ISI POMPALARI Prof. Dr. Olcay KINCAY
SUNUM PLANI 1. GĐRĐŞ 2. ISI POMPASI TANIMI VE ÇALIŞMA PRENSĐPLERĐ 2.1. Isı Pompası Temel Bileşenleri 2.2. Isı Pompasının Sınıflandırılması 2.2.1. Hava kaynaklı ısı pompaları 2.2.2. Su kaynaklı ısı pompaları 2.2.3. Toprak kaynaklı ısı pompaları 2.2.3.1. Yatay tip kolektörler 2.2.3.2. Dikey tip kolektörler
1. GĐRĐŞ Fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğalgaz vb.) söz konusu olduğunda, ne yazık ki hepimiz birer bağımlıyız. Günümüzde fosil yakıtların (petrol, doğalgaz, kömür) yakın bir tarihte tükeneceği tahmin edilmektedir.
Fosil yakıt rezervlerin azalması, çevre kirliliğine neden olması ve ekonomik boyutları nedeniyle yenilebilir enerji kaynağı kullanan, çevreci, düşük enerji tüketimi ve performans katsayısı yüksek olan ısı pompası sistemleri daha cazip hale gelmeye başlamıştır.
Bir evin enerji ihtiyacının en büyük kısmını, ısınma ihtiyacı oluşturur (% 77,8) Bir evin enerji ihtiyacının en büyük kısmını, ısınma ihtiyacı oluşturur.(% 77,8)
2. ISI POMPASI TANIMI VE ÇALIŞMA PRENSĐPLERĐ Isı Pompası Nasıl Çalışır? Isıtma sektöründe çoğu insan için Isı Pompası terimi yenidir. Oysaki evlerimizdeki buzdolabı, klima, nem giderici ve dondurucular aynı prensibe göre çalışan cihazlardır.
Isı Pompaları Isıyı düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağına aktarırlar. Hava, su, toprak gibi doğal kaynaktan yararlanırlar. Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekelerinden ve proseslerden elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Tek cihazla ısıtma-soğutma-sıcak kullanım suyu imkanı sağlar.
2.1. Isı Pompası Temel Bileşenleri Isı pompasını oluşturan temel bileşenleri evaporatör (buharlaştırıcı), kompresör, kondenser (yoğuşturucu) ve genleşme valfi olarak sıralayabiliriz.
Çevre dostluğu! Đklim değişimleri Sera etkisi Küresel ısınmanın nedenleri: Fosil yakıt kullanımı (Sera etkisinde artış) Ormanların azalması
Isı Pompası Etkinlik Katsayısı (COP IP )
2.2. Isı Pompasının Sınıflandırılması Isı pompalarını, ısı kaynağı bakımından Isı kaynağı Hava olan ısı pompaları Isı kaynağı Su olan ısı pompaları Isı kaynağı Toprak olan ısı pompaları olarak adlandırılır.
Isı Pompası Sistemleri Toprak kaynaklı (yatay) IP CO 2 Derinlik sondajı Yer altı suyu IP Toprak kaynaklı (dikey) IP Hava kaynaklı IP (Split yada kompakt sistem)
Isı Pompası Çalışma Sıcaklıkları Hava sıcaklığı - 20 C den + 45 C kadar değişir Su sıcaklığı + 8 C den + 30 C kadar değişir Toprak sıcaklığı + 10 C dan +20 C kadar değişir Toprak kararlı yapısı ile yaz-kış ısı pompası uygulamalarına çok uygundur.
Yatay toprak kaynaklı ısı pompası Dikey toprak kaynaklı ısı pompası Su kaynaklı ısı pompası Hava kaynaklı ısı pompası
2.2.1. Hava Kaynaklı Isı Pompaları (HKIP) HKIP ısı kaynağı olarak dış hava kullanılmaktadır. Ancak dış hava koşullarının, yıl içinde mevsimler, aylar, hatta saatler boyunca değişmesi nedeniyle COP değeri oldukça değişkendir, kararlı değildir.
