Jika water flow yang mengalir di chiller (production) dapat diisolasi dari water flow yang melalui coils (distribution), akan banyak problem yang terjadi pada konfigurasi parallel dan series dapat dihilangkan.

Gambar  di atas menunjukkan konfigurasi yang memisahkan atau decouples, production dari distribution load. Konfigurasi ini dikenal dengan Primary-Secondary System atau Decoupled System. Konfigurasi ini unik karena memisahkan pompa  loop production dan pompa loop distribution. Pipa bypass menghubungkan pipa suplai dan return sebagai komponen kunci dari system Decoupled System.  

Chiller pada loop production menerima constant water flow sedangkan coils pada loop distribution, dikontrol oleh two-way modulating valves, menerima variable water flow.

Beberapa hal yang di perhatikan dalam menerapkan Primary-Secondary (Decoupled) Configuration :

1.  Pipa Bypass harus bebas halangan

Karena air dapat mengalir bebas diantara ke 2 loop pipa suplai dan return, perubahan aliran dalam satu loop tidak mempengaruhi aliran di loop lainnya. Ukuran pipa harus cukup besar untuk tidak menimbulkan pressure loss pada kondisi full flowrate chiller kapasitas terbesar. Selain itu untuk meminimalkan pressure drop, pipa harus relatif pendek dengan minimum panjang 5-10 diameter pipa. Jika harus memasang isolation valve untuk keperluan service, ukuran harus cukup besar untuk tidak menambah pressure drop secara signikan.

Pompa produksi mensirkulasi air hanya dari return tee, mengalir ke chiller, supply tee kemudian ke pipa bypass sehingga energy pompa relatif rendah. Selain itu pompa juga bekerja ketika chiller beroperasi.

Primary Secondary system membuat flexible pada loop produksi. Pada konfigurasi ini, loop produksi terdiri dari pasangan independen chiller-pompa. Tiap pompa dihidupkan/dimatikan bersama masing2 kombinasi chillernya. Suplai suhu water dipertahankan oleh controls chillernya. Karena pipa bypass mencegah interasi flow antar chiller, maka hanya sedikit kekuatiran terhadap gangguan aliran air. Selain itu konfigurasi ini bisa memungkinkan terpasang berbagai jenis chiller, ukuran bahkan merk chiller. Karena tiap chiller punya dedicated pump, chiller juga dapat mempunyai pressure drop evaporator yang berbeda.

Pompa distribusi mensirkulasi air dari supply tee, melalui load terminal dan kembali ke return tee. Meskipun air yang sama dipompa 2 kali oleh pompa yang berbeda, tidak terdapat duplikasi energy pompa. Pompa produksi hanya mengatasi pressure drop pada loop produksi dan pompa distribusi mengatasi pressure drop melalui loop distribusi.

Pompa-pompa distribusi harus dapat mampu mengatasi perubahan aliran diloop distribusi. Untuk itu pompa perlu dilengkapi dengan VSD untuk memodulasi aliran air.

Dengan desain yang tepat, pengoperasian system yang tepat, konsumsi energi pompa distribusi akan menurun secara significant pada kondisi part load. Energi pompa akan berkurang secara pangkat 3 terhadap aliran air. Contok jika 50% load akan membutuhkan 50% lairan air, maka energy yang digunakan pompa dengan VSD adalah 12,5% dari full load.

(0,50)³ = 0,125

Total kapasitas pompa yang dibutuhkan untuk primary-secondary system umumnya lebih sedikit dibanding non primary secondary system. Ini disebabkan total system head (produksi dan distribusi) dibagi diantara pompa-pompa. Setiap pompa lebih efisien karena bekerja terhadap head yang lebih kecil. Lebih jauh, pompa distribusi ditentukan sesuai system load yang terdiversifikasi, bukan total beban puncak coil. Hal ini dapat berkurang sekitar 20-25% dari kapasitas pompa.

2. Load terminal harus menggunakan two ways modulating controls valve.

Untuk mencapai variable flow pada pompa distribusi, load terminal harus di konfigurasi system flow yang bervariasi. Hal ini membutuhkan modulating two way valve pada tiap coilnya. Umumnya three way valve tidak dipakai pada sistem primary-seconday. Hal ini untuk mendapatkan energy saving dari pompa distribusi variable flow. Tetapi pada beberapa system menggunakan 1 three way valve pada terminal load terjauh dari pompa distribusi untuk memastikan chilled water mengalir di semua terminal dalam system.

