Isı Pompası Sistemlerinin Uygulanması

Toprak - Su - Hava Kaynaklı Isı Pompası Sistemlerinin Uygulanması

Günümüzde ısıtma/soğutma sektörünün bir başka deyişle enerji sektörünün geleceğini iki temel unsur belirleyecektir. Birincisi klasik enerji kaynakları olarak adlandırılan fosil yakıtlarının hızla tükenmekte oluşudur. Klasik enerji kaynaklarındaki azalma ve buna bağlı olarak bu enerji kaynaklarının fiyatının gittikçe artması bizleri yeni ucuz ve çevreyi koruyan enerji kaynaklarını bulmaya itmiştir. Bir dönem, varili 9 $ olan petrol fiyatları bugün 41 $ mertebelerindedir ve bu fiyatın bazen 150 $ sınırına yaklaştığı dönemlerde olmuştur. Bu nedenle de enerji maliyetlerinin ısıtma soğutma sistemlerinin seçimini ve kullanımını etkileyen en önemli parametrelerden biri olduğu söylenebilir. Bir başka deyişle enerji maliyetlerindeki artış daha verimli cihaz (daha az enerji sarf eden bir başka deyişle daha yüksek verimli) ve sistemlerin kullanılması gerekliliğini doğurmuştur. İkincisi Fosil yakıtların kullanılması sonucu ortaya çıkan çevre kirliliği ve küresel ısınma. Fosil yakıtların yakılması sonucu ortaya çıkan ürünler (CO2 , CO, NOx, SO2, ..) insan sağlığını ve doğayı tehdit etmektedir. Kyoto anlaşması gereğince CO2 seviyelerini düşürmek isteyen ülkeler CO2 emisyon değerlerinin düşürülmesi için tedbirler almaktadır.

Yukarıda belirtilen iki etken ışığında yapılan çalışmalar sonucunda ilk toprak kaynaklı ısı pompasının patenti 1912 yılında İsveç’te alındı ve (TKIP) 1950’ler de Amerika’da kullanıldı. Bugün toprak kaynaklı ısı pompaları Avrupa ve Amerika’da enerji tasarruf amaçlı olarak devlet ve çevre örgütlerince tavsiye edilen bir sistem niteliğine kavuştu. Genel kullanımda ve imalatçılarda bu 2 kıta arasında ciddi yaklaşım farkı mevcuttur; Avrupa’da ısıtma amaçlı, genelde doğal soğutma yapan, şık dizaynda, sudan suya ağırlıklı, daha yüksek maliyetli cihazlar, Amerika’da ise soğutma amaçlı, ısıtmada yapan, sudan havaya ağırlıklı, yüksek adet nedeniyle daha ekonomik, görsel amaçlı olmayan cihazlar yapılmaktadır.

Türkiye’de ise toprak kaynaklı ısı pompalarının kullanımı daha ziyade enerji tasarrufuna ve soğutmaya yöneliktir. Cihazlar soğutma ve ısıtma amaçlı kullanılmaktadır. Kullanım alış veriş merkezleri (ticari uygulamalar) Apartmanlar ve villa uygulamaları şeklindedir. Son üç yıl boyunca AVM deki kullanımında yoğun bir artış olmuştur. Bu çalışmada toprak-su kaynaklı ısı pompalarının öncelikle çalışma şekilleri, farklılıklarına ve montajına ilk olarak ele alınıp TSKIP özellikleri ve uygulama şekilleri hakkında detaylı bilgi verilmeye çalışılmıştır.

Toprak-Su Kaynaklı Isı Pompası Nasıl Çalışır?

Toprak-su kaynaklı ısı pompalarının klasik hava kaynaklı bir ısı pompasından çalışma olarak bir farkı yoktur. Tüm ünitelerde; direk genleşmeli evaporatör ve fanı, kompresör, elektrik panosu, hava filtresi ve su soğutmalı (kondenser) serpantini mevcuttur. Fark kondenser ünitesinin hava soğutmalı bir kondenser olmayıp, su soğutmalı bir kondenser olmasıdır.