Hava sıcaklığının soğuk iklimlerde mevsimler arasında büyük değişim göstermesi nedeniyle, HKIP karasal iklimlerde sınırlı bir kullanıma sahiptir. Çünkü iç ve dış sıcaklıklar arasındaki fark arttıkça ısı pompasının COP değeri azalır. Dış hava sıcaklığının kış aylarında 0 C veya daha düşük olduğu bölgelerde HKIP çoğunlukla ek ısıtıcıyla birlikte kullanılmaktadırlar. Ayrıca hava sıcaklığının 0 C veya daha düşük olduğu bölgelerde ısı pompasının buharlaştırıcısında donma probleminin ortaya çıkması ve oluşan buzun çözülmesi için defrost yapılmasının zorunlu olması enerji tüketimini artırmakta ve ısı pompasının ısıtma COP değeri azaltmaktadır.
Müstakil evler ve apartman daireleri için Isınma, sıcak su ve serinletme ihtiyacınızı karşılar
Modülasyonlu HAVA Isı pompası: MODÜLASYONLU ne anlama gelir? Evin enerji ihtiyacına göre kendi çalışma performansını ayarlar. (4-12 kw veya 6-18 kw)
2.2.2. Su Kaynaklı Isı Pompaları Toprağın ulaşılabilir derinliğinde sürekli akışı olan yeraltı su kaynağı bulunması durumunda bu kaynaktaki su ısı kaynağı olarak kullanılabilir. +8ºC ila +12ºC sıcaklıkları arasındaki su optimal bir işletmeye imkan tanır. Bu sistemlerde, yeraltı suyu açılan bir kuyu ile topraktan emilir, ısı pompasında kullanıldıktan sonra emiş kuyusuna min. 5 metre uzaktaki bir geri basma kuyusu ile tekrar toprağa gönderilir. Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekesinden ve üretim işlerinden elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir.
Su Kaynaklı Isı pompası Kullanım alanları: Müstakil evler ve apartmanlar için Sanayi uygulamaları Küçük arazilerde Isınma ve sıcak su ihtiyacını karşılar 180 kw ye varan enerji tedariki Yer altı suyunun uygun derinlikte bulunması halinde
10 m ve daha fazla derinliklerde yer altı suyunun sıcaklığı yıl boyunca çok az değişir. Sıcaklığı ortalama olarak 10ºC dir. Kuyuların yerleştirildiği sahaya ve suyun çıkarıldığı yer altı suyu stok durumuna göre, yer altı suyu sıcaklığı kış ortasında 8-12ºC ve yaz ortasında 10-14ºC arasında değişir. Su kaynağı olarak göller, nehirler gibi yerüstü sularından yararlanıldığında ise, sıcaklık kuyu sularına göre daha fazla değişmekle beraber, hava kadar değişmemektedir. Ülkemizde yerüstü sularının genellikle 0ºC nin altına düşmemesi de ayrıca bir avantajdır.
Su ve Toprak Kaynaklı IP Sistemleri
2.2.3. Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (TKIP) Topraktan ısıyı çekmek için temel olarak iki yöntem kullanılmaktadır: A) Yatay Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (YTKIP) B) Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (DTKIP)
Dünyanın hayat kaynağı olan güneşten gelen enerjinin yaklaşık % 46 sı dünyanın kütlesinde tutulur. TKIP nın amacı, dünyanın kütlesinde bulunan bu hazır enerji kaynağından faydalanmaktır. Toprak ısıtma sezonunda dış havadan daha yüksek sıcaklıkta, soğutma sezonunda ise havadan daha düşük sıcaklıkta kalarak, tüm yıl boyunca yaklaşık olarak sabit sıcaklıkta kalır ve dolayısıyla daha kararlı bir enerji kaynağıdır.
Toprağın diğer bir ısıl özelliği ise yüzey toprağının birkaç metrelik kısmı, havadaki ısıya kıyasla toprak sıcaklığındaki sapmayı en aza indirerek toprağı ve daha alt tabakalarındaki yeraltı suyunu yalıtır. Bu ısıl dalgalanmalar, ısıtma ya da soğutma yükünü mevsimsel ihtiyaca göre değiştirmeye yardımcı olur. Toprak kış mevsiminde atmosferden daha sıcak, kış mevsiminde ise atmosferden daha soğuk olmaktadır. Yıllık toprakaltı sıcaklık değişimi
Toprak altı sıcaklığının aylara göre değişimi
TKIP toprağı enerji kaynağı olarak kullanmaktadır. Güneş ışımasının bulutlara, bulutların üzerinden yağmurla toprağa veya direk olarak ışınların toprağa gelmesiyle toprağın 1,2 1,5 m derinliğine kadar bir enerji birikimi olur. Güneşten gelen ışıma ile bu derinliklerde toprak bu enerjiyi depolar. Topraktaki ikinci enerji ise dünyanın çekirdeğinden gelen ısı akışıdır. Isı akışı yer kabuğuna doğru azalır ve yüzeye 2 m kala sıfır olur.
