Tasarımda Özdeş, Sezonda Farklı: İnverter, On/Off ve Tandem

Aynı soğutma kapasitesine göre seçilmiş üç ısı pompası, 35 °C tasarım noktasında birbirinden ayırt edilemez: üçü de 20–21 kW verir. Ama dış hava 27 °C'ye indiğinde birinin kompresör COP'si 6,4'e çıkarken diğerleri 4,9'da kalır. Aynı cihaz, aynı gün; tek fark kompresör kapasitesinin nasıl kontrol edildiği.

Bir ısı pompasında kapasite üç yolla kontrol edilebilir: değişken hızlı (inverter) tek kompresör, sabit hızlı (on/off) tek kompresör ya da farklı boyda iki kompresörü kademeli çalıştıran asimetrik tandem. Bu yazıda, ısı geri kazanımlı bir ısı pompası (HPHR) cihazında üçünü HVACinOne ile hesapladık [13]. Kompresör dışında her şey birebir aynı tutuldu.

Tasarım noktasında (35 °C dış hava, 18 °C üfleme) üçü de benzer kapasiteyi verir. Ama dış hava değiştikçe davranışları belirgin biçimde ayrışır: inverter hedeflenen üfleme sıcaklığını sürekli tutar, sabit kapasiteli sistemler ise hedefi ıskalayıp aç-kapa çevrimine girer. Bu yüzden asıl kıyas tek bir tam yük noktasında değil, bütün soğutma sezonu boyunca yapılmalı.

Karşılaştırmayı adil kurmak için üç sistemi de aynı tasarım noktasına göre seçtik: 35 °C dış hava, %100 taze hava, 8000 m³/h, 18 °C üfleme hedefi. Her biri bu noktada aynı soğutma kapasitesini verecek şekilde boyutlandırıldı:

• İnverter: ANB66FBZMT (değişken hız; tasarımda 45 Hz)
• Tek on/off: ZH15K1P-TFM (sabit 50 Hz scroll)
• Asimetrik tandem: ZH06K1P-TFM + ZH09K1P-TFM (iki farklı boy scroll, birlikte)

Fonksiyon her üç halde de HP-HR-R'dir (rotorlu ısı geri kazanım + tek devre ısı pompası). Cihaz, kompresör dışında birebir aynıdır: aynı rotor, aynı evaporatör/kondenser serpantini, aynı fanlar.

Üç sistem, tek tasarım noktasında özdeş

Tasarım koşulunda üç sistemin ürettiği kompresör (mekanik) soğutma kapasitesi neredeyse aynıdır:

Tablo 1 — 35 °C / 18 °C üfleme tasarım noktasında üç sistemin kompresör kapasitesi, çalışma noktası ve kompresör COP'si.

Üçü de ~20–21 kW soğutma veriyor; zaten aynı kapasiteye göre seçildiler. Üçü de üflemeyi 18 °C'ye getiriyor, benzer bir çalışma noktasında (~49 °C yoğuşma) çalışıyor ve kompresör COP'leri birbirine yakın (~4,0–4,4). Kompresör performansı katalogda evaporasyon ve yoğuşma sıcaklıklarının fonksiyonu olarak verilir [1], [2]. Kısacası tasarım noktasında üç sistem, kompresör tarafında pratikte denk kabul edilebilir.

Ne anlama geliyor: Tek bir tasarım noktasında kıyaslanınca "hangisi daha iyi" sorusunun cevabı yoktur; üçü eşdeğerdir. Ama bir cihaz tek noktada değil, soğutma sezonu boyunca değişen dış havada çalışır. Fark orada başlar.

Süreç görünümü: tasarım dışına çıkınca ne oluyor?

Aynı 18 °C üflemeyi 27–50 °C arası dış havada tutmaya çalıştığımızda üç sistem ayrışır. İki soruyu birlikte soralım: her sistem kaç derece üflüyor ve hangi verimle?