TSKIP bir ortamı soğutmak için çalıştırılması durumunda kondenser devresine kaynak (toprak, su kaynağı) tarafından soğutulmuş olarak giren su yaklaşık 50C’ ısınarak kondenseri terk eder. Kondenserde toprak veya su kaynağı tarafından ısısı alınmış olan soğutucu akışkan, kısılma vanasından geçerek basıncı düşürülür ve evaporatöre gönderilir. Evaporatör üzerinden bir fan veya pompa yardımıyla geçirilen hava veya su soğutulur. Soğutulan hava direk olarak veya mahale kanallar vasıtasıyla gönderilir. Soğutulmuş olan akışkan hava değil su ise bir hava bir klima santraline veya mahal içerisindeki bir fancoil ünitesine gönderilerek soğutma işlemi gerçekleştirilir. Evaporatör içerindeki gaz kompresör vasıtasıyla tekrar emilir, basıncı ve sıcaklığı arttırılarak tekrar kondensere gönderilir.

TSKIP soğutma amaçlı çalıştırılması

Isıtma amaçlı kullanımda ise TSKIP cihazında ki bir dört yollu soğutucu gaz vanası ile kondenser ile evaporatörün yerleri (görevleri) değiştirilerek işlem gerçekleştirilir. Örneğin soğutma uygulamasında kondanser ısıtma amaçlı kullanılırken ısıtma uygulamasında evaporatör görevi üstlenir. Dolayısıyla kaynaktan gelen su bu durumda ısıtılmayıp yaklaşık 50C soğutularak geri gönderilir.

TSKIP ısıtma amaçlı çalıştırılması

Niçin Toprak veya Su Kaynağı Kullanmalıyız?

Isı pompası cihazlarının çalışma şartları yıl boyunca aşağıdaki şekilde değişir;

Hava                          – 20 den + 50 e kadar değişir

Su                  +   8 den + 30 a kadar değişir

Toprak                       + 10 dan + 20 ye kadar değişir

Değişen dış şartlar seçilen cihazın çalışma şeklini (verimini, ömrünü, bakım sıklığını vb.) direk olarak etkiler. Örnek verecek olursak 35C’ dış ortam sıcaklığına göre seçilmiş bir cihaz 40C’ dış şartlarda çalıştığında istenilen kapasiteyi sağlayamama (konforsuzluk) planlanandan daha fazla enerji tüketilmesi, arızaların çoğalması ve cihaz ömrünün azalması gibi örnekler verilebilir. Buna benzer örnekler düşük dış sıcaklık şartları içinde verilebilir. Bu problemler nedeniyle kullanmış olduğumuz ısı pompası cihazının kondenseri’nin şartlarını iyileştirmek için çözümler aranmış ve hava yanında toprak ve su kaynakları da kullanılmaya başlamıştır.

TSKIP teknik özelliklerinin kondanser sıcaklığı ile değişimi ÖRNEKTİR

Kondenser Su Giriş Sıcaklığı	Soğutma Kapasitesi	Soğutmada Çektiği Güç	Soğutma COP	Isıtma Kapasitesi	Isıtmada Çektiği Güç	Isıtma COP
10 °C	16.2 kW	2.91 kW	5.57	13.6 kW	3.74 kW	3.64
15 °C	15.6 kW	3.17 kW	4.92	15.1 kW	3.86 kW	3.91
20 °C	14.9 kW	3.47 kW	4.29	16.5 kW	3.97 kW	4.16
25 °C	14.1 kW	3.81 kW	3.70	17.8 kW	4.06 kW	4.38
30 °C	13.4 kW	4.18 kW	3.21	18.6 kW	4.13 kW	4.50
35 °C	12.5 kW	4.61 kW	2.71	-	-	-
40 °C	11.8 kW	5.07 kW	2.33	-	-	-

Yukarıdaki tablodan da görüldüğü gibi bir ısı pompasında kondenser sıcaklığı düştükçe soğutma kapasitesi artmakta ve çektiği güç düşmektedir. Bir başka deyişle ısı pompasının verimi (COP)  soğutma amaçlı kullanılmasında kondenser sıcaklığı düştükçe artmaktadır. Bir örnek verecek olursak; 35C’ dış ortam şartlarında çalışan bir cihazın kondenseri’ne 25C’ dış ortam şartlarına getirirsek soğutma kapasitesi 12,5kW tan 14,1kW artarken, cihazın çektiği güç 4.61 kW tan 3.81 kW düşmekte ve dolayısıyla verimi (COP) 2.71 den 3.70 çıkmaktadır.

