Sağlık Uygulmalarında Hava Soğutmalı Çillerler

07 Haziran 2014 Dergi: Mayıs-2014

Houston ve diğer Birleşik Devletler şehirlerinde, yeni bir sağlık hizmet modeli ortaya çıkmaktadır: Büyük ve merkezi şehir hastaneleri, hastaları kolay ulaşılabilirlikleri sayesinde çeken daha küçük boyutlu hastanelere boyun eğmeye başlamıştır. ASHRAE bu hareketi “Advanced Energy Design Guide for Small Hospitals and Healtcare Facilities: 30 % Energy Savings”in (Küçük Hastaneler ve Sağlık Bakım Tesisleri için Gelişmiş Enerji Tasarım Rehberi: % 30 Enerji Tasarrufu) basımı ile desteklemiştir. Rehberin işletim maliyetlerinin ve sera gazı salınımlarının azaltılması için verdiği tavsiyelerden bir tanesi de en az 10.0 EER/11.5 IPLV verimlilik seviyesini karşılayan hava soğutmalı çillerlerin kullanılmasıdır (EER – Energy Efficiency Ratio – Enerji Verimlilik Oranı ve IPLV – Integrated Part Load Value – Tümleşik Kısmi Yük Değeri).

Keşif Süreci

Yakın zamandaki teknolojik yeniliklerin üretim uygulamalarındaki gelişmelerle birleşmesi, hava soğutmalı çiller performansında, özellikle verimlilik, gürültü ve karbon ayak izi açısından kayda değer iyileştirmelere sebebiyet vermiştir. Peki değişen nedir?

Tek rotorlu vidalı kompresör. Zenginleştirilmiş bileşen toleransları, çevrimde daha az yağ kullanılması, metal–metal sızdırmazlık yüzeylerinin elimine edilmesi ve bileşenlerinin dengelenmiş radyal kuvvetleri; sıkıştırma verimliliğini maksimize edip mekanik titreşim ve gürültüyü azaltarak, iyileştirilmiş performans ve güvenilirliğe ulaşılmasını sağlamıştır.

Değişken frekans sürücüleri (VFD’ler). Uzun bir zamandır değişken frekanslı sürücülerin değişken torklu (dinamik) ve sabit torklu (pozitif yer değiştirme) ana kuvvet sağlayıcılarda işletim maliyetlerini düşürdüğüne inanılmaktadır. Çillerlerde, değişken frekanslı sürücüler soğutma kapasitesini kompresör çıktısı ile eşleştirmeye yardım ederek, motor beygirgücündeki düşüşlere motor hızındaki düşüşler ile eşlik edip avantaja çevirmeyi sağlamaktadır. Vidalı kompresörün (pozitif yer değiştirmeli) bir avantajı çok düşük hızlarda yüksek tork sağlayabilmesidir. Bu özellikleri, santrifüjlü çillerlerden daha geniş bir çalışma aralığına, taşmanın engellenmesine ve düşük devrilme oranlarında çekilen motor beygirgücünün minimize edilmesini sağlar.

Soğutucu akışkan ekonomizeri. Uzun yıllardır santrifüj çillerlerde kullanılan soğutucu akışkan ekonomizerleri günümüzde bazı vidalı kompresörlü çillerlerde de kullanılmaya başlanmıştır. Her bir soğutucu devreye sert lehimli plakalı eşanjör ve termostatik genişleme valfinin eklenmesi ile soğutucu akışkan, hem aşırı soğutmaya tabi tutularak ek kapasite sağlanır, hem de verimliliği artırmak için kompresörün ara kademesine yönlendirilir. Soğutma kapasitesindeki artış, yüksek soğutma tonajlı vidalı kompresörlü çillerlerin çok düşük karbon ayak izi değerlerine ulaşıp iyileşmesini sağlar (Şekil 1).

Şekil 1. Fabrika montajlı soğutucu akışkan ekonomizeri verimliliği artırmıştır.

Without economizer = Ekonomizersiz

With economizer = Ekonomizerli

Enthalpy = Entalpi

Pressure = Basınç

Aşırı soğutma kompresör işini azaltırken evaporatör kapasitesini arttırır.

