Minerji İklimlendirme ve Enerji Mühendisliği San. Tic. Ltd. Şti.


Isı Pompaları -2 / Isı Pompası Teknolojisi

Elektrikli Isı Pompası Bileşenleri

Modern elektrikli ısı pompaları, 80’lerde üretilen ısı pompaları ile teknik olarak karşılaştırılamayacak kadar geliştirilmiştir.

Kompresör

Kompresörler, sıcaklık seviyesini enerji kaynağından ısıtma devresine yükselten en önemli ısı pompası bileşenidir.

Isı pompalarında kullanılan pistonlu kompresörlerin yerini günümüzde sessiz çalışan ve uzun ömürlü Scroll kompresörler almıştır. Scroll kompresörler, Avrupa, Japonya ve ABD’de 12 Milyon adedin üzerinde kullanılmaktadır. Hermetik scroll kompresörler uzun yıllar bakım gerektirmeden çalışabilir.

scroll_

Soğutucu akışkan scroll kompresör tarafından sıkıştırılır. Eksantrik eksenli vidalar dıştan içe doğru döner. Birbiri içine geçmek suretiyle elde edilen hareketin titreşimi çok düşüktür. Bilinen pistonlu kompresörlere göre ses seviyesi 6 dB(A) kadar daha düşüktür. Başka bir deyişle, ses seviyesi aynı kapasitedeki bir buzdolabı ile aynı olmuştur. Çevrimde genellikle R 407 C, R 410 A, R 404 ve R 134 soğutucu akışkanları kullanılmaktadır. Bunlar çevreye zarar vermeyen, FCKW, H-FCKW içermeyen ve yanıcı olmayan gazlardır.

DİYAGRAM_5Eşanjörler

Isı pompalarının buharlaştırıcıları (hava/su ısı pompaları hariç) ve kondenserlerinde paslanmaz çelik plakalı eşanjör kullanılmaktadır.

Paslanmaz çelik plakalı eşanjörler bir türbülans akım oluşturur ve laminer akış göstermez. Sonuç olarak daha gelişmiş bir ısı transferi karakteristiği gösterir. Ayrıca daha kompakt tasarım daha verimli bir alan kullanımı sağlar.

Ara Eşanjörler

Soğutucu akışkan kompresöre girmeden önce ön ısıtmaya maruz bırakılır. Akışkan kompresörden çıktığında buharlaştırıcıdaki sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Ara eşanjörde bu ısının bir kısmı, buharlaştırıcıdan gelen akışkanı ısıtmak amacı ile kullanılır. Böylece evaporatörden henüz buharlaşmadan çıkan sıvı molekülleri de buharlaştırılır. Vitocal 300 ısı pompalarında ara eşanjörler bulunmaktadır.

Çevrim aşamaları; buharlaşma (1 – 2), aşırı ısıtma (2 – 3), sıkıştırma (3 – 4), yoğuşma (4 – 5) ve genleşme (5 – 1) – “lg“ p-h diyagram“ında gösterilmiştir.

Bu örnekte % 64oranında çevre enerjisine karşılık % 36 oranında güç tüketilmiştir. Ayrıca tesir katsayısı yukarıda belirtildiği gibi belirlenebilir. Tesir katsayısı, elde edilen enerji ile harcanan güç arasıdaki oranı vermektedir.

Kontrol Panelleri

Isı pompalarının kontrol panelleri dış hava kompanzasyonu, uzaktan kumanda, düşümlü işletme, tatil programı ve zamanlayıcı gibi özelliklerin yanı sıraDİYAGRAM_6ısı pompasına ait işletim ve hata mesajlarını da vermektedir.

Grafik özellikli, yardımcı menüler, menü kılavuzlu arayüze sahip, BUS bağlantısı ve kullanım kolaylığı sağla- yan kontrol panelleri ısı pompalarına entegre edilmektedir. Son model kontrol panelleri ayrıca güneş enerjisi panellerini ve doğal soğutma fonksiyonlarını da kontrol edebilmektedir.

