Yazı İçeriği
Günümüzde artan nufüs ve çeşitli sektörlerin etkisi ile enerji tüketimine talep de hızla artıyor. Sektörde rol alan büyük firmalar ve araştırmacılar ise enerjinin etkin kullanılması ve makinelerin geliştirilmesi için çözüm üretmeye devam ediyorlar.
Bu yazımızda çevremizdeki sıklıkla karşılaştığımız klima, buzdolabı, nem alıcılar, ısıtma ve soğutma cihazları gibi hemen hemen hepsinin çalışma mantığının aynı olduğu sistemlerin çeşitleri ve sınıflandırılmasından bahsedeceğim. Bu cihazlara benzer yapıda olan ısı pompaları da daha önce de bahsettiğimiz gibi bir ısı kaynağından çektikleri ısıyı aktaran cihazlardır. Isının çekildiği ve atıldığı kaynakların aynı sıcaklıkta olmaları halinde, ısı pompası maksimum verimle çalışır. Dolayısıyla mümkün olan en sıcak kaynak, ısı pompası için en uygun kaynaktır. Ancak, kaynak sıcaklığının doğrudan kullanıma imkan vermeyecek bir değerde olması gerekir. Aksi takdirde ısı pompasına gerek duyulmaz.
Bu kaynakları ayrı ayrı ele alalım. Çizelgede ısı pompalarında kullanılan ısı kaynaklarının sıcaklık aralıkları verilmiştir.
ISI KAYNAKLARINA GÖRE
Su Kaynaklı
Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, denizden, şehir şebekesinden ve üretim tesislerinden elde edilebilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Maliyeti ve belediyelerin getirdiği kısıtlamalar nedeniyle kentsel şebeke suyu nadiren kullanılır. Yer altı suyu (kuyu suyu) nispeten yüksek ve genelde kararlı bir sıcaklığa sahip olması nedeniyle oldukça çekici bir seçenektir.Yıl boyunca su sıcaklığının fazla değişmemesi büyük bir avantajdır. Göl, nehir ve benzeri yer üstü sularında ise, sıcaklık, yıl boyunca kuyu sularına göre daha fazla değişmekle beraber; değişim havada olduğu kadar değildir.Endüstriyel uygulamalarda atık proses suyu (çamaşırhanelerde harcanan su, tesis pis su içeriği ve sıcak kondanser suyu) ısı pompasını çalıştırmada bir ısı kaynağı olarak kullanılabilir.
Hava Kaynaklı
Hava kolay elde edilebilmesinden dolayı en uygun ısı kaynağı olmakla beraber; sisteme tasarımının, mekâna bağlı olarak çok dikkatli bir optimizasyonunun yapılmasını gerektirecek birçok dezavantajı mevcuttur. Bunun sebebi ise;
- Dış havanın oldukça değişken bir sıcaklığa sahip olması
- Buzlanma problemi
Bir dış mahal serpantininin yüzey sıcaklığı 0 °C ya da daha düşük ve karşı gelen dış hava çiğ noktası sıcaklığı bundan 2~5,5 °C daha yüksek olduğunda serpantin yüzeyinde kar oluşumu görülebilir. Buzun, buharlaştırıcı yüzeyinde uzun süre birikmesi halinde ısı geçişi azalır. Bu durum ısı pompasının etkinlik katsayısının ve ısıtma kapasitesinin düşmesine neden olur. Ancak yapılan araştırmalar, buz birikiminin, 9,8-14,6 kg/m2değerine kadar ısı transferini artırıcı yönde rol oynadığını göstermektedir.
Güneş Kaynaklı
Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden yaralanmanın en büyük avantajı, ısı pompası buharlaştırıcı sıcaklığının yüksek seçilebilmesine imkân vermesidir. Dolayısıyla ısıtma etkinliği yükselmiş olur. Güneş enerjisinden yararlanan ısı pompası sistemleri, daha düşük kolektör sıcaklığında çalıştıklarından, kolektör verimi diğer güneş enerjisi sistemlerinde olduğundan yüksektir.
