Standart Isıtma Sistemleri için Pompa Seçimi
Isıtma sistemlerinde kullanılan sirkülasyon pompalarının debi miktarı ısıtılacak binanın ısı tüketimine bağlı olarak değişir. Pompanın basma yüksekliği ise sistemde yer alan borulardaki sürtünme kayıplarını ve diğer dirençleri karşılayacak şekilde hesaplanır. Yeni bir ısıtma sistemi kurulduğunda, binanın kurulacak tesisat şeması ve bilgisayar yazılım programları vasıtasıyla kapasite değerleri kolayca hesaplanabilir. Fakat, mevcut sistemin yenilenmesinde bu hesapların yapılması çok zordur. Bu durumda gerekli pompa kapasite değerlerinin hesaplanmasında birkaç yaklaşım kullanılabilir.
Pompa Debisi
Isıtma sistemlerinde kullanılacak sirkülasyon pompasının debisi şu formüle göre hesaplanır:
P
QPU = ——–––––——, [m3/h]
1,163.∆T
QPU =Pompa debisi [m3/h]
P =Transfer edilen ›s› gücü [kW]
1,163 =Suyun 0 °C-100 °C aras›ndaki özgül ısı kapasitesi [Wh/kg.K]
∆T = Isıtma sisteminde gidifl ve dönüfl aras›ndaki sıcaklık farkı [K], standart sistemler için 10-20 K alınabilir.
Pompa Basma Yüksekliği
Akışkanı ısıtma sisteminin her noktasına taşıyabilmek için, pompa sistemdeki tüm boru kayıpları ve dirençleri yenmelidir. Mevcut bir sistemdeki boru tesisat şemasının çıkarılması ve kullanılan boru çaplarının saptanması çok zor olacağından, pompa basma yüksekliğinin hesabında şu formül kullanılır:
R . L . ZF
HPU = ——––––———, [m]
10.000
R=Düz borudaki sürtünme kaybı [Pa/m]
Burada, standart sistemler için binanın yaşına bağlı olarak 50 Pa/m ile 150 Pa/m arasında
bir değer alınabilir (Eski evlerde doğal sirkülasyonlu sistemlerde çok büyük çaplı borular kullanıldığından sürtünme kaybı olarak 50 Pa/m seçilebilir).
L =En uzun ısıtma hattı (gidiş ve dönüş) uzunluğu [m] veya (Binanın uzunluğu + binanın genişliği + binanın yüksekliği) x 2, alınabilir.
ZF= Düz borunun dışındaki direnç kayıpları için ek faktörler;
Boru bağlantı parçaları için ~ 1,3
Termostatik radyatör vanaları için ~ 1,7
Sistemde bu parçalar da ilave olarak kullanılıyorsa ZF=2,2 alınabilir.
Boru bağlantı parçaları için ~ 1,3
Termostatik radyatör vanaları için ~ 1,7
Karıştırıcı vana/ağırlıkla frenleme sistemi için ~ 1,2
Sistemde bu parçalar da ilave olarak kullanılıyorsa ZF=2,6 alınabilir.
10.000 = Birimlerarası dönüşüm faktörü
Örnek: Çok aileli eski tip bir binanın ısı gücü hesaplamalara veya dökümanlara göre 50 kW.
Sıcaklık farkı ∆T = 20 K, (Tgidiş = 90°C, Tdönüş = 70 °C)
Bu değerlere göre;
50 kW
QPU = ——––——— = 2,15 m3/h
1,163 x 20K
Eğer aynı bina 10 K gibi daha az sıcaklık değişim miktarıyla ısıtılmak istenirse, gerekli ısıyı transfer edebilmek için sirkülasyon pompasının iki katı debiyi (4,3 m3/h) pompalayabilmesi gerekir.
Bizim örneğimizde, eski tip bina olduğundan borulardaki sürtünme kaybını 50 Pa/m, gidiş ve dönüş boru hattı uzunluğunu 150 m ve ek direnç kayıp faktörünü 2,2 (karıştırıcı vana ve ağırlıkla frenleme sistemi olmadığından) alıyoruz.
Bu değerleri pompa basma yüksekliği formülüne yerleştirdiğimizde;
50. 150. 2,2
HPU = —————— = 1,65 m
10.000
Sirkülasyon pompalarının toplam çalışma verimi, motor verimi hm (elektrik ve mekanik olarak) ve pompa hidrolik veriminin hp bileflkesidir.
htot = hm .hp
Isıtma sistemlerinde kullanılan sirkülasyon pompalarının en iyi toplam verimi, pompa eğrisinin orta bölümünde kalan alandadır (è no.lu bölge). Sirkülasyon pompaları ısıtma ömürlerinin %98’inde kısmi kapasiteyle çalıştıklarından, başlangıçta istenen çalışma noktası ò no.lu alanda seçildiğinde bu nokta zaten ortaya kayacak ve pompa en uzun süre en yüksek verimli alanda çalışmış olacaktır.
