26 Aralık 2012 | TEKNİK MAKALE 53. Sayı (Aralık 2012)

Gelişmiş hidrolik tesisler, enerji tasarruflu, ekonomik ve hatasız operasyona imkan vermeli, orijinal planlama değerlerinde meydana gelen sapmaları telafi etmeli ve gelecekte yapılacak güncellemelere izin vermelidir. Buna ek olarak, Tesislerin bakım maliyetleri düşük olmalıdır. Peki tüm bu gereksinimler ışığında, kısmi yük durumlarında giderek daha da karmaşık hale gelen tesisleri verimli bir şekilde nasıl yönetebiliriz? Bunu gerçekleştirmenin tek yolu, dinamik operasyona imkan veren dinamik çözümler geliştirmektir. Siemens Altyapı ve Şehirler Sektörü / Bina Teknolojileri Bölümü
Hidrolik tesisler, günümüz binalarının önemli bir bileşenidir. Isıtma ve havalandırmanın yanı sıra başka amaçlar için de kullanılabilen hidrolik tesisler, elektrikli pompalar ile birlikte kullanıldığında önemli bir maliyet unsuru oluşturmaktadır.

Hidrolik bir hattın enerji tasarruflu ve ekonomik bir şekilde kullanılabilmesi için taşınan hacimsel akışı değiştirmek gerekir. Elektrikli pompa gücünü hesaplamak için kullanılan formül, özellikle sirkülasyona giren hacimsel akışın doğru ayarlanmasının, pompa gücünden önemli miktarda tasarruf sağlanmasını mümkün hale getirdiğini göstermektedir. Sabit hacimsel akışlı sistemlerin kullanımı, artık demode bir yaklaşım haline gelmiştir.

Günümüzde kontrollü pompaların kullanımı, taşınan hacimsel akışın ayarlanması ve sağlanan pompa basıncı aralığının düşürülmesi, standart uygulamalar haline gelmiş olsa da aşağı akım ağı büyük oranda hala statik kontrol müdahalesi temelinde yönetilmektedir. Hidrolik tesisleri statik dengeleme vanaları, önceden ayarlanabilir kontrol vanaları veya devre kontrol vanaları kullanarak dengelemek standart bir uygulamadır. Tabii ki, bu müdahaleler sadece bir kez ve sadece özel olarak hesaplanmış duruma özgü olarak gerçekleştirilmektedir: Tam yük altında tasarım durumu.

Ancak tasarım durumu, hidrolik tesis ağının devreye girmesinden sonra çok nadiren gerçekleşir, çünkü kurulum, hemen hemen tüm çalışma konumlarında kısmi yük altındadır. Bu durumda, ortaya çıkan soru, acaba pompa ile birlikte tesis ağ kontrolünün de farklı kısmi yük durumlarına göre ayarlanması gerekip gerekmediği ve değişken bir kurulumda statik dengelemenin bir engel teşkil edip etmeyeceğidir.

Her şey bir senkronizasyon sorununa bağlı
Statik hidrolik dengeleme, nihai olarak, kurulum tasarım aşamasındayken her bir akış yolundaki basınç kaybını, sistem içindeki en olumsuz akış yolundaki basınç kaybına eşitlemek için yoğun dirençlerin uygulanması anlamına gelmektedir. Bu yöntem, ayrıca bu koşullar altında sistemin sorunsuz çalışması için de gereklidir. Ancak, yukarıda belirtildiği üzere bu yöntem sadece tasarım aşaması ve kullanım konumlarının sadece belirli bir kısmı için geçerlidir. Çünkü hidrolik bir tesis ağı, genelde kısmi yük durumundadır. Bu kısmi yük hallerini incelerken, iki farklı durum arasında kesin bir ayrıştırma yapmak gerekmektedir. Diğer taraftan, hidrolik ağlar genel olarak son derece sabit yüklere maruz kalmakta olup bu durum, tüm tüketicilerin davranışlarının benzer olduğu anlamına gelmektedir. Mevcut durumda, statik bir kontrol müdahalesi, kısmi yük durumunda dahi kontrol vanasına yardımcı olabilir. Çünkü dirençler hacimsel akışa doğrudan orantılı olup, hacimsel akışlardaki değişimler nispetinde istikrarlı bir şekilde değişim göstermektedir.

