T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMİZ ENERJİ EVİNDE ENERJİ EKONOMİSİ UYGULAMALARI

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMİZ ENERJİ EVİNDE ENERJİ EKONOMİSİ UYGULAMALARI İbrahim KAÇIKOÇ Danışman: Prof. Dr. Mustafa BAYHAN YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI ISPARTA-2008

2 Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürlüğüne Bu çalışma jürimiz tarafından MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI nda oybirliği/oyçokluğu ile YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Başkan: Prof. Dr. Mustafa BAYHAN Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Bölümü Üye: Prof. Dr. Mustafa ACAR Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Bölümü Üye: Yrd. Doç. Dr. İbrahim ÜÇGÜL Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Tekstil Bölümü ONAY Bu tez 28 / 01 / 2008 tarihinde yapılan tez savunma sınavı sonucunda, yukarıdaki jüri üyeleri tarafından kabul edilmiştir. 28 / 01 /2008 Prof. Dr. Fatma GÖKTEPE Enstitü Müdürü

3 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET... iii ABSTRACT... iv ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR... v ŞEKİLLER DİZİNİ... vi ÇİZELGELER DİZİNİ... vii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ... viii 1. GİRİŞ KAYNAK ÖZETLERİ Temiz Enerji Evi Isı Pompası Çalışma Prensibi Mekanik Tahrikle Çalışan Isı Pompaları Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompaları Isıl Enerji Tahrikiyle Çalışan Isı Pompaları Absorbsiyonlu Isı Pompası Adsorbsiyonlu Isı Pompası Buhar Sıkıştırmalı ve Termal Tahrikli Isı Pompalarının Karşılaştırılması Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompalarının Avantajları Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompalarının Dezavantajları Absorbsiyonlu Isı Pompalarının Avantajları Absorbsiyonlu Isı Pompalarının Dezavantajları Adsorbsiyonlu Isı Pompalarının Avantaj ve Dezavantajları Adsorbsiyonlu Isı Pompalarının Avantajları Adsorbsiyonlu Isı Pompalarının Dezavantajları Isı Pompalarında Kullanılan Isı Kaynakları Isı Kaynağı Olarak Toprak Kullanımı Isı Kaynağı Olarak Su Kullanımı Isı Kaynağı Olarak Hava Kullanımı Temiz Enerji Evinde Kullanılan Isı Pompalarının İşletme Türleri i

4 Monovalent (Tekli) İşletme Bivalent (İkili) İşletme Yedekli İşletme Temiz Enerji Evinde Kullanılan Isı Pompalarının Yıllık Performans Faktörü ve Performans Sayısı Performans Faktörleri MATERYAL VE YÖNTEM Temiz Enerji Evinde Kullanılacak Isı Pompasının Ekipmanlarının Tasarımı Kompresörün Tasarlanması Yoğuşturucunun Tasarlanması Buharlaştırıcının Tasarlanması Temiz Enerji Evinde Uygulanacak Sistemin Projelendirilmesi Kullanılacak Isı Kaynağı Seçimi Toprak Kolektörleri Sondalar Çift U-Boru Sonda Toprak Kolektörü Seçimi Sonda Seçimi Temiz Enerji Evi İçin Pratik Projelendirme Örneği Isı Taşıyıcı Akışkan Miktarı Antifriz Devresi İçin Membranlı Genleşme Tankı Seçimi Su Kaynaklı Isı Pompası için Isı Kaynağının Pratik Hesaplanması Gerekli Su Miktarının Tespiti Temiz Enerji Evinde Kullanılan Isı Pompalarında Ekserji Analizi Isı Pompası Ekipmanlarında Ekserji Analizi ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ ii

5 ÖZET Yüksek Lisans Tezi TEMİZ ENERJİ EVİNDE ENERJİ EKONOMİSİ UYGULAMALARI İbrahim KAÇIKOÇ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Juri: Prof. Dr. Mustafa BAYHAN (Danışman) Prof. Dr. Mustafa ACAR Yrd. Doç. Dr. İbrahim ÜÇGÜL Bu çalışmada, temiz enerji evinde uygulanabilen ısı pompaları incelenmekte ve projelendirilmesi ile ilgili bilgi verilmektedir. Ayrıca ısı pompalarının genel tanımı, çalışma prensibi ve tipleri özetlenmiş olup, sistem avantaj ve dezavantajları ve uygulamaları anlatılmıştır. Isı pompaları enerji tasarrufu sağlamak ve CO 2 emisyonlarını azaltmak için etkili teknik olanaklar sunmaktadır. Isı yalıtımı uygulamaları ile enerji gereksinimi çok düşük temiz enerji evlerinde ve yeni binalarda elektrikli ısı pompaları iyi bir alternatif oluşturmaktadır. Isı pompası, yenilenebilir ısı enerjisini mahal ve kullanma suyu ısıtmasında etkin bir şekilde kullanmak için gerekli teknik şartları sunabilir. Isı pompası, ısıtma için gerekli enerjinin 3/4 ünü çevreden almakta ve geri kalanını ise tahrik enerjisi olarak elektrik akımından temin etmektedir. ANAHTAR KELİME: Temiz Enerji Evi, Isı Pompası, Isı Pompası Projelendirme 2008, 73 Sayfa iii

6 ABSTRACT M.Sc. Thesis ENERGY ECONOMY APPLICATIONS IN CLEAN ENERGY HOUSE İbrahim KAÇIKOÇ Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Mechanical Engineering Thesis Committee: Prof. Dr. Mustafa BAYHAN (Supervisor) Prof. Dr. Mustafa ACAR Asst. Prof. İbrahim ÜÇGÜL In this paper, heat pumps that viable in clean energy house studied and given information about planning. Also a general information about heat pumps and their types. The principle of working, components, application areas, advantages and disadvantages of heat pumps are discussed. Heat pumps has technical advantages of energy saving and reducing CO 2 emulsion. Heat pumps are good alternative and offer great technical advantages for clean energy houses. Heat pumps get ¾ of requirement energy form environment and ¼ requirement energy from electricity. KEYWORDS: Clean Enegy House, Heat Pumps, Heat Pumps Design 2008, 73 Pages iv

7 ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR Elektrikli sistemlere göre üç hatta altı kat daha az kaynak kullanarak istenilen enerjiyi sağlayabilen ısı pompaları, ısınma ihtiyacını, fosil yakıtlı sistemlere göre daha az kaynak harcayarak sağlayabilmektedir. Çevreye zarar vermeyen, bakım gereksinimi çok az olan ve kullanım ömrü yüz yılla ifade edilen ısı pompaları giderek önem kazanmaktadır. Soğutma amaçlıda kullanılabilen ısı pompalarının ilk yatırım maliyetleri yüksek olmasına karşın, az enerji ihyacı nedeniyle birkaç yıl gibi kısa sürede kendini amorti eder. Uygulama alanı olan her alanda kullanılabilen ısı pompaları, çalışmamızda temiz enerji evinde farklı kaynaklar kullanarak uygulanabilirliği ve projelendirilmesi incelenmiş, ayrıca pratik hesaplama yöntemleri anlatılmıştır. Bu çalışma esnasında değerli tavsiyeleriyle beni yönlendiren ve karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübeleriyle aşmama yardımcı olan danışmanım Prof. Dr. Mustafa Bayhan a ve yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. İbrahim Üçgül e teşekkürlerimi sunarım. Tezimin her aşamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım. İbrahim KAÇIKOÇ ISPARTA, 2008 v

8 ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Isı pompası çevrimi... 4 Şekil 2.2. Buhar sıkıştırmalı ısı pompası... 5 Şekil 2.3. Absorbsiyonlu ısı pompası çalışma prensibi... 6 Şekil 2.4. Adsorbsiyonlu ısı pompası... 9 Şekil 2.5. Adsorbent - adsorbat çiftinin izoster grafiği... 9 Şekil 2.6. Toprak kaynaklı ısı pompası Şekil Toprak altı ısı pompası sistem örnekleri Şekil Toprak altı yatay ve dikey sistemlerin farklı şekilleri Şekil 2.8. Toprak altı boruların toprağa serilişi Şekil 2.9. Toprak altı dikey boruların montajı Şekil Dikey boruları toprağa yerleştirmek için sondaj işlemi Şekil Dikey boruların sondaj kuyusuna yerleştirilmesi Şekil Sondaj işlemi Şekil Su kaynaklı ısı pompası örnekleri Şekil Çift kuyulu ve sarmal göl kaynaklı ısı pompaları Şekil Hava kaynaklı ısı pompasıyla soğutma çevrimi Şekil Hava kaynaklı ısı pompasıyla ısıtma çevrimi Şekil 3.1. Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrimi Şekil 3.2. Isı kaynağı olarak toprak kolektörü çalışma şeması Şekil 3.3. Toprağın yıllık sıcaklık değişimi Şekil 3.4. Serili toprak kolektör örneği Şekil 3.5. Çift u borulu sonda örneği Şekil 3.6. Su kaynaklı örnek ısı pompası kapasite diyagramı Şekil 3.7. Ekserji analizi için çevrim grafiği Şekil 4.1. Farklı kaynaklı ısı pompası geri ödeme süresi karşılaştırılması Şekil 4.2. Farklı yakıtlar için özgül CO 2 emisyonu vi

9 ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Adsorbent adsorbat çiftlerinin karşılaştırılması Çizelge 2.2. Isı pompalarının performans katsayılarının karşılaştırılması Çizelge 2.3. İkinci yasa veriminin ısı pompaları için kısaltmaları Çizelge 2.4. Etkinlik katsayı kısaltmaları Çizelge 3.1.a. Sıcak su gereksinimi Çizelge 3.2.b. Sıcak su gereksinimi alternatif hesap Çizelge 3.3. Toprak kolektörü seçimi Çizelge 3.4. Sonda seçimi Çizelge x 2,3 mm HDPE boru için basınç kayıpları Çizelge x 3 mm HDPE boru için basınç kayıpları Çizelge 3.7. Boruların hacimleri Çizelge 4.1. Yakıtların maliyet karşılaştırması Çizelge 4.2. Hava kaynaklı ısı pompasının diğer sistemlerle maliyet karşılaştırılması (Sistem anma gücü 19kw Çizelge 4.3. Hava kaynaklı ısı pompasının diğer sistemlere göre geri ödeme süresi 60 Çizelge 4.4. Su kaynaklı ısı pompasının diğer sistemlerle maliyet karşılaştırılması (Sistem anma gücü 25 Kw) Çizelge 4.5. Su kaynaklı ısı pompasının diğer sistemlere göre geri ödeme süresi Çizelge 4.6. Su kaynaklı ısı pompasının diğer sistemlerle maliyet karşılaştırılması (Sistem anma gücü 27 Kw) Çizelge 4.7. Toprak kaynaklı ısı pompasının diğer sistemlere göre geri ödeme süresi Çizelge 4.8. Farklı kaynaklı ısı pompalarının geri ödeme sürelerinin diğer sistemlerle karşılaştırılması vii

10 SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ η soğ Q buhar Q yoğ HCFC Q IP Q IL W IP W IL ξ IP COP SEK IEK EER HSPF KWT SEER SPF SCOP CSPF m f η vol Ẅ komp Δt m ortalama Q K Q WP P WP P E F E V A V N Soğutma verimi Buharlaştırıcı Isısı Yoğuşturucu Isısı Hidrokloroflorakarbon Sezon boyunca ısı pompasına verilen ısıtma enerjisi Sezon boyunca ısı pompasına verilen elektrik enerjisi Sezon boyunca ek olarak verilen ısıtma enerjisi Sezon boyunca ısı pompasına verilen ısıtma enerjisi Ekserjetik verim Etki katsayısı (coefficient of performance) Soğutma etki katsayısı (coefficient of performance of cooling) Isıtma etki katsayısı (coefficient of performance of heating) Enerji verimlilik oranı (energy efficiency ratio) Mevsimsel ısıtma performans faktörü (heating seasonal perf. factor) Kw/ton Mevsimsel enerji verimlilik oranı (seasonal energy efficiency ratio) Mevsimsel performans faktörü (seasonal performance factor) Mevsimsel etki katsayısı (seasonal coefficient of perfonmance) Kombine mevsimsel perf. Faktörü(combined seasonal perf. factor) Kütlesel debi Volumetrik verim Kompresörün harcadığı güç Sıcaklık farkı Isı pompasının soğutma gücü Isı pompasının ısıtma gücü Isı pompasından çekilen güç Spesifik ısı çekme gücü Gerekli alan Antifriz sisteminin toplam hacmi Genleşme tankının anma hacmi viii

11 V Z Β V V Tyfocor p si p st Q K Q WP P WP m V Ρ t wqe t wqa c p P WP Q net,giriş W h S S gen Ex dest Ψ T 0 İ COP HP,act COP sistem,act Q sh ΣW giriş ε HP,1 Ex istenen,çıkış Ex kullanılan Sistem ısındığında hacim azalması Genleşme katsayısı Emniyet miktarı Isı taşıyıcı akışkan(antifriz) Emniyet valfinin tahliye basıncı Azot ön basıncı Soğutma gücü Isı pompasının ısıtma gücü Elektriksel tahrik gücü Kütlesel debi Hacimsel debi Yoğunluk Isı kaynağı giriş sıcaklığı Isı kaynağı çıkış sıcaklığı Spesifik ısı kapasitesi Çekilen elektrik gücü Net kütle girişi Net iş Özgül entalpi Entropi Üretilen entropi Yıkım ekserjisi Akış ekserjisi Sınırlandırılmış bölge ısısı Tersinebilirlik Isı pompası verimi Sistem verimi Isı yükü Sisteme verilen toplam iş Isı pompalarında ekserji verimliliği Sistemden toplam ekserji transferi Sisteme verilen ihtiyaç olan ekserji ix

12 ε sistem S.K.I.P H.K.I.P T.K.I.P Sistem ekserjisi Su kaynaklı ısı pompası Hava kaynaklı ısı pompası Toprak kaynaklı ısı pompası x

