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


Isı Pompaları -1 / Temel Prensipler

Doğa enerjisi ile güvenilir ısıtma

Isı pompaları çevreden aldıkları yenilenebilir enerjiyi kullanılırlar. Yıl boyunca toprak altında, yer altı sularında ya da havada depolanan güneş enerjisi, elektrik enerjisi yardımı ile ısıtma enerjisine dönüştürülür. Kaliteli ısı pompaları tüm yıl ısıtma sağlayacak verime sahiptir.

HP

Çevreye duyarlılığın artması ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına ilgi artmıştır. Bu nedenle ısı pompaları yeniden doğuş sürecine girmiştir. Isı pompalarının ’80’ lerdeki ilk parlayışının kısa sürede sönmesine neden olan önceki teknik yetersizlikler günümüzde çözüme kavuşmuştur. Bugün ısı pompaları ile çevre dostu, güvenilir ve ekonomik ısıtma sistemleri elde edilmektedir.

Avrupa’da Pazar

Bugün İsviçre’de her üç yeni binadan biri elektrik tahrikli ısı pompasına sahiptir. İsveç’te bu rakam her 10 yeni binanın 7’si şeklindedir.

Yeni sistemlerin büyük kısmı antifriz/su ısı pompaları olarak karşımıza çıkmaktadır. Antifriz/su ısı pompası topraktan çektiği ısı enerjisi ile yıl boyunca ilave bir ısı kaynağına ihtiyaç duymadan (monovalent işletme) ısıtma sağlayabilmektedir. Diğer taraftan pazarda hava/su ısı pompalarına farkedilir bir talep oluşmaktadır. Bu cihazların montajı daha ekonomik ve kolaydır. İsviçre’deki yeni montajların %60’ı bu tip ısı pompaları ile gerçekleşmektedir

Isı Pompaları Çevre Dostudur

Tablo1Motorin ve doğal gaz gibi fosil yakıtların ömrü sınırlıdır. Bu gerçeğin farkına varmak bizleri ısıtma sistemleri için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yöneltmektedir.


Avrupa’da çevre duyarlılığına paralel olarak fosil yakıtlara karşı güçlü politikalar bulunmaktadır. Sınırlı yakıt rezervlerinin yanı sıra, iklim değişikliklerinin önlenmesi de ısı pompası sistemlerinin tercih edilmesinde önemli bir role sahiptir. CO2 emisyonlarının düşürülmesi, iklim değişikliğinin önlenmesi için mutlaka gerçekleştirilmesidir.

Tüm bu hususlar yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını desteklemektedir. Isı pompaları, ısıtma sistemleri ve kullanma suyu ısıtması için enerji tasarrufuna yönelik verimli çözümler sunmaktadır.

Kulanım Alanları

Isı pompaları, müstakil evler, apartmanlar, oteller, iş merkezleri, okullar, hastaneler gibi yeni ve mevcut binaların ısıtılması için uygundur. Düşük enerji evleri için ısı pompası sistemleri talepleri karşıladığı için kaçınılmazdır. Diğer tüm ısıtma sistemleri gibi ısı pompaları da hemen hemen tüm uygulamalar için elverişlidir.

Isı pompası prensibiTemel Prensip

Genel olarak ısı pompaları, ortamın sıcaklığını arttırmak için ilave bir enerji kullanan ekipmanlar olarak tanımlanabilir.

Tasarım

Isı pompalarının çalışma prensibi, ısı taşıyan akışkanı sıkıştırıp genleştirmek suretiyle açığa çıkan enerjisini ortamın sıcaklığını arttırmak için kullanılmasına dayanır.

 

YUKARI

 

Isı pompaları tasarımlarına veya işletim prensiplerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir :

– Kompresörlü ısı pompaları

– Sorpsiyonlu ısı pompaları (absorbsiyonlu ve adsorbsiyonlu ısı pompası)

– Vuilleumier ısı pompaları

Ayrıca termoelektrik ısı pompası gibi farklı teknik çözümler de bulunmaktadır. Ancak bu çözümün gelecekteki bina ve kullanma suyu ısıtması için termoelektrik ısı pompasının uygun olmayacağı muhtemeldir.