Pompa distribusi dilengkapi dengan VSD dikontrol untuk mempertahankan perbedaan tekanan tertentu antara pemipaan suplai dan return. Untuk mengurangi beban pendinginan, two way valve secara modulasi menutup, mencegah aliran air menuju coil. Akibat pengurangan cooling load, two-way valve akan menutup secara modulasi untuk mencegah air melalui coil. Hal ini menyebabkan meningkatnya sistem perbedaan tekananan, yang akan diukur dan memberi signal pengurangan kecepatan pada pompa distribusi

Multiples Distibution Pumps

Keunggulan lain dari primary secondary system adalah loop produksi tidak dipengaruhi oleh pengaturan susunan loop pompa distribusi.

Sebagai contoh, multiple pompa distribusi dapat digunakan untuk menvariasi aliran dalam loop distribusi. Dengan melengkapi dengan variable flow pada sistem multiple pump atau VSD pada 1 atau lebih pompa, akan menyebabkan sistem lebih efisien dan redundancy.

Selain itu konfigurasi multiple pompa juga dipakai dengan memisahkan pompa-pompa untuk kegunaan mengalir air kepada beban spesifik dan dedicated. Sebagai contoh sistem chilled water dipakai untuk mendinginkan gedung universitas. Pompa distribusi dapat secara terpisah mensuplai chilled water ke gedung di bagian timur (A), barat (B), dan tengah (C). Keunggulan utama dari konfigurasi ini adalah fleksibiltas. Meningkatkan kemampuan sistem dapat dilakukan dengan hanya menambahkan pompa distribusi yang lain ke existing plant dan menyambungkan kepada pipa yang ditujukan ke gedung baru.

Ketika desain dan pengoperasian dilakukan secara benar, loop distribusi pada sistem primary-secondary akan menyebabkan sebagai berikut :

• Variable water flow

   Hanya sejumlah chilled water yang digunakan pada terminal load/coil saja yang di pompa keseluruh loop distribusi. Pada kondisi operasi kebanyakan, flow rate chilled water lebih kecil dari pada desain flow rate, akhirnya mengurangi energy pompa  

• Load diversity (beban yang bervariasi)

  Tidak semua beban pada terminal/coil berada di puncak pada saat yang sama. Maka kuantitas chilled water yang mengalir pada saat tertentu kurang dari konstan water flow yang dibutuhkan dalam suatu sistem yang menggunakan three-way valve. Hal ini akan mengurangi ukuran pompa dan pipa distribusi.

• Suhu return water yang lebih tinggi pada semua kondisi pembebanan.

Pengoperasian yang tepat two-way valve meniadakan chilled water yang tidak terpakai mengalir melalui bypass load terminal/coil. Chilled water hanya bisa kembali ke pipa return setelah melakukan pendinginan. Jika sistem dioperasikan secara benar, suhu chiller water return dari load terminal/coil paling tidak setinggi suhu design load condition dan menyebabkan meningkat pada saat kondisi part load. Return water yang hangat merupakan keuntungan dari sistem yang menggunakan heat recovery, free cooling atau lebih menguntungkan untuk pembebanan chiller (lebih efisien).

3. Chiller di seleksi pada leaving chilled water temperature dan delta T yang sama

Untuk simplifikasi system control, semua chiller pada primary-secondary system diseleksi pada kondisi pengoperasian dengan leaving chilled water temperature dan delta T yang sama. Hal ini menyebabkan semua chiller yang beroperasi dibebani sama persentasenya.

Kontrol suhu water supply menjadi mudah. Set point dari masing-masing chiller semua sama seperti suhu water supply yang diinginkan (as per design). Karena water flow hanya melalui chiller yang beroperasi, maka tidak ada mixing water pada loop produksi dan loop produksi menyuplai suhu air seperti set point dari masing-masing chiller.

• Sistem Operasi Primary-Secondary

Kita telah mempelajari bahwa loop produksi dan distribusi dari sistem primary-secondary beroperasi secara terpisah. Yang menjadi pertimbangan selanjutnya adalah bagaimana menyeimbangkan kapasitas loop produksi dengan beban pada loop distribusi.  Pengoperasian sistem primary-secondary focus pada arah dan jumlah air pada bypass line.

