Isı Pompalarının Kaynak Bazlı Sınıflandırılması

Isı pompası sistemleri ısı kaynaklarına göre; su kaynaklı, hava kaynaklı, toprak kaynaklı ve güneş kaynaklı olarak 4 temel çeşide ayrılmaktadır.

4.1.1. Hava kaynaklı ısı pompaları

Havanın kolay elde edilebilir bir ısı kaynağı olmasından dolayı hava kaynaklı ısı pompası sistemlerinin ilk yatırım maliyeti diğer ısı kaynağı ile çalışan ısı pompalarına göre daha düşüktür. Isı pompası çevriminde yer alan ısı taşıyıcı akışkan ısı enerjisini hava kaynağından almakta ve bu enerjiyi mahallin radyatör ya da sıcak su tesisatında dolaştırılan suya aktarmaktadır. Bununla beraber hava sıcaklıklarının bölgeler arasında değişkenlik göstermesi sistem tasarımında, mekâna bağlı olarak çok dikkatli bir optimizasyonunun yapılmasını gerektirmektedir. Tasarımda özellikle dikkat edilmesi gereken hususlar; dış havanın oldukça değişken bir sıcaklığa sahip olması ve buzlanma problemleridir. Dış mahal serpantininin yüzey sıcaklığı 0 °C ya da daha düşük olduğu noktalarda serpantin yüzeyinde buz oluşumu görülebilir. Buzun, buharlaştırıcı yüzeyinde uzun süre birikmesi halinde ısı geçişi azalacaktır. Bu durum da ısı pompasının etkinlik katsayısının ve ısıtma kapasitesinin

düşmesine neden olacaktır. Şekil 4.1’de hava kaynaklı ısı pompası sistemine ait örnek bir uygulama gösterilmiştir [31].

Şekil 4.1. Hava kaynaklı ısı pompası sistemlerine ilişkin örnek bir uygulama şeması

4.1.2. Su kaynaklı ısı pompaları

Su; kuyulardan, nehirlerden, yer altı sularından, denizlerden, göllerden ve şehir şebekesinden elde edilerek ısı kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Sistem maliyeti göz önünde bulundurulduğunda şehir şebekesi sistemlerinin ısı kaynağı olarak kullanıldığı uygulama sayısı oldukça azdır. Teknik olarak yer altı suyu diğer kaynaklara göre daha kararlı bir sıcaklığa sahip olması sebebiyle tercih edilebilir bir kaynak olmasına rağmen yer altı suyuna ulaşmak için yapılacak sondaj çalışmaları ve suyun yapısında yer alan minerallerin korozyon etkisi sebebiyle bu kaynakta konuma bağlı sıkıntılar yaşanabilmektedir. Nehir, göl gibi yer üstü kaynak sularında ise sıcaklık yer altı suyu kadar kararlı olmasa dahi hava ile kıyaslandığında sıcaklık değişiminin daha az olduğu anlaşılmaktadır. Türkiye’nin batı ve güney bölgelerinde yer üstü su sıcaklığı 0 °C’nin altına neredeyse hiç düşmediğinden bu bölgelerde ısı kaynağı olarak suyun kullanılması avantaj yaratmaktadır. Ayrıca kış sezonunda kaynak su sıcaklığı 20-25 °C arasında tutulduğu zamanlarda sistem COP değerleri 4-5 arasında değişkenlik gösterebilecektir.

Isı kaynağı olarak suyun kullanılacağı ısı pompası sistemlerinde, suyun sisteme zarar vermemesi amacıyla suyun kalitesi kesinlikle test edilmeli ve buna uygun tasarımlar gerçekleştirilmelidir. Su kaynaklı ısı pompası sistemlerine ait örnek tasarım Şekil 4.2’de sunulmuştur [31].

Şekil 4.2. Su kaynaklı ısı pompası sistemlerine ilişkin ilişkin örnek bir uygulama şeması

Şekil 4.2’de görülen kılcal borular yatay olarak en az 2,5 m derinliğe konumlandırılmalıdır.

Boru içerisinde bir pompa yardımıyla dolaştırılan antifriz su karışımı ısı kaynağından aldığı enerjiyi ısı pompası içerisinde dolaştırılan ısı taşıyıcı akışkana aktarır. Isı taşıyıcı akışkan da enerjisini ısıtma ve kullanma sıcak suyu sistemlerine aktarır. Su kaynaklı ısı pompalarının ilk yatırım maliyeti hava kaynaklı ısı pompalarından daha yüksek olsa da sistem performans katsayısı su kaynaklı sistemlerde daha yüksektir [32].