Direnç arttıkça, pompanın sistem karakteristik eğrisi dikleşir (örneğin, termostatik radyatör vanası kapatıldığında sistemin oluşturduğu direnç artar).
Hesaplanan debi ve basma yüksekliği bilgilerine göre katalogdan Wilo-Star-E Serisi pompayı seçebiliriz.
Boru tesisatını tam olarak bilemediğimiz bir ısıtma sisteminin pompasını varsayılan yaklaşımlarla hesapladığımızda bunun sisteme etkileri neler olabilir? Isı yayan elemanlardan bir radyatörün çalışma eğrisini incelediğimizde; debi % 10 azaldığında odaya verilen ısı sadece % 2 azalıyor, ya da tam tersi için debiyi % 10 arttırdığımızda ısı yalnızca % 2 artıyor. Hatta debiyi iki katına çıkardığımızda odaya yayılan ısı sadece % 12 fark ediyor (Bu tür durumlarda radyatör çıkışındaki su sıcaklığı değişim gösterebilir. Yani debinin iki katına çıkarılması veya debinin yarıya indirilmesi durumunda çalışma koşullarında farklılık görülebilir).
Bunun nedeni, radyatörlerin içindeki suyun hızının direkt olarak debiden bağımlı olmasıdır. Yüksek akışkan hızı demek, radyatörün içinde sıcak suyun kaldığı sürenin kısalması demektir. Düşük akışkan hızı, radyatörün içindeki suyun odaya daha uzun süre ısı vermesi anlamına gelir.
Bu nedenle, pratikte güvenli olsun diye ihtiyaçtan daha büyük pompa seçilmesi tümüyle yanlış bir uygulamadır. Pompa debisini % 50 azalttığımızda da, radyatörler odaya enerjinin % 83’ünü yayabilecek kapasiteye sahip olurlar. Hidrolik kalibrasyon özellikli bir ısıtma sisteminin şematik diyagramı:
Isıtma Sistemlerinde Hidrolik Kontrol
Isıtma sistemlerinde optimum ısı dağılımı ve mümkün olan en konforlu (minimum gürültü düzeyi vb.) işletimi sağlayabilmek için hidrolik kalibrasyon şarttır. Bu ayrıca sistemin tüketiminin çok yüksek veya çok düşük olmasını da önler. Isıtma sistemlerinin boru tesisatında bulunan pompa, sistemin ihtiyacı olan nominal debiyi borulara ve ısı yayan elemanlara taşır. Radyatörlere gereken ısı miktarı, radyatörün boyutları kadar termostat ve kontrol vanalarının ayarlarına da bağlıdır.
Her ısı yayan elemanın doğru debi ve basma yüksekliği temin edebilmesi için, basınç şalterleri, ayar vanaları, ön ayarlı termostatlar ve kontrol vanaları veya ayarlanabilir dönüş borusu bağlantıları tesis edilebilir.
Isı tüketen elemanların tüm ayarları vana ve kontrol birimlerinin imalat özelliklerine (tasarlanan basınç farkı 40-140 mbar) uygun olarak yapılabilir. Bu kontrollere rağmen sistemi hala aşırı pompa basıncına karşı korumak gerekebilir. Örneğin termostatik radyatör vanasının önünde, maksimum pompa basıncı 2 m’yi geçmemelidir. Eğer sistem şartları gereği bu basıncı aşıyorsa, yükselen boru üzerinde basınç şalteri kullanılarak, bu limit değerde kalması sağlanabilir.
Elektronik Kontrollü Sirkülasyon Pompalarının Ayarlanması
Günümüzde kullanılan elektronik hız kontrollü sirkülasyon pompaları bilinmeyen bir sistem için gerekli basma yüksekliğinin ayarlanmasında çok basit bir seçenek sunmaktadır:
• Önce sistem akışının sağlanacağı boru tesisatının dikkatlice kalibre edilmesi gerekir, daha sonra bütün kontrol vanaları açılır.
• Pompanın elektronik aksamı, basma yüksekliğini ayarlayabilmek için buton ve kontrol düğmeleri içerir. Üreticiye bağlı olarak bu butonlar ölçekli olabilir veya olmayabilir. Isıtma sisteminin en uzak noktasındaki radyatörün başında telsizli veya cep telefonlu bir tesisatçıyla en düşük basma yüksekliğinden ayarlanmaya başlanır.
• Sistemin en uzak noktasındaki radyatöre sıcak suyun ulaşmadığı kontrol edildikten sonra, butonu ayarlayarak basma yüksekliği yavaşça arttırılır. Bu arada ısıtma sisteminin durumu (eylemsizliği) gözlemlenir.
