Mesleki Yayınlar Isı Pompaları

Transkript

1 Mesleki Yayınlar Isı Pompaları Vitocal - Doğanın Enerjisi ile Güvenilir Isıtma

2 Isı pompaları çevreden aldıkları yenilenebilir enerjiyi kullanılırlar. Yıl boyunca toprak altında, yer altı sularında ve havada depolanan güneş enerjisi, elektrik enerjisi yardımı ile ısıtma enerjisine dönüştürülür. Vitocal ısı pompaları tüm yıl ısıtma sağlayacak verime sahiptir. 2

3 İçindekiler 1 Giriş Sayfa Pazar Talepleri 1.2 Isı pompaları çevre dostudur 1.3 Isı pompası uygulamaları 2 Temel Prensipler Sayfa Temel Prensip 2.2 Tasarım Kompresörlü ısı pompaları Sorbsiyonlu ısı pompaları Vuilleumier ısı pompaları 2.3 Performans faktörleri 3 Isı Pompası Tekniği Sayfa Elektrikli Isı Pompalarının Komponentleri Kompresör Eşanjörler Ara Eşanjörler Kontrol Panelleri 3.2 Enerji Kaynakları Enerji Kaynakları Toprak Enerji Kaynakları Su Enerji Kaynakları Hava 3.3 Isı Pompası ile Soğutma İki Yönlü İşletim (Isıtma ve Soğutma) Doğal Soğutma Natural cooling Mekanların Soğutulması Suyla veya Havayla? 3.4 Isı Pompası İşletim Türleri Monovalent (Tekli) İşletme Monoenerjik İşletme Bivalent (ikili) İşletme Isıtma Suyu Depo Boyleri 3.5 Kullanma Suyu Isıtması 4 Isı Pompası Uygulamaları Sayfa Modernizasyonda ısı pompaları EVI Çevrimi Vitocal 350 Genişletilmiş Uygulamalar 4.2 Düşük Enerji ve Pasif Evlerde Isı Pompaları Düşük Enerji Evleri Vitocal Pasif Evler Vitotres Büyük Binalarda Isı Pompaları Çift Kompresörlü Isı Pompaları Büyük Kapasiteler için Vitocal Isı Pompaları ve Enerji Tasarrufu (EnEV) [Almanya] Sistem Giderlerine Enerji Kaynağının Etkisi Kullanma Suyunun Bireysel Isıtılması 4.5 Isı Pompası Verimi 4.6 Montaj ve İşletim Boyutlandırma Kullanma Suyu Isıtması için Arttırım 4.7 Teşvikler 5 Özet Sayfa 43 3

4 1 Giriş 1 Giriş 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. Bu Mesleki Yayın, ısı pompası teknolojisine ait temel prensipleri tanımlamakta, çeşitli teknik versiyonları tanıtmakta ve önemli uygulamaları açıklamaktadır. 1.1 Pazarın gelişimi isi pompalari (x 1000 adet) Toprak Su Hava Yillar Bugün İsviçre de her üç yeni binadan biri elektrik tahrikli ısı pompasına sahiptir. İsveç te bu rakam her 10 yeni binanın 7 si şeklindedir. Almanya pazarının büyüme oranı Şekil 1 de gösterildiği gibidir. Şekil 1: Almanya daki yeni ısı pompaları adetleri (Kaynak: Initiativkreis WärmePumpe (IWP) e.v.) Yeni sistemlerin büyük kısmı antifriz/su ısı pompaları olarak karşımıza çıkmaktadır (Şekil 2). 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 (Şekil 3). Şekil 2: Vitocal 300 Antifriz/su ve su/su ısı pompası

5 Giriş 1.2 Isı Pompaları çevre dostudur Motorin 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. CO 2 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. Pasif Ev Düşük Enerji Evi Apartman Eski Yapı Ticari Bina Proses Isısı Lokal Isıtma Ağı 1) Daha yüksek gidiş suyu sıcaklıkları Table 1: Seçim Kriterleri Isıtma Soğutma İlave Havalandırma 1) 1.3 Isı pompasının kullanım 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. (Tablo 1) Şekil. 3: Vitocal 300 Hava/Su Isı Pompası 5

