PICV Kullanımıyla Enerji Tasarrufu | Siemens
Hidronik sistemlerin dinamik dengelenmesiyle enerji dağıtımında %30’a varan tasarruf sağlanmaktadır. Tasarrufu ve kontrolü bir araya getiren PICV kullanımıyla ilgili detaylar yazının devamında...
19.03.2018 tarihli yazı 2535 kez okunmuştur.
Siemens Enerji Hidronik
Sıcaklıkların Kontrol Altında Tutulması
PICV, tasarruf ve konforu bir araya getiriyor
Basınçtan bağımsız kombine balans vanaları (PICV), bina sıcaklığını optimal ayar noktalarında tutarak, enerji sarfiyatının azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. PICV’ler, binanın hidronik sistemindeki basınç dalgalanmalarını kontrol altında tutmak için dinamik-balanslama yöntemini kullandıklarından, verimli ve etkindirler. Dinamik balanslama yönteminde, iki önemli fonksiyon bulunmaktadır. İlk olarak, ekipmanın (örn. FCU) aşırı beslenmesini ve müteakip hidronik girişimini önler. İkinci olarak ise, sıcaklık salınımlarını önemli ölçüde azaltır. Sonuç olarak, sistem kullanıcıların konforunun sürdürülmesi için daha az enerji kullanır.
► İlginizi Çekebilir: SIMOTION Taşıma Fonksiyonlarını Nasıl Kolaylaştırıyor?
Ayrıca PICV’lerde, sıcaklık dalgalanmaları ve konfor seviyesi azalmalarını ortadan kaldırarak, daha hassas sıcaklık kontrolü sağlayan, ön ayarlı bir fonksiyon bulunmaktadır. Sonuç olarak, kullanıcılar sıcaklık ayarlarını daha az sıklıkla arttırır ya da azaltır ve böylelikle vanaların ürettiği toplam enerji tasarrufuna katkı sağlanır. PICV’ler aynı zamanda, enerji kullanımını daha da azaltan ileri seviye pompa kontrol stratejilerine de olanak sağlamaktadır. Toplamda, PICV’ler %30’a kadar enerji tasarrufu sağlayabilmektedirler. Binada bulunanlar için bütün bir yıl boyunca konfor sağlamak için, neredeyse bütün ısıtma ve soğutma uygulamalarında kullanılabilirler.
Bu makalede, enerji tasarruf yöntemleri ayrıntılı bir şekilde incelenmekte olup aynı zamanda bir örnek olay çalışması sunulmaktadır.
Hidronik Ortamında PICV Kullanımı
Basınç Farklılıklarına Karşı Dinamik Balanslama
Basınçtan bağımsız kombine balans vanaları (PICV), sıcak ya da soğuk su akışının sadece vana hareketine bağlı olmasını sağlar. Çalışma aralığı içerisinde, binanın hidronik sistemindeki basınç dalgalanmalarından etkilenmez. Buna, dinamik balanslama ya da otomatik balanslama adı verilmektedir.
Bu temel fonksiyon, ana akış kontrol vanasına (#1) seri bağlı olarak çalışan ve bir basınç girişi ile membranı kullanımıyla basınç farkını düzenleyen iç fark basıncı regülatörü (Şekil 1, #3) ile sağlanmaktadır. Bundan dolayı, cihaz içerisindeki akım sistemdeki basınç farklarından bağımsızdır ve sadece kontrol vanasının hareketiyle tespit edilir.
PICV’ler standart kontrol vanalarıyla aynı motor arabirimini sağlar. İlave bir harici enerji kaynağı ya da elektrik sensörü kullanılmasına gerek bulunmamaktadır. Fark basıncı kontrolünü çalıştıracak enerji, hidronik sistemin kendisi tarafından sağlanır.
PICV’nin başka bir temel fonksiyonu da istenen maksimum akışın sınırlandırılmasıdır. Tipik olarak bu işlem, akış kontrol vanası hareketinin sınırlandırılması ya da serbest kontrol yolu alanının sınırlandırılması yoluyla gerçekleştirilmektedir (#2).
