Soðutmanýn Masrafýný Düþürmek BUZ DEPOLAMANIN EKONOMÝK YÖNÜ Increasing Cost Efficiency Economic Aspect of Storing Ice Yazan: Yük. Müh. Christian Sponsel, Prof Dr. Müh. Arnd Hilligweg Çeviri: Korhan Küçümen Kaynak: TGA Fachplaner, Nisan 23 Soðutma için çeþitli cihaz konseptleri mevcuttur. Bu yazýda bunlardan, soðuk buharlý soðutma makinesi ile buz depolama sistemi karþýlaþtýrýlmaktadýr. Buz depolama sistemlerinin yatýrým masraflarý genellikle konvansiyonel sistemden daha ucuzdur. Bu ilave masrafýn kendini amorti edip edemeyeceði sorusu akla gelmektedir. Ýþletme masraflarý bina cinsine baðlýdýr, bu nedenle proje mühendisi kullanýma baðlý olarak çeþitli ptimizasyonlar yapmalýdýr. H V A C D O S Y A S I Tesisat Dergisi Sayý 91 - Temmuz 23 1. Giriþ Konvansiyonel soðutma makinesinde her zaman o an için gerekli soðutma gücü üretilir. Bu nedenle makine maksimum soðutma yüküne göre tasarlanýr, bu yük de ancak dizayn þartýnýn oluþtuðu günlerde ortaya çýkar. Ayrýca soðutma yükü, iç ve dýþ yüklerin etkilerine baðlý olarak gün boyunca deðiþir. Soðutma yükünün deðiþimini gösteren grafikler yük eðrisi veya yük profili olarak adlandýrýlýr. Yük profilinden hareketle konvansiyonel soðutma makinesi hali için, tam ve kýsmi yükte makinenin soðutma Þekil 1. Bir idari binanýn soðutulmasý için gerekli elektrik tahrik gücü (buz depolama olmayan konvensiyonel sistem. ε=4, Q,max =1kW 82 P el [kw] 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 111213 14 1516 1718 19 221 22 2324 Zaman t [h] katsayýsý ε biliniyorsa doðrudan tesis gücü elde edilebilir. Resim 1 hazýrlanýrken yükten baðýmsýz olarak ε=4 olduðu kabul edilmiþtir. Bu varsayým ile maksimum soðutma yükü 1 kw olan bir idari binanýn tipik soðutma yükü dolaylý olarak çizilmiþtir. Elektrik þirketi enerji hattýný baðladýðý için götürü bir ücret almaktadýr. Bu ücret de maksimum baðlantý gücüne göre belirlenir. Elektrik fiyatý örneðin 27 DM/kWyýl tutarýnda ise, okunan maksimum elektrik yüküne göre yük eþitleyici depolama sistemi olmadan yýllýk iþletme maliyeti 67 5 DM/yýl olur. Soðutma gücü Q [kw] 1. 8 6 4 2 Buz deposuyla azami güç sarfiyatýnýn karþýlanmasý Depolama iþletmesi 2. Buz Depolama Sistemi Burada ele alýnan buz depolama sistemi, kýsmi depolama prensibine göre çalýþmaktadýr. Soðutma yükü oluþmayan zaman zarfýnda (binalarda genellikle geceleri) soðutma makinesi buz deposunu þarj eder. Bu sýrada gündüz oluþacak soðutma yükünün bir kýsmý depolanýr. Bina iþletme süresinde soðutma makinesi temel yükü karþýlar. Buz deposunun deþarjý ile temel yüke ilave edilmesi gereken soðutma yükü karþýlanýr [2]. Bir gün boyunca soðutma iþinin bilançosunu çýkarmak için iki kabul yapýlýr: a. Soðutma yükü oluþmayan zamanýn tümü, soðutma iþi depolamasý için kullanýlýr: t L = 24 h - t B [Denklem 1] Bu kabul iþletme ve tarife þartlarýna göre gerçek durumdan sapabilir. Bu þartlar bilinmiyorsa yukarýda kabul makul bir hareket noktasýdýr. Soðutma makinesi ile temel yükün karþýlanmasý 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 Zaman t [h] Þekil 2. Buz depolama ile soðutma yükü diyagramý (kýsmi depolama).
