28 Ekim 2010 | TEKNÄ°K MAKALE 3. Sayı (Eylül - Ekim 2010)

Isı Pompasıyla Isıtma ve Soğutmada Kaynak Olarak Yangın Deposunun Kullanılması Korhan Altınkaya ve Özlem Çetin Özer Isımas Isı Mak. San. Tic. ve Taah. A.Ş.
Yer/Su Kaynaklı Isı Pompası Sistemi
Isı geçişinin her zaman sıcaklığın azaldığı yönde olduğu bilinen bir gerçektir; başka bir deyişle ısı geçişi, yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki ortama olur. Bu doğal bir olgudur ve kendiliğinden gerçekleşir. Bu olgunun tersi kendiliğinden gerçekleşemez. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi ancak ısı pompalarının kullanımıyla gerçekleşebilir. Isı pompaları, soğutma çevrimini esas alarak çalışırlar. Soğutma çevriminde kullanılan akışkana “Soğutucu Akışkan” denir. Bu akışkan farklı makinelerde, kullanım yerine göre değişiklik gösterebilir. Her bir farklı akışkanın birbirlerine göre kullanım avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Isı pompalarında kullanılan çevrim, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Örneğin evlerde kullanılan buzdolabı da bu çevrime göre çalışan bir ısı pompasıdır. Dondurucu bölümü buharlaştırıcı, buzdolabının arkasındaki borular ise yoğuşturucu görevi görmektedir. Bu örnekten de anlaşılabileceği gibi ısı pompaları çok çeşitlidir. Isı çektikleri ortam ve ısı attıkları ortam değişik olabilmektedir.
Yandaki tabloda görüldüğü gibi ısı pompaları değişik kaynaklar kullanabilmektedirler ve kullandıkları kaynaklara göre adlandırılırlar. Örneğin hava, kaynak olarak kullanıldığı takdirde “Hava Kaynaklı Isı Pompası”; su kaynak olarak kullanıldığı takdirde “Su Kaynaklı Isı Pompası” diye adlandırılmaktadır. Kullanılan kaynaklar sistemin toplam verimini ve doğal olarak işletim maliyetlerini doğrudan etkilemektedirler. Hava çok kolay bulunabilen, ancak sıcaklığı yazdan kışa çok fazla değişen bir kaynaktır. Isıtmada kaynak sıcaklığının olabildiğince yüksek, soğutmada ise olabildiğince düşük olması istenir. Hava ise yazın yani soğutmanın yapılması istendiğinde en yüksek değerlerine, kışın da ısıtmanın ihtiyaç olduğu durumda en düşük değerine ulaşır. Bu durumda sağlanan soğutma ve ısıtma oldukça düşük verimlidir.
Su kaynaklı ısı pompalarında su, kaynak olarak farklı şekillerde kullanılır. Bunlar denizler, göller, ırmaklar olabileceği gibi, derinliklerden çekilecek yeraltı suları da olabilir. Ayrıca ısı pompaları için yeni bir kaynak sayılabilecek kazan/kule sistemi de sulu kaynaklara bir örnektir.
Toprak kaynaklı ısı pompalarında toprak, ısı kaynağı olarak kullanılır. Bu, toprak altına döşenen boruların içerisinden su dolaştırılarak sağlanır. Toprak altında ısınan su ile soğutucu akışkan arasında ısı transferi olur. Kompresör de soğutucu akışkanı sıkıştırarak çok daha yüksek sıcaklıklara çıkarır ve yük tarafında bina tesisatına aktarır. Toprak, sıcaklığı yıl boyunca oldukça az değişen, sabit sıcaklıklı sayılabilecek bir kaynaktır. Her ülke, her şehir, her toprak tipine göre farklı sıcaklıklarda bulunabilirler. En önemli gereksinimi, kurulumun yapılabileceği bir toprak alanına ihtiyaç duyulmasıdır.
Yukarıda sayılan bu temel ve en çok kullanılan kaynakların yanı sıra, düşük sıcaklıklı jeotermal su kaynaklarından, bir işlem sonucu atılmış atık sıcak veya soğuk sulardan, depolanmış güneş enerjisinden de ısı pompası kaynak olarak faydalanabilir.

Yeraltı Isı Değiştiricisi
YKIP sisteminde iki bölüm vardır. Isıtılacak ya da soğutulacak mekân yani yük tarafı ve ısının çekileceği veya atılacağı kısım kaynak tarafıdır. YKIP sisteminde yük tarafına su veya hava ısıtılmış veya soğutulmuş şekilde verilebilir. Kaynak tarafı işin önemli kısmıdır ve birkaç ayrı yöntemi vardır. Bu yöntemler iki ana kalemde Kapalı veya Açık Sistem olarak adlandırılabilir. Bu yöntemler daha sonra kendi aralarında ayrılarak değişik isimlerde adlandırılırlar.