• En uzak noktadaki radyatör de ısındığında, set etme işlemi tamamlanır.
Birden fazla pompanın seri ve paralel bağlanmaları
Buraya kadar tek santrifüj pompalı sistemlerden bahsettik, fakat pratikte tekli tip pompaların çalışma değerlerinin karşılayamadığı sistemler de bulunmaktadır. Böyle durumlarda iki veya daha fazla pompa uygulamaya göre seri veya paralel olarak bağlanabilir.
Çok pompalı sistemlerin belirli çalışma fonksiyonlarını anlatmaya başlamadan önce, bu konuda yapılan en temel hataya dikkat çekmek gerekirse; iki özdeş pompa seri bağlandığında basma yüksekliği iki katına çıkmadığı gibi, paralel bağlandığında da debisi iki katı olmaz. Teorik olarak bu mümkün gözükse de, sistemden ve tasarımdan kaynaklanan kayıplar nedeniyle gerçekte olanak dahilinde değildir.
Pompaların seri bağlanması
İki pompa aynı hizada aynı boru hattına bağlandığında, pompa eğrileri birbirine eklenir. Başka bir deyişle pompalar kapalı vanaya karşı çalıştıklarında oluşan basınç iki pompanın basınçlarının toplamı kadardır. Yani debinin sıfır (Q=0) olduğu noktada aynı tip pompalar ise basma yüksekliği iki katına eşit olur. Basma yüksekliğinin sıfır (H=0) olduğu noktada ise, pompalar bir pompanın transfer ettiğinden daha fazla akışkan transfer edemez.
Bu sonuçlara göre pompaların seri bağlanmasında;
• Pompa eğrisinin basma yüksekliği ekseni (H) olan dikey ekseni, sistem karakteristik eğrisi sola yaklaştıkça daha çok artar.
• Pompa eğrisinin yatay eksen olan debi ekseni (Q ) ise yok denecek kadar az artar.
Örnek uygulama: Çoklu pompa devreleri (pompalar seri olarak bağlanır)
Kontrol teknolojisinden kaynaklanan sebeplerle, büyük ısıtma sistemleri çoklu ısıtma devrelerinden oluşmaktadır. Bazen sistemde birden fazla boyler de bulunabilir.
Çoklu ısıtma devreli sistemler
Sıcak su üretim cihazları (HWG) ve ısıtma devrelerinin (HC1 ve HC2) pompaları birbirlerinden bağımsız olarak çalışırlar. Sirkülasyon pompası sistem dirençlerini karşılayabilmek için tasarlanmıştır. Sistemdeki üç pompanın her biri boyler sirkülasyon pompasıyla (BCP) seri olarak bağlanmıştır. Bu pompanın görevi de boyler devresinde mevcut olan dirençlerin üstesinden gelmektir. Teorik olarak ısıtma devrelerindeki pompaların birbirleriyle özdeş olduğu varsayılsa da, her pompanın kapasitesi birbirinden farklı olabilir, bu durumda debiler birbirleriyle uyumlu olarak seçilmediyse tesisatta problem yaşanabilir. Eğer boyler devresindeki pompanın basıncı çok yüksekse, diğer dağıtıcı pompaların emiş tarafı aşırı bir giriş basıncına maruz kalabilir. Bir süre sonra pompa türbin gibi çalışmaya başlar ve sistem hızlıca arızalı çalışmaya ve pompada hasar oluşur.
Pompaların Paralel Bağlanması
İki pompa paralel olarak bağlandığında, pompa eğrileri birbirine eklenir. Başka bir deyişle basıncın olmadığı (H=0) açık vanada çalıştıklarında toplam debi, iki pompanın debilerinin toplamı kadardır. Yani aynı tip pompalar ise maksimum kapasite teorik olarak tek pompanın debisinin iki katı olur. Debinin sıfır olduğu (Q=0) olduğu noktada ise, paralel bağlı pompalar tek pompanın basma yüksekliğinden daha üst noktaya çıkamazlar.
Bu bilgilere göre pompaların paralel bağlanmasında;
• Pompa eğrisinin yatay ekseni olan debi ekseni (Q), sistem karakteristik eğrisi sağa kaydıkça kapasite daha çok artar.
• Pompanın dikey ekseni olan basma yüksekliği (H) ekseninde en çok artış, pompa eğrisinin orta kısmındaki alanda görülebilir.
Örnek: Paralel İşletim
Isı gereksiniminin en fazla olduğu noktada, pompa ß ve è paralel olarak birlikte çalıştırılır. Elektronik kontrollü modern pompalarda, paralel işletim için entegrasyon modüllü veya uygun aksesuarlarla donatılmış elektronik modüllü kontrol üniteleri mevcuttur.