13 1. GİRİŞ Günümüzde enerji ihtiyacının önem kazanmasıyla yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik çalışmalar hızla artmaktadır. Isı pompaları, elektrikli sistemlere göre üç hatta altı kat daha az kaynak kullanarak istenilen enerjiyi sağlayabilmektedir. Isı pompaları çevre kirlenmesine neden olmadan endüstriyel ve günlük uygulamalarda kullanılabildiği için son yıllarda üzerinde yoğun çalışmalar yapılan bir konu haline gelmiştir. Isı pompaları enerji tasarrufu sağlamak ve CO 2 emisyonlarını azaltmak için etkili teknik olanaklar sunmaktadır. Isı yalıtımı uygulamaları ile enerji gereksinimi çok düşük temiz enerji evlerinde ve yeni binalarda elektrikli ısı pompaları iyi bir alternatif oluşturmaktadır. İlk ısı pompası İngiltere de Sumner tarafından kendi evini ısıtmak için dış hava kaynaklı olarak üretilmiş daha sonradan yapılan çalışmalar ile 1 metre derinlikteki topraktan ısı çekilmeye başlanmıştır. Bu sistemin ısıtma tesir katsayısı ortalama 2,8 dir ve günümüzde halen çalışmaktadır (Dikici vd., 2005). Emniyetli ve ekonomik bir işletme için ısı kaynağının ve ısıtma sisteminin ısı pompasına uygun projelendirilmesi gerekmektedir. Isı pompası, yenilenebilir ısı enerjisini mahal ve kullanma suyu ısıtmasında etkin bir şekilde kullanmak için gerekli teknik şartları sunabilir. Isı pompası, ısıtma için gerekli enerjinin 3/4 ünü çevreden almakta ve geri kalanını ise tahrik enerjisi olarak elektrik akımından temin etmektedir. Çevre ısısı; toprakta, suda ve havada depolanmış olan güneş ısısı sonsuza kadar kullanılabilir. Isı pompası çevre ısısını kullanarak, enerji tasarrufu ve çevre dostu bir ısıtma sağlar. Isı pompası teknolojisi uzun yıllardır bilinmekle birlikte yaygın kullanılmaya başlanması, ancak son yıllarda mümkün olabilmiştir. Isı pompalarında fosil yakıtlar kullanılmadığı için alternatif ısıtma sistemi olarak düşünülebilir. 1

14 Isı pompası çalışma mantığı toprak, hava veya su gibi ısı kaynaklarından elde edilen enerjinin ısı pompasının kapalı devresinde bulunan buharlaştırıcı üzerinden alınması ile ısı taşıyıcı sıcaklığının artırılması ve buharlaştırılması, kompresör yardımı ile basınç ve sıcaklığı iyice artırılan gazın enerjisini yoğuşturucu üzerinde kullanılacak kapalı devrede bulunan suya aktarılmasına dayalıdır. Yoğuşturucuda enerjisini bırakan gaz tekrar buharlaştırıcıya girmeden genleşme vanasından geçirilerek çevrim tamamlanır. Aynı işlemler tersten yapılarak alan soğutması gerçekleştirilir (Isısan, 2005). 2

15 2. KAYNAK ÖZETLERİ 2.1 Temiz Enerji Evi Temiz enerji evi, fosil yakıt kullanmadan, güneş, su, toprak, rüzgar ve jeotermal enerjileri kullanarak ihtiyaçlarını karşılayan evlerdir. Günümüzde tüketilen toplam enerjinin yaklaşık %80 i fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Elektrik üretiminin üçte ikisi ve ulaşım araçlarının büyük çoğunluğu fosil yakıtlarla çalışmaktadır. Fosil yakıt kullanımı hava kirliliği ve sera etkisini oluşturan karbondioksit salınımına sebep olur. Ayrıca fosil yakıtların zamanla tükeneceği bilinen bir gerçektir. Yeni ve çevreci enerji kaynaklarına yönelimin hızla arttığı günümüzde, bu yeni enerjilerin, fosil yakıtlardan daha temiz, çevre dostu, tehlikesiz, ülke ekonomisine yük getirmeyen, enerjide dışa bağımlılığı önleyen ve sürekli kullanıma elverişli olması istenmektedir. Temiz enerji evleri, mahal ısıtma ve kullanım suyu ısıtması için güneş enerjisi, ısı pompası, jeotermal enerji, biyogaz kullanır, elektrik ihtiyacı için rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, su enerjisi, hidrojen enerjisi, biyogaz kullanır. Büyük potansiyele sahip güneş enerjisi ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarından yararlanmak için sürekliliğin sağlanması gereklidir. Bu nedenle süreklilik sağlanabilmesi için enerjinin depolanması gerekir. Bu konuda en büyük uygulama potansiyeline sahip olan yöntem, hidrojen kullanımıdır. Güneş enerjisiyle sudan hidrojen elde etmek, hidrojeni istenildiğinde kullanmak üzere depolamak ve istenildiğinde gaz yakıt olarak kullanmak veya yakıt pili kullanarak elektrik enerjisine çevirmek en mantıklı çözümlerden birisidir. Güneş ısısını depolayan toprak, su ve havayı kaynak olarak kullanan ısı pompaları temiz enerji evlerinde sıklıkla kullanılmaktadır (Ünalan, 2005) Isı Pompası Çalışma Prensibi Isı pompası bir buzdolabı gibi çalışmaktadır. Buzdolabında bulunan soğutucu akışkanın ısısı bir kompresör ve buharlaştırıcıyla alınır ve cihazdaki yoğuşturucu üzerinden istenilen yere verilir. Isı pompasında ise çevremizde bulunan ısı, toprak, 3

16 su, veya havadan alınır ve ısıtma sistemine verilir. Soğutucu akışkan, düşük sıcaklıklarda dahi kaynayan bir sıvıdır ve buzdolabında sürekli bir çevrim içinde sırasıyla buharlaşır, sıkıştırılır, yoğuşur ve genleşir. Şekil 2.1. Isı Pompası Çevrimi (Anonim, 2004) Çevreden ısı alınması: Buharlaştırıcıda soğutucu akışkan düşük basınç altındadır. Buharlaştırıcıdaki çevre sıcaklık seviyesi, soğutucu akışkanın mevcut basınçtaki kaynama noktası aralığının üzerindedir. Bu sıcaklık farkı çevre ısısının soğutucu akışkana aktarılmasını sağlar ve soğutucu önce kaynar ve buharlaşır (Viessmann, 2006). Bu işlem için gerekli ısı enerjisi ısı kaynağından elde edilir. Kompresördeki sıcaklık artışı Kompresör akışkan buharını buharlaştırıcıdan çeker ve sıkıştırır. Sıkıştırma esnasında buhar fazındaki akışkanın basıncı ve sıcaklığı artar. Isıtma sistemine ısı aktarımı: Buhar fazındaki soğutucu akışkan, kompresörden ısıtma suyu ile çevrili kondensere ulaşır. Isıtma suyunun sıcaklığı soğutucu akışkanın yoğuşma sıcaklığından daha düşüktür. Bu sebepten buhar soğur ve tekrar sıvı faza geçer (yoğuşur) (Viessmann, 2006). 4

17 Buharlaştırıcı tarafından kazanılan enerji: (ısı) ve sıkıştırmada kullanılan elektrik enerjisi yoğuşma sonucu tekrar serbest kalır ve ısıtma suyuna aktarılır. Çevrim tamamlanır. Akışkan bir genleşme valfi üzerinden buharlaştırıcıya geri gönderilir. Bu esnada akışkan kompresörün yüksek basıncından buharlaştırıcının düşük basıncına genleşir. Buharlaştırıcıya girişte başlangıç basıncına ve sıcaklığına ulaşılır. Böylece kapalı çevrim tamamlanmıştır (Viessmann, 2006) Mekanik Tahrikle Çalışan Isı Pompaları Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompaları Sistem kompresör, genleşme valfı ve iki adet eşanjörden meydana gelmektedir. Şekil 2.2 de buhar sıkıştırmalı ısı pompasının ana elemanları gösterilmektedir. Çalışma akışkanı bu dört parça içinde çevrim yapar. Buharlaştırıcıda, akışkanının sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığının altında tutulur. Böylece buharlaştırıcıdaki akışkanının ısı kaynağından ısı alarak buharlaşması sağlanır. Buhar kompresörde yüksek basınca ve sıcaklığa sıkıştırılır. Sıcak buhar yoğuşturucuya girer ve yoğunlaşarak ısısını dışarı verir. Son olarak yüksek basınçlı çalışma akışkanı genleşme valfinde genleştirilerek buharlaştırıcı basınç ve sıcaklığına getirilir. Çalışma akışkanı ilk durumuna dönmüş olur ve tekrar buharlaştırıcıya girer. Kompresör genellikle elektrik motoru veya içten yanmalı motorlar ile çalışmaktadır (Demir vd, 2005). Şekil 2.2. Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompası 5

18 Isıl Enerji Tahrikiyle Çalışan Isı Pompaları Absorbsiyonlu Isı Pompası Absorbsiyonlu ısı pompalarında kullanılan akışkan, çoğunlukla iki farklı akışkandan (NH 3 -su, LiBr-su gibi) meydana gelir. Çalışma akışkanı yüksek basınç ve sıcaklıkta jeneratörde ısıtılmakta buharlaşma sıcaklığı düşük olan akışkan (NH 3, LiBr) buharlaştırılarak yoğuşturucuya aktarılır. Yoğuşturucuda yoğuşan buhar, genleşme valfinde genleştirilerek buharlaştırıcıya aktarılır ve burada düşük sıcaklık ve basınçta tekrar buharlaştırılmaktadır. Buharlaştırıcıda buharlaşan akışkan (Amonyak, LiBr...) yoğuşturucuda jeneratörden gelen zayıf uçucu madde çözeltisi (amonyakça fakir su çözeltisi gibi) içinde absorblanmaktadır. Elde edilen kuvvetli çözelti ise jeneratöre geri pompalanmakta ve çevrim tamamlanmaktadır (Demir vd, 2005). Şekil 2.3. Absorbsiyonlu Isı Pompası Çalışma Prensibi Sıvıların kaynama noktası basınç ile doğrudan orantılıdır. Örnek olarak su atmosferik basınçta (760 mmhg), C 'de, 6 mmhg mutlak basınçta ise 3,7 0 C 'de kaynar. Li- Br (Lityum Bromür), sofra tuzu (NaCl) ile kimyasal olarak benzerdir. Li-Br su içinde çözünebilir. Li-Br/Su solüsyonu, kendi kimyasal eğilimi sebebiyle, suyu absorbe etme özelliğine sahiptir. Li-Br solüsyonunun konsantrasyonu arttıkça ve sıcaklığı düştükçe suya karşı olan absorpsiyon eğilimi de artar. Buna ilave olarak, Li-Br'in ve suyun buhar basınçları arasında büyük bir fark vardır. Bu da demektir ki; eğer Li- 6

19 Br/Su solüsyonun sıcaklığı arttırılırsa, su buharlaşır ama Li-Br solüsyonda kalacağından solüsyon daha yoğunlaştırılmış hale gelecektir (Demir vd, 2005). Absorbsiyonlu sistemlerde soğutma etkisi oluşturmak için ısı enerjisi kullanır. Bu sistemlerde soğutucu (su), buharlaşma esnasında düşük sıcaklıkta ve basınçta ısıyı absorbe eder ve yoğuşma sırasında da yüksek sıcaklıkta ve basınçta ısı açığa çıkartır. Absorbsiyonlu sistemler tek etkili ve çift etkili olmak üzere ikiye ayrılırlar. Tek etkili absorbsiyonlu sistemler yalnız soğutma amaçlı kullanılırken, çift etkili absorbsiyonlu sistemler ısı pompası şeklinde çalışarak hem soğutma hem de ısıtma amaçlı kullanılabilir (Demir vd, 2005) Adsorbsiyonlu Isı Pompası Faraday tarafından 1848 yılında bulunan adsorbsiyonlu ısı pompası çevrimleri ilk 1920 yılında ısı pompası olarak halk kullanımına sunulmuştur. Adsorbsiyonlu ısı pompaları enerji kaynaklarının türü ve çevrim süresince gerçekleşen fiziksel olaylar açısından absorbsiyonlu ısı pompaları ile benzerlikler göstermesine rağmen, iki ısı pompası arasında farklılıklar vardır. Absorbsiyon bir sıvı/gaz akışkanın diğer bir sıvı/katı maddenin içine difüzyonu olarak tanımlanmaktadır. Adsorbsiyon ise bir gazın/sıvının, sıvı/katı haldeki bir başka maddenin yüzeyi ile fiziksel veya kimyasal etkileşme olayıdır. Adsorbsiyonlu ısı pompasının çalışma prensibi tamamen adsorbsiyon olayına dayanır (Demir vd, 2005). Yukarıda da belirtildiği gibi gaz veya buhar/sıvı adsorbsiyonu katı veya sıvı haldeki başka bir maddenin yüzeyine kimyasal ya da fiziksel etkileşme sonucunda tutunması olarak tanımlanır. Gaz fazdaki maddeye adsorbat, tutan katı veya sıvı haldeki maddeye de adsorbent denir. Adsorbsiyon, tanımından da anlaşıldığı gibi, fiziksel ve kimyasal adsorbsiyon olarak ikiye ayrılmaktadır. Kimyasal adsorbsiyon da adsorbat, adsorbent yüzeyine kimyasal bağ (kovalent bağ) ile tutunur. Kimyasal adsorbsiyon reaksiyonunun en önemli özelliği endotermik ve genellikle tersinmez oluşudur, yani desorpsiyon olayı gerçekleşmez. Burada desorpsiyonu tanımlamak gerekirse 7

20 desorpsiyon; adsorblanan adsorbatın adsorbentin yüzeyinden uzaklaşma olayıdır. Fiziksel adsorbsiyon ise adsorbatın, adsorbent yüzeyine fiziksel bağlar (Van der Waals, dipol-dipol etkileşmesi gibi) ile tutunmasıdır. Fiziksel adsorbsiyon ortam sıcaklığının artışı ile ters orantılı olarak azalmaktadır ve reaksiyon tersinirdir. Adsorbsiyonlu ısı pompalarında kullanılan adsorbent-adsorbat çiftleri arasında gerçekleşen adsorbsiyon, fiziksel adsorbsiyondur (Demir vd, 2005). Fiziksel adsorbsiyon işleminde, adsorbatın adsorblanması sırasında reaksiyonun ekzotermik olması dolayısıyla açığa ısı çıkar. Söz konusu bu ısıya adsorbsiyon ısısı denir. Adsorbentlere örnek, silika jel, aktif karbon, zeolit gibi maddelerdir. Adsorbsiyonlu ısı pompalarında genellikle kullanılan adsorbatlar su buharı, metanol ve amonyağı örnek verebiliriz. Adsorbent maddenin fiziksel yapısı adsorbsiyon üzerinde oldukça fazla etkilidir. Adsorbsiyonlu ısı pompaları, adsorbent, adsorbent yatağı, yoğuşturucu, buharlaştırıcı, genleşme vanası ve adsorbattan oluşmaktadır. Bu tip pompalar, basit çalışma prensibine sahip olup, termal enerji ile çalışmaktadır. Soğutma periyodunda buharlaştırıcıda bulunan adsorbat çevreden ısı çekerek buharlaşmakta, adsorbent yatağında kuru durumda bulunan adsorbent tarafından adsorblanmaktadır. Yoğuşma sırasında ise, adsorbent yatağına transfer edilen ısı ile adsorbat desorbe edilip, adsorbent yatağını terk etmekte ve yoğuşturucuda çevreye ısı bırakarak yoğuşmaktadır. Yoğuşturucuda yoğuşan adsorbat daha sonra genleşme vanasından geçirilerek buharlaştırıcıya aktarılmaktadır (Demir vd, 2005). Şekil 2.4 de adsorbsiyonlu ısı pompasının teorik çevrimi adsorbent-adsorbat çiftinin izoster grafiği üzerinde gösterilmiştir. İzoster grafiği, sabit miktarlardaki adsorblanmış adsorbatın basıncının sıcaklığa göre değişimini gösterir. İzoster grafiğinin, adsorbsiyonlu ısı pompası tasarımı esnasında, sistemin çalışma sıcaklıklarına bağlı olarak adsorbent-adsorbat çiftlerinin seçiminde ve sistemin teorik 8