Toprağın ölü bölgesini gösteren eğriler Burada önemli olan toprağın yüzeyden 1,5-2 m aralığındaki derinlikte enerji depolanmamasıdır. Bu yüzden burası ölü bölge olarak bilinir ve enerji çekilemez.
2.2.3.1. Yatay Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompaları YTKIP en verimli olduğu derinlik 1,2 1,5 m dir. 1,5-2 m aralığı ise ölü bölge olup ısı akışı sıfır olmaktadır. YTKIP nın döşendiği alanın üstüne beton atılmamalıdır ve yağmurun toprakla teması engellenmemelidir.
Yatay Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompası Kullanım alanları: Müstakil evler için Isınma ve sıcak su ihtiyacınızı karşılar Yeterli ve uygun arazi alanının mevcut olması durumunda En yüksek verimli sistem (en düşük işletim masrafları) 35 kw ye kadar ısı ihtiyacını karşılar
Borular, yatay olarak geniş bir araziye serildiği için ısı transfer alanları daha fazladır. Bu sebeple çekilecek olan enerji de sondaj tipli uygulamalardan çekilen enerjiden daha fazladır. Kullanılan boru uzunlukları açısından ise serme (yatay) uygulamalarında sondaj uygulamalarına göre hemen hemen 2 kat daha fazla boru kullanılır.
YTKIP döşenmesinde hiçbir özel makine gerekmemektedir. Gereken toprak çalışmaları, konvansiyonel inşaat makineleriyle gerçekleşmektedir. Onay işlemleri için inşaat sahibinin yetkili makama bildirmesi yeterlidir.
Yatay Kolektörlerinin Döşeme Türleri VDI 4640 göre borular 1,2-1,5 m derinlikte ve 0,3-0,8 m mesafede monte edilmelidir. Karşılıklı bir etkileşimin önüne geçilmesi için, besleme tesisatlarına olan 0,7 m mesafeye uyulmalı aksi takdirde uygun bir izolasyon yapılmalıdır. Salyangoz Döşeme Çift-U Döşeme Tichelmann Döşeme
2.2.3.2. Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompaları Mağmadan gelen ısıyı kullanarak ortamın ısıtılması sağlarlar. Genellikle ısıyı çekme derinliği 30-150 m arasındadır. Dikey sondaj uygulamalarında, sondaj makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Kuyu çapları 10-20 cm arasındadır.
Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı pompası: Kullanım alanları: Müstakil evler ve sanayi uygulamaları Isınma ve sıcak su ihtiyacını karşılar 180 kw ye kadar enerji ihtiyacını karşılar Yüksek enerji ihtiyacı için
Yer ısısı sondası 0 C -6 C Isı pompası Genleşme vanası 35 C 30 C Isıtma 3 C -3 C 45 C Evaporatör Kompresör Kondenser 40 C Düşük basınç Yüksek basınç
Özellikle arazinin kısıtlı, toprağın jeolojik yapısının ise uygun olduğu yerlerde dikey borulama tesisatı uygulanmaktadır. Standart dikey toprak ısı değiştiricilerinde, plastik borular (polietilen veya polipropilen) dikey olarak açılan bir kuyuya yerleştirilir ve boruların etrafı ısı iletim katsayısı yüksek olan bir dolgu malzemesi ile doldurulur.
En az boruya ihtiyaç duyma, pompalama enerji ihtiyacının diğer sistemlere nazaran daha az olması, tüm sistemler içinde en az yüzey alanına ihtiyaç duyan sistem olması, toprak sıcaklığının mevsimlik değişimlerinden etkilenmemesi DTKIP avantajlarıdır. Delme makineleri ve ekipmanları gerektirmesi, delme işleminin hendek açma işleminden pahalı olması DTKIP dezavantajlarındandır. Büyük yapılar için yer ısısı sondajı
Đki sondaj kuyusu arasındaki mesafe 6-7 m arasında olması gerekir.
