Header

Chiller Santrallerinin Tasarım ve İşletiminde Enerji Tasarruf Önerileri

21 Ocak 2020 Dergi: Ocak-2020

Yazan: Annie Smith, ES Magazine
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Tesisin enerji tüketimi ve talebinde uzun vadeli etkileri olan chiller’ların tasarımları süresince birçok farklı karar verilir. Buna ek olarak, tutarlı çalışma, kıyaslama ve alt-sayaçlama binanın ömür çevrimi boyunca tasarrufları sürekli kılar. 
Chiller santralleri genellikle binanın kurulum aşamasındaki en büyük masraflarından biri olmak ile birlikte, binadaki enerji tüketimi en yüksek olan birkaç elemandan bir tanesidir. Enerji maliyetlerinin ve talep fiyatlarının artışıyla birlikte, chiller santrallerinin toplam bina performansı ve işletim bütçeleri üzerindeki etkisi de artmıştır. Bu sebepten, chiller santrallerinin verimli bir şekilde çalıştırılması, bina sahibine yansıyacak olan işletim maliyetlerinin en aza indirilmesinde büyük bir öneme sahiptir. Zaman içerisinde, ASHRAE 90.1, “Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings,” yönetmeliğinin chiller gereklilikleri sert bir şekilde artmıştır ki bu endüstrinin sürdürülebilirliğe yönelmesinde büyük bir adımdır. Örneğin, 500 ton’luk santrifüjlü bir chiller’in tam yükteki performans katsayısı (COP), 1975’teki yönetmelikte 3,8 iken, 2016 yönetmeliğinde 6,28’e yükseltilmiştir. Her ne kadar teknoloji ilerlemiş ve üreticiler yüksek ekipman verimliliklerine ulaşmış olsa da, binanın uzun vadeli verimliliği için etkin sistem tasarımı ve işletimi önemli olmaya devam edecektir. 

Şekil 1. ASRAE 90.1 Verimlilik gereklilikleri (Trane, a business of Ingersoll Rand)
 
Chiller Santrali Verimliliğinin Tanımlanması
Yıllar boyunca chiller verimliliği farklı şekillerde ifade edilmiştir: Nominal kW/ton, entegre kısmi yük değeri (IPLV), standart olmayan kısmi yük değeri (NPLV) ve COP chiller seçeneklerinin performanslarını değerlendirmekte kullanılan metriklerdir. Chiller’ler çalışma sürelerinin büyük bir bölümünde kısmi yüktedirler. Bu sebpten IPLV metriği çok kullanışlıdır. IPLV aynı koşullar altında çalışan farklı chiller’ların seçiminde büyük kolaylık sağlar çünkü bu metriğin tanımında chiller’in tam kapasitesinin “y” yüzdesinde ton-saat’inin “x” yüzdesi kadar harcayacağı kabulünü yapar ve her bir koşul için kondenser giriş suyu sıcaklığını tanımlar. Bu tanımlama tüm chiller imalatçılarını eşit şartlara getirir. Bazı durumlarda binanın yük profili ile IPLV’de verilen yüzdeler ile aynı olmayabilir. Bu gibi durumlarda aynı hesaplamayı “isteğe uyarlanmış” yüzdeler ile bina yük profilini tanımlayan NPLV’nin kullanımı uygun olacaktır. Diğer bir istisna ise birden fazla chiller ünitesi (üç, dört bazen daha fazla) olan ve IPLV eğrisi ile uyuşmayan chiller santralleridir. 
Yukarıda anlatılanların tümü önemli olsa da chiller ünitesi, chiller santralinin sadece bir parçasıdır. Genellikle soğuk su pompaları, soğutma kuleleri ve kondenser su pompaları da chiller santralinin elemanlarındandır (Bu tartışmanın amacına uygun olarak su soğutmalı satrallere odaklanılacaktır).  Bu bileşenlerden her birinin santralin toplam enerji tüketimine etkisi olduğundan en iyi ekipman seçimi ve işletiminin belirlenmesi için tüm santral bileşenlerinin analizi yapılmalıdır. Chiller’ın gerçek enerji tüketimi ve elektrik talebi aydan aya ve saatten saate binadaki yüklere bağlı olarak değişim gösterir. Aynı şekilde, soğuk su pompaları, kondenser su pompaları ve soğutma kuleleri de değişen bina yüküne ve sıcaklık, nem gibi dış ortam hava şartlarına uyum sağlar. Chiller santralinin, chiller ünitelerini, pompaları ve soğutma kulelerini içeren, tüm yılı kapsayacak şekilde saatlik analiz simülasyonu bu yüzden büyük önem taşımaktadır.  