Ancak hidrolik bir ağ, düzensiz bir yüke maruz kalıyorsa -örneğin, bir binanın kuzey ve güney cephelerine aynı anda hizmet veriyorsa- veya değişken kullanım amaçları doğrultusunda farklı bölgeleri besliyorsa statik hidrolik dengelemesi hızla önemli bir engel haline dönüşebilir. Bu kullanım amacına yönelik olarak inşa edilen binalarda en olumsuz akış yolu, tasarım durumu hesaplanarak belirlenemez. Mevcut kullanım düzeyi ve dahili ve harici yüklere bağlı olarak en olumsuz akış yolu sürekli olarak değişmektedir. Hidrolik ağın davranışı dinamiktir. Bu tip ağlara monte edilen statik dengeleme vanaları sadece gereksiz kalmamakta, aynı zamanda önemli bir hidrolik direnç yaratmaktadır. Bu direnç hem gereksiz olup hem de kullanıma bağlı olarak ağ kontrolünü olumsuz etkileyebilmektedir.

Binalardaki hidrolik ağlar, hemen hemen her zaman kısmi yük durumunda olduğu için en önemli problem, pompanın sürekli olarak değişken hacimsel akışlı ve geleneksel statik hidrolik dengelemeli kurulumlarda gereksiz dirençlerin üstesinden gelmek zorunda olmasıdır. Söz konusu bu dirençler, kontrol edilebilirliğin iyileştirilmesine yardımcı olmaz, çünkü bu işletim konumu için tasarlanmamışlardır. Bu durum, pompa kontrolüne bağlı olarak bireysel akış yollarının az beslenmesine neden olabilir, çünkü statik dengeleme vanasının ek direncinin üstesinden gelmek her zaman mümkün olmayabilir. Örneğin, bu durum, uç noktalı pompa kontrollü kurulumlar için, diğer bir deyişle tasarım aşaması temelinde hesaplanmış, en olumsuz akış yolundaki basıncın tüketici üzerinden ölçümlendiği kurulumlar için uygundur. Tüm akış yollarının kapalı olduğu ve sadece en yüksek statik kısmaya sahip, pompaya yakın akış yolunun tam besleme gerektirdiği bir kısmi yük durumunu dikkate alırsak mevcut pompa basıncındaki değişikliklerin, belirli koşullar altında, tercih edilen akış yolu için yetersiz olabileceği hızla fark edilen bir gerçek haline dönüşmektedir [Şekil 1].

Şekil 1’de statik dengelemeli klasik bir hidrolik sistem gösterilmiştir. Kısmi yük durumu, bu örneği temel alacak olursak, 2-5 numaralı akış yollarının kapalı olduğu ve sadece 1 numaralı akış yolunun kullanıldığı durumu işaret etmektedir. Statik dengeleme, en olumsuz akış yolu olan 6 numaralı akış yolu için tasarlanmış olsa da, bu işletim konumunda en olumlu akış yolu olarak kullanılan 1 numaralı akış yolunun mevcut hidrolik durumunda en olumsuz akış yolu olduğu anlaşılmaktadır. Vanaya ihtiyaç duyulmuyor olsa bile statik dengeleme vanası, bu durumda anormal derecede büyük bir basınç kaybına neden olur. Her ne kadar besleme düzeyinde somut bir azalma olmasa da yine de değişken hacimsel akışlı günümüz ağlarında statik dengelemenin enerji tasarrufu açısından uygun bir çözüm olmadığı kesindir. Değişken hacimsel akışlı dinamik bir ağı düzgün bir şekilde dengeleyebilmek için dengeleme vanasının dinamik olarak ayarlanması gerekmektedir. Bu amaç için kombi vanalar kullanılabilir.

Gerektiği kadar çok, mümkün olabildiği kadar az direnç
Kombine balans vanaları, genel olarak iki komponentten oluşmaktadır. Bunlardan ilki standart kontrol vanası, diğeri ise seri olarak bağlanan ve kontrol vanası üzerindeki basınç değişikliklerine göre çalışan değişken basınç kontrolörüdür.

Kontrol vanası, hidrolik ağdaki isteme göre aktifleşmekte ve örneğin bir aktuatör yardımıyla strokunu değiştirmektedir. Değişken basınç kontrolörü de aynı anda bu kontrol vanası üzerindeki basınç değişimini sabitlemektedir. Bu kombinasyonun doğası gereği kontrol vanası, belirli bir sayıda minimum basınç değişikliği sağlanması halinde basınçtan bağımsız kalmaya devam edecektir.