Hava ile soğutmanın avantajları

Hava soğutmalı vidalı komresörlü çillerler özellikle kısmi yükte yüksek performans sunarlar. Bu çillerlerin kompresörleri step motor kontrolü yerine genellikle oransal (kayar vana veya değişken frekans sürücüleri) olduğundan çok daha hassas kontrol yapılmasını mümkün kılarlar. Hava soğutmalı çillerlerin avantajları:

Pozitif yer değiştirmeli taşmasız sıkıştırma yapılır
Soğutma kulesi yoktur
Şebeke suyu maliyetleri yoktur
Su israfı yoktur
Kimyasal maliyetleri yoktur
Doğal afet olması durumunda su problemi yaşamaz
Condenser pompası ve borulama sistemi yoktur
Bakım maliyetleri makul seviyededir
Mekanik oda alanından tasarruf sağlar
Soğuk iklimlerde daha basit kontrol (soğutma kulsesi by-pass gereksinimi yoktur) ve işletim (soğutma kulesi donma riski yoktur) sağlar

Tablo 1. Hava soğutmalı çillerlerin karşılaştırılması

Chiller = Çiller

Full load = Tam yük

NPLV = Non Standart Part Load Value = Standart Olmayan Kısmi Yük Değeri

EER = Enerji Efficiency Rating = Enerji Verimlilik Oranı

Tablo 1, iki hava soğutmalı çillerin karşılaştırmasını yapmaktadır: Biri 1998’in verimlilik seviyelerinde olan çiller; diğeri de günümüzün en verimli modellerinden biri. Modern hava soğutmalı çillerler tam yükte % 17, kısmi yükte ise % 37 daha iyi bir verimlilik performansı göstermektedir.

Dolarlar ve Hisler

Sırada dört çiller çeşidinin basıt bir karşılaştırması bulunmaktadır: bir ileri teknoloji yüksek verimli hava soğutmalı vidalı kompresörlü çiller ve üç su soğutmalı santrifüj çiller. Hem hava soğutmalı hem de su soğutmalı çillerler, yazılımı ile optimum yaşam çevrim değerlerine dayanarak üniteleri tespit eden bir bilgisayarlı modelleme baz alınarak seçilmişlerdir. Bu değerler birim verimlilik ve kullanıcı tarafından tanımlanmış ilk yatırım maliyetlerinden türetildiği için; seçilen üniteleri sahip olmak adına en çekici yapmaktadır.

Her bir çillerin 385 tonluk tam yük kapasitesi vardır ve performansları standart AHRI (Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute – Hava Koşullandırma, Isıtma ve Soğutma Enstitüsü) şartlarına göre baz alınmıştır. Sadece çillerin elektrik tüketiminin bulunması için, ton başına düşen güç (kW) değerleri yazılım tarafından hesaplanmış ve 0.01A + 0.42B + 0.45C + 0.12D (AHRI kısmi yük metodolojisi) formülünde kullanılmıştır. Her bir su soğutmalı çillere ek soğutma kulesi fanı ve gerekli pompa enerjisinin de dahil edilebilmesi için tam yükte soğutma tonu başına 0,08kW; kısmi yükte ise yine soğutma tonu başına 0,06kW eklenir. Soğutma kulesi fanları ve kondenser pompası kısmi yük çalışma koşullarında sırası ile % 50 hızda ve %100 akışta çalıştığı kabulü yapılmıştır. Enerji maliyeti kW başına 8 cent olarak alınmıştır (Houston’daki genel enerji kullanım yapısına göre). Tablo 2, her bir çillerin toplam enerji maliyetini göstermektedir. Sonuçlar modellerin kendilerine atanan işletim şartlarında nasıl bir performans sergilediklerini göstermektedir.

Hava soğutmalı çiller sadece çillerin işletimi için harcanan maliyet bazında birinci olurken, her bir su soğutmalı çiller ile ilişikili maliyetler verimlilik iyileştirildikçe azalmıştır.

Tablo 2. Toplam enerji maliyetleri

Yüksek verimli değişken hızlı hava soğutmalı vidalı kompresörlü çiller

Sabit hızlı su soğutmalı santrifüj çiller

Değişken hızlı su soğutmalı santrifüj çiller

Değişken hızlı manyetik rulmanlı su soğutmalı santrifüj çiller

Full load tons = Tam yük soğutma tonu

Applied Value = Uygulanan değer

Operational Costs = İşletim maliyetleri

Sıradaki Adım

Sıradaki adım her bir su soğutmalı çiller için soğutma kulesi suyu ve su işletme maliyetlerinin eklenmesidir. Tablo 3, Houston şehrinin ticari kullanım suyu ücretlerini; su hacmi ve kanalizasyon ücretlendirmeleri de dahil olmak üzere gösterilmiştir.