PICV’ler Hidronik Sisteminin Bütünüyle İlgilidir
PICV’ler, enerji üretimi, dağıtımı ve tüketimi dahil olmak üzere, bir binadaki neredeyse bütün ısıtma ve soğutma uygulamalarında kullanılabilmektedir. En tipik kullanım alanları:
► Sıcak/soğuk su bölge kontrolü
► Isıtma/soğutma eşanjörleri:
- Fan coil üniteleri
- VAV sistemleri (Değişken Hava Hacmi)
► Isıtma grubu
► Soğutma grubu
► Bölgesel ısıtma
Üç farklı şekilde enerji tasarrufu sağlanır
Otomatik balanslama fonksiyonu, bir binadaki ısıtma ve soğutma uygulamalarında üç farklı şekilde enerji tasarrufu sağlar:
► Herhangi bir zamandaki ya da çalışma koşulu altındaki ısı eşanjörüne giden aşırı akışı ortadan kaldırır.
► Komşu kontrol devreleri arasındaki çapraz hidrolik bağlantıları ortadan kaldırarak kontrol hassasiyetini geliştirir.
► Isı eşanjörünün besleme yetersizliği riskini ortadan kaldırarak, ileri seviye enerji dağıtım sistemlerinin uygulanmasına olanak sağlar.
Şekil 1: Mekanik PICV Şeması
1. Akış Kontrol Vanası
2. Ön Ayar
3. Fark Basınç Regülatörü
Aşırı Akışın Önlenmesi
Farklı dirençler, düşük besleme ya da aşırı beslemeye yol açar.
Hidronik ısıtma ve soğutma sistemlerinde, termal enerjiyi üretim alanından tüketici cihazlara dağıtan sıcak ya da soğuk ortam (sade ya da glikol gibi bir maddeyle karıştırılmış su), farklı uzunluklardaki ve çaplardaki boru bölümleri üzerinden taşınmaktadır. Çok katlı binaların söz konusu olması durumunda, aşılması gereken yükselti de değişebilmektedir. Sonuç olarak, enerji üreten ekipmandan her bir terminal ünitesine giden yol boyunca oluşan hidrolik direnci farklıdır.
Her bir terminal ünitesi, gerekli ısıtma ya da soğutmanın sağlanması amacıyla, belirli bir akış için tasarlanır. Akış çok düşük olduğunda, tüketici cihaz yeterli enerji alamaz (düşük besleme). Aşırı akışın (ya da aşırı beslemenin) meydana geldiği tersi durumda ise, akış çok yüksektir ve bundan dolayı terminal ünitesi sağlanan termal enerjiyi yeterli bir şekilde değiştiremez. Sonuç olarak, fazla enerji, enerji üreten ekipmana (örn. Kazan) geri gönderilir ve ekipman bundan dolayı en üst verimlilik seviyesinde çalışamaz.
Farklılıklar, statik balanslama ile normalleştirilir
Bütün tüketici cihazların (örn. FCU) uygun miktarda ısıtma/ soğutma enerjisi almalarını sağlamak için, sistem içerisinde hidrolik direnç uygulanmaktadır. Geleneksel olarak, bu sözde balanslama, standart regülatör vanalarına seri bağlı bir şekilde takılan, manüel balanslama vanalarının (MBV) kullanılmasıyla sağlanır. Bu yöntemde, MBV’nin hidrolik direnci, sistemin nominal çalışma koşulu için mükemmel bir şekilde dengelenmesini sağlamak üzere boyutlandırılır. Sistem, “statik olarak dengelidir”. Ancak bu durum, sadece belirli bir “ideal” çalışma koşulu için sağlanabilmektedir (Şekil 2).
Şekil 2: Tasarım Çalışma Noktasında Çalışan Statik Dengeli Sistem
Statik balanslamaya rağmen aşırı akış devam eder
Ancak, gerçek oldukça farklı görünmektedir. Statik dengeli sistemlerde, belirli kısmi yük koşulları altında aşırı akış söz konusu olabilmektedir. Örneğin, devrelerin bazılarının yarı açık (kısmi yük koşulu) ve diğerlerinin tamamen açık (tam yük koşulu) olması durumunda, aşırı enerji alan tam açık devrelerde aşırı akış söz konusu olmaktadır (Şekil 3).
Şekil 3: Belirli Devrelerin, Kısmi Yük Altında ya da Kapalı Olması Durumunda, Diğerleri Aşırı Akış İçerisinde Bulunur / Büyük Mavi Oklar
Oda sıcaklık kontrolünün artan ya da azalan sıcaklığa tepki vermesinden önce, aşırı akış bir süre devam edebilecektir. Söz konusu geçici aşırı akış aşaması genellikle, yük değişikliğinden (örneğin: bir odanın kullanım amacının değiştirilmesi) ya da ayar noktasının değiştirilmesinden (örneğin: sabahları başlatma aşaması) dolayı meydana gelmektedir.