Kompresörlü Isı Pompaları

Isı pompası prensibi sim.jpg

Çalışma prensipleri buzdolabınınkine benzeyen kompresörlü ısı pompaları en çok tercih edilen ısı pompası türüdür. Aralarındaki fark buzdolabı ortam sıcaklığını düşürürken ısı pompası arttırır.

Elektrik kompresörlü ısı pompaları 

Çevreden ısı alındığında, buharlaştırıcıdaki sıvı fazlı soğutucu akışkan düşük basınç altındadır (1). Buharlaştırıcıdaki sıcaklık seviyesi, soğutucu akışkanın mevcut basınçtaki kaynama noktasının üzerindedir. Bu sıcaklık farkı ile soğutucu akışkan buharlaşır ve çevreden ısı çeker. Sıcaklık 0 ºC’nin altındadır. Kompresör (2) akışkan buharını çeker ve sıkıştırır. Sıkıştırma sırasında buhar fazındaki akışkanın basıncı ve sıcaklığı artar.

Kompresördeki sıkıştırma işleminden sonra buhar fazındaki akışkan yoğuşturucuya gelir. Yoğuşturucuyu (3) çevreleyen ısıtma suyunun sıcaklığı, soğutucu akışkanın yoğuşma sıcaklığından düşüktür. Buhar fazındaki akışkan soğuyarak sıvı faza geçer. Buharlaştırıcının çevreden çektiği ısı ve kompresördeki sıkıştırma işlemi sırasında ilave edilen elektrik enerjisi ısıtma suyuna aktarılmış olur.

Soğutucu akışkan bir genleşme valfinden (4) geçerek tekrar buharlaştırıcıya döner. Bu sırada akışkan kompresörün yüksek basıncından buharlaştırıcının düşük basıncına genleşir. Böylece çevrim tamamlanmış olur.

R 407 C gibi soğutucu akışkanlar 3 bileşenden oluşmaktadır. Her bir bileşenin kendi buharlaşma sıcaklığı vardır. İlave edilecek bir ara eşanjör ile her bir bileşenin 100% buharlaşması sağlanır. Bu şekilde kompresöre sıvı gitmesi engellenir ve soğutma çevriminin performansı artar.

Tesir1Bu prensibe göre ara eşanjör; buharlaştırıcıdan kompresöre giden
buhar fazındaki soğutucu akışkan ısısının bir kısmını yoğuşturucudan
çıkan sıvı fazdaki soğutucu akışkana aktarılmasını sağlar. Buharlaştırıcıdan kompresöre giden akışkan ile yoğuşturucudan genleşme valfine gelen soğutucu akışkan arasındaki ısı alışverişi sayesinde buharlaştırıcıya gelen akışkanın sıcaklığının artması sağlanır. Bu ısı transferi soğuk tarafta basınç yükselmesini, sıcak tarafta ise basınç düşüşünü sağlar. Böylece buharlaş- tırıcıdaki akışkan son sıvı molekülüne kadar buharlaşır ve kompresörde sıkıştırma işlemi daha düşük elektrik enerjisi harcanır. Ara eşanjör sayesinde ısı pompasının perfor- mansında %5’e kadar artış gözlenir.

Günümüzde ısı pompaları, 3 birim enerjiyi çevreden, 1 birim enerjiyi de kompresörü çalıştırmak için elektrikten çeker. Performans faktörü, transfer edilen ısı enerjisi (kompresöre aktarılan elektrik enerjisi de dahil) ve kullanılan enerji (elektrik enerjisi) (burada 3+1 / 1=4) arasındaki orana dolayısıyla ısı pompasının verimine eşittir. Bu şartlar altında ısı pompası sistemleri, güneş enerjisi sistemlerini saymazsak sıfır CO² emisyonu üreten tek ısıtma sistemi olmaktadır.