21 performans katsayısının hesaplanmasında büyük faydası vardır. İzoster grafiği genellikle yatay ekseni (-1/T) ve düşey ekseni (lnp) olarak çizilmektedir. Şekil 2.4. Adsorbsiyonlu Isı Pompası Şekil 2.5. Adsorbent - Adsorbat Çiftinin İzoster Grafiği (Demir vd., 2006) Adsorbsiyonlu ısı pompası çevrimini dört ayrı işlemde gerçekleştirir. İzosterik ısıtma (a-b): Adsorbent yatak sıcaklığı dışarıdan ısı girişi ile T a dan T b ye yükseltilmektedir. İşlem sırasında buhar basıncı desorpsiyon olmaksızın artmaktadır. 9

22 İzobarik desorpsiyon, (b-c): Bu aşamada da adsorbent yatağına ısı girişi devam etmektedir. Ancak desorpsiyon başlamakta ve desorpsiyonla açığa çıkan buhar yoğuşturucu basıncında yoğuştuğundan basınç sabit kalmaktadır. İzosterik soğutma (c-d): Maksimum yatak sıcaklığı T c ye ulaştıktan ve desorpsiyon işlemi tamamlandıktan sonra, adsorbent yatağı (buharlaştırıcı ve yoğuşturucu vanaları kapalı durumda iken) T d sıcaklığına soğutulmakta, dolayısıyla basınç düşmektedir. İzobarik adsorbsiyon (d-a): Yataktan ısı çekilmeye devam edilmekte, buharlaştırıcıdan çevreden ısı çekerek buharlaşan adsorbat, adsorbent tarafından adsorbe edilmektedir. Yatak sıcaklığının sabit basınçta T a sıcaklığına düşmesi ile çevrim tamamlanmaktadır (Demir vd, 2005). Çevrimde görüldüğü gibi soğutma etkisi, izobarik adsorbsiyon işlemi (d-a) sırasında buharlaştırıcıda buharlaşan adsorbatın adsorbent tarafından adsorblanması ile oluşmaktadır. Isıtma işlemi ise izobarik desorpsiyon (b-c) sırasında adsorbent yatağını terk eden adsorbatın yoğuşturucuda yoğuşması ile meydana gelmektedir. Ayrıca c-d ve d-a işlemi sırasında adsorbent yatağından çekilen ısı ısıtma amacı ile kullanılabilmektedir. Buna göre çevrimin ısıtma ve soğutma verimi; (Mobedi vd, 2005) ve Q buhar η soğ = (2.1) Q a-b + Q b-c Q yoğ + Q c-d + Q d-a η soğ = (2.2) Q a-b + Q b-c olarak tanımlanabilir (Mobedi vd, 2005). İki yataklı adsorbsiyonlu sistemlerin en büyük avantajı adsorbsiyonlu ısı pompalarının kesikli çalışmasını ortadan kaldırmaktadır. Adsorbsiyonlu sistemlerde 10

23 buharlaştırıcıdan buharlaşan adsorbat, adsorbent tarafından adsorblanırken yoğuşturucuda herhangi bir işlem yapılmaz. Adsorbatın yoğuşturucuda yoğuşması sırasında ise buharlaştırıcıda bir işlem gerçekleşmez. Bu sebeple adsorbsiyonlu ısı pompalarında belki en önemli dezavantajın kesikli çalışmasıdır. İki yataklı adsorbsiyonlu ısı pompaları bu sorunu gidermektedir. İki yataklı adsorbsiyonlu ısı pompalarında çalışma birinci adsorbent yatağında adsorbsiyon işlemi tamamlandığında adsorbent yatağının buharlaştırıcıyla irtibatı kesilir ve ısıtma işlemi başlar, bu esnada da diğer yatağın buharlaştırıcıyla olan irtibatı başlar ve sistemin sürekli çalışması sağlanmaktadır (Mobedi vd, 2005). Adsorbsiyonlu ısı pompalarının çalışma sıcaklık aralığı (buharlaştırıcı ve kondenser sıcaklıkları) ve üçüncü ısı kaynağının sıcaklığı sistemin tasarımına doğrudan etki eder. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu sıcaklıklarına, üçüncü ısı kaynağının sıcaklığına ve sistemin kullanım amacına göre, adsorbent-adsorbat çifti ve çalışma basınçları belirlenmektedir. Buharlaştırıcı sıcaklığı 0 0 C nin altında olan bir sistem için, zeolitsu çifti ve hatta aşağıdaki çizelgede verilen ve C arasında çalışan sistemler kullanılabilir fakat tam verim düşünülüyorsa bu durumda aktif karbon-metanol çiftinin kullanılmalıdır (Demir vd, 2005). Sistemin çevrim verimi adsorbentin adsorblama kapasitesinin artması ile birlikte artmaktadır. Adsorbsiyonlu sistemlerde adsorbat-adsorbent çiftine ait özgül ısı, ısı iletim katsayısı, yoğunluk gibi özelliklere ilaveten çiftin adsorbsiyon özellikleri çok önemlidir. Adsorbent adsorbat çiftinin çevreye ve insan sağlığına zararlı olmaması, çevreyi kirletmemesi ve maliyetinin düşük olması önemli tercih sebepleridir. Çizelge 2.1 de yaygın olarak kullanılan bazı adsorbent-adsorbat çiftleri ve çiftlerin özellikleri karşılaştırılmaktadır (Demir vd, 2005). Çizelge2.1. Adsorbent Adsorbat Çiftlerinin Karşılaştırılması (Mobedi vd., 2005) 11

24 Adsorbsiyonlu ısı pompaları herhangi bir dış mekanik güç gerektirmeden çalışabilen sistemlerdir. Ancak mekanik güç gerektirmeyen sistemlerde buharlaştırıcı, adsorbent yatağı ve yoğuşturucu arasındaki vanaların manuel olarak açılıp kapanması gerekmektedir. Aksi takdirde bu vanaların açılıp kapanması için otomatik sistem düşünülmelidir. Çift yataklı sistemlerde ise vanaların sayısının artması ile otomasyon kontrol sistemlerinin kullanılması kaçınılmaz hale gelir Buhar Sıkıştırmalı Ve Termal Tahrikli Isı Pompalarının Karşılaştırılması Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompalarının Avantajları Performans katsayıları (COP) yüksektir. Az yer kaplayan bir yapıya sahip olması Kontrol sistemlerinin geliştirilmiştir ve mikro işlemciler sayesinde daha kolay kontrol edilebilmektedir. İstenilen sıcaklığa hızlı bir şekilde ulaşabilmektedir. Diğer ısı pompalarına göre maliyeti daha düşüktür ve çalışma prensibinin yaygın olarak bilinmektedir (Demir vd, 2005) Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompalarının Dezavantajları Çevreye zararlı (HCFC gazı gibi ) çalışma akışkanlarının kullanılmaktadır. Birincil enerji kaynaklarından doğrudan yararlanılmamasından ötürü birincil enerji verimi düşüktür Elektrik enerjisinin pahalı olduğu yerlerde işletim maliyeti yüksektir. Elektrik enerjisinin olmadığı yerlerde çalışamaz ve ekstra cihazlara ihtiyaç duyar. Gürültülü ve sarsıntılı çalışmaktadır. Büyük sistemlerin sık periyotlarla bakım ve servise ihtiyaç duyar (Ülkü vd, 2005). 12

25 Absorbsiyonlu Isı Pompalarının Avantajları Aabsorpsiyon ısı pompaları, soğutma alanında buhar sıkıştırmalı ısı pompaları kadar bilinen sistemlerdir. Son yıllarda sürdürülebilir enerji kaynaklarından daha fazla faydalanılması ve atık ısıların değerlendirilmesi ile bu tür ısı pompalarının kullanımı üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Doğrudan termal ısı kaynakları ve birincil enerji kaynaklar ile çalışabilirler. Sürekli çalışabilme prensibine sahiptirler. Buhar sıkıştırmalı ısı pompaları kadar çok hareketli parçalar içermezler. Çalışma akışkanı olarak çevreye veya insan sağlığına zarar verici kimyasal (HCFC gibi...) maddeler kullanılmaz. Sarsıntısız ve gürültüsüz çalışırlar (Demir vd, 2005) Absorbsiyonlu Isı Pompalarının Dezavantajları Performans katsayıları düşüktür. Elektrik enerjisinin ucuz olmadığı yerlerde bu tip cihazların kullanımı cihaz maliyetlerinden dolayı tercih edilemez. Cihazların ağır ve hacimli olması yüzünden montaj ve yerleştirme problemleri görülür. Soğutma esnasında sistemin istenilen yeni duruma ulaşması yavaştır. Korozyona neden olan kimyasallar kullanıldığından cihaz ömrü çok kısadır. Absorbent 4 5 yıl gibi kısa bir kullanım ömrüne sahiptir (Mobedi vd, 2005) Adsorbsiyonlu Isı Pompalarının Avantaj ve Dezavantajları Özellikle son yıllarda adsorbsiyonlu ısı pompaları atık ısı ve termal enerji kaynaklarının doğrudan kullanılmasında sağladığı avantajlardan dolayı gündeme gelmektedir. Sistemin uygulanması son zamanlarda yaygınlaşmaya başlamış olmakla birlikte üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmaları hızlı bir şekilde sürdürülmektedir (Demir vd, 2005). 13

26 Adsorbsiyonlu Isı Pompalarının Avantajları Atık ısı ve termal enerji kaynakları doğrudan kullanılarak çalışır. Adsorbent - adsorbat çiftine bağlı olarak düşük sıcaklık ısı kaynakları ile çalışabilmesi (50 0 C nin üstü) Uygun tasarım (çift yataklı) uygulandığında sürekli çalışabilir. Herhangi hareketli parça içermez. Sessiz ve sarsıntısız çalışır. Çevreye zararı olmayan su ve benzeri çalışma akışkanları ile çalışır. Uzun süre bakım gerektirmeden çalışabilir (30 yıldan fazla). Enerji depolama imkânı sağlayabilir (Demir vd, 2005) Adsorbsiyonlu Isı Pompalarının Dezavantajları Performans katsayıları çok düşüktür Tek yataklı adsorbsiyonlu ısı pompaların kesikli bir çalışma prensibine sahiptir. Düşük basınçta çalışmasından ötürü kaçak sorunları yaşanır ve yüksek vakum teknoloji gereksinimi vardır. Geliştirme safhasında oluşu nedeniyle yaygın olarak bilinmemektedir. Buhar sıkıştırmalı pompalara göre daha hacimli ve ağırdır. Avantaj ve dezavantajları verilen ısı pompalarının performans katsayılarının karşılaştırılması ise Çizelge 2.2 de gösterilmektedir. Görüldüğü gibi buhar sıkıştırmalı ısı pompasının performans katsayısı termal enerji ile çalışan ısı pompalarıyla mukayese edilemeyecek ölçüde büyüktür. Ancak birincil enerji kaynağı ile doğrudan çalışmadığından ötürü, birincil enerji kaynak verimliliği termal enerji ile çalışan ısı pompalarından daha düşük olabilir (Mobedi vd, 2005). 14

27 Çizelge 2.2. Isı Pompalarının Performans Katsayılarının Karşılaştırılması (Mobedi vd., 2005) 2.3. Isı Pompalarında Kullanılan Isı Kaynakları Isı pompalarında çevre ısısından faydalanmak için ısı kaynağı olarak toprak, su ve hava kullanılabilmektedir. Bu ortamların tümü güneş enerjisini depoladıklarından güneş enerjisinden dolaylı olarak faydalanmış olunur. Pratikte bu ısı kaynaklarını kullanabilmek için aşağıdaki kriterler dikkate alınmalıdır; Yeterli miktarda mevcut olmaları Mümkün olduğu kadar yüksek depolama özelliği Mümkün olduğu kadar yüksek sıcaklık seviyesi Yeterli rejenerasyon, Düşük ilk yatırım giderleri Kolay bakım Isı Kaynağı Olarak Toprak Kullanımı Güneş ısısı toprak altında uzun bir süre depolanabilir. Bu sayede bütün yıl boyunca hemen hemen sabit bir sıcaklık seviyesi ve ısı pompası işletmesi için yüksek performans katsayısı (verim) elde edilmektedir. Toprak altında depolanmış olan enerji, genellikle donma sıcaklığı yaklaşık 15 C olması gereken bir antifriz-su karışımı ile taşınır. Böylece bu karışımın işletme sırasında donması önlenmiş olur (Viessmann, 2007). 15

28 Topraktan enerji çekilmesi, toprak altında geniş bir alana döşenmiş olan plastik (PE) boru sistemi ile gerçekleşmektedir. Şekil 2.6. Toprak Kaynaklı Isı Pompası (Anonim, 2001) Plastik borular (PE) toprak altında 1,2 1,5 m derinliğe ve seçilen boru çapına bağlı olarak yaklaşık 0,5-0,7 m mesafe ile birbirlerine paralel olarak döşenirler. Böylece her m 2 alan için yaklaşık 1,43 ile 2,00 m arasında boru döşenir (Viessmann, 2007). Boru hatlarının uzunlukları 100 m yi geçmemeli, aksi takdirde oluşacak basınç kayıplarını karşılayabilmek için daha yüksek kapasiteli pompalar gerekmektedir. Şekil Toprak Altı Isı Pompası Sistem Örnekleri(Anonim, 2004) 16

29 Şekil Toprak Altı Yatay Ve Dikey Sistemlerin Farklı Şekilleri (Anonim, 2001) Boruların uçları birer gidiş ve dönüş kolektöründe toplanmıştır. Bu kolektörler borulardan biraz daha yükseğe yerleştirilerek, bütün boru sisteminin havasının atılması sağlanmalıdır. Her hattı teker teker kapatma olanağı bulunmalıdır. Antifriz bir sirkülasyon pompası ile plastik borulara pompalanır ve toprak altında depolanmış olan ısıyı alır. Isı pompası da bu ısının mahal ısıtmasında kullanılmasını sağlar. Şekil 2.8. Toprak Altı Boruların Toprağa Serilişi (Anonim, 2006) Boruların hemen etrafındaki topraklarda zaman zaman oluşan donmanın genelde ısıtma periyodunun ikinci yarısında sistemin çalışmasına ve bitkilere bir zararı bulunmamaktadır. Buna rağmen, boru yakınlarına derin köklü bitkiler dikilmemesi önerilmektedir. 17

