HAVA KAYNAKLI ISI POMPALARININ SOÐUK ÝKLÝM BÖLGELERÝNDE KULLANIMI ÝÇÝN ÖNERÝLEN TASARIM VE MODÝFÝKASYONLAR

Transkript

1 HAVA KAYNAKLI ISI POMPALARININ SOÐUK ÝKLÝM BÖLGELERÝNDE KULLANIMI ÝÇÝN ÖNERÝLEN TASARIM VE MODÝFÝKASYONLAR Mehmet YILMAZ Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliði Bölümü Sadýk ERDOÐAN Yrd. Doç. Dr., Atatürk Üniversitesi, Erzurum Meslek Yüksek Okulu Ömer ÇOMAKLI Prof. Dr., Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliði Bölümü Birol DURSUN KOSGEB Erzurum Müdürlüðü ÖZET Dýþ sýcaklýklarýn düþük olduðu zamanlarda elde edilen ýsýnýn ve COP'un düþük olmasý, hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklim bölgelerinde kullanýlmasýný sýnýrlamaktadýr. Soðuk iklimlerde soðutma dizayn yüklerinin ýsýtma dizayn yüklerinden küçük olmasý sonucu ýsý pompalarý, ya ýsýtma için küçük boyutlandýrýlmýþ (ilave ýsýtma gerekli) veya soðutma için büyük boyutlandýrýlmýþ olur. Ayrýca, dýþ hava sýcaklýðý azaldýðýnda, kompresörde olan sýcaklýk artýþýnýn yükselmesi nedeniyle ýsýtma çevrimi verimi azalýr. Bu güçlükleri ortadan kaldýrmak amacýyla ýsý pompalarý için çeþitli dizayn modifikasyonlarý ve teknolojileri önerilmiþ ve uygulanmýþtýr. Bu makalede, hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklim bölgelerinde kullanýmý için önerilen tasarým ve modifikasyonlar incelenmiþtir. Anahtar Kelimeler: Hava kaynaklý ýsý pompalarý, soðuk iklim, tasarým, modifikasyon ABSTRACT Use of air source heat pumps is limited in cold climates due to lower heating capacity and COP at lower ambient temperature conditions. Since cooling design loads are smaller than the heating design loads in cold climates, heat pumps are small sized for heating (backup heating required) or oversized for cooling. In addition, as ambient temperature decreases, heating cycle efficieny decreases due to higher temperature lift. To overcome such difficulties various design modifications and technologies have been suggested and applied. Design and modification suggestions for air source heat pumps in cold climates are studied in this paper. Keywords: Air source heat pumps, cold climate, design, modification Giriþ Çevre havasý, her yerde bulunabildiðinden ve serbestçe kullanýlabildiðinden dolayý ýsý pompalarý için evrensel bir ýsý kaynaðý/çukuru durumundadýr. Hava kaynaklý ýsý pompalarý (HKIP) ýsýtma sezonunda dýþ havayý ýsý kaynaðý olarak kullanarak iç ortamý ýsýtmakta, soðutma sezonunda ise iç ortamdan ýsý çekerek ýsý çukuru olarak kullandýklarý dýþ havaya aktarmakta ve soðutulmuþ havayý iç ortama göndererek ýlýman iklimlerde çok daha fazla kullanýlmasýna neden olmuþtur. Ancak, dýþ sýcaklýklarýn düþük olduðu zamanlarda elde edilen ýsýnýn ve COP'un düþük olmasý, hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklim bölgelerinde kullanýlmasýný sýnýrlamaktadýr. Eðer ýsý pompalarý, yeterli ýsýtma kapasitesi saðlayacak þekilde ve önemli derecede düþük sýcaklýklarda yüksek birincil enerji verimleri saðlayacak þekilde dizayn edilebilirse, ülkelerin soðuk iklime sahip bölgelerinde ýsýtma enerji tüketimini soðutma yapmaktadýrlar. Gerek ýsý kaynaðý/çukurunun azaltabilirler [1]. kolayca kullanýlabilmesi ve gerekse hava kaynaklý ýsý Soðuk iklimlerde kullanýlan hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn ilk yatýrým maliyetinin toprak ve su kaynaklý pompalarýnýn karakteristikleri þöyle özetlenebilir [1-5]: (i) ýsý pompalarýna göre daha düþük olmasý hava kaynaklý Soðuk iklimlerde, ýsýtma gereksinimleri soðutma ýsý pompalarýnýn diðer ýsý pompalarýna göre özellikle gereksinimlerinden oldukça büyüktür, buna karþýn, ýsý 50

2 pompalarýnýn ýsýtma kapasitesi, talebin en yüksek (10) CO ýsý pompalarýnýn kullanýlmasý, olduðu kýþ mevsimlerinde genellikle en düþük (11) Birleþik ýsý pompasý sistemlerinin kullanýlmasý. olmaktadýr. (ii) Defrost iþlemi toplam performansý azalttýðý için soðuk iklimlerde çalýþtýrýlan hava kaynaklý ýsý pompasý sistemleri için etkili bir defrost gereklidir. (iii) Düþük sýcaklýklarda ýsý pompasýný kullanarak gerekli enerjiyi elde etme maliyeti daha az rekabet edebilir özelliðe sahiptir, bazý durumlarda ise daha pahalýdýr. (iv) Düþük çevre sýcaklýðý ýsýtma yükleri için optimize edilen ve seçilen ýsý pompasý, ýsý pompalarýnýn uygulama kullanýmýný, ülkelerin soðuk bölgelerine de yaygýnlaþtýracaktýr. (v) Soðuk iklimlerde hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn performansý yýllar boyunca oldukça geliþerek, 8 C standart deðerlendirme koþulunda performans katsayýsý, 1980'lerin ilk yýllarýnda.0 civarýnda iken günümüzde.7'ye kadar artmýþtýr. (vi) Düþük dýþ ortam sýcaklýklarýnda ýsý pompasý kapasitesinin artýrýlmasý için, dýþ ýsý deðiþtirici kapasitesininin artýrýlmasý, iç ve dýþ ýsý deðiþtiricileri devrelerinin optimize edilmesi, deðiþken/kademeli kapasiteli kompresör sistemlerinin kullanýlmasý vb. farklý yaklaþýmlar ticari hale gelmiþtir. Hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklimlerde yüksek verimle, kararlý ve güvenilir bir þekilde çalýþmasý için birçok tasarým ve modifikasyon önerileri yapýlmýþtýr. Bu öneriler þöyle sýralanabilir: (1) Ýlave ýsýtýcýlarýn kullanýlmasý, () Aþýrý soðutma yapýlmasý, (3) Düþük hava sýcaklýðýna uygun olan yað kullanýlmasý, (4) Kompresör ön ýsýtma sisteminin geliþtirilmesi, (5) Yüksek verimli kompresörlerin geliþtirilmesi, (6) Deðiþken/kademeli kapasiteli kompresör sistemlerinin kullanýlmasý, (7) Dýþ ýsý deðiþtirici kapasitesininin artýrýlmasý ve iç/dýþ ýsý deðiþtiricileri devrelerinin optimize edilmesi, (8) Buz belirleme, defrost ve buz azaltma sistemlerinin geliþtirilmesi, (9) Isý pompasý çevrimleri için yeni soðutucu akýþkan karýþýmlarýnýn kullanýlmasý, Soðuk iklimlerde ýsý pompasý sistemleri, özellikle hava kaynaklý ýsý pompasý sistemleri, soðuk kýþ koþullarýnda ýsý pompasý sisteminin verimi azaldýðý zaman ekstra ýsý saðlamak için fosil-yakýtlý veya elektrik rezistanslý ýsýtma sisteminin kullanýmýný gerektirirler. Ayrýca, uygulamada, ýsýtma ve soðutma yükleri nadir olarak dengelenir. Bu nedenle, ilaveten elektriksel ýsýtma veya soðutma enerjisi kullanmak gerekir [3]. Ýlave ýsýtma sisteminin tipleri ve bunlarýn kullaným nedenleri farklýdýr. Ýlave ýsýtýcýlarýn kullanýlmasýyla iliþkili þu noktalarýn hatýrlanmasýnda fayda vardýr [3]: Ýlave Isýtýcýlarýn Kullanýlmasý (1) Kaynak sýcaklýðý azaldýkça ýsý pompasýnýn performansýnýn azalmasý nedeniyle, hava kaynaklý ýsý pompasý sistemleri, þiddetli soðuk havalarda ekstra ýsý saðlamak için boyler veya kazan kullanmayý gerektirirler. () Bina iç ýsý kazanýmlarý, bina ýsýtma gereksinimini karþýlayacak kadar yeterli deðilse su kaynaklý sistem, su çevrimine ekstra ýsý gerektirebilir. (3) Sondaj deliðinin maliyeti ve boyutunu azaltmak için bazen toprak kaynaklý ýsý pompasý sistemlerinde de ek ýsý kaynaðý kullanýlmaktadýr. (4) Binanýn maksimum elektrik yükünü azaltmak için fosil yakýt bazlý boyler veya kazan eklenebilir. (5) Binanýn altýna yerleþtirilen sondaj deliðinin neden olduðu don nedeniyle binanýn temelinin zarar görme riskini azaltmak için toprak kaynaklý sistemde ilave bir boyler kullanýlabilir. Ýlave ýsýtýcý kullanan ýsý pompalarýna bir örnek olarak, Japonya da, Yamagami vd'nin [6], düþük çevre sýcaklýk koþullarýnda hava kaynaklý ýsý pompasýnýn performansýný iyileþtirmek için geliþtirdiði kerozen yakýt brülörlü hava kaynaklý ýsý pompasý verilebilir. Bununla beraber, fosil yakýtlý ýsýnýn kullanýlmasý tercih edilen bir durum deðildir. Çünkü, fosil yakýtlý ýsý gerekmediði zaman, ýsý pompalarý, 51