6 2 Temel Prensipler 2.1 Temel Prensip Genel olarak ısı pompaları, ortamın sıcaklığını arttırmak için ilave bir enerji kullanan ekipmanlar olarak tanımlanabilir. (Şekil 4). Isı pompalarının çalışma prensibi, ısı taşıyan akışkanı sıkıştırıp genleştirmek suretiyle açığa çıkan enerjisini ortamın sıcaklığını arttırmak için kullanılmasına dayanır. (Şekil. 5). Tahrik Enerjisi (elektrik) Çevre Enerjisi (toprak,su,hava) Isıtma Enerjisi 2.2 Tasarım Şekil. 4: Isı Pompası Prensibi Isı pompaları tasarımlarına veya işletim prensiplerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir : Kompresörlü ısı pompaları Sorpsiyonlu ısı pompaları (absorbsiyonlu ve adsorbsiyonlu ısı pompası) Vuilleumier ısı pompaları Çevre Enerjisi Scroll Kompresör Isıtma Enerjisi 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. Buharlaştırıcı Kondenser Genleşme Valfi Şekil. 5: Isı Pompası çevrimi 6

7 Temel Prensipler Kompresörlü Isı Pompaları 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 Yoğuşturucu (3) Isı Transferi (Isıtma Devresi) Sekonder Devre 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 o C'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. Genleşme Valfi (4) Buharlaştırıcı (1) Isı Kaynağı (Çevre Isısı) Şekil.6: Isı Pompasının çalışma prensibi (animasyon : Primer Devre Kompresör(2) 7

8 Temel Prensipler 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. Yoğuşturucu Isı Transferi (Isıtma Sistemine) Kompresör Bu 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 buharlaştırıcıdaki akışkan son sıvı molekülüne kadar buharlaşır ve kompresörde sıkıştırma işlemi daha düşük elektrik enerjisi harcanır. Ara eşanjör sayesinde ısı pompasının performansında %5'e kadar artış gözlenir. (Şekil.7) Genleşme Valfi Buharlaştırıcı Ara Eşanjör Isı Kaynağı (Çevre Isısı) Aşırı Isıtma Şekil. 7: Eşanjörlü Isı Pompası (animasyonlu gösterime adresinden ulaşabilirsiniz) Şekil. 8: Vitocal 300 Antifriz/su Isı Pompası 8

9 Temel Prensipler Çekilen Elektrik Gücü: 1 kw 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. (Şekil. 9). Çevreden Çekilen Enerji: 3 kw Kapasite: 4 kw Bu şartlar altında ısı pompası sistemleri, güneş enerjisi sistemlerini saymazsak sıfır CO 2 emisyonu üreten tek ısıtma sistemi olmaktadır. Isı Kapasitesi 4 kw Tesir Katsayısı= = = 4 Çekilen Elektrik Gücü 1 kw Performans faktörü = üretici tarafından belirlenen EN 255'e göre laboratuar değeri Yıllık çalışma sayısı=bir yılda kazanılan ısının bir yılda harcanan enerjiye oranı Şekil.9:Tesir katsayısı hesabı 9

10 Temel Prensipler 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. (Şekil. 10). 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(bkz ). Basınç p [bar] Sıvı 20 C 30 C 40 C 4 50 C 60 C Buhar 30 C 20 C 10 C 0 C 10 C 70 C Kızgın Buhar Enthalpi h [kj/kg] 40 C Genleşme 1 Yoğuşma 3 Buharlaşma Şekil. 10: Hava/Su Isı Pompasına ait basınç-entalpi diyagramı (Dış Hava -15 C ve çıkış sıcaklığı 45 C şartlarında) 2 Sıkıştırma 80 C 100 C 120 C 140 C Kapasite [kw] 15 T HV = 35 C T HV = 45 C T HV = 55 C T HV = 35 C Kapasite 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). Şekil. 11 de gösterilen örnekte; Isı Pompasının B 0/W 35 (B 0 = antifriz giriş sıcaklığı 0 C, W 35 = Isıtma suyu çıkış sıcaklığı 35 C) noktasında soğutma kapasitesi Q K = 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. Isıtma Kapasitesi 8.4 Soğutma Kapasitesi Elektrik Gücü T HV = 45 C T HV = 55 C T HV = 35 C T HV = 45 C T HV = 55 C Antifriz Sıcaklığı [ C] Şekil. 11: Kapasite Diyagramı, Vitocal 300,Tip BW110 10