Sondanın enjeksiyon borusu ile birlikte yerleştirilmesi Basınç testi ve kuyunun doldurulması
Dikey derinlik yatay uzunluk 500 Boru boyunu etkileyen faktörler Arazinin coğrafik yapısı Yer altı yapısı Toprağı ğın n kalitesi Topraktaki nem miktarı Binanın ısı ihtiyacı Yatırımc mcının n finans gücüg 60 70 Kil kaya kum Serme 80 80 90 100 105 115 125 180190 160 450 400 350 300 250 200 150 100 50 4,5 kw 6 kw 9 kw 15 kw 0
Sadece Isveç in Strömstad Şehrinde 1650 Daire Isı Pompası Sistemi Kullanmaktadır
A A Plakalı ısı değiştirici Pompa Suyun alınışı Suyun geri verilişi
Kollektör için kullanılan Antifiriz Etilenglikol yanmaz (max -17 o C) Propilenglikol yanmaz (max -7 o C =25%) Brinol yanıcıdır (max -12 o C max 30%) Etanol Alkol yanıcı / zehirleyici (max -12 o C max 30%) Kalsiyumklorid korozyon yaratır
Sistemlerin verimliliği: Toprak kaynaklı ısı pompası (yatay) Yer altı suyu ısı pompası CO2 Derinlik sondajı Toprak kaynaklı ısı pompası (dikey) Modülasyonlu hava ısı pompası Split yada kompakt hava ısı pompası
Ekonomi kw başına düşen ısıtma maliyeti (cent) Motorin LPG Fuel oil Isı pompasından elde edilen enerjinin: %75 i doğada depolanmış enerjiden (hava, su, toprak) % 25 i elektrikten karşılanır. Elektrik Doğalgaz Isı pompası Bu ekolojik teknoloji TEŞVĐK EDĐLMEKTEDĐR! (Avrupa Birliği, devletler, belediyeler, bankalar ve elektrik dağıtım şirketleri tarafından)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi Destekli Toprak Kaynaklı Isı Pompası)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi + Isı Pompası + Isıl Enerji Deposu)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi destekli Dikey Toprak Kaynaklı Isı Pompası ve Gizli Isı Depolama Sistemi) A - Güneş Kollektörü, B- Gizli Isı Deposu, C - Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompası, D - Isı Pompası, E Duvardan Isıtma-Soğutma Sistemi, 1-21 Tüm Sistemde Kullanılan Valfler
Neden Isı Pompası???... Çok az bedenle ısıl enerjinin kullanılması Konvansiyonel enerji kaynaklarını minimum tüketim Đşletme güvencesine katkı Baca, depo, brülör gereksinimi yoktur Bakım ve verim kaybı sorunları ortadan kalkar %100 çevrecidir Tek cihazla ısıtma soğutma - sıcak kullanım suyu imkanı vardır Uzun ömürlüdür % 85 e varan enerji tasarrufu vardır
Döşemeden Isıtma Sistemleri Döşemeye gidiş sıcaklığı 55 C ve dönüş sıcaklığı ise 45 C'dir. Sağlıklı, konforlu ve ekonomik bir ısınma şeklidir. Konforlu ortam ve sağlıklı yaşam Uygulama ve bakım kolaylığı Enerjiden tasarruf Mekanlarda daha geniş iç hacim Ekonomik avantajlar Tüm hacim içinde homojen bir ısı dağılımı ve sıcaklık sağlanır. Havanın nem dengesi bozulmaz. Sıcaklık farkı az olduğu için hacim içinde aşırı hava akımı yoktur. Döşemede sıcaklık 29 C geçince toz hareketliliği başlar. Ayrıca sıcaklık artışı ayaklarda bulunan kılcal damarlarda genişlemeye neden olur.
Duvardan Isıtma ve Soğutma TKIP na en uygun sistemler yerden ısıtma ve duvardan ısıtma ve soğutma yöntemleridir. Bu sistemler için gerekli olan 35 50 o C arasındaki su sıcaklığını TKIP karşılayabilmektedir. Mekandaki ısı kayıplarını, duvar betonu içindeki borularla ısı kaynağından aldığı enerjiyi duvar altına yayarak dağıtan, duvarı dolayısı ile ortamı ısıtan bir ısıtma sistemidir
Duvardan Isıtma ve Soğutma Odaya sıcaklığın büyük kısmı ışıma yolu ile dağılır. Ayrıca ısıtılmış veya soğutulmuş duvar (panel) nedeniyle oluşan sınır tabaka akımının meydana getirdiği doğal konveksiyon buna eklenir. Tozlanacak petek yoktur. Hava akımı olmadığından tozlar uçuşmaz. Havanın doğal nem oranı korunur. Duvardaki panellere gidiş sıcaklığı 35 C ve dönüş sıcaklığı ise 30 C'dir.