Ne üflüyor: İnverter, frekansını modüle ederek üflemeyi tüm aralıkta düz 18 °C'de tutar. Tek on/off ve asimetrik ise tek bir kapasiteye çakılı olduğu için üflemeyi tutamaz. Yüksek dış havada (>34 °C) yük kapasitelerini aşar ve üfleme 18 °C'nin üstüne çıkar (50 °C'de ~20 °C); düşük dış havada ise gereğinden fazla soğutup 18 °C'nin altına iner.

Tek on/off ile asimetrik bu hedefte neredeyse üst üste biner. 18 °C yükü neredeyse tam kapasite istediği için asimetriğin de iki kompresörü birlikte çalıştırması gerekir.

Hangi verimle: İşte kritik bulgu. Düşük ve orta yükte inverter belirgin biçimde daha verimli (27 °C'de COP 6,4'e karşı diğerleri 4,9). Çünkü frekansı düşürünce yoğuşma sıcaklığı da düşer ve kompresör daha ılımlı bir basınç oranında çalışır. Eğriler ~38 °C civarında kesişir; çok yüksek yükte inverter nominal üstü frekansa zorlandığı için COP'si diğerlerinin altına iner. Ne var ki o bölgede 18 °C'yi tutabilen tek sistem yine odur.

Kapasite kapsama: 50 °C'de 18 °C üfleme ~25 kW soğutma ister ve bunu yalnızca inverter karşılar. Tek on/off _{19 kW'ta doyar ve üfleme 20 °C'de kalır. Yani inverter, diğerlerinin yetişemediği bölgede kabaca **üçte bir (}%33) daha fazla kapasiteye** hizmet verir.

Ne anlama geliyor: Tasarım noktasında denk olan üç sistem, dış hava değiştikçe ayrışır. İnverterin üstünlüğü iki somut kazanımda toplanır: (1) hedefi tutabilir, (2) kısmi yükte daha az güç çeker, çünkü frekansını yüke göre kısıp daha düşük yoğuşmada çalışır. İkisinin de kaynağı aynıdır: inverter kapasitesini yüke sürekli uydurabilir, diğerleri uyduramaz.

Sektörün kısmi yük verim ölçütleri de bu yüzden tek bir tam yük noktası yerine kısmi yük profilini ağırlıklandırır. Bu cihaz sınıfı için ölçüt IEER'dir [3]; chiller tarafında IPLV kullanılır [4].

Kompresör, yükün yalnızca üçte birini yapıyor

Bir adım geri çekilip toplam soğutmaya bakınca kompresörün rolü daha da küçülür. 35 °C tasarım noktasında cihazın verdiği toplam soğutmanın büyük kısmı kompresörden değil, rotorlu ısı geri kazanımdan gelir [5], [6]:

• Toplam soğutma: 65,7 kW
• Bunun 44,9 kW'ı (%68) rotordan gelir (dönüş havasıyla taze havanın ön soğutulması)
• Kompresörün (DX) payı yalnızca 20,8 kW (%32)

Burada bir kavram karışıklığına düşmemek gerekir: ısı geri kazanım ile ısı pompasının verimi standartlarda ayrı ölçülür, tek bir sayıda toplanmaz. Rotorun katkısı bir COP değil, ısı geri kazanım etkinliği ile ifade edilir; bu, geri kazanılan enerjinin kazanılabilecek en yüksek enerjiye oranıdır [6], [7], [8]. Kompresörün verimi ise klasik COP'dir [9]; burada ~4,36.

Toplam soğutmayı (65,7 kW) toplam elektrik gücüne (7,8 kW) bölüp "~8,4 sistem COP'si" gibi bir sayı üretmek yaygın ama yanıltıcıdır ve standart bir tanım değildir. Bu hesap, rotorun bedava geri kazandığı ısıyı kompresörün mekanik işi gibi gösterir. Doğru okuma şudur: rotor yükün büyük kısmını etkinlikle karşılar, kompresör COP ~4,36 ile geriye kalan küçük trim (rötuş) yükünü kapatır.

Ne anlama geliyor: Isı geri kazanım varken kompresör zaten değişken ve küçük bir yük görür. Bu da kapasite kontrolünü, yani kompresörü doğru noktada tutabilmeyi, daha da belirleyici kılar.