Enerji Kaynakları

Toprak, yer altı ve yer üstü suları, çevre havası veya atık ısı enerji kaynağı olarak kullanılabilir. Hangi enerji kaynağının kullanılacağı ısıtılacak mahalin yerleşimine, kaynağın elverişliliğine ve sürekliliğine bağlıdır. Aşağıdaki kural her zaman geçerlidir: enerji kaynağı ile ısıtma sistemi arasındaki sıcaklık farkı ne kadar düşük olursa, kompresörü tahrik etmek için gerekli güç o kadar düşük dolayısıyla tesir katsayısı o kadar yüksek olur.

Enerji Kaynağı – Hava:

Kolaylıkla bulunabilir, ilk yatırım maliyeti düşüktür. Bivalent ve yedekli işletimler için uygundur. Düşük dış hava sıcaklıklarında elektrikli ısıtıcı takviyesi gereklidir.

Enerji Kaynağı – Toprak:

Yeni binalarda en çok tercih edilen enerji kaynağıdır. Monovalent işletilebilir, yüksek verime sahiptir.

Enerji Kaynağı – Su:

Su kalitesi ve özellikleri önemlidir. Genel olarak yüksek verimlidir, monovalent işletilebilir.

Enerji Kaynağı – Atık Isı:

Kolaylıkla bulunabilir olmasına rağmen miktar ve sıcaklık seviyelerinin elverişsiz olması sebebi ile tercih edilmemektedir.

 

 

Enerji Kaynağı – Toprak

2 m lik bir derinlikte toprak tüm yıl boyunca 7 ile 13°C arasında sabit bir sıcaklık aralığına sahiptir. Yatay toprak kollektörleri veya dikey sondajlar bu depolanan enerjiyi antifriz-su karışımı ile ısı pompasının buharlaştırıcısına getirirler.

Toprak yüzeyinden 5 m derine kadar olan tabaka ısı kaynağı olarak kabul edilir.

Isıtılacak bina yakınındaki alanda bulunan eşanjör yardımı ile enerji transfer edilir. Daha derin tabakalardaki enerji akımı 0.063 ile 0.1 W/m2 arasındadır. Bu değer ihmal edilebilir. Toprak, yüzeyindeki yağmur, güneş ışığı gibi kaynaklardan ısısını alır.

Plastik borular (PE) 1.2 ile 1.5 m derinlikte döşenir. Boru uzunlukları 100 m’yi geçmemelidir. Çünkü daha uzun borulamalarda basınç düşer ve daha yüksek kapasiteli cihaz seçilmesi gerekir. Tüm boru döngüleri aynı mesafede olmalıdır. Çünkü her boru döngüsünde aynı basınç düşümü dolayısıyla aynı debi özellikleri elde edilmesi gerekmektedir. Böylece topraktan eşit olarak ısı çekilebilecektir. Boruların uçları birer gidiş ve dönüş kollektörüne bağlanmıştır. Bu kollektörler borulardan biraz daha yükseğe monte edilerek boru sisteminin havasının atılması sağlanmaktadır. Her hat tek tek kapatılabilmelidir. Bir sirkülasyon pompası topraktan ısı çeken antifrizi sirküle etmektedir.

Boruların etrafındaki toprakta görülen donmanın bitkilere bir zararı yoktur. Yine de boruların yakınına derin köklü bitkilerin dikilmemesi tavsiye edilir. Isısı alınan toprağın rejenerasyonu , güneş ışınımının artması ve yağışlar sayesinde bahar ve yaz aylarında gerçekleşir. Böylece toprak ısıtma mevsimine hazır hale gelir.

Yeni binalarda ısı pompasının kurulması için gerekli toprak kazma ve taşıma işlemleri pek masraflı değildir. Mevcut binalar için aynı işlemlerin masrafı büyüktür.

Topraktan kazanılan ısı miktarı bazı faktörlere bağlıdır. Özellikle toprağın cinsi çok önemlidir. Örneğin bol sulu killi toprak ısı kaynağı olarak elverişlidir.

DİYAGRAM_7-993x1024

 

 

 

Boruların etrafındaki toprakta görülen donmanın bitkilere bir zararı yoktur. Yine de boruların yakınına derin köklü bitkilerin dikilmemesi tavsiye edilir. Isısı alınan toprağın rejenerasyonu , güneş ışınımının artması ve yağışlar sayesinde bahar ve yaz aylarında gerçekleşir (Şekil. 23). Böylece toprak ısıtma mevsimine hazır hale gelir.