Konvansiyonel sistemde sıcaklık dağılımı Duvardan ısıtma sisteminde sıcaklık dağılımı Duvardan ısıtma / soğutma sisteminde ise sıcaklık ortama eşit bir şekilde yayılır. Bu nedenle aynı konforlu ortamı elde etmek için daha az enerjiye ihtiyaç duyulur. Çabuk ısıtma / soğutma sağlanır. Önce duvarlar ısınır ve kısa süre içinde sıcaklık odanın bütün her yerine eşit şekilde yayılır. Duvarların ısınması 5-10 dakika içinde gerçekleşir. Sık havalandırma yapmaya gerek kalmaz. Böylelikle oda içindeki ısının kaybı daha az olur.
Radyatörlü ısıtmada sıcaklık dağılımları T max = 20,4 o C T min = 9,6 o C T m = 17 o C T hava = 20 o C Sıcaklık ( o C)
Duvardan ısıtmada sıcaklık dağılımları T max = 24,6 o C T min = 16,4 o C T m = 20 o C T hava = 18 o C Sıcaklık ( o C)
Isıtılan duvar yüzeyi sıcaklıkları her yöne eşit dağılır. Duvarlarda yoğuşma olmaz. Yoğuşma olabilmesi için duvarların sıcaklığının 14 o C altına kadar düşmesi gerekmektedir. Duvardan soğutma sisteminde duvarlar 17-18 o C ye kadar soğutularak 20-22 o C lik doğal ortam serinliği elde edilir. Estetik bir görüntü sağlar. Isıtıcı / soğutucu serpantinler duvar içinde kaldığı için görüntü kirliliğine sebep olmaz.
Đstanbul da bir uygulama
2008 Avrupa Mükemmellik Ödüllü ve 2008 AB Çevre Ödülü Alan Metro AVM Meydan AVM, Đskandinav ülkelerini dahil etmezsek şu anda Avrupa nın ve Türkiye nin en büyük (70.000 m2 büyüklüğündeki), en çevreci toprak kaynaklı ısı pompası projesidir. Metro Group Asset Management ın 100 milyon yatırımla kurduğu bu alışveriş merkezi, grubun toprak kaynaklı ısı pompası uygulaması ile kalorifer kazanı olmaksızın, doğal bir kaynak olan toprak enerjisi sistemiyle ısıtılıp soğutulan ilk projesidir.
Proje Künyesi: Projenin Kapsamı : Alışveriş Merkezi Projesi (Süpermarket Sinema -Mağazalardan oluşan) yaklaşık 130 bin m² alanda oluşturulmuş olup 70 bin m² lik satış alanına sahiptir. Toplam Soğutma Yükü : 3.600 kw Toplam Isıtma Yükü : 1.000 kw Toplam Ünite Adedi : 108 adet ısı pompası ünitesi (en küçük kapasite 1,5 kw, en büyük kapasite 65 kw) Toplam Sondaj - Boru Metrajı : 18.327 m Toplam Kuyu Adedi ve Ortalama Metrajı : 208 kuyu / 88 m
Đstanbul Metro AVM Binanın çatı alanı yaklaşık 55 bin m 2 ve bunun 30 bin m 2 yeşil alandır. Bu özelliği ile Meydan, dünyanın tek alanda, en büyük yeşil alanlı çatısına sahiptir. Bu yeşil örtü ısı yalıtımına katkıda bulunduğu için enerji maliyetlerine de önemli bir katkı sağlamaktadır. Ayrıca 8 desibellik bir ses azaltımı da sağlamaktadır.
Metro AVM Meydan AVM de hiç kazan yoktur. Isıtma yükünün tamamı topraktan genelde 25ºC'nin altındaki su ile yapılmaktadır. Merkezi ısıtma yoktur. Fancoillerde serpantinde dolaşan şartlandırılmış suyun temininde sudan suya ısı pompalarından yararlanılmıştır. (ısıtma 50/40ºC ve soğutma 7/12ºC) Hibrid sistem uygulamasında 9 yılda sistemin kendisini amorti edebileceği hesaplanmıştır.
Nereden Başlamalı: Enerji Tasarrufu En ucuz enerji tasarruf edilen enerjidir!
Teşekkürlerimle Prof.Dr.Olcay KINCAY