Kapalı Isı Değiştirici Sistemi
Kapalı sistem ısı değiştirgeçleri, kapalı devre ve toprağın altına gömülü olan polietilen borulardan oluşur. Kapalı sistem yer ısı değiştirgeci borusu, ısı pompasına bağlıdır ve içinde doğayla dost antifrizli su dolaştırılmaktadır. Kapalı sistem, ısı taşıyan sıvıyı, basınç altında bulunan boru içerisinde sürekli olacak şekilde dolaştırır, açık sistemdeki gibi kuyudaki suyu tüketmez.
Birçok kapalı sistem yatay olarak toprağın altına serilir. Bununla birlikte, eğer yeterli alan yoksa ısı değiştiricileri dikey olarak toprağın altına yerleştirilir. İşyeri veya ev yakınında, boruların yerleştirilmesi için belirli bir toprak alanına sahip olmak, sistem için yeterlidir.
Ayrıca yatay sermenin bir değişik şekli de helezon uygulamasıdır. Bu uygulamada polietilen borular sarmal şekline getirilerek daha kısa ama geniş bir hendek kazılmasıyla uygulanabilmektedir. Bu uygulama düz yatay serme yöntemine göre daha az kazı yapılmasından dolayı görece daha az toprak alanı gerektirir.
Kapalı sistemin diğer bir alt dalı da dikey sistemdir. Bu sistemde yer ısı değiştirgeci dikey olarak açılan sondaj kuyularına uygulanır. Bu deliklerin, yani sondajların, normal su sondajlarında farkı, daha küçük çaplarda olması, ayrıca kuyu çökmesini önleyici gömleklere ihtiyaç duymamasıdır.
Açık sistemde kaynak olarak kullanılan göl ve deniz suyunun içeriğinden dolayı açık olarak kullanılamayacağı durumda helezon yöntemiyle kapalı olarak kullanılabilir. Bu kaynakların kullanımında hangi yöntemin daha ekonomik ve uygun olduğu, sistemi kuran teknik personelin karar vermesi gereken bir konudur.

Açık Isı Değiştirici Sistemi  
Açık sistem, ısı kaynağı olarak sıradan bir kuyu, göl veya akarsu, deniz ve fabrikalarda atık proses suyunu kullanabilir. Kullanılan su eğer cihaza zarar verebilecek etkenlere sahipse araya bir plakalı ısı değiştirici kurularak sistem çalıştırılır. Kaynaktan alınan su, ısı pompası ünitesinin içine, ısısı alınarak çevreye ve doğaya zarar vermeyecek şekilde geri pompalanmak üzere çekilir.
Bu kaynaklardaki suların sıcaklığının yıl boyunca neredeyse sabit kalması, onu çok iyi bir ısı kaynağı yapar. Su ihtiyacı, belirli bir model için l/s olarak, o modele ait teknik tablolarda yer alır. Debi ihtiyacı, ısıtma veya soğutma için kullanılacak olan cihazın kapasitesine, yani evin kapasitesine göre değişiklik gösterir.

Hibrit Sistemler
Alışveriş merkezleri gibi yüksek kapasite gerektiren uygulamalarda, geniş jeotermal sistemlerin uygulanması gerekir. Bunun olanaksız olduğu durumlarda verimli bir yol olarak kazan/soğutma kulesi sistemleri oldukça tercih edilmektedir. Hibrit sistem olarak adlandırılan bu uygulama, düşük kapasiteli bir kazan ve soğutma kulesi ile ısı pompasının yüksek verimliliğinden faydalanarak ısıtma-soğutma sağlar. Sistem bunu sağlarken dört boruya ihtiyaç duymaz. İhtiyaca göre bazı makinelerin ısıtmaya, bazı makinelerin soğutmaya çalıştığı bu sistemde kazan veya kule dönüş suyu karışımının ihtiyacına göre devreye girip çıkmaktadır.     