Aşırı akış enerji verimsizliğine yol açar
Bu aşırı akış, enerji jeneratörlerinin tipine bağlı olmak üzere, iki olumsuz yan etkiye yol açabilecektir. İlk olarak, aşırı akış, suyun sistem içerisinde tüketici cihazlara uygun miktarda ilave enerji iletilmeyecek şekilde taşınmasına 1 ve bundan dolayı ısı eşanjöründe düşük bir sıcaklık farkının oluşmasına yol açar. İkinci olarak ise, soğutucular ile ısı pompalarının söz konusu olması durumunda, aşırı akış enerji jeneratörlerinde verimsizliklere neden olur. Özel tüketici cihazların aşırı akışa maruz kalması, soğutma modunda nominal tasarım değerinden düşük bir dönüş sıcaklığına, ısıtma modunda ise nominal tasarım değerinden yüksek bir dönüş sıcaklığına yol açar ve böylelikle kazanların ve soğutucuların enerji verimliliği sırasıyla %2 ve %3 oranında azalır.
Isı eşanjörü yoluyla ısı transferi, akış hızı ve ısı eşanjöründeki sıcaklık farkıyla doğrudan orantılıdır. Akış hızı ve sıcaklık farkı, kapalı bir sistemde birbirleriyle ters orantılıdır.
Bir soğutma grubunun buharlaştırma sıcaklığının tasarım değerinin 1 derece altında azalması, performansını yaklaşık %3 seviyesinde azaltır. Bir ısı pompasının yoğunlaşma sıcaklığının tasarım değerinin 1 derece üzerinde artması, performansını yaklaşık %2 seviyesinde azaltır.
Kontrol Hassasiyetinin Arttırılması
PICV’ler, dinamik balanslama yoluyla aşırı akışları ortadan kaldırır
PICV çalışma prensibinin açıklamasında belirtildiği gibi, PICV kullanımı, kısmi yük koşullarında maksimum akışı sınırlandırmaktadır ve bu şekilde, doğrudan enerji talebi (üretim, tüketim) ve dolaylı enerji talebindeki (taşıma, dağıtım) artıştan kaçınılabilmektedir.
Hidrolik çapraz bağlantıları binadaki sıcaklık değişimlerini tetikler
Yukarıda açıklandığı gibi, ısıtma ve soğutma sisteminin bir bölümü, örneğin bir seminerin başlangıcında toplantı odasının dolması ve seminer bitiminde boşalması durumunda, enerji talebini geçici olarak arttırabilmekte ya da azaltabilmektedir. Bu durum, farklı zamanlarda ve farklı yerlerde olmak üzere, binanın tamamında gerçekleşebilir.
Sistemin belirli bölümlerinde gerçekleşen enerji talebindeki bu artış, binanın diğer alanlarına sağlanan enerjinin azalmasına yol açmaktadır. Bu alanların sıcaklığı, bunun üzerine, ayar noktasından sapar ve bu sapma oda termostatı tarafından uygun yanıt verilene kadar devam eder. Sıcaklık bunun üzerine, bir artma ve azalma döngüsünü takip eder ve zaman içerisinde istenen ayar noktası yakınında sabitlenir (Şekil 4). Bu etkiye, “hidrolik çapraz bağlantı” adı verilmektedir.
Hidrolik çapraz bağlantıyla ilgili ilk sorun, bina kullanıcılarının sıcaklığın döngü içerisinde en düşük ve en yüksek noktaya ulaştığı zamanlarda, konforsuzluk dönemleri yaşamalarıdır.
Şekil 4: Çapraz Bağlantıdan Dolayı, Sıcaklık Ayar Noktasından Sapar. Oda Sıcaklığının Düzeltilmesinin Gecikmesi, Sıcaklık Dalgalanmalarının Genişlemesine, Konforun Azalmasına ve Enerji Kaybına Yol Açar
Şekil 5: PICV'ler, Basınç Değişikliklerini Otomatik Olarak Kompanse Eder ve Oda Sıcaklığının Ayar Noktasına Çok Yakın Bir Seviyede Tutar
Kullanıcılar, konforsuzluğu azaltmak için ayar noktasını değiştirirler
İkinci sorun ise, kullanıcıların konforsuzluk yaşadıklarında genellikle sıcaklık ayar noktasını değiştirmeleridir. Örneğin, sıcaklık soğuk aylarda döngü içerisinde en düşük noktaya ulaştığında, ayar noktasını birkaç derece arttırabilirler. Bunun üzerine, bütün eğri bir iki dereceye kadar değişir. Ancak birkaç saat sonra, oda sıcaklığı olağandan biraz daha yükseğe çıktığında, aynı şekilde tepki göstermeyeceklerdir. Ayar noktası değişikliği, bütün bir mevsim boyunca kalır.