3 ýsýtma ve soðutma için sadece tek bir temel güç (1) Emme hattý aþýrý soðutmalý sistem: Buhar sýkýþtýrmalý kaynaðý (elektrik) kullanma avantajýna sahip olurlar. Bu ise, maliyeti ve çevresel zararlarý azalttýðý için sosyal kazanç olarak düþünülebilir. Ýlave elektrik ýsýtýcýlar kullanýldýðýnda, ýsý pompasý için ilave ekipmanlar kullanmak gerekmektedir. Ýlave ekipmanlar; sistemin daha kompleks hale gelmesine, maliyetin artmasýna ve düþük enerji kullaným verimine neden olmaktadýr. Bunlar ise amaçlanan, yüksek verim, kararlý ve güvenilir bir çalýþma problemlerinin çözülemediðini gösterir. Aþýrý Soðutma Yapýlmasý Aþýrý soðutma, son 0 yýlda ortaya çýkan birçok enerji tasarruf teknolojilerinden birisidir ve düþük ve orta sýcaklýklý soðutma cihazlarý, düþük (evaporatör sýcaklýklarý<soðutma sistemlerinde uzun süreden beri kullanýlmaktadýr. Soðutucu akýþkanlarýn özelliði, yoðuþma prosesinin ýsýyý tamamen gizli ýsý olarak atmasýný imkansýz yapmaktadýr. o Genel olarak her 1 K'lik aþýrý soðutma, sistem kapasitesini %0.5 kadar arttýrýr. Yüksek çevre sýcaklýklarýnda, standart direkt-geniþlemeli buhar sýkýþtýrmalý sistem, kondenserde o 5.6 C'lik bir aþýrý soðutma saðlayabilir, fakat bunun bir kýsmý sývý hattýnda kaybolur. Ýlave aþýrý soðutma, soðutucu akýþkanýn evaporatöre giriþ noktasýný doymuþ sývý hattýna yaklaþtýrmak ve evaporatöre daha fazla sývý soðutucu akýþkan girmesini saðlamak yoluyla soðutma kapasitesini arttýrýr. Evaporatöre giren daha fazla sývý soðutucu akýþkan, evaporatör yüzeyini daha fazla ýslatýr ve ýsý transfer miktarýný arttýrýr. Ayrýca, genleþme valfinden geçen soðutucu akýþkanýn sývý oraný arttýðýndan sistemin ayar gereksinimi azalýr [7]. Aþýrý soðutma, kondenserin çýkýþýnda bir ýsý deðiþtiricinin ve dýþ havadan daha düþük sýcaklýkta olan bir ýsý kuyusunun (genellikle su, toprak kaynaðý veya emme hattý ýsýsý) eklenmesini gerektirir. Evaporatöre giren soðutucu akýþkanýn entalpisini azaltarak soðutma/ýsýtma kapasitesinde artýþ meydana getiren aþýrý soðutmada, aþýrý soðutma miktarý ýsý kuyusunun sýcaklýðý ile sýnýrlýdýr [7]. sistemin emme hattýnýn ýsý kuyusu olarak kullanýldýðý sistemlerdir (Þekil 1a). Bu sistemler düþük sýcaklýk uygulamalarýnda (evaporatör sýcaklýklarý <-4 C) kullanýlmaktadýr. Bu aþýrý soðutma yöntemi, esas olarak düþük sýcaklýklý soðutma sistemlerinde kullanýlmasýna raðmen, bazý paket ve split sistem hava koþullandýrýcýlarý ve ýsý pompalarý imalatçýlarý, alternatif soðutucu akýþkan kullanan (R134a gibi) sistemlerde de bu cihazlarý kullanmaktadýrlar [7]. () Mekanik aþýrý soðutmalý sistem: Aþýrý soðutma için küçük (fakat daha verimli) ikincil buhar sýkýþtýrma sistemi içeren sistemlerdir (Þekil 1b). Mekanik aþýrý 4 C) ve orta sýcaklýklar (-4 C<evaporatör sýcaklýklarý<0 C) için yaygýn bir þekilde kullanýlmaktadýr. Yüksek aþýrý soðutmanýn, soðutma kompresörleri için enerji veriminde %0 tasarruf oluþturduðu, cihaz boyutundaki azalma sonucu ilk yatýrým maliyetlerinde tasarruf olduðu ve bakým giderlerinin %60'a kadar azalabildiði belirlenmiþtir [7]. (3) Dýþ ýsý kuyulu sistemler: Þekil 1c'de þematik resmi gösterilen dýþ ýsý kuyulu aþýrý soðutmalý buhar sýkýþtýrmalý sistem, bir ýsý deðiþtirici ve mini soðutma kulesinden oluþmaktadýr. Mini soðutma kulesinin yerine toprak kaynaklý bir su çevrimi kullanýlabilir. Bu sistem, emme hattý aþýrý soðutmalý sistemin sahip olduðu avantajlarýn çoðuna sahiptir: soðutma kapasitesinin artmasý, genleþme valfinin daha iyi çalýþmasý (azalan flash gaz) vb. Ayrýca yoðuþma üniteleri ve kompresör, azalan güç tüketimi ve artan toplam sistem verimi nedeniyle küçük boyutta yapýlabilir. Genel olarak, dýþ ýsý kuyulu soðutmanýn faydalarý, yüksek yýllýk sýcaklýklarýn olduðu bölgelerde (18 C temel sýcaklýða göre hesaplanan 100 veya daha fazla soðutma Üç tip aþýrý soðutma vardýr [7-9]: derece-gün) daha fazladýr [7]. 5

