Salah satu faktor yang mempengaruhi desain chilled water system adalah jumlah chiller yang akan digunakan. Penggunaan chiller tunggal (single chiller system) biasa pada sistem yang kecil (<100 TR) sedangkan pada sistem yang lebih besar umumnya menggunakan sejumlah chiller (multiple chillers system). Pada single chiller system menggunakan single pompa chilled water. Load terminal di control dengan three way modulating valves. Pompa menyalurkan air dengan constant flow keseluruh system dan keseimbangan chilled water flow mudah dicapai. Pada system yang lebih besar dan beban yang bervariasi menggunakan multiple chiller system dan pada multiple sistem ini dapat dioperasikan dengan menghidupkan semua chiller terpasang. Pada saat part load/beban sebagian, sistem dapat memperoleh saving energy dengan menghidupkan additional chiller, pompa, fan cooling tower secara bertahap.

Pemipaan Paralel Chiller pada Multiple Chillers System

Berikut ini kita akan mempelajari beberapa konfigurasi multiple chiller system dengan segala keunggulan dan kekurangannya.

Pemipaan Paralel pada Multiple Chiller System dengan Single Pump.

Pada gambar di atas menggunakan single pompa untuk mengalirkan chiller water ke semua chiller dan system load terminal. Pada konfigurasi ini dapat menggunakan metode constant flow dengan terminal control (three way valve) atau system metode variable flow dengan terminal control (two way valve).

Chilled water dipompa melalui ke 2 chiller secara terus menerus, terlepas apakah 1 atau 2 chiller yang sedang beroperasi. Sebagai contoh pada beban/part load 50% maka system running 1 chiller (chiller # 1 on, chiller # 2 off). Suhu return chilled water 55°F (12,7°C) akan mengalir pada ke dua chiller dan akan menghasilkan campuran chilled water dari operating chiller (menghasilkan chilled water 45°F (7.2°C) dan stop chiller ( chilled water 55°F (12.7°C) menghasilkan 50°F (10°C). Suhu campuran chilled water yang tinggi ini dapat menyebabkan masalah pada kenyamanan gedung dan humidiy control. Chiller plant controller perlu mereset  set point suhu chilled water pada  chiller beroperasi untuk mengkompensasi keadaan di atas dan berusaha mendekati suhu suplai chilled water yang diinginkan. Meskipun demikian menurunkan set point pada chiller beroperasi mempunyai keterbatasan dan tergantung pada karakteristik operasional dan batasan freezing evaporator. Dan permasalahan ini akan lebih meningkat jika menggunakan lebih banyak chiller. Maka pada konfigurasi ini jarang diterapkan untuk system lebih dari 2 chiller.

Pada ASHRAE standard 90.1-2013 menyarankan agar pada chiller yang berhenti/tidak beroperasi diisolasi. Dan jika system dengan pompa constant flow, jumlah pompa tidak lebih sedikit dari jumlah chiller dan dapat di staging/ bertahap dihidupkan/dimatikan bersama chiller seperti bagan di bawah ini.

Pemipaan Paralel pada Multiple Chillers System dengan Dedicated Pump

Pada system di atas terpasang pompa pompa yang di dedikasikan untuk masing-masing chiller. Pompa dan Chiller berpasangan dan  masing-masing pasangan pompa-chiller dapat di hidupkan atau dimatikan bersama ketika cooling load bervariasi. Sistem ini dapat mengatasi masalah mixing temperature chilled water pada system konfigurasi single pump yang kita bahas di atas tetapi system ini dapat menimbulkan problem baru pada system yang menggunakan metoda constant flow terminal control.

Dibawah 50% part load, hanya 1 pasang chiller dan pompa yang running. Total water flow dalam system berkurang secara significant. Sehingga pada part load, semua coil akan menerima chilled water flow yang berkurang tanpa mempertimbangkan kebutuhan aktual. Coil yang seharusnya mendinginkan secara penuh akan kekurangan water flow rate dari chilled water. Sebagai contoh coil yang seharusnya mendinginkan ruang secara penuh : computer room, conference hall dsbnya akan kekurangan chilled water flow rate.

Diagaram di atas menggambarkan relasi dari kurva sistem pompa (pump system curve). Ketika ke 2 pompa beroperasi, sistem akan menerima aliran chilled water 100% sesuai desain flow. Tetapi ketika hanya 1 pompa beoperasi, interseksi dari kurva performance pompa hanya menghasilkan 65% dari desain flow.

Konfigurasi ini juga akan menyebabkan problem pada operasional chiller. Starting atau stoping 1 pompa untuk chiller tertentu akan mempengaruhi flow yang mengalir pada chiller yang lain. Menggunakan contoh yang sama di atas, jika 1 chiller beroperasi dan ketika chiller dan pompa ke 2 mulai beroperasi/dihidupkan, total flow dalam system tidak menjadi double. Sistem dan kurva performance pompa akan me”rebalance”, menghasilkan pertambahan flow hanya 35% dari total flow. Total new balance akhirnya akan dibagikan secara merata kepada ke 2 chiller. Sehingga chiller #1 yang awalnya beroperasi dengan flow 65% dari total flow akan berkurang secara mendadak menjadi 50%. Pengurangan flow secara mendadak ini sering menyebabkan loss temperature control dan bisa menyebabkan chiller mati dengan mode safety.

