Enerji Verimliliği için Hastane Tadilatları

Tasarımları gereği, akut sağlık merkezleri enerji yoğundurlar. 7 gün 24 saat kritik hastalara bakım sunarlar ve sıcaklık, nem, basınçlandırma ve uygun hava değişimleri için katı gereklilikleri olan alanlara sahiptirler. Hastaneler, Joint Commission gibi bir dizi yerel, bölgesel ve ulusal yönetmelikler ve denetlemeler sonucu daha kompleks yapılırlar. Fakat söz konusu titizlik isteyen gereklilikler, hastanelerin enerji verimli olmalarını engellemezler. Aslında, sağlık tesisleri maliyetleri azaltmaları ve iyileştirilmiş bir enerji verimlilik seviyesine ulaşabilmeleri konusunda artan bir baskı altındadırlar. Daha verimli bir işletim için hastanelere tadilat yapmak konusunun zorluklarını, anahtar çalışma parametrelerinin anlaşılması, varolan sistemin dokümante edilmesi, iyileştirilmiş verimlilik için bir tasarım geliştirilmesi ve bu değişikliklerin uygulanabilmesi için bir konstrüksyon takımı ile çalışılması gibi konular meydana getirir. Tabii ki tüm bu sayılanlar hastane sürekli olarak iskân halinde ve çalışır durumda iken gerçekleştirilmelidir.

Verimliliğin iyileştirilmesinde ilk adım, detaylı bir enerji çalışmasının yürütülmesidir. Biz genellikle ASHRAE Seviye 3 (veya “Yatırım Kategorisi”) tetkiki gerçekleştiririz. Çalışma, tesis sahibinin işletme takımı ile mevcut sorunların ve planların belirlenmesi için detaylı bir görüşme yapması ile başlar. Bu görüşmeyi her bir sistemin detaylı gözlemi, mevcut Bina Otomasyon Sistemi (eğer var ise) üzerinde çalışmalar ve geniş kapsamlı veri depolama takip eder. Genellikle geçmişteki üç yılın enerji fatura kopyalarını ve mekanik, elektrik ve kontrol sistemlerinin çizimlerini bir araya getiririz. Saha tetkikimiz ekipman etiket değerleri, ışık seviyeleri, CO2 konsantrasyonları, sıcaklıklar ve nem seviyelerini kapsayan mevcut şartların ölçümünü içerir. Sistem sorunlarını notlar ve fotoğraflar ile dokümante ederiz. Veri depolama binanın Bina Otomasyon Sisteminden; akım, sıcaklık, nem ve ışık seviyelerini kaydedebilen bağımsız bir veri depolayıcı yoluyla alınır. Hastanelerde, tesisin her mahalindeki iskan durumlarını ve bu mahallere hizmet veren sistemleri belirleyebilmek için hastane sahibinin takımını da dahil ederek çalışmalar yaparız. Saha çalışmasının takibi, veri depolayıcıların birkaç hafta ile bir ay arasında veri aldıktan sonra toplanması ve gerekli ek incelemelerin yapılmasını içerir.

Saha çalışmasından sonra  enerji kıyaslamasını, Energy Star başarısı kazanmayı ve U.S. Department of Energy’nin EQUEST yazılımını kullanarak bir enerji modelinin oluşturulmasını da içeren bir dizi görev üzerine çalışmaya başlarız. Enerji modelleme bina enerji kullanımını simule eden ve öngörülen enerji etkisini tahmin etmek için çeşitli çözümleri denemeye imkân veren güçlü bir araçtır. Modelin geliştirilmesi bina mimarisi ve sistemleri üzerindeki detayların girilmesini gerektirir. Daha sonra geçmişteki hava durumu ve enerji kullanımı verileri kullanılarak modeller kalibre edilir. Model geliştirme aşamasında iken, her bir sistemi inceleyerek bir dizi potansiyel enerji tasarruf tedbirleri geliştiririz (ECM).

Her bir potansiyel enerji tasarruf tedbiri için, gerekli bileşenleri, tavsiye edilen dizilişi ve anahtar metrikleri içeren bir şematik tasarım geliştiririz. Örneğin, bir enerji tasarruf tedbiri, klima santralini günün saatlerine göre programlayarak belli bir mahalin iskân durumuna göre çalışmasını sağlamak olsun. Bina otomasyon sistemi ve veri toplayıcıların eğilimi kadar tasarım ve dokümanların dikkatlice değerlendirilmesi bu enerji tasarruf tedbirinin gerçekleştirilebilmesini mümkün kılar. Her bir enerji tasarruf tedbiri için gerekli olan detaylı bir bütçenin hesaplanmasını da yapmaktayız. Tüm bu bilgiler bir araya toplanarak tavsiyelerin, değerlendirmelerin, şematik tasarımların ve finansal analizin bulunduğu detaylı bir rapor ve sunum oluşturulur. Bu raporun amacı bina sahibine enerji verimliliği üzerine yatırım yapmaya karar vermeden önce yardım etmektir. Raporun yanında, bina sahibi proje onayını güvenli olarak yapabilmesi adına detaylı bir sunum ve proje kapsamının birçok tekrarı bulunur. Kaynak bulmak her zaman zordur ve bu zorluğa çare olarak cihaz alım teşvikleri, vergi indirimleri ve hibe ödenekleri görülebilir.