11 Temel Prensipler 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. Isı Transferi (ısıtma sistemine) Yoğuşturucu Genleşme Valfi 6 5 Buharlaştırıcı 1 Ayırıcı Genleşme Valfi 7 4 Çekilen Isı Termal Kompresör 3 Solvent pompası Sorbsiyonlu Isı Pompaları Absorber 2 Sorbsiyonlu ısı pompaları fizikselkimyasal 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). Çekilen Isı (Çevre) Şekil. 12: Absorbsiyonlu Isı Pompası Diyagramı 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. Şekil. 12 (1) Soğutucu buharı absorbere gelir (2), Burada su gibi bir solvent tarafından absorbe edilir ve açığa çıkan ısı bir eşanjörle ısıtma sistemine verilir. Isı Transferi (ısıtma sistemine) 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). 11

12 Temel Prensipler Solvent pompası için ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi çok düşüktür. Termal kompresör için gerekli enerji yakıtın yanması ile elde edilir. Alternatif enerji kaynakları da kullanılabilir. Faz 1 (desorpsiyon) Isı Kaynağı 2 Brulör Faz 2 (adsorpsiyon) Isı Transferi 2 Brulör Absorbsiyonlu ısı pompalarının avantajları, primer enerjinin iyi kullanılması ve solvent pompasından başka hareketli parçanın bulunmamasıdır. 1 Zeolitli Eşanjör Isı Transferi (ısıtma sistemine) 1 Zeolitli Eşanjör 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. Buhar 3 Eşanjör (Yoğuşturucu) Buhar 3 Eşanjör (Buharlaştırıcı) 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. Isı Transferi (ısıtma sistemine) Şekil. 13: Adsorbsiyonlu Isı Pompası Fonksiyonu 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. Isı Kaynağı (çevre) 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. 12

13 Temel Prensipler Vuilleumier Isı Pompaları Vuilleumier ısı pompaları da (Şekil. 14) 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. 20 o C deki dış hava koşullarında bile 75 o C lik bir sıcaklık seviyesine ulaşılabilir. Bu da Vuilleumier ısı pompalarının mevcut binalarda kullanımını kolaylaştırmaktadır. Isı Kaynağı (Brulör) Sıcak Gaz hacmi 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. Ilık Soğuk V h, T h V w, T w V k, T k Isı Kaynağı (Çevre) Piston Ilık Gaz Hacmi Isıtma Sistemine Isı Transferi Piston 2 Soğuk Gaz Hacmi 1 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. 2.3 Performans Faktörleri Bir ısı pompasının veya ısı pompası sisteminin faktörleri DIN EN 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. (bkz. Şekil9). 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. 13

14 3 Isı Pompası Teknolojisi 3.1 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. (Şekil. 15) 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. (Şekil. 16). Soğutucu akışkan scroll kompresör tarafından sıkıştırılır. Eksantrik eksenli vidalar dıştan içe doğru döner. Birbiri içine geçmek suretiyle elde edilen hareketin titreşimi çok düşüktür. Şekil 15: Scroll kompresör 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. Şekil. 16: Dual scroll spiraller 14

15 Isı Pompası Teknolojisi 3.1. Eşanjörler 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. (bkz ) 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. (Şekil. 18). 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. (Şekil. 17). Bu örnekte % 64 oranında 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. Basýinc [bar] Sıvı 20 C 30 C 40 C 40 C Genlesme 5 50 C 60 C 10 C 0 C 10 C 30 C 20 C 70 C 1 Buharlaşma 2 Buhar Yoğuşma 4 Sıkıştırma 3 Kızgın Buhar Entalpi h [kj/kg] Tek kademeli ısı pompası tip AW: A 15 o C / W 45 o C 1 2 Buharlaşma 2 3 Aşırı Isıtma 3 4 Sıkıştırma 4 5 Yoğuşma 5 1 Genleşme Şekil. 17: scroll kompresör için lg p-h diyagram Çevreden alınan buharlaşma ısısı (72%) 80 C 100 C 120 C Kompresör tahriği için Elektrik enerjisi (28%) Magnet ventil Filtre kurutucu Ara eşanjör 140 C Gözetleme Camı Şekil. 18: Vitocal 300 ısı pompalarında ara eşanjör 15