Santral Verimliliğinin Maksimizasyonu
Yukarıda bahsi geçen hesaplama metodlarının farklı seviyelerde detayları bulunmaktadır. Buna karşın, genellikle toplam strateji, chiller’in kısmi yükte çalıştığı sürenin maksimize edilmesidir çünkü chiller genellikle kısmi yüklerde en yüksek verimlilik seviyesindedir. Soğuk su pompaları bina yükünü karşılayabilmek için değişken hızlı olmalıdır. Soğutma kulesi fanları kondenser giriş sıcaklığını optimize edecek şekilde çalışmalı ve chiller verimliliğini bir adım daha öne taşımalıdır. Genellikle, bu strateji soğutma kulesi fanlarını yüksek hızlarda çalıştırmayı içerir ama bu yüksek fan enerjisi kullanımı chiller verimliliği ile karşılanabilmelidir.  
Yukarıda bahsi geçenler genel püf noktalarıdır ve her durumda faydalı olmayabilirler. Bu sebepten, santral operatörünün rolü santralin mümkün olan en yüksek verimlilikte çalıştığının garanti altına alınmasında büyük bir öneme sahiptir. Günümüzdeki ileri seviyedeki kontrol sistemleri ve alt sayaçlama teknolojisi sayesinde, bir santral içerisindeki farklı bileşenlerin (chiller, pompa, kule) enerji tüketimlerinin bina otomasyon sistemine (BAS) aktarılması fizibil olacaktır. Operatörler için ideal durum, tüm santralin herhangi bir anda BAS yolu ile tükettiği kW/ton’u görebilmeleri olacaktır. Bu gerçek zamanlı geri bildirim, santrali verimli çalıştırabilmeleri adına operatörlere sunulan başka bir araçtır. 
Gerçek zamanlı görüntülemeye ek olarak, enerji verimli tasarım ve işletimi garanti altına alacak birçok farklı yol vardır. Bazıları aşağıda sıralanmıştır:

  • Delta-T’yi maksimize edin: Chiller santralleri için bir işletim stratejisi, Delta-T’nin optimize edilmesidir. Delta-T, soğuk su besleme sıcaklığı ile soğuk su dönüş sıcaklığı arasındaki farktır. Yaygın olarak “Düşük delta-T sendromu” diye adlandırılan durum, besleme soğuk su sıcaklığı ile dönüş su sıcaklığı arasındaki farkın tasarım yapılırken planlanandan daha düşük olması ile açıklanabilir. Delta-T’nin yüksek olması daha iyidir çünkü ısı transferi daha yüksek seviyededir. Aynı miktarda enerjiyi iki farklı binaya pompaladığımız varsayımında, delta-T’si yüksek olan bina daha çok soğutulur. 
  • Değişken hızlı pompalama: Klima santralindeki yük düştüğünde, soğutma serpantini içerisinden geçmesi gereken soğutulmuş su miktarı da azalır. Pompa üzerinde bir değişken frekans sürücüsü (VFD) bulunduğu sürece soğuk su pompası yavaşlayabilir ve sistemin gerçekten ihtiyacı olduğu kadar suyu serpantine gönderebilir. Bu yaklaşımda dikkat edilmesi gereken kısım, klima santrallerindeki soğutma serpantinlerinde üç yollu vana yerine iki yollu vana kullanılması gerekliliğidir. Üç yollu vanalar soğuk suyun sepantini by-pass etmesini sayacak şekilde tasarlandıklarından pompanın basması gereken su miktarını ayarlayamazlar. Bu tip vanalar ayrıca sıcaklığı değişmemiş olan suyu by-pass ettiklerinden delta-T’nin düşmesine sebebiyet verirler. 
  • Yük eşleştirme: Yük eşleştirme chiller boyutu ile binadaki modüler yükü eşleştirmeyi sağlayan iyi bir tasarım yaklaşımıdır. Örneğin, bir binanın yıl boyunca bir asgari yükü var ise, chiller’lardan bir tanesi tam olarak bu yükü karşılayacak şekilde boyutlandırılırken ek chiller’lar da binanın asgari yük üstündeki yüklerini karşılar. Bu yaklaşımda, bina çok düşük yükteyken (mesela asgari yükteyken) sadece asgari yük için tasarlanmış chiller çalışırken diğerleri kapalı kalabilir.  
  • Entegre su tarafı ekonomizeri: Ekonomizer, bir chiller santralinde serbest soğutmadan faydalanan, genellikle bir plakalı eşanjör şeklinde olan bir özelliktir. ASHRAE 90.1 2010 versiyonunda entegre bir ekonomizer gereklilik olarak belirtilmiştir. Bu basıma göre, yönetmelik ısı eşanjörlerinin chiller’lar ile paralel bağlanmasını, soğuk su dönüş hattının ısı eşanjörü içerisinden geçirilerek bina serpantinlerine tekrar gönderilebilecek şekilde tasarlanmasını söylemektedir. Bu sayede, dış hava koşulları ısı eşanjörünün suyu chiller’in besleme su sıcaklığına ulaşmasını engellediğinde o chiller’in suyu daha fazla soğutabilmesi için başka bir seçenek yoktur ve ısı ejanjörü kullanılamayacaktır. Bu stratejide, borulama sistemi öyle bir entegre edilmelidir ki eşanjörden çıkan su gerektiğinde daha fazla soğutulması için chiller içerisinden geçirilmelidir. 
  • Talep Azaltmayı Keşfedin: Talep azaltma, ekipman işletimini yük talebinin en yüksek olduğu anlarda, örneğin günün ortasında, azaltma uygulamasıdır. Gerekli olmayan ekipmanların kapatılması, sıcaklıkların geri alınması ve talebin en yüksekte olduğu zamanlarda akü kullanılması talep düşürme metodunun örneklerindendir. Bu uygulamanın faydaları elektrik dağıtımı ile alakalı talep maliyetlerinden tasarruf etmektir. Ticari binalara hizmet veren birçok elektrik dağıtım şirketi, elektriği iki yöntemle fiyatlandırırlar: kullanım ve talep. Kullanımda kilowatt-saat başına dolar ($/kWh) baz alınırken talepte faturalama döngüsü boyunca ortaya çıkan en yüksek talep miktarı baz alınır ($/kW). Bazı elektrik dağıtım şirketleri gün içerisinde ne miktarda elektrik arzı yapmaları gerektiğini daha iyi tahmin edip ayarlayabilmek için müşterilerini gerçek zamanlı talep düşürmelerine teşvik ederler.

Bu işletimsel strateji, sıcaklığın tepe yaptığı anlarda şebekeye beslenmesi gereken ekstra yük sebebiyle gitikçe daha çok dikkat çekmektedir. Enerji ve Çevresel Tasarımda Liderlik (LEED) sertifikasyon programını oluşturan Birleşik Devletler Yeşil Bina Kurulu (USGBC), talep reaksiyonu ile şebeke güvenilirliğini artırabileceğinin ve sera gazı emisyonlarının azaltılabileceğinin altını çizmektedir. LEED’in en son versiyonu olan v4 ve v4.1; mevcuttaki bir talep reaksiyon programına katılım halinde olmaya 2 puan veya gelecekte bir talep reaksiyon programına dahil olabilmek için altyapı hazırlamış olmaya 1 puan kredi vermektedir. En yüksekteki elektrik talep miktarını azaltarak, bina sahibi aylık enerji maliyetlerinde tasarruf sağlayabilir. 

