Isı pompaları konutlarda kullanılan dondurucu, klima, buzdolabı gibi cihazlar ile aynı prensipte çalışan, mekanik parçaları soğutma sistemlerine benzer özellikler gösteren sistemlerdir. Isı pompaları soğutma makinelerine benzer özellikler göstermektedir. Bu cihazlar sistemin ilgi alanı sıcaklığının yüksek sıcaklık bölgesinde bulunması durumunda ısı pompası; düşük sıcaklık bölgesinde bulunması durumunda ise soğutma makinesi olarak adlandırılmaktadır. Termodinamiğin I. kanununa göre, enerji yoktan var edilemez, sadece biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası sistemleri de adını ısı enerjisinin ortamlar arası taşınmasından veya pompalamasından almıştır. Şekil 3.1.’de ısı pompasının çalışma prensibi açıklanmıştır.
Şekil 3.1. Isı pompası sistemi çalışma prensibi
3.1. Carnot Çevrimi
Carnot, 1824 yılında termodinamik çevrimi kullanan ilk bilim insanıdır. Tersinir hal değişimlerinden oluşan çevrimler, elde edilebilecek en yüksek verime sahiptir.
Termodinamiğin II. Yasasına göre, ısı enerjisinin düşük sıcaklık noktasından yüksek sıcaklık noktasına geçişi için yardımcı bir enerji kaynağı gerekmektedir. Bu geçiş olayı doğada her zaman çok olandan az olana doğru yöneliş göstermektedir. Isı pompası sistemi de düşük sıcaklıkta ve ekonomik değeri olmayan ısı enerjisini değerlendirmek amacıyla yüksek
sıcaklıktaki bir ortama pompalamakta ve bu işi yaparken pompalanan ısı enerjisinden daha az miktarda mekanik enerji harcamaktadır.
Carnot soğutma makinasının termodinamik işleyişi Şekil 3.2.’ de gösterilmektedir.
Şekil 3.2. Carnot soğutma makinesi termodinamik işleyişi ve ters Carnot çevrimine ait T-s diyagramı
Ters Carnot çevriminde 1-2 noktaları arasında bulunan soğutucu akışkana soğuk ortamdan sabit sıcaklıkta ısı geçişi olmaktadır. Daha sonra soğutucu akışkan sabit entropi (izantropik) altında 3 noktasında sıkıştırılmaktadır. 3-4 noktalarında soğutucu akışkandan ortama sabit ısı geçişi olmakta ve en son olarak ise soğutucu akışkan 1 noktasına sabit entropi altında genişleyerek çevrimini tamamlamaktadır. Şekilde soğuk ortam sıcaklığı TL, soğuk ortamdan sıcak ortama yapılan ısı geçişi QL, sabit entropi sıkıştırma sonucunda akışkanın sıcaklığı TH
ve sıcak ortamdan soğuk ortama yapılan ısı geçişi QH olarak gösterilmiştir.
Ters Carnot çevrimi, teoride bilinen en etkili soğutma çevrimi olup tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluştuğundan gerçekte uygulanma şansı bulunmamaktadır. Carnot soğutma makinesinin ve Carnot ısı pompasının etkinlik katsayıları Eş.3.1 ve Eş.3.2 gösterilmiştir.
SMC
H L
COP = 1
(T / T ) - 1 (3.1)
IPC
L H
COP = 1
1 - (T / T ) (3.2)
3.2. İdeal Buhar Sıkıştırmalı Çevrim
Bir önceki bölümde açıklandığı üzere, Carnot çevriminin gerçek uygulamalarda kullanılması mümkün değildir. Ancak bu çevrime yaklaşarak ısı pompasının etkinlik katsayısını arttırmak mümkündür. Isı pompası sisteminde etkinlik katsayısının artması için de ısı alışverişlerinin sabit sıcaklık (izotermal) altında bulunan ortamda yapılması gerekmektedir. Bunun için de buharı sıkıştırmadan önce tümüyle buharlaştırmak ve 3-4 noktaları arasındaki geçişte de kısılma vanası kullanmak gerekmektedir. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin termodinamik işleyişi ve T-s diyagramı Şekil 3.3.’ te gösterilmektedir.
Şekil 3.3. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi termodinamik işleyişi ve T-s diyagramı
İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, soğutucu akışkan sistemin kompresörüne 1 halinde doymuş buhar olarak girmektedir. Kompresör soğutucu akışkanı sabit entropide kondenser (yoğuşturucu) basıncına sıkıştırırken soğutucu akışkan sıcaklığı çevre sıcaklığının üzerine çıkmaktadır. Kızgın buhar olan soğutucu akışkan kondenserde yoğuşturularak doymuş sıvı olmaktadır. Yoğuşma işlemi esnasında akışkandan çevreye ısı transferi olmaktadır. Doymuş sıvı halindeki soğutucu akışkan genleşme vanasından geçirilerek evaporatör (buharlaştırıcı) basıncına kısılmaktadır. Genleşme vanasında yapılan bu işlemin ardından soğutucu akışkan sıcaklığı ortam sıcaklığının altına düşer. Evaporatöre sıvı buhar karışımı olarak ulaşan soğutucu akışkan ortam ısısını alarak buharlaşmaktadır.