16 Isı Pompası Teknolojisi Kontrol Panelleri Isı pompalarının kontrol panelleri dış hava kompanzasyonu, uzaktan kumanda, düşümlü işletme, tatil programı ve zamanlayıcı gibi özelliklerin yanı sıra ısı pompasına ait işletim ve hata mesajlarını da vermektedir. Grafik özellikli, yardımcı menüler, menü kılavuzlu arayüze sahip, BUS bağlantısı ve kullanım kolaylığı sağlayan kontrol panelleri ısı pompalarına entegre edilmektedir. Son model kontrol panelleri ayrıca güneş enerjisi panellerini ve doğal soğutma fonksiyonlarını da kontrol edebilmektedir. (Şekil. 19). 3.2 Enerji Kaynakları Toprak, yer altı ve yer üstü suları, çevre havası veya atık ısı enerji kaynağı olarak kullanılabilir. (Şekil. 20). Hangi enerji kaynağının kullanılacağı ısıtılacak mahalin yerleşimine, kaynağın elverişliliğine ve sürekliliğine bağlıdır. Şekil. 19: CD 70 dış hava kompanzasyolu, dijital ısı pompası kontrol paneli Enerji Kaynağı - Hava: Kolaylıkla bulunabilir, ilk yatırım maliyeti düşüktür. Bivalent ve yedekli işletimler için uygundur. Düşük dış hava sıcaklıklarında elektrikli ısıtıcı takviyesi gereklidir. 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 - 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. y Verim Atık Isı Yeraltı Suyu Toprak Bulunabilirlik Hava Şekil. 20: Isı Pompaları için Enerji Kaynakları Enerji Kaynağı Atık Isı: Kolaylıkla bulunabilir olmasına rağmen miktar ve sıcaklık seviyelerinin elverişsiz olması sebebi ile tercih edilmemektedir. 16

17 Isı Pompası Teknolojisi Enerji Kaynağı - Toprak 2 m lik bir derinlikte toprak tüm yıl boyunca 7 ile 13 C arasında sabit bir sıcaklık aralığına sahiptir. (Şekil. 21). Yatay toprak kollektörleri (Fig. 22), 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 ile 0.1 W/m 2 arasındadır. Bu değer ihmal edilebilir. Toprak, yüzeyindeki yağmur, güneş ışığı gibi kaynaklardan ısısını alır. Derinlik [mm] Toprak Yüzeyi Sıcaklık [ C] Şubat 1 Ağustos 1 Mayıs 1 Kasım C 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. 18 Şekil. 21: Yıllık Toprakaltı Sıcaklık Değişimleri Oturma Odası Banyo / WC Bodrum Vitocal 300 Boyler Şekil. 22: Vitocal 300 ve toprak kollektörleri ile topraktan ısı çekilmesi 17

18 Isı Pompası Teknolojisi Besleme Hattı Düşük Sıcaklıklı Isıtma Sistemi Antifriz Kollektörü (gidiş) Toprak Kollektörü Şekil. 23: Toprak Kollektörleri ile Isı Çekilmesi Antifriz Kollektörü (dönüş) Isı Pompası Vitocal 300 / 350 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. Tecrübelere dayanılarak verilen ısı çekme kapasitesi (soğutma kapasitesi) her m 2 toprak alanı için 10 ile 35 Watt arasındadır. Kumlu kuru toprak q E = W/m 2 Kumlu yaş toprak q E = W/m 2 Killi kuru toprak q E = W/m 2 Killi ıslak toprak q E = W/m 2 Yer altı suyu olan toprak q E = W/m 2 Şekil. 24: Toprak Kollektörü Şekil. 25: Antifriz Kollektörü 18

19 Isı Pompası Teknolojisi Serme yöntemi için büyük miktarlarda toprak kazılması gerekmektedir. (Şekil. 24). Ancak modern ekipmanlarla sondaj kuyuları açmak birkaç saat sürmektedir. (Şekil. 27). Düşük Sıcaklıklı Isıtma Sistemi Sondaj yönteminde kuyu derinliklerinin belirlenmesi çok önemlidir (Şekil. 26), 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). 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 ile 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). Antifriz Kollektörü (gidiş) Antifriz Kollektörü (dönüş) Besleme Hattı Min. 5 m Şekil. 26: Sondaj Boruları ile Isı Çekme Tabaka Sondaj (Çift U Boru) Genel Değerler Fakir Tabaka (kuru zemin) [λ < 1.5 W/(m K)] Standart sulu kaya tabakası Çamur [λ < W/(m K)] Yüksek ısı geçiren kaya tabakası [λ > 3.0 W/(m K)] Seyrek zemin Çakıl, kum, kuru Su yollu Çakıl, kum Killi, nemli Kireçtaşı (katı) Kumtaşı Asidik magmatik (granit) Bazik magmatik (bazalt) Metamorfik kaya Isı Pompası Vitocal 300 / 350 Spesifik Çekilen Isı 20 W/m 50 W/m 70 W/m < 20 W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m W/m Tablo 2: Sondajlar için spesifik Isı Akımları (Çift U Borulu Sondajlar için) [VDI 4640 sayfa 2] Yer altı kaynaklarının olduğu yerlerde daha fazla enerji çekmek mümkündür. (Tablo 2). Antifriz kollektörden iki boru ile aşağıya doğru akar ve diğer iki borudan tekrar yukarıya kollektöre geri döner. (Şekil. 25). Antifriz su karışımı, donma noktası düşük olduğu için boruların donmasını önler. Şekil. 27: Sondaj Montajı 19