Sahada: on/off ideal noktayı koruyamaz

Buraya kadarki karşılaştırma kararlı çalışma (steady-state) varsayımıyla yapıldı. Sahada tablo on/off aleyhine daha da açılır, çünkü sabit hızlı bir kompresör ideal çalışma noktasında kalamaz.

Çevrim ve anti-short-cycle gecikmesi → üfleme salınımı

On/off kompresör üfleme (ya da dönüş) hedefine gelince durur, sıcaklık bir miktar yükselince tekrar kalkar. Ama kısa çevrimi önlemek için otomasyona bir çalışma gecikmesi (anti-short-cycle timer) girilir. Kompresör üreticisi de, özellikle üfleme havasından kontrol edilen büyük kompresörlü paket cihazlarda kısa çevrimin üfleme sıcaklığında geniş salınımlar yarattığını ve bu gecikmenin şartnamede istenmesi gerektiğini vurgular [10]. Bu yüzden "19 °C'de tekrar girsin" dense bile kompresör, gecikme dolmadığı için 20 °C'de girer.

Sonuç, hedef etrafında dar bir bant değil, timer'ın genişlettiği bir salınımdır. İnverter ise hedefi düz tutar; durmadığı için ne salınım ne gecikme vardır.

Kalkış akımı ve çevrim kaybı

Her kalkışta kompresör, çalışma akımının birkaç katı olan bir kalkış akımı (kilitli rotor akımı, LRA) çeker; üretici kontaktörün bu akıma göre seçilmesini ve paralel bağlı kompresörlerin ayrı ayrı kaldırılmasını ister [14]. Bu darbenin enerji (kWh) maliyeti aslında küçüktür, çünkü saniyenin kesri kadar sürer. Asıl bedeli elektriksel talep tepesi (kVA/demand ücreti) ile kontaktörün ve kompresörün mekanik yıpranmasıdır.

Kısmi yükteki asıl enerji kaybı ise çevrimin kendisinden gelir ve sayısallaştırılabilir. Standart kısmi yük modeli her çevrime bir verim düşüşü atar: PLF = 1 − Cd·(1 − PLR). Burada PLR kısmi yük oranı, Cd ise çevrim bozunma katsayısıdır; tipik değeri 0,15–0,25, ölçülmemişse varsayılanı 0,25'tir [11].

Bu model ve 0,25 varsayılanı aslında küçük paket üniteler için tanımlıdır; buradaki daha büyük cihaza kavramsal olarak taşınmıştır. Bu sınıfın kısmi yük verimini ölçen AHRI 340/360 ise kısmi yükü ağırlıklı dört yük noktasıyla (100/75/50/25) ele alır [3]. Çerçeveler farklıdır, ama çevrimin bir verim cezası doğurduğu ortak bulgudur.

Buna göre %50 kısmi yükte (PLR = 0,5) on/off bir kompresör, aynı soğutmayı ~%8–14 daha fazla enerjiyle verir; yük hafifledikçe ceza büyür. İnverter modüle edip çevrime hiç girmediği için bu cezayı yaşamaz.

Asimetrik tandem daha ince kademelenir, ama bu hedefte fark etmiyor

İki farklı boy kompresör üç kapasite kademesi sunar: yalnız küçük (ZH06 ~11 kW), yalnız büyük (ZH09 ~14 kW) ya da ikisi birden (~21 kW). Bu, tek on/off'un tek kademesine göre yükü daha ince kaplar. Ancak 18 °C hedefinde gereken soğutma neredeyse tam kapasite olduğu için tek kademe yetmez, iki kompresörün birlikte çalışması gerekir.

Dolayısıyla bu hedefte asimetriğin tek on/off'a pratik bir üstünlüğü kalmaz. Üç kademenin faydası, tek bir küçük kademenin yettiği daha hafif yüklerde ortaya çıkar. Bunu vurgulamak gerekir: bu yazının ana çalışma hattında (8000 m³/h, 18 °C hedef) asimetrik sistem her dış havada iki kompresörü birlikte çalıştırır. Aşağıda anlatılan rotasyon cezası o hattın değil, tek bir kademenin yettiği daha hafif bir yük rejiminin sorunudur.

