Çatı Tipi Klima Ünitesi Performans Hesaplama Yazılımı

11 Nisan 2019 Dergi: Nisan-2019

Yazan: Hasan Acül, Makine Mühendisi, NPDP, İklimsoft İklimlendirme ve Soğutma Endüstrisi Yazılımları Limited Şirketi

ÖZET

Bu çalışmanın amacı, konfor ve endüstriyel amaçlı hava şartlandırma sistemlerinde kullanılan çatı tipi klima ünitelerinin farklı çalışma şartlarındaki performans hesaplamalarını yapan mühendislik yazılımı (Rooftop AC Unit Selector) hakkında bilgi vermektir.

Yazılım %100 taze ve %100 dönüş havalı, hava karışım hücreli, üfleme ve emiş fanlı, plakalı ve rotary ısı geri kazanımlı rooftop ünitelerinin performanslarını hesaplama; heat pump, elektrikli, sulu, doğalgazlı ısıtıcı kullanımı; çoklu kademe filtre tercihleri, detaylı fan güç ve ses seviye bilgilerinin hesaplanması ve benzeri önemli işlevleri içermektedir. Yazılım çıktıları detaylı ürün teknik bilgi değerleri, ısıtma ve soğutma kapasiteleri, enerji tüketimleri, EER değerleri ve kapasite artışlarıdır.

Yazılımın hedef kullanıcıları çatı tipi klima üreticileri, bu ürünlerin tesisat/taahhüt projelerini yapan tasarımcı ve uygulayıcı firmalar ve ürün kullanıcılarıdır. Yazılım, kullanıcıları açısından önemli bir analiz aracıdır. Kısa sürede detaylı hesaplamalar ve analizler yapmak vasıtasıyla mühendislik zamanlarının etkin biçimde kullanılmasını sağlarken, enerji verimli ürün üretimi ve kullanımını destekleyecek veriler üretmektedir.

1. GİRİŞ

Yazılıma konu olan çatı tipi klima üniteleri ofisler, mağazalar, geniş hacimli evler, alışveriş merkezleri, lojistik merkezleri, üretim alanları, spor salonları, restoranlar, kafe, tiyatro, sinema, vb. ticari, endüstriyel ve evsel mekanların iklimlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan makinelerdir. Adlandırmalarını montajlarının yapıldığı çatılardan alan, temel işlevleri ısıtma, soğutma ve havalandırma olan bu makinelerde tüm işlevsel parçalar tek bir ünitenin içerisinde bir araya getirilmiştir [1].

Şekil.1’de hava soğutmalı çatı tipi klima ünitelerin yaygın uygulama biçimi; Şekil.2’de örnek bir çatı tipi klima ünitesi uygulamasının şematik gösterimi verilmiştir.

rooftop sekil 1

Şekil.1 Çatı tipi klima ünitelerin yaygın uygulama biçimi [2]

 rooftop sekil 2

Şekil.2 Çatı tipi klima ünitesi uygulaması şematik gösterimi [3]

Çatı tipi klima üniteleri tasarımlarına göre genel olarak aşağıda belirtilen farklı tiplere ayrılır [4]:

  • Üfleme Fanlı %100 Taze Havalı
  • Üfleme Fanlı %100 Dönüş Havalı
  • Üfleme Fanlı Kısmi Taze Havalı
  • Üfleme ve Emiş Fanlı Karışım Havalı
  • Üfleme ve Emiş Fanlı Karışım Havalı Rotorlu Tip Isı Geri Kazanım Cihazlı
  • Üfleme ve Emiş Fanlı Karışım Havalı Plakalı Tip Isı Geri Kazanım Cihazlı

Çatı tipi klima üniteleri aşağıda belirtilen temel işlevsel parçalara sahiptir [4]:

  • Üfleme ve emiş fanları (Radyal, Plug, vb.)
  • Kompresör
  • Doğrudan genleşmeli kanatlı borulu evaporatör
  • (Hava/Su Soğutmalı) Kondenser
  • Üfleme ve emiş kısmı filtreleri
  • Heat Pump ısıtma sistemi
  • Sulu ısıtıcı batarya
  • Elektrikli ısıtıcı
  • Doğal gazlı ısıtıcı
  • Rotorlu tip ısı geri kazanım cihazı
  • Plakalı tip ısı geri kazanım cihazı
  • Otomatik kontrol sistemi ve parçaları
  • Sensorlar ve detektörler
  • Elektrik/Elektronik devre parçaları
  • Soğutma devresi parçaları ve borulamalar
  • Gövde, izolasyon ve taşıyıcı karkas
  • Hava karışım hücresi
  • Damper ve panjurlar

