BİNA OTOMASYON SİSTEMİ VE ISI GERİ KAZANIMI

BİNA OTOMASYON SİSTEMİ VE ISI GERİ KAZANIMI

BMS AND HEAT RECOVERY

Özet :

Bu bildiride sabit plakalı ısı geri kazanım cihazları, bina otomasyon sistemi aracılığıyla incelenerek istenen keşullarda çalışıp çalışmadığı araştırılmıştır. Bu tür sistemlerin sıcaklık, nem ve entalpi ile ilişkiler incelenmiş ve doğrudan geçiş damperleri ile dış havanın soğutmada kullanılmasının daha etkin olduğu gözlenmiştir. Tüm bu araştırma hiç bir aktif müdahalede bulunmadan, sekiz ay boyunca bina otomasyon sistemi tarafından toplanan verilerin incelenmesi sonucunda, tamamiyle parasız bir işletim sistemi ve parasız yazılımlarla gerçekleştirilmiştir.

In this paper, fixed plate heat recovery devices have been studied by means of building automation system to search if they have been working at their optimal conditions. Their performances with regard to temperature, humidity and enthalpy have been studied. The better performance of free cooling has been proven for cooling mode. During all this study, the data of eight months that BMS had collected were used for passive commissioning with open source software under a free operating system.

Giriş :

Özellikle son yıllarda personel verimliliğinin, iç hava kalitesi, sıcaklık ve nem ile doğrudan ilişkili olduğunun belirlenmesi binalarda daha fazla taze hava kullanımını gündeme getirmektedir. Özellikle ülkede gittikçe artan sağlık yatırımları da 100% temiz havalı klima santralleri uygulamalarını belirgin şekilde artırmıştır.

Doğal olarak daha fazla dış hava kullanımı, daha fazla dış havayı koşullandırmak ve sonuç olarak da daha fazla enerji harcamak anlamına geleceği için tesisat mühendisleri çareyi ısı geri kazanımında bulmaktadırlar.

Lokanta, toplantı salonları, tiyatro, sinema, gece kulüpleri, disko, alışveriş merkezleri, okul, spor salonları, kapalı yüzme havuzları gibi insanların yoğun olduğu yerlerde ısı geri kazanım uygulamaları gittikçe daha büyük bir kullanım alanına ulaşacak gibi gözükmektedir.

Isı geri kazanımı ile ilgili çeşitleri saymak istersek, sabit plakalı eşanjörler, ısı tekerlekleri ve ısıl borular sayılabilirler. Isı geri kazanım sistemimin ciddi çalışma yapan bir proje mühendisi için daha karmaşık bir sistemi gündeme getirdiği açıkça gözükmektedir.

Gözükmeyen gizli sorun ise ısı geri kazanımı ile ilgili ünitenin, üreticinin belirrtiği performans verilerinden uzakta olmasıdır. Diğer bir zorluk da montajın cihaz performansını olumsuz yönde etkileyecek biçimde yapılması şeklinde ortaya çıkmaktadır.

Isı geri kazanım cihazları laboratuarlarda test edilerek, oluşacak hatalar minimum olacak şekilde sertifikalandırılmaktadırlar.

Bu testleri kabaca sıralayacak olursak:

Duyulur enerji etkinliği, nem geçisi ya da gizli ısı etkinliği, entalpi ya da total enerji etkinliği, besleme havası tarafındaki basınç düşümü , egzost havası tarafındaki basınç düşümü, egzost havası geçiş oranı (EATR) , dış hava düzeltme çarpanı (AOCF) ve geri kazanım etkinliği oranı (RER).

ARI ya da EUROVENT test laboratuarlarında bile belirsizlik yani hata oranı minimum ±5 olarak ortaya çıkarken, ASHRAE’nin test yöntemi ise benim diyen üreticinin bile bulundurmakta zorluk çekeceği bir deney düzeneğini gerektirmektedir. Sertifikasız ürünlerde ise, bu belirsizlik oranı ±10 ..30 aralığında değişmektedir.

Tasarımcı ya da mal sahibi system bir kez kurulduktan sonra üretici firmayı kolay kolay sorumlu tutamamaktadır. Kurulu ısı geri kazanım sistemlerinden test verileri almak ve değerlendirmek en pahalı işlemlereden birisidir ve çok az yapılabilmektedir.

İşte bina otomasyon sistemi burada ilginç bir test cihazı olarak ortaya çıkabilmektedir. Tasarımcı, mal sahibi ve işletmeci olabilecek tüm değişik koşulları içeren, bir yılı kapsayan verilerle bir performans gerçeklemesi yapabilir. Yapılan ilk denemelerde kalıcı rejimde oluşan değişikliklerin yaklaşık 10 dakikalık bir süreci içerdiği tespit edilmiş ve 5 dakikada bir alınacak kayıtların uygun olduğu anlaşılmıştır.