 Untuk mengantisipasi masalah di atas , system chiller plant control harus dapat mengantisipasi pada saat starting additional pompa dan unloading chiller yang beroperasi sebelum menghidupkan chiller tambahan/ke-2. Konfigurasi ini terkadang masih bisa diterima untuk two chiller system tetapi tidak dianjurkan digunakan untuk system yang lebih besar karena masalah flow dari part load system semakin meningkat.

Pemipaan Series pada Multiple Chiller System

Konfigurasi yang lain dalam pemipaan chilled water/evaporator pada sistem multiple chiller adalah koneksi secara series. Konstan flow rate dengan three way valve biasa diterapkan pada system ini. Dengan 2 chiller di koneksi secara series, permasalahan temperature mixing dan flow problem yang terjadi pada konfigurasi parallel dapat dihilangkan. Semua chilled water di alirkan melalui ke 2 chiller dan system akan mensuplai water flow secara penuh pada semua load secara konstan termasuk pada saat part load.

Flow rate yang mengalir pada setiap chiller merupakan flow rate untuk seluruh system. Ketika dibanding dengan konfigurasi pemipaan  parallel pada delta T yang sama, jumlah water flow akan lebih besar 2 kali lipat yang melalui masing-masing chiller. Ini berarti pada system ini  pipa evaporator harus mampu mengakomodasi double kuantitas air didalam kecepatan aliran yang dapat diterima dan pressure drop yang terbatas. Sehingga hal ini memerlukan pengurangan jumlah pass dalam evaporator dan akan mempengaruhi efisiensi chiller. Pengaruh efiseinsi biasanya di perhitungkan dengan keuntungan dari system karena thermodynamic staging.

Pressure drop sistem juga meningkat karena prsessure drop melalui chiller bertambah. Hal ini menghasilkan pertambahan size pompa dan biaya energy pompa. Peningkatan energi pompa dapat di kurangi dengan desain system delta T lebih besar dan pengurangan flow rate air.

Karena keterbatasan pressure drop, maka system ini akan sulit diterapkan pada lebih dari 2 chiller. Sistem dengan 3 atau 4 chiller biasa menggunakan konfigurasi primary-secondary (akan dibahas pada part 3) atau parallel set dari sistem two chiller in series.

Pemipaan Series pada Multiple Chiller System dengan equal set point.

Temperature control dalam sistem series dapat di tempuh dengan beberapa cara tergantung  operation sequence yang diinginkan. Metode pertama adalah menset suhu chilled water yang sama pada ke 2 chiller. Dengan asumsi kapasitas ke2 chiller sama, salah satu chiller dapat memenuhi kebutuhan load dibawah 50%. Di atas 50% load, ke 2 chiller dalam dioperasikan dan upstream (terdepan) chiller akan dioperasikan terlebih dahulu. Dengan kata lain, upstream chiller di operasikan full capacity dan kapasitas selebihnya di layani oleh downstream chiller.

Contoh sistem ini di desain dengan harapan loading pertama pada upstream chiller :

• Chiller pada posisi upstream menggunakan heat recovery. Karena chiller akan full capacity ketika  load sistem melebihi 50% maka jumlah panas tersedia karena recovery dapat dimaksimalkan.
• Menggunakan absorption chiller pada posisi upstream. Absorption chiller bekerja lebih efisien dan berkapasitas pendinginan lebih tinggi dengan suhu leaving chiller water yang lebih tinggi. Absorption chiller dengan posisi upstream mensuplai suhu leaving chilled water lebih tinggi pada design condition, 48.5°F (9.1°C) misalnya. Arrangement ini dipakai ketika harga gas yang dikonsumsi  oleh absorption chiller lebih rendah dari pada biaya listrik.

Alternatif lain, pembebanan yang seimbang untuk ke 2 chiller di parallel dapat menggunakan chiller plant control system untuk memonitor load sistem dan membalance beban ke 2 chiller. Set point downstream chiller di set pada suhu suplai water yang diinginkan dan set point chiller upstream secara dinamis di reset untuk mempertahankan loading yang sama pada ke 2 chiller. Sistem controls harus mampu mencegah control hunting atau chiller cycling selama periode perubahan beban.

Pemipaan Series Multiple Chiller System dengan staggered (bertahap) set point.

Alternatif lain metode mengontrol chiller yang dikoneksi secara series adalah staggering set point dari ke 2 chiller. Pada metode ini chiller downstream beroperasi terlebih dahulu. Pada kondisi chiller downstream sudah tidak mampu memenuhi beban maka chiller upstream di operasikan.

Sebagai contoh di atas sistem beroperasi pada beban 80% pendinginan. Seperti disebut  sebelumnya, dengan three way valve di coil, suhu return water yang kembali ke chiller menurun pada saat part load. Pada part load 80%, suhu  return water 11.3°F (-11.5°C) (dibanding 12.7°C as per design pada 100% load), chiller upstream akan bekerja secara part load dengan suhu set point chilled water supply  48.5°F (9,1°C) ketika chiller downstream bekerja secara full load dimana suhu chilled water supply 42°F (5.6°C).

Demikian kita telah mempelajari sistem single dan multiple chiller dengan koneksi paralel dan series dengan keterbatasannya dalam penerapan di lapangan. Pada artikel selanjutnya kita akan mempelajari sistem koneksi yang lain yang dapat mengatasi keterbatasan koneksi paralel dan series pada multiple chiller system.