 

YAZILIM HESAPLAMA YAKLAŞIMLARI VE ALTYAPI 

Yazılımın performans hesapları içi temel olarak referans aldığı standartlar şunlardır:

  • Eurovent RS 6/C/007- 2018, Rating Standard For The Certification of Rooftops
  • EN 14511:2013/prEN 14511:2018, Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling
  • EN 14825:2016, Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrically driven compressors, for space heating and cooling. Testing and rating at part-load conditions and calculation of seasonal performance
  • ANSI/AHRI Standard 540-2004: Standard For Performance Rating Of Positive Displacement Refrigerant Compressors And Compressor Units

Hesaplamalarda kullanılan soğutucu akışkanların termodinamik verileri ve nemli hava psikrometrik verileri C++ yazılım dili bazlı dinamik bir DLL kütüphanesi olan yazılımdan üretilmektedir. Yazılım alt yapısında C#, SQL, .Net, MVC, Jquery programlama dilleri kullanılmaktadır.

Çatı tipi klimaların temel işlevi olan soğutma, buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma çevrimi ile sağlanmaktadır. Soğutmaya ek olarak ısıtma işlevine sahip ünitelerde ısıtmanın heat pump (ısı pompası) ile yapılması durumunda yine buhar sıkıştırmalı mekanik çevrim -tersine olarak- çalışmaktadır.

rooftop sekil 3

Şekil.3 Mekanik sıkıştırmalı soğutma çevrimi [5]

Yazılım kapsamında geliştirilen en önemli hesaplama hem soğuma hem de heat pump’lı ısıtmada DX evaporatör, kondenser ve kompresörün farklı çalışma şartlarında akışkan kütlesel debisi ve kapasiteler için dengede olduğu evaporasyon ve kondenzasyon sıcaklıklarının bulunmasıdır. Bu maksatla denge noktası hesaplanırken aşağıdaki üç temel eşitlik sağlanmalıdır.

  • m kompresör = m evaporatör = m kondenser (m, çevrim akışkan kütlesel debi eşitliği)
  • Q kompresör = Q evaporatör (Q, kapasite eşitliği)
  • Q kondenser = Q kompresör + P kompresör (Q, kapasite eşitliği)

 

3. ÖRNEK TASARIM VE ÇALIŞMA KOŞULLARI

Yazılımdaki hesaplamaları ve ara yüzleri detaylı biçimde görebilmek için örnek bir hesaplama yapılmıştır. Örnek için kabul edilen ürün tasarım özellikleri ve çalışma şartları aşağıda verilmiştir. Şekil.4’da örnek ürüne yönelik şematik gösterim verilmektedir.

Ünite tasarım özellikleri:

  • Üfleme ve Emiş Fanlı Karışım Havalı Rotorlu Tip Isı Geri Kazanım Cihazlı
  • Heat pump ısıtma sistemli
  • Taze Hava 1.Kademe G4 Filtre
  • Taze Hava 2.Kademe F7 Filtre
  • Dönüş havası G4 Filtre
  • Üfleme ve Emiş fan tipi: Plug
  • Kondenser fan tipi: AC Aksiyal

rooftop sekil 4

Şekil.4 Örnek bir üfleme ve emiş fanlı karışım havalı rotorlu tip ısı geri kazanım cihazlı çatı tipi klima ünitesi şematik gösterimi [6]

Ünite çalışma şartları:

Yaz şartları:

Dış ortam KT sıcaklığı: 35 °C

Dış ortam bağıl nemi: 40,3 %

Dış ortam YT sıcaklığı: 24 °C

İç ortam KT sıcaklığı: 27 °C

İç ortam bağıl nemi: 46,97 %

İç ortam YT sıcaklığı: 19 °C

Kış şartları:

Dış ortam KT sıcaklığı: 7 °C

Dış ortam bağıl nemi: 86,84 %

Dış ortam YT sıcaklığı: 6 °C

İç ortam KT sıcaklığı: 20 °C

İç ortam bağıl nemi: 58,96 %

İç ortam YT sıcaklığı: 15 °C

Debiler:

Vantilatör hava debisi: 20.000 m3/h

Aspiratör hava debisi: 20.000 m3/h

Taze hava oranı: %30

Taze hava debisi: 6.000 m3/h

Dönüş hava debisi: 14.000 m3/h

Egzoz debisi: 6.000 m3/h

4. YAZILIM ARAYÜZLERİ VE HESAPLAMALAR

Yazılım kullanımında kolaylık sağlanması amacıyla beş farklı kullanıcı ara yüzü mevcuttur. Yazılım alt yapısında ekipmanlara ait teknik verilerin yer aldığı gelişmiş bir veri tabanı da çalışmaktadır. Kullanıcı, aşağıda verilen bu ara yüzleri (sihirbaz kullanımına benzer biçimde) belirli bir sıralama ile takip ederek istediği ürün modelinin performans hesaplarını yapabilmektedir.

Yazılım arayüzleri:

  1. Ünite tipi tercihi arayüzü
  2. Veri girişi arayüzü
  3. Tercihler arayüzü
  4. Teknik özellikler arayüzü
  5. Yazdırma ve Projelendirme arayüzü

 

4.1. Ünite Tipi Tercihi Arayüzü

Kullanıcı yazılıma girince ilk olarak aşağıda verilen ünite tipi tercihi ara yüzü karşılaşır. Bu sayfada beş faklı tercih yapılır:

1. Çalışma tercihi

  • Soğutma
  • Soğutma + Isıtma (Bu işlev seçilir ise aşağıda verilen yedi farklı ısıtma tercihiği açılır.)

rooftop sekil 5

Şekil.5 Ünite Tipi Tercihi Ara Yüzü, Çalışma Tercihi Kısmı [7]

2. Ünite Tipi Tercihi: Farklı ürün tipi tasarımı tercihi şablonlardan seçilerek yapılır.

rooftop sekil 6 

Şekil.6 Ünite Tipi Tercihi Ara Yüzü, Ünite Tipi Tercihi Kısmı [7], [8]

3. Ünite Fan Tipi Tercihi: Plug / Radyal tercihi yapılır.

4. Kondenser Fan Tipi Tercihi: AC Aksiyal / EC Aksiyal tercihi yapılır.

5. Termodinamik Isı Geri Kazanım Tercihi: Uygulanıyor / Uygulanmıyor tercihi yapılır.

4.2. Veri Girişi Arayüzü

Ünite tipi tercihi ara yüzünde tercihler yapıldıktan sonra bu ara yüze geçilir. Bu ekran hem veri girişlerinin hem de soğutma denge hesaplamasının yapıldığı ara yüzdür. Giriş sıcaklıkları, nem değerleri, yaş termometre sıcaklıkları, rakım, atmosferik basınç, debiler, taze hava oranı, cihaz dışı basınçlar, soğutma çevrimi subcooling, superheating değerleri bu ara yüzden girilir.

rooftop sekil 7

Şekil.7 Veri Girişi Arayüzü, Klimatik Veriler ve Ünite Verileri Giriş Kısmı [7]

Ünite veri giriş kısmında debi ve istenen kapasite değerleri girildikten sonra yazılım veri tabanında mevcut olan ürünler arasında bir ön filtrasyon gerçekleştirilir.  Kullanıcı, yazılım tarafından kendisine Tablo.1’de listelendiği biçimi ile en uygun ürün alternatifleri içerisinden ürün seçimlerini yaparak, şartlara bağlı kapasite ve akışkan kütlesel debisinin dengeye geldiği evaporasyon ve kondenzasyon sıcaklıklarını hesaplatır.

Yazılım tarafından önerilen modellerin hesaplamaları yapılırken önceki kısımda belirtilen üç temel eşitlik göz önünde bulundurulur:

  • m kompresör = m evaporatör = m kondenser (m, çevrim akışkan kütlesel debi eşitliği)
  • Q kompresör = Q evaporatör (Q, kapasite eşitliği)
  • Q kondenser = Q kompresör + P kompresör (Q, kapasite eşitliği)

Tablo.2 Model 1’e ait soğutma denge noktası değerleri verilmiştir.