Yeni binalarda ısı pompasının kurulması için gerekli toprak kazma ve taşıma işlemleri pek masraflı değildir. Mevcut binalar için aynı işlemlerin masrafı büyüktür.

Topraktan kazanılan ısı miktarı bazı faktörlere bağlıdır. Özellikle toprağın cinsi çok önemlidir. Örneğin bol sulu killi toprak ısı kaynağı olarak elverişlidir.

DİYAGRAM_8

Tecrübelere dayanılarak verilen ısı çekme kapasitesi (soğutma kapasitesi) her m2 toprak alanı için 10 ile 35 Watt arasındadır.

Kumlu kuru toprak qE =10-15W/m2

Kumlu yaş toprak qE =15-20W/m2

Killi kuru toprak qE=20-25W/m

Killi ıslak toprak qE=25-30W/m2

Yer altı suyu olan toprak qE =30-35W/m2

Serme yöntemi için büyük miktarlarda toprak kazılması gerekmektedir. Ancak modern ekipmanlarla sondaj kuyuları açmak birkaç saat sürmektedir.

Sondaj yönteminde kuyu derinliklerinin belirlenmesi çok önemlidir. Bu işlem konusunda tecrübeye sahip jeologlar ve sondaj firmaları tarafından boyutlandırılmalı ve yapılmalıdır. Ayrıca bu tür montajları yapan firmalar 10 yıl ve üzerinde garantilerle çalışmaktadır. Almanya’da bazı özel durumlarda bu tür sistemler için yerel makamlar tarafından izin alınmalıdır. 100 m’den daha derin sondalar için üst makamlara başvurulması gerekmektedir. Sondaj borularıyla kuyuları arasında kalan boşluk sıkıştırılmış dolgu maddesi ile doldurulur. Genelde 4 boru paralel olarak yerleştirilir (Çift U Boru Sistemi).

DİYAGRAM_11.jpg

Sondajla birlikte kuyu açılması maliyeti toprak şartlarına bağlı olarak metre başına 30 ile 50 Euro arasındadır. Tipik bir düşük enerji evinin ısıtma ihtiyacı ortalama 6 kW ‘ tır.

Bu da yaklaşık 95 m’lik bir kuyu
5.000 ile 7.000 Euro bir maliyet gerektirir. Planlama ve montaj, zemin şartlarına, yer altı suyu geçiyorsa suyun akış yönüne bağlıdır. Standart şartlar altında ortalama sondaj kapasitesi 50 W/m sondaj uzunluğu ‘dur. (VDI 4640’a göre).

Yer altı kaynaklarının olduğu yerlerde daha fazla enerji çekmek mümkündür.Antifriz kollektörden iki boru ile aşağıya doğru akar ve diğer iki borudan tekrar yukarıya kollektöre geri döner. Antifriz su karışımı, donma noktası düşük olduğu için boruların donmasını önler.

 

 

 

DİYAGRAM_9Pic

DİYAGRAM_10

 

 

 

 

 

 

 

 

Enerji Kaynağı – Su

DİYAGRAM_12.jpgSu da toprak gibi güneş enerjisini çok iyi depolayan bir kaynaktır. En soğuk kış şartlarında bile yer altı sularının sıcaklığı 7 ile 12°C arasındadır. Yer altı suyu bir kaynaktan alınır ve su/su ısı pompasının buharlaştırıcısına getirilir. Daha sonra su soğuyarak kaynağa geri döner. Suyun kalitesi ısı pompası üreticisinin belirlediği sınırlar dahilinde kalmalıdır. Bu sınırların dışına çıkılması durumunda uygun bir ara eşanjör kullanılması tavsiye edilmektedir. Çünkü ısı pompası içindeki eşanjörler suyun kalitesindeki düzensizliklere karşı son derece hassastır. Paslanmaz çelik eşanjörlerde ara eşanjörler gibi tercih edilebilir. Ara devre ısı pompasını korur ve akışkanı dengeler. Bunun sebebi, yer altı suyundan antifrize ısı transferinin, suyun direkt buharlaştırıcıya gelerek ısısını aktarmasından daha düzenli oluşudur.

