Serbest soğutma (free cooling): kompresörü ne zaman durdurur?

Serbest soğutma, dış hava prosesin istediği su sıcaklığının yeterince altına indiğinde soğutma yükünü kuru soğutucuya devretme yöntemidir. Kısmi modda kompresör kademesi iner, tam modda kompresörler tamamen durur. Eşik, hedef su sıcaklığından kuru soğutucunun yaklaşma farkı çıkarılarak bulunur; 6 K'lik tipik bir yaklaşmada 12 °C su için dış havanın 6 °C'nin altına inmesi gerekir.

Ocak ayında bir tesise gidip chiller'ın kondenser fanlarının 4 °C'lik dış havaya karşı tam devirde döndüğünü görmek, bu işteki en can sıkıcı manzaralardan biri. Makine, dışarıda hazır duran soğuğu kullanmak yerine kompresörle soğuk üretmeye devam ediyordur. Serbest soğutma (free cooling) tam olarak bunu düzeltir: dış hava prosesin istediği su sıcaklığının yeterince altına indiğinde soğutma yükünün bir kısmını, bazen tamamını doğrudan havaya devretmek.

Mantık basit, kurgu değil. İş üç sayının birbirine oturmasına bakar: prosesin gerçekten kaç derece su istediği, kuru soğutucunun (dry cooler) suyu dış havaya ne kadar yaklaştırabildiği ve o yerde dış havanın yılda kaç saat eşiğin altında kaldığı. Biri yanlış alınırsa, kâğıt üzerinde iyi görünen düzenek sahada yılda birkaç hafta çalışıp geri kalan zamanı baypasta geçirir.

Serbest soğutmanın chiller'ın içine gömülü bir özellik olması da gerekmez. Yıllardır çalışan bir grubun önüne sonradan da eklenir, makineye dokunulmaz. Karar bu yüzden çoğunlukla yeni chiller alınırken değil, mevcut tesisin kış faturasına bakılırken gündeme gelir.

Serbest soğutma nedir, chiller'ın işini nasıl devralır?

Kuru soğutucu, içinden su ya da su-glikol karışımı geçen lamelli bir batarya ile üzerindeki fanlardan ibarettir. Kompresör yok, soğutucu akışkan devresi yok. Fanlar dış havayı bataryanın üzerinden geçirir, su ısısını doğrudan havaya bırakır. Harcanan elektrik yalnızca fanların ve devreyi döndüren pompanındır.

Bunun bir sınırı var ve bütün hesap o sınırın etrafında dönüyor: bir kuru soğutucu suyu dış hava sıcaklığının altına indiremez. Pratikte oraya kadar bile inemez; batarya ne kadar büyük olursa olsun su ile hava arasında bir yaklaşma farkı (approach) kalır. Sektörde tipik olarak 5–8 K'lik bir yaklaşma farkı üzerinden seçim yapılır. Yani dış hava 5 °C ise, 6 K yaklaşmalı bir bataryadan çıkan su en iyi ihtimalle 11 °C olur.

Bu yönüyle kuru soğutucu, soğutma kulesinden de ayrılır: kule buharlaşmayla çalıştığı için yaş termometre sıcaklığını hedefler, kuru soğutucu ise kuru termometreye mahkûmdur. Buna rağmen serbest soğutma kurgularında kuru soğutucu tercih edilir, çünkü su tüketmez ve devreye ikinci bir su şartlandırma yükü getirmez.

Devre şöyle kurulur: proses dönüş hattı önce kuru soğutucuya, oradan chiller evaporatörüne gider. Kontrol, dönüş suyu sıcaklığı ile dış hava sıcaklığını sürekli karşılaştırır. Dış hava suyu soğutmaya yetmiyorsa üç yollu vana bataryayı baypas eder, sistem sıradan bir chiller devresi gibi çalışır. Yetiyorsa su bataryadan geçer, chiller'a daha soğuk girer ve kompresörlerin kapatması gereken fark küçülür.

Kısmi ve tam serbest soğutma arasındaki fark

Kısmi serbest soğutma, dış havanın dönüş suyunu bir miktar soğutmaya yettiği ama hedef gidiş sıcaklığına indirmeye yetmediği bölgedir. Kuru soğutucu yükün bir kısmını alır, kalanı chiller kapatır. Kompresör çalışmaya devam eder ama kademe iner: iki kompresörlü bir grupta ikinci kademe devre dışı kalır, dört kompresörlü bir grupta yük daha ince bölünür.