30 Şekil 2.9.Toprak Altı Dikey Boruların Montajı (Anonim, 2001) Isısı alınan toprağın rejenerasyonu, güneş ışınımının artması ve yağışlar sayesinde, ısıtma periyodunun ikinci yarısında gerçekleşir ve böylece ısı deposu toprak bir sonraki ısıtma periyoduna hazır hale gelir (Viessmann, 2007). Isı pompasının kurulması için gerekli toprak kazma ve taşıma işlemleri yeni inşaatlarda pek fazla masraflı değildir. Mevcut bir binada ise bu masraflar oldukça yüksek olduğundan, bu sebepten binaların sonradan donatılması ekonomik değildir. Topraktan kazanılan ısı miktarı bazı faktörlere bağlıdır. Bugüne kadar elde edilen tecrübeler, bol sulu kil toprağın ısı kaynağı olarak oldukça uygun olduğunu göstermektedir. Pratikte ısı pompası üreten ve montaj yapan firmalar verilen ısı çekme kapasitesi (soğutma kapasitesi) q.e= her m 2 toprak alanı için 10 ile 35 Watt arasında olduğunu kabul ederler. Bu, bir yıl boyunca (monovalent) işletme ile elde edilen ortalama bir değerdir. Toprak fazla kumlu ise ısı alma kapasitesi düşmektedir. Bu durumda uygulama yapılacak yerde bir toprak analizi yapılması önerilmektedir. Yeryüzüne düşen güneş enerjisi toprak altında depolanır. Bu enerji, ya doğrudan ışınım yoluyla ya da dolaylı olarak yağmur ve hava üzerinden toprak altında 18

31 depolanır. Toprak altında depolanan ısı, toprağa yatay olarak döşenmiş olan eşanjörler (toprak kolektörleri olarak da adlandırılır) veya dikey sondaj eşanjörler (toprak sondası) tarafından çekilir. Bu sistemler genelde monovalent (tekli) olarak işletilmektedir. Bu sistemler su ile ilgili yasal uygulamalarda yeraltı suyu ısı pompaları gibi kabul edilmektedir. Şekil Dikey Boruları Toprağa Yerleştirmek İçin Sondaj İşlemi (Anonim, 2001) Şekil Dikey Boruların Sondaj Kuyusuna Yerleştirilmesi (Anonim, 2004) 19

32 Şekil Sondaj İşlemi (Anonim, 2004) Isı sondaları ve eşanjörler sadece yeryüzüne yakın yeraltı sularına yerleştirilebilir. Isı sondalarının ve eşanjörlerin daha derindeki yeraltı suyuna yerleştirilmesine genelde müsaade edilmemektedir. Bu durumda yeraltı su kaynaklarının zarar görmeyeceği garanti edilememektedir. Bu sayede derinde bulunan içme suyunun korunması düşünülmektedir. Toprak altına yatay olarak yerleştirilen absorberlerin (kolektörler) kullanılması, oldukça fazla yer kapladığından yeni inşaatlarda dahi zordur. Özellikle şehir merkezlerindeki arazi parsellerinin çok küçük olması bu kullanımı daha da zorlaştırmaktadır (Viessmann, 2007). Bu nedenle günümüzde 50 ile 150 m derinliğe kadar ulaşabilen dikey sondalar daha fazla kullanılmaktadır. Bu alanda çok farklı teknik uygulamalar ve montaj yöntemleri kullanılmaktadır. Kullanılan sondalar genelde plastik (PE) borulardan oluşmaktadır. En fazla kullanılan yöntem, 4 adet borunun paralel olarak kullanılmasıdır (Çift U boru sonda): Antifriz kolektörden iki boru ile aşağıya doğru akar ve diğer iki borudan da tekrar yukarıya, kolektöre geri döner. İkinci bir varyasyonda ise, plastik eş eksenli borular kullanılır. İç borudan aşağıya akan antifriz dış borudan geri döner. 20

33 Sondalar uygulamaya bağlı olarak delgi veya darbe makinaları ile yerleştirilir. Bu sistemler için su ile ilgili yasalara uygun bir ruhsat alınması gerekmektedir. Avrupa da çok sayıda sondalı ısı pompası sistemi yıllardan beri herhangi bir arıza göstermeden çalışmakta ve giderek daha yaygın olarak kullanılmak olması, Ülkemizde de ısı pompalarını kullanılmasına örnek olmaktadır (Viessmann, 2007). Yapılan ölçümler, uygun hidrojeolojik şartlar altında (özellikle akar yeraltı suyu mevcut ise) toprak altında daimi bir soğumaya sebep olmadan, monovalent bir ısı pompası işletmesinin mümkün olduğunu göstermektedir (Viessmann, 2007). Sondaların planlanması ve yerleştirilmesi için, toprak zeminin özelliklerinin, katmanlarının toprak direncinin ve mevcut olan yeraltı suyunun seviyesinin ve bu suyun akış yönünün bilinmesi şarttır. Normal hidrojeolojik şartlar altında ortalama sonda kapasitesi 50 W/m sonda uzunluğu olarak kabul edilmektedir. Daha verimli bir yeraltı suyu ortamında daha yüksek kapasiteler elde edilebilmektedir Isı Kaynağı Olarak Su Kullanımı Yeraltı suyu güneş ısısını depolamak için uygun bir ortamdır. Soğuk kış günlerinde dahi +7 ile +12 C arasında sabit bir sıcaklıkta olması oldukça avantajlıdır. Isı kaynağının sıcaklık seviyesinin sabit kalması nedeniyle ısı pompasının performans katsayısı bütün yıl boyunca yüksektir. Her yerde yeterli ve iyi kalitede yeraltı suyu bulmak maalesef mümkün değildir. Fakat şartların uygun olduğu yerlerde kullanılması oldukça faydalıdır (Viessmann, 2007). Oksijen ihtiva etmeyen yeraltı sularında oldukça yüksek miktarda demir ve mangan bulunmaktadır. Bu durumda yeraltı suyu çevre havası ile temas etmemelidir veya uygun bir duruma getirmek için şartlandırılmalıdır. 21

34 Şekil Su Kaynaklı Isı Pompası Örnekleri (Anonim, 2006) Şekil Çift Kuyulu Ve Sarmal Göl Kaynaklı Isı Pompaları(Anonim, 2007) Genelde suyun niteliği aşağıdaki çizelgede verilen değerlere uygun olmalıdır. Burada eşanjörde kullanılan malzemenin paslanmaz çelik veya bakır olması arasında fark bulunmaktadır. Sınır değerlerine uyulması durumunda işletmede herhangi bir sorun olmamaktadır. Yeraltı suyunun kullanılması için ilgili makamdan izin alınmalıdır. Isıdan faydalanmak için bir emiş kuyusu ve bir basma kuyusu hazırlanmalıdır. Göller ve ırmaklar da ısı depolayıcı olduklarından ısı kazanılması için uygun ortamlardır. Bu durumda bir ara devre planlanmalıdır (Viessmann, 2007). 22

35 2.3.3 Isı Kaynağı Olarak Hava Kullanımı Hava kaynaklı ısı pompaları toprak altı ve yeraltı suyu ısı pompaları gibi bütün yıl boyunca işletilebilir. Yapısı günümüzün standartlarına uygun olan binalarda hava/su ısı pompaları monovalent (tekli) veya bir elektro ısıtıcı seti ile tek enerjili olarak kullanılabilir. Hava ısı kaynağı olarak kolayca kullanılabilir ve sonsuz miktarda mevcuttur (Viessmann, 2007). Hava burada dış hava anlamında kullanılmaktadır. Oturulan binalardaki mahal havasının ısıtma sistemlerinde ısı kaynağı olarak kullanılması genelde gereksizdir. Bu sadece özel durumlarda, örn. ticari binalarda ve endüstride atık ısı kullanılmasında faydalı bir yöntemdir. Hava ısı pompalarında ısı kaynağı boyutlandırılması cihazın yapı ve büyüklüğüne bağlıdır. Burada gerekli olan hava miktarı cihaza entegre edilmiş bir fan ile hava kanalları üzerinden buharlaştırıcıya gönderilir ve soğutulur (Viessmann, 2007). Şekil Hava Kaynaklı Isı Pompasıyla Soğutma Çevrimi 23

36 Şekil Hava Kaynaklı Isı Pompasıyla Isıtma Çevrimi(Anonim, 2006) 2.4. Temiz Enerji Evinde Kullanılan Isı Pompalarının İşletme Türleri Isı pompalarını işletme türü mevcut binaya ve ısı dağıtım sistemine bağlıdır. Gidiş suyu sıcaklığının, ısı pompasının maksimum gidiş suyu sıcaklığının (55 C) üzerinde olması gerekli ise, ısı pompası sadece normal bir ısı üreticine destek olarak kullanılabilir. Yeni inşaatlarda ısı dağıtım sistemini seçme olanağı mevcuttur. Burada mümkün olduğu kadar yüksek bir yıllık performans faktörü elde edebilmek için maksimum gidiş suyu sıcaklığı 35 C olarak seçilmelidir. Sistem tekniğine bağlı olarak aşağıdaki işletme türlerinden biri seçilebilir: Monovalent (Tekli) İşletme Monovalent işletmede ısı pompası, binanın ısıtma yükünü tek başına karşılayan ısı üreticisi olarak kullanılır. Burada, bağlanmış olan ısı dağıtım sisteminin ısı 24

37 pompasının gidiş suyu sıcaklığının altında bir değere projelendirilmiş olması şarttır. Yüksek yıllık performans faktörlerine ise, sadece ısı dağıtım sisteminin maksimum gidiş suyu sıcaklığı yaklaşık 35 C ise ulaşılabilir (Viessmann, 2006) Bivalent (İkili) İşletme Bivalent işletilen bir ısıtma sisteminde iki adet ısı üreticisi mevcuttur. Elektrikli ısı pompası en az bir adet katı, sıvı veya gaz yakıtlı ısı üreticisi ile kombine edilir Yedekli İşletme İkinci ısı üreticisinin diğeri ile aynı enerji tipi (elektrik akımı) ile çalıştırıldığı bivalent işletme türü. Burada, tesisat gidişine bir ısıtma suyu eşanjörü veya boylerde ve/veya ısıtma suyu depo boylerinde bir elektrikli ısıtıcı seti kullanılabilir (Viessmann, 2006) Temiz Enerji Evinde Kullanılan Isı Pompalarının Yıllık Performans Faktörü ve Performans Sayısı Enerjiyi daha verimli ve etkin bir biçimde kullanmak bizim için zorunluluk haline gelmiş ve enerjinin ne kadar verimli kullanıldığının belirlenmesinde, verimlilik ile ilgili kavramların ve bunların standart değerlerinin bilinmesi büyük önem taşmaktadır. Isıtma, iklimlendirme ve soğutma endüstrisinde, sırasıyla, etki katsayısı (COP) ve yanma verimi gibi, etkinlik ve verimi açıklayan birçok terim kullanılır. Genelde, bu terimlerin birçoğu eş anlamlıdır. Değişik HVAC (Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme) Sistemleri kıyaslandığı zaman, bu terimlerin nasıl belirlendiğini ve ilişkisini anlamak çok önemlidir (Hepbaşlı, 1999) Performans Faktörleri Etki katsayısı (COP), soğutucu akışkan kullanılan sistemlerin verimini belirtir. Bu terim, ısı pompası gibi, ısıtma verimi veya soğutma veriminin her ikisini belirtmek 25

38 için kullanılır. Soğutma için, soğutma etki katsayısı (SEK) adını alır ve birbirine uygun birimlerde, çekilen ısı miktarının kompresöre verilen enerji miktarına oranı olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, cihazın kw soğutma başına ürettiği enerjinin, toplam çektiği enerjiye oranıdır (Hepbaşlı, 1999). COP = Soğutma Etkisi / İş Girişi = Q L / W net,g (2.3) Isıtma için ise, ısıtma etki katsayısı (IEK) elde edilen ısı miktarının, kompresöre verilen enerji miktarına oranıdır (Hepbaşlı, 1999). IEK = Isıtma Etkisi / İş Girişi = Q H / W net,g (2.4) IEK = SEK + 1 (2.5) COP, aynı zamanda standart değerde veya mevsimsel koşullarda verimi belirlemek için kullanılabilir. Kullanımına bağlı olarak, iç ve dış ünite fanları, soğutulmuş su pompaları veya soğutma kuleleri gibi, yardımcı sistemlerin enerji tüketimlerini içerebilmektedir. Kıyaslama amaçları için kullanıldığı zaman, COP ne kadar büyükse, sistem o kadar çok verimlidir. Elektrikli ısıtıcı için COP = 1 olduğundan, 1 den daha yüksek değerler, aynı miktarda elektrik enerjisi verilirken, daha fazla ısının elde edildiğini gösterir (Hepbaşlı, 1999). Isı pompaları düşük dış hava sıcaklıklarında daha az verimlidir. COP, dış hava sıcaklığının değeri düştükçe azalır. Isı pompalarının, SEK ve IEK şu bağıntıları: SEK SM,tr = 1 / [ (T H / T L ) - 1 ] (2.6) IEK IP,tr = 1 / [ 1 - (T L / T H ) ] (2.7) Ayrıca klima cihazlarının ve ısı pompalarının üzerine enerji verimlilik oranının (EVO veya EER) değeri bulunması bir zorunluluktur (Hepbaşlı, 1999). 26

39 EER net soğutma kapasitesinin, verilen toplam elektrik enerjisine, oranıdır. EER = Q ns (Btu/h) / W te ( Btu / W-h ) (2.8) EER ne kadar yüksek ise, sistem o kadar verimlidir (Hepbaşlı, 1999). COP = EER / (2.9) EER; Amerika standartlara göre minimum 9 dur (Hepbaşlı, 1999). * Isıtma Mevsimsel Performans Faktörü (IMPF veya HSPF), tüm ısıtma sezonu boyunca, ısı pompasıyla verilen ısı enerjisinin, elektrik enerjisi tüketimine oranıdır. HSPF = (Q IP + Q IL ) / ( W IP + W IL ) (2.10) Q IP = Sezon boyunca ısı pompasına verilen ısıtma enerjisi, Btu / h Q IL = Sezon boyunca ısı pompasına verilen elektrik enerjisi, W W IP = Sezon boyunca ek olarak verilen ısıtma enerjisi, Btu /h W IL = Sezon boyunca ısı pompasına verilen ısıtma enerjisi, W Isıtma mevsimsel performans faktörü, günümüz ısı pompası teknolojisiyle, 2 den daha yüksektir. Bu faktör genelde 17 kw tan az olan ısı pompalarında kullanılır. HSPF birimi Btu/W-h dır. Bu terimin, iç ve dış ünite fanları gibi yardımcı sistemlerin enerji miktarlarını içerdiğine dikkat edilmelidir. Kıyaslamada HSPF ne kadar büyükse, sistem o kadar verimlidir (Hepbaşlı, 1999). Isıtma modunda bir ısı pompasının verimi olan HSPF, yeni ısı pompaları için, 1992 yılında Amerika da hükümet tarafından minimum 6.8 olarak belirlendi