Benzer bir senaryo, sıcak aylar sırasında gerçekleşmektedir. Oda döngü içerisindeki en yüksek sıcaklıkta bulunduğunda, kullanıcılar soğutma derecesini neredeyse sonuna kadar arttırırlar ancak daha sıcaklık en düşük noktaya ulaştığında geri almazlar.
Hem ısıtma hem de soğutma durumunda, toplam enerji talebi hidrolik bozulmalardan kaynaklanan sıcaklık değişikliklerinden dolayı artmaktadır.
PICV’ler sıcaklık değişikliklerini neredeyse tamamen ortadan kaldırır
PICV’ler kullanıldığında, otomatik balanslama fonksiyonları basınç değişikliklerini kompanse eder. Ayar noktasında daha iyi kontrol hassasiyetine olanak sağlayarak sıcaklık salınımlarını neredeyse tamamen ortadan kaldırırlar (Şekil 5).
Tam darbe kontrol hassasiyetini daha da artırır
Serbest kontrol yolu alanının sınırlandırılmasıyla elde edilen ön ayarlara sahip Siemens PICV’leri tarafından, daha da yüksek seviyede kontrol hassasiyeti sağlanır. Açılışın yönetilmesi için, akış kontrol vanasının tam hareketi sağlandığından, hacimsel akış çok daha fazla kademe kullanılarak tanımlanabilmektedir (Şekil 6). Sıcaklık seviyesi daha küçük kademelerde değiştirilebildiğinden dolayı, sıcaklık dalgalanmaları ile konforsuzluk seviyesi daha da azaltılabilmektedir.
Ayar noktasının değiştirilmesinin önlenmesiyle enerji tasarrufu sağlanır
Sonuç olarak, kullanıcılar orijinal ayar noktasında herhangi bir konforsuzluk yaşamazlar ve bundan dolayı sıcaklık değişikliklerinin en üst seviyelerini kompanse etmek için enerji talebini değiştirmezler. Bu durum, bütün binada, bütün bir sezon boyunca sağlandığında, enerji tasarrufuna önemli oranda katkı sunmaktadır.
Şekil 6: Akış Kontrol Vanası Hareketinin Sınırlandırılması (darbe sınırlandırılması) Yoluyla Elde Edilen Ön Ayarlara Sahip PICV'ler, Kontrol Hassasiyetini Azaltmıştır (mor) . Serbest Kontrol Yolu Alanının Sınırlandırılmasıyla Elde Edilen Ön Ayarlara Sahip Siemens PICV'leri, Tam Darbe Olanağı ile Birlikte Akış ve Sıcaklığının Çok Daha Hassas bir Şekilde Kontrol Edilmesini Sağlamaktadır
Optimal Dağıtım Stratejilerinin Sağlanması
Geleneksel sistemler, sabit basınca ihtiyaç duyar
Değişken hız kontrollü pompalar gibi modern enerji taşıma sistemleri, pompanın basma yüksekliğini ve hacim akışını, talep yüküne göre uyarlamaktadır. Günümüzde, piyasada çok çeşitli kontrol stratejileri bulunmaktadır. Kontrol, fark basıncı, akış sensörü yoluyla etkin hacim, fark sıcaklığı, dış sıcaklık ya da besleme sıcaklığıyla ilişkili olarak gerçekleştirilebilmektedir.
Yukarıda açıklandığı gibi, geleneksel bir hidronik sistemi, “statik olarak dengelidir”. MBV’nin hidrolik direnci, sistemin nominal çalışma koşulu için mükemmel bir şekilde dengelenmesini sağlamak üzere boyutlandırılır. Bu şekildeki bir sistem basınç farklılıklarına hala hassas olacağından, sistem içerisinde sabit bir fark basıncı sağlanmasına yönelik bir pompa kontrol stratejisi tasarlanır (Şekil 7).
Şekil 7: Fark Basıncının Sağlanmasına Yönelik Pompa Kontrol Stratejisi, Sabit Bir Şekilde İstenen Değerde Muhafaza Edilir
Pompalar, gereksiz dirence karşı mücadele etmelidir
Basınç farkındaki herhangi bir azalma, bazı terminal ünitelerinin yetersiz beslenmesine yol açabilecektir. Tam açık durumda olduklarında bile, gerekli akışı alamazlar. Sonuç olarak enerji değişimi yetersizdir ve sıcaklık ayar noktası, artık sağlanamaz.