Örnek için her türlü işletim noktası seçilebilir. Örneğin, eğer vana ağzına kadar açıksa akış yolunda, tüm hidrolik dirençlere ve pompa içindeki mevcut basınç değişikliklerine dayalı belirli bir hacimsel akış oluşmaktadır. Değişken basınç kontrolörü, dirençler içinde önemli bir rol oynamaktadır. Değişken basınç kontrolörünün pozisyonu değiştirilerek akış yolunun direnci öyle bir şekilde değiştirilmiş olur ki tamamen açık kontrol vanasının sabit direnci üzerinde sabit bir basınç düşüşüne neden olan hacimsel bir akış oluşmaktadır. Kontrol vanası konisi, değişken basınç vanasının dar plakalı tipidir. Mevcut basınç arttığında, örnek olarak pompanın karakteristik eğrisi değiştirilerek, kontrol vanasındaki hacimsel akış ve buna bağlı olarak vana konisi üzerindeki değişken basınç yeniden sabit hale gelene dek değişken basınç kontrolörü kapatılabilir. Bu yöntem, bu durumun tersi için, yani mevcut basınç değişikliklerini azaltmak için de kullanılabilir. Değişken basınç kontrolörü, akış yolu direnci, kontrol vanasındaki hacimsel akışı sağlamak için yeterince zayıf olana dek açık kalacaktır. Sonuçta ortaya, mevcut basınç değişikliklerinden bağımsız, sabit hacimsel akış ve değişken toplam dirençli bir akış yolu çıkacaktır. Bu sistemin kullanımı, tabii ki izin verilen maksimum basınç değişikliği ile değişken basınç kontrolörünün gerekli hacimsel akışı sağlamak amacıyla tamamen açık olduğu zaman boyunca gereken minimum basınç değişikliği ile sınırlıdır.

Mevcut basınç değişikliğini değiştirmeye ilave olarak vana strokunun değiştirilmesi de dikkate alınmalıdır. Örneğin, akış yolundaki hacimsel akış değiştirilirse vana kapatılabilir. Tabii ki bu durumda dahi vana konisi üzerindeki basınç değişikliği sabit tutulur. Vana kapanırsa, vana konisi direnci artar. Bu durum, basınç, hacimsel akış ve hidrolik direnç arasında ilişki nedeniyle vana strokunun sabit bir basınç değişikliğinde değiştirilmesi işleminin hacimsel akışa paralel olarak gerçekleşeceği anlamına gelmektedir. Hacimsel akış ve strok arasındaki ilişki, vana konisinin tasarımı ve ortaya çıkan hidrolik basınca göre belirlenmektedir [Şekil 4].
Bu özellik nedeniyle, sadece ağ davranışları değil, ancak söz konusu kontrol vanalarının tasarım şekli de değişmektedir. Geleneksel kontrol vanaları ile çalışırken kvs değerleri ile vana otoritesi kullanılırken, basınçtan bağımsız bir kontrol vanasının tasarımı tamamen hacimsel akışlara bağlıdır. Sadece maksimum hacimsel akışa bağlı olarak seçilmesi gereken vanalar, bu sayede, yeterli basınç değişimi ile istenen akışı temin edebilmektedir [Şekil 5].

Sabit hacimsel akışın özellikleri de, yukarıda belirtilen günümüz hidrolik ağlara ilişkin problem ve gereksinimleri etkilemektedir. Dinamik davranışları nedeniyle kombi vanalar, inşaat sahasında planlama ve montaj arasındaki küçük çaplı sapmaları telafi edebilmektedir. Ayrıca kombine balans vanaları kullanarak hidrolik bir ağın nispeten kolayca yükseltilmesi de mümkündür. Çünkü bu vanalar, yeni hidrolik halleri de telafi edebilmektedir.

Büyük oranda azalan planlama ve kurulum çabalarına rağmen hidrolik ağları düzgün bir şekilde tasarlamak gerekmektedir. Özellikle enerji tasarruflu hidrolik ağlara duyulan talep, planlama sürecinin çok iyi düşünülmesini ve sorunsuz bir şekilde gerçekleştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Basınçtan bağımsız vanalar, birçok sapma ve hatayı telafi edebiliyor olsa bile asla hatalı bir planlamayı telafi etmek üzere yanlış şekilde kullanılmamalıdır. Çünkü az sayıda basınç kaybına maruz kalan dinamik ve ekonomik bir hidrolik ağı, doğrudan çok iyi düşünülmüş bir topolojiye bağlıdır.