Kaynak olarak güneş enerjisinden yararlanıldığında iki sistem söz konusudur. Bunlar direkt ve en direkt sistemlerdir. Direkt sistemlerde buharlaştırıcılar doğrudan güneş kolektörüne yerleştirilir. En direkt sistemlerde ise kolektörlerden su veya su buharı geçirilerek kaynak olarak bunlardan yararlanılır. Ancak hava kaynağında olduğu gibi, enerji ihtiyacı bulunan günlerde güneş enerjisi de az olduğundan ek bir ısıtma tesisatına veya ısının depolanmasına ihtiyaç vardır ki bu da zaten pahalı olan sistemin maliyetinin artmasına neden olur.
Toprak Kaynaklı
Toprak, yüzeyinde absorbe ettiği güneş ısısının ve konveksiyon ve yağmurla da aldığı enerjinin bir ısı taşıyıcısı döngüsü ile bir ısı pompası tarafından alınabileceği önemli bir ısı depolayıcısıdır. Toprak kaynaklı ısı pompaları, buharlaştırıcısında topraktan çekilen ısıyı kullanan ısı pompalarıdır. Toprakla olan ısı alışverişi, toprağa yatay veya dikey olarak gömülmüş toprak ısı değiştiricileriyle gerçekleştirilir. Toprak altına gömülen borulardan doğrudan soğutucu akışkan veya daha ucuz olması bakımından genellikle salamura geçirilir. Su veya salamura, toprak ısı değiştiricisini oluşturan borulardan geçirilerek elde edilen ısı enerjisi, ısı pompasındaki buharlaştırıcıda soğutucu akışkana aktarılır.
Toprağın yoğunluğu, bileşimi, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği, toprak ısı değiştiricisinin seçimini ve boyutlandırılmasını etkiler. Aynı şekilde ısı pompası da çalıştırıldığı andan itibaren toprağın özelliklerini etkiler. Isı pompası ile ısıtma yapıldığı takdirde, toprak ısı değiştiricisine yakın bölgelerde toprak sıcaklığı düşer. Yanlış hesap yapılması sonucunda ise topraktan çok fazla ısı çekilmesi toprağın donmasına neden olabilmektedir. Hissedilebilir ısının dışında, topraktan nem yoğunlaşması ile gizli ısı da kazanılmaktadır. Su buharı, boruların üzerinde yoğunlaşır ve toprağın ısı iletkenliği artar. Toprak kaynaklı ısı pompaları da kendi içinde sınıflandırılabilir.
Yatay Tip Isı Pompası
Yatay toprak ısı pompaları üç gruba ayrılmıştır. Tek borulu yatay ısı pompası, ilk olarak en az 1.2 metre derinlikte dar hendekler halinde yerleştirilmektedir. Bu tasarım, yer alanının büyük bir kısmını istemektedir. Çoklu borular (genellikle 2 veya 4), istenen yer alanının miktarını azaltarak tek hendek içine yerleştirilir. Uygulamada hem derin dar hendekler hem de geniş hendekler 12 inç’den 24 inç’e kadar ayrılmış borular ile kullanılır. Hendek uzunluğunun azaltılması mümkün olmasına rağmen, toplam boru uzunluğunun, bitişik borular ile ısı etkileşimini yenmek için çoklu borulu TKIP’nın ile arttırılması zorunludur.
Slinky tipi serpantin, istenen yer alanım azaltmak için kullanılabilir. Geniş hendeğin altında, dar hendek veya yayılmış kat içine dikey olarak yerleştirilen yayılan serpantin içine sıkı serpantinden küçük çaplı PE tüpü uzatarak, kurulabilir. İstenen hendek uzunluğu, sadece tek borulu yatay TKIP’nın % 20’si % 30’dur, fakat boru uzunluğu denk ısı performansı için önemli bir şekilde artabilir. Bununla birlikte seri ve paralel devre yapmakta mümkündür.