Bazı illerimizin ortalama hava sıcaklıkları

Yer	KIŞ (0C)	YAZ (0C)
İstanbul	-3	33
Ankara	-12	35
İzmir	0	37
Antalya	3	39
Adana	0	38

Bazı illerimizin ortalama dış hava sıcaklıkları, derinliğe bağlı olarak ortalama toprak sıcaklıkları ve deniz suyu sıcaklıkları verilmiştir.

Bazı illerimizin zamana ve derinliğe bağlı ortalama toprak sıcaklıkları

Yer	OCAK (C)			TEMMUZ (C)
	5 cm	50 cm	100 cm	5 cm	50 cm	100 cm
İstanbul	0.9	4.3	8.2	27.7	24.4	20.9
Ankara	7.8	10.1	12.3	33.1	31.6	29.8
İzmir	8.9	11.4	14.5	34.8	30.3	27.3
Antalya	5.0	8.0	10.0	28.8	25.6	21.6
Adana	9.6	12.2	13.8	35.4	29.6	26.8

 Bazı illerimizin yaz ve kış ortalama deniz suyu sıcaklıkları

Yer/Ay	Şubat (C)	Temmuz (C)
Marmara (Florya)	8.2	23.2
Karadeniz (Giresun)	10.0	24.7
Ege (İzmir)	11.3	26.7
Akdeniz (Antalya)	16.7	27.7

Toprak Kaynaklı Isı Pompaları (Yatay ve dikey borulama)

Toprak altına 3-4 metre kadar inildiğinde sıcaklık yaz – kış çok az bir farklılık göstermekte ve sonsuz bir kaynak sağlamaktadır. İskandinav ülkelerinde, Kanada ve Amerika da toprak altına yatay veya dikey döşenmiş borular ile enerji temini, 50 yıla yakın süredir kullanılmakta olan ve binlerce ünitenin çalışır vaziyette olduğu örnekler içermektedir. Genel uygulama, kullanılacak üniteler için gerekli olan toplam enerji atımına ve toprak yapısına uygun olarak hesaplanan polietilen boruların toprak altına yerleştirilmesi ve bunun içinden sistem suyunun devir daim edilmesidir.

Yatay Serme Uygulaması

Kepçe ya da dozer ile yapılan hafriyat sonucunda açılacak toprakta 1.5 metreden daha derin bir yerleşimle borular yatay olarak döşenir. Çoklu borulama esnasında borular arasında, yatayda min 30 cm, dikeyde min 60 cm olmalıdır (Şekil 3). Açılan 2 borulama hendeği arasında min 1.5 m -1.8 m arasında bir boşluk bırakılarak ısı transferi kolaylaştırılmalıdır. Borulama sonrasında araziye borulara zarar vermeyecek şekilde çim, bitki ve ağaç ekilebilir. Hiçbir şekilde yatay serme uygulaması yapılan alan betonla veya asfalt ile kapatılmamalıdır. Genelde en ekonomik borulama şeklidir. Dikey uygulamaya göre yaklaşık %50 daha ucuzdur, fakat dikey uygulamaya nazaran %30 - %50 daha fazla boru kullanmak gerekir. Kullanılan boruların çapı ¾ ile 11/2 arasında değişir. Yatay borulama genellikle ısıtma öncelikli sistemlerde tercih edilir.

Yatay boru serme uygulama şekilleri

Toprak özelliklerine bağlı olarak spesifik ısı çekme kapasitesi

Zemin (Toprak) kalitesi	Spesifik ısı çekme kapasitesi
Kuru, kumlu zemin	15 – 20 W/m2
Nemli, kumlu zemin	25 – 30 W/m2
Kuru, balçıklı zemin	35 – 40 W/m2
Nemli, balçıklı zemin	40 – 45 W/m2
Yer altı suyu bulunan zemin	45 – 50 W/m2

Yukarıda görüldüğü gibi nemli veya yeraltı suyu bulunan topraklar vasıtasıyla da fazla ısı transferi sağlamak mümkündür.

Dikey Sondaj Uygulaması

Sondaj makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Kuyu çapı 20 cm arasındadır. Kullanılan boruların çapı ¾ ile 11/2 arasında değişir. Kuyu derinlikleri kuyu açma sırasında karşılaşılan toprak tabakalarına bağlı olarak 30 m - 150m arasında değişebilir. Açılan kuyular arasında sağlıklı bir ısı transferi için min 3.5m tercihen 6m bırakılmalıdır. Borulama sonrasında kuyuların üzerine bina yapılabilir, beton veya asfalt dökülebilir. Dikey borulama’nın yatay borulama’ya göre boru maliyeti daha düşük ancak işçilik maliyeti daha yüksektir. Soğutma öncelikli sistemlerde tercih edilir.