Bir proje onaylandığında, içerisinde genellikle daha fazla saha işini, detaylı plan ve spesifikasyonların oluşturulmasını, üstlenici tekliflerini ve son olarak üstlenici seçimlerini barındıran tam tasarım aşamasına geçer. Mevcuttaki bir binanın tasarım iyileştirmesi zordur. Mevcuttaki yönetmeliklere veya binanın işletim gerekliliklerine ters düşmeden verimli yeni bir tasarımın geliştirilmesi için azami dikkat gösterilmelidir. Bu, havalandırma oranlarına, hava değişimlerine, acil durum sistem kapamasına, duman kontrolüne ve tahliyesine özel bir dikkat gösterilmesini gerektirir. Mevcut şartların dokümante edilmesi kiritik olup, anahtar konular için yerel yetki sahibi kurumlara danışılması tavsiye edilir.

Bir tadilat projesi için üstlenici seçimi oldukça kritiktir. İdeal bir üstlenicinin, kontrol sistemleri ile ilgili geniş bir tecrübesi ve sağlık tesislerinin havalandırmasının özel gerekliliklerini iyi anlamış deneyimli proje mühendisleri vardır. Bu özel gerekliliklerden bazıları gece ve haftasonu çalışmayı, çalışma alanlarında temizliği ve enfeksyon kontrolünü içerebilir. Konstrüksyon safhası, sistemlere ve binanın mahallerine ulaşmakta çıkan zorluklara bağlı olarak genellikle uzar. Binada iskân halinde olanlara belirli bir plan doğrultusunda meydana gelmekte olan değişikliklerle ilgili bilgi verilmesi tavsiye edilir. Düzenli proje toplantıları projede işlerin yolunda gitmesini sağlamak ve karşılaşacak sayısız problemle baş edebilmek için gereklilik arz eder.

Sürecin son basamağı, devreye almadır. Üstlenicinin tasarlandığı optimum performansta sistemi çalışır hale getirmesinin, tüm sistemi kurmasından daha zor olduğunu deneyim ettik. Devreye alma süreci boyunca üstlenici ile çalışmak sistemin istenilen verimlilik seviyesinde çalışmasını sağlar. Tadilatı yapılacak olan binanın mühendis takımının projeye dahil edilmesi, çalıştırılmasınadan sorumlu olacakları yeni sistemin hem kurulumunu hem de çalışma mantığını öğrenmek açısından oldukça faydalı olacaktır. Sistemin resmi olarak eğitimi prosesin çok sonralarında, sistem devreye alındığında verilir. Yeni bina otomasyon sistemi, bina havalandırma mühendislerinin enerji tüketiminin takibinde, arızalarla ilgilenmede ve sürekli olarak işletimsel verimliliğin optimize edilmesinde kiritik bir araç olacaktır.

Projenin tamamlanmasını takiben, ölçüm ve doğrulamayı içeren bir takip süreci başlar. Ölçüm ve takip süreci bir enerji temeli kurarak, hava koşulları ve iskan durumu hassaslığını belirler ve sonra geçmişteki enerji kullanım temelini yapılan uygun ayarlamalar ile elde edilen yeni enerji temeli ile karşılaştırır. Ölçüm ve takip süreci tam anlamıyla bir süreç değildir fakat, bir projenin hedeflerini yerine getirip getirmediğini görmeye yarayan değerli bir araçtır.

Tüm sürecin devreye alma yoluyla yapılan bir çalışma üzerinden tanımlamak için gerçek bir projeye bakmak çok değerli olacaktır. Bu vaka çalışmasında Güneydoğu’da bulunan 117 yataklı bir hastane incelenmektedir. Hastane 1990’larda inşaa edilmiş olup, kurulu büyük VAV klima santralleri, santrüfüjlü chiller’leri ve buhar kazanları bulunmaktadır. Merkezi bir BAS tarafından yönetilen; pnömatik ve DDC kontrollerin beraber kullanıldığı bir kontrol sistemine sahiptir. Birçok hastanede olduğu gibi tesis, orjinal sistem üzerinde birçok değişikliğe sebep olan bir dizi tadilattan ve ek uygulamadan geçmiştir. Hastanenin sahipleri tesislerinin kendi sistemleri ile aynı sistemleri kullanan diğer hastanelerden daha fazla enerji tükettiğinin farkına varmış fakat sebebini netleştirememiştir. Daha öncesinde detaylı bir enerji çalışması yapılıp Energy Service Copmany (ESCO)’den danışmanlık desteği alınmış olmasına karşın herhangi bir aksiyon alınmamıştır.