Kullanılacak pompanın enerji tüketimini göz önüne alırsak, ara devrenin kullanılması COP’de % 6 ile 9’luk bir düşüşe neden olmaktadır.Yani ısıtma kapasitesinde ara devre kullanılmayan bir sisteme göre %2 ile 4 ‘lük bir düşüş meydana gelecektir. Yer altı sularının kullanılması için yetkili makamlardan izin alınması gerekmektedir. Genellikle su kalitesi bazı sınırlar dahilinde olmalıdır. Bu sınırlar kullanılan eşanjörün paslanmaz çelik (1.4401) yada bakır oluşuna göre farklılıklar gösterir. Sınır değerlerine uyulması durumunda işletmede herhangi bir problem yaşanmamaktadır.

 

 

Enerji Kaynağı – Hava

DİYAGRAM_13Dış Hava

Dış hava en ucuz enerji kaynağıdır. Hava bir kanal yardımıyla evaporatöre gelir, ısısı alındıktan sonra dışarı atılır.

Modern hava/su ısı pompaları
– 20°C’deki dış hava sıcaklıklarında bile ısıtma yapabilmektedirler. Ancak tüm ısıtmayı kendi sağlayamaz. Çok soğuk günlerde ısı pompası tarafından ön ısıtma yapılmış olan ısıtma suyu elektrikli ısıtcı yardımıyla istenen sıcaklığa getirilebilir.

Hava/su ısı pompası büyük hacimlerde hava sirküle etmektedir. (3000 – 4000 m3/h). Ayrıca açık alanlardaki ses seviyesine dikkat edilmelidir.

Egzoz Havası

Atık ısı gelecekte ısı pompası sistemlerinde en çok tercih edilen enerji kaynağı olacaktır. (enerji tasarruflu evler)

Isı pompaları havalandırma sistemleri ile birleştirilebilir. Bu ekipmanda bulunan egzoz havası/su ısı pompası evin havalandırılmasından açığa çıkan atık ısıyı buharlaştırıcıda kullanır. Bu ısı kullanım suyu ısıtması ve emilen havanın ısıtılması için kullanılır. İsveç’te her yıl yaklaşık 8000 adet egzoz havasından yararlanan ısı pompaları monte edilmektedir. Egzoz havası ısı pompalarında, ilave ısıtma enerjisi elektrikli ısıtıcılar ile sağlanmaktadır.

 

 

Isı Pompası ile Soğutma

Bazı ısı pompaları ısıtmanın yanı sıra soğutma da yapabilirler. Isı pompasıyla soğutma yapmak için iki yöntem kullanılmaktadır:

– İki Yönlü İşletim:
Isı pompası fonksiyonu tamamen ters çevrilip, buzdolabı gibi çalışması sağlanır.

– Direkt Soğutma:
Antifriz yada yer altı suyu ortamdan ısıyı çekip dışarı atarlar. Bu fonksiyonla (Natural Cooling olarak adlandırılır) ısı pompası, kontrol panelleri ve sirkülasyon pompaları haricinde kapatılır.

İki Yönlü İşletim (Isıtma ve Soğutma)

DİYAGRAM_14DİYAGRAM_15Almanya’da ısı pompaları evsel ısıtmada ve kullanma suyu
ısıtmasında kullanılmaktadır. Uygulanabildiği yerlerde bina soğutması için ayrı bir soğutma

ekipmanı kullanılır. Hem ısıtma hem de soğutmanın aynı cihazla sağlanması Almanya’da henüz pek kullanılmamak- tadır. Ancak ABD’de daha sık kullanılmaktadır.

Daha önce açıklandığı gibi buzdolapları ve kompresörlü ısı pompaları aynı mantıkla çalışmaktadır. İki cihazın da temel elemanları (buharlaştırıcı, kompresör, yoğuşturucu ve genleşme valfi) aynıdır. Sadece amaçları birbirinden tamamen farklıdır. Biri soğutmak diğeri ısıtmak için çalışır.