4 Düþük Hava Sýcaklýðýna Uygun Olan Yaðýn Kullanýlmasý Hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklimlerde yüksek verimle, kararlý ve güvenilir bir þekilde çalýþmasý için kullanýlan yaðýn özelliklerinin soðuk iklimlerde çalýþma için uygun olmasý gerekmektedir. Uygun viskoziteli ve mükemmel soðuk-dayaným karakteristikli yaðlarýn seçilmesiyle düþük dýþ ortam sýcaklýðýnda kompresörün çalýþma güvenilirliði saðlanmaktadýr [5]. Yoðuþturucu Isý Deðiþtirici Buharlaþtýrýcý Kompresör Genleþme Vanasý (a) Emme hattý ýsý deðiþtiricisi olan geleneksel direkt geniþlemeli sistem Su Soðutmalý Yoðuþturucu Aþýrý Soðutma Çevrimi Genleþme Vanasý Aþýrý Soðutma Çevrimi Kompresörü Hava Soðutma Yoðuþturucusu Ana Çevrim Genleþme Vanasý Dýþ Hava Hava Soðutma Buharlaþtýrýcýsý Soðutulan Hacim (b) Mekanik aþýrý soðutmalý geleneksel direkt geniþlemeli sistem Ana Çevrim Kompresörü Yoðuþturucu Su Fan Hava Hava Su Kompresör Su Giriþi Buharlaþtýrýcý Genleþme Vanasý (c) Aþýrý soðutma ýsý deðiþtiricili ve mini soðutma kuleli geleneksel direkt geniþlemeli sistem Þekil 1. Aþýrý Soðutma Sistemleri [7] 53

5 Kompresör Ön Isýtma Sisteminin Geliþtirilmesi Hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklimlerde yüksek verimle, kararlý ve güvenilir bir þekilde çalýþmasý için yapýlan önerilerden bir diðeri kompresör ön ýsýtma sisteminin geliþtirilmesidir. Toplam ýsý miktarýnýn önemli bir kýsmý, ilk çalýþma esnasýnda kompresörü ýsýtmak için kullanýlmaktadýr. Ön ýsýtma sisteminin kullanýlmasýyla, kompresörü ýsýtmak için gerekli ýsý miktarý azalmakta ve ýsýtma kapasitesi artmaktadýr [5]. Yüksek Verimli Kompresörlerin Geliþtirilmesi Yüksek verimli kompresörlerin geliþtirilmesi; kompresörün yüksek hýzlý ve yüksek güçlü çalýþmasý, yaðýn soðutucu akýþkandan ayrýþma mekanizmasýnýn iyileþtirilmesi, sývý enjeksiyon yöntemi kullanýlarak kompresör deþarj sýcaklýðýnýnýn azaltýlmasý vb. gibi iþlemleri kapsamaktadýr. (3) Lineer ve dijital çift spiralli kompresörlerin ikisi de kompresör uygulamalarýnda deðiþken hýzla tahrik edilen kompresörlerinkine benzer bir mevsimsel enerji verim kazancý, %0-%30, saðlamaktadýrlar. Uygulanabilir HVAC aralýklarýnda, lineer kompresörler, esasen artan kompresör verimleri nedeniyle, ayrýca %15'lik diðer bir ilave iyileþme saðlar; böylece toplam iyileþme miktarý %35 olmaktadýr. (4) Lineer bir kompresörün verimindeki kazanç, düþük kompresör basýnçlarýnda daha büyüktür ve yüksek basýnçlarda (ve dolayýsýyla yüksek sýcaklýklarda) azalýr [10]. (5) Lineer kompresörler, konvansiyonel kompresörlerden %0 daha pahalýdýr. (6) Lineer kompresörlerin kullanýmý, sýcaklýk dalgalanmalarýný azaltýr ve ortam konforunu geliþtirir. Sessiz çalýþýr. Krank þaftýnýn olmamasýndan dolayý daha az aþýnma ve piston sürtünmeleri oluþur. (7) Yüksek ýsý pompasý yüklerine sahip bölge ve binalarda ümit vaad eden bir potansiyele sahiptirler. Lineer Kompresörler Sývý Enjeksiyon Yöntemi Lineer kompresörler strok boyunu deðiþtirerek Genel olarak düþük dýþ sýcaklýkta kompresör hýzý kapasitelerini kolayca ve verimli bir þekilde ayarlayabilen artýrýldýkça, pratik durumda sýkýþtýrma oraný, emme kompresörlerdir [1]. Lineer bir kompresör pistonlu bir basýncýnýn azalmasý ve deþarj sýcaklýðýnýn artmasý kompresöre benzerdir, ancak kamlý standart motor nedeniyle yükselir. Bununla birlikte, kompresörün yüksek (pistonlu kompresör) yerine kompresör pistonunu sýkýþtýrma oranlarýnda çalýþmasý, son derece yüksek çalýþtýrmak için lineer bir motor kullanýr. Lineer deþarj sýcaklýklarýna neden olabilir. Yüksek deþarj sýcaklýðý kompresörler küçük ölçülerdeki indüksiyon motorlarýndan ise, yaðý ve soðutucu akýþkaný kimyasal olarak bozabilir daha yüksek verime sahip olan sürekli manyetik motorlarý ve kompresör elemanlarýnýn mekanik arýzasýna neden kullanýrlar. Ayrýca, serbest piston dizayný sürtünmeleri olabilir. Bunun sonucu olarak yüksek frekanslý bölgede, azaltýr ve krank mili kayýplarýný elimine eder. Geliþmiþ uygun seviyede deþarj sýcaklýðýný kontrol etmek gereklidir kompresörler ile iliþkili þu bilgilerin vurgulanmasý önem [11-15]. Kompresör deþarj sýcaklýðýný kontrol etmek için kazanmaktadýr [1]: literatürde önerilen en pratik yöntemler sývý enjeksiyon (1) Yeni bir teknolojidir. LG (Korea) 001 yýllarýnda yöntemi ve aþaðýda ayrýntýlarý verilecek olan kademeli soðutuculara lineer kompresör yerleþtirmiþtir. Dijital çift kompresör uygulamasýdýr [1]. spiralli (scroll) kompresörler günümüzde üretilmektedir. Sývý enjeksiyon yöntemi, ara-soðutma etkisi () Geliþmiþ kompresörler, 10 ton ya da daha az saðlayarak deþarj sýcaklýðýný azaltýr. Bunun yanýnda, kapasitedeki tüm buhar sýkýþtýrmalý çevrimlerde performansý optimize etmek için kompresöre giren kullanýlabilir. soðutucu akýþkan debisini ve enjeksiyon basýncýný kontrol 54

6 etmek gereklidir. Bu ise geniþleme valfini uygun þekilde ayarlayarak ve enjeksiyon yerini ve port boyutunu dikkatli bir þekilde dizayn ederek gerçekleþtirilir. Sývý soðutucu akýþkan enjeksiyonu yapýlan inverter-tahrikli çift spiralli kompresörün (Þekil ) optimum çalýþma koþullarýný araþtýrmak için yapýlan bir araþtýrmadan çýkan önemli sonuçlar þöyle özetlenebilir [1]: azalma ve güç giriþinde artmaya neden olduðundan, uygun sistem performansý elde etmek için optimum enjeksiyon basýncý seçilmelidir. Hirano vd. [13] ýsýtma yükü dönme hýzýyla deðiþen çift spiralli kompresör kullanan ve sývý enjeksiyon giriþlerine sahip olan HKIP'lerin -15 C çevre sýcaklýk koþullarýnda bile düzgün bir þekilde çalýþtýðýný belirlemiþtir. Þekil. Test Kompresörünün Þematik Resmi [1] (1) Yüksek frekans altýnda sývý enjeksiyon iþleminin, kompresörün yüksek performansa ve güvenilirliðe eriþmesinde çok etkili olduðu belirlenmiþtir. Deðiþken/Kademeli Kapasiteli Kompresör Sistemlerinin Kullanýlmasý () Düþük frekansta enjeksiyonda; spiral sarmallarýndaki Hava kaynaklý ýsý pompasý, soðuk iklim bölgesinde boþluktan yüksek sýzýntý nedeniyle kompresör gücü, sabit hýzda çalýþtýðý zaman, ýsýtma kapasitesi önemli kapasitesi, ve adyabatik verimde bazý dezavantajlar ölçüde azalabilir. Bu ise, ýsýtma yükü ile sistem kapasitesi oluþmuþtur. arasýnda büyük fark oluþturabilir. Soðuk iklimlerde ýsý (3) Enjeksiyon basýncýnýn artmasý, deþarj sýcaklýðýnda pompasýnýn ýsýtma kapasitesini artýrmak için kullanýlan bir 55