40 yılından önce imal edilen çoğu ısı pompalarının HSPF değerleri 5 in altında idi. Bugün, IMPF = 7.5 veya daha fazlası yüksek verimli olarak değerlendirilir, günümüzde kullanılan en yüksek HSPF verimi 10 dur (Hepbaşlı, 1999). Büyük ticari ve endüstriyel iklimlendirme cihazları, ısı pompası ve soğutucu sistemler için Kilowatt/ton (KWT) faktörü kullanılır. Bu faktör, bir yük koşulunda enerji tüketim miktarının (kw), çekilen ısı miktarına (ton) oranıdır (Hepbaşlı, 1999). KWT = W et / Q ç ( kw/ton ) (2.11) Bu faktör diğer etkinlik ve verimlere ters şekilde tanımlanır yani karşılaştırma yapıldığında kw / ton ne kadar küçükse, sistem o kadar verimlidir. Ton soğutma bir cihazın soğutma kapasitesinin belirlenmesi için kullanılan bir ölçüdür. 24 saatte bir ton buzu eritmeye eşit soğutma etkisidir. Başka bir deyişle, 0 0 C sıcaklıkta 1 ton suyu 24 saatte 0 0 C sıcaklıkta bir ton buza dönüştürmek için çekilmesi gereken ısıl enerjiye eşittir. Bir ton soğutma, 211 kj / dakika veya 200 Btu / dakika = Btu/h a eşdeğerdir (Hepbaşlı, 1999). COP = (12000 Btu / h ) / ( 3412 kw/ton) şeklinde yazılabilir. Mevsimsel Enerji Verimlilik Oranı (SEER) ısı pompası sisteminin ortalama yıllık soğutma verimini belirlemek için kullanılır. SEER; EER ile benzerdir. Ancak, tek kapasite koşulundan daha çok tipik bir mevsimle ilişkilidir. EER ve SEER, eşit olarak kıyaslanamaz. Hava kaynaklı bir cihaz SEER ve jeotermal kaynaklı bir cihaz ise, EER ile değerlendirilir (Hepbaşlı, 1999). SEER, belirli bir standart test yöntemine göre dış hava koşullarının aralığı boyunca EER lerinin ağırlıklı ortalamasıdır ve birimi Btu/W-h dır. Bu terim, sadece 19 kw tan daha düşük soğutma kapasiteli sistemler için kullanılır. 28

41 Karşılaştırma yaparsak SEER ne kadar büyükse, sistem o kadar verimlidir. SEER için günümüzde 19 a ulaşılmıştır. Isı pompalarının gerçek kıyaslamaları, COP yerine SPF (Mevsimsel performans faktörü) ile yapılır. Bu faktör, ısıtma sezonu boyunca, ısıtıcı ekipmanın veriminin bir ölçüsüdür. Günümüz ısı pompası teknolojisiyle, SPF= 2 den biraz daha yüksektir. SPF, Isıtma Mevsimsel Performans Faktörü (IMPF) ile benzerdir. Isı pompası ve ilave ısı kaynağının toplam kış verimidir. Sezonu boyunca toplam alınan enerjinin, toplam verilen enerjiye oranıdır. Bu faktör, bir bakıma, sistemin yıllık elektrik tüketiminin bir göstergesidir. Örneğin; ısı pompasıyla ısıtılan bir konutta, SPF; yıllık gerekli elektrikli ısıtıcı ısısının, ısı pompası sisteminin yıllık elektrik enerjisi tüketimine bölünmesiyle bulunabilir (Hepbaşlı, 1999). Mevsimsel Etki Katsayısı SCOP, ısı pompalarının kıyaslanmasında, son kullanımların kombinasyonu için kombine mevsimsel performans faktörü (CSPF) kullanılır. Mevsimsel etki katsayısı (SCOP) boyutsuz (SCOP = SEER / 3.413) olduğu için, soğutma performans faktörü olarak kullanılır. CSPF tanımı; enerji kullanımındaki önemine göre SPF lerinin ilgili bileşenini vermektedir. CSPF, aşağıdaki gibi tanımlanır (Hepbaşlı, 1999). Isıtma sezonu için (SKS: Sıcak Kullanma Suyu olmak üzere); (Isıtma Yükü/Isıtma SPF) + (SKS Yükü/SKS SPF) = (Isıtma + SKS Yükleri)/CSPF Soğutma sezonu için; (Soğutma Yükü/Soğutma SCOP) + (SKS Yükü/SKS SPF) = (Soğutma+ SKS Yükleri) /CSPF 29

42 Ara sezon veya yıllık için; (Isıtma Yükü/Isıtma SPF) + (Soğutma Yükü/Soğutma SCOP) + (SKS Yükü/SKS SPF) = (Tüm Yükler / CSPF) Bu bölüme kadar yapılan verim ve etkinlik tanımları, sadece termodinamiğin birinci yasasına göre yapıldığından bunlara birinci yasa verimi denir. Birinci yasa verimi tek başına bir başarı ölçüsü değildir. Bu yetersizliği gidermek için, ikinci yasa verimi kullanılır (Hepbaşlı, 1999). Çizelge 2.3. İkinci Yasa Veriminin Isı Pompaları İçin Kısaltmaları (Hepbaşlı, 1999) İkinci yasa verimi, gerçek ısıl verimin, aynı koşullarda olabilecek en yüksek tersinir ısıl verime oranıdır. Kompresör ve soğutma makinaları gibi, iş gerektiren makinalar için; gerekli en az tersinir işin, yapılan yararlı işe oranıdır. η II,İG = 100. W tr / W y (2.12) Soğutma makinası ve ısı pompası için ikinci yasa verimi, etkinlik katsayılarıyla, η II,COP = 100. COP / COP tr (2.13) Ayrıca ısı pompaları için ekserjetik verim (ξ IP ) tanımı da geçerlidir. Enerji; kullanılabilirliği bakımından üçe ayrılır (Hepbaşlı, 1999). a)ekserji: Sınırsız dönüştürülebilen enerji, örneğin; mekanik ve elektrik enerji, b)sıcaklığı, şayet çevre sıcaklığının üstünde ise, ısı gibi, sınırlı dönüştürülebilen enerji 30

43 c)anerji: Dönüştürülemeyen enerji, örneğin; çevre sıcaklığındaki iç enerji Enerji = Ekserji + Anerji şeklinde tanımlanır. Isı pompalarının tasarımında, belli bir ekserjetik verim (ξ IP ) kabulüne göre, T y ve T b, sırasıyla, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı sıcaklıkları olmak üzere, aşağıdaki (2.14) bağıntısı kullanılır (Hepbaşlı, 1999). ξ IP = 100. COP / [ T y / (T y -T b ) ] (2.14) Aslında ikinci yasa verimi tersinir hal değişimlerine ne denli yaklaşıldığının belirlenmesidir. Bu bakımdan, ikinci yasa veriminin sıfır olduğu durumda kullanılabilirlik bitmiştir ve % 100 olduğunda kullanılabilirlik tümüyle korunmuştur. Sistemden Elde Edilen Kullanılabilirlik η II,K = 100 * (2.15) Sisteme Sağlanan Kullanılabilirlik Yok Edilen Kullanılabilirlik( Tersinmezlik ) η II,K = 100 * (2.16) Sisteme Sağlanan Kullanılabilirlik Çizelge 2.4. Etkinlik Katsayı Kısaltmaları KISALTMA Açıklama COP SEK IEK EER HSPF KWT SEER SPF SCOP CSPF Etki Katsayısı(Coefficient Of Performance) Soğutma Etki Katsayısı(Coefficient Of Performance Of Cooling) Isıtma Etki Katsayısı(Coefficient Of Performance Of Heating) Enerji Verimlilik Oranı(Energy Efficiency Ratio) Mevsimsel Isıtma Performans Faktörü(Heating Seasonal Performance Factor) Kw/Ton Mevsimsel Enerji Verimlilik Oranı( Seasonal Energy Efficiency Ratio) Mevsimsel Performans Faktörü(Seasonal Performance Factor) Mevsimsel Etki Katsayısı(Seasonal Coefficient Of Perfonmance) Kombine Mevsimsel Perf. Faktörü(Combined Seasonal Performance Factor) 31

44 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Temiz Enerji Evinde Kullanılacak Isı Pompasının Ekipmanlarının Tasarlanması Isı pompası sistemini oluşturan kompresör, buharlaştırıcı, genleşme vanası, ve yoğuşturucunun sürekli rejimde basit buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi içinde tasarlanması buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevriminde yola çıkılarak hesaplanır. Şekil 3.1. Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompası Çevrimi (Hepbaşlı vd., 2001) Kompresörün Tasarımı Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrim grafiğine göre sıkıştırma işleminin politropik olduğu kabul edilerek soğutucu akışkanın kütlesel debisi; V c n c η vol m f = (3.1) ν 1 Burada volumetrik verim; P cd η vol = c v [ 1+ r 1-1/n ] (3.2) P ev 32

45 Kompresörün harcadığı güç; m f (h 2s h 1 ) Ẅ komp = (3.3) η ik η mek η em Yoğuşturucunun Tasarımı Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrim grafiğine göre yoğuşturucuda toplam ısı geçiş katsayısı U cd değeri sabit kabul edilirse; Q f = m f (h 2 h 3 ) (3.4) Q cd = m su c psu (t so t si ) (3.5) Q f = Q cd + Q ls (3.6) t 2 + t cd Q ls = (UA) ls - t a 2 (3.7) Soğutucu akışkanın verdiği ısı (3.4), (3.5) su tarafından alınan ısı, (3.7) çevreye ısı kaybıdır (Hepbaşlı, 2001). Ortalama sıcaklık farkı; ( t so t si ) Δt m = (3.8) t cd - t si ln [ ] t cd - t so Q cd = (U A) cd Δt m (3.9) (U A) cd ε cd = 1- exp [ - ] (3.10) m su c psu 33

46 Q cd = m su c psu ε cd (t cd t si ) (3.11) Buharlaştırıcının Tasarımı Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrim grafiğine göre buharlaştırıcı hava soğutmalı olup, toplam ısı geçiş katsayısı U ev iki fazlı akış ve aşırı kızdırma bölgelerinde sabit kabul edilir ve buharlaştırıcıda soğutucu akışkan ile hava arasındaki ısı geçişi; Q ev = m f (h 1 h 4 ) (3.12) Q ev = m a c pa (t ai t ao ) (3.13) ( t ai t ao ) Δt m = (3.14) t ai t ev ln [ ] t ao t ev Q ev = (U A) ev Δt m (3.15) (U A) ev ε ev = 1- exp [ - ] (3.16) m a c pa Q ev = m a c pa ε ev (t ai - t ev ) (3.17) 3.2. Temiz Enerji Evinde Uygulanacak Sistemin Projelendirilmesi Temiz enerji evinde uygulanacak sistemlerinin doğru boyutlandırılması, sistemin düzgün çalışabilmesi için en önemli unsurdur. Gereğinden büyük olarak seçilen cihazlar sistemin masraflarını gereksiz yere artırmaktadır. Önce standart bina ısı gereksinimi Q N tespit edilmelidir. Tüm ısıtma sistemleri için bina ısı gereksinimi DIN 4701 e göre hesaplanmalı ve sisteme uygun bir ısı pompası seçilmelidir (Viessmann, 2006). 34

47 Isıtılan alan temel alınarak ısı gereksiniminin pratik ve yaklaşık hesaplanması; Isıtılan alan (metrekare cinsinden) aşağıdaki spesifik ısı gereksinimi değeri ile çarpılır: Düşük enerji evi W/m2 Yeni bina, ısı izolasyonu iyi W/m2 Ev, ısı izolasyonu normal W/m2 Eski yapı, ısı izolasyonu iyi değil W/m2 Örnek olarak: İyi ısı izolasyonlu bir yeni yapı, 180 m2 yaklaşık ısı gereksinimi 9 kw Monovalent işletmede ısı pompası sistemi tek ısı üreticisi olarak binanın DIN 4701 e uygun toplam ısı gereksinimini karşılamalıdır (Viessmann, 2006). Kullanma suyu ısıtması için ısı gereksinimi ise; Normal bir ev için maksimum sıcak su gereksinimi kişi başına günde yaklaşık 50 litre ve yaklaşık 45 C olarak kabul edilmektedir. Bu değer kişi başına yaklaşık 0,25 kw ilave ısıtma gücüne eşittir (8 saat ısıtma). Bu artırım sadece, ek ısıtma gücünün toplamı DIN 4701 e göre hesaplanmış olan ısı gereksiniminin % 20 sinden daha büyük ise dikkate alınır (Viessmann, 2006). Çizelge 3.1.a. Sıcak Su Gereksinimi Kişi Başına Günlük Sıcak Su Su Sıcaklığı 60 o C Tüketimi (lt) Su Sıcaklığı 45 0 C Spesifik Faydalı Isı W h /gün /kişi Kulanım Suyu Isıtması İçin Artırım kw/kişi Düşük Gereksinim ,08 0,15 Normal Gereksinim ,15 0,30 35

48 Çizelge 3.1.b.Sıcak Su Gereksinimi Alternatif Hesap Kişi Başına Günlük Sıcak Su Daire(Sarfiyata Göre) Referans Sıcaklık 60 o C Gereksinimi (lt) Referans Sıcaklık 45 0 C Spesifik Faydalı Isı W h /gün /kişi Kulanım Suyu Isıtması İçin Artırım kw/kişi Yakl Yakl. 0,15 Daire(Yaklaşık) 31,5 45 Yakl.1800 Yakl.0,225 Müstakil ev Yakl.2000 Yakl.0, Kullanılacak Isı Kaynağı Seçimi Toprak Kolektörleri Isı, toprak kolektörleri veya sondalar üzerinden alınmaktadır Topraktaki ısı enerjisi antifriz devresine verilir, bu devre de ısıyı ısı pompasındaki çevrim akışkanına aktarır. Toprak Antifriz Devresi Çevrim Akışkanı Şekil 3.2. Isı Kaynağı olarak Toprak Kolektörü Çalışma Şeması Topraktaki sıcaklık değişimi; toprağın en üst tabakasının sıcaklığı mevsime göre değişmektedir. Don sınırının altına düşüldüğünde değişme daha az olur. 36