Tesir2.jpg

 

 

 

 

DİYAGRAM1

Isı pompası için lg p-h diyagramı;

Bir çevrimdeki sıcaklık ve basınç değişimleri genellikle “lg p-h” diyagramı ile gösterilir.

Isı pompası için; buharlaşma (1-2), sıkıştırma (2-3), yoğuşma (3-4) ve genleşme (4-1) işlemleri tek tek gösterilmiştir.

Tesir katsayısı ε; transfer edilen enerjinin harcanan elektrik enerjisine oranı olarak da tarif edilebilir. Isıtma devresine transfer edilen ısı enerjisinin büyük kısmı akışkanın buhar fazında olduğu kırmızı ile gösterilen çevrimde yer almaktadır. Şekil 10’da gösterildiği gibi -15°C dış hava sıcaklığında, maksimum sıcaklık seviyesi 45°C olmaktadır. Teorik olarak daha yüksek sıcaklık seviyelerine ulaşılması için (2- 3) işleminin 3 noktasının ötesine taşınması gerekmektedir.

DİYAGRAM_2Kapasite Diyagramı;

Kapasite diyagramları bir taraftan ısıtma, soğutma ve çekilen güç
arasındaki ilişkiyi, diğer taraftan sıcaklık şartlarını gösterir (çevre ısısı
giriş sıcaklığı, ısıtma devresi gidiş sıcaklığı). Şekilde gösterilen örnekte;

Isı Pompasının B 0/W 35 (B0= antifriz giriş sıcaklığı 0°C, W35=Isıtma suyu çıkış sıcaklığı 35°C) noktasında soğutma kapasitesi   QK=8.4 kW olmaktadır.

Sistem 2,4 kW’lık elektrik gücü çeker. Bu da 10,8 kW’lık ısıtma kapasitesi elde etmemizi sağlar. Bu diyagramlar ayrıca, farklı çıkış suyu sıcaklıkları için ısıtma ve soğutma kapasitelerini elde etmemizi sağlar.

Benzin Motorlu Kompresörlü Isı Pompaları

Isı Pompaları doğal gaz, dizel veya fuel oil yakıtlar ile işletilebilir. Bu durumda kompresör içten yanmalı bir motor ile tahrik edilir. Yakıt masrafı ve atık gazların dışarı atılması gerektiği düşünülmelidir.

Yakıt motorlu kompresörlü ısı pompaları, elektrikli olanlara göre primer enerji açısından daha iyidir. Çünkü motordan elde edilecek atık ısının enerjisi de kullanılabilir.

Sorbsiyonlu Isı Pompaları

Sorbsiyonlu ısı pompaları fiziksel- kimyasal işlemle çalışır. İki madde ısı enerjisi verilerek ayrıştırılır, daha sonra ayrıştırmak suretiyle ısı açığa çıkar. (Absorbsiyon, adsorbsiyon) Bu işlemler fiziksel bazı etkilerle (basınç, sıcaklık) gerçekleştirilebilir.

Hergün karşılaştığımız bazı örnekler:

– Karbondioksit maden suyu içinde çözünmüş haldedir ve şişenin kapağını açtığımızda uçar (basınç düşümü).

– Kokuların ve zararlı maddelerin hava içerisinden kömür ile ayrıştırılması (adsorbsiyon).

Absorbsiyonlu Isı Pompaları

Absorbsiyonlu ısı pompaları genellikle doğal gaz ile çalışırlar ve elektrik kompresörlü ısı pompaları ile aynı özelliklere sahiptir.