Tam serbest soğutma, batarya çıkışındaki suyun doğrudan hedef gidiş sıcaklığına ya da altına indiği bölgedir. Kompresörler tamamen durur, geriye fanlar ve pompa kalır. Su hedefin altına düşerse üç yollu vana bataryanın bir bölümünü baypas ederek karışımı ayar noktasında tutar.

Kurgu yapılırken en sık atlanan nokta şu: bir tesiste kazancın büyük kısmı tam moddan değil, kısmi moddan gelir. Tam modun eşiği yılda görece az saatte aşılır; kısmi modun bölgesi ise çok daha geniştir ve sonbahardan ilkbahara kadar uzanır. Yalnızca kompresörlerin kaç saat tamamen durduğuna bakan bir değerlendirme, işin asıl kazandığı yeri hiç görmez.

Geçiş sıcaklığı kaç derece olmalı?

Geçiş sıcaklığı (changeover temperature) aslında iki eşiktir ve ikisi de tek satırla bulunur:

• Kısmi serbest soğutmanın başladığı nokta: dönüş suyu sıcaklığı − yaklaşma farkı
• Tam serbest soğutmanın mümkün olduğu nokta: hedef gidiş suyu sıcaklığı − yaklaşma farkı

Somut bir devrede yürütelim. Bir plastik işletmesinde kalıp soğutma devresi 20 m³/h su dolaştırıyor; su prosese 12 °C gidiyor, 17 °C dönüyor. Isı yükü:

Q = m × c × ΔT = 20.000 kg/h × 1 kcal/kg·K × 5 K = 100.000 kcal/h (116,3 kW)

Bu yükü nominal koşulda karşılayan model KPLN 125.2'dir; 100.000 kcal/h kapasiteli, iki kompresörlü, hava soğutmalı bir grup. Katalog değeri 12/7 °C su rejimi ve 35 °C ortam sıcaklığı içindir. Yük hesabının adımları için chiller kapasite hesabı sayfasına bakabilirsiniz.

Devrenin önüne 6 K yaklaşma farkıyla seçilmiş bir kuru soğutucu koyalım. Eşikler:

• Kısmi mod: 17 − 6 = 11 °C. Dış hava bunun altına indiği andan itibaren batarya işe yarar.
• Tam mod: 12 − 6 = 6 °C. Dış hava buranın altındayken kompresörlere gerek kalmaz.

Arada kalan bölgede yükün ne kadarını bataryanın taşıdığını, çıkış sıcaklığından okuyoruz. Batarya çıkışı = dış hava + 6 K; chiller'ın kapatacağı fark = batarya çıkışı − 12 °C. Birinci yaklaşımla tablo şu hale gelir:

Dış hava	Batarya çıkış suyu	Chiller'ın kapatacağı fark	Serbest soğutmanın taşıdığı pay	Çalışma biçimi
14 °C	Batarya baypasta	5 K	%0	Yalnızca chiller
11 °C	17 °C	5 K	%0	Eşik noktası, kazanç yok
9 °C	15 °C	3 K	yaklaşık %40	Kısmi serbest soğutma
8 °C	14 °C	2 K	yaklaşık %60	Kısmi, tek kompresör kademesi
7 °C	13 °C	1 K	yaklaşık %80	Kısmi, chiller çok düşük yükte
6 °C	12 °C	0 K	%100	Kompresörler durur
2 °C	8 °C	0 K	%100	Vana karıştırarak 12 °C'yi tutar

Tablonun okunuşu şu: 8 °C dış havada 100.000 kcal/h'lik yükün yaklaşık 60.000 kcal/h'lik kısmı bataryada atılır, chiller'a 40.000 kcal/h kalır. Yükünün yarısından fazlasını kaybeden iki kompresörlü bir grup tek kademeye iner. İkinci sonuç şu: serbest soğutmalı bir devrede chiller yılın önemli bir bölümünü nominal yükünün çok altında geçirir, dolayısıyla tank hacmi ve kademe ayarları normalden kritiktir. Kısa devir (short cycling) riski tam da bu saatlerde başlar.

Serbest soğutmada glikol şart mı?

Şart. Kuru soğutucu bataryası dışarıda duruyor, içi suyla dolu ve tanımı gereği tam da dışarısı soğukken kullanılıyor. Hafta sonu duruşunda ya da bir elektrik kesintisinde pompa durduğunda, eksi beş derecelik bir gecede batarya boruları donar ve çatlar. Serbest soğutmalı devrelerde antifriz bir tercih değil, devrenin bir parçasıdır.

