SANTRALLERİ SICAK SULU ISITMA DENGELENMESİ. üçüka Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Müh. M

Transkript

1 DEÜ HASTANESİ KLİMA SANTRALLERİ SICAK SULU ISITMA SİSTEMLERİNİN N ISIL VE HİDROLİK DENGELENMESİ Burak Kurşun un / Doç.Dr.Serhan KüçüK üçüka Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Müh. M BölümüB

2 GİRİŞ Değişen dış sıcaklığa bağlı olarak klima santralleri ısı yükünün değiştirilmesi (su tarafında) iki şekilde yapılabilmektedir: a) Sıcak su dolaşım pompaları sabit debide olarak çalıştırılmakta ve değişen dış sıcaklığa bağlı olarak debinin bir kısmı atlatma (by-pass) hattı üzerinden geçirilmektedir. b) İki yollu kontrol vanası ve değişken devirli pompa kullanılarak pompa devri ısı yüküne bağlı olarak değiştirilebilmektedir. Çalışmada DEÜ hastanesi klima santralleri esas alınarak pompa enerji tüketimleri iki farklı durum hesaplanmıştır. Su dönüş sıcaklığının değişimine bağlı olarak jeotermal akışkan tüketimindeki azalma ayrıca hesaplanmıştır.

3 Mevcut Isıtma Sistemi Hastane binası, çok sayıda klima sisteminin beslediği farklı mahallerden oluşmakta olup, bu çalışmada belirli bir bölge incelenmiştir. İncelenen bölgenin santral şeması şekil 1 de gösterilmektedir. Şekilde her bir pompanın beslediği hatlardaki klima santralleri birbirine paralel bağlı bulunmaktadır. Hava üfleme sıcaklığının kontrolü serpantinden geçirilen su debisinin değiştirilmesi ile yapılmaktadır. Pompadan sağlanan debinin bir kısmı klima serpantini atlatma hattından geçirilerek dönüş hattına verilmektedir. Pompalar ısıtma mevsimi boyunca tam yükte çalışmaktadırlar.

4 Su Dönüş Kollektörü Şekil 1 Isıtma sistemi akım şeması Su Geliş Kollektörü P P 12 Su dönüş P 10 Sıcak su geliş (60ºC) P P 6 11 P 4

5 Klima serpantinleri su dolaşımını sağlayan pompa motorlarının yıllık enerji tüketimleri debi ve basma yüksekliği değerleri ve pompa ve motor verimleri kullanılarak hesaplanabilir: Burada, Q pompa : pompa debisini (m 3 /s), P : basınç farkını (kpa) P elektrik : elektrik hattından çekilen gücü (kw) η pompa : pompa verimini, : elektrik motorunun verimini, η motor P elektrik göstermektedir. = Q η pompa pompa P η pompa motor (1)

6 Çalışma süresi boyunca çekilen toplam enerji ise, E = n P elektrik (2) bağıntısı ile verilir. Burada n saat olarak çalışma süresi, ise kw-saat olarak çalışma süresi boyunca çekilen enerjidir. Pompa ve elektrik motoru verimleri sırası ile %70 ve %87 kabul edilerek pompaların nominal debi ve basıncına göre motor güç ihtiyacı ve buna göre beş aylık ısıtma sezonu boyunca (150 gün) pompaların tüm gün çalışarak harcadığı elektrik enerjisi hesaplanmıştır. Göz önüne alınan bölgedeki pompaların nominal debi ve basma yüksekliği değerleri, motor etiket güçleri ve ısıtma sezonu boyunca yıllık elektrik tüketimleri tablo1 de verilmiştir.

7 Tablo1. Elektrik enerjisi tüketimi Pompa Numarası Debi (m 3 /h) H m (mss) Motor Gücü (Hp) E elektrik (kwh/yıl) ,5 788, ,5 788, , ,5 2627, , Toplam 23859,1

8 Klima santrali ısı yükü dış ve iç ortamlar arasındaki sıcaklık farkına göre doğrusal olarak değişmektedir: q = q 0 T T içortam içortam T T dış dış,0 (3) Havanın serpantinden çıkış (üfleme) sıcaklığının ısı yükü ile değişimi denklem (4) ile hesaplanır. T = T T q + T ( ) hava, çıkış hava, çıkış,0 iç iç q0 (4)

9 Su ve hava tarafındaki ısı taşınım katsayılarının yaklaşık sabit kalması halinde, serpantin ısı yükü su ve ısıtılan hava arasındaki logaritmik sıcaklık farkı ile değişir: Tlm (5) q = q0 T Değişen ısı yüklerinde havanın serpantine geliş ve çıkış sıcaklıkları ve serpantine gelen su sıcaklığı bilindiği takdirde, suyun dönüş sıcaklığı logaritmik sıcaklık farkından denemeyanılma yöntem ile hesaplanır: T = lm ( Tsu, çıkış Thava, giriş ) ( Tsu, giriş Thava, çıkış ) T ln T su, çıkış hava, giriş su, giriş hava, çıkış Her bir ısıtma bölgesindeki ısı yükü, aynı zamanda suyun bıraktığı enerjiye eşittir. Buradan gerekli su debisi hesaplanabilir. T T q= m C T su p su lm,0 (6) (7)

