklıklarını ve daha geniş bir aralıktaki soğuk su sıcaklıklarını mümkün kılan bir devrimin tetikleyicisi olmuştur.
Serbest Soğutma ile Enerji Tasarrufu
Akışkan sıcaklığının nispeten yüksek tasarlanması ve tasarımda su ekonomizeri kullanılması, ılık iklimlerde bile enerji verimliliğine büyük katkı sağlar. Tesislerin işletim maliyetlerini azaltmakta başarı sağlayan ve aynı zamanda yıl boyu soğutma gerekliliklerini karşılayan sistemlere örnek olarak; chiller ve ayrı bir kuru soğutucu kombinasyonu, chiller ve su ekonomizeri ve chiller’lar ile kombine edilen evaporatif soğutucular verilebilir.
Yeni serbest soğutma chiller teknolojisi, bir su ekonomizerini kondenser ısı eşanjörü ile birleştirerek tüm mekanik bileşenlere erişimi kolaylaştırmakta ve ayrı ekonomizeri olan sistemler ile karşılaştırıldığında karbon ayak izini optimize etmektedir. Direkt fabrika çıkışlı bir çözüm olarak chiller, bir kullanıcı arayüzü, kontrol sistemi ve geleneksel chiller’lar ile aynı olan bir borulama sistemi içermektedir. Tekil bir set sıcaklığı binada değişiklik gereksinimi olduğunda kolay ayar yapılmasına izin verir. Sıcaklık değişiklikleri yeniden devreye alma işlemi gerektirmeyerek, chiller’in tasarım ömrü boyunca maksimum enerji tasarrufu sağlamasını garanti altına alır. Tüm bunlara ek olarak, tekil bir akışkan girişi ve çıkışı saha borulama sistemini basitleştirir.
Şekil 1 ve 2, 50˚F’lık sıvı çıkış sıcaklığı ve 300 ton’luk soğutma yükü ile serbest soğutmanın sırasıyla Hartford, Connecticut ve Houston’daki sonuçlarını göstermektedir. Aşağıdaki şekiller, farklı sıcaklık kümelerine göre bir geleneksel hava soğutmalı vidalı chiller ile serbest soğutmanın kullanıldığı diğer bir hava soğutmalı vidalı chiller’ın yıllık enerji tüketimlerini karşılaştırmaktadır. Beklenildiği gibi, Hartford’un soğuk iklimi yüzde 25 gibi dikkate değer bir yıllık enerji tasarrufu sağlamıştır. Houston’da herhangi bir fayda sağlanamamıştır.
Şekil 1. Chiller (%35 poli-propilen glikol) çıkış su sıcaklığı 50°F olan serbest soğutma Hartford, Connecticut
Şekil 2. Chiller (%20 poli-propilen glikol) çıkış su sıcaklığı 50°F olan serbest soğutma Houston
Şekil 3 ve 4, serbest soğutmanın 70˚F çıkış su sıcaklığı ile serbest soğutmanın Hartford ve Houston’daki sonuçlarını göstermektedir. İki lokasyonda da, serbest soğutmadan elde edilen fayda oldukça artmıştır. Enerji tasarruf oranı Hartford’da yüzde 60 iken, Houston’da yüzde 25 olarak gerçekleşmiştir. Bu tasarruf oranları hava soğutmalı chiller çıkışı su sıcaklığının yüksek olması ile elde edilmiştir.
Şekil 3. Chiller (%35 poli-propilen glikol) çıkış su sıcaklığı 70°F olan serbest soğutma, Hartford, Connecticut
Şekil 4. Chiller (%20 poli-propilen glikol) çıkış su sıcaklığı 70°F olan serbest soğutma Houston
Serbest Soğutma Nasıl Tasarruf Sağlar
Tüm serbest soğutma chiller’ları aynı değildir. Su ekonomizerli serbest soğutma tüm yıl boyunca soğutma gerekliliği olan tesislerin işletme giderlerini ciddi oranda azaltmaktadır. Fakat her serbest-soğutma sistemi aynı tasarrufu sağlamamaktadır. Serbest-soğutma teknolojisinde son zamanlardaki gelişmelerin yıl boyunca nasıl daha fazla verimlilik sağladığını anlamanın önemi büyüktür.
Daha fazla tasarruf için öncü teknolojiler: En güncel serbest-soğutma teknolojisi; tasarım ve tasarım dışı şartlardaki performansı daha fazla artırabilmek için kontrol stratejilerini mekanik gelişmelerle harmanlamaktadır. Mekanik gelişmeler değişken hacim oranlı kompresör kontrolünü içermektedir ve bu da azaltılmış ortam sıcaklıklarındaki aşırı basıncın ve kompresör ve fanlardaki değişken-hızlı sürücülerin sebep olduğu enerji kaybını önlemektedir. Akıllı kontrol sistemleri, toplam enerji kullanımını en aza indirgemek için sürekli olarak kompresör ve fan hızlarını ölçüp en uygun şekilde kullanılmalarını sağlamaktadır.
Çalışma modları:Kompresör ve fan hızının her koşulda optimize edilmesinin yanı sıra, kontrol sistemleri; Şekil 5, 6 ve 7’de gösterildiği gibi ortam sıcaklığı ve soğutma koşullarına bağlı olarak çalışma modları arasında otomatik olarak geçiş yapmaktadır.