4.1.3. Toprak kaynaklı ısı pompaları

Toprak, güneş ile doğrudan temas içerisinde olan ve bu nedenle güneş ısısını alan, havadan taşınım yoluyla ve yağışlar yoluyla ısı alan bir yapıdadır. Toprak yalnızca bir ısı kaynağı değil aynı zamanda yapısında bulundurmuş olduğu ısıyı depolayan bir maddedir. Toprak ısısının yıl içinde kararlı olması sebebiyle ısı pompası sistemleri için çok uygun bir kaynaktır. Bu durum özellikle karasal iklim şartlarında kullanılacak olan ısı pompası sistemleri için büyük bir avantajdır. Yer altına yatay ya da dikey gömülen borulardan pompa yardımıyla dolaştırılan antifriz ve su karışımı ısıtma çevrimindeki ısı taşıyıcı soğutucu akışkana yeraltından aldığı ısı enerjisini aktarır. Soğutucu akışkan ise almış olduğu bu ısıyı radyatör ya da kullanım sıcak suyu tesisatında dolaşan suya aktarmaktadır. Toprağa gömülen boruların uzunluğu ısıtılacak mahallin enerji ihtiyacına ve bahçe büyüklüğüne göre değişmekte olup gömülen borunun büyüklüğü ısı enerjisi kapasitesiyle doğru orantılıdır.

Toprağın yoğunluğu, bileşimi, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği, toprak ısı değiştiricisinin seçimini ve boyutlandırılmasını etkiler. Aynı şekilde ısı pompası da çalıştırıldığı andan itibaren toprağın özelliklerini etkiler. Isı pompası ile ısıtma yapıldığı takdirde, toprak ısı değiştiricisine yakın bölgelerde toprak sıcaklığı düşer [33]. Yanlış hesap yapılması sonucunda ise topraktan çok fazla ısı çekilmesi toprağın donmasına neden

olabilmektedir. Hissedilebilir ısının dışında, topraktan nem yoğuşması ile gizli ısı da kazanılmaktadır. Su buharı, boruların üzerinde yoğuşur ve toprağın ısı iletkenliği de artmaktadır. Şekil 4.3’te yatay ve dikey tip toprak kaynaklı ısı pompasına ait örnek bir uygulama şeması gösterilmiştir [31]. Ayrıca toprak kaynaklı ısı pompalarının COP değerleri genellikle 3,5-5 arasında değişkenlik göstermektedir.

Şekil 4.3. Yatay ve dikey tip toprak kaynaklı ısı pompasına ait örnek bir uygulama şeması

4.1.4. Güneş enerjisi kaynaklı ısı pompaları

Güneş enerjisinin ısı pompası sistemlerinin evaporatöründe ısı kaynağı olarak kullanılmasının en büyük avantajı, evaporatör sıcaklığının yüksek seçilmesine imkân tanıması ve dolayısıyla sistemin performans katsayısının yükselmesinin sağlanmasıdır.

Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinde toprak ısı değiştiricisinin uzunluğunu azaltmak amacıyla da güneş enerjisinden faydalanılmaktadır.

Güneş enerjisinden kaynak olarak yararlanmak için direkt ve endirekt sistem olmak üzere iki alternatif mevcuttur. Direkt sistemlerde kolektörler buharlaştırıcı olarak sistemde yer alırken, endirekt sistemlerde kolektörlerden geçirilen su veya su buharı sayesinde sisteme enerji verilir. Direkt sistemlerde güneş panellerinde yer alan soğutucu akışkan atmosfer ısısı yardımıyla buharlaştırılır. Buhar kompresör tarafından sıkıştırılarak yoğuşturucuya girer, burada gaz halden sıvı hale geçerken enerjisini tank içerisindeki suya verir, sıvı haldeki soğutucu akışkan güneş paneline geri döner ve çevrim tekrarlanır. Endirekt sistemlerde ise güneş enerjisiyle içi su dolu bir depo ısıtılır ve buharlaştırıcı depodaki su içerisine daldırılarak enerji transferi sağlanır. Böylece güneş kolektörleri sisteme ek ısı sağlayarak

sistemin verimini arttırır [34]. Şekil 4.4’te güneş enerjisinin ısı kaynağı olarak kullandığı bir sistem tasarımı gösterilmiştir [35].

Şekil 4.4. Güneş enerjisi kaynaklı ısı pompasına ait örnek bir sistem tasarımı