7 yöntem, deðiþken/kademeli kapasiteli kompresör sistemleri kullanmaktýr. Deðiþken kapasiteli kompresör sistemlerinin birincil amacý yüklerin uyuþmazlýðýný engellemektir. Deðiþken kapasiteli kompresör sistemleri; deðiþken hýzlý kompresörleri (variable-speed compressors) ve deðiþken silindirli pistonlu kompresörleri kapsar. Esas olarak, kompresör kapasitesi, ýsýtma dizayn yükleri tam kompresör kapasitesi tarafýndan, soðutma dizayn yükleri ise kýsmi (fakat hala etkili) kompresör kapasitesi tarafýndan karþýlanacak þekilde boyutlandýrýlýr. Deðiþken kapasiteli kompresörler, soðuk çevre havasýnda azalan ýsýtma çevrim verimi problemi göstermezler [1, 16]. Deðiþken Hýzlý Kompresörler Soðuk iklimlerde ýsý pompasýnýn ýsýtma kapasitesini artýrmak için kullanýlan bir yöntem, deðiþken hýzlý tahrik sistemi kullanmaktýr. Deðiþken hýzlý tahriðin temel mantalitesi, düþük sýcaklýk koþullarýnda, kompresörün yüksek frekansta (yüksek hýzda) çalýþtýrýlarak soðutucu akýþkan sirkülasyon hacminin artýrýlmasýna dayanýr. Örneðin, inverter tahrikli ýsý pompasý, kompresör hýzýnýn artmasýyla daha büyük debiler saðlayarak, düþük dýþ sýcaklýklarda ilave ýsýtma kapasitesi saðlayabilir [1, 11, 1]. Uygulamanýn gerektirdiði hýzda çalýþarak deðiþken hýzlý tahrik sistemi, kompresörlerin kýsmi yüklerini etkili olarak karþýlamasýný saðlar; böylece açma/kapama iþleminin neden olduðu çevrim kayýplarýný ve akýþ kýsýlmasý ile ortaya çýkan kýsýlma kayýplarýný (damperle veya vanalarla kýsýlma) önler (Þekil 3). Deðiþken hýzlý tahrik sisteminin özellikleri þöyle özetlenebilir [1]: (4) Deðiþken hýzlý tahrik elektroniði, maksimum yükte az bir performans azalmasýna yol açmaktadýr (tam hýzda çalýþmada ~5%). Deðiþken hýzlý tahriði sadece kýsmi yüklerde (<50%) kullanan kýsmi deðiþken hýzlý tahrik konsepti bu dezavantajý ortadan kaldýrmaktadýr. Deðiþken Silindirli Pistonlu Kompresörler Deðiþken silindirli pistonlu kompresörler (DSPK), iki (veya daha fazla) sýkýþtýrma pistonu bulunan kompresörlerdir. Soðutma talebi azaldýðýnda, kontrol ünitesi stratejik olarak pistonlardan birini (veya daha fazlasýný) durdurarak iki (ya da çok) kapasiteli bir kompresör oluþturur. Bilhassa, tam yükte her iki kompresör pistonuna da kavrama yaptýran özel bir krank mili tasarýmý, kýsmi yükte yalnýzca tek kompresör pistonuna kavrama yaptýrmak için yön deðiþtirir. Ýki pistonlu tasarým, DSPK'lerin kýsmi kompresör yüklerini daha iyi karþýlamasýna imkan tanýr. Örneðin, iki kademeli bir kompresörde, sistem soðutma modunda çalýþtýðý zaman kompresör sadece birinci kademede çalýþýr. Dýþ sýcaklýk belirli bir limitin üzerinde olduðu zaman kompresör, ýsýtma modunda birinci kademede çalýþýr. Dýþ sýcaklýk belirli bir limitin aþaðýsýna düþtüðü zaman ise kompresör, ýsýtma modunda ikinci kademede çalýþýr [17, 18]. Böylece buharlaþtýrýcý ve yoðuþturucu serpantinlerinin yük ve çevrim kayýplarý azaltýlarak standart pistonlu kompresörlere kýyasla daha iyi performans deðerleri elde edilir. (1) Güncel bir teknolojiye sahip olan deðiþken hýzlý tahrik sistemi, HVAC'lardaki tüm motorlara, özellikle üniter blowerlere uygulanabilir. () Deðiþken hýzlý tahrik sistemi, mevcut cihaz ve binalara kolayca adapte edilebilir. (3) Deðiþken hýzlý tahrik sistemi; deðiþken miktarda soðuk/sýcak hava ikmal etmek suretiyle aþýrý soðuma/ýsýnmayý önleyerek ve geliþmiþ nem kontrolü saðlayarak kullanýcý konforunu artýrmaktadýr. Þekil 3. Kompresör Performansýnýn Karþýlaþtýrýlmasý [16] 56

8 Deðiþken silindirli pistonlu kompresör teknolojisiyle iliþkili þu bilgilerin göz önünde bulundurulmasý gerekir [1]: (1) Yaygýn bir teknolojiye sahip olan DSPK, 10 ton kapasitenin altýndaki bütün buhar sýkýþtýrmalý çevrimlerde kullanýlabilir. () Mevcut teçhizat veya binalara kolayca adapte edilemez. Isý pompalarýnda mevcut olan kompresörün yerine DSPK'nin kullanýlmasý çok zordur. Çünkü bu durumda yoðuþturucunun yaný sýra vantilatörlerin ve kontrol ünitesinin de deðiþtirilmesi gerekir [19]. (3) DSPK'nin kullanýlmasý, SEER'de en az %0'lik bir iyileþme saðlar. DSPK, merkezi klima cihazlarý ve ýsý pompalarýnda SEER'yi 10'dan 1'ye veya 1'den 14'e çýkarabilir. Deðiþken hýzlý iç vantilatörlerle birlikte SEER 10'dan 14'e kadar çýkabilir [0]. (4) 5 tonluk bir DSPK, tek kapasiteli bir kompresör fiyatýna göre yaklaþýk 35$'lýk ek maliyet getirir. Amortisman süresi ticari uygulamalarda -3 yýldýr. (5) Geliþtirilmiþ kýsmi yük eþleþtirmesi, mahallerin aþýrý soðutulmasýný (ya da ýsý pompalarý için aþýrý ýsýtýlmasýný) azaltma eðilimi göstermek suretiyle oturanlarýn konforunu artýrýr. (6) Çalýþtýrmalarýn ve durdurmalarýn sayýsýný azaltmak kompresördeki/motordaki yýpranmayý azaltarak çalýþma ömrünü artýrýr. Ayrýca kýsmi yükte çalýþma sýrasýnda daha az gürültü olur. Dýþ Isý Deðiþtirici Kapasitesinin Arttýrýlmasý ve Ýç/Dýþ Isý Deðiþtiricileri Devrelerinin Optimize Edilmesi Soðuk iklimlerde hava kaynaklý ýsý pompalarýný soðutma karakteristiklerinin geliþtirilmesi; dýþ ýsý deðiþtirici kapasitesinin artýrýlmasý, yeni tip blower veya fan kullanýmý, büyük çaplý blower veya fan kullanýmý, iç ve dýþ iyileþtirilmesi, çekilen hava miktarýnýn artýrýlmasý ve ünitenin gürültüsünün azaltýlmasý vb. iþlemleri kapsamaktadýr. Dýþ Isý Deðiþtirici Kapasitesinin Arttýrýlmasý Dýþ ýsý deðiþtirici kapasitesini arttýrmak; daha fazla yüzey alaný, daha fazla ön alan, ve daha yüksek fan kapasitesi kullanmak vb. gibi iþlemleri içermektedir. Bu, etkin olarak ýsý pompasýnýn dýþ tarafýný büyük boyutlandýrma ile ayný þeydir, fakat deðiþken kapasiteli kompresör kapasitesi ile birlikte yüksek performans katsayýsý meydana gelir [5]. Büyük Çaplý Blower ve Fan Kullanýmý Büyük çaplý blower ve fan kullanýlmasý, düþük kanat hýzý ve motor devrinde (d/d) küçük bir cihaz kadar hava debisi saðlayabilir. Herhangi bir uygulamada, büyük çaplý blower veya fan kullanýlabilir. Büyük çaplý fan, ayný miktarda hacimsel hava debisi saðlarken küçük çaplý fandan daha yavaþ döndüðü için, ayný basýnç yüküne karþýlýk olarak daha az enerji kullanýr. Bunun nedeni, blowerden çýkan hava hýzýnýn düþük olmasý nedeniyle enerji kaybýnýn daha az olmasýdýr. Büyük çaplý fan teknolojisi ile iliþkili þu noktalarýn vurgulanmasý önem kazanmaktadýr [1]: (1) Teknik olgunluða eriþmiþ bulunan büyük çaplý fan teknolojisi tüm fanlara uygulanabilir. () Büyük çaplý fanlar çok sayýda fan/blower imalatçýlarý tarafýndan geniþ ürün aralýðýnda üretilmektedir. (3) Mevcut cihaz ve binalara kolayca adapte edilebilir. Eðer blower boyutu çok artarsa, blower mahfazasýnýn boyutu da (üniter cihaz için) buna baðlý olarak büyür. (4) Büyük vantilasyon gereksinimine sahip uygulamalar ve yüksek görevli çevrimler (örneðin hastanaler) büyük çaplý fanlarýn kullanýldýðý yerlerdir. ýsý deðiþtiricileri devrelerinin optimize edilmesi, ýsý (5) Düþük kanat hýzlarý daha sessiz çalýþma saðlar, deðiþtiricilerin emme ve ikmal açýklýklarýnýn þekillerinin titreþim ve muhtemel olarak bakým da azalýr. 57