Bir ısı pompasını soğutma için kullanma, kompresör akış yönünün ve genleşme valfinin tersine çalıştırılması ile mümkündür. Bu işlem akışkanın ve dolayısı ile ısının ters yönde hareket etmesini sağlayacaktır. Teknik açıdan bakıldığında 4 yollu vana ve ikinci bir genleşme valfinin soğutma çevrimine dahil edilmesi ile çözüme ulaşılabilir.

Dört yollu vana tüm sistemin akış yönünü tersine çevirir. Dört yollu vananın monte edilmesi ile sistemin ısıtma yada soğutma modunda olduğuna bakılmaksızın kompresör akış yönünü muhafaza eder.

Isıtma modunda, kompresör gaz fazındaki soğutucuyu ısıtma sistemindeki eşanjöre gönderir. Kullanma suyu veya mekan ısıtması için soğutucu yoğuşur, enerjisini ısıtma sistemine verir.

Soğutma işletimi için akım yönü dört yollu vana yardımı ile tersine döndürülür. Orijinal yoğuşturucu şimdi buharlaştırıcı olmuştur ve ortamdan aldığı ısıyı soğutucuya aktarır. Gaz fazına geçen soğutucu akışkan kompresöre dört yollu vana yardımı ile getirilir ve ısısını dışarı atacak olan yoğuşturucuya ulaşır.

Ters işletime sahip ısı pompalarının ısıtma kapasiteleri her zaman soğutma kapasitelerinden daha yüksektir. Isıtma modunda kompresörü tahrik etmek için kullanılan elektrik enerjisi ısıtmaya dahil olur. Bu ısı, kompresörün soğutma modunda da çalışması gerektiği için yine açığa çıkar. Bu kaçınılmaz ısı, soğutma kapasitesini negatif yönde etkiler. İki yönlü işletime sahip ısı pompaları için soğutma modu için ulaşılabilecek COP değerleri ısıtma modundakinden biraz daha düşüktür.

Doğal Soğutma – ”Natural cooling”

Genellikle yaz mevsiminde iç mahallerin sıcaklığı toprak yada yer altı sularının sıcaklıklarından daha yüksektir. Bu şartlar altında, kışın enerji kaynağı olarak kullanılan toprak ve yer altı suları direkt olarak binanın soğutulması için kullanılabilir.Bu amaçla bazı ısı pompalarının kontrol panellerine “natural cooling” – doğal soğutma fonksiyonu eklenmiştir. Bu fonksiyon yaz aylarındaki yüksek hava sıcaklıkları sebebi ile hava/su ısı pompaları için uygun değildir.

DİYAGRAM_16Natural Cooling fonksiyonu birkaç ilave ekipmanla (eşanjör, üç yollu vana, sirkülasyon pompası) sağlanabilir. Bu yöntem Vitocal Isı Pompaları için kullanılabilir. Genellikle bu yöntem klima yada chiller sistemleri ile karşılaştırılabilecek düzeyde değildir. Soğutma kapasitesi, ısı kaynağının sıcaklığına, miktarına ve çalışma zamanına bağlıdır. Örneğin, tecrübelere göre, toprak yaz mevsimi sonlarına doğru daha fazla enerji depolamaktadır; ki bu da soğutma kapasitesinin düşmesine neden olmaktadır.

Natural Cooling fonksiyonu için kontrol paneli primer pompa (B) (ısı pompası kompresörü durur) ile başlar, 3 yollu vanaları (C ve G) eşanjöre (D) doğru açar ve sekonder devre için (E) sirkülasyon pompasını çalıştırır.
(Şekil. 35).Bu da yerden ısıtma sistemindeki sıcak suyun enerjisinin (F) eşanjör yardımıyla (D) primer devredeki antifrize aktarılmasını sağlar. Tüm odalardaki ısı çekilmiş olur.

Direkt soğutma için bağlanabilecek sistemler aşağıdadır:

  • Fan konvektörleri
  • Tavandan Soğutma
  • Yerden ısıtma sistemleri
  • Bina komponent aktivasyonu (beton çekirdek ısıtması).