b. Soðutma makinesi þarj iþletmesinde C altý sýcaklýklarda çalýþýr, böylece gündüz iþletmesine (temel yük) göre daha düþük bir soðutma gücü yeterli olur. Burada gece/gündüz soðutma gücü oraný olarak v=,7 hesaplanmaktadýr. Bu kabuller ile, depolama gücü, gündüz temel yükü ve buz deposundan gündüz yükünün tamamlanmasý için Þekil 2'de gösterilen deðiþimler elde edilir. Soðutma yükünün gün içi deðiþimi Þekil 1'dekinin ayný kalýr. Eðer þimdi elektrik sarfiyatý hesaplanýrsa, Þekil 3'te görülen tepe noktasý düþmüþ ve gün boyu eþit daðýlýmlý gidiþat elde edilir. 25 2 P el [kw] 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 Zaman t [h] Þekil 3. Buz deposu ile elde edilen elektrik sarfiyatý Konvansiyonel sistem ile karþýlaþtýrýldýðýnda, çekilen azami elektrik 25 kwh'den 134 kwh'e düþürülmüþtür [3]. Ayný zamanda yýllýk sabit elektrik baðlantý ücreti de bu tasarým ile yaklaþýk yarý yarýya düþmektedir. Ayrýca bunlara ilaveten yük profilinin 24 saat boyunca yaklaþýk sabit kalmasý ile geceleri ucuz tarife elektrik kullanýmý da mümkün olmaktadýr. Her iki etkinin mertebeleri bina tipi ve soðutma yükü profiline baðlýdýr! 3. Maliyet Hesabýnýn Temelleri Soðutma gücünün depolanmasý maliyetine etki eden büyüklükler aþaðýda belirtildiði gibidir: Maksimum soðutma yükü, soðutma yükünün profili, Soðutma tesisinin tipi, Faiz oraný, enerji ve su maliyetleri, Bakým ve onarým faaliyetleri ve Yýllýk tam kapasite kullaným saatleri. Yýllýk tam kapasite kullaným saatleri için tecrübe ile elde edilen deðerler Tablo 1'de [1] gösterilmiþtir. Ayrý ayrý tüm masraflar, çeþitli metotlarla maliyet hesaplarýnda birleþtirilebilir. Bu hesaplama yapýlýrken üç hal arasýnda seçim yapýlabilir [4]. transklima ilan 6,5 cm Tablo 1. Farklý bina tiplerindeki soðutma ünitelerinin çalýþtýrma süreleri Bina Tipi Çalıştırma saatleri Tam kapasite faydalanma saatleri Tam kapasite faydalanma saatleri temel değeri İdari bina 75-1 3-4 35 Hastane 2 8 8 Alışveriş merkezi 15-2 6-8 7 Fuar alanı 125-15 5-6 55 Tiyatro 5-75 2-3 25 Tek bir yatýrýmýn rantabilitesinin kontrolü (fizibilite problemi). Birbirine denk düþen bir veya birden çok yatýrým arasýnda yapýlan tercih yapýlmasý (seçim problemi). Gerçekleþtirilmiþ yatýrýmýn maddesel ve/veya zamana baðlý alternatifi (Deðiþtirme problemi). 83 Tesisat Dergisi Sayý 91 - Temmuz 23
Burada seçim probleminin dikkate alýnmasý gerektiðinden, senelik borç taksiti [anüite] metodunun kullanýlmasý mantýklý ve yararlý olacaktýr. Bu sayede tek bir kerede yapýlan ödemeleri veya devam eden ödemelerine anüite [faizle birlikte yýllýk borç taksiti] faktörü yardýmý ile izleme süresi içinde birleþtirmek mümkündür [4]. Yatýrýmýn borç taksitleri, iþletme masraflarý, bakým ve onarým harcamalarý genel toplamda toplam anüiteyi belirler. X Tesisten faydalanma süresi 15 yýl 5. Spesifik (Özgül) Anüitelerin Hesaplanmasý Verilen sonuçlarýn hesaplanmasý aþaðýdaki gibi yapýlmýþtýr: a. Buz deposu/soðutma makinesi sistemi veya soðutma makinesinin eldeki soðutma yükü profiline göre seçilmesi, b. Yatýrým masraflarýn saptanmasý, c. Paya düþen anüitenin tanýmlanmasý, 8. Fuar Su soðutmalý kondenser Faiz %6,75 Pahalý tarife: 16,68 Pfenning/kWh Ucuz tarife: 12,59 Pfennig/kWh Su fiyatý:3,82 DM/m3 7. Annuitat A [DM/a] 6. 