Tesis üzerinde yaptığımız incelemede, sistemin beklenenden daha az verimli çalıştığını tespit ettik. Enerji tüketimi yıllık 300 Kbtu/ft2 civarındaydı ve bu değerin bulunduğu bölgedeki benzer tesislerin Commercial Building Energy Consumption Survey – CBECS (Ticari Binaların Enerji Tüketim Araştırması) ortalamasından % 20 - % 30 daha yüksek idi. Saha incelemesinde sürekli aktif olarak çalışan mahaller, optimum olmayan chiller sıralaması ve fanlarda değişken frekans sürücüleri yerine inlet vane’lerin kullanılması gibi oldukça bariz sorunların olduğunu gün yüzüne çıkarmıştı. 

Tesisin akıllı şebeke verileri incelendiğinde, binanın büyük bir kısmı sadece haftaiçleri çalışıyor olmasına rağmen, geceleri ve haftasonlarında çok az sistem kapama yapıldığı görülmüştür. Veri depolama bilgileri incelendiğinde binanın istenilen sıcaklık ve nem seviyelerini çoğunlukla karşıladığı gözlemlenmiştir. Mantıksız olan, hava debisinin geceleri veya nemli dış ortam koşullarında dahi hiç değişiklik göstermemesiydi, çünkü beklenti VAV kutularının binadaki yük azaldığında minimum hava debisi koşullarına ayar yapması idi.

Çalışmamız süresince, pnömatik kontrolleri besleyen kompresörün sistemde yıllar boyunca meydana gelen yağ kirlenmesi sebebiyle uzun bir süredir arızalı olduğu belirlenmiştir. Hasarın giderilmesi için filtreler getirilmiş, arızalandıklarında kontrol elemanları değiştirilmişti. VAV kutularındaki pnömatik hacim regülatörlerinin birçoğu değiştirilmiş fakat bu yeni üniteler minimum ve maksimum akış durumları için kalibre edilmemişti.

Teorimizi doğrulamak için, tek bir klima santrali tarafından hava beslenen VAV kutularını inceleyip her birini kalibre ettik. Bu kutuların hizmet ettiği mahallerdeki sıcaklık değişimlerini simule ederek klima santralinin debiyi olması gerektiği gibi ayarlayamadığını gördük. Uygun olmayan akış kontrolünün normalde mahallerde konfor problemlerine sebep olması gerekirdi fakat bu projede her bir VAV kutusunun sıcak su reheat serpantinleri bulunmakta idi. Değişken debili VAV kutuları, termostatlar tarafından reheat vanasının çalışmasının kontrol edildiği sabit debili ve reheat’li sisteme dönmüştü. Sonuçta yüksek konfor seviyesi ama düşük verimlilik ortaya çıkmıştı.

Aşağıda sıralananları içeren bir program tavsiye ettik:

• Genel – Tüm mahaller için hava debisi ayarlarının mevcut yönetmeliğe göre değerlendirilmesi. Sürekli iskan halinde olmayan mahaller için “mahal boş çalışma modu”nun tanımlanması. Aynı anda ısıtma ve soğutmanın engellenmesi (veya minimize edilmesi). Sıralama ve kontrolün iyileştirilmesi.

• VAV Kutuları – Pnömatik kontrollerin DDC kontroller ile değiştirilmesi. Tüm kutuların yeni maksmium – minimum hava debisi ayarları ile yeniden dengelenmesi. Isıtma ve soğutma için ayrı ayar noktalarının tanımlanması. Günün iskân olmadığı bölümleri bulunan mahallerin belli bir çalışma çizelgesine dayalı olarak, iskânın olmadığı zamanlarda kutuların kapanması.

• Klima Santralleri – Mevcut pnömatik kontrollerin yeni DDC kontröller ile değiştirilmesi. Fan kontrolü, statik basınç ayarı ve entalpi ekonomizeri için yeni bir program belirleyerek sıralamaların tanımlanması. Fanlara dişli beltler ve değişken frekans sürücüleri ile tadilat yapılması.