10 Serpantin ve atlatma hattından geçen suyun karışımı ile oluşacak dönüş sıcaklığıise denklem (8) ile bulunabilir: T su, karışım m T + m T = m serpantin su, çıkış atlatma su, giriş su, toplam Çalışılan bölgedeki tüm klima santralleri için, su geliş sıcaklığı ısıtma sezonu boyunca sabit ve 60ºC kabul edilmiştir. Tasarım noktası sıcaklık ve ısı yüklerinin hesaplanmasında aşağıdaki kabuller kullanılmıştır. T dış hava = 0ºC; T iç ortam =25ºC; T üfleme = 40ºC T su = 20ºC (60ºC geliş, 40ºC dönüş) İzmir için TS 825 de verilen aylık ortalama sıcaklık değerleri esas alınarak hesaplanmış su debileri ve dönüş sıcaklıkları tablo 2 de verilmiştir. (8)

11 Tablo 2. Aylara göre debi, ısıtma yükü ve su dönüş sıcaklığıdeğerleri Dış Hava Sıcaklığı (ºC) Isıtma Yükü (kw) Serpantin Üzerinden Geçen su Debisi (m 3 /h) Suyun Serpantinden çıkış sıcaklığı (ºC) Atlatma hattı debisi (m 3 /h) Su Dönüş Sıcaklığı (Karışım sonrası), (ºC) Tasarım Ocak Şubat Mart 0 8 9,3 11, , ,1 49,3 40, ,3 20, ,9 95,7 104, ,6 47,4 49 Kasım 13,3 1556,2 34, ,2 50 Aralık 9, ,3 22,3 95,7 47,4

12 Aylık ortalama sıcaklıklar esas alınarak hesaplanan ısı yükünün ve buna bağlı olarak serpantin üzerinden geçen debinin oransal değişimi şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. 60ºC su giriş sıcaklığı için ısıtıcı serpantindeki debi ve ısı yükünün oransal değişimi

13 Değișken Devirli Pompa ve İki Yollu Kontrol Vanası Kullanımı Görüldüğü gibi serpantin debisinin pompa debisine oranı en soğuk ayda bile ortalama %40 ı aşmamakta, buna karşılık pompalar sürekli tam yükte çalışmaktadırlar. Mevcut ısıtma sisteminde kullanılan sabit devirli pompaların değişken devirli yapılması ve üç yollu kontrol vanaları yerine iki yollu kontrol vanaları kullanılması durumunda ise, pompa debisi ısıtma ihtiyacına bağlı olarak değişecektir. Devir sayısı değişimiyle elde edilecek olan debi, basma yüksekliği ve pompa gücü arasındaki ilişki aşağıdaki bağıntılarla ifade edilebilir: 2 3 Q1 n1 H 1 n 1 P 1 n 1 = ; = ; = Q2 n2 H 2 n2 P2 n2 (9)

14 Değişken devirli pompalarda devir değişimi frekans değiştiriciler (inverter) tarafından gerçekleştirilmektedir. Frekans değiştiricilerin tam yükteki kayıpları % 2 ile %6 arasındadır. Motor ve frekans değiştiricinin verimlerinin devir sayısına bağlı olarak değişim örnekleri şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 3. Elektrik motoru ve frekans değiştirici verim değişimi örnekleri

15 Değişken devirli pompa kullanımı ile tüketilen elektrik enerjisi denklem 10 kullanılarak hesaplanabilir: P elektrik = Q pompa P η η η pompa motor FD (10) Burada η FD frekans değiştiricinin verimidir.