20 Isı Pompası Teknolojisi Enerji Kaynağı - Su Su 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. (Şekil. 28). 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. (Şekil. 29). B Şekil. 28: Ara Devre Şeması A C Enerji Kaynağı D A B C D E Isı Transferi (Isıtma Sistemine) Emiş Kuyusu - emme pompası ile Dönüş Kuyusu Ara Devre Eşanjörü Ara Devre Isıstma devresi Pompası Su/Su Isı Pompası Vitocal 300 veya Vitocal 350 E 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. Dönüş Kuyusu Emiş Kuyusu Min. 5 m Ara Devre Eşanjörü Düşük Sıcaklıklı Isıtma Sistemi Isı Pompası Vitocal 300 / 350 Yeraltı Suyu akış yönü Şekil. 29: Yer altı sularından enerji çekilmesi 20

21 Isı Pompası Teknolojisi Enerji Kaynağı - Hava Dış Hava Dış hava en ucuz enerji kaynağıdır. Hava bir kanal yardımıyla evaporatöre gelir, ısısı alındıktan sonra dışarı atılır. (Fig. 30). 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 Emiş Kanalı Düşük Sıcaklıklı Isıtma Sistemi Hava/su ısı pompası büyük hacimlerde hava sirküle etmektedir. ( m 3 /h). Ayrıca açık alanlardaki ses seviyesine dikkat edilmelidir. Egzoz Kanalı Egzoz Havası Isı Pompası Vitocal 300 / 350 Atık ısı gelecekte ısı pompası sistemlerinde en çok tercih edilen enerji kaynağı olacaktır. (enerji tasarruflu evler) Şekil. 30: Çevre havasından Enerji Çekilmesi (Dış Hava) 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 (Şekil 31) 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. Şekil. 31: Hava/Su Isı Pompası (11 18,5 kw) 21

22 Isı Pompası Teknolojisi 3.3 Isı Pompası ile Soğutma Bazı ısı pompaları ısıtmanın yanı sıra soğutma da yapabilirler. Isı pompasıyla soğutma yapmak için iki yöntem kullanılmaktadır: Yoğuşturucu Isı Transferi (Isıtma Sistemine) 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. Genleşme Valfi Buharlaştırıcı Kompresör Isı Kaynağı (Çevre) İki Yönlü İşletim (Isıtma ve Soğutma) Almanya 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 kullanılmamaktadır. 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. Şekil. 32: iki Yönlü bir ısı pompasının ısıtma modundaki fonksiyon diyagramı 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 (Şekil. 32). 22

23 Isı Pompası Teknolojisi 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. (Şekil. 33). Genleşme Valfi Buharlaştırıcı Isı Kaynağı (Isıtma sisteminden veya yaşam alanından) Bu çalışma prensibine sahip kompakt sistem çözümleri düşük enerji evlerinde tercih edilmektedir. Vitotres 343 enerji tasarrufu yapan evlerde kullanılmaktadır. (Şekil. 34) Örneğin bir hava/su ısı pompasının mekanik bir evsel havalandırma sistemi ile birleştirilmesi gibi... Isıtma Modunda (ortalama çekilen güç: 1.5 kw) ısı pompası ısı geri kazanım ünitelerinin kullanamayacağı evin atık ısısını buharlaştırıcıda kullanır. Isı pompası bu enerjiyi ısıtma sisteminde veya kullanma suyu ısıtmasında kullanır. Sıcak yaz günlerinde ısı geri kazanımı için kullanılan Vitotres 343 ün içindeki evsel havalandırma sistemi eşanjörü bypass edilir. Gece iç ortamdan daha serin olan dış hava direkt olarak mahale verilir. Kullanıcılar içeride daha serin bir hava talep ederlerse, egzoz hava/su ısı pompası otomatik olarak ters işletime geçer. Buharlaştırıcı taze havanının ısısını alır, serin hava mahali soğutmak için verilir. Bu modda maks. 1 kw lık bir soğutma kapasitesi elde edilebilir. Yoğuşturucu Isı Transferi (Çevreye) Şekil. 33: iki Yönlü bir ısı pompasının ısıtma modundaki fonksiyon diyagramı 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. Kompresör Şekil. 34: Vitotres 343 boyler ve mekanik havalandırma sistemi entegre edilmiş enerji tasarruflu evler için kompakt tasarım 23