49 Şekil 3.3. Toprağın Yıllık Sıcaklık Değişimi (Anonim, 2006) Toprak kolektörlerinin projelendirilmesi ise; Toprak ısı kaynağında en üst tabaka olarak 1,2 ile 1,5 m arası derinlik kabul edilmektedir. Isı, ısıtılacak binanın yakınında, üzerinde bina bulunmayan bir araziye döşenmiş olan bir eşanjör üzerinden aktarılmaktadır (Viessmann, 2006). Depolama işlemi, güneş ışınlarının havadan doğrudan transferi veya yağışlar yoluyla gerçekleşmektedir. Bu ısı kaynağı ısıtma periyodu sona erdiğinde, soğumuş olan toprağın rejenerasyonunu da sağlamaktadır. Daha derin tabakalardan yukarıya doğru akan ısı sadece 0,063 ile 0,1 W/m 2 arasındadır ve üst tabakalar için ısı kaynağı olarak ihmal edilebilir. Faydalı ısı miktarı gerekli alanın boyutları toprak altı katmanlarının termofiziksel özelliklerine ve iklim şartlarına bağlıdır (Viessmann, 2006). Hacimsel ısı kapasitesi ve ısı iletim katsayısı gibi termik özellikler toprak altındaki katmanların bileşimine ve niteliğine bağlıdır. Burada faktör olarak su oranı, kuvars, feldspar gibi minerallerin oranı ve toprağın hava dolu gözeneklerinin büyüklükleri ve oranları en önemli faktörlerdir. Basitçe ifade edersek; depolama özellikleri ve ısı 37

50 iletim katsayısı toprakta bulunan suyun ve minerallerin miktarı arttıkça ve gözenek miktarı azaldıkça artar (Viessmann, 2006). Toprak altından çekilen ısı kapasitesi yaklaşık 10 ile 35 W/m2 arasındadır. (döşeme aralığı yaklaşık 0,5 ile 0,7 m arası olmalıdır). Kumlu kuru zemin q E = W/m 2 Kumlu yaş zemin q E = W/m 2 Killi kuru zemin q E = W/m 2 Killi yaş zemin q E = W/m 2 Yeraltı suyu olan zemin q E = W/m 2 Isı pompasının kullanılacağı mekanın ısı gereksinimine ve toprağın niteliğine bağlı olarak gerekli toprak alanı tespit edilirken, gerekli toprak alanı ısı pompasının soğutma gücüne Q K göre hesaplanır. Isı pompasının soğutma gücü (Q K ) ısı pompasının ısıtma gücü (Q WP ) ile çekilen güç (P WP ) arasındaki farka eşittir. Q K = Q WP P WP (3.18) Örnek olarak ısı gereksinimi 8,4 kw olan bina için, Q K = 8,4 kw (3.19) Spesifik Isı Çekme Gücü P E 25 W/m 2 ise Gerekli Alan (F E ) F E = Q K / P E m 2 (3.20) F E = 8400 / 25 = 336 m 2 toprak alanı 38

51 Bu alandan ısı çekmek için borular toprağa birkaç defa dolanarak döşenmeli ve boru döngüleri aynı uzunlukta olmalıdır. Pratikte boru döngü uzunlukları 100 m olarak uygulanmaktadır. Şekil 3.4. Serili Toprak Kolektör Örneği(Anonim, 2004) Bu örnekte 336 m 2 x 1,43 m boru/m 2 = 480 m boru hesaplanmaktadır ki bu 100 m uzunluğunda 5 boru döngüsüne eşittir. İleride revizyon çalışmaları yapabilmek için gidiş ve dönüş kolektörleride ulaşılabilecek şekilde toprağa yerleştirilmelidir. Kullanılacak tüm borular, form parçaları vb. korozyona dayanıklı malzemeden yapılmalıdır. Yoğuşma oluşmaması için evdeki tüm boru hatlarına ve duvar geçişlerine buhar difüzyonu olmayacak şekilde ısı izolasyonu yapılmalıdır. Gidiş ve dönüş hatlarında bulunan antifriz, bodrum havasından daha soğuktur. Yani büyük ihtimalle yoğuşma yaşanır. Yoğuşma drenajı sistem için gerekli bir aparattır (Viessmann, 2006). 39

52 Sondalar Yeterince büyük olmayan arazilerde kolektör yerine sonda kullanılabilir Çift U-boru sonda Diğer bir alternatif de, bir kuyuya iki adet plastik çift U-boru döngüsü yerleştirmektir. Toprak ile borular arasındaki tüm boşluklar ısıyı iyi ileten bir malzeme (betonit gibi) ile doldurulmalıdır. Soğumuş antifriz bu durumda da en derin noktaya kadar akar ve tekrar ısı pompasının buharlaştırıcısına geri döner. Bu işlem sırasında da topraktan ısı çeker. Çalışmalarda, spesifik ısı akımının oldukça değişken olduğunu ve 20 ile 100 W/m sonda uzunluğu olduğunu göstermektedir. Şekil 3.5. Çift U Borulu Sonda Örneği(Anonim, 2006) Kumlu kuru zemin Kumlu yaş zemin Taşlı yaş zemin Yeraltı suyu olan toprak katmanlar q E = 20 W/m q E = 40 W/m q E = 60 W/m q E = W/m arası İki sonda arasındaki mesafe 5 ile 6 m arasında olması gerekir (Viessmann, 2006). 40

53 Ortalama bir değer olarak 50 W/m hesaplandığında bu, örnek olarak soğutma gücü 6,5 kw için 130 m bir sonda veya 65 m iki sonda anlamına gelmektedir. Ülkemizde bu sistemler kurulmadan önce İl Su İşleri Genel Müdürlüğü ne haber verilmelidir. Aynı şekilde kuyu açarken yeraltı suyu taşıyan bir katmana rastlandığında ilgili makamlara haber vermek ve kullanım izni alma zorunluluğu bulunmaktadır Toprak Kolektörü Seçimi Gerekli Alan F E = Q K / q E ve 2 x F E / 100 = 100 metre uzunluğunda boru döngüsü sayısı için Çekilen Ortalama Güç q E = 25 W/ m 2 baz alınarak. Çizelge 3.3. Toprak Kolektörü Seçimi(Viessmann, 2006) Soğutma Gücü Q K (kw) Gerekli Alan m 2 Her 100 m PE boru için gerekli döngü sayısı DN 32 x 3 DN 25 x 2,3 3, , , , , , , Çizelge için tam projelendirme verileri toprağın niteliğine bağlıdır ve sadece yerinde tesbit edilebilir. DN 32 x 3 PE borularda döşeme aralığı yaklaşık 0,7 m olarak kabul edilmiştir. (1,43 m boru / m 2 ). DN 25 x 2,3 PE boru seçildiğinde döşeme mesafesi 0,5 m olmalıdır (2 m boru / m 2 ), bu durumda boru döngü uzunluğu 100m dir. 41

54 Sonda Seçimi Çekilen ortalama güç q E = 50 W / m sonda için Çizelge 3.4. Sonda Seçimi (Viessmann, 2006) Soğutma Gücü Q K ( kw ) DN 32 x 3 için Sonda(Çift Borulu), Adet x Uzunluk(m) 3,7 1 x x 100 6,5 2 x 65 8,4 2 x x 75 12,7 3 x 90 7,4 2 x x x 90 16,8 4 x x 88 25,4 5 x 100 Sistemin tam olarak projelendirilmesi toprağın niteliğine ve su taşıyan katmanlara bağlıdır Pratik Projelendirme Örneği Bina ısı gereksinimi: 4,8 kw 3 kişilik aile için kullanım suyu artırımı 0,75 kw(bina ihtiyacı x 0.2) Binanın güç gereksinimi 5,76 kw Sistem sıcaklığı (-14 0 C min.dış hava sıcaklığı için) 45/40 0 C Sistem için ısıtma gücü 6,4 kw, 42

55 Soğutma gücü Q k = 5 kw olan antifriz / su ısı pompası seçilirse; Toprak kolektörü seçimi; Çekilen ortalama güç q E = 25 W / m 2 Q K = 5 kw F E = Q K / q E = (5000 W ) / 25 W/m 2 = 200 m 2 Gerekli boru döngüsü sayısı X (PE boru DN 25 x 2,3), her biri 100 m uzunluğunda: X = F E x 2 / 100 = 200 x 2 / 100 = 4 boru döngüsü Boru hacimleri çizelgesinde 32 x 3 için 0,531 litre/m bulunur Isı Taşıyıcı Akışkan Miktarı Sonda sayısı birden büyük ise besleme hattı boru döngülerinden daha büyük seçilir. Isı pompalı üretici firmalar besleme hattını DN 40 veya DN 63 olarak önermektedir. Sonda çift U borulu olarak besleme hattı 10m ( 2 x 5 m) m = Sonda uzunluğu x 2 x Boru hattı hacmi + besleme hattı uzunluğu x boru hattı hacmi m = 2 x 100m x 2 x 0,531 l/m +10m x 0,531 l/m = 217,7 litre, 240 litre seçilir. Çizelgede gri işaretlenmiş bölgede laminer, diğer bölgelerde türbülanslı akış mevcuttur. Isı taşıyıcı akışkan tyfocor (% 45 polipropilen karışımı, donma noktası 28 0 C ) için R değerleri (kinematik viskozite = 4 mm 2 /s, Yoğunluk = 1050 kg/m 3 ) 43

56 Çizelge x 2,3 mm HDPE Boru İçin Basınç Kayıpları(Anonim, 2006) Çizelge x 3 mm HDPE Boru İçin Basınç Kayıpları(Anonim, 2006) Çizelge 3.7. Boruların hacimleri (Anonim, 2006) Boru basınç kayıpları çizelgesinde ısı pompası debisi 1600 litre/saat 44

57 Her U borunun debisi 1600/2 = 800 litre/saat Δp = R değeri x boru uzunluğu Δp çift borulu sonda =154,78 Pa/m x 2 x 100 m =30956 Pa Δp besleme hattı = 520,61 Pa/m x 10 m = 5206,1 Pa Δp ısıpompası =9000 Pa Δp = = Pa = 451,56 mbar = 4,5 mss Antifriz Devresi İçin Membranlı Genleşme Tankı Seçimi V A = Sistemin Toplam Hacmi (Antifriz) V N = Genleşme Tankının Anma Hacmi V Z = Sistem Isındığında Hacim Azalması = V A x β (β Genleşme Katsayısı = 0,01) V V = Emniyet miktarı (Isı taşıyıcı akışkan Tyfocor) = V A x (0,005), minimum 3 litre (DIN 4807 ye göre) p e = Maksimum Çalışma Basıncı (bar) = p si 0,5 p si = Emniyet Valfinin Tahliye basıncı = 3bar p st = Azot ön basıncı (0,5) V N = (( V Z + V V ) / ( p e p st )) x (p e + 1) V A = Toprak kolektörünün hacmi + ısı pompasının hacmi = 180 litre 45

58 V Z = V A x β = 180 x 0,01 = 1,8 litre V V = V A x 0,005 = 180 x 0,005 = 0,9 litre ==> seçilen 3 litre V N (( 1,8 + 3) / (2,5-0,5)). (2,5 + 1) = 8,4 litre Sondada membranlı genleşme tankının hacmi; V A = Sondanın hacmi + ısı pompasının hacmi = 240 litre V Z = V A x β = 240 x 0,01 = 2,4 litre V V = V A x 0,005 = 240 x 0,005 = 1,2 litre ==> seçilen 3 litre V N (( 2,4 + 3) / (2,5-0,5)). (2,5 + 1) = 9,45 litre Su Kaynaklı Isı Pompası için Isı Kaynağının Pratik Hesaplanması Su kaynaklı ısı pompaları yeraltı suyunun, belirli yüzey sularının veya soğutma suyunun ısısını alarak çalışmaktadır. En yüksek kapasite değerlerine su/su ısı pompaları ulaşabilir. Yeraltı suyunun sıcaklığı bütün yıl boyunca hemen hemen sabittir ve 7 ile 12 0 C arasında değişmektedir. Bu sebepten sıcaklık seviyesi ısıtma amacıyla kullanılmak için, diğer ısı kaynaklarına nazaran daha az miktarda yükseltilmelidir. Burada yaklaşık 15 m den daha derinden yeraltı suyu basılmaması önerilir (bu durum müstakil evler için de geçerlidir). Aksi takdirde pompa sisteminin masrafı çok yüksek olmaktadır. Ticari yerlerde veya büyük sistemlerde daha derinlerden de su çekilmesi uygun olabilir. Akışta bir kısa devre oluşmasını önlemek için su emiş ve geri basma yeraltı suyunun akış yönünde olmalıdır ve su emiş kuyusu ile geri basma kuyusu arasındaki mesafe 5 m olmalıdır. Burada yeraltı suyunun akış yönü de dikkate alınmalıdır. 46

59 Basma kuyusu, çıkan suyun yeraltı su seviyesinin altında kalacak şekilde yapılmalıdır (Viessmann, 2006). Yeraltı suyu basma pompası ile ısı pompasındaki buharlaştırıcıya ulaştırılır. Buharlaştırıcıda ısısını soğutucu akışkana vererek onu buharlaştırır. Yeraltı suyu uygulamaya bağlı olarak 5 0 K kadar soğur; bunun dışında niteliğinde bir değişiklik meydana gelmez. Daha sonrada basma kuyusu üzerinden tekrar yeraltı suyuna geri verilir (Viessmann, 2006). Suyun kalitesine bağlı olarak kuyularla ısı pompası arasında bir sistem ayırımı yapmak uygun olabilir. Yeraltı suyunun ısı pompasına giriş ve çıkış hatları dona karşı korunmalı ve kuyuya doğru, eğimli olarak döşenmelidir. Örnek: Isı gereksinimi 12 kw Minimum dış hava sıcaklığı 14 C Maksimum gidiş suyu sıcaklığı 45 C Burada, su/su ısı pompası olarak ısı gereksinimi 12 kw içinviessmann Vitocal300, Tip WW 113 seçilir. Bu ısı pompasının 10 C sabit su sıcaklığındaki soğutma gücü 13,6 kw ve ısıtma gücü de 17,6 kw tır. Bu değerlere kullanma suyu ısıtması da dahildir. 47

60 Şekil 3.6. Su Kaynaklı Örnek Isı Pompası Kapasite Diyagramı (Anonim, 2006) Gerekli Su Miktarının Tespiti Hacimsel debi, yani gerekli su debisi, cihazın gücüne ve soğumaya bağlıdır. Tam olarak aşağıdaki gibi hesaplanır: Q K = m. c p. ( t WQE - t WQA ) (3.21) m = V. ρ (3.22) Soğutma gücü Q K ısı pompasının ısıtma gücü Q WP eksi elektriksel tahrik gücü P WP dir. Q K = Q WP - P wp (3.23) Örnek: Hacimsel debi, 2,5 m 3 /h ve soğutma 4 K, buharlaştırıcıya verilen ısı akışı 11,6 kw (soğutma gücüne eşittir). 48

61 Q WP = Isıtma gücü kw Q K = Soğutma gücü kw m = Kütlesel debi kg/h V = Hacimsel debi m 3 /h Ρ = Yoğunluk kg/m 3 t wqe = Isı kaynağı giriş sıcaklığı K t wqa = Isı kaynağı çıkış sıcaklığı K c p = Spesifik ısı kapasitesi kwh/kg.k P WP = Çekilen elektirik gücü kw Q K = 2,5 m 3 /h kg/m 3. 1, kwh /kg. K. 4K =11,63 kw 3.3. TEMİZ ENERJİ EVİNDE KULLANILACAK ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ Ekserji tersinir bir süreç sonunda çevre ile sistemin denge haline gelmesi durumunda elde edilebilecek maksimum iş miktarı olarak tanımlanır Ekserji; enerjinin belirli termodinamik koşullar altında diğer bir tür enerji şekline dönüşebilen bölümüdür. Tersinmez işlemlerde her zaman belirli bir miktar entropi artışıyla birlikte iş kaybı oluşmasına rağmen, en fazla iş tersinmez işlemlerde elde edilir. Ekserji, ideal veya tersinir işlemler dışında, enerji gibi korunan bir büyüklük olmadığı için enerjinin korunumu yasasına uymaz (Hepbaşlı, 2005). 49