Pada suplai tee, yang menghubungkan suplai dan pipa bypass, relasi supply dan demand terjadi. Total water flow dari pompa chiller yang beroperasi (produksi) adalah “supply” dan “demand” flow adalah total water flow yang dibutuhkan untuk memenuhi beban/load pada cooling coil. Ketika supply dan demand flow tidak seimbang, air akan mengalir menuju atau keluar dari pipa bypass pada suplai tee.

Deficit Flow

Jika suplai produksi tidak mencukupi untuk memenuhi beban demand, “deficit” suplai air terjadi. Untuk mengatasi deficit ini, pompa distribusi akan menarik air dari pipa return loop distribusi melalui pipa bypass. Ini dinamakan “deficit flow”.

Contoh, pompa beroperasi di loop produksi menyuplai 1000 gpm air ketika pompa distribusi memompa 1200 gpm untuk memenuhi demand pada cooling coil. Hasilnya adalah 200 gpm dari air dari pipa return ditarik ke bypass untuk mixed/bercampur dengan air suplai  dari loop produksi. Suhu mixed suplai air ke loop distribusi adalah 44,3 F.

Kontrol suhu air dilakukan pada loop distribusi. Ketika kondisi deficit flow terjadi, chiller dan pompa tambahan dihidupkan untuk menambah suplai water flow dari loop produksi. Hal ini juga mengubah relasi supply dan demand untuk mengoreksi suhu chilled water yang akan disuplai ke loop distribusi.

Excess Flow

Ketika flow dari chilled water dari loop produksi melebih demand dari loop distribusi, arah flow di pipa bypass menjadi terbalik (menuju return tee). Chilled water flow dari sisi suplai loop produkssi, melalui pipa bypass dan bercampur dengan air hangat dari return dari loop distribsui. Ini dinamakan “excess flow”.

Sebagai contoh, pompa beroperasi di loop produksi menyuplai 2000 gpm, ketika pompa distribusi sedang memompa 1800 gpm untuk memenuhi demand dari cooling coil. Hasilnya 200 gpm dari supply water mengalir melalui pipa bypass untuk bercampur dengan air dari loop produksi. Suhu air kembali ke chiller menjadi 54,6 F, mengurangi beban chiller yang beroperasi.

Beberapa excess flow adalah normal dalam pengoperasian sistem primary-secondary. Jumlah excess flow hampir selalu kurang dari kapasitas flow yang dihasilkan oleh 1 pompa produksi. Energi yang dipakai  untuk memompa excess water melalui loop produksi biasanya sangat rendah karena pompa produksi hanya untuk menghasilkan tekanan untuk mendorong air melalui evaporator chiller dan pipa bypass.     

Jika satu pasang pompa dan chiller dimatikan segera setelah kondisi excess flow terjadi, deficit flow akan terjadi maka pompa dan chiller akan hidup kembali. Untuk mencegah hal ini terjadi, pompa produksi dan pasangan chillernya tidka dimatikan sampai excess by pass flow melebihi kapasitas dari pompa produksi selanjutnya dimatikan.

Beberapa sistem di desain dengan variable flow juga pada loop produksi. Meskipun hal ini untuk meminimalkan excess flow di pipa bypass dan lebih jauh mengurangi konsumsi energy dari pompa produksi, hal ini membuat lebih kompleks dalam mengontrol sistem.

• Sistem Kontrol pada primary-secondary

Menghidup atau mematikan pasangan pompa dan chiller pada sistem primary-secondary tergantung dari arah dan kuantitas water flow pada pipa bypass.

- Jika terjadi deficit flow pada pipa bypass untuk waktu tertentu (biasanya 15 – 30 menit pada sistem comfort cooling), pasangan chiller dan pompa berikutnya di hidupkan.

- Ketika terjadi excess flow pada pipa bypass yang lebih besar dari aliran yang di hasilkan oleh pasangan pompa dan chiller berikutnya akan dimatikan. Untuk mencegah short cycling sebagai hasil dari peningkat sedikit load, sistem chiller plant control akan membiarkan excess flow sampai 110%-115% dari flow yang di hasilkan oleh pompa produksi selanjutnya yang akan dimatikan.

- Jika tidak terjadi ke 2 hal seperti di atas, tidak perlu ambil tindakan.