Yatay Döşeme Uygulanmasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar
Tek bir hendek içine bir kaç boru yerleştirilecek ise hendeklerin genişliği 0,6-0,9 m mertebesinde olmalıdır. Boruların yüzey şartından en az etkilenmesi için min. 2 m derinlikte döşenmesi gerekir. Derinlik arttıkça, ısı değiştiricisinin iyilik derecesi gerek toprak sıcaklıklarının daha uygun olması, gerekse boruların yüzey şartlarından daha az etkilenme sebebiyle artar. Fakat hafriyat masrafları da çoğalmış olur. Tek bir hendeğe bir kaç boru döşenecekse, borular arası kot farkı yaklaşık 0,3-0,5 m mertebesinde olmalıdır. Borular toprak altına döşendikten sonra, çıkarılan toprağın yerine boşaltılırken toprak yoğunluğunu artırmak için sıkıştırma tavsiye edilir.
Literatürde, en yaygın yatay ısı değiştiricilerinin ¾″ , 1″, 1 ½″ ölçülü tek borulu 0,5-2,5 m derinliğe ve birbirinden 0,3-2,5 m aralıklarda döşenmiş yatay ısı değiştiricileri olduğunu belirtilmiştir. Bu tip ısı değiştiriciler, genelde temel kabul edilir ve diğer ısı değiştiricilerinin iyilik dereceleri bunlara göre mukayese edilir. Yatay toprak ısı değiştiricilerinde, 700 m boru boyu, 2″ boru çapı ve 1 lt/s akışkan debisi kullanılabilir üst sınır değerleri olarak kabul edilir. Pratikte uzunluğa bağlı olarak boru çapları tabloda verilmiştir.
Dikey Tip Isı Pompası
Magmadan gelen ısıyı kullanarak ortamın ısıtılmasını ve soğutulmasını sağlarlar. Genellikle ısıyı çekme derinliği 30-150 m arasındadır. Dikey sondaj uygulamalarında, sondaj makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Kuyu çapları 10-20 cm arasındadır. Özellikle arazinin kısıtlı, toprağın jeolojik yapısının ise uygun olduğu yerlerde dikey borulama tesisatı uygulanmaktadır. Isı değiştiricileri, yerleştirme şekilleri kesit geometrilerine göre U tüp, bölünmüş tüp ve eş eksenli tüp olarak sınıflandırılabilir.
Ayrıca akış yönüne göre seri ve paralel olarak da sınıflandırılabiliriz.
Dikey Döşeme Uygulanmasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar
Düşey uygulamalarda yerdeki hafriyatın tipi ve derinliğine, toprağın sertliğine ve akiferlerin bulunuşu gibi koşullarla değişir. Düşey boru delikleri 3-4,5 m uzaklıkla açılmalıdır. Dikey borulama sisteminde sondaj kuyusu açma ve boruları yerleştirme işleminin maliyeti, yani ilk yatırım maliyeti yatay borulama sisteminden çok daha pahalıdır. Dikey sistemlerin yatay sistemlere olan üstünlüğü ılıman iklimlerde çok önemli değildir. Buna karŞın, iklim ne kadar sert olursa, dikey sistemin avantajı o kadar artar. Kullanılan boruların çapı ¾″ ile 1 ½″ arasında değişir. Açılan kuyular arasında sağlıklı bir ısı transferi için minimum 3.5 m, tercihen 6 m bırakılmalıdır.
Genel olarak ısı kaynaklarına göre karşılaştırmasını aşağıdaki tabloda verilmiştir.
ISI POMPASI SİSTEMLERİNE GÖRE
Isı pompası sistemlerinde, ısı kaynağı olarak doğal kaynaklar (yer altı suyu, yer üstü suyu, toprak ve dış hava) kullanılabildiği gibi teknik tesislerin atık ısıları da kullanılabilmektedir. Buna göre ısı pompaları, birincil, ikincil ve üçüncül ısı pompaları olarak adlandırılabilir.