Eş-yaşlandırma rotasyonu tuzağı

Çok kompresörlü sistemlerin çoğunda bir "ömür uzatma" fonksiyonu bulunur: kompresörleri sırayla çalıştırıp çalışma saatlerini eşitleyen eş-yaşlandırma rotasyonu. Bu, çok kompresörlü dizilerde yaygın bir kontrol pratiğidir [12]. Ama bu mantık kapasite optimalliğini değil, eşit yaşlanmayı gözetir ve ara yükte yanlış kompresörü seçebilir.

Verimiz bunu somut gösteriyor. Hafif bir yükü doğru boyuttaki küçük kompresör (ZH06) karşılamalıyken rotasyon büyük olanı (ZH09) sıraya koyarsa, aynı soğutma için %12–15 daha fazla güç çekilir.

Tablo 2 — Ara yükte doğru boyut ZH06 yerine rotasyonla ZH09 devreye girdiğinde COP ve aynı soğutma için çekilen fazla güç.

Nedeni yine çalışma noktasıdır. Büyük kompresör aynı serpantini daha çok yükler, evaporasyonu düşürür ve yoğuşmayı yükseltir: 27 °C'de ZH06 TEvap 13,8 / TCond 35,6 °C'de çalışırken ZH09 TEvap 12,5 / TCond 37,8 °C'de çalışır. Yani kompresörü daha kötü bir basınç oranına, düşük COP'li bir noktaya iter. İronik olan şu: kompresör ömrünü uzatmak için konan rotasyon, ara yükte hem fazla güç yaktırır hem de büyük kompresörü gereksiz yere daha çok çevrime sokar.

Ne anlama geliyor: On/off ve çok kompresörlü sistemlerin sahadaki kaybı, tasarım noktasında denk olsalar bile, hedeflenen çalışma noktasında kalamamalarından doğar. Çevrim, timer salınımı, kalkış akımı, kaba kapasite kademelenmesi ve rotasyon; hepsi kompresörü verimli çalışma noktasından uzaklaştırır.

İnverter neden muaf

İnverterin üstünlüğü, tek tek bakınca hep aynı sebebe iner: çalışma noktasını koruyabilmesi.

• Sürekli modüle ettiği için hedefi düz tutar; salınım yoktur.
• Bir kez yumuşak kalkışla devreye girip çalıştığı için kalkış akımı darbesi yoktur.
• Frekansı yükle orantılı ayarladığı için ara yükte tam gerektiği kadar soğutur; kaba kapasite kademelerine ve aşırı soğutmaya gerek kalmaz.
• Tek kompresör olduğu için rotasyon/eş-yaşlandırma cezası yoktur.
• Kısmi yükte frekansı düşürüp yoğuşmayı indirdiği için ılımlı basınç oranında, yüksek COP'de çalışır.

Bunların hiçbiri "inverter kompresörün daha verimli olması" değildir. Hepsi, inverterin kompresörü doğru çalışma noktasında tutabilmesinin sonucudur.

Sonuç: seçilen kompresör değil, kontrol stratejisidir

Üç sistemi aynı 35 °C tasarım kapasitesine eşitleyip soğutma sezonu boyunca izlediğimizde ortaya çıkan tablo net:

• Tasarım noktasında üçü de denktir: benzer kapasite, benzer çalışma noktası, yakın COP.
• Farkı yaratan hangi kompresör olduğu değil, yükü nasıl karşıladıklarıdır: kapasite kontrolü.
• Isı geri kazanım kompresörü küçük bir trim yüküne indirir; asıl kaldıraç bu yükü hedeflenen noktada tutmaktır.
• İnverter kazanır; ama "verimli kompresör" olduğu için değil, çalışma noktasını hem geniş bir yük aralığında hem de sahadaki operasyonel cezalardan muaf biçimde koruyabildiği için.