24 Isı Pompası Teknolojisi 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. Natural 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. A D C B E H F G K A B C D E F G H Ör: Sondaj Primer pompa Üç yollu ayırıcı valf ısıtma/soğutma (primer devre) Eşanjör - Soğutma Sirkülasyon Pompası - Soğutma Yerden Isıtma sistemi Üç yollu ayırıcı valf ısıtma/soğutma (sekonder devre) Sekonder Pompa Şekil. 35: Yerden Isıtma Sistemi ile doğal soğutma için sistem şeması (Animasyonlu gösterim için K Isı Pompası Vitocal 300 veya Vitocal 350 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. 24

25 Isı Pompası Teknolojisi 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. Şekil. 36: Tavandan Soğutma (Şekil.: EMCO) 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 (Şekil. 36) 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 (Şekil. 37) 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. Şekil. 37: Fan konvektörleri (Şekil.: EMCO) 25

26 Isı Pompası Teknolojisi 3.4 Isı Pompası İşletim Türleri Isı pompaları işletim türlerine göre üçe ayrılır: monovalent, monoenerji ve bivalent işletme Monovalent (Tekli) İşletme Monovalent işletmede, ısı pompası binanın ısıtma yükünü tek başına karşılayan ısı üreticisi olarak kullanılır. Bu işletmede yüksek performans katsayılarına erişilir. Burada, bağlanmış ısı dağıtım sisteminin ısı pompasının gidiş suyu sıcaklığının altında bir değere projelendirilmiş olması şarttır. (Şekil. 38). Monovalent sistemler için tipik uygulamalar müstakil evler, apartmanlar ve ofis binalarında iki şekildedir (ör: yerden ısıtma sistemi ve radyatör). Minimum ısı pompası debisi sirkülasyon pompası (4) tarafından korunmalıdır. Isıtma devresi pompaları (7) ve (8) kullanımı mümkündür. Isıtma suyu depo boylerinin (3) üst boyler sıcaklık sensöründe (2) ölçülen sıcaklık değeri kontrol panelinde ayarlanmış olan istenen sıcaklık değerinden daha düşük ise, ısı pompası (1), primer pompa ve sirkülasyon pompası (4) çalışır. Isı pompası (1) ısıtma devresini ısı ile beslemektedir. Isı pompasına (1) entegre edilmiş olan dış hava kompanzasyonlu kontrol paneli sayesinde ısıtma suyu gidiş sıcaklığı ve böylece ısıtma devresi kontrol edilir. Sirkülasyon pompası (4) ısıtma suyunu 3 yollu ventil (5) üzerinden boylere (6) veya ısıtma suyu deposuna basar (3). 6 1 Şekil. 38: Monovalent İşletim için Sistem Şeması Isıtma devreleri için gerekli su miktarı ısıtma devresi pompaları (7) ve (8) tarafından basılır. Isıtma devresinin debisi radyatörlerdeki veya yerden ısıtma devresindeki termostatik vanaları açıp kapatarak ve/veya ısıtma devresi kontrol paneli ile değiştirilebilir. Isıtma devresi pompaları (7) ve (8) projelendirilirken, debi, ısı pompasının debisinden (sirkülasyon pompası (4)) farklı olabilir. Bu debiler arasındaki farkı dengeleyebilmek için ısıtma devresine paralel olarak bir ısıtma suyu deposu (3) öngörülmüştür. Isıtma devresinin çekmediği ısı ısıtma suyu deposunda (3) depolanır. Böylece ısı pompasının (1) uzun çalışma sürelerinde daha dengeli çalışması sağlanabilir. Isıtma suyu depo boylerinin alt boyler sıcaklık sensöründeki (9) sıcaklık değeri kontrol panelinde ayarlanmış sıcaklığa ulaştığında, ısı pompası kapanır. 5 4 M 2 9 Bu durumda ısıtma devresi ısıtma suyu deposu (3) tarafından beslenir. Isıtma suyu deposunun (3) üst boyler sıcaklık sensöründeki sıcaklık istenen sıcaklığın altına düştüğünde ısı pompası (1) tekrar çalışmaya başlar. Isı pompası (1) ile kullanma suyu ısıtması, ısıtma devresine göre önceliklidir ve bir uzaktan kumanda üzerinden gece saatlerindeki düşük tarife zamanlarında çalışır. Talep 3 yollu ventile (5) boyler sıcaklık sensöründen gelir. Kontrol paneli, gidiş suyu sıcaklığını kullanma suyu ısıtması için gerekli değere yükseltir. Ek kullanma suyu ısıtması elektrikli ısıtıcı seti tarafından gerçekleştirilir. Boyler sıcaklık sensöründeki mevcut değer kontrol panelinde ayarlanmış olan istenen değeri geçtiğinde, kontrol paneli ısıtma suyunu 3 yollu ventil (5) üzerinden ısıtma devresine gönderir. 3 26