Birincil Isı Pompaları
Esas itibariyle ısıyı doğal kaynaktan çeken ısı pompalarına birincil (primer) ısı pompaları denir. Bu sistemlerin ısı kaynakları, yer altı suyu, yer üstü suyu, toprak ve dış havadır.
İkincil Isı Pompaları
İkincil ısı pompaları, ısıyı geri kazanılan sistemlerden çekerler. Elde edilen bu ısı, artık ısı birikiminden bağımsız olan tüketilecek yere ihtiyacı oranda verilir. Örnek olarak, kanalizasyonun pis sularından ısı çeken ısı pompaları, ikincil ısı pompalarıdır. Isı kaynağı sıcaklığı 10 °C den büyüktür.
Üçüncül Isı Pompaları
Elde edilen artık ısı direkt olarak tekrar prosese geri verilirse, örneğin ısı pompalı çamaşır makinelerinde, kurutma, klima sistemi ve diğerleri, bu ısı pompası üçüncül ısı pompası olarak adlandırılır. Bu tür ısı pompaları için ısı kaynağı genelde 20 °C den fazla bir sıcaklık gösterir.
PROSES TÜRÜNE GÖRE
Kompresörlü Isı Pompaları
Buharlaştırıcıdan buharın emilmesi ve yoğuşturucu basıncına kadar sıkıştırılması mekanik bir kompresörle yapılıyor ise, bu tip ısı pompalarına kompresörlü ısı pompaları denir.
Absorbsiyonlu Isı Pompaları
Soğutucu burada uygun bir emici eriyik sirkülasyonu ile hareket eder. Kompresörlü ısı pompalarına göre daha sessiz çalışırlar.
Buhar-jet Isı Pompaları
Soğutucunun hareketi bir ejektör vasıtası ile yapılır.
KAYNAK VE DAĞITICI SİSTEMLERİNE GÖRE
Isı pompası sistemlerinin hemen hemen her uygulamaya uygun tipleri ve kombinasyonları mevcuttur. Isı pompaları ısı kaynak ve çukuruna, ısıtma ve soğutma dağıtımında kullanılan akışkana, boyut ve düzenleme biçimine, ısı kaynak ve çukurunun sınırlamalarına göre sınıflandırılabilir. Sınıflandırmada ısı pompası çeşitleri tanımlarken öncelikle ısı kaynağı daha sonra ısı çukuru dikkate alınır.
Havadan Havaya Isı Pompaları
Havadan havaya ısı pompalarında dış ortam havası kışın ısı kaynağı yazın ısı çukuru, iç ortam havası ise yazın ısı kaynağı kışın ısı çukuru olarak görev görür. Bu sistemde ısı değiştiren serpantinlerden birisi her zaman evaporatör, diğeri de her zaman kondenserdir. Koşullandırılan hava, soğutma çevriminde evaporatör üzerinden geçerken dış mahal havası kondanserden geçer. Değiştirme valfi, ısı pompasının yaz veya kış döneminde çalışmasına uygun olarak, soğutucu akışkanın yönü değişir. Split klimalar buna örnektir.
Havadan Suya Isı Pompaları
Havadan havaya ısı pompalarına benzer biçimde dış hava ısıtma veya soğutma amacına göre ısı kaynağı veya ısı çukuru görevi görür. Ancak iç ortamda hidrolik iklimlendirme sistemi (radyatör, fan-coil, hidrolik panel sistemler vs.) kullanılır ve bu sistemin enerjisini sağlayan su yazın ısı kaynağı kışın ısı çukuru olarak görev alır.