16 Basınç Farkının Sabit Tutularak değişken devirle İşletme yapılması Durumu Değişken devirli pompa kullanımında yaygın olarak kullanılan kontrol yöntemi, devir sayısının pompa basma yüksekliği sabit tutulacak şekilde ayarlanmasıdır. Klima santrallerinden geçmesi gereken debi miktarı kontrol vanası yardımı ile ayarlanır. Pompa devri ise basınç sabit tutulacak şekilde değiştirilmektedir. Devir sayısı değişimine bağlı olarak pompa, motor ve frekans değiştirici verimleri de değişmektedir. 4 numaralı pompanın tasarım debisi 8m 3 /saat, Ocak ayındaki talep edilen ortalama debi ise bu değerin % 38 i olan 3,04 m 3 /saattir. Yeni çalışma noktasının pompa basma yüksekliği sabit kalacak şekilde belirlenmesi şekil 4 de gösterilmektedir. Ocak ayı için pompa verimi %50 ve devir sayısı nominal devrin %81 i olmaktadır. Motor ve frekans değiştirici verimleri ise bu devir için grafiklerden sırası ile %85 ve %95 olarak okunur ve pompanın Ocak ayında tükettiği elektrik enerjisi kullanılarak 90 kwh olarak hesaplanır. Diğer aylar ve tüm pompalar için enerji tüketimleri ve devir sayıları benzer şekilde hesaplanmıştır (Tablo 3). Pompa debisinin, çalışma devrindeki optimum debinin %40 ından daha az olmaması istenmektedir. Mart ve Kasım aylarında talep edilen debi değerleri kritik debi değerlerinin altında kaldığı için, bu aylarda pompanın kritik debi değerlerinde işletildiği

17 Şekil 4. Sabit basma yüksekliği için kısmi debideki çalışma durumu

18 Tablo 3. Sabit basınç farkı için 4 numaralı pompanın aylık ortalama debi ve enerji tüketimleri Pompa 4 Aylar Debi (m 3 /h) H m (mss) Verim (%) Devir (%) Q kritik (m 3 /h) E elektrik (kwh)/ay Ocak 3, ,1 2,6 90 Şubat 2, ,4 2,57 85,7 Mart 2, ,54 84 Kasım 1, ,53 83,5 Aralık 2, ,4 2,57 85,7 Toplam 428,9 kwh Diğer pompalar için de benzer hesaplamalar yapılarak ısıtma sezonu boyunca tüketilen toplam elektrik enerjisi kwh olarak bulunur.

19 Basınç Farkının Debi ile Orantılı Değişmesi Debinin azalması ile birlikte, sistemin basma yüksekliği gereksinimi azalır. Basma yüksekliğinin debi ile orantılı olarak değiştirilmesi seçeneği incelenmiştir. Klima santrallerinden geçmesi gereken debi miktarı yine kontrol vanası yardımı ile ayarlanır. Pompa devri ise, basınç debi ile doğru orantılı değişecek şekilde değiştirilmektedir. Boru hatları, vana ve serpantinlerdeki basınç kayıpları dışında ayrıca bir sabit basınç teminine (basınçlı tankın su ile beslenmesi gibi) ihtiyaç duyulmayan sistemlerde, basınç düşümü geçen debinin karesi ile azalmaktadır. Basıncın debi ile doğru orantılı olarak azaltılmasının bu tip sistemlerde işletme ve kontrol açısından bir sakınca oluşturması beklenmez.

20 Basıncın debi ile orantılı olarak azaltıldığı durumdaki çalışma şartları 4 numaralı pompa üzerinden incelenmiştir. Daha önce sabit çalışma basıncı için yapılana benzer şekilde, pompa ve sistem karakteristiği eğrileri Ocak ayında oluşan ortalama pompa debisine karşı gelen çalışma durumu noktası için elde edilmiş ve karşılık gelen devir ve verim okunmuştur (Şekil 5). Tüm aylar için benzer şekilde hesap yapılarak bulunan debi ve elektrik tüketim değerleri tablo 4 de verilmiştir. Diğer pompalar için de aynı işlem sırası uygulanarak hesaplamalar yapıldığında, değişen basınç durumunda ısıtma sezonu boyunca tüketilen toplam elektrik enerjisi 3181,3 kwh olarak bulunur.

21 Şekil 5. Basma yüksekliğinin debi ile doğru orantılı değiştiği çalışma durumu

22 Tablo 4. Basınç farkının debi ile doğru orantılı değiştiği durumda 4 numaralı pompanın aylık ortalama debi ve enerji tüketimleri Pompa 4 Aylar Debi (m 3 /h) H m (mss) Verim (%) Devir (%) Q kritik (m 3 /h) E elektrik (kwh)/ay Ocak 3,04 Şubat 2,72 Mart 2,24 Kasım 1,92 Aralık 2,72 2,3 2,04 1,7 1,5 2, , ,6 22, ,44 17, ,34 15, ,6 22,6 Toplam 106,7 kwh

23 Tüm sistemin toplam debi ve maksimum basma yüksekliğini sağlayan tek pompa ile işletilmesi durumu ayrıca araştırılmıştır. Tasarım noktasında 145 m 3 /h debi ve 12 mss basma yüksekliği sağlayan merkezi (tek) pompa, değişken devirli işletilme durumunda ısıtma mevsimi süresince 3800 kwh enerji tüketmektedir. Tek pompa kullanılma durumunda farklı santraller arasındaki hidrolik dengelemenin korunması için denge vanaları kullanılması önerilir.