Model 1, 2, 3 ve 4’e ait hesaplanmış kompresör, evaporatör ve kondenser kapasite ve akışkan debilerinin sapma değerleri Tablo.3’te bir arada gösterilmiştir. Tablodan görüldüğü üzere denge noktası hesaplamalarında evaporatör kapasitelerindeki sapma yüzdesi ortalama %0,32, kondenser kapasitelerindeki sapma yüzdesi ortalama %0,36, evaporatör akışkan debilerindeki sapma yüzdesi ortalama %0,08, kondenser akışkan debilerindeki sapma yüzdesi ortalama %-0,08’dir. Belirtilen sapma değerlerinden görüldüğü üzere, yazılım soğutmada (ve eğer uygulanıyorsa aynı hesaplama mantığı ile heatpump’ta) çalışma denge noktası değerlerini ciddi bir hassasiyetle bulmaktadır.

Kullanıcı yukarıda belirtilen hesaplamalar sonrasında kendisi için en uygun ürünü seçerek tercihler ara yüzüne geçer.

4.3. Tercihler Arayüzü

Tercihler arayüzünde,

1. Şekil.9’da gösterildiği üzere, ürüne ait üfleme ve emiş filtre tercihleri, -uygulanıyor ise- ek (elektrikli, gazlı, sıcak sulu) ısıtıcı ve aksesuar tercihleri yapılır.

rooftop sekil 8a 

Şekil.8a Tercihler Arayüzü, Filtre Tercihleri Kısmı [7]

rooftop sekil 8b 

Şekil.8b Tercihler Arayüzü, Sulu Isıtıcı Kısmı [7] (Not: Isıtıcı batarya, kapasite ve hava çıkış sıcaklığı olmak üzere iki farklı alternatif ile hesaplanabilmektedir.)

rooftop sekil 8c 

Şekil.8c Tercihler Arayüzü, Elektrikli Isıtıcı Kısmı [7]

rooftop sekil 8d 

Şekil.8d Tercihler Arayüzü, Aksesuar Tercihleri Kısmı [7]

2. Şekil.9’da gösterildiği üzere, ürünü oluşturan tüm ekipmanlara ait veriler hesaplanır ve ilgili kısım altında gösterilir. Hesaplamaların yapıldığı ve detaylı verilerin gösterildiği kısımlar şunlardır:

1. Taze hava bilgileri

2. Dönüş havası bilgileri

3. Egzoz havası bilgileri

4. Karışım havası bilgileri

5. [Uygulanıyorsa] Isı geri kazanım ünitesi bilgileri

6. Soğutucu evaporatör bataryası bilgileri

7. [Uygulanıyorsa] Heat pump bataryası bilgileri

8. [Uygulanıyorsa] Ek ısıtıcı (Elektrikli, gazlı, sıcak sulu) bilgileri

9. Üfleme fanı bilgileri

10. [Uygulanıyorsa] Emiş fanı bilgileri

11. Üfleme ve emiş filtre bilgileri

12. Kompresör bilgileri

13. Kondenser bilgileri (Eğer termodinamik ısı geri kazanım uygulanıyorsa hesaplama buna göre yapılmaktadır. Aşağıdaki örnekte bu durum dikkate alınmıştır.)

rooftop sekil 9

Şekil.9 Tercihler Ara Yüzü, Ekipmanlara Ait Detaylı Teknik Veriler Kısmı [7] (Not: Yukarıda ara yüzde görülen değerler Model 1’e ait hesaplanmış verilerdir.)

4.4. Teknik Özellikler Arayüzü

Tercihler arayüzünde gerekli tercihleri yapıp, ekipmanlar ve bölümlere yönelik hesaplamaları yaparak teknik veriler elde eden kullanıcı, bir sonraki teknik özellikler ara yüzüne geçerek detaylı tüm bilgileri görebilir.

Bölüm 3.’te örnek çalışma şartları ve tasarımı kısmında verilen değerlere uygun olarak yapılan çalışmada, yazılım tarafından önerilen dört ürün modeline ait veriler yukarıda verilmişti. Bu modeller içerisinden Model 1 detaylı teknik bilgileri göstermek için seçilmiştir.