62 Ekserji; kütle veya enerji akışının özellikleriyle birlikte, ortamın özelliklerine de bağlıdır ve ortam ile denge durumunda sıfıra eşittir. Ekserjide sadece tersinir işlemler için termodinamiğin birinci yasasını dikkate alır. Tersinmez işlemlerde tamamen veya kısmen tükenir. Yani tersinir işlemlerde sürekli olarak korunur, tersinmez işlemlerde tüketilir (Hepbaşlı, 2005). Ekserjinin hesaplanabilmesi için, çevrenin, basınç, sıcaklık ve kimyasal bileşiminin bilinmesi gerekir ayrıca tersinir bir süreç için hal değişiminin de bilinmesi gerekir. Sürecin giriş noktası ile çıkış noktaları için geçerli olan koşulların bilinmesi gereklidir. Aşağıda eşitlikler verilmiştir (Hepbaşlı, 2005). Kütle giriş çıkışı sabit; Σ m giriş = Σ m çıkış (3.24) Enerji dengesi sağlanmış; Σ E giriş = Σ E çıkış (3.25) Termodinamiğin I. kanununa göre aşağıdaki enerji denklemi kullanılmıştır. Q + Σ m giriş h giriş = W + Σ m çıkış h çıkış (3.26) burada Q = Q net,giriş = Q giriş - Q çıkış net kütle girişi, W = W net,çıkış = W çıkış - W giriş net iş, h ise özgül entalpidir (Hepbaşlı, 2005). Entropi dengesi ise; S giriş S çıkış + S gen = 0 (3.27) Burada S giriş - S çıkış ısı ve kütleyle oluşan net entropi, S gen ise üretilen entropidir. Genel entropi ısı entropisiyle kütlesel entropinin toplamıdır; (Hepbaşlı, 2005) S ısı = Q k / T k (3.28) S kütle = ms (3.29) 50

63 S gen = Σ m çıkış s çıkış Σ m giriş s giriş Σ Q k /T k (3.30) Genel ekserji dengesi ısı, iş ve kütleden gelen ekserjinin yıkım ekserjisine olan eşitliğidir; Ex giriş Ex çıkış = Ex dest (3.31) veya Ex ısı Ex iş + Ex kütle,giriş Ex kütle,çıkış = Ex dest (3.32) Aynı şekilde yukarıdaki denklemi daha açık yazarsak; T 0 Σ ( 1- ) Q k W + Σ m giriş ψ giriş Σ m çıkış ψ çıkış = Ex dest (3.33) T k Bununla birlikte Ψ = (h h 0 ) T 0 (s s 0 ) (3.34) Q k, k noktasına ve T k sıcaklığındaki ısı transferidir (Hepbaşlı, 2005). W iş, ψ akış ekserjisi, h entalpi, s entropiyi simgelemektedir. T 0 sınırlandırılmış bölge ısısıdır (Hepbaşlı, 2005). Tersinebilirlik, kayıp ekserji ve oluşan entropi kullanılarak bulunabilir. İ = Ex dest = T 0 S gen (3.35) Bilindiği gibi verim alınan enerjinin verilen enerjiye oranıdır (Hepbaşlı, 2005). 51

64 Isı pompalarında performans faktörü (verim) bilindiği gibi pompası verimi COP HP,act ve sistem verimi COP sistem,act olarak; ile gösterilir. Isı Q sh COP HP,act = (3.36) W comp Q sh COP sistem,act = (3.37) Σ W giriş Q sh ısı yükü, W comp kompresöre verilen iş, ΣW giriş sisteme verilen toplam iştir. Isı pompalarında ekserji verimiliği; COP C,h ε HP,1 = (3.38) COP HP,act T H COP C,h = (3.39) T H - T L ideal Carnot çevriminde ( düşük ve yüksek ısı kaynaklı) çalışan ısı pompasının maksimum ısıtma performans faktörüdür. Ekserji verimliliği ayrıca; Ex çıkış Ex dest ε 2 = = 1 - (3.40) Ex giriş Ex giriş Ex istenen,çıkış ε 3,HP = (3.41) Ex kullanılan 52

65 Ex istenen,çıkış sistemden toplam ekserji transferi, Ex kullanılan sisteme verilen ihtiyaç olan ekserjidir. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcıda ekserji soğuk kütle akışının, sıcak kütle akışına oranıdır (Hepbaşlı, 2005). m soğuk ( ψ soğuk,çıkış ψ soğuk,giriş) ε HE = (3.42) m sıcak (ψ sıcak,giriş ψ sıcak,çıkış ) Isı Pompası Ekipmanlarında Ekserji Analizi Kompresör, yoğuşturucu, genleşme valfi, buharlaştırıcı, eşanjör ve fan-coilden oluşan basit bir ısı pompasında ekserji analizi; Şekil 3.7. Ekserji Analizi İçin Çevrim Grafiği Kompresör için (Çevreye verilen ısı ihmal edilerek); (Can, 1999; Coşkun, 2004) m 1 = m 2 = m r (3.43) W comp = m r ( h 2act h 1 ) (3.44) Ex dest,comp,ent = T 0 m r ( s 1 s 2a ) (3.45) 53

66 Ex dest,comp = m r (ψ 1 ψ 2act ) + W comp (3.46) Yoğuşturucu için; m 1 = m 2 = m r ; m 5 = m 6 = m w (3.47) Q cond = m r ( h 2act h 3 ); Q cond = Q fc = m w C p,w ( T 5 T 6 ) (3.48) Ex dest,cond,ent = T 0 [m r ( s 3 s 2 ) + m w (s 5 s 6 ) ] (3.49) Ex dest,cond = m r (ψ 2act ψ 3 ) + m w (ψ 6 ψ 5 ) (3.50) Genleşme valfi için; m 3 = m 4 = m r (3.51) h 3 = h 4 (3.52) Ex dest,tv,ent = T 0 m r ( s 4 s 3 ) (3.53) Ex dest,valve = m r ( ψ 3 ψ 4 ) (3.54) Buharlaştırıcı için; m 4 = m 1 = m r (3.55) Q buhar = m r ( h 1 h 4 ); Q buhar = Q gh (3.56) Ex dest,buhar,ent = T 0 [ m r (s 1 s 4 ) + m wa (s 7 s 8 ) ] (3.57) Ex dest,buhar = m r ( ψ 4 ψ 1 ) + m wa ( ψ 8 ψ 7 ) (3.58) 54

67 Fan-Coil ünitesi için; m hava,giriş = m hava,çıkış = m hava (3.59) Q fc = m hava C p,hava (T çıkış,hava T giriş,hava ); Q fc = Q cond ; Q sh = Q cond (3.60) Q fc E dest,fc,ent = T 0 [ m w ( s 6 s 5 ) + ] T giriş,hava (3.61) T 0 Ex dest,fc = m w (ψ 5 ψ 6 ) Q fc ( 1- ) T giriş,hava (3.62) Yer altı ısı değiştirgeçleri için; m 7 = m 8 = m wa (3.63) Q gh = m w,a C p,wa (T 8 T 7 ); Q sh = Q fc (3.64) Q gh Ex dest,gh,ent = T 0 [m wa (s 8 s 7 ) - ] T toprak (3.65) T 0 Ex dest,gh,fc = m wa ( ψ 7 ψ 8 ) + Q gh ( 1 - ) T toprak (3.66) Sirkülasyon pompasındaki ekserji kaybı; Ex dest,pompa = W pompa m wa ( ψ çıkış ψ giriş ) (3.67) Isı pompası etkinlik katsayısı olarak; ve sistem etkinlik katsayısı 55

68 Q cond COP HP = W comp (3.68) Q cond COP sistem = W comp + W pompa + W fc (3.69) burada Q cond yoğuşturucudaki ısı transferi, W comp,act kompresöre verilen iş, W fan coil fan-coil e verilen iş, W pompa,act pompaya verilen iştir (Coşkun, 2004). W comp W comp,act = η comp,m η comp,el (3.70) kompresöre verilen iş üstteki eşitlikten bulunabilir (Can, 1999). Isı pompası ekserjisi Ex istenen,çıkış Ex ısı Ex giriş,con Ex çıkış,con ε HP = = = Ex kullanılan W comp,act W comp,act (3.71) Sistem ekserjisi (Coşkun, 2004) Ex giriş,con Ex çıkış,con ε sistem = W comp,act + W fan,coil,act + W pompa,act (3.72) Yoğuşturucunun ve buharlaştırıcının ekserji verimliliği ise; m w (ψ 5 ψ 6 ) ε cond = m r ( ψ 2 ψ 3 ) (3.73) m r (ψ 1 ψ 4 ) ε buhar = m wa ( ψ 8 ψ 7 ) (3.74) 56

69 4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA Isı Pompalarının yeterli ve uygun kaynak bulunması durumunda kullanımı çok caziptir. Özellikle fosil yakıt fiyatlarının hızla yükseldiği günümüzde ısı pompalarının kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Çevreye minimum zarar vermedeki üstünlüğü ve aynı zamanda soğutma amaçlı kullanılabilmesi büyük avantajlarındandır. Diğer avantajları ise, yüksek etkinlik ve kararlı kapasitesinin oluşu, yüksek konfor ve hava kalitesi, cihaz ve ekipman kontrolünün kolay oluşu, bakım giderlerinin düşük olması, ilave ısıtma ihtiyacı gerektirmemesi, düşük giderli su ısıtması ve soğutması, hiçbir dış ünite ekipmanına ihtiyacı olmaması, soğutucu ekipmanları paket halinde olması, çevre dostu oluşu, değişik boyut ve yerleşim şekillerine göre tasarlanabilmesi, enerji ve talep giderlerinin düşük olması, bakım giderinin düşüklüğü, ekipman ömrünün uzun olmasıdır. Dezavantajları ise ilk yatırım giderinin diğer sistemlere göre daha yüksek olması ve performansının toprak, su, hava ısı değiştiricisine ve ekipmanlarına bağlı olmasıdır. 57

70 Çizelge 4.1. Yakıtların Maliyet Karşılaştırması Yakıt Alt Isıl Değeri Ortalama Verim Eylül 2007 YTL/1000 kcal Doğalgaz Eskişehir ESGAZ 8250 kcal/m3 93% 0, x x ,0752 Doğalgaz Bursa BURSAGAZ Doğalgaz Ankara EGO Doğalgaz İstanbul İGDAŞ Doğalgaz İzmit İZGAZ İthal Sibirya Kömürü Portakal Linyit Kömürü Soma Kısrakdere Elektrik Fuel-oil No: 4 Kalorifer Yakıtı Dökmegaz Konut LPG Propan Motorin LPG 12 kg 8250 kcal/m kcal/m kcal/m kcal/m kcal/kg 4640 kcal/kg 860 kcal/kwh 9875 kcal/kg kcal/kg kcal/kg kcal/kg 93% 93% 93% 93% 65% 65% 99% 80% 92% 84% 90% 0, x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x , x x ,0752 0,0805 0,0809 0,0826 0,0879 0,1060 0,1857 0,1949 0,2681 0,3159 0,3199 Geri ödeme süresine göre maliyet analizi, bir yatırımın ekonomik olup olmadığını değerlendirmek kullanılan bir yöntemdir Geri ödeme süresi, yatırımda sarf edilen tüm paranın geri alınması için geçen süredir. Formül aşağıdaki gibidir. Geri ödeme süresi (Yıl) = Yatırım maliyeti / Yıllık Kazanç 58

71 Su, toprak, hava kaynaklı ısı pompalarının yakıt olarak doğalgaz, kömür ve lpg kullanan sistemlere göre ekonomikliği aşağıdaki çizelgelerde hesaplanmıştır. Çizelge 4.2. Hava Kaynaklı Isı Pompasının Diğer Sistemlerle Maliyet Karşılaştırılması (Sistem Anma Gücü19 kw) (Kazanlar 25kW) Hava İthal Doğalgazlı Kaynaklı Doğalgazlı Sibirya (Yoğuşmalı) Isı Sistem Kömürlü Sistem Pompası Sistem Cihaz Maliyetleri (YTL) Yakıt Tüketimi(m3, kg,kwh)/yıl Enerji Birim Fiyatı (m3,kg,kw) YTL Enerji Maliyeti (YTL/Yıl) Elektrik Tüketimi (kwh/yıl) Elektrik Maliyeti (YTL/Yıl) H.K.I.P Göre Yakıt Maliyet Farkı (YTL/Yıl) LPG Yakıtlı Sistem ,16 0,6 0,6 0,4 2,

72 Çizelge 4.3. Hava Kaynaklı Isı Pompasının Diğer Sistemlere Göre Geri Ödeme Süresi İthal Doğalgazlı Doğalgazlı Lpg Yakıtlı Sibirya (Yoğuşmalı) Sistem Sistem Kömürlü Sistem Sistem H.K.I.P Maliyeti (YTL) Cihaz Maliyeti (YTL) Maliyet farkı (YTL) Yıllık Tasarruf (YTL) Yatırım Maliyeti (Maliyet Farkı) / Yıllık Tasarruf / / / / 70 Geri Ödeme Süresi (Yıl) 12,08 >20 (47,44) 1,69 >20 (157) Hava kaynaklı ısı pompası doğalgazlı sistem yerine kullanıldığında 12 yıl, doğalgazlı yoğuşmalı sistem yerine kullanıldığında 47 yıl, LPG yakıtlı sistem yerine kullanıldığında 1,7 yıl, ithal kömürlü sistem yerine kullanıldığında 157 yılda kendini amorti eder sonraki yıllarda kullanıcıyı kara geçirir. 60

73 Çizelge 4.4. Su Kaynaklı Isı Pompasının Diğer Sistemlerle Maliyet Karşılaştırılması(Sistem Anma Gücü 25 kw) Su Kaynaklı Isı Pompası Doğalgazl ı Sistem Doğalgazlı (Yoğuşmalı )Sistem Lpg Yakıtlı Sistem İthal Sibirya Kömürlü Sistem Bina Isı İhtiyacı (kwh) Cihaz Maliyetleri (YTL) Yakıt Tüketimi (m 3, kg,kwh) /Yıl Yakıt Birim Fiyatı (m 3,kg,kW) YTL Enerji Maliyeti (YTL/Yıl) Elektrik Tüketimi (kwh/yıl) ,16 0,6 0,6 2,7 0, Elektrik Tüketim Maliyeti (kwh/yıl) H.K.I.P Göre Maliyet Farkı (YTL/Yıl)