Evaporatörden doymuş buhar olarak çıkan soğutucu akışkan kompresöre girer ve çevrim tamamlanır.
3.3. Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Çevrim
Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal buhar sıkıştırmalı çevrimden birkaç noktada farklılık göstermektedir. İdeal buhar sıkıştırmalı çevrimde gerçek uygulamalara ait prensipler dikkate alınsa da kullanılan ekipmanların tam verimde çalıştığı kabulü yapılmaktadır. Gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimde kompresör içinde sıkıştırılan soğutucu akışkandan kaynaklı tersinmezlikler sebebiyle entalpi ideal buhar sıkıştırmalı çevrimde belirtilecek değerlerden daha yüksek çıkacaktır. Bu durumda kompresör çıkışında daha yüksek sıcaklıklar oluşmasına neden olacaktır. Gerçek buhar sıkıştırmalı çevrime ait T-s diyagramı Şekil 3.4’te gösterilmiştir.
Şekil 3.4. Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine ait örnek T-s diyagramı
Bir önceki bölümde açıklandığı üzere, ideal çevrimde evaporatörden çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar halinde girmektedir. Bu koşul gerçek uygulamalarda farklılık göstermektedir. Kompresörler girişinde az miktarda kızgın buhar olmasını sağlayacak şekilde tasarlanmaktadır. Bu tasarımın amacı, soğutucu akışkanın kompresör girişinde tümüyle buhar olabilmesini garanti altına almaktır. İdeal buhar sıkıştırmalı çevrimde, soğutucu akışkanın evaporatörden çıkış özelliği, kompresör çıkış basıncında doymuş sıvıdır.
Gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimde ise, kompresörün çıkısı ve genleşme valfi girişi arasında bir basınç düşmesi oluşmaktadır. Uygulamada akışkanın genleşme valfine girmeden önce tümüyle sıvı hale geçmiş olması istenir. Bu nedenle, uygulamada kondenserden çıkış hali genellikle sıkıştırılmış sıvı bölgesinde olmaktadır.
3.4. Eğimli Güneş Kolektörüne Düşen Işınımın Hesaplanması
Bu bölümde güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminde kullanılan PV/T kolektörlerine düşen ışınımın elde edilmesi esnasında kullanılacak eşitliklerden bahsedilmiştir.
Güneş enerjisi kolektörlerin yatay düzlemle yaptığı açı, bölgenin enlem derecesinden 15°
eksik alınırsa yaz uygulamasında, 15° fazla alınırsa kış uygulamasında maksimum verim elde edilmektedir [30]. Konuya ilişkin yaz ve kış uygulamaları için tasarım yapılırken optimum panel açısını (OPA) veren ifadeler sırasıyla Eş.3.3 ve Eş.3.4’te gösterilmiştir.
OPAyaz = Bölge Enlem Derecesi- 15° (3.3)
OPAkış = Bölge Enlem Derecesi + 15° (3.4) Optimum eğim açısı hesaplanan PV/T kolektörlerinin üzerine düşen toplam radyasyon miktarı Eş.3.5’te gösterilen bağıntı dahilinde hesaplanmaktadır [30].
TRA= ((DİR x DİRAF) + (DİF x DİFAF) + (YYRA x YAO x YAF)) x 4,18 (3.5)
Eş.3.5’te TRA (kJ/m2gün) ile ifade edilen kavram kolektör yüzeyine gelen toplam radyasyon miktarını, DİR (kJ/m2gün) ile ifade edilen kavram direkt radyasyon miktarını, DİRAF ile ifade edilen kavram direkt radyasyon açı faktörünü, DİF (kJ/m2gün) ile ifade edilen kavram difüz radyasyon miktarını, DİFAF ile ifade edilen kavram difüz radyasyon açı faktörünü, YYRA (kJ/m2gün) ile ifade edilen kavram yeryüzü radyasyonunu, YAO ile ifade edilen kavram yansıtma oranını, YAF ile ifade edilen kavram ise yansıtılmış açı faktörünü simgelemektedir. Direk radyasyon, hiçbir dağılım ve emilmeye uğramadan atmosferi geçebilen radyasyon iken difüz radyasyon, atmosferde dağılıma uğrayarak yeryüzüne ulaşabilen radyasyon tipidir. Direkt radyasyon ve difüz radyasyon açı faktörleri, kolektör eğim açısına göre belirlenen birer katsayıdır [30].
Eş.3.5’te ifade edilen difüz radyasyon açı faktörü Eş.3.6’da gösterilen bağıntı dahilinde hesaplanmaktadır [30].
DİF= (1-1,097 x BUF) x YYRA (3.6)
Eş.3.6’da BUF ile ifade edilen kavram bulanıklık faktörünü açıklamakta olup bu faktör Eş.3.7’de gösterilen bağıntıya göre hesaplanmaktadır.