27 3.4.2 Monoenerji İşletim Türü İki ısı üreticisinin aynı enerji tipi (elektrik akımı) ile çalıştırıldığı bivalent (ikili) işletme türüdür. Burada tesisat gidişine bir ısıtma suyu eşanjörü veya boylerde ve/veya ısıtma suyu depo boylerinde bir elektrikli ısıtıcı seti kullanılabilir. Enerji verimliliği ve yatırım maliyeti için iyi bir kombinasyondur. Monoenerji işletim türü, yerden ısıtma sisteminin kullanıldığı, çoğunlukla müstakil yada iki ailenin yaşadığı benzer kullanım karakteristiklerinin olduğu evlerde tercih edilmektedir. (Şekil. 39). Isı pompasının minimum debisi sekonder pompa ve by pass ventili ile sağlanmaktadır Isı pompasının (1) dönüş suyu sıcaklık sensöründe ölçülen mevcut sıcaklık değeri kontrol panelinde ayarlanmış sıcaklık değerinden daha düşük ise, ısı pompası (1) ve sirkülasyon pompası (2) çalışmaya başlar. Isı pompası (1) ısıtma devresini ısı ile beslemektedir. Isı pompasına (1) entegre edilmiş olan dış hava kompanzasyonlu kontrol paneli sayesinde ısıtma suyu gidiş sıcaklığı ve ısıtma devresi kontrol edilir. Sirkülasyon pompası (2), 3 yollu ventil (3) ile ısıtma devresine yada boylere (4) gerekli su miktarını basar. Elektrikli ısıtıcı (5) ile gidiş suyu sıcaklığı yükseltilebilir. Elektrikli ısıtıcı düşük hava sıcaklıklarında pik ısıtma yüklerini karşılamak içindir (< -10 C). Isıtma devresinin debisi, radyatörlerdeki termostatik vanaları veya yerden ısıtma sistemi kollektöründeki vanaları açıp kapatarak kontrol edilir. 4 VL RL Şekil. 39: Monoenerji İşletim Sistem Şeması Divicon ısı çevrimi kollektöründe (6) bir by-pass kontrol ventili öngörülerek, ısı pompası devresinde gerekli sabit debi oluşması sağlanmalıdır. Mevcut dönüş suyu sıcaklığı kontrol panelinde ayarlanmış olan istenen sıcaklık değerinin üzerine çıktığında ısı pompası ve primer pompa kapanır. Boylere bağlı dönüş ısı pompası(1) için gerekli debiyi ayarlamaktadır. Böylece ısı pompasının (1) minimum çalışma zamanı sağlanmış olur VL 3 2 VL RL RL Kullanma suyu ısıtması monovalent işletim ile çalışır. 7 27