Houston ile diğer büyük Birleşik Devletler şehirleri su ücretlerinin karşılaştırılmasının zorluğu görülmüştür çünkü belediyelerin su ücret belirleme yapıları yoğun kullanım dönemi, az kullanım dönemi, hizmet, emtia ve blok tüketim ücretlendirmelerine tabidir. Buna karşın, Pacific Northwest şehri ücretleri, bin galon başına 4,50$ ile 6,03$ arasında belirlerken, büyük bir şehir olan Midwestern şehri basitçe bin galon başına 3,50$ olarak belirlemiştir (kanalizasyon ücretlendirmeleri dahil değildir) Bu şehirler karşılaştırılabilir olsa da su kullanım maliyetinin projenin lokasyonuna özgü olarak belirlenmesi önem taşımaktadır.

2012’de hazırlanan bir rapor kullanıcıların su için 2000 yılına göre % 75 daha fazla ödediklerini göstermiştir. Aynı rapor su ücretlerinin yılda % 5 ile % 15 arasında artacağını tahmin etmekte ve bu hızda bir artışın sadece kalorifer yakıtındaki artış tarafından geçilebileceğini öngörmektedir. Houston şehrinin su ücretleri Tablo 3’te gösterilmiştir (ticari kullanıcılar için bin tonu 3,74$). Atık suyu hesaba katmak için kullanıcı soğutma kulesi besleme suyunu ayrıyetten ölçmediği sürece, kanalizasyon kullanım ücretleri de ayrıca uygulanabilir (bin galon başına 5,30$ ek ücretlendirme). Houston’da, ayrı bir su kullanım ölçüm cihazının hizmet sağlayıcı firmadan alınması zorunlu olmasına karşın bu analizde bu maliyet dahil edilmemiştir.

Tablo 3. Houston şehri ticari kullanım su ücretleri

Rate = Ücret

Meter size, in = Tüketim ölçüm cihazı boyutu, inç

Basic water charge = Temel su ücreti

Basic sewer charge = Temel kanalizasyon ücreti

Basic charge (zero consumption) = Temel ücret(sıfır tüketim)

Volume charge = Hacim ücreti

All = hepsi

Soğutma kulesinin su tüketimi ve sonuçtaki maliyet etkisinin belirlenmesi için; bir dizi değişken göz önünde bulundurulmuştur: ortamın yaş termometre sıcaklığı, soğutma kulesi yükü ve devrilme oranı, çiller/soğutma kulesi kontrol stratejisi, kullanılan kimyasal arıtma şekli, kabul edilen konsantrasyon çevrimleri ve kurulmuş olan soğutma kulesinin tipi. Tablo 4, su soğutmalı çillerlerin soğutma kulelerinin tahmini su tüketimini göstermektedir. Tüketim atmosfere su salınımına neden olup su kaybına neden olan, buharlaşma, sürüklenme, egzoz gibi etkenler göz önüne alınarak hesaplanmıştır. Houston şehri ücretleri baz alındığında, su tüketiminin yılda 19.097$’a mal olacağı görülmüştür.

Tablo 4. Toplam su tüketimi

Toplam besleme suyu aşağıdakileri içerir :

Buharlaşma
Sürüklenme
Egzoz: Her bir galon/dakika su akışından, 0,0145 galon/dk atmosfere su kaçar

385 ton x 3 gpm/ton = 1.155 gpm x 0,0145 = 16,75 gpm

Gpm = Galon/dakika

% load = % Yük

% run time = % çalışma zamanı

Gal.per year = Galon/yıl

Diğer maliyet kalemleri; bakım (bu analize dahil edilmemiştir), kimyasallar veya su arıtma maliyetleridir. Büyük merkezi soğuk su santrallerinin bakımını yapan sağlık sistemi tesis yöneticilerinden alınan girdilere göre, su arıtma için bin galon başına 3$ maliyet eklenmektedir. Su arıtma proses maliyetinin kullanılan teknolojiye göre dikkate değer miktarda değişim gösterdiği not edilmelidir. Su ve kimyasal maliyetleri bir araya getirildiğinde toplam maliyet yılda 34.409$’a ulaşmaktadır. Her bir su soğutmalı çiller için, sadece çiller tarafından çekilen elektrik maliyetine su maliyetleri eklendiğinde çok daha gerçekçi bir değerlendirme yapılabilir. Tablo 5, her bir çilleri su ve elektrik maliyetlerini de içeren toplam yıllık işletim maliyetleri baz alınarak sıralamıştır.