Natural cooling aslında soğutmanın en tasarruflu olan yöntemlerindendir. Çünkü ihtiyaç duyulan tek enerji topraktan veya yer altı suyundan alınan ısıyı sirküle edecek pompaları çalıştırmak içindir. Soğutma işletimi sırasında ısı pompası sadece kullanma suyu ısıtması için çalışır. Isı pompası kontrol ünitesi temel sirkülasyon pompalarını ve valfleri düzenler, tüm sıcaklıkları çiğ noktasında tutar. Bu yöntemle soğutmada COP 15 ile 20 mertebelerine çıkar.

YUKARI

 

Yaşam alanlarını soğutma Suyla yada havayla?

Bilinen klima sistemlerinde, yaşam mahaline soğuk hava, ortamdaki ısınan havayı da çeken kanallar ile iletilir. Enerji tasarruflu evler için tasarlanan paket cihazlar aynı şekilde çalışmaktadır. İki tip cihazda da temel ısı transferi hava akımı hareketi ile sağlanmaktadır.

”Natural cooling” fonksiyonlu iki yönlü ısı pompaları genellikle sıcak sulu ısıtma sistemlerine bağlıdır. Soğuk günlerde bu ısıtma sistemleri ısıyı ısıtma suyundan alarak odaları ısıtmak için ısı transfer yüzeylerini kullanarak transfer eder. (örneğin yerden ısıtma sistemleri). Radyatörler soğutma için uygun değildir. Yaz aylarında radyatör ile oda sıcaklıkları arasındaki küçük fark ve radyatörlerin yüzey alanlarının küçük olması ısı transferinin düşük olmasına neden olur. Zemine yakın yerlerdeki ısı transfer yüzeyleri de soğutma için uygun değildir. Ayrıca radyatörler tasarımları sebebi ile korozyona eğilimlidir.

Yerden ısıtma sistemleri daha büyük bir alana yayılmış olduklarından dolayı daha elverişlidir. Soğuk
hava yerin altındadır ve yükselemez. Bu sebepten yerden ısıtma sistemlerinde ısı transferi neredeyse sadece ışınımla yapılmaktadır. Diğer taraftan tüm zemin soğutma yüzeyi olarak kullanılmaktadır. Yerden ısıtma sisteminin soğutma etkisi evsel havalandırma sisteminin ilave edilmesi ile arttırılabilir.

Isı tavandan daha verimli bir şekilde dağıtılabilir. Sıcak hava tavanda toplanır ve yüzeyde soğur. Bu soğuk hava yere doğru iner ve yerdeki sıcak hava ile yer değiştirir. Bu sirkülasyon yerden ısıtma sistemleri ile karşılaştırıldığında daha büyük hacimlerde havanın yer değiştirmesini sağlar. Ancak tavandan soğutma genel olarak ısıtma sistemlerinin yerini alamaz. Bu sebepten pek çok durumda yerden ısıtma sistemi veya radyatörlerle birlikte monte edilir ve hidrolik bir sistemle ayırılır.

Fan konvektörleri kontrol edilebilir bir hava akışı yaratan fanlara sahip olduklarından genelde verimli çözümlerdir. Bu da daha büyük debilerdeki havanın daha kısa sürede yayılmasını sağlar. Fan hızlarının ayarlanabilmesi de bu sistemlerde mümkündür. Ayrıca korozyon problemi olmadığından drenaj sorun değildir.

Soğutma işletiminin yapılacağı durumlarda ısı pompasının çiğ noktasını bilinmesi çok önemlidir. Örneğin, yerden ısıtma sistemine ait yüzey sıcaklıklarının 20°C’nin altına düşmemesi gerekmektedir.

Çiğ noktası göstergesi sıcaklığın bu noktanın altına düşmesini engellemek için sıcaklığı ayarlar, nem riskini azaltır.

YUKARI

 

Kaynak: Viessmann-TR Mesleki Yayınlar “Isı Pompaları”

  1. Mustafa Eyriboyun Cevapla

    Merhaba,

    http://www.minerji.com.tr/?p=1424

    Sayfasında toprak derinliğine göre sıcaklık grafiğinde Derinlik birimi mm olarak yazılmış. Sanırım metre olmalı.

    Selam ve saygılarımla.

    • Gökhan Akkaya Cevapla

      İlginiz ve hassasiyetiniz için teşekkürler.
      Gerekli düzeltme yapılmıştır.

Leave a Reply

*

captcha *