Karışım oranı, o bölgede görülmüş en düşük dış hava sıcaklığının birkaç derece altını verecek şekilde seçilir. Genel kabul, oranı gereğinden yukarı çekmemek yönündedir, çünkü glikolün bedeli var: karışımın özgül ısısı suyunkinden düşüktür, yani aynı ısıyı taşımak için daha yüksek debi gerekir; viskozitesi yüksektir, yani pompa daha çok basar; ısı transfer katsayısı düşer, yani hem chiller'ın hem kuru soğutucunun kapasitesi azalır. Aynı devre, glikolsüz haline göre bu üç kalemde de geriye gider ve chiller seçimi bu kayıp hesaba katılarak yapılır. Oran seçimi ve kapasite düzeltmesi için glikol kullanımı sayfasına bakın.

Bataryayı yaz gelince boşaltıp donma riskini ortadan kaldırmayı öneren tesisler oluyor. Pratikte güvenli değil: lamelli bir bataryanın alt kolektörlerinde ve ters eğimli borularında su cepleri kalır, ilk sert gecede oradan patlar. Zaten kışın çalışacak bir düzeneği soğuklar bastırınca doldurup ilkbaharda boşaltmak da işletme mantığına aykırı.

Türkiye'de serbest soğutma yılda kaç ay işe yarar?

Yukarıdaki 11 °C ve 6 °C eşiklerini ülkenin farklı bölgelerine oturtunca kabaca şu tablo çıkıyor. Satırlar kesin saat hesabı değil, ön eleme içindir; gerçek karar tesisin bulunduğu noktanın saatlik dış hava kayıtlarıyla verilir.

Bölge (örnek il)	Kısmi mod, dış hava 11 °C altı	Tam mod, dış hava 6 °C altı	Dikkat edilecek nokta
Doğu Anadolu yükseltileri (Erzurum, Kars, Sivas)	Ekim–nisan, yaklaşık yedi ay	Aralık–mart, gün içinde de tutar	En yüksek glikol oranı burada gerekir
İç Anadolu (Ankara, Konya, Eskişehir)	Kasım–mart, yaklaşık beş ay	Aralık–şubat, ağırlıkla gece ve sabah	Gece ile gündüz arasındaki fark büyük
Marmara (İstanbul, Bursa)	Aralık–mart, yaklaşık dört ay	Ocak–şubat geceleri	Kazancın neredeyse tamamı kısmi moddan gelir
Karadeniz kıyısı (Samsun, Trabzon)	Aralık–mart, ağırlıkla gece	Sınırlı	Nem yüksek, ama kuru soğutucuda nemin etkisi yok
Ege ve Akdeniz kıyısı (İzmir, Antalya, Mersin)	Ocak–şubat, yalnızca gece saatleri	Neredeyse yok	Rejim yükseltilmeden anlamlı bir kazanç çıkmaz
Güneydoğu (Diyarbakır, Şanlıurfa)	Aralık–mart, yaklaşık dört ay	Aralık–şubat, gecelerin büyük kısmı	Yaz yükü çok yüksek, chiller yine tam boyutlanır

Tabloya bakarken vardiya düzenini de hesaba katın. Üç vardiya çalışan bir tesis gecenin tamamını kullanır; yalnızca gündüz çalışan bir tesis, İstanbul'da kışın bile serbest soğutmanın en verimli saatlerini kaçırır. Aynı ilde, aynı kuru soğutucuyla iki tesis tamamen farklı sonuç alır.

İkinci ayar noktası prosesin rejimidir. Eşikler doğrudan hedef su sıcaklığına bağlı olduğundan, prosesin 12 °C yerine 18 °C su ile de çalışabildiğini gösterebilirseniz tam mod eşiği 6 °C'den 12 °C'ye çıkar ve İzmir'de bile kullanılabilir bir saat sayısı doğar. Serbest soğutma işlerinde en büyük kazanç çoğu zaman eklenen ekipmandan değil, rejimin yükseltilebildiğinin ispatlanmasından gelir.

Hangi proseslerde serbest soğutma işe yaramaz?

Yıl boyu 7 °C ya da altında su isteyen hatlar bu işin dışında kalır. Aynı 6 K yaklaşma farkıyla bakalım: gidiş 7 °C, dönüş 12 °C ise kısmi mod eşiği 12 − 6 = 6 °C, tam mod eşiği 7 − 6 = 1 °C olur. Kıyı bölgelerinde 1 °C'nin altındaki saat sayısı hiçbir düzeneği taşımaz; iç kesimlerde kısmi mod bir miktar iş görür ama kazanç, 12 °C'lik bir devrenin çok gerisinde kalır. Üstelik bu devrelerde glikol yıl boyu duracağı için kapasite kaybı da yıl boyu sürer.

