Düşük Sıcaklıklı Isıtma, Yüksek Sıcaklıklı Soğutma Ve Isı Pompası Sistemleri Dr. İbrahim ÇAKMANUS Dünyamızda enerji, istenilen yer ve zamanda seyrek olarak uygun sıcaklıkta bulunur. Mühendisler için temel problem istenilen formda olmayan enerjinin istenilen forma ekonomik bir biçimde kullanılabilir bir forma getirilmesidir. Örneğin petrol, doğal gaz önemli enerji kaynaklarındandır, ancak çıkarılıp işlenmeden önce istenilen formda değildir. Bunun gibi ısı pompaları havada, suda ve toprakta bulunan kullanışlı bir formda olmayan ısıl enerjinin, dışarıdan düşük bir enerji verilerek, daha kullanılabilir şekle getirilmesine yardımcı olur. Isı pompaları, bizlere, yenilenebilir enerji teknolojilerine dayalı sürdürülebilir bir toplum oluşturulmasına yardımcı olabilecek önemli araçlardan birisi olarak gözükmektedir. Isı pompaları ısıyı depolama yoluyla zaman ve mekanda taşımamıza da yardımcı olur. AB enerji direktifi EPBD de, 2020 de %20 yenilenebilir enerji hedefini tutturmada ısı pompalarına önemli bir yer almaktadır. Bu bağlamda AB komisyonu ısı pompalarını yenilenebilir enerji olarak tanımlamaktadır. Isı pompaları 2021 de yaklaşık sıfır enerjili binalara ulaşma ve benzer şekilde binaların renovasyonlarının da enerji verimli hale getirme hedefinin de önemli araçlarından birisi olarak görülmektedir. Diğer yandan ısı pompaları yaklaşık olarak 40 yıldan beri Amerika da da ticari bir ürün olarak imal edilmektedir. Diğer yandan Aquatherm kataloglarında bu konuda aşağıdaki diyagramlar bulunmaktadır. a) Isıtmada linear sıcaklık farkına bağlı ısıtma kapasitesi. b) Soğutmada linear sıcaklık farkına bağlı soğutma kapasitesi. Bu bina özelinde; 47 41 a) Isıtmada linear temperature difference = 22 22C. Diyagram (a) dan ısıtma 2 kapasitesi 100 W/m2 olarak okunur. Burada 47 C ısıtmada suyun gidiş sıcaklığı, 41 C dönüş sıcaklığı (jeotermal su esas alındı), 22C mahal sıcaklığıdır. 16 21 b) Soğutmada linear temperature difference = 25 7C. Diyagram (b) den ısıtma 2 kapasitesi 40-50 W/m2 olarak okunur. Burada 16 C ısıtmada suyun gidiş sıcaklığı, 21 C dönüş sıcaklığı (jeotermal su esas alındı), 25C mahal sıcaklığıdır.
Görüldüğü üzere kış için devremülk dairelerinde gerekli olacak 22ºC iç sıcaklık için ısıl verim 100 W/m2 civarında, soğutmada 40 W/m2 civarındadır. Bina kabuğunda yapılan iyileştirmelerle (uygulamada aşağıda verilen U değerleri kullanılmak kaydı ile) bu değerler sağlanabileceği değerlendirilmektedir.
Isı pompaları hava, su ve toprak kaynaklı olmak üzere üç tiptir. En verimli ve sezonluk kararlılığı en yüksek olanlar toprak kaynaklı ısı pompalarıdır. Ancak çok pahalıdırlar. Su pompaları deniz, göl, akarsu gibi (bulunabildiğinde) kaynakları kullanabileceği gibi, trijenerasyon sistemi, güneş destekli sıcak su, kule, kazan gibi enerji kaynaklarını kullanarak da verimli biçimde kullanılabilmektedir. Hava soğutmalı ısı pompalarının verimleri daha düşüktür. Verim dalgalı olan dış hava sıcaklığına bağlıdır. En basit türleri hem ısıtma hem de soğutma yapabilen split klimalardır. Isı pompalarının bina içinde verimli bir biçimde kullanılabilmeleri için bina içi tesisatlarının da bu cihazların verimli biçimde üretebildikleri su sıcaklıklarına uygun olmalıdır. Bu cihazlar kışın 30/40 C, yazın 15-20 C soğuk su ile verimli biçimde çalışabilmektedir. Bu bağlamda radyatör, tüm havalı, fan coil tesisatları ısı pompaları ile verimli biçimde kullanmaya uygun değildir. Döşemeden veya tavandan ısıtma ve serinletme, TABS sistemleri, konfor modülleri, üç borulu sulu VRV sistemler daha uygundur. Bu nedenle zaman içinde teknolojinin bu yöne doğru kayacağı değerlendirilmektedir. Böylece güneş enerjisinin binalarda kullanım oranları da artacaktır. Bu çerçevede