Pompa gücü ve en olumsuz akış yolunun optimizasyonu
Hidrolik ağlar veya olası örnek kurulumları dikkate almadan kombi vanalar, geleneksel kontrol vanaları ile kıyaslanacak olursa, basınçtan bağımsız bir kontrol vanasındaki direnç ve basınç kaybı, geleneksel vanalara kıyasla daha yüksek olduğu görülecektir. Kombi vanalar, hatasız işletim için yaklaşık 15-20 kPa düzeyinde minimum basınç değişikliğine ihtiyaç duymaktadırlar. Bu rakam, geleneksel radyatör vanalarında sadece 9 kPa’dır. Çünkü basınçtan bağımsız kontrol vanası, gerekli olan basınç değişikliğini iki katına çıkarmaktadır. Peki o halde kombi vanaları kullanılırken enerji verimliliği nasıl sağlanmaktadır?

Vanaların pompa enerjisi üzerindeki etkilerini değerlendirirken, tüm hidrolik ağ ve vanaya özgü kurulum özellikler her daim dikkate alınmalıdır. Tüm akış yollarında ilave basınç kayıpları olması olası değildir. Çünkü dengeleme vanası, basınçtan bağımsız kontrol vanasına entegre edilmiştir ve her türlü durumda yüksek basınç kaybına gerek bulunmaktadır. Bu durumda, minimum basınç değişikliğine ihtiyaç yoktur. Minimum basınç değişikliğini fark edilebilir hale getiren geleneksel ağda sadece en olumsuz akış yolu için dengeleme vanasına ihtiyaç duyulmamaktadır, çünkü ağ içinde minimum basınç değişikliğinin mutlaka sağlanması gerek olup, bu değişiklik, tüm hacimsel akışı etkilemektedir. Ancak gerekli olan basınç değişikliği, geleneksel bir kontrol vanasındaki basınç değişikliğinden yüksek midir? Aslında, hayır!

Dinamik bir ağda, en olumsuz akış yolu, kullanım amacına göre değişiklik gösterebilir. Örneğin, daha önceden “olumlu” olarak kullanılmış, statik dengeleme vanalı bir akış yolu, farklı ısıtma veya soğutma gereksinimleri neticesinde en olumsuz akış yoluna dönüşebilir. Basınçtan bağımsız kontrol vanaları ile yapılan kıyaslamalarda, sadece vanalardaki basınç kayıpları değil, dengeleme vanası üzerinde basınç kaybı dikkate alınmalıdır. Statik dengelemede, dengeleme vanası sabit bir dirence ayarlandığı ve işletim durumuna göre uyarlanmadığı için en olumsuz akış yolundaki basınç kaybı, basınçtan bağımsız bir kontrol vanasında, geleneksel kontrol vanalı ve statik dengeleme vanalı bir kombinasyona kıyasla çok daha düşük düzeyde olabilir.

Sonuç
Günümüz hidrolik ağlarında hacimsel akış, gerçek talebe göre değişiklik göstermektedir. Bu tip dinamik ağlar, aslen statik kontrol elemanları kullanılarak dengelenmekte ve ilgili tasarım durumuna göre hesaplanmaktadır. Binalardaki hidrolik ağların aslen kısmi yük durumunda çalışması nedeniyle bu durum, sadece belirli bir ölçeğe kadar bir çözüm olarak değerlendirilebilir. Hidrolik ağlar, ideal olarak herhangi bir işletim durumunda optimum düzeyde dengelenebilmeli ve yüksek düzeyde esnek olmalıdır. Bu koşullar altında kombi vanalar bir çözüm olabilir. Kombi vanalar, planlama sürecini basitleştirmekte, inşa aşamasında küçük çaplı sapmaları telafi etmekte, hidrolik ağları sürekli olarak dengelemekte ve hidrolik ağların şeffaf hale getirilmesinde önemli bir oynamaktadır. Bununla birlikte, bu tip vanaların dinamik ağlarda daha yüksek basınç kayıplarına neden olacağı varsayımı, bütünsel açıdan bakıldığında hatalıdır. Tabii ki, konfor ve termal enerji verimliliğini artırma potansiyeli de dikkate alınmalıdır. Sonuçta, planlanma aşamasında dengeli olarak tasarlanmış hangi hidrolik ağ, uygulamada dengelidir?

Referanslar:
Avery, Gil: “Balancing A Variable Flow Water System Will Ruin the Control System” (Değişken Bir Su Akış Sisteminin Dengelenmesi Kontrol Sistemine Zarar Verir), ASHRAE Dergisi, sayı: Ekim 1990