Termal konfor ve enerji verimliliği odaklı akıllı klima kontrol sistemi

Bu tezde, klima kumandası ile klimayı kontrol eden bir kullanıcı gibi çalışan akıllı klima kontrol sistemi anlatılmaktadır. Tasarlanan akıllı klima kontrol sistemiyle klima, kullanıcıların termal konfor sıcaklığına otomatik olarak ayarlanmakta ve tasarım sayesinde enerji verimliliği arttırılmaktadır. Günümüzde insanlar konforlu, modern ve kaliteli bir yaşama ortamı sağlamak için iklimlendirme sistemlerini hiç olmadığı kadar yoğun bir şekilde kullanmaktadırlar. Aynı zamanda klimaların kullanımı gelir seviyesindeki artış ile birlikte artmaktadır ve bununla paralel olarak elektrik harcamalarında da artış gözlenmektedir. Bu sebeplerle artan ihtiyaca yönelik klima kullanımın konforunu arttırmak ve yoğun kullanımdan doğan enerji ihtiyacı azaltmak araştırmaya değer ve gerekli bir konudur. Akıllı klima kontrol sistemi İnternet üzerinden erişilebilirlik, alıcılar ile haberleşme, lineer olmayan denklem çözme, optimizasyon algoritması ve klima kontrolü algoritması gibi yazılım unsurlarını üzerinde barındıran ve bu unsurları aynı anda performans kaybı yaşamadan koşturabilecek donanım unsurlarından oluşmaktadır. Kontrol edilecek klimanın kumandasının tuşlarına basıldığında gönderdiği kızıl ötesi komutlar, kızıl ötesi alıcı yardımıyla kontrolörün içine önceden kayıt edilmektedir. Klima kontrol sistemi bu sayede, kurulu klimanın iç ve dış birimlerinin çalışma şekline müdahale etmeden kızıl ötesi yoluyla klima kumandası komutları gönderen bir kullanıcı rolünde çalışır. Klima kontrol sistemini akıllı yapan, termal konfor sıcaklığını belirleyen algoritma, deney ortamına yerleştirilen sıcaklık ve nem alıcılarından aldığı bilgiler ve sabit deney koşulları altında termal konfor sıcaklığını belirleyerek klimanın kızıl ötesi yoluyla konfor sıcaklığına ayarlanmasını sağlar. Termal konfor sıcaklığını belirleyen algoritmanın çekirdeğini, çevre ve insan faktörleri arasındaki termodinamik ilişki ile deney sonuçlarından alınan istatistiksel verilerin birleştirilmesiyle ortaya çıkarılan tahmini ortalama oy (PMV) fonksiyonu oluşturmaktadır. Fonksiyon sonucunda elde edilen PMV değeri, ISO 7730 ve ASHRAE Standard 55'de belirtilen termal konfor yelpazesinde bir noktaya denk gelir ve büyük bir insan gurubunun ortalama termal konforunu tahmin eder. Termal konfor yelpazesi +3 ve -3 aralığında değişmektedir ve +3 çok sıcak koşullar için, -3 ise çok soğuk koşullar içindir. PMV fonksiyonuna göre elde edilen 0 değeri termal konfor yelpazesinde en uygun ortam koşullarını temsil eder ve yelpazedeki bu değerde bile PMV'ye göre istatistiksel olarak insanların %5'i kendini termal anlamda konforlu hissetmemektedir. ISO standartlarında PMV değerinin +0.5 ve -0.5 arasında olması gerektiği belirtilmiştir. Termal konfor sıcaklığı bulunurken de hem ISO standartları dışına çıkmamak hem de enerji verimliliği sağlamak için deney ortamının PMV değerini yaz aylarında +0.25, kış aylarında -0.25 olmasını sağlayacak hava sıcaklıkları seçilmiştir. Fakat seçilen hava sıcaklığı, PMV fonksiyonunda kullanılan bir parametre olduğu için fonksiyonun tersi alınmıştır. PMV fonksiyonunun çözümü doğrusal olarak yapılamadığından fonksiyonun tersini alma işlemi de doğrusal olarak yapılamaz, dolayısıyla PMV değerinin bulunması ve fonksiyonun tersinin alınması işlemlerinde parçacık kümesi optimizasyonu (PSO) kullanılmıştır. Akıllı klima kontrol sistemi deney ortamının sıcaklığını, belirlenen termal konfor sıcaklığına aşım yapmadan olabildiğince hızlı bir şekilde tasarlanan PI kontrolör sayesinde getirir. PI kontrolör tasarlanırken öncelikle deney ortamının termal transfer fonksiyonu yapılan basamak cevabı deneyleriyle çıkarılmıştır. Daha sonra yapılan benzetimler ve testler ile PI kontrolörünün katsayıları ve yapısı belirlenmiştir. Tasarlanan termal konfor ve enerji verimliliği odaklı akıllı klima kontrol sistemi ile klima çalışma sıcaklığı 0.1 ⁰C çözünürlükle otomatik olarak termal konfor sıcaklığına ayarlanabilmektedir. Yapılan deneyde, PMV değeri -0.25 ve 0 olarak seçildiğinde konfor değeri sırasıyla ortalama 21.7 ⁰C ve 22.8 ⁰C olarak bulunmuştur. Klima, ortamın sıcaklığına ve nemine aynı anda etki ettiği için konfor sıcaklıkları ± 0.1 ⁰C salınım yapmıştır. Deneyde PMV -0.25 değeri için ortam sıcaklığı kontrol sistemi tarafından ±0.4 hata payı ile 21.7 ⁰C'de tutulmaya çalışılmıştır. PMV 0 değeri için ise ortam sıcaklığı kontrol sistemi tarafından ±0.5 ⁰C hata payı ile 22.8 ⁰C'de tutulmaya çalışılmıştır. PMV 0 için sistemin nispeten zorlanmasının sebebi, odanın çok yavaş ısınması fakat çok çabuk soğumasıdır. Ayrıca dış hava sıcaklığı 20 ⁰C'de iken pencere açma senaryosu ile sistemin hata girişine karşı olan dayanıklılığı ölçülmüş ve deney sonuçlarında kontrol sisteminin hata sinyalini başarılı şekilde bastırdığı görülmüştür. Verilere göre kullanıcılar, kışlık kıyafetler ile bilgisayar işleriyle uğraştıklarında ve konfor sıcaklığı PMV -0.25 değerine göre belirlendiğinde %6-%8 arasında ortamdan termal açıdan rahatsız olmuşlardır. Aynı koşullarda konfor sıcaklığı PMV 0 değerine göre belirlendiğinde kullanıcılar ortalama %5.1 oranında ortamdan termal açıdan rahatsız olmuşlardır. Bu yüzden hem enerji verimliliği hem de termal konforun sağlanması için kış aylarında PMV -0.25 değeri tercih edilmiştir.