Aurıca bildiride bu tür sistemlere verilmesi gereken giriş çıkış noktaları da önerilecektir.

Isı Geri Kazanımlı Değişken Debili Klima Santralleri

Iki ayrı binada değişik katlarda uygulanan fan-coil + taze hava tesisinin taze havası; toplam dört adet % 100 dış havalı, ısı geri kazanımlı değişken debili klima santralleri vasıtasıyla sağlanmaktadır.

Klima santralleri, kış mevsiminde de soğutma yapabilecek şekilde (16 – 18 C hava üfleyecek) dizayn edilmiştir.

CİHAZ NO: KS-1	5-1. Katlar Doğu Zonu Taze Hava Santralı
CİHAZ NO: KS-2	5-1. Katlar Batı Zonu Taze Hava Santralı

Vantilatör (FC)	19.250 m3/h – 650 Pa
Aspiratör (FC)	14.885 m3/h – 500 Pa

Damper kontrolü yapıldıktan sonra vantilatör zamana bağımlı veya manuel olarak devreye alınır.

Kış mevsiminde mahal besleme havası 16 – 20 C arası bir değer seçilebilir. Besleme havası işletmeci tarafından farklı bir değere ayarlanmamışsa, zamana ve dış havaya bağlı olarak program tarafından ayarlanmaktadır. Sabah saat 08:10’dan gece saat 24:00’ a kadarki zaman dilimi için olan değişim aşağıdaki tabloda verilmiştir,

Gece saat 24:00’ dan, sabah saat 08:10’ a kadarki zaman dilimi içinse besleme sıcaklığı, işletmeci tarafından farklı bir değere ayarlanmamışsa, program tarafından, 10.0 C dış hava sıcaklığı için 24.5 C, 14.0 C için 24.0 C, 17.0 C için 23.0 C olarak ayarlanmaktadır.

İstanbul için –3 C olan minimum dizayn sıcaklığındaki dış hava, reküperatörden geçerek 22 C iç havanın sıcaklığından yararlanarak, 12 C’a kadar ısınmaktadır. (Reküperatör verimi % 60 kabul edilmiştir.) Isı geri kazanım devresi, dış havadan faydalanarak soğutma modunda by-pass devresi üzerinden çalışması durumunda, otomasyon sistemi dış hava sıcaklığını izlemekte ve 9 C’ nin altında by-pass çalışmaya izin vermemektedir. Diğer durumlarda, mahalin ısıtma ya da soğutma ihtiyacına göre, dış havanın ısı geri kazanım eşanjöründen geçirilmesi ya da by-pass devreden dolaştırılması otomasyon sistemi tarafından ayarlanmaktadır.

Aynı verim kabulu ile +7 C dış sıcaklıkta, havanın reküperatörden çıkış değeri 16 C olmaktadır.

Kış mevsiminde konfor şartlarından bir diğeri de ortam nemini kontrol ederek istenen değerde tutmaktır. Bunun için her bir santral de bir buharlı nemlendirici bulunmaktadır. Üfleme ve dönüş kanalı üzerinde bulunan nem hissedicileri vasıtasıyla nem kontrol edilerek, nemlendiriciden gerektiği hallerde buhar verilir. Buharlı nemlendirici çalışır durumdayken klima santrali kapatılmak istenirse, otomasyon sistemi şu yolu izlemektedir: Önce buharlı nemlendiriciye gönderilen çıktı kesilmektedir. Klima santrali ve kanallarında buharın yoğuşma riskini önleyip, kanalların kurumasını sağlamak için, otomasyon programı klima santralini ortalama 3 dakika daha çalışmaktadır. Santral, bu süre sonunda program tarafından durudurulmaktadır.

Bu klima santrallerinin fanları, binadaki ofis katlarının bazılarının bağımsız olarak kullanılabilmesi için frekans konverterli seçilmiştir. Katlardaki tüm üfeleme ve dönüş branşmanlarında motorlu yangın damperleri bulunmaktadır. Kullanılmayan katın motorlu yangın damperleri kapatıldığında kanal sisteminde yükselecek basınç, basınç hissedicileri vasıtasıyla hissedilerek fanların devri düşürülür ve basınç set değeri yakalanır. Böylece fanların gereksiz yere fazla eneri tüketimi önlenmiş olur.