24 Tablo 5. Farklı işletme durumları için toplam pompa enerjisi tüketimleri Yöntem Toplam Enerji Tüketimi (kwh) Elektrik Enerjisi Kazancı (%) Sabit Devirli Pompa Kullanımı (Mevcut Durum) Her Zon İçin Ayrı Değişken Devirli Pompa Kullanımı Basınç Farkı Sabit Basınç Farkı Debi İle Doğru Orantılı Tüm Sistem İçin Değişken Devirli Tek Pompa Kullanımı Basınç Farkı Debi İle Doğru Orantılı

25 SICAK SU DOLAȘIM DEBİSİ VE JEOTERMAL AKIȘKAN TÜKETİMİ Mevcut durumda ısıtma yüküne bağlı olarak su debisi ihtiyacı üç yollu kontrol vanaları ile ayarlanıp, pompalar sürekli olarak tam yükte çalışmaktadırlar. Atlatma (by-pass) hattının kullanılmadığı durumda ise dolaşım debisi azalmakta ve dönüş sıcaklıkları serpantin çıkış sıcaklığına eşit olmaktadır. Tablo 2 deki veriler kullanılarak ısıtma sezonu toplam dolaşım su debisi mevcut üç yollu kontrol vanası kullanılan sistem için m 3, iki yollu vana ve değişken devirli pompa kullanılan sistem için ise m 3 olarak hesaplanmıştır.

26 Tüm ısıtma mevsimi için dönüş suyu sıcaklıkları ağırlıklı ortalama değeri üç yollu kontrol vanası kullanılan mevcut işletme durumu için 47,7ºC ve iki yollu kontrol vanası kullanılan işletme durumu için 22,1ºC olarak hesaplanmıştır. Dönüş suyu sıcaklığının düşürülmesi, ana ısı kaynağı olarak kullanılan jeotermal akışkanın tüketimini de azaltacaktır. Hastane jeotermal akışkan geliş sıcaklığının 110ºC ve dönüş sıcaklığının 60ºC civarında olduğu bilinmektedir. İki yollu kontrol vanası sistemine geçilmesi durumunda dolaşım suyu dönüş sıcaklığı yaklaşık 25ºC azalmaktadır. Jeotermal akışkanın dönüş sıcaklığının da aynı miktarda düşmesi halinde jeotermal dönüş sıcaklığı 35ºC olacaktır. Bu durum jeotermal akışkan kullanımının %33 azalması demektir.

27 SONUÇLAR Mevcut işletme durumunda, pompaların sabit devirli olarak işletilmesi ve klima santrali su debilerinin üç yollu kontrol vanaları kullanılarak ayarlanması sonucu fazladan enerji tüketimi olduğu görülmektedir. İki yollu kontrol vanası ve değişken devirli pompa kullanılması durumunda, pompalar sadece ihtiyaç kadar debi sağlamakta ve uygulama yöntemine bağlı olarak farklı oranlarda enerji kazançları elde edilmektedir.

28 Klima santralleri ısıtma sistemi mevcut dağıtım şeması Su Dönüş Kollektörü P 14 Dağıtım hattı P 12 Su dönüş P 10 Sıcak su geliş (60ºC) P P 6 11 P 4

29 De ğişken devirli pompa kullanılması durumu dağıtım şeması (a) Değişken devirli pompalar P 12 Sıcak su dağıtım hattı Su dönüş P 10 Sıcak su geliş (60ºC) P P 6 11 P 4

30 Değişken devirli pompa kullanılması durumu dağıtım şeması (b) Su Dönüş Kollektörü Dağıtım hattı Su dönüş Sıcak su geliş (60ºC) Değişken devirli pompa

31 Sisteme sağlanan basınç sabit tutularak; i. Seçilen bölgenin değişken devirli merkezi tek pompa ile beslenmesi durumunda pompa güç ihtiyacındaki azalma %35, ii. Her bir ısıtma bölgesinin ayrı pompalarla beslenmesi durumunda ise %46, Pompaların, basınç debi ile orantılı değişecek şekilde işletilmesi halinde; i. Tüm sistemin merkezi pompa ile beslenmesi durumunda pompa güç tüketimindeki azalma %83, ii. Her ısıtma bölgesinin ayrı pompa ile kontrol edilmesi durumunda ise % 86, olmaktadır.

32 Değişken devirli pompaların yüksek fiyatları nedeni ile, her bir pompanın değişken devirli pompa ile değiştirilmesi ekonomik olmayabilmektedir. Sadece merkezi pompanın değiştirilmesi halinde geri ödeme süresi daha kısa olmaktadır. Değişken devirli pompa ve iki yollu kontrol vanası kullanılması durumunda, yıllık ortalama su dönüş sıcaklığındaki azalma 25ºC a ulaşmakta ve jeotermal akışkandan yararlanma oranı %33 artmaktadır. Bu durum ekonomik analizde ayrıca değerlendirilmelidir.