74 Çizelge 4.5. Su Kaynaklı Isı Pompasının Diğer Sistemlere Göre Geri Ödeme Süresi Doğalgazlı Sistem Doğalgazlı (Yoğuşmalı) Sistem Lpg Yakıtlı Sistem İthal Sibirya Kömürlü Sistem S.K.I.P Maliyeti (YTL) Cihaz Maliyeti (YTL) Maliyet farkı (YTL) Yıllık Tasarruf (YTL) Yatırım Maliyeti (Maliyet Farkı) / Yıllık Tasarruf Geri Ödeme Süresi (Yıl) / / / / 510 5,86 7,56 1,07 18,43 Su kaynaklı ısı pompası doğalgazlı sistem yerine kullanıldığında 5,9 yıl, doğalgazlı yoğuşmalı sistem yerine kullanıldığında 7,6 yıl, LPG yakıtlı sistem yerine kullanıldığında 1 yıl, ithal kömürlü sistem yerine kullanıldığında 19 yılda kendini amorti eder sonraki yıllarda kullanıcıyı kara geçirir. 62

75 Çizelge 4.6. Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Diğer Sistemlerle Maliyet Karşılaştırılması (Sistem Anma Gücü 27 kw) Toprak Kaynaklı Isı Pompası Doğalgazlı Sistem Doğalgazlı (Yoğuşmalı)s istem Lpg Yakıtlı Sistem İthal Sibirya Kömürlü Sistem Bina Isı İhtiyacı (kwh) Cihaz + Tesis Maliyeti (YTL) = Yakıt Tüketimi (m 3, kg,kwh)/yıl Yakıt Birim Fiyatı (m 3, kg, kw) YTL 0,16 0,6 0,6 2,7 0,4 Enerji Maliyeti (YTL/Yıl) Toplam Elektrik Tüketimi (kwh/yıl) Elektrik Maliyeti (YTL/Yıl) H.K.I.P Göre Maliyet Farkı (YTL/Yıl)

76 Çizelge 4.7. Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Diğer Sistemlere Göre Geri Ödeme Süresi Doğalgazlı Sistem Doğalgazlı (Yoğuşmalı) Sistem Lpg Yakıtlı Sistem İthal Sibirya Kömürlü Sistem T.K.I.P Maliyeti (YTL) Cihaz Maliyeti (YTL) Maliyet farkı (YTL) Yıllık Tasarruf (YTL) Yatırım Maliyeti (Maliyet Farkı) / Yıllık Tasarruf Geri Ödeme Süresi (Yıl) / / / / ,37 16,26 2,3 31,9 Toprak kaynaklı ısı pompası doğalgazlı sistem yerine kullanıldığında 12 yıl, doğalgazlı yoğuşmalı sistem yerine kullanıldığında 16 yıl, LPG yakıtlı sistem yerine kullanıldığında 2,3 yıl, ithal kömürlü sistem yerine kullanıldığında 32 yılda kendini amorti eder sonraki yıllarda kullanıcıyı kara geçirir. 64

77 Çizelge 4.8. Farklı Kaynaklı Isı Pompalarının Geri Ödeme Sürelerinin Diğer Sistemlerle Karşılaştırılması Doğalgazlı Sistem Doğalgazlı (Yoğuşmalı) Sistem Lpg Yakıtlı Sistem İthal Sibirya Kömürlü Sistem Hava Kaynaklı Isı Pompası 12,09 >20 1,64 >20 Su Kaynaklı ısı pompası 5,86 7,56 1,07 18,43 Toprak Kaynaklı Isı Pompası 12,37 16,26 2,3 >20 Şekil 4.1. Farklı Kaynaklı Isı Pompası Geri Ödeme Süresi Karşılaştırılması 65

78 Şekil 4.2. Farklı yakıtlar için özgül CO 2 emisyonu(kgco2/kwh) (Küçükçalı, 2003) Grafiklerden de anlaşıldığı gibi su kaynaklı ısı pompası hem verim olarak hem de geri ödeme süresi olarak diğer sistemlerden üstündür. Isı Pompalarının ömürlerinin ortalama 100 yıl olduğması CO 2 emisyonunun neredeyse 0 oluşu, ısı pompalarının ilk yatırım maliyetlerinin diğer sistemlere göre yüksek olmasına karşın ne kadar avantajlı olduğu yadsınamaz bir gerçektir. 66

79 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Enerji ihtiyaçlarımızın hızla artmasıyla, kolay bulunan, çevreyi kirletmeyen, sürekliliği olan yeni enerji kaynaklarına yönelik çalışmaların hız kazanmıştır. Çalışmamızda temiz enerji evinde, ısı pompaları incelenmekte ve projelendirilmesi anlatılmaktadır. Isı pompaları, elektrikli sistemlere göre üç hatta altı kat daha az kaynak kullanarak istenilen enerjiyi sağlayabilmekte ve çevre kirlenmesine neden olmadan endüstriyel ve günlük uygulamalarda kullanılabilmektedir. Isı yalıtımı uygulamaları ile enerji gereksinimi çok düşük olan temiz enerji evlerinde ve yeni binalarda elektrikli ısı pompaları iyi bir alternatiftir, enerjiyi korur ve atmosferdeki zehirli emisyon miktarını azaltır. Güneşten gelen yenilebilir enerjiyi kullanırlar ve sistem dış havaya bağlı olmadığı için, yapının içindeki havayı daha temiz tutarlar ve dış kirleticilerden arındırmış olur. Üreticiler tarafından yıl garanti altına alınan sistemler istenildiğinde ikili, hatta üçlü sistem olarak çalıştırılabilir. Kapalı ve açık sistemler şeklinde çalışabilmesi ve hem yatay hem de dikey olarak uygulanabilmesi ve fosil yakıtlı sistemlerin verimleri % iken, ısı pompaları en az % 300 verimli olması çok büyük avantajdır. Sistemlerin yurtdışında olduğu gibi, üniversite - sanayi işbirliğinin sağlanması, sistem konusunda, kullanıcıların bilinçlendirilmesi için, kampanyalar yapılması ayrıca kullanımını arttırmak amacıyla, yurtdışında olduğu gibi, teşvikler sağlanması ülkemiz için gerek ve önem arz eder. 67

80 6. KAYNAKLAR Akdemir Ö. Güngör A., Absorpsiyonlu Soğutma Sistemleri; Verimlerini Artırmak İçin Geliştirilen Çevrimler İstanbul. Alizadeh, S., Bahar, F., Geoola, F., Design And Optimization Of An Absorption Refrigeration System Operated By Solar Energy, Solar Energy Tahran. Alvares, S. G., Trepp, Ch.,1987. Simulation Of A Solar Driven Aqua-Ammonia Absorption Refrigeration System, Part 1: Mathematical Description And System Optimization, International Journal Of Refrigeration Lyon. Anonim, Federal Technology Alert, Refrigerant Subcooling Technology For Improving Cooling System Performance Anonim, U.S. Department Of Energy, Energy Efficiency And Renewable Energy Air Source Heat Pumps, 172 s. Anonim, Energy Efficiency Best Practice İn Housing Domestic Ground Source Heat Pumps: Design And İnstallation Of Closed-Loop Systems. Anonim, European Heat Pump Association Ehpa,, Heat Pumps Technology And Environmental Impact. 69. Anonim, 2007, CBPower, İnternet Sitesi. Corn Belt Power Cooperative-Air Conditioning. Erişim Tarihi Anonim, Viessmann, Technical Information Heating Technology For New Buildings.118. Anonim, Viessmann, Technical Information Heat Pumps Anonim, İnternet Sitesi. Erişim Tarihi Anonim, U.S. Department Of Energy, İnternet Sitesi. Erişim Tarihi Anonim, İnternet Sitesi. Comfornet-Heating And Cooling. Erişim Tarihi

81 Anonim, Office Of The Secretary Of Defense, Report To Congress Ground- Source Heat Pumps At Department Of Defense Facilities Anonim, Viessmann İnternet Sitesi. Erişim Tarihi Ao Y. Duanmu L., Shen S., Using Exergy Analysis Methodology To Assess The Heating Efficiency Of An Electric Heat Pump. 24. Texas. Arinze, E. A., Schoenau, G. J., Sokhansanj, S., Adefila, S. S., A Dynamic Performance Simulation Model Of Flat Plate Solar Collectors For A Heat Pump System, Energy Convers Tennessee. Ataer, Ö. E., Göğüş, Y., Comparative Study Of İrreversibilities İn An Aqua- Ammonia Absorption Refrigeration System, International Journal Of Refrigeration Cane, D. And Garnet, J Learning From Experiences With Commercial / Institutional Heat Pump Systems İn Cold Climates. Caddet Analyses Series No. 27, Caddet Energy Efficiency. 45. Couvillion, R. J., Larson, M. V.,1988. Analysis Of A Vapor-Compression Refrigeration System With Mechanical Subcooling. Ashrae Transactions. 15. Çelimli İ., Sıcak Su Elde Etme Sistemlerinin Karşılaştırılması Demir H., Mobedi M., Ülkü S., 2005, Adsorpsyonlu Isı Pompaları Doe, The Energy Efficiency, Renewable Energy Geotermal Heat Pumps Doğan V., Isı Geri Kazanımı Ve Sudan Suya Isı Pompası Uygulaması İzmir. Doğan V., Su - Toprak Kaynaklı Isı Pompaları İzmir. Doğan V., Isı Geri Kazanım Ve Deniz Suyundan - Suya Isı Pompası Uygulaması İzmir. Elegido, E., Juana, J. M. D., Herrero, M. A., Solar Aqua-Ammonia Absorption Refrigerator Simulaton, International Journal Of Ambient Energy Fisch M.N., Huckemann V., Nonfocusing Solar Heat Collection. p

82 Groll, E. A., Modeling Of Absorption/Compression Cycles Us Ng Working Pair Carbondioxide/Acetone, Ashrae Transactions Hepbaşlı A., Geleceğin Teknolojisi: Yer Kaynaklı Isı Pompaları. Hepbaşlı A., Hancıoğlu E., Toprak Kaynaklı (Jeotermal) Isı Pompalarının Tasarımı, Testi Ve Fizibilitesi İzmir. Hepbaşlı A., Çanakçı C., Jeotermal Bölge Isıtma Sistemlerinde Yük Analiz Ve Tepe Yük Yardımcı Sistemler Hepbaşlı A., Ertöz A.Ö., Geleceğin Teknolojisi : Yer Kaynaklı Isı Pompaları İzmir. Hepbaşlı A., Thermodynamic Analysis Of A Ground - Source Heat Pump System For District Heating İzmir. Ismail, I. M., Upgrading Of Heat Through Absorption Heat Transformers, International Journal Of Refrigeration Kavanaugh, S.P., Rafferty, K., Ground-Source Heat Pumps: Design Of Geothermal Systems For Commercial And Institutional Buildings. Kavanaugh, S., Development Of Design Tools For Ground-Source Heat Pump Piping. 46. Laue H.J., Heat Pumps. 220s. Germany. Li Y.W., Wang R.Z., Wu J.Y., 2006, Experimental Performance Analysis And Optimization Of A Direct Expansion Solar - Assisted Heatpump Water Heater. 24. China. Lucia U., Gervino G., Thermo Economic Analysis Of An İrreversible Stirling Heat Pump Cycle Torino. Lund J., Sanner B., Rybach L.,Curtis R.,Hellström G., Geotermal (Ground- Source) Heat Pumps A World Overview Germany. Minagawa, T. And Yamaguchi, Z., Operating Experience With Heat-Pump- Type Room Air Conditioners For Cold Districts. Proceedings Of The 1987 Iea Heat Pump Conference, Ed. By. Kay H. Zimmerman

83 Miller, M., Mechanical Subcooling Yields Gains İn Efficiency Capacity, Plus Lower Maintenance Costs. The Air-Conditioning, Heating And Refrigeration News. 42. Ozgener O. Hepbaşlı A. Dincer İ. Rosea A., Modelling And Assessment Of Ground-Source Heat Pump Systems Using Exergoeconomic Analysis For Building Applications Manisa. Pither A., Hard To Treat Group Uk Heat Pump Study United Kingdom. Pino L., Aristov Y.,Caccıola G., Restuccia G., Composite Materials Based On Zeolite 4a For Adsorption Heat Pumps Italy. Schmidt D., International Journal Of Low Energy And Sustainable Buildings Kassel, Germany. Serpen Ü., Jeotermal Kaynak İşletmesinde Akışkan Taşıma Ve Boru Hatları Shaarawi, M. A. I. E., Nimr, M. A., Equations For Use With Computers To Evaluate The Performance H O Intermittent Solar Refrigerators, Energy Convers. 66. Cairo. Sözen A., Ataer Ö.E., Amonyak/Su Le Çalışan Absorbsiyonlu Soğutma Sistemlerinde Isı Değiştiricilerin Performansa Etkisi Summer A.J., Domestik Heat Pumps, Prism Press, Unwin Brothers Ltd. Surrey. Şahin H. M., Acır A., Baysal E, Kocyiğit E., Enerji Ve Ekserji Analizi Metoduyla Kayseri Şeker Fabrikasında Enerji Verimliliğinin Değerlendirilmesi. 98. Kayseri. Tribus, M., El-Sayed, Y.M., A Specific Strategy For The Improvement Of Process Economics Trough Thermoeconomic Analysis, 2. World Congress Of Che mical Engineering, Montreal. Unger, R.Z., Linear Compressors For Clean And Speciality Gases. Proceedings Of The 1998 International Compressor Engineering Conference, Purdue University. 77. Ülkü S., Gürses A.Ç., Toksoy M., Enerji Tasarrufu Ve Isı Pompaları, Enerji Tasarrufu Semineri. Wall G.,1991. On The Optimization Of Refrigeration Machinery. Sweden. 71

84 Watts G.A., Stanbury, J.E.A., Heat Pumps. s 78. Wayman R., Geothermal Heat Pumps. 3. Ontario. Yamagami, K. M, Okada, Y., Maeno, M., Ito, A., Development Of Burners For Room Air Conditioners (In Japanese). Tech Revmitsubishi Heavy Industries. 24. Tokyo. Yılmaz M., Erdoğan S., Çomaklı Ö., Dursun B., Hava Kaynaklı Isı Pompalarının Soğuk İklim Bölgelerinde Kullanımı İçin Önerilen Tasarım Ve Modifikasyonlar. 23. Erzurum. Zhang W., Lin B.,2006. Thermal Economic Analysis Of An Underground Water Source Heat Pump System Ziegler, B., Trepp, Ch., Equation Of State For Ammonia-Water Mixtures, International Journal Of Refrigeration Ireland. 72

85 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı: İbrahim KAÇIKOÇ Doğum Yeri: Isparta Doğum Yılı: 1979 Medeni Hali: Evli Eğitim ve Akademik Durumu: Lise : Lisans : Yabancı Dil : İngilizce 73