Yangın alarmı alındığında, alarm alınan katın üfleme damperleri kapatılır, dönüş damperi açık kalır; yangın olmayan katlarda ise üfleme damperleri açık kalır, dönüş damperi kapatılarak; yangın çıkan kat (-) negatif, diğer katlar (+) pozitif basınçta tutularak yangının yayılması önlenir. Yangın alarmı alındığında santralların frekans konverterleri devre dışı kalarak fanlar maximum hızda çalışırlar.

Sistem sabah ilk çalışmaya başladığında hızlı fan coiller huzlı ısıtma mdodunda çalışmaya başlayabilirler.

Çalışmanın Gerçekleştirilmesi

5 dakikada bir toplanan trenler araştırılarak, sistem için en uygun nokta listesinin belirlenmesi ve ısı geri kazanım çıkışındaki sıcaklığının hangi dseğişkenlere bağlı olduğunun araştırılmasıdır. Bina otomasyon sisteminde toplanan sadece 2005 yılının son 5 ve 2006 yılının ilk 2 ayına ait 5 milyon kayıt, sadece bu dört klima santraline ait olan 100.000 kayıta indirgenerek araştırma gerçekleştirilmiştir.

Dış Hava Sıcaklık Sensörü ya da Isı Geri Kaznım Giriş Sıcaklık Sensörü

Öncelikle ısı geri kazanım kutuusnun girişinde bulunan sıcaklık sensörünün dış hava sensörü ile ilişkisini araştıralım.

Şekilden de görüldüğü gibi tüm bina otomasyon sistemi için ortak olan dış hava sıcaklık sensörü ve ısı geri kazanım ünitesinin girişindeki sıcaklık sensörünün gösterdiği değerler bire bir örtüşmektedir ve yukardaki şekilde menekşe renkli çizimin altındaki siyah renk ile örtüşmesini görebiliriz.. Bu sensörün ayrıca verilmesinin nedeni, her hangi bir nedenle dış hava sensörü arzıalandığında bu sensör ile serbest soğutma işleminin sağlanabilmesidir. 5 yıldır çalışan bu sistemde böyle bir arıza kayıtlarda gözükmemektedir.

Isı Geri Kazanım Verimliliğinin İzlenmesi

Çoğunlukla bu tür sistemlerde plakalı sabit havadan havaya ısı geri kazanım unitesinin çıkışlarına hiç bir sensör konulmamaktadır. Bu durumda reküperatör’ün normal çalışıp çalışmadığını tahmin edebilme yolumuzu araştıralım.

Toplanan verilerde soğutma ve ısıtma vanaları ile nemlendiricinin tam kapalı olduğu durumları seçerek etkilerini yok etmeye çalışalım.

Pratik ısı geri kaznım hesaplanmasında hava debisi çoğunlukla ihmal edilmektedir. Bizim uygulamamızda hem klima santrallerimiz değişken debili olduğu, hem de daha kaliteli bir hesaplama yapmak için debileri göz önüne alacğız.

Isı Geri Kazanım Verimliliği,

Üfleme Debisi*(Üfleme Değişkeni-Dış Hava Değişkeni)

------------------------------------------------------------------

Küçük Debi * (Dönüş Değişkeni – Dış Hava Değişkeni)

Burada değişken, uygulamaya göe sıcaklık, nem ya da entalpi olabilir. Küçük debi ise üfleme ve egzost debilerinden küçük olanıdır.

K01 Klima Santralinin incelenmesi

Klima santralerinin trendlerinden alınan dosyaların genel yapısı aşağıdaki şekilde görülmektedir.

Aşağıda araştımalarımız sonucunda ortaya çıkmış istatistik değerleri görüyoruz.    

Yukardaki çalışmalara benzer çalışmalarla her bir eşanjörün çıkış sıcaklığı, dış hava sıcaklığına bağlı olarak aşağıdaki formüller ile belirlenmiştir.

K01=((-1,30220049365621E-02 * DISHAVASICAKLIGI) + 0,891506553917129)

K02=((7,3660737761017E-03 * DISHAVASICAKLIGI) + 0,53882137073293)

KA1=((-5,56127259043617E-03 * DISHAVASICAKLGI) + 0,706530543137844)

KA2=((-2,4658421412279E-03 * DISHAVASICAKLIGI) + 0,684813726931465)