Tekli tip iki adet pompanın ikiz tip pompalara dönüştürülmesinden beri, ısı ihtiyacına göre dönüşümlü olarak ve çeşitli kademelerde geniş spektrumlu pompa ayarlama imkanları bulunmaktadır. Pompa eğrisinden de görüleceği gibi, kesikli çizgi ikiz tip pompanın tek pompasının çalışma eğrisini göstermektedir. Kalın siyah çizgi ise iki pompanın birlikte çalışma eğrisidir.
Pompalardan biri arızalandığında, debi ihtiyacının % 50’si karşılanmaya devam eder. Daha önce gördüğümüz radyatör çalışma eğrisine göre, radyatörler odaya gerekli ısı enerjisinin % 83’ünden fazlasını vermeye devam eder.
Örnek uygulama: Ana ve yedek pompalar
Isıtma sistemlerinin amacı, soğuk dönemlerde yaşama alanlarını ısıtmaktır. Bu nedenle, ısıtma devrelerinde tek pompanın arızalandığı durumlarda diğer pompanın hızlıca devreye girebilmesi ve sistemin durmaması için bir asıl, bir de yedek pompa kullanılması önerilir. Özellikle çok aileli binalarda, hastanelerde ve kamu kuruluşlarında bu uygulamaya geçilmiştir.
Diğer yandan tesisata ikinci bir pompa monte etmek, gerekli fitting ve kontrol vanaları ilk yatırım maliyetini arttırmaktadır. İkiz tip pompaların kullanımıyla, iki adet pompa çarkı ve onları döndüren motorlar tek gövdeye entegre edilmiş ve ikinci pompanın ekstra montaj ve kontrol maliyetleri ortadan kalkmıştır.
Otomatik yedeklemeli işletimde I. ve II. pompalar zamana bağımlı olarak devreye girer (her pompa 24 saatte bir rotasyona tabi tutulabilir), ortak basınç flanşının içine yerleştirilmiş çevrim klapesi yardımı ile pompalar birbirinden soyutlandırılmıştır. Bu şekilde dönüşümlü olarak çalışan pompaların kullanım ömürleri de uzamaktadır. Pompalardan birinin arızalanması durumunda diğer pompa otomatik olarak devreye girer.
Çoklu Pompaların Azami Kapasitede Çalışması
Merkezi boyler ısıtma sistemlerinde (örneğin 20 katlı hastanelerde) olduğu gibi yüksek miktarlarda debi gerektiren sistemlerde birden çok pompa kullanılmaktadır. Bu tip uygulamalarda ihtiyaca göre aynı kapasitede iki ya da daha fazla elektronik entegrasyonlu büyük kuru rotorlu pompalar birbirlerine paralel olarak bağlanabilir.
Kontrol ünitesi yardımıyla sistemin bütününde sabit diferans basıncı (¢p-c) regülasyonu gerçekleşebilmektedir. Böylece radyatörlerdeki termostatik vanaların debi ayarları veya pompaların (örneğin 4 pompalı bir sistemdeki) sıra kontrollü ve rotasyonlu olarak işletimi otomatik olarak yapılmaktadır.
Örnek uygulama: Elektronik kontrol entegrasyonlu ana pompa PH, % 100 maksimum ve % 40 minimum devir hızları arasında sabit diferans basınç regülasyonuyla çalıştırılmaktadır. Ana pompanın, set edilen ¢p değerini sabit tutmakta yetersiz kalması durumunda, kontrol ünitesi sistemdeki diğer pompaları gereksinime göre sırayla işletime almaktadır. Sonradan devreye alınan pompalar sabit devir hızıyla nominal kapasite değerlerinde çalıştırılırken, ana pompaya devir hızı kontrolü uygulanarak, sistemin bütününde regülasyon sağlanır. Pompalar arasında otomatik sıra kaydırması yapılarak, her pompa sırayla değişken debili ana pompa olarak işletilmektedir. Böylece toplam işletim süresi pompalar arasında eşit olarak paylaştırılarak sistemin genel güvenilirliği artırılmaktadır.
En alttaki diyagram sistemin debi-güç eğrisinde, pompaların debilerini işletim şartlarına uygun olarak çalıştırıldığında gerçekleşen enerji tasarrufu gösterilmektedir.
Büyük sistemlerde ömür boyu maliyetler, ilk yatırım maliyetlerinden daha fazla önem arz etmektedir. Elektronik entegrasyonlu 4 küçük pompanın ilk yatırım maliyeti, kontrol ünitesi olmayan tek büyük pompadan daha fazla olabilir. Fakat böyle bir sistemin gerçekleştirdiği enerji tasarrufuyla kendini birkaç senede amorti edebilmekte, ayrıca sessiz ve konforlu bir işletim sağlamaktadır.
Kaynak:
Wilo AG Yayınları; Fundamentals principles of pump technology, Dortmund, 2005.