9 Yüksek Verimli Fan Kanatlarýnýn Kullanýlmasý Fan üreticileri, geniþ bir kapasite ve konfigürasyon aralýðýnda fanlarýn seri üretimini yaparlar. Fan kanatlarýný belli bir uygulama ve çalýþma þartlarý için optimum olacak þekilde imal etmek teknik olarak fizibil olabilir. Yüksek verimli fan kanatlarý ile iliþkili þu bilgilerin anýmsanmasýnda fayda olabilir [1]: veya termoekonomik analiz gibi çeþitli yaklaþýmlar önerilmiþtir. Örnek olarak, Dentice d'accadia ve Vanoli [3], geleneksel buhar sýkýþtýrmalý sistemde kullanýlan kondenserin optimum dizaynýyla ilgili araþtýrma yapmýþtýr. Özellikle, iç boru çapýný ve soðutucu akýþkan doyma sýcaklýðýný deðiþtirmek yoluyla belli bir kondenser kapasitesi için optimum ýsý deðiþtirici alaný (1) Yeni bir teknoloji olan yüksek verimli fan kanatlarý hesaplanmýþtýr. teknolojisi potansiyel olarak tüm fanlara uygulanabilir. () Mevcut cihaz ve binalara kolayca adapte edilebilir. (3) Soðutma uygulamalarýnda, her bir uygulama için geleneksel olarak dizayn edilmiþ yüksek verimli fan kanatlarý, fan þaft gücünü %10-0 azaltabilir [1]. (4) Geleneksel kondenser fanlarý yerine plastik enjeksiyon döküm kondenser fanlarý kullanýlmasý, toplam ýsýtma/soðutma mevsimi enerji tüketimini (yani blower, kondenser fanlarý, kompresörler) Buz Belirleme, Defrost ve Buz Azaltma Sistemlerinin Geliþtirilmesi Hava kaynaklý ýsý pompasý ýsýtma modunda çalýþtýðý zaman, soðutucu akýþkan dýþ ýsý deðiþtiricide buharlaþýr. Eðer, ýsý deðiþtiricinin sýcaklýðý 0 C'nin altýna düþerse, ýsý deðiþtiricide don oluþmaya baþlar. Isý deðiþtirici yüzeylerinde oluþan donun artmasý, ýsý deðiþtiricilerin performansýný çeþitli yönlerden etkiler [4]: yaklaþýk % azaltabilir []. (1) Isý deðiþtirici yüzeylerinde donun artmasý, kanatcýk (5) Yüksek verimli fan kanatlarý teknolojisi, oldukça ile hava arasýndaki ýsýl direnci arttýrýr ve ýstma küçük motor kullanma potansiyeline sahiptirler, az kapasitesini azaltýr. gürültü ve titreþim oluþtururlar. () Don artmasý, ýsý deðiþtiriciden geçen hava debisini (6) Yüksek verimli fanlar, fan güç tüketimini azalttýðý oldukça azaltýr ve ýsý deðiþtirici boyunca olan gibi, buna baðlý olarak ýsýya dönüþen fan havanýn basýnç düþümünü arttýrýr. Fan enerjisinin oluþturduðu soðutma yükünü de azaltýr. (7) Soðutma uygulamalarýnda, her bir uygulama için geleneksel olarak dizayn edilmiþ yüksek verimli fan karakteristiklerine baðlý olarak ve don artmasýndan epeyce saat sonra, havanýn aktýðý geçitler hemen hemen veya tamamen týkanabilir. kanatlarý, kabaca %100 fazla maliyete sahiptir. (3) Donun biriktiði ýsý deðiþtiricilerin tatminkar Geri ödeme periyodu tüm uygulamalar için bir yýldan daha azdýr [1]. Ýç ve Dýþ Isý Deðiþtiricileri Devrelerininin Optimize Edilmesi Isý pompasý ve soðutma sistemlerinde, evaporatörler ve kondenserleri de içeren ýsý deðiþtiricilerinin optimizasyonu son yýllarda yaygýn bir þekilde çalýþýlmaktadýr. Optimizasyon için, entropi üretimi minimizasyonu, life cycle analysis ve exergoeconomic performansýnýn devam edebilmesi için, don birikmesini kaldýrmak amacýyla periyodik veya çevrimsel defrost gereklidir. Dýþ ýsý deðiþtiricide donun oluþmasýný engelleyen ve durduran çeþitli yöntemler vardýr: (i) Sýcak gaz yöntemi; (ii) Elektrik ýsýtýcý yöntemi; (iii) Ters çevrim yöntemi; (iv) Sprey yöntemi. Bu yöntemler arasýnda, ters çevrim yöntemi standart ýsý pompasý defrost yöntemidir. Defrostun etkin olmasý için, defrost çevrimini baþlatmak ve durdurmak 58