Bu tür ısı pompalarında mekanik kompresör yerine termal kompresör kullanılır. Burada çevre ısısını çekmek için amonyak gibi çok düşük sıcaklıklarda ve basınçta buharlaşan bir soğutucu kullanılır. (1)

Soğutucu buharı absorbere gelir (2), Burada su gibi bir solvent tarafından absorbe edilir ve açığa çıkan ısı bir eşanjörle ısıtma sistemine verilir.

Solvent pompası (3) iki bileşenli çözeltiyi termal kompresöre aktarır (4). Çözeltideki bileşenler farklı kaynama sıcaklıklarına sahip oldukları için ayrışırlar. Isı verilmesi ile kaynama sıcaklığı daha düşük olan soğutucu akışkan buharlaşır.

Yüksek sıcaklık ve basınçtaki soğutucu akışkan buharı kondensere gelir (5), ve yoğuşma ısısını dışarı atarken sıvılaşır. Bu işlem sırasında yoğuşma ısısı ısıtma sistemine verilir. Sıvı faza geçen soğutucu akışkanın basıncı genleşme valfinden (6) geçirilerek düşürülür. Böylece başlangıçtaki basınç ve sıcaklık seviyesine gelir.

Çözelti kompresör çevrimindeki gibi davranır (7).

Solvent pompası için ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi çok düşüktür. Termal kompresör için gerekli enerji yakıtın yanması ile elde edilir. Alternatif enerji kaynakları da kullanılabilir.

Absorbsiyonlu ısı pompalarının avantajları, primer enerjinin iyi kullanılması ve solvent pompasından başka hareketli parçanın bulunmamasıdır.

Absorbsiyonlu ısı pompaları yüksek kapasiteler (50 kW’den yüksek) verebilir. 2 kW’ a kadar olan kapasiteler için propanlı soğutucular kullanılmaktadır. Genellikle su amonyak karışımı soğutucu akışkan olarak kullanılır.

Adsorbsiyonlu Isı Pompaları

Adsorbsiyonlu ısı pompaları kömür, silikajel veya zeolit gibi katı maddeler ile çalışır. “Kaynayan Kaya” olarak da tanımlanan mineral zeolitin su buharını bünyesine alma ve tutma suretiyle 300°C sıcaklıkta ısıyı dışarı verme özelliği vardır. Buna egzotermal reaksiyon da denir.

Daha önce anlatılan ısı pompalarında olduğu gibi, adsorbsiyonlu ısı pompalarıda da ısıyı alma ve ısıyı verme prensibine dayanır. Şekil 13’te adsorpsiyonlu bir ısı pompasına örnek gösterilmiştir. Böyle bir tasarımda mutlaka vakum sistemi gereklidir.

İlk fazda (desorpsiyon fazı), silika jel veya zeolitli eşanjör (1) gaz brülöründen elde edilen ısıyı alır (2). Bu aşama sırasında katı madde içinde bulunan su buhar olarak serbest kalır ve ikinci eşanjöre geçer (3). Bu eşanjör çift fonksiyonlu olarak çalışır:

İlk aşamada su buharı yoğunlaşırken serbest kalan ısıyı ısıtma sistemine transfer eder. Bu aşama zeolitin içindeki tüm su buhar fazına geçinceye kadar devam eder. İstenen kuruluğa ulaşıldığında su ikinci eşanjörde yoğuşur ve ısıtıcı kapanır.

İkinci aşamada eşanjör (3) çevre ısısını suya aktarmak suretiyle buharlaştırıcı gibi davranır. Bu aşamada sistemin içinde 6 bar’lık bir basınç bulunmaktadır. Soğutucu su çevre ısısını çekerken buharlaşır.

Su buharı, silika jel veya zeolit tarafından absorbe edilmek üzere eşanjöre döner. (1) Bu aşamada silika jel veya zeolit tarafından absorbe edilen ısı, eşanjör (1) vasıtası ile ısıtma sistemine aktarılır.

Bu çevrim su buharı tamamen adsorbe edilinceye kadar devam eder.