Şelkil.6’da şematik resmi verilen, üfleme ve emiş fanlı karışım havalı rotorlu tip ısı geri kazanım cihazlı bir çatı tipi klima ünitesi olan Model 1’de havanın şartlandırma akışı şu şekildedir:

1. Taze havanın taze hava 1. Kademe G4 filtreden geçirilerek cihaza alınması

2. Taze havanın rotary tip ısı geri kazanım bataryasından geçirilmesi

3. Egzoz havasının ısı geri kazanım bataryasından geçirilerek atılması

4. Taze havanın ısı geri kazanım sonrası karışım hücresine alınması

5. Dönüş havasının mahalden çekilmesi

6. Dönüş havasının filtre edilmesi

7. Dönüş havasının karışım hücresine alınması

8. Karışım havasının karışım hücresinde oluşması

9. Karışım havasının ikinci kademe filtreye tabi tutulması

10. Karışım havasının (yaz koşullarında) dx evaporatör bataryası ile soğutulması (Kış koşullarında) Heat pump ısıtma bataryası ile ısıtılması

11. Şartlandırılan havanın üfleme fanı ile hacme verilmesi

Aşağıda Model 1’e ait ekipman ve ürün kısımlarına yönelik bilgiler verilmiştir. Tablo.4’te Üfleme, emiş, dönüş ve egzost havası debileri, cihaz dışı harici basınç ve taze hava oranı değerleri verilmektedir.

Tablo.5 ve Tablo.6’da Örnek Model 1 için Yaz ve Kış koşullarında taze hava, ısı geri kazanım sonrası taze hava çıkış, dönüş havası ve karışım havası değerleri verilmektedir.

Tablo.7 ve Tablo.8’de Örnek Model 1 için Yaz ve Kış koşullarında rotary tip ısı geri kazanım bataryası bilgileri detaylıca verilmiştir.

Tablo.9’da Örnek Model 1 için Yaz (Soğutma) ve Kış (Isıtma-Heat pump) koşullarında üfleme/evaporatör (Kış dönemi kondenser) bataryası değerleri verilmiştir.

Tablo.10’da Örnek Model 1 için Yaz (Soğutma) ve Kış (Isıtma-Heat pump) koşullarında kondenser (Kış dönemi evaporatör) bataryası değerleri verilmiştir.

Tablo.11’de Örnek Model 1 için kondenser fan değerleri verilmiştir.

Tablo.13’te Örnek Model 1 için üfleme ve emiş filtre değerleri verilmiştir.

Tablo.14’te Örnek Model 1 için üfleme ve emiş fan değerleri verilmiştir.

Tablo.15’te Örnek Model 1 için çalışma durumu performans değerleri verilmiştir.

4.5. Yazdırma ve Projelendirme Arayüzü

Teknik özellikler ara yüzünde detaylı tüm bilgileri gören ve değerlendiren kullanıcı verileri yazdırmak ve kaydetmek için yazdırma ve projelendirme ara yüzüne gelir. Yukarıda verilen teknik bilgilere ek olarak, ünite teknik resmi, ölçüler, konstrüksiyon özellikleri, ünite fotoğrafı, tanıtım bilgileri, vb. ek özellikler de yazılım tarafından üretilmektedir. Yazılımda yer alan yetkilendirme özelliği sayesinde kullanıcı hesapları ile ilişkili olarak bilgilerin bazıları gösterilip, gizlenebilir. Kullanıcı teknik özellikler dosyasını yazıcıdan çıktı olarak alabileceği gibi pdf olarak da kayıt edebilir.

KAYNAKLAR

[1] TUNCAY, E., “Çatı Tipi Klimaların Çalışma Prensibi”, Tesisat Market Dergisi, Haziran 2005

[2] Danfoss, “Best Quality Components For Any RTU Application” article, www.danfoss.com, Erişim tarihi: 06.01.2019

[3] Ravti Blog & Knowledgebase, “Equipment — Packaged Rooftop Unit (RTU)”, https://blog.ravti.com, Erişim tarihi: 06.01.2019

[4] Üretici firma katalogları ve endüstriyel uygulamalar

[5] İklimsoft yazılım ve yayınları

[6] Eneko A.Ş, çatı tipi klima üniteleri kataloğu

[7] İklimsoft Çatı Tipi Klima Performans Hesaplama ve Seçim Yazılımı, www.iklimsoft.com

[8] İklimsoft Çatı Tipi Klima Yazılımı kullanıcısı Eneko A.Ş firması farklı ürün tasarım şablonları