Bu tanıma giren tipik hatlar şunlar: süt ve süt ürünleri tesislerindeki buzlu su devreleri, fermantasyon ve soğuk stabilizasyon hatları, düşük sıcaklıkta reaksiyon kontrolü yapılan kimya prosesleri. Buralarda su sıcaklığını proses belirler; pazarlık payı yoktur.

İkinci grup, soğuk aylarda zaten çalışmayan mevsimlik tesisler. Kazanç toplam saat sayısı üzerinden birikir; kışın kapalı olan bir tesiste birikecek bir şey kalmaz.

Üçüncüsü küçük yükler. Kazanç mutlak enerji olarak ölçülür; 25.000 kcal/h'lik bir devrede kışın kazanılan enerji, eklenen batarya, ilave pompa, vana ve kontrolün kendi tüketimi ile bakım yükünün yanında sönük kalır. Aynı düzenek 200.000 kcal/h'lik bir devrede bambaşka bir hesaptır.

Dördüncüsü yer. Kuru soğutucu aynı ısıyı çok daha küçük bir sıcaklık farkıyla atmak zorunda olduğu için iri bir cihazdır; çoğu tesiste chiller'ın kapladığı alandan fazlasını ister. Çatısı ya da yan sahası müsait olmayan bir tesiste bu tek başına eleyicidir.

İşe en çok yaradığı yerler ise bellidir: yıl boyu kesintisiz çalışan ve görece yüksek su sıcaklığıyla yetinebilen yükler. Veri merkezi ve elektronik soğutma devreleri, lazer kesim tesislerinin soğutma hatları ve plastik enjeksiyon kalıp devreleri bu tanıma girer.

Sahada en sık gördüğümüz kurgu hatası

Kuru soğutucuyu chiller'ın kondenserine bakarak boyutlamak. Düşünce şöyle işliyor: chiller bu ısıyı şu boyuttaki bir kondenserle atabiliyorsa, kuru soğutucu da aşağı yukarı o boyutta olur. Fizik böyle çalışmıyor.

Chiller kondenserinde, içerideki akışkan 35 °C'lik havadan belirgin biçimde sıcakken ısı atılır; arada büyük bir sıcaklık farkı vardır ve iş kolaydır. Kuru soğutucu ise suyu dış havaya 5–8 K yaklaştırmak zorundadır. Aynı ısıyı kat kat küçük bir sıcaklık farkıyla atacağı için batarya yüzeyi ve hava debisi çok daha büyük olmak zorundadır. Kondensere bakarak seçilen batarya sahada 10–12 K yaklaşmayla çalışır ve bütün hesabı bozar.

Yukarıdaki örnekte yaklaşma farkı 6 K yerine 12 K olsaydı eşikler şuraya kayardı: kısmi mod 17 − 12 = 5 °C, tam mod 12 − 12 = 0 °C. Marmara'da yılın kullanılabilir saatlerinin büyük kısmı bu iki satır arasında silinir. Düzenek kışın da baypasta bekler, sonra da serbest soğutma çalışmıyor denir; oysa çalışacağı koşul hiç oluşmamıştır.

İkinci hata yerleşimdir. Kuru soğutucuyu chiller'ın sıcak hava atışına bakacak yere koymak, bataryanın emdiği havayı kışın bile birkaç derece ısıtır. Yaklaşma farkı kâğıtta doğrudur, ama batarya artık 4 °C'lik dış havayı değil ısınmış karışık havayı görür; eşikler yine kayar.

Karar nereden başlar?

Üç veriyle: prosesin gerçekte ölçülen gidiş ve dönüş su sıcaklıkları (projede yazan 12/7 değil, hattın üzerinden okunan değerler), yükün gün ve yıl içindeki saat dağılımı, tesisin saatlik dış hava kayıtları. Bu üçü elde olduğunda yaklaşma farkı bir tercih meselesine döner, eşikler kendiliğinden çıkar.

Bir nokta da baştan netleşsin: serbest soğutma yedek bir sistem değil, tasarruf düzeneğidir. Chiller yine yılın en sıcak gününü tek başına taşıyabilecek şekilde seçilir, kuru soğutucu o kapasiteden düşülmez. Devrenizin yükünü ve çalışma rejimini paylaşırsanız hangi KPLN modelinin oturduğunu birlikte değerlendirebiliriz; on bir modelin tamamı ürün gamı sayfasında duruyor.

Sıkça sorulanlar

Tüm yazılar