Adsorbsiyonlu ve absorbsiyonlu ısı pompaları yüksek kapasiteli uygulamalar için uygundur.

Daha önce belirtildiği gibi absorbsiyonlu ısı pompaları uzun zamandan beri yüksek verimli soğutucu olarak kullanılmaktadır.

DİYAGRAM_3

DİYAGRAM_4.jpgVuilleumier Isı Pompaları

Vuilleumier ısı pompaları da doğalgazla çalışır. Bu tip ısı pompaları Stirling işlemindeki gibi termo tahrikli jeneratif gaz çevrimi prensibine göre çalışır.

Helyum soğutucu gaz olarak kullanılır.

Vuilleumier ısı pompalarının patenti, 1918 yılında Amerika’da Rudolph Vuilleumier tarafından alınmıştır. Vuilleumier ısı pompalarının temel prensibi farklı sıcaklık seviyelerindeki iki farklı ısı kaynağının kullanılmasına dayanır. Bir gaz brülörü çevrim için gerekli ilk hareketi sağlar ve dış havanın ısı enerjisinden faydalanan eşanjör 2. ısı kaynağı olarak çalışır. –20oC deki dış hava koşullarında bile 75oC lik bir sıcaklık seviyesine ulaşılabilir. Bu da Vuilleumier ısı pompalarının mevcut binalarda kullanımını kolaylaştırmaktadır.

AR-GE çalışmaları Vuilleumier ısı pompalarında primer enerji tasarrufunun %44’e kadar çıkabildiğini göstermektedir. Vuilleumier ısı pompaları yaklaşık 15 ile 45 kW termal kapasite aralığındadır. Prototip olarak laboratuar ortamında 33 kW kapasite test edilmiştir.

Ekonomik olarak şartlar elverişli olması halinde birkaç yıl içinde ürünlerin geliştirmesi tamamlanacaktır. Enerji açısından bakıldığında Vuilleumier ısı pompaları kompresörlü ve absorbsiyonlu ısı pompalarına göre en iyi alternatiftir.

Tesir1Performans Faktörleri

Bir ısı pompasının veya ısı pompası sisteminin faktörleri DIN EN 14511’e göre tayin edilir.

Kompresörlü ısı pompalarına ait en önemli faktörler, tesir katsayısı ve yıllık çalışma sayısıdır.

Tesir katsayısı, ısıtma kapasitesi ile harcanan enerji arasındaki ilişki olarak tanımlanır. Diğer bir deyişle “performans faktörü 4” ifadesi, “üretilen ısı enerjisi, tüketilen elektrik enerjisinin 4 katı”dır anlamına gelir.

Tesir katsayısı, belirli işletim ve uygulama şartlarında ölçülmüş değerdir. Antifriz / Su ısı pompaları için örneğin, B0/W35: antifriz giriş sıcaklığı 0°C, ısıtma suyu çıkış sıcaklığı 35°C demektir.

Aşağıdaki kural tüm ısı pompaları için geçerlidir:Isıtma suyu ile enerji kaynağı arasındaki sıcaklık farkı ne kadar düşük olursa, tesir katsayısı dolayısıyla verim o kadar yüksek olur. Bu sebepten dolayı yerden ısıtma gibi düşük sistem sıcaklıklarının kullanıldığı ısıtma sistemleri ısı pompası için daha uygundur.

Seçilen enerji kaynağı ve sistem sıcaklıklarına göre modern elektrikli ısı pompalarının performans faktörleri 3,5-5,5 arasında değişmektedir. Yani her kW saat’lik harcanan elektrik enerjisine karşı 3,5 ile 5,5 kWsaat’lik ısınma sağlanmaktadır. Yıllık çalışma sayısı hesaplanırken tüm ısı pompası sistemine ait 12 aylık bir periyot göz önüne alınmaktadır.

YUKARI

 

Kaynak: Viessmann-TR Mesleki Yayınlar “Isı Pompaları”

Leave a Reply

*

captcha *