10 için kullanýlan yöntem doðru seçilmelidir. Doðru bir zamanlama olmayýnca, defrost iþlemi yapýlýrken enerji israfý oluþur. Defrost yöntemlerinde, çeþitli popüler don belirleme ve kontrol yöntemleri mevcuttur [5]: (1) Sýcaklýk kontrolü: Sýcaklýk kontrol yöntemi, dýþ hava sýcaklýðý ile ýsý deðiþtiricideki soðutucu akýþkanýn sýcaklýðý arasýndaki farký kullanýr. () Hava basýncý kontrolü: Hava basýncý kontrolü yöntemi, dýþ ýsý deðiþtirici boyunca olan hava basýncý düþümünü dikkate alýr. (3) Zaman-sýcaklýk kontrolü: Zaman-sýcaklýk kontrolü yöntemi, önceden belirlenen zaman aralýklarýnda ýsý deðiþtiricinin sýcaklýðýný kontrol eder. (4) Zaman kontrolü: Bu yöntemde ise, önceden belirlenen bir süre geçtikten sonra otomatik olarak dýþ ýsý deðiþtirici defrost edilir. Çoðu ýsý pompalarý, don belirleme için daha az güvenilir olmasýna raðmen, basitliði nedeniyle zaman kontrol yöntemini kullanýrlar. Hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklimlerde yüksek verimle, kararlý ve güvenilir bir þekilde çalýþmasý için yapýlan tasarým ve modifikasyon önerileri arasýnda bulunan buz belirleme, defrost ve buz azaltma sistemlerinin geliþtirilmesi ile iliþkili olarak þu bulgular ortaya konabilir [5]: (1) Buz belirleme sisteminin geliþtirilmesi; hava sýcaklýðý, nemi ve ýsý deðiþtirici sýcaklýðýný tespit algoritmasýnýn geliþtirilmesini içermektedir. Böylece, etkisiz defrost iþlemi önlenmekte ve defrost süresinde azalma meydana gelmektedir. Birden fazla sayýda tekil ürünün birbirlerine karýþtýrýlmasý yoluyla oluþturulan soðutucu akýþkanlarýn baþlýca iki kategoride sýnýflandýrýlma olanaðý vardýr: zeotropik soðutucu akýþkan karýþýmlarý ve azeotropik soðutucu akýþkan karýþýmlarý [6]. Isý pompasý/soðutma sistemlerinde zeotropik soðutucu akýþkan karýþýmlarýnýn kullanýlmasý birçok yeni olanaklar ortaya çýkarmaktadýr. Bunlardan belli baþlýlarý þunlardýr: (i) (ii) Isý Pompasý Çevrimleri Ýçin Yeni Soðutucu Akýþkan Karýþýmlarýnýn Kullanýlmasý Deðiþik sýcaklýklarda ýsý/soðu üretimi: Isýtma/soðutma deðiþken sýcaklýklarda oluþur. Isý deðiþim prosesi çevrim tersinmezliklerinin azalmasý ve kapasite artýþý: Eðer ýsý kaynaðý/kuyusu sýcaklýðý ýsý deðiþtirici boyunca önemli ölçüde deðiþirse, ýsý pompasýnda ýsý transferi ile iliþkili tersinmezlikler büyük olur. Minimum tersinmezlik, sýcaklýk gradyenti ýsý kaynaðý/kuyusunda oluþan sýcaklýk gradyentiyle ayný sýcaklýk gradyentine sahip olan bir karýþým ile meydana gelecektir. Böylece uygun bir karýþým kullanýlarak tersinmezlikler azaltýlabilir (Þekil 4). Þekil 4.b'de görüldüðü gibi, uygun bir þekilde seçilmiþ bir soðutucu akýþkan karýþýmý kullanmak þartý ile kondenser ve evaporatörde meydana gelen ýsý transferindeki artýþ, iþ gücündeki azalmaya ilaveten ýsý pompasýnda kapasite artýþýný da gerçekleþtirebilir [9, 30]. (iii) Kapasite kontrolüne imkan vermesi: Isý pompalarýnda soðutucu akýþkan karýþýmlarýný kullanmanýn diðer bir () Defrost sisteminin geliþtirilmesi sonucunda, defrost avantajý kapasite ayarlanmasýna imkan süresinde azalma meydana gelmektedir. tanýmasýdýr. Genel olarak, iþ yapan akýþkandaki (3) Isý deðiþtiricilerin þeklini ve ýsý deðiþtiricilerin yüzey çabuk buharlaþabilen bileþenin (düþük kaynama iþlemlerini geliþtirme vb. yöntemleri kapsayan buz azaltma sisteminin geliþtirilmesi, defrost iþlemlerinin daha verimli olmasýný saðlamaktadýr. noktalý) konsantrasyonu arttýkça, verilen herhangi bir çevre sýcaklýk aralýðýndaki kapasite artar. Böyle bir kapasite deðiþiminin amacý, kapasite yükü aþtýðý 59

11 Þekil 4. (A) Evaporatör ve Kondenser Uzunluðu Boyunca Sýcaklýk Deðiþimi (b) Ters-Akýþlý Soðutucu Akýþkan Karýþýmý Isý Transferi Ýçin Sýcaklýk-Entropi Diyagramý [7, 8] zaman çevrim kayýplarýný azaltmak ve kapasite istenenin altýna düþtüðü durumlarda ilave enerjiye olan gereksinimleri (yani düþük çevre sýcaklýklarýnda ýsýtmayý) azaltmaktýr. Soðutucu akýþkan karýþýmlarýnýn bu özelliði, soðuk iklim bölgelerinde kullanýlan ýsý pompalarýnda yük uyuþumunu saðlamak, kýsmi-yük ve mevsimsel performansý geliþtirmek amacýyla kullanýlabilir [7, 8]. Zeotropik soðutucu akýþkan karýþýmlarýný kullanan ýsý pompalarýnýn karakteristikleri þöyle özetlenebilir [1]: pompalarý, sýcaklýk uyum özelliði ( glide matching ) göstermelerine raðmen, kötü ýsý transfer ve termodinamik özelliklere sahip olmalarý nedeniyle, R kullanan klimalara performans açýsýndan üstün özellik göstermezler. Bununla birlikte zeotropik karýþýmý sürekli olarak ayarlayan teknoloji, geniþ bir çalýþma aralýðý altýnda ýsý pompasý performansýný optimize edebileceði için ümit verici bir enerji tasarruf potansiyeline sahiptir. (5) Zeotropik soðutucu akýþkanlar daha pahalýdýr, fakat (1) Zeotropik soðutucu akýþkanlarý kullanan ýsý tüm ýsý pompasý ekipman fiyatlarý, normal soðutucu pompalarý, güncel bir teknolojiye sahiptir. R410A, akýþkan kullanan ýsý pompalarýyla benzerdir. R407C gibi zeotropik soðutucu akýþkanlarýn (6) Soðutucu akýþkan bileþim kontrol sistemleri, çok kullanýldýðý ýsý pompalarý yaygýn bir þekilde geniþ çalýþma koþullarýndaki uygulamalar ve kullanýlmaktadýr. yerlerde büyük enerji tasarruflarý gerçekleþtirecektir. () Zeotropik soðutucu akýþkanlar, tüm buhar sýkýþtýrmalý çevrimlerde kullanýlabilir. CO Isý Pompalarýnýn Kullanýlmasý (3) Mevcut cihaz ve binalara kolayca adapte CO, düþük sýcaklýklý ýsý pompalarý için ümit veren bir edilemezler. Örneðin HCFC- soðutucu soðutucu akýþkan alternatifidir. CO ýsý pompalarýnýn akýþkanýnýn yerine kullanýlacak zeotropik soðutucu karakteristikleri þöyle özetlenebilir [9-34]: akýþkanlar ile enerji tasarrufu etmek için tipik olarak kullanýlanlardan oldukça daha büyük kondenser ve (1) CO, ozon tabakasýnýn korunmasýna ve global evaporatörler gereklidir. ýsýnmanýn önlenmesine katkýda bulunmaktadýr. (4) Zeotropik soðutucu akýþkanlarý kullanan ýsý () CO, yanýcý ve zehirleyici deðildir. 60