Verimliliği Sürdürmek
Verimliliği elde etmek için metodları gözden geçirdikten sonra şimdiki sorumuz bu tasarrufları binanın ömür çevrimi boyunca nasıl devam ettiririz. Bir binanın ne kadar verimli olarak işletildiğini ölçmenin yolu kıyaslama yapmaktan geçmektedir. Kıyaslama, yıllık enerji kullanımının ve enerji ile ilgili maliyetlerin ft2 bazında izlenmesi ve elde edilen verilerin benzer binalar ile karşılaştırılması sürecidir. En yaygın kıyaslama metrikleri, ölçüm birimi kBTU/ft2/ yıl olan Enerji Kullanım Yoğunluğu (EUI) ve ölçüm birimi $/ft2/yıl olan Enerji Maliyet Indeksi’dir (ECI). “Kıyaslama Binası” aynı iklim alanında bulunan, benzer fonksiyonlara, iskan miktarına ve boyutlara sahip olarak belirlenmiş bir binadır. Enerji kullanımı ve maliyetler için hazırlanan Energy Star ile U.S. Department of Energy’nin (DOE) ve Laerence Berkeley National Laboratory’nin hazırladığı ‘Building Performance Database’ gibi veritabanları mevcuttur. 
Kıyaslama birçok bina sahibi için yaygın bir uygulamadır ve bazen yerel kanunlar tarafından gereklilik olarak tanımlanmıştır. Örneğin, St. Louis şehrinde 50.000 ft2 ve üzeri binaların kıyaslanmasını, enerji ve su kullanımlarının yıllık olarak raporlanması zorunlu kılınmıştır. Şikago’da da benzer bir yasa olmasının yanında şehre her bir binanın verilerinin kamuya açık olarak görüntüleyebilme yetkisi verilmiştir. Her ne kadar kıyaslama için kamuya açılan veritabanları chiller santrallerinin enerji kullanımını tüm bina verisinden ayrı bir şekilde içermeseler de, hala bu teknik bina performansının izlenmesi için iyi bir başlangıçtır. Benzer bir strateji alt-sayaçlama yapılması durumunda da uygulanabilir. Eğer chiller santrali alt sayaç takılacak ise, bu veri zaman içerisinde işletim ve verimlilikteki değişimleri gözlemlemek adına kullanılabilir. 
Binanın işletimi üzerindeki maliyet tasarruflarını arttırmak için diğer bir strateji ise sayaçlamadır. Bina içerisindeki genellikle ayrı elektrik panolarına bağlı olan farklı sistemlerin kendilerine ait alt-sayaçları vardır. Enerji kullanımını binadaki farklı alt-sayaçlar ile takip etmek bina içerisindeki en yüksek enerji tüketen sistemleri bulmak adına çok faydalı bir yöntemdir. Chiller’lar, soğutma kuleleri ve pompalar gibi büyük mekanik ekipmanlara alt-sayaçlar bağlamak faydalı olacaktır. ASHRAE 22-2012 numaralı “Instrumentation for Monitoring Central Chilled-Water Plant Efficiency,” talimatında chiller santralinin güç tüketimini gerçek zamanlı olarak görüntüleme ve takibi için tavsiyelerde bulunmaktadır. Bu talimat elektrik tüketiminin, sıvı akışının, sıcaklığın ve sistem verimliliğinin ölçümünde kullanılan metodlar ve cihazlar için tavsiyeler içerir. Alt-sayaçlar sistemde mevcut olduğunda operatör farklı işletim metodlarında toplam sistemin güç kullanımının nasıl etkilendiğini görebilir. Örneğin, nispeten düşük yükte daha fazla sayıda chiller çalıştırma ile nispeten yüksek yükte daha az sayıda chiller çalıştırmanın sistemin toplam güç tüketiminde farklı etkileri olacaktır. Alt-sayaç kullanımı ile, operatörün bu etkileri tahmin etmesine gerek kalmayacak, gerçek zamanlı alt-sayaç verilerine bakarak hangi metodun daha az enerji tüketimine sebebiyet vereceğini görebilecektr.    
Bu strateji LEED sertifikasyonu tarafından da tanınmış ve enerji tasarrufunun sürekli kılınması adına faydalı bir araç olarak kabul edilmiştir. LEED v4 BD+C, Advanced Energy Metering (Gelişmiş Enerji Tüketim Ölçümü) için 1 puan kredi tanımlamıştır ve bu krediyi elde edebilmek için binanın toplam enerji tüketiminin %10’u ve daha fazlasını oluşturan tüm bina bileşenlerine uygulanması kuralını zorunlu kılmıştır. Bu krediyi binanın tasarım sürecinde elde edebilmek için, binanın tüm bileşenlerini yılın 8.760 saati boyunca simüle edebilecek bir enerji modelinin oluşturulmasıdır. Bu proses sayesinde binanın hangi komponentlerinin enerji tüketiminde en büyük paylara sahip olduğu ve alt-sayaçların nerelere konulacağı kararlaştırılır. Bina işletime geçtiğinde, alt-sayaçlar operatörlere ve enerji müdürlerine binadaki günlük operasyonların enerji tüketimi üzerindeki etkilerini gösterirler.    