• Chiller Ünitesi – Kule kontrolü (kondenser suyu ayarı da dahil olmak üzere) ve ikincil pompa kontrolü için yeni kontroller ve sıralamaların belirlenmesi. Su tarafı ekonomizer serpantini için yeni sıralamanın belirlenmesi.

• Enerji Geri kazanım Ünitesi – Tek mahal VAV işletimine geçilmesi. Nem alma çarkının nemli havalarda çalıştırılmaması.

• Ameliyathaneler – Ameliyathanelerin kullanılmadığı durumlarda hava değişim sayısının kullanıldığı durumdaki 20 – 25 hava değişiminden, 8 – 10 hava değişim sayısına düşürülmesi.

Bu değişiklikler sayesinde elde edilecek potansiyel enerji tasarrufunu hesaplayabilmek için, EQUEST kullanarak bir enerji modeli geliştirdik. Bu model kullanıcıya her bir potansiyel enerji tasarruf tedbirinin sağladığı enerji tasarruf miktarının tahmin edilebilmesini mümkün kılar. Her bir tedbir için, tasarım, kurulum ve devreye alma bütçesi belirledik.

Projenin toplam maliyeti, bina sahibinin karşılayabileceğinden yüksek çıktı. Projeyi birden fazla safhaya bölerek, bina sahibinin ödeyeceği miktarı yıllara yaydık. En sonunda, bina sahibini bir devlet enerji teşviğine başvurmayı ikne ederek, hem cihazlar için teşvik aldık hem de bina sahibinin karşılayabileceği ve de sahip olmak isteyeceği bir projeye imza attık.

Tasarım süreci daha çok saha çalışmaları ile geçti. Her bir mahal için yük hesaplamalarının yapılması, yıllar boyunca yapılan tadilatların sisteme getirdiği değişikliklerin incelenmesi ve plan ve  şartnamelerin tam olarak geliştirilmesi gerçekleştirildi. Üstlenici seçim süreci, kalifikasyon çağrısı ve toplantılar ile başladı. Seçilen üstleniciler tasarım dokümanlarını gözden geçirip teklif hazırlamaları için davet edildiler. Sonunda, BACnet tabanlı olan ve bina sahibinin mevcuttaki Tridium Niagara Server’ına bağlanabilen Honeywell WEBS bina otomasyon sistemini kuracak üstlenici seçildi. Tasarım ve kurulum, çalışmaya devam eden ve iskan halinde olan hastanede yapılan birçok değişiklikle beraber bir yıldan fazla süre aldı. Sonunda, proje tamamıyla devreye alınmıştı.

Sonuçta, gözle görülür biçimde iyileştirilmiş bir kontrol sistemine sahip olan ve problemleri görüntüleyip reaksiyon gösterebilen bir tesis elde edilmişti. Proje resmi ölçüm ve validasyondan geçmiş ve elde edilen enerji tasarruf değerleri % 20’nin üzerinde çıkmıştı. Mahallerde iskân olmadığında bu mahallere hizmet veren sistemler kapanmakta ve kritik alanların konfor seviyesi sağlık tesislerinin gerekliliklerini karşılamakta idi.

Bu proje ile birçok ders öğrenilmiştir. Bunlardan ilki mevcut durumda neler olduğu, tasarımcının asıl amacı ve ekipmanların çalışma durumlarının anlaşılması için detaylı bir sistem yaklaşımının önemidir. Hastane gibi kompleks bir tesisin değerlendirilmesi yoğun bir “dedektif çalışması” gerektirir ve bu çalışma çizimlerin takip edilmesi, ölçümler alınması ve neyin neden orada olduğunun bulunmasını içerir. Bunların yapılmasından sonra neyin yenilenip yenilenmeyeceği veya iyileştirip iyileştirilmeyeceği konusunda yaratıcı ve gerçekçi olunabilir. En önemli derslerden bir tanesi de, hiçbir zaman zaten orada olan bir ekipmanın basitçe yenilenmemesi, ekipmanın iyileştirilmesi veya optimizasyonu için fırsatlar aranması gerekliliğidir.

Detaylar üzerinde çalışma yapmak ve güçlü bir üstlenici takımına sahip olmak hayatsal öneme sahiptir fakat tüm bunlardan da önemli olan en kiritik nokta bina sahibinin güçlü desteğidir. Çalışan herhangi bir binaya değişiklikler yapmak gerçekten zor bir iştir ve hafife alınmamalıdır. Bahsi geçen bu zorluklar sağlık tesislerinde daha da zor bir hale gelmektedir. Bu projenin en önemli parçası bina sahibinin projenin her bir seviyesinde verdiği destektir. Bu desteğin yokluğunda, böyle başarılı bir tadilatın başarılması mümkün olamaz.