12 (3) CO, normal yaðlayýcýlar ve yaygýn konstrüksiyon olduðunu belirlemiþlerdir. Diðer taraftan, karbondioksit ýsý malzemeleri ile uyumludur. pompasý, evaporatör sýcaklýk aralýklarýnda R410A ýsý (4) CO nin volümetrik soðutma kapasitesi yüksektir ve pompasýna göre COP'ta yaklaþýk %10 azalma basýnç oraný büyük oranda azalýr. oluþturmuþtur. CO kompresörleri ile donatýlmýþ bulunan (5) Büyük sýcaklýk farklarýnda ýsýtma için diðer doðal ve -0 C kadar düþük sýcaklýklarda bile iyi bir þekilde soðutucu akýþkanlardan daha uygun bir soðutucu akýþkandýr. çalýþan ýsý pompasý su ýsýtýcýlarý 001 yýlýnda Japonya pazarýna girdiðinden bu yana sürekli olarak artan bir satýþ (6) CO nin buhar sýcaklýk basýnç eðrisi geleneksel göstermiþtir. Japonya'da pazarda satýþý yapýlan CO ýsý soðutucu akýþkanlarýnkinden daha düzdür. Bu ise, pompalarý sadece su ýsýtma amacýyla kullanýlmakta ve düþük sýcaklýklarda benzer kapasiteli geleneksel ýsý hacim ýsýtma için kullanýlmamaktadýr. Hiroshi [9], bu pompalarýndan daha büyük kapasite saðlar. Isý teknolojinin, hacim ýsýtma amacýyla da soðuk iklim atýlmasý, geniþ sýcaklýk aralýðýnda oluþur, böylece bölgelerine adapte edilebileceðini göstermiþtir. termodinamiksel dezavantaj oluþmaksýzýn yüksek hava sýcaklýklarý elde edilebilir. Co ýsý pompasý sisteminin düþük çevre sýcaklýk koþullarýnda yüksek ýsýtma/soðutma kapasitesi verdiði belirlenmiþtir (Þekil 5) [3]. Buharlaþma sýcaklýðý Ýki kaynaklý ýsý pompalarý (ÝKIP, dual-source heat pump, DSHP), geleneksel hava kaynaklý ýsý pompasý ile azaldýðýnda, CO ýsý pompasýnýn ýsýtma kapasitesi diðer toprak kaynaklý ýsý pompasýný birlikte kullanan bir soðutucu akýþkanlarýnkinden çok daha az miktarda sistemdir. Ýki kaynaklý ýsý pompasý, aslýnda, normal azalmaktadýr. Richter [33] soðutucu akýþkan olarak boyutta bir toprak kaynaklý ýsý pompasýnýn 1/3 ile 1/ si karbondioksit kullandýklarý çalýþmada, düþük çevre kadar toprak çevriminin kullanýmýna müsaade eden sýcaklýðýndaki (-8.3 C) kapasitenin, R410A kullanýldýðýnda elde edilen kapasiteden yaklaþýk %35 daha yüksek Birleþik Isý Pompasý Sistemlerinin Kullanýlmasý modifiye edilmiþ bir hava kaynaklý ýsý pompasýdýr. Her iki çalýþma modu, hava kaynaklý ýsý pompasý ünitesinin Þekil 5. Çeþitli Buharlaþma Sýcaklýklarýnda R, R134a ve CO Ýçin Isýtma Kapasitesi ve COP'taki Baðýl Deðiþim [3] 61

13 konfigürasyonunda herhangi bir deðiþiklik olmadan mühendislerinin ve montajcýlarýn yeterli olmayýþý alternatif olarak çalýþmaktadýr. Kondenser ve evaporatör vb. nedenlerle günümüzde minimum pazar arasýndaki sýcaklýk farký yüksek ise birleþik ýsý pompasý olanaklarýna sahiptir. sistemlerinin kullanýmý önerilmektedir [1, 34-37]. Hava (7) Toprak kaynaklý ýsý pompalarýndan daha az alan kaynaklý ya da toprak kaynaklý ýsý pompasýnýn orta kaplamalarý ve potansiyel olarak su ýsýtmasý seviyede bulunan sýcaklýðý, çevrimin sýcaklýk artýþýný saðlayabilmeleri (yani sýcak su tankýna ýsý (temperature lift) azaltarak verimi iyileþtirir. Ýki ýsýl kuyu, verebilmeleri) ÝKIP teknolojisinin enerji dýþý faydalarý ÝKIP'nin performansýnýn tek kaynaklý ýsý pompasýnýn olarak ifade edilebilir. performansýný geçmesini saðlar; bunu belirli dýþ ortam (8) ÝKIP'nin maliyeti, toprak çevriminin ilave ve toprak (su) sýcaklýklarý için düþük sýcaklýk artýþý saðlamak maliyetinden dolayý geleneksel bir ýsý yoluyla gerçekleþtirir [1]. Ýki kaynaklý ýsý pompalarý ile iliþkili pompasýndan en az 300$/ton daha fazladýr. ÝKIP, olarak çeþitli çalýþmalar yapýlmýþtýr. Bunlara Lindholm vd. TKIP'den %50-%80 daha az toprak çevrim [36], Aurora Energy's Northern Operation Centre [37], uzunluðu kullanýr [38]. Wang vd. [35] tarafýndan yapýlan çalýþmalar örnek verilebilir. Ýki kaynaklý ýsý pompalarýnýn karakteristikleri þöyle özetlenebilir [1, 34]: Sonuç ve Öneriler Bu makale hava kaynaklý ýsý pompalarýnýn soðuk iklim bölgelerinde kullanýmý için önerilen tasarým ve modifikasyonlarý ayrýntýlý olarak sunmaktadýr. Bu tasarým (1) Ýki kaynaklý ýsý pompalarý, halihazýrda mevcut bir ve modifikasyonlar 11 ana baþlýk altýnda sunulmuþtur. teknolojik teknik olgunluða sahiptir. Bu çalýþmadan çýkarýlabilecek temel sonuç ýlýman iklim () Mevcut cihaz ve binalara kolayca adapte edilip bölgeleri için geliþtirilmiþ bulunan ýsý pompalarýnýn edilemeyeceði monte edileceði cihaz ve binanýn modifiye edilerek soðuk iklim bölgelerinde durumuna baðlýdýr. ÝKIP, bir toprak çevriminin kullanýlabileceðidir. Diðer temel sonuçlar ise þöyle montajýný gerektirdiðinden herhangi bir uygulama özetlenebilir: için fizibil olup olmayacaðý araþtýrýlmalýdýr. (i) Düþük dýþ ortam sýcaklýðýnda kompresörün güvenli (3) ÝKIP, ülkelerin ýlýman bölgelerindeki enerji tasarruf bir þekilde çalýþabilmesi için kullanýlan yaðýn potansiyelini kullanarak, geleneksel bir ýsý viskozitesi vb. özelliklerinin soðuk bölgelerde pompasýna göre yaklaþýk %30 verim artýþý kullaným için uygun olmasý gereklidir. saðlayabilir. (ii) Ýlk çalýþma esnasýnda kompresörü ýsýtmak için (4) Maksimum yük koþullarýnda mükemmel önemli miktarda ýsý kullanýldýðýndan kompresör ön performansa sahiptir. ýsýtma sisteminin kullanýlmasý ýsý pompasýnýn ýsýtma (5) Küçük toprak çevrimleri, soðuk kýþ bölgelerinde kapasitesini artýrmaktadýr. oluþan büyük ýsý yükünü karþýlamayabileceðinden, (iii) Kompresörün yüksek hýzlý ve yüksek güçlü çalýþmasý, ÝKIP teknolojisi için en uygun yerler büyük soðutma yüküne sahip olan iklimlerdir. Çok soðuk iklimler için toprak kaynaklý ýsý pompalarý daha iyi bir seçenek olabilir. (6) Ýki kaynaklý ýsý pompasý; maliyeti, deðerlendirme standartlarýnýn olmayýþý, eðitimli dizayn (iv) yaðýn soðutucu akýþkandan ayrýþma mekanizmasýnýn iyileþtirilmesi, sývý enjeksiyon yöntemi kullanýlarak kompresör deþarj sýcaklýðýnýn azaltýlmasý vb. yöntemlerin kullanýlmasý soðuk iklim bölgelerinde ýsý pompasýnýn performansýný artýrmaktadýr. Soðuk iklimlerde deðiþken/kademeli kapasiteli 6