Pratik çıkarım: İnverteri "otomatik verim" diye değil, çalışma noktası yönetimi (modülasyon menzili + sürekli çalışma) veren bir kontrol stratejisi olarak değerlendirmek gerekir. Sabit hızlı ya da çok kompresörlü bir sistem söz konusuysa, kazancı belirleyecek olan kompresörün kendisi değildir. Belirleyici olan; boyutlandırma, çevrim/timer ayarları ve rotasyon mantığının kapasite kontrolünü ne kadar bozduğudur.

Not (yöntem): Kararlı çalışma değerleri (kapasite, COP, çalışma noktası, rotasyondaki fazla güç) HVACinOne ile aynı cihaz üzerinde, HP-HR-R fonksiyonunda, 35 °C yaz tasarımına eşlenmiş üç kompresör konfigürasyonuyla hesaplanmıştır [13]. Çevrim salınımı, anti-short-cycle gecikmesi ve kalkış akımı gibi geçici/otomasyon etkileri bu kararlı hal motorunun kapsamı dışındadır; mühendislik muhakemesi ve üretici uygulama verisiyle ele alınmıştır.

Kaynaklar

1. CEN, EN 12900 – Refrigerant compressors: rating conditions, tolerances and presentation of manufacturer's performance data, 2013, https://www.en-standard.eu/bs-en-12900-2013-refrigerant-compressors-rating-conditions-tolerances-and-presentation-of-manufacturer-s-performance-data/
2. AHRI, AHRI Standard 540 – Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units, 2020, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/AHRI_Standard_540_(I-P_and_SI)_2020_Standard_for_Performance_Rating_of_Positive_Displacement_Refrigerant_Compressors_and_Compressor_Units.pdf
3. AHRI, AHRI Standard 340/360 – Performance Rating of Commercial and Industrial Unitary Air-conditioning and Heat Pump Equipment, 2022, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/AHRI%20Standard%20340-360-2022%20(I-P).pdf
4. AHRI, AHRI Standard 550/590 – Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Water-heating Packages, 2023, https://www.ahrinet.org/system/files/2023-06/ANSI%20AHRI%20Standard%20550%20590-2023%20(I-P).pdf
5. ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, "Air-to-Air Energy Recovery Equipment" bölümü, t.y., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
6. Eurovent, Eurovent 17/11 – Guidelines for Heat Recovery, 2015, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/publications-files/eurovent-rec-17-11-eurovent-guidelines-for-heat-recovery-2015-en.pdf
7. CEN, EN 308 – Heat exchangers: test procedures for establishing performance of air-to-air heat recovery components, 2022, https://www.en-standard.eu/bs-en-308-2022-heat-exchangers-test-procedures-for-establishing-performance-of-air-to-air-heat-recovery-components/
8. Avrupa Komisyonu, Commission Regulation (EU) No 1253/2014 – Ecodesign requirements for ventilation units, 2014, https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2014/1253/oj/eng
9. CEN, EN 14511-1 – Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps: terms and definitions, 2022, https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/93a37503-c91b-49dc-ad23-82ec9715acf1/en-14511-1-2022
10. Copeland, AE17-1262 R2 – Compressor Short Cycling: An Unrecognized Problem, 2024, https://webapps.copeland.com/online-product-information/Publication/LaunchPDF?Index=aeb&PDF=AE17-1262_R2.pdf
11. AHRI, AHRI Standard 210/240 – Performance Rating of Unitary Air-conditioning and Air-source Heat Pump Equipment, 2024, https://www.ahrinet.org/system/files/2024-05/AHRI%20Standard%20210%20240-2024%20(I-P)_0.pdf
12. ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Applications, t.y., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
13. HVACinOne, HVAC seçim ve hesap yazılımı – cihaz teknik çıktıları (8000 m³/h HP-HR-R; inverter / on-off / asimetrik tandem yaz süreci ve rotasyon hesapları), 2026
14. Copeland, AE4-1303 R18 – 7 to 15 Ton ZR-KC, ZH-KC and ZP-KC Copeland Compressors (Application Engineering Bulletin), 2025, https://webapps.copeland.com/online-product-information/Publication/LaunchPDF?Index=AEB&PDF=1303

← Tüm yazılar