5. d. Ýþletme masraflarýnýn hesaplanmasý, e. Toplam anüiteye eklenmesi, f. Bakým ve onarým masraflarýnýn tahmin edilmesi. Daha yüksek soðutma gücünün komponentler için daha düþük özel yatýrým masraflarýna yol açmasý nedeni ile, toplam anüite için hafif azalan gidiþ oluþmaktadýr. Buna bir örnek, Þekil 4'te fuar alanlarýnýn klimatize edilmesi için gösterilmiþtir. Bina tipinin, tesis konseptinin ve faiz oranýnýn temelde gösterimi için, burada denge polinomu verisinde kaçýnýlmalýdýr. a=149 DM/(a kw) Bunun yerine, tespit edilen spesifik masraflar deðerlendirilmeye alýnan alan üzerinde gösterilmiþtir. Bunlarýn boyutu [DM/ yýl kw)]'týr ve spesifik anüite a deðerini oluþturur: a=17 DM/(a kw) 4. a= 3. A Qmax [Denklem 2] 2. 1. 1 2 Buz depolama sistemi 3 4 Azami soðutma yükü Qmax [kw] 5 6 Konvansiyonel soðutma grubu Þekil 4. Fuar salonlarýnýn soðutulmasýnda toplam masraflar (anüite) 4. Sýnýr Koþullarý ve Giriþ Verileri Elde edilen sonuçlar her bina tipi için ve soðutma tesisi tasarýmý için oluþturulmuþtur, Tablo 2'de toplu þekilde gösterilmiþtir. Tam burada belirtilmelidir ki, buz depolu soðutma sistemi seçilmesi veya seçilmemesi, ileride deðiþecek tüketim masraflarýna göre anüitelerde daha büyük fark yaratmaktadýr.,6 Beþ adet tipik bina çeþidi dikkate alýnmýþtýr: KA ME TH KR VG Tesisat Dergisi Sayý 91 - Haziran 23 Bunlar için kullanýlan soðutma yükü profilleri elde edilmiþ tecrübe bilgilerine dayanýr [1]. Parametre varyasyonlarýndaki ana bilgiler tespit edilmiþtir [5 ve diðerleri]: X Çalýþtýrma (yüksek tarife) Elektrik enerjisi 16,68 Pf/kWh X Çalýþtýrma (alçak tarife) Elektrik enerjisi 12,59 Pf/kWh X Güç fiyatý Elektrik enerjisi 27 DM/kW X Karýþým suyunun Fiyatý 3.82 DM/m3 X Faiz oraný % 6,75 84,55,5 Anüite oraný Va [-] X Alýþveriþ merkezi X Fuar salonu X Tiyatro/opera salonu X Hastane X Ýdari Binalar,45,4 Pahalý tarife: 16,68 Pfennig/kWh Ucuz tarife: 12,59 Pfennig/kWh Su fiyatý : 3,82 DM/m3,35,3 7,5 1 12,5 15 Faiz oraný % VG_KMS TH_KMS ME_KMS KR_KMS KA_KMS VG_ESS TH_ESS ME_ESS KR_ESS KA_ESS Þekil 5. Anüite oranýnýn faize göre deðiþimi (KMS=Konv. soðutma grubu, EMS=Buz depolama destekli soðutma
6. Parametre Varyasyonlarý Spesifik anüitenin tüketim ve yatýrýma baðlý paylara daðýlýmý, anüite oraný V a olarak tanýmlanýr: a v V a = [Denklem 3] a a v a : Spesifik tüketime dayalý anüite : Spesifik toplam anüite Þekil 5'te faiz oranýnýn anüite oranýna etkisi gösterilmiþtir. Görülmesi gereken husus, tüketime baðlý masraflarýn faiz yükseldikçe düþmesidir. Elektrik ve su masrafý deðiþikliklerinin etkisi aþaðýdaki tanýmlama büyüklükleri ile gösterilir: a. Elektriksel çalýþma fiyatýnýn oraný EV NT EV = [Denklem 4] HT NT : Elektrikteki düþük tarife HT : Elektrikteki yüksek tarife b. Güç-fiyat oraný LPV LP LPV = 27 DM/kW [Denklem 5] LP : güncel güç fiyatý 27 DM/kW : referans güç fiyatý c. Su fiyatý oraný WPV WPV = MWP 3,82 DM/m 3 [Denklem 6] MWP : Güncel karýþým suyu fiyatý 3,82 DM/m 3 : Referans karýþým suyu fiyatý [5] WVP sadece açýk yada kapalý buharlaþtýrma ile soðutma yapan ünitelerde etkilidir: Karýþým suyu fiyatý taze su fiyatýna %35 atýk su bedeli eklenilerek çýkartýlmýþtýr. Þekil 6 düþük ve yüksek elektrik tarifeleri oranýnýn spesifik anüiteye yaptýðý ufak etkiyi gösterir. Konvansiyonel soðutma grubunda ise tamamen transklima ilan 6,5 cm 5, Spesifik (özgül) Anüitenin deðiþim [DM/(kW yýl)] 2,5, -2,5-5,,5,625,75,875 1, EV KMS ESS)VG ESS_TH ESS_ME ESS-KR ESS-KA Þekil 6. Yüksek ve alçak elektrik tarifeleri oranýnýn etkisi. Ucuz tarife: 16,68Pfennig/kW NT/HT=,75 temel deðerinde LP: 27 DM/kW Faiz dahildir Su fiyatý: 3,82 DM/m 3 85 Tesisat Dergisi Sayý 91 - Temmuz 23
Spesifik (özgül) Anüitenin deðiþimi [DM/(kW yýl)] 6 4 2-2 -4-6 Þekil 7. Elektrik güç fiyatýnýn soesifik anüiteye etkisi. iþlevsizdir, çünkü bu cihazlar sadece yüksek tarifeli saatlerde çalýþýr. Þekil 7 ise elektrik güç fiyatýnýn daha belirgin etkisini gösterir, özellikle konvansiyonel soðutma grubu (KMS) kullanýldýðýnda bu etki daha belirgindir. Sýnýr deðerleri olarak deðiþmeler okunabilir, bu deðiþmeler hakkýnda güç Pahalý tarife: 16,68Pfennig/kW Ucuz tarife: 12,59Pfennig/kWh 27 DM/kW LPV=1,5 1 1,5 2 KMS ESS OESS_VG OESS_KR ESS_TH OFSS_KA LPV fiyatýnýn silinmesi (LPV=) veya referans deðerinin iki katýna çýkmasý ihtimalleri göz önünde bulundurulmalýdýr. Deðiþken su masraflarýnýn etkileri, Þekil 8'de gösterilmiþtir. Son olarak da tam kapasite kullaným saatlerinin etkileri araþtýrýlmalýdýr. Bunun içinde öncelikle yýllýk çalýþtýrma oraný JBV tanýmlanýr: JBZ JBV = [Denklem 7] RW JBZ : yýllýk çalýþtýrma süresi RW : Tablo 1'den okunan bina tipinin temel deðeri. Ýdari bina örneðinde, yaklaþýk +/-%2'lik yýllýk tam kapasite kullanýmý deðiþiminin, spesifik anüitede +/- 5 DM mertebesinde farka yol açacaðý görülmektedir. Bu düþük etkinin nedenleri elektrik enerjisi için görece düþük çalýþtýrma tarifeleridir. Daha iyi anlaþýlýr olmasý için Þekil 9 JBV>1 bölgesini göstermektedir, JBV<1 için oranlar diyagramda -%2'ye kadar ekstrapolasyon ile bulunabilir. Soðutma tedarikindeki tüm gider bölümlerini kapsayan spesifik anüitelerin uygulanmasýyla birlikte, soðutmanýn ve bina tipinin deðiþik tipleri için etkiler yýllýk iþletme maliyetinde gösterilebilir. Spesifik anüitelerin her faktör ile baðýntýlarýnýn gösterilmesi deðiþen tüketim maliyetinin etkilerini deðerlendirme olanaðý saðlar. Buna baðlý toplam masraflardaki deðiþiklikler, baþtan buz deposu seçilmesi ile kazanýlan maliyet avantajlarýyla karþýlaþtýrýldýðýnda düþüktür. Tablo 2. Çeþitli bina ve soðutma tiplerinin (ESS-buz depolama sistemi, KMS-konvansiyonel soðutma tesisi) spesifik anüiteleri Tesisat