BUF = YYRA /AÖRA (3.7)
Eş.3.7’de YYRA (kJ/m2gün) ile ifade edilen kavram yeryüzü radyasyon değerini, AÖRA (kJ/m2gün) ile ifade edilen kavram ise atmosfer öncesi radyasyon değerini ifade etmektedir.
Eş.3.5’te ifade edilen direkt radyasyon miktarı (kJ/m2gün) Eş.3.8’de gösterilen bağlantı dahilinde hesaplanmaktadır.
DİR= YYRA-DİF (3.8)
Eğimli olarak çatıya yerleştirilmiş olan PV/T kolektörlerinin üzerine gelen toplam güneş enerjisi radyasyonu miktarı, TGRM (kJ/gün) Eş.3.9’da gösterilen bağıntı dahilinde hesaplanmaktadır. İlgili eşitlikte TRA (kJ/m2gün) metrekare başına günlük düşen radyasyon miktarını, APV/T (m2) ise toplam panel alanını ifade etmektedir.
TGRM= TRA x APV/T (3.9) PV/T kolektöründen kazanılan toplam termal enerjinin ısı pompası sisteminin evaporatöründe kullanılabilecek miktarı, EVKTE (kJ/gün) ve kompresörde kullanılabilir elektrik enerjisi miktarı, KKE (kJ/gün) sırasıyla Eş.3.10 ve Eş.3.11’de gösterilen bağıntı dahilinde hesaplanmaktadır. Eş.3.10 ve Eş.3.11’de ηPV/T,ter. ve ηPV/T,el. ile ifade edilen kavramlar sırasıyla PV/T kolektörünün termal ve elektrik verimlerini, ηID ile simgelenen kavram ısı değiştiricisi verimini, ηinv ile simgelenen kavram dizi invertörün verimini ve α ile simgelenen kavram ise kolektör yutuculuk katsayısını ifade etmektedir.
EVKTE = TGRM x α x ηPV/T,ter.x ηID. (3.10)
KKE = TGRM x α x ηPV/T,el. x ηinv (3.11)
3.5. Isı Pompası Bileşenlerinin Kapasitelerinin Hesaplanması
Bu bölümde güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminde, ısı pompası ekipmanının bileşenlerinin kapasitelerinin hesaplanmasında kullanılacak eşitliklerden bahsedilmiştir.
Sistemde kompresörün izantropik verimi Eş. 3.12’de gösterilen bağıntı dahilinde hesaplanmaktadır. ηC ifadesi kompresörün izantropik verimini, h2s (kj/kg) ifadesi ideal şartlarda kondenser entalpisini, h2 (kj/kg) gerçek koşullarda kondenser entalpisini, h1 (kj/kg) ise kompresör giriş entalpisini ifade etmektedir.
COP, ısı pompası çevriminde kondenserin vermiş olduğu kapasiteye karşılık kompresörün tükettiği saatlik elektrik enerjisinin oranlanması ile hesaplanan sistem performans katsayısıdır. Isı pompasında COP değerini veren ifade Eş.3.13’te gösterilen bağıntı dahilinde hesaplanmaktadır.
ηC = (h2s- h1) /(h2-h1) (3.12)
COPIP = Q̇kond / Ẇkomp (3.13)
Isı pompası çevriminde evaporatör gücünü ifade eden bağıntı Eş.3.14’te gösterilmiştir.
Eş.3.14’te Ẇkomp kompresörün gücünü (kW), Q̇evap evaporatör kapasitesini (kW) ve 𝑄̇kond (kW) kondenser kapasitesini simgelemektedir. Kompresör tarafından tüketilen elektrik enerjisini veren bağıntı ise Eş. 3.15’te gösterilmiştir. İlgili eşitlikte Ekomptük (kWh) kompresörün elektrik enerjisi tüketimini, tkomp (h) ile gösterilen ifade ise kompresörün çalışma süresini simgelemektedir.
Q̇evap= 𝑄̇kond− Ẇkomp (3.14)
Ekomptük = Ẇkomp x tkomp (3.15)
Isı pompası çevriminde genleşme valfindeki kısma işlemi sırasında çevre ile ısı geçişi olmadığı kabul edilerek kinetik ve potansiyel enerji değişimi ihmal edilmektedir.
Dolayısıyla kısılma vanasına giren soğutucu akışkanın özgül entalpisi (h3) ve kısılma vanası çıkışındaki soğutucu akışkanın entalpisinin (h4) eşit olduğu kabul edilmektedir.
Doğalgaz ile çalışan ısıtıcılarda kullanılması gereken doğalgaz miktarını veren bağıntı Eş.3.16’da açıklanmıştır. Bu eşitlikte, V ısıtma için gerekli doğalgaz miktarı (m3), AID (kJ/m3) doğalgazın alt ısıl değerini, ηyanma doğalgaz yanma verimini ve Etüketim (kJ) villada ısıtma için tüketilen enerji miktarını simgelemektedir.
V = Etüketim / (A.I.D. x ηyanma) (3.16)