Klima Santrallerindeki Değişkenlerin Birbirlerine Bağımlılığının Araştırılması

	DNS HAV SCK	IGK CIK H SCK	IGK GRS H SCK	UFL HAV SCK	DIS HAV SCK	Verim	DNS HAV NEM	UFL HAV NEM	DIS HAV NEM	DNS ENT	UFL ENT	_DIS ENT
DNS HAV SCK	1,00
IGK CIK H SCK	-0,15	1,00
IGK GRS H SCK	-0,25	0,82	1,00
UFL HAV SCK	-0,17	0,86	0,88	1,00
DIS HAV SCK	-0,24	0,82	1,00	0,88	1,00
Verim	-0,25	0,51	0,36	0,67	0,35	1,00
DNS HAV NEM	-0,36	0,73	0,87	0,81	0,87	0,41	1,00
UFL HAV NEM	-0,14	0,20	0,41	0,19	0,40	-0,10	0,69	1,00
DIS HAV NEM	0,09	-0,23	-0,35	-0,24	-0,36	0,00	0,10	0,56	1,00
DNS ENT	0,10	0,71	0,81	0,78	0,81	0,32	0,89	0,67	0,15	1,00
UFL ENT	-0,18	0,81	0,90	0,92	0,90	0,53	0,95	0,56	0,03	0,93	1,00
DIS ENT	-0,21	0,78	0,93	0,85	0,93	0,36	0,96	0,65	-0,01	0,93	0,97	1,00

Yukardaki araştırma ile eşanjörlerin verimliliğini olumsuz etkileyebilecek herhangi bir yanlış ölçümün olup olmadığı araştırılmıştır. Bu alıştırma dör klima santrali için de ayrı ayrı tekrarlanmıştır.

Tüm bu çalışmalardan sonra tasarruf edilen enerji miktarının belirlenebilmesi için gereken çalışma yapılmıştır. Bunun için kullanılacak alternatif yakıtın ısıl değeri kullanılmıştır.

KW olarak tasarruf edilen enerji

YTL olarak enerji tasarrufu araştırması

SONUÇ:

Is geri kazanım sistemlerinin verimliliğinin pasif bina otomasyon testleri ile kolayca ve kaliteli bir biçimde test edilebileceği anlaşılmıştır.

Isı geri kazanım sistemlerinin, Istanbul iklim koşullarında soğutmada hemen hemen hiç kazanç sağlamadığı, doğrudan geçiş damperleriyle yapılan serbest soğutmanın daha uygun olacağı anlaşılmıştır. Ayrıca bu durumda fanlar üzerinde daha düşük bir yük oluşmaktadır.

Otomasyon yazılımındaki damper kontrol hatalarının, yazın sağutma döneminde soğutma grupları üzründeki yükü olumsuz şekilde atrırabileceği görülmüştür.

Isı geri kazanım sistemleri için en uygun sensor yerlerinin ve sayılarının belirlenmesi gerçekleştirilmiştir. Isı geri kazanım ünitesinin taze hava girişindeki sensörün, egzost hattına taşınması çok daha faydalı olacaktır.

Sensör kalibrasyon hatalarının pek çoğunun sadece istatistik ve bilgisayar kullanarak ortaya çıkartılabileceği gösterilmiştir.

Klima santrallerinin dönüş havası sıcaklığının, içerdeki hava temel olarak FCU lar tarafından kontrol edilmesi ve hemen hemen sabit olması yüzünden, ısı geri kaznım sisteminin verimliliği sadece dış havaya bağlı olarak formüllenebilmektedir.

Isı geri kazanımının kış döneminde oldukça verimli olduğu, özallikle gece-gündüz, yaz-kış 24 saat çalışan bu tür binalarda ciddi bir kazanç sağladığı ortaya çıkmıştır.

K01 de verimin bazı yerlerde 1,0 dolaylarında çıkması sensör hatası ya da ısıtma vanasının belli bir oranda açık kalması yüzünden olabilir. Bu hatanın bulunması için daha fazla araştırılma gerekmektedir ama bu bvildirinin kapsamı dışındadır.

Verimlilikler yaklaşık olarak,

K01  : 0.75

K02  : 0.60

KA1 : 0.65

KA2 : 0.70 olarak bulunmuştur.

Ayrıca dış havaya bağlı olarak daha net değerler elde etmek için matematiksel modelleri de her bir çalışmanın altında verilmiştir.

Bu yöntem sadece Isı geri kazanım eşanjörünün validasyonunda değil, her tür binadaki iklimlendirme sistemlerinin işletmeye alınmasında ve enerji yönetiminde de etkin olarak kullanılabilr. Ayrıca ar-ge masraflarını ciddi şekilde azaltan ‘yaparak öğrenme’ denen ve şu an baskın yöntem olan bir ürün geliştirme yöntemini de üreticiler, projeciler ve işletmecilerin hizmetine sunmaktadır.

KAYNAKLAR:

1. ASHRAE Journal, April 2003. Air To Air Heat Exchangers., Besant & Simonson,
2. OM 1060, ARI CERTIFICATION PROGRAM OPERATIONAL MANUAL, 2003
3. ENERGY RECOVERY VENTILATION, Rabbia & Dowse, Carrier Corp, 2000