binalarda uygulama imkanı daha fazla olan su kaynaklı ısı pompaları (SKIP) örnek olarak açıkanmıştır. (Yukarıda açıklandığı üzere cihazlar aynıdır, sadece ısı aldıkları veya verdikleri kaynaklar farklıdır. Bunların bir bölümü bina içine konularak dış ünitelerinde uygun sıcaklıkta üretilen su dolaştırılmaktadır). Bunlar, hacim iklimlendirmesinde ve/veya su ısıtmada kullanılmasını sağlayan terminal üniteler (birimler) olarak iş görmektedir. Her bir hacim iklimlendirme SKIP ünitesi (fan coil, radyatör gibi), kendi termostatı ile kontrol edilir ve gerektiğinde ısıtma veya soğutma sağlar. Sıcak su veren SKIP iç üniteleri, ısıtma veya soğutmada iken veya talebe göre işlev görebilir. Uygulamalarda, birkaç SKIP cihazından binlercesine kadar kullanılabilmektedir. Enerji kaynağı olarak her bir ünitede su dolaştırılır. Ayrıca, binaların ısı geri kazanım potansiyelini belirlemek için, ticari bilgisayar programlarından yararlanılır. Sistemin ısı geri kazanım etkinliğini arttırmak için, ısıl depolama tankları kullanılır. Kapalı çevrimde dolaşan su; ilave bir ısıtıcı (örneğin kojenerasyon cihazı, kazan, güneş enerjisi ile ısıtılan su) ve bir ısı atıcısından (örneğin bir absorbsiyonlu chiller veya uygunsa bir açık soğutma kulesi) geçirilir. Alışılagelmiş uygulamada, su çevrimi 60 F (15 C) ile 90 F (32 C) arasında tutulur. Su çevrim sıcaklığı 32C ye yaklaşınca, sıcaklığı 32.2C nin altında tutmak için ısı atma cihazının çeşitli kademeleri devreye girer. Çevrim suyu sıcaklığı 15 C ye yaklaşınca, çevrimi 15 C nin üstüne çıkarmak için ilave ısıtma cihazının değişik kademeleri devreye girer. 15 C ile 32 C arasında, hiçbir ilave ısıtma veya ısı atma cihazı gerekmez. Genel olarak, ısı potansiyelinin fazla olması için, bir binada bazı mevsimler süresince çekirdek bölgesinde önemli bir soğutma yükü ve çevre bölgesinde bir ısıtma yükü veya soğutma yükleri ve sıcak su ihtiyacı gereklidir. Isı geri kazanım potansiyeli, yıllık işletme saatinin önemli olduğu uygulamalarda en fazladır. Burada, bazı ısı pompaları sıvıya ısı verir ve bazıları
da sıvıdan ısı çeker. Şayet, ısı verme ve ısı çekme saatleri birbirini dengelerse, kapalı çevrimde hiçbir merkezi cihaz (soğutma kulesi gibi) olmadan, sabit sıcaklıkta ısı geri kazanımı olur. Tüm ısı pompaları birlikte ısı çekiyor veya ısı veriyorsa, hiçbir ısı geri kazanımı olmaz ve çevrim sıcaklıklarında en hızlı bir şekilde salınımlar oluşur. Bununla beraber, ısı geri kazanımı, bazı saatlerde net ısı çekişinin ve bazı saatlerde de kapalı çevrime net ısı verişlerinin olduğu saatlerde söz konusudur. Net ısının verildiği oturulan saatler ile net ısının çekildiği oturulmayan (yapıda bulunulmayan) saatler arasındaki ısı geri kazanımı en yaygın uygulama örneğidir. Günlük ısı geri kazanımında, merkezi çevrim şartlandırma cihazının minimize edilmesi gerekiyorsa, kapalı çevrimde çevrimdeki sıvının ısıl kapasitesi yanında bir depo olmalıdır. Net ısı çekişleri ile net ısı verişleri arasındaki zamanın yaklaşık olarak bir günü aştığı periyotlar boyunca, su tankı olan kapalı çevrimlerle sadece düşük ısı geri kazanımı elde edilecektir ve çevrim sıcaklığını izin verilen aralıkta tutmak için, merkezi bir şartlandırma cihazı gerekecektir. Kapalı çevrimli su kaynaklı sistemlerde, kapalı çevrime ısının verilmesi veya kapalı çevrimden ısının çekilmesi için ısı değiştiricisinden suyun dolaştırılmasını ifade eder. KAYNAKLAR [1] Wahlström, A, Is it possible to achieve zero energy demand while rebuilding multı-dwelling buildings?, Rehve Journal, August 2011. [2] Hepbaşlı, Akdemir, Ö., Su-çevrimli ısı pompaları ile yapılarda ısı geri kazanımı, 6. Ulusal soğutma soğutma ve iklimlendirme kongresi, Çukurova Üniversitesi, 4-7 Kasım 2000.