14 (v) kompresör sistemlerinin kullanýlmasý yüklerin uyuþmazlýðýný engellemekte ve ýsý pompasýnýn ýsýtma kapasitesini artýrmaktadýr. Buz belirleme, defrost ve buz azaltma sistemlerinin geliþtirilmesi sonucunda etkisiz defrost iþlemi Volume III: Energy Savings Potential. For Building Technologies Program Project Manager: Dr. James Brodrick (DOE) Contract No.: DE-AC01-96CE3798 Saving Energy with Residential Heat Pumps in Cold Climates, CADDET (Center for the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies), önlenmekte ve defrost süresinde azalma meydana Maxi Brochure 08, ISBN , gelmektedir. 3. Cane, D. and Garnet, J Learning from (Vi) Soðutucu akýþkan karýþýmlarýnýn kapasite Experiences with Commercial/Institutional Heat Pump ayarlanmasýna olanak tanýmasý, soðuk iklim Systems in Cold Climates. CADDET Analyses Series No. 7, CADDET ENERGY Efficiency, ISBN bölgelerinde kullanýlan ýsý pompalarýnda yük 4. Nyle Special Products, U.S.A., Cold uyuþumunu saðlamak, kýsmi-yük ve mevsimsel Climate Heat Pump. performansý geliþtirmek amacýyla kullanýlabilir. 5. Minagawa, T. and Yamaguchi, Z., Operating (vii) CO 'nin buhar sýcaklýk basýnç eðrisinin geleneksel soðutucu akýþkanlarýnkinden daha düz olmasý, düþük sýcaklýklarda benzer kapasiteli geleneksel ýsý pompalarýndan daha büyük kapasite saðlamakta ve bu durum CO ýsý pompalarýný soðuk iklimlerde kullaným için cazip hale getirmektedir. Bu çalýþma, Atatürk Üniversitesi Araþtýrma Fonu tarafýndan desteklenen 004/50 nolu Soðuk Ýklim Þartlarýnda Isý Pompalarýnýn Kullanýmý isimli kapsamlý bir projenin ara çalýþmalarýndan birisini oluþturmaktadýr. Halen devam etmekte olan proje kapsamýnda Türkiye'de soðuk iklim bölgeleri için yukarýda incelenen tasarým modifikasyonlarý ve önerilerinden hangilerinin kullanýlabileceði belirlenecek ve deneysel araþtýrmalar yapýlacaktýr. Teþekkür Yazarlar, 004/50 nolu Soðuk Ýklim Þartlarýnda Isý Pompalarýnýn Kullanýmý isimli proje kapsamýnda hazýrlanan bu çalýþmaya olan destekleri nedeniyle, Atatürk Üniversitesi Araþtýrma Fonu'na teþekkür ederler. Experience with Heat-Pump-Type Room Air Conditioners for Cold Districts. Proceedings of the 1987 IEA Heat Pump Conference, Ed. By. Kay H. Zimmerman, Yamagami, K. M, Okada, Y., Maeno, M., Ito, A., Development of Burners For Room Air Conditioners (in Japanese). Tech RevMitsubishi Heavy Industries; 35:. Federal Technology Alert, Refrigerant Subcooling Technology for improving cooling system performance. 8. Couvillion, R. J., Larson, M. V., Somerville, M.H., Analysis of a Vapor-compression Refrigeration System With Mechanical Subcooling. ASHRAE Transactions, 94(), Miller, M., Mechanical Subcooling Yields Gains in Efficiency Capacity, Plus Lower Maintenance Costs. The Air-conditioning, Heating and Refrigeration News. 10. Unger, R.Z., Linear Compressors for Clean and Speciality Gases. Proceedings of the 1998 International Compressor Engineering Conference, Purdue University, West Lafayette, IN, Development of Packaged Air Conditioner For Cold Regions in Japanese. Refrigeration 1997;7(837):7. "Development of Burner for Room Air Conditioner", 96-99,, (copy of partial English translation). 1. Cho, H., Chung, J.T., Kim, Y Influence of Liquid Refrigerant Injection on the Performance of an Inverter- driven scroll compressor. International Journal of 1. Roth, K. W., Westphalen, D., Dieckmann, J., Hamilton, S.D., Goetzler, W. 00. Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Refrigeration 10() Horiuchi N. Refrigeration 6 (003) Kaynakça 13. Hirano T, Hagimoto K, Matsuda S Study on Scrollcompressor Behavior in the Case of Liquid Refrigeration Injection. Transaction of Japanese Association of 63

15 14. Dutta AK, Yanagisawa T, Fukuta M., 001. An Investigation of the Performance of a Scroll Compressor Under Liquid Refrigerant Injection. Int J 15. Yanagisawa T, Dutta KA, Flemin JS, Fukuta M., A 16. United Kingdom National Team Variable speed 17. Loprete, J. F., Young, M. R., Tolbert, J. W. JR., Monk, D. T., 18. Wagner, P. C., Hill, J. T., Pippin, L., Peters, R. B., 000. Two 6. Karagoz, S., Yilmaz, M., Comakli, O., Ozyurt, O., Merriam, R.L., and Little, A.D., Evaluation of 8. Erdoðan, S., Hiroshi, M., Development of CO Heat Pump for Cold Regions, CCHP Brochure, Nyle Special Hokkaido Electric Power Co. Inc., Products, U.S.A., Cold Climate Heat Pump. 31. Kim, M.H., Pettersen, J., Bullar, C. W Custance, D., 0. Federal Register Document, 1.. Refrigeration;4: Study of a Refrigeration Cycle Driven by a Liquid Refrigerant Injected Compressor. Proc of the ASCE, Advanced Energy Systems Division: Offers a New Option in Compressed air. CADDET Energy Efficiency. Newsletter No. 3. Stage Reciprocating Compressors and Associated HVAC Systems and Methods. United States Patent Application, 3. Dentice d'accadiaa, M., Vanoli, L. 4. Chen, H., Thomas, L., Besant, R.W., 003. Fan Supplied R134a and Various Mixtures of R/R134a as an Alternative to R in Vapour Compression Heat Pumps. Energy Conversion and Management, 45(), Vapor Compression Cycles Using Nonazeotropic Refrigerant Mixtures. Oak Ridge Nat. Lab. No 0190, Cambridge, Pettersen J. 33. Richter, M.R., Soðutucu Akýþkan Karýþýmlarý Kullanan Isý Pompalarýnda Performans Katsayýsýný Etkileyen Parametrelerin Deneysel Olarak Tespit Edilmesi. Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum Development and Performance Evaluation of CO Heat Pump Water Heater for Cold Climates. IEA Heat Pump Centre Newsletter, 1(4) Bristol Compressors VP of Marketing, Fundamental Process and System Design Issues in CO Personal Communication, February. /Day-4/i30480.htm ADL, Energy Savings Potential for Commercial Refrigeration Equipment. Final Report for the U.S. Department of Energy, Office of Building Technology, State and Community Programs, June. ADL, 000. Energy Efficient Rooftop Air Conditioner: Continuation Application Technical Progress Statement. Presentation on 7 November, Project #: DE-FC6-99FT Vapor Compression Systems. Progress in Energy and EPA: Combustion Science Thermoeconomic Optimisation of the Condenser in a Vapour Compression Heat Pump. International Journal of Refrigeration (7) Heat Exchanger Fin Performance Under Frosting Conditions. International Journal of Refrigeration (6) Experimental Results of Carbon Dioxide in Compression Systems. ASHRAE/NIST Conference Refrigerants for the 1st Century, Gaithersburg, MD; et al Transcritical CO Heat Pump for Residential Applications-Proceedings of the 4th IIR- GustavLorentzen conference on Natural working Fluids, Purdue University. 34. Dursun B., 006. Soðuk Ýklim Þartlarýnda Isý Pompalarýnýn Kullanýmý. Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum. 35. Wang, W., Ma, Z., Jiang, Y., Yang, Y., Xu, S., Yang, Z., 005. Field Test Investigation of a Double-stage Coupled Heat Pumps Heating System for Cold Regions. International Journal of Refrigeration, 8: Lindholm, T., Hoflund, R., Zhou, Y. Desýgn and Optýmum Control of a Swedýsh Dualsource (aýr and ground) Heat Pump System. 8th IEA Heat Pump Conference Order no. (conference proceedings): HPP-CONF8. 5. Byun, J.S., Jeon, C.D., Jung, J.H., Lee, J The 37. A Combined Ground/Air Source Heat Pump Application Application of Photo-coupler For Frost Detecting in an Air- in a Cool, Temperate Climate. CADDET Report No. 45. source Heat Pump. International Journal of Refrigeration, Article in Press. 38. Cler, G.L., Dual-Source Heat Pump: A Sleeping Giant? E-Source Tech Update, TU-97-4,