Tablo 5. Toplam yıllık işletim maliyeti

Chiller = Çiller

Applied kW per ton = Soğutma tonu başına uygulanan kW

Annual energy costs = Yıllık enerji maliyetleri

Water and chemicals = Su ve kimyasallar

Annual operation cost = Yıllık işletim maliyeti

Magnetic-bearing centrifugal = Manyetik rulmanlı santrifüj

Premium air cooled = Yüksek verimli hava soğutmalı

VFD centrifugal = Değişken frekans sürücülü santrifüj

Constant speed centrifugal = Sabit hızlı santrifüj

Toplam Değer

Bazı satınalma kararları sadece enerji tasarrufu baz alınarak verilirken, diğerleri sadece ilk yatırım maliyetleri baz alınarak verilir. Değer bazlı satın almanın yapılabilmesi için hem ilk yatırım maliyetlerinin hem de işletim maliyetlerinin göz önünde bulundurulması gereklidir.

Tablo 6, her bir çiller sisteminin ilk yatırım maliyetini göstermektedir. Maliyetler sadece ekipmanları ve yüklenicilerin eklediği karı kapsamaktadır. Her bir su soğutmalı çiller, kullanılması gerekli olan soğutma kulesini de içermektedir. Soğutma kulesi fiyatlandırılması bir kondenser pompasını, condenser borulama sistemini, su işleme ekipmanlarını ve kontrollerini içermektedir. Soğutma kulelerinin her biri 92.400$ (ton başına 240$) değerindedir. Soğutucu akışkan görüntülenmesi ve mekanik oda havalandırılması için harcanan ek maliyetler dahil edilmemiştir.

Yaşam çevrim maliyeti, bir ekipmana hizmet ömrü boyunca sahip olmanın toplam maliyetidir. Satınalma, işletim (enerji de dahil), bakım ve imha bedelini içermektedir. Tam bir yaşam çevrim maliyet çalışması bu makalenin kapsamı dışındadır. Aynı şekilde, kurulum iş gücü ve malzemeler, imha etme, vergiler ve mekanik odadan alan kazancı dahil edilmemiştir.

Bir yaşam çevrim çalışmasının süresi ekipmanın hizmet ömrü ile aynı olmak zorunda değildir. Bu vakada 15 yıllık zaman diliminin uygun olduğu varsayılmıştır. (Yazarın bakış açısına göre yeni ortaya çıkan teknolojiler HVAC ekipmanlarının normal hizmet ömrü bitmeden çok önce demode olmasına sebep olabilir) Sonuçta yaşam çevrimi işletim maliyetleri, kullanım ücretlerinin artması ile her yıl %2 artış gösterecektir.

Tablo 6. İlk yatırım maliyeti

Chiller = Çiller

Equipment first cost = Ekipman ilk yatırım maliyeti

Yüksek verimli hava soğutmalı

Geleneksel sabit hızlı soğutma kuleli santrifüj

Geleneksel değişken frekans sürücülü ve soğutma kuleli santrifüj

Manyetik rulmanlı soğutma kuleli santrifüj

Tablo 7, her bir çiller için ilk yatırım ve işletim maliyetlerini göstermektedir. Görüleceği üzere, yüksek kaliteli hava soğutmalı çillerler en düşük kombinasyonu sunmaktadır. Eğer su soğutmalı çiller üniteleri sadece çillerin enerji maliyetleri bazında değerlendirilmiş olsa idi (su maliyet hesabına dahil edilmeseydi ve ilk yatırım maliyeti göz ardı edilse idi), her biri hava soğutmalı çiller ünitelerine göre bina sahibine toplam değer cinsinden üstün olarak değerlendirilecekti.

Tablo 7. İlk yatırım ve işletim maliyetleri

Chiller = Çiller

Equipment cost = Ekipman maliyeti

15 year operating cost = 15 yıllık işletim maliyeti

Additional Cost of ownership = Ek sahip olma maliyeti

Yüksek verimli hava soğutmalı

Manyetik rulmanlı

Geleneksel değişken frekans sürücülü santrifüj

Geleneksel sabit hızlı santrifüj

SONUÇ

Toplam yaşam çevrim işletimi üzerine yapılan bu çalışma her ne kadar kapsamlı olmasa da, hava soğutmalı çillerlerin faydalarına farklı bir bakış açısı sağlamaktadır. Tablo 8, her bir çilleri işletim maliyeti, ilk yatırım maliyeti ve sahip olma maliyeti kategorilerinde sıralandırmıştır.