İnsanı Göz Önünde Bulundurmak
Her ne kadar yukarıda sıraladıklarımız kulağa teoride müthiş olarak gelse de, tüm hepsini gerçekleştirmek için iyi bir takım olmazsa olmazdır. Yüksek performanslı bir bina için aşağıda sıraladığımız birkaç kişi anahtar role sahiptir.

  • Bina Sahibi: ileri seviyede ölçüm teknikleri ve yük talebi dağıtımı ile daha yüksek verimlilikli sistemlerin (genellikle ilk kurulum maliyetleri yüksek olan) bina ömrü boyunca ortaya çıkan maliyet avantajlarının peşini bırakmamalıdır. Bir bina sahibinin bu yaklaşımın faydalarını bilmeli ve bina içerisinde iskan haline olanların ne şekilde etkileyebileceğini anlamalıdır ki bu faydaları hem bina görevlilerine hem de binada iskan halinde bulunanlara daha iyi anlatabilsin.  
  • Tasarım Ekibi: Tasarım ve inşa süreçleri boyunca, projelerinin verimli bir şekilde hayata geçtiğini garanti altına alabilmek için, tasarlama, hesaplama ve koordinasyon deneyimine sahip olmalıdır. Projenin enerji tasarruflarını ve dolayısıyla maliyet faydalarını doğru bir şekilde öngörmeleri çok önemlidir. Bu sayede bina sahibi de bu doğrultuda kararlar verebilir. 
  • Devreye Alma Ekibi: bina sahibinin proje gerekliliklerini doğru bir şekilde dokümante edebilmesi için tasarım prosesinin başından itibaren sürece dahil olmalıdır. Ayrıca, teslimatlarda tasarım çizimlerini gözden geçitrmeli, inşa süraci bitince binanın devreye alınmasında aktif rol oynamalı ve binanın devreye alma sürecinde ortaya çıkan sorunları çözüme kavuşturmalıdır. Devreye alma ekipleri tüm projelerin başarısında keritik rol oynamakta ve verimli tasarımları gerçeğe dönüştürmektedir. 
  • Bina Operatörleri: Tasarım sürecinde öngörülen tasarrufların sürekliliğinin sağlanması adına bir verimli bir chiller santralinin başarılı bir şekilde işletilebimesi için yeterli bilgi birikimine sahip olmalıdırlar. Ayrıca bina yük-dağıtımı modunda çalışırken sürece tamamen dahil olmaları ve bu çalışma şeklinin sorunsuzca devam etmesindeki rollerinin önemine haiz olmalıdırlar. 
  • Enerji Yöneticisi: Bina kullanışı ömrü boyunca enerji kullanımı takibi, yıllık kıyaslama, sayaç verilerinin alaşılması ve bina sahibi ve operatörlere sürekli olarak geribildirim verebilmek için süreçlerin hep içinde olmalıdır. Bu rolün en büyük önemi tasarrufların doğru şekilde dokümante edildiğinin ve orjinal tasarruf tahminleri ile karşılaştırıldığını garanti altına almasıdır. 

Chiller santralleri bir binanın projelendirme süresince hedeflediği enerji tasarrufu miktarına ulaşmayı hem başarılı kılacak hem de başarısızlığa uğratabilecek en karmaşık bileşenlerden biridir. Deneyimli bir tasarım ekibi chiller santrali tasarım seçeneklerini değerlendirmek ve bina sahibine tavsiyeler verebilmek konusunda çok büyük önem arz eder. Binanın tüm faydalı ömrü boyunca hedeflenen enerji verimliliğinin yakalanbilmesi adına; tasarım, inşa ve işletim boyunca tam bir takım oyunu sergilenmesi çok önemlidir. 

*Çevirmen Notu: Bu makalede; bir binanın özellikle tüm tüketiminin sayaç ile takibinden sayaçlama (metering), alt sistemlerinin ayrı sayaçlar ile takibinden de alt-sayaçlama (sub-metering) olarak bahsedilmiştir.