Şekil 5’te chiller serbest soğutma için ortam havası kullanılamayacak kadar sıcaksa mekanik modda çalışmaktadır. Bu modda ünite standart bir chiller gibi hareket etmektedir. Otomatik sıvı kontrol valfi, fabrika çıkışlı ve kontrollü olarak, basma yüksekliğini azaltmak ve tasarruf sağlamak için serbest-soğutma serpantinlerini pas geçmektedir. Soğutma yükünden veya ortam ısısından herhangi biri tasarım koşulunun altındaysa, değişken-hızlı vidalı kompresörler ve kondenser fanlar enerji kullanımını minimize etmek için kendini ayarlamaktadırlar.
Şekil 5. Mekanik Mod
Şekil 6’da chiller; kompresör(ler) ve serbest-soğutma serpantinlerinin aynı anda çalışması sayesinde enerji kullanımını optimize eden hibrid modda çalışmaktadır. Değişken hızlı kompresörler enerji tüketimini serbest soğutma serpantinleri kısmi yükte iken hız azaltarak minimize ederler. Kontrol sistemi bir yandan güvenilir kompresör işleyişi sağlarken, diğer yandan otomatik olarak serbest soğutmadan faydayı artırmak için fan hızını ayarlamaktadır.
Şekil 6. Hibrid mod
Geniş bir “ortam şartları” aralığı boyunca, değişken-hızlı-optimize edilmiş hibrid modda tüketilen enerji; sadece serbest soğutma ile soğutma ihtiyacını karşılamak için basitçe fanları yüksek hızda çalıştırarak tüketilen enerjiden daha azdır. Bu gibi durumlarda, hibrid modu basit su ekonomizerli serbest soğutma sistemlerinin performans olarak önüne geçmektedir. Chiller kontrolleri, chiller’ın en verimli çalışma modunu seçmesini otomatik olarak sağlamaktadır. Şekil 8, geleneksel sabit hızlı chiller, su ekonomizeri ve sabit kapanma sıcaklıklı kompresör kombinasyonu ile serbest soğutmalı chiller sistemini karşılaştırmaktadır.
Şekil 8. Ortam sıcaklığı ve verimlilik
Şekil 7’de gösterildiği gibi serbest soğutma modu düşük ortam sıcaklıklarında, istenen soğutma yükü en verimli şekilde serbest soğutma serpantileri tarafından karşılandığı zaman çalışır. Soğutma ayar noktasına erişmek için kompresörler kapanmakta ve değişken-hızlı fanlar kendini ayarlamaktadır. Kontrol sistemi bir yandan güvenilir işleyişi sağlarken diğer yandan enerji kullanımını minimize etmek için farklı çalışma modları arasında gidip gelerek en uygun koşulları belirlemektedir. Ayrıca, çok soğuk ortam koşullarında serbest-soğutma modu ile başlamak sadece fan motorlarının çalışmasını gerektirmektedir ve bu da çok düşük ortam sıcaklığı ve/veya yüksek rüzgâr koşullarında oluşabilen muhtemel problemleri azaltmaktadır.
Şekil 7. Serbest-soğutma modu, açık devre
Değişik tipteki binalar için alternatif konfigürasyonlar:Daha önce bahsedilen konfigürasyonlar serbest-soğutma serpantinleri yoluyla soğutma suyu devresinde direkt olarak glikol sirküle etmektedirler. Bu, en verimli ve en az pahalı olan chiller çözümüdür, fakat serbest soğutma serpantinlerin donarak hasar görmesini engellemek için bina hattında glikol olmasını gerektirmektedir. Bina hattında su gerektiren kurulumlar için kapalı devre konfigürasyonu kullanılabilir. Şekil 9’da gösterilen kapalı-devre konfigürasyonu serbest-soğutma glikol devresini bina su hattından ayırmak için glikol-su ısı eşanjörü ve devridaim pompası kullanmaktadır. Açık devreli kurulumda bulunan ve glikolü serbest soğutma devresine yönlendiren üç yollu vanaya kapalı devre kurulumda gerek yoktur.
Şekil 9. Serbest-soğutma modu, kapalı devre.
Sonuç: Yıllık Enerji Kullanımında Azalma
Bir sistemin faydasının doğrulanması için o sistemin belli bir çalışma aralığında farklı noktalardaki enerji kazanımlarının hesaplanması kolay metodlardan biridir. Toplam yıllık enerji kullanımı, belli bir lokasyonun lokal hava durumu verileri için her bir sıcaklık kümesindeki kilowat-saat değerlerinin toplanması ile hızlıca hesaplanabilir. Enerji tüketim hesaplayıcıları gibi araçlar toplam enerji maliyetinin doğru şekilde öngörülebilmesi için, bina sahipleri veya operatörler ile paylaşılabilen, okunması kolay ve kapsamlı raporlar sunar.
Teknolojideki bu ilerlemeler, bir chiller’ın yıllık işletim maliyetini düşürebilir. Chiller çıkış suyu sıcaklığını olabilecek en yüksekte tutmak, daha çok enerji tasarrufu yapılmasını, daha fazla soğutma kapasitesine ulaşılmasını ve geleneksel sistemler ile aynı karbon ayak izi miktarlarına erişilebilmesini mümkün kılar. Daha yüksek chiller çıkış suyu sıcaklığı, akıllı fan ve en düşük ve yüksek periyotlar süresince kompresör kontrolünün kombinasyonu; serbest ve kısmi serbest soğutma ile daha fazla çalışma süresi sunar. Ilık iklimler ve kritik proses operasyonları için en düşük işletim maliyetini sunması serbest soğutmayı ideal bir çözüm haline getirmektedir.
Kaynak: http://www.hpac.com/air-conditioning/free-cooling-intelligent-solution-year-round-cooling