Toprak özelliklerine bağlı olarak açılan kuyunun ısı çekme kapasitesi

Zemin (Toprak) kalitesi	Spesifik ısı çekme kapasitesi
Kuru, kumlu zemin	30 – 40 W/m
Nemli, kaya zemin	50 – 60 W/m
Yer altı suyu bulunan zemin tabakaları	70 – 80 W/m

Su Kaynaklı (Kuyu, Göl, Deniz, Nehir ) Isı Pompaları

Denizler, göller, nehirler, toprak altı su akıntıları veya kaynakları enerjinin atılıp alınmasını sağlayabilirler. Bu tip uygulamalarda genelde ara bir eşanjör kullanılarak iki su birbirine karıştırılmaz. Bu tip uygulamalar ülkemizde de merkezi sistemler bazında çeşitli yerlerde yapılmış ve çalışır haldedir. Yurt dışında ise özellikle ısıtma amaçlı olarak çok büyük boyutlu kollektif kullanım örnekleri mevcuttur.

Isı pompası, istenilen ortamı ısıtmak (tercih edildiğinde soğutmak) için kullanılan bir sistemdir.

Isıtma işlemi için gerekli enerjinin:

% 75'i güneş enerjisi (Bedava Enerji)

% 25'i tahrik enerjisidir. (Elektrik enerjisi)

Isı Pompalı Isıtma Sistemlerinin Özelik ve Avantjaları Üstün Estetik Boyutu

Ev içi kullanım alanından tasarruf (2 m2'lik ayarlama alanı yeterli)

Isınma ve depo alanına ihtiyaç yok

Modern ve estetik bir görüntüye sahip

Üstün Konfor (Rahatlık) Boyutu

Isınmak için parmak uçlarınızı kullanmanız yeterli.

Sesi yutan özel izolasyonu sayesinde fısıldar gibi sessiz çalışır.

Sağlıklıdır

Sağlık Boyutu

Isı pompası, Çalışırken iklime, hava koşullarına, dolayısıyla insan sağlığına zarar veren hiçbir gaz çıkarmaz.

Diğer sistemlerdeki gibi CO2 gazı üretilmez.

Yakıt kullanılan sistemlerde karşılaştığımız global ısınmaya neden olan sera gazı etkisi, ısı pompalı sistemlerde yoktur.

Güvenlik Boyutu

Yakıt ve yakıt deposu bulundurmaz. (Yerleşim alanınız içinde patlama yada yanma riski yok)

Isı pompası içinde kullanılan akışkan yanıcı değildir ve zehirsizdir.

CO2 veya benzeri, zararlı hiçbir gaz çıkarmaz.

Baca ve atık gaz çözümü gerektirmez.

Doğalgaz vanasını açık mı bıraktık kapalı mı gibi bir sorun yaşamazsınız.

Tasarruf Boyutu

Gaz, akaryakıt yada herhangi bir fosil yakıt gerekmiyor. (Yakıt gideri yok)

Bedava güneş enerjisi (hava) kullanılıyor.

İşletim masrafları, diğer bütün sistemlerle kıyaslandığında minimum değere sahip.

Gerekli enerjinin sadece % 25'si elektrik enerjisinden karşılanıyor. (Bütün sistemlerde zorunlu olarak kullanılan tahrik enerjisi)

Sistemin kurulması için yapılan masraf birkaç yıl içerisinde yapılan tasarruf sayesinde çıkarılmış oluyor.

Kurulum masrafını karşıladıktan sonraki her yıl, cebinizde kalan para yani tasarruf anlamına geliyor.

İşletim Kolaylığı

Bakım gerektirmeyen bir işletim sistemidir.

Enerji tedarikine bağımlı değildir.

Uzaktan bakım konsepti, her defasında masraf yapılması gereken yerinde servis hizmetini ortadan kaldırıyor. Isı pompasındaki ayarların doğrudan doğruya biz ve bayilerimiz tarafından yapılmaktadır.

Çifte Kullanım Avantajı

Kışın ısıtma amaçlı kullandığımız ısı pompası yerden ısıtm. Fancoillerle soğutma sağlanmaktadır.