Sudan Suya Isı Pompaları
Sudan suya ısı pompalarında ısı kaynağı da ısı çukuru da sudur. Isı kaynağı kışın göl, deniz ve yer altı suları ve hatta atık proses sularıdır ve ısıtılmak istenen mahale ısı enerjisini çeşitli iç üniteler (radyatör, fan-coil, hidrolik panel sistemler vs.) vasıtasıyla aktaran akışkanla enerji alışverişinde bulunur. Isıtma durumundayken mahal enerjisini sağlayan su ısı çukuru konumundadır. Isı pompası soğutma durumundayken ise mahal enerjisini sağlayan su ise ısı çukuru konumundadır. Bu sistemlerin açık ve kapalı çevrim uygulamaları vardır.
Açık çevrim uygulamasında göl, yer altı, deniz vs.den alınan su borularla taşınarak enerjisini ısı pompasının eşanjörüne aktarır ve daha sonra başka bir boru sistemi ile alındığı kaynağına döner.
Kapalı çevrim uygulamasında ise tamamen kapalı bir boru sistemi içinden salamura (antifrizli su) sirküle ettirilir. Yer altı suyunun enerjisini taşıyan bu salamura ısı pompasının eşanjörü ile ısı alışverişinden sonra yine aynı kapalı boru sistemi içinden dönerek yer altı suyu ile ısı alışverişinde bulunur.
Sudan Havaya Isı Pompaları
Sudan havaya ısı pompaları sudan suya ısı pompalarına benzer prensipte çalışır. Ancak iç ortamda konfor şartlarını sağlayan akışkan havadır, ısı pompasının iç ünite eşanjörü bu hava ile ısı alışverişinde bulunur. Şekilde soğutma ve ısıtma konumlarında, kapalı çevrimli helezonik tip sudan havaya ısı pompası uygulaması görülmektedir.
Yer Devreli Isı Pompaları
Bu sistemlere toprak kaynaklı ısı pompaları bölümünde değinmiştik zaten.
İŞLETME ŞEKLİNE GÖRE
Monovalent (Tekli) İşletme Şekli
Isı üreticisinin gerekli tüm ısısı aynı enerji türü ile karşılanıyor ise bu tür işletmeye monovalent işletme denilir. Burada ısı ihtiyacı, bir veya birden fazla ısı üreticisiyle karşılanabilir. Birçok ısı üreticisinden oluşan ısıtma sistemleri alternatif ve paralel işletme şekline göre de ayrılabilir.
Alternatif işletmeden kasıt, gerekli yıllık ısıtma gücü, aynı enerji türünün iki ısı üreticisi tarafından belirli bir dış sıcaklığa göre yedeklenmesidir.
Paralel işletmede ise ısı ihtiyacı belirli bir dış sıcaklığın altına kadar her iki ısı üreticisi tarafından müşterek olarak karşılanabilir.
Bivalent (İkili) İşletme Şekli
Bu işletme seklinde tüm ısı ihtiyacı daima iki ısı üreticisi tarafından karşılanır. Bivalent işletme şekli, alternatif ve paralel olarak sınıflandırılabilir.
Alternatif işletmede belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ısı üretimi, yalnız yedek ısı üreticisiyle karşılanır. Belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklık bivalent sıcaklığı olarak adlandırılır.
Paralel işletmede ise bivalent sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ısı üretimi yedek ısı üreticisiyle tamamlanır. Pratikte en fazla ortaya çıkan ikili işletme seklinde, yıllık işletme gücünün tamamının karşılanmasında ısı pompası yanında yedek ısı üreticisi olarak bir konvansiyonel ısıtma kazanı kullanılır.
Multivalent (Çoklu) İşletme Şekli
Çoklu işletme seklinde ısı ihtiyacının karşılanması çeşitli enerji taşıyıcılarıyla çalışan ikiden fazla ısı üreticisiyle yapılır. Örneğin; güneş enerjisi ısı deposu, ısı pompası ve ısıtma kazanının kombinasyonu multivalent işletme sekli olarak tanımlanır.
Yazımızın sonuna geldik umarım faydası olmuştur. Değerlendirmeyi unutmayın.