28 Isı Pompası teknolojisi Bivalent İşletim Bivalent işletim bir ısı pompasının, farklı bir enerji kaynağı kullanan (katı, sıvı veya fuel oil) başka bir ısıtma sistemi ile birlikte kullanılan işletim türüdür. (Şekil. 40). İki sistem paralel olarak veya alternatifli çalıştırılabilir. Alternatifli işletimde, belli bir değerin üzerindeki dış hava sıcaklıklarında ısı pompası tüm ısıtmayı karşılar. Daha düşük sıcaklıklarda ısı pompası kapasitesi yetmeyecektir. Bu durumda sistem ikinci ısı kaynağına yönelecek ve sistemin ihtiyaç duyduğu ısının tamamı bu kaynaktan sağlanacak, ısı pompası devre dışı bırakılacaktır. WW VL VL VL VL VL RL VL VL = Gidiş RL = Dönüş KW = Soğuk Su WW = Boyler Isıtma Suyu Depo Boyleri Isıtma suyu depo boyleri kullanımı optimum çalışma sürelerine, dolayısıyla daha yüksek yıllık çalışma sayılarına ulaşılmasını sağlar. Isıtma suyu depo boylerleri debiyi ısı pompası ve ısıtma devresine dağıtır. Isı pompasının dengeli çalışmasını sağlar. Örneğin termostatik valfler ısıtma devresinin debisini düşürse bile, ısı pompasının debisi sabit kalır. Ayrıca güneş enerjisi sistemleri hem ısıtmada hem de kullanma suyu ısıtmasında çok tercih edilmektedir. Güneşten kazanılan enerjinin sisteme transfer edilmesi faydalı olur. Boyler KW RL Isı Pompası Vitocal RL Isıtma suyu depo boyleri Şekil. 40: Katı yakıt kazanı Vitolig 100 ile alternatifli Bivalent İşletim Isıtma suyu depo boyleri ilavesi için aşağıdaki sebepler de sayılabilir: Elektriğin kesintiye uğradığı zamanlarda ısıtmanın karşılanması, ısı pompasına sabit debinin sağlanması, Isıtma sistemi modernizasyonunda sirkülasyon pompasının değiştirilmesine gerek olmaması, Isıtma devresi sisteminde akış sesinin duyulmaması. Katı Yakıt Kazanı Vitolig Isıtma suyu deposu boyutlandırması kabaca aşağıdaki gibi yapılabilir: V HP = Q G (60 ile 80 litre) V HP = depo hacmi [litre] Q G = binanın ısı ihtiyacı [kw] Güç kesintisi olmadığında depo hacmi Isıtma suyu depo boylerinin hacmi elektriğin kesintiye uğradığı zamanlar için hazırlıklı olmalıdır. V HP = Q G (20 ile 25 litre) Isı pompasının çalışma zamanını uzatmak için yeterlidir. 28

29 Isı Pompası Teknolojisi 3.5 Kullanma Suyu Isıtması Prensip olarak kullanma suyu ısıtması için mahal ısıtmasına göre daha farklı şartlar gerekmektedir. Kullanma suyu ısıtmasında yıl boyunca gerekli ısı miktarı ve sıcaklık seviyesi değişmez. Tercihen kullanma suyu ısıtması akşam yapılır. Böylece gündüz ısı pompasının kapasitesi ısıtma için kullanılır. Isı pompası sistemleri genellikle 45 ile 50 C arası kullanma suyu sıcaklıkları sağlayabilir. Boyler boyutlandırılırken bu sıcaklıklar göz önüne alınmalıdır. Boyutlandırma yaparken(dvgw) tarafından basılmış "Kullanma suyu ısıtma ve borulama sistemleri" çalışma föyü kullanılmalıdır. Vitocell 100 Vitocell 100 (Şekil. 41, sol resim), ekonomik kullanma suyu ısıtması için önerilen bir boylerdir. Geniş eşanjör yüzeyi sayesinde yüksek verimlilikte ısı transferi sağlamaktadır. (Güneş enerjisi desteği için ilave tıya, ayrıca 2 tane ilave elektrikli ısıtıcı bağlantısına sahip) Serpantinli Ceraprotect emayeli boyler korozyona karşı korumalıdır. Şekil. 41: Vitocell-B 100 ve Vitocell-B 300 Boyler Vitocell 300 Vitocell 300 (Şekil. 41, sağ resmi) boyler, korozyondan korunmak için paslanmaz çelikten yapılmış olup tüm hijyen gereklerini karşılamaktadır. Paslanmaz çelik, uzun yıllar korozyona dayanımı ve homojen yüzeyi sebebi ile mutfaklarda, hastanelerde,labaratuarlarda ve gıda endüstrisine kullanılır. Yüksek performans için geniş ısı geçiş yüzeyi Vitocell-B tip boylerler çift serpantinlidir, ısı pompası uygulamalarında ısı transferinin sürekliliği için serpantinler çift bağlanmıştır. Depolanan suyun eşit miktarda ısıtılması için ısıtıcı serpantin boylerin tabanına kadar konmuştur. Kolay devreye alma ve arızasız çalışma sağlayabilmek için ısıtıcı serpantinler üstten havalandırma, alttan drenaj boşaltma yapabilecek şekilde tasarlanmıştır. FCKW içermeyen poliüretan köpük izolasyon malzemesi, boyleri ısı kayıplarına karşı korur. 29