Gerekli akışın sağlanması için, pompalar, gerçek çalışma koşulları çok daha farklı olsa bile, nominal çalışma koşulunun sağlanması için sisteme tanıtılan hidrolik dirence karşı çalışmak zorunda kalırlar.
PICV’ler akışı muhafaza ettiğinden, pompalar da basıncı optimize eder
Diğer taraftan, PICV’ler aynı akışın daha düşük bir basınç farkında elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Basınç farklı izin verilen PICV çalışma aralığında kalmaya devam ettiği sürece, akış ayarlanan seviyede muhafaza edilecektir (otomatik balanslama özelliği).
Bu, aynı akışın mümkün olan en düşük nokta ile (PICV’nin işletme aralığında kalması için) nominal nokta arasında bir yerde, daha düşük basınç farkında sağlandığı, ileri düzey pompa kontrol stratejilerine kapı açmaktadır (Şekil 8).
Pompa, daha az dirence karşı mücadele eder. Optimal hızda çalışabilir ve aynı performansı sağlamak için çok daha az enerjiye ihtiyaç duyar.
Şekil 8: Fark Basıncı Değişimyle Pompa Kontrol Stratejisi
Gerçek Hayatta Tasarruf
Gerçek Yaşam Örnek Olay Çalışması
Bu belgede açıklanan üç enerji tasarrufu sağlama yolu, büyük bir Suudi Arabistan şehrinde, temsilci nitelikte, çok sayıda sıcak ve soğuk günlerin yaşandığı birçok binanın bulunduğu bir kampüs içerisinde uygulanmıştır.
Bu binada, soğutma için soğuk su ve ısıtma için elektrikli ara ısıtıcılarla birlikte, hava işleme ve fan coil üniteleri bulunmaktadır. Soğuk su sisteminde, aşağıda gösterilen parçalar yer almaktadır:
► 10 soğutucu. Şebeke binasında yerleşik. Dokuzu görevde ve biri standby konumunda; kapasite: Her biri 1370 kW .
► 10 ana soğuk su pompası, sabit hızda. Şebeke binasında yerleşik. Dokuzu görevde ve biri standby konumunda; kapasite: 55 l/s (198 m3/h) @ 30m. Kurulu pompa kapasitesi ile kurulu soğutma kapasitesi (soğutucular) oranı yaklaşık %1,5’dur.
► 10 ikincil soğuk su pompası, değişken hızda. Şebeke binasında yerleşik. Dokuzu görevde ve biri standby konumunda; kapasite: 55 l/s (198 m3/h) @ 55m. Kurulu pompa kapasitesi ile kurulu soğutma kapasitesi (soğutucular) oranı yaklaşık %2,5’dur.
► Her bir binada, talep soğutma yüklerine göre, farklı boyutlarda hava işleme üniteleri (AHU) ile fan coil üniteleri (FCU) bulunmaktadır. Soğutma ünitelerinin soğuk su dönüş borularına elektrik motorlu kontrol vanaları takılmıştır (AHU ve FCU).
PICV’lerle %30’a Varan Tasarruf
Gerçek çalışma ve iklim verileri kullanılarak, aşağıda gösterilen üç yöntemle gerek enerji dağıtımı gerekse enerji üretiminde enerji tasarrufu elde edilmiştir:
► Herhangi bir zamandaki ya da çalışma koşulu altındaki ısı eşanjörü aşırı akışının ortadan kaldırılması.
► Komşu kontrol döngüleri arasındaki çapraz hidrolik bağlantıları ortadan kaldırarak kontrol hassasiyetini geliştirilmesi.
► Isı eşanjörünün besleme yetersizliği riskini ortadan kaldırarak, ileri seviye enerji dağıtım stratejilerinin uygulanmasına olanak sağlanması.
Bu durumda, yapılan tutucu hesaplamalarda bile, bina içerisinde PICV kullanımıyla, enerji dağıtımında %25-30’e kadar ve enerji üretiminde %2-5’e kadar tasarruf sağlandığı kanıtlanmıştır.
Kesin yıllık rakamlarda, bu durum sırasıyla yaklaşık 330 MWh ve 200 MWh değerlerinde ya da toplamda yıllık ortalama 34000 Euro tutarında tasarrufa karşılık gelmektedir.