Uygulama Örneği:  

Isı Pompasıyla Isıtma ve Soğutmada Kaynak Olarak Yangın Deposunun Kullanılması
Isı pompası cihazları, kullandıkları kaynak tiplerine göre çeşitlenmektedir. Yeraltının belli derinliklerine yerleştirilen su depoları da ısı pompalarında kaynak olarak kullanılabilirler. Dünyada çeşitli uygulamaları bulunan depo kaynaklı ısı pompası uygulaması Türkiye’de de ilk defa gerçekleştirilmiştir.
Isı pompası sisteminde soğutulması gereken yük tarafını test kabinleri oluşturmaktadır. Bu test kabinlerinde testler boyunca  eksi 40 °C’de olması gereken kabinlerin asıl soğutma sisteminin ön soğutması ısı pompaları ile sağlanmıştır. Yük tarafında kabinlerin ön soğutulması yapılırken kaynak tarafında da fabrikanın 1.000 tonluk yangın deposu kaynak olarak kullanılmıştır. Türkiye’de ilk defa gerçekleştirilen yıl boyunca sıcaklığı yaklaşık 10°C’de sabit olan yeraltı yangın deposu kullanımı ile tüm yıl boyunca soğutmada yüksek verimlilik sağlanmıştır. Ayrıca yer/su kaynaklı ısı pompalarında yüksek ilk yatırım maliyetine sahip kaynak tarafı kurulumu için minimum yatırım yapılması ise sistemin geri ödeme süresini 7,5 ay gibi kısa sürelere çekmiştir.
Isı pompalarının kaynak tarafında fabrikanın 1.000 tonluk yangın deposu açık sistem olarak kullanılmıştır. Deponun su sıcaklığı yıl boyunca ölçülmüş ve yaklaşık 10°C’de sabit kaldığı görülmüştür. Yeraltında bulunan bu deponun duvarlarından toprağa kaynak kapasitesini sağlayacak şekilde tasarım yapılmıştır. Kaynak tarafına yerleştirilen plakalı eşanjörün bir tarafında ısı pompası, diğer tarafında yangın deposu bulunmaktadır. Isı pompasından gelen ısı, eşanjör aracılığıyla depoya aktarılır. Depoda eşanjörden aldığı ısıyı toprağa transfer etmektedir. Böylece depo dengede kalmakta ve ısı pompası düşük sıcaklıklı bir kaynağı yıl boyunca kullanarak tasarruf etmektedir.  Bu yöntem herhangi bir kazı, sondaj vs. çalışması yapılmadığı için oldukça düşük ilk yatırım maliyetine sahiptir.
Nominal kapasitesi toplamda 51 Kw olan ısı pompalarının yük tarafında asıl kompresörlü soğutma sisteminin ön soğutma tesisatı yer almaktadır. Tüm sene boyunca soğutma yapacak bu sistemde test için kullanılan kabinler şartlandırılmaktadır. Yük tarafındaki ihtiyaca göre kontrol edilen cihaz çalışması 3 cihaz için de dengeli olarak sağlanmaktadır. Aynı şekilde sirkülasyon pompaları ve diğer elektrikli ekipmanlar da tasarruf miktarını en üst düzeyde tutmak için bir otomasyon panosu tarafından kontrol edilmektedir. Yük tarafında bulunan test kabinlerinin eşanjörleri tıkanmaya karşı hassas oldukları için tüm yük tarafı tesisatı HDPE 100 borular ve ek parçaları kullanılarak yapılmıştır.
İşletim maliyetleri tablosundan da görülebileceği gibi halihazırda var olan yangın deposunun ısı pompasına kaynak olacak şekilde kullanılması ile chiller’e göre yüzde 47 işletim maliyeti karlılığı elde edilmiştir. Bu karlılığa göre sistemin kendisini amorti etme süresi yaklaşık olarak 7,5 ay gibi kısa bir süre olmaktadır. Isı pompası sistemleri doğru uygulandığında ve düzgün tasarım yapıldığında, var olan potansiyellerin kullanılması ile çok karlı bir yatırım aracı haline gelmektedir.
Isı pompası sistemlerinin diğer sistemlerden bu kadar tasarruflu olmasının en büyük nedeni yeraltındaki bedava ve atıl olan enerjinin kullanılmasıdır. Sistemin doğru ve tasarruf edebilecek şekilde kurulması sistemi tasarlayan mühendislerin ve uygulayan ekiplerin profesyonelliğine bağlıdır. Isı pompası cihazlarına ve kurulan sisteme normal bir kombi cihazı veya klima cihazı gibi bakılarak yaklaşılması yanlış kurulacak sistemler meydana getirebilir. Bu şekilde kurulan sistemlerden tasarruf beklemek yanlıştır. Özellikle toprak kaynaklı ısı pompası sisteminde en önemli iş kalemi toprak tarafındaki hesap ve uygulamadır. Toprak altına döşenen boruların uzunlukları ile ilgili bir hata yapılması sistemi tasarruf edemez bir sistem haline getirir ve bunu düzeltmek, sistemi yeniden kurmaktan daha pahalıya gelebilmektedir. Bu yüzden ısı pompası sistemleri ancak doğru proje ve doğru uygulama ile tasarruf edebilen sistemlerdir.

 

---

R E K L A M