Dergisi Sayý 91 - Temmuz 23 86 Spesifik anüite [DM/yıl*kW)] Açık soğutma kulesi 5 18 133 79 128 11 143 135 156 122 151 6,75 114 138 83 133 17 149 14 161 127 156 1 126 149 92 144 118 159 151 172 139 167 15 146 167 16 162 136 177 169 189 159 184 Spesifik anüite [DM/yıl*kW)] Kapalı soğutma kulesi 5 144 23 16 196 134 218 188 237 163 23 6,75 151 211 111 23 14 226 195 245 169 237 1 165 226 121 219 153 241 28 26 183 253 15 189 252 139 245 173 267 231 286 26 278 Spesifik anüite [DM/yıl*kW)] Glikol-soğutucu 5 139 188 99 182 123 2 173 214 149 29 6,75 143 195 14 19 129 27 179 222 156 216 1 157 21 114 25 141 222 193 237 17 231 15 18 235 131 23 161 247 216 262 193 256 Spesifik anüite [DM/yıl*kW)] Doğrudan hava soğutmalı 5 12 162 88 156 112 175 156 19 136 184 6,75 125 167 92 161 117 179 161 194 141 188 1 135 176 99 17 125 188 17 23 151 197 15 152 191 111 185 141 23 186 219 167 212
Dört farklý soðutma tipi tasarýmý deðerlendirilmiþtir. Açýk soðutma kuleli su soðutmalý sistem (R 134a), Kapalý buharlaþmalý soðutuculu salamuralý sistem (R 134a), Salamurayý hava ile soðutan salamuralý sistem (R 134a), Hava soðutmalý kondenserli doðrudan soðutmalý sistem (R 47). 1, Spesifik (özgül) Anüitenin deðiþimi [DM/(kW yýl)] 7,5 5, 2,5, HT : 16,68 Pf/kW NT : 12,59 Pf/kW LP : 27 DM/kW Karýþým su fiyatý : min %35 3,82 DM/m 3 =1-2,5,75 1, 1,25 1,5 1,75 2, 2,25 WPV KMS_VG EES_VG KMS_TH EES_TH KMS_ME EES_ME KMS_KR EES_KR KMS_KA ESS_KA Þekil 8. Su fiyatýnýn spesifik anüiteye etkisi. Spesifik (özgül) Anüitenin deðiþimi [DM/(kW yýl)] 5, 2,5 Ýdari bina HT : 16,68 Pf/kWh NT : 12,59 Pf/kWh LP : 27 DM/kW 1, 1,1 1,1 1,2 1,2, JBV KMS_açýkSK ESS_açýkSK KMS_kapalýSK ESS_kapalýSK KMS_glykol ESS_gylkol KMS_dir_hava ESS_dir_hava global ilan 9,5 cm Þekil 9. Yýllýk çalýþma süresinin bir idari binanýn spesifik anüitesine etkisi (SK=Soðutma kulesi, dir=direkt). Semboller ve Literatür kýsaltmalar [l] Grandegger, K.: Technische Unterlagen t zaman und Auslegungsprogramm für tb çalýþtýrma süresi (soðutma yükü süresi) Eisspeicher. Fa. Fafco Deutschland. Leinfelden-Echterdingen tl buz depolama (þarj) süresi soðutma gücü max. Soðutma yükü [2] Hilligweg, A.: Kälteanlagen (in: Handbuch Facility Management. Hrsg. W. Lutz), eco-med Verlag. Landsberg. Pel elektrik güç sarfiyatý 1998 e güç katsayýsý [3] Sponsel, C.: Ermittlung von v Gece/gündüz güç oraný Kennzahlen zur Beurteilung der A anüite [DM/yýl] Wirtschaftlichkeit von a spesifik anüite [DM/(yýl*kW)] Eisspeicheranlagen. Diplomarbeit im Fachbereich Maschinenbau und Va anüite oraný Versorgungstechnik. Georg-Simon- KMS konvansiyonel soðutma makinesi, Ohm-Fachhochschule Nürnberg. Dezember 2 ESS buz depolama sistemi [4] VDI-Richtlinie 267: Wirtschaftlichkeit VG Ýdari bina gebäudetechnischer Anlagen. VDI- TH tiyatro Verlag Düsseldorf ME fuar salonu [5] Energie- und Wasserversorgung AG KR hastane Nürnberg. Kostenauskunft September KA alýþveriþ merkezi 2 T D 87 Tesisat Dergisi Sayý 91 - Temmuz 23