GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASI SİSTEMLERİNİN PERFORMANS ANALİZİ
Buğra ŞENSOY
YÜKSEK LİSANS
ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ŞUBAT 2019
Buğra ŞENSOY tarafından hazırlanan “GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASI SİSTEMLERİNİN PERFORMANS ANALİZİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Prof. Dr. Mustafa AKTAŞ Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.
...………
Başkan: Prof. Dr. Kâmil SAÇILIK
Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Ankara Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...
Üye: Dr. Öğr. Üyesi M. Bahadır ÖZDEMİR
Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...
Tez Savunma Tarihi: .../….…/……
Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.
……….…….
Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;
Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,
Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,
Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,
Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,
Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,
bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.
Buğra ŞENSOY 12/02/2019
GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASI SİSTEMLERİNİN PERFORMANS ANALİZİ
(Yüksek Lisans Tezi) Buğra ŞENSOY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Şubat 2019 ÖZET
Ülkelerin enerjide sürdürülebilir politikalar geliştirmesi ve bu politikaları devam ettirebilmesi için fosil yakıt tüketiminin kademeli olarak azaltılması, enerji verimliliği faaliyetlerinin yaygınlaştırılması ve konutlarda yeşil bina tasarımlarının hayata geçirilmesi gerekmektedir. Türkiye’nin enerji tüketim verileri incelendiğinde, ülke genelinde tüketilen enerjinin %36’sının konutlarda kullanıldığı anlaşılmaktadır. Konutlarda enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik yapılacak tasarım ve çalışmalarda, fosil yakıt tüketiminin azaltılması, enerji verimliliği uygulamalarının yaygınlaştırılması ve yenilenebilir enerji kaynaklarının konutlarda kullanımının arttırılması amaçları göz önünde bulundurulmalıdır. Bu çalışmada, Ankara ili iklim şartlarında bulunan bir villada enerji verimliliğinin sağlanabilmesi amacıyla TS 825 “Binalarda Isı Yalıtım Kuralları” standardına bağlı kalınarak, ısı yalıtım gerçekleştirilmiştir. Ardından, yalıtımı yapılan villanın ısıtılması ve kullanım sıcak suyu ihtiyacının karşılanması amacıyla, güneş enerjisi (fotovoltaik termal kolektör) destekli ısı pompası sistemi kullanılarak bir tasarım gerçekleştirilmiştir. Tasarım yapılırken villanın fosil yakıt tüketimimin azaltılması ve villada yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılması amacı göz önünde bulundurulmuştur. Yapılan tasarımda ısı pompası sisteminin evaporatör ve kondenser sıcaklıkları sırayla 10°C ve 50°C olarak seçilmiş, sistemde R410A soğutucu akışkanı kullanılmış ve ısı pompasının performans katsayısı 4,65 olarak hesaplanmıştır. Isıtma sezonu koşullarına göre ısı pompası sistemine entegre edilen 19 adet fotovoltaik termal güneş kolektörü sayesinde villa ısıtma sezonunda ortalama 4,59 saat doğalgaza gereksinim duymadan ısıtılmıştır. Ayrıca ısıtma sezonu ortalamasında villanın ısıtma ve kullanım sıcak suyu için gerekli enerji ihtiyacı 1345,88 kWh olarak hesaplanmış olup bu enerjinin %39,60’ı güneş enerjisinden karşılanmıştır. Geri kalan enerji gereksinimi ise doğalgaz kaynaklı ek ısıtıcı tarafından karşılanmış olup villada ısıtma sezonunda ortalama aylık 60,91 m3 daha az doğalgaz kullanılmış ve Ankara ili doğalgaz tedarikçisi birim fiyatları göz önünde bulundurulduğunda, ısıtma sezonunda doğalgaz faturasında 607,150 TL’lik tasarruf sağlanmıştır. Bunun yanında sistemde yaz sezonunda kolektörlerden üretilen elektrik enerjisi şebekeye satılmakta, termal enerji ise kullanım sıcak suyunda yararlanılmak üzere boyleri beslemektedir.
Bilim Kodu : 92802
Anahtar Kelimeler : Güneş enerjisi, fotovoltaik termal, ısı pompası, enerji verimliliği, performans analizi, sürdürülebilir enerji
Sayfa Adedi : 104
Danışman : Prof. Dr. Mustafa AKTAŞ
PERFORMANCE ANALYSIS OF SOLAR ENERGY ASSISTED HEAT PUMP SYSTEMS
(M. Sc. Thesis) Buğra ŞENSOY GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES February 2019
ABSTRACT
For sake of countries to develop continuable policies with respect to energy and continue such policies, fossil fuel consumption must be gradily reduced, energy efficiency activities must be rendered wide spread and green building designs at construction must be enlivened.
When Turkey’s energy consumption data are examined, it is understood that across country overall consumed energy is used at housing by 36%. At designs and works to be made towards reducing energy consumption at housings, considered must be are purposes of reducing fossil fuel consumption, rendering energy efficiency practices wide spread and increasing use of renewable energy resources at housing. In this study, in order to ensure energy efficiency at a villa within Ankara town climate conditions TS 825 “Heat Insulation Rules for Buildings” standard was conformingly adhered to and insulation realized.
Thereafter, in order to heat up the insulated villa and meet utility hot water demand, solar energy (photovoltaic thermal collector) supported heat pump system was used whereby a design was set. While making design, purposes to decrease villa fossil fuel consumption and taking advantage of renewable energy resources at villa were taken to consideration. At design made, heat pump system’s evaporator and condenser temperatures were respectively selected 10°C and 50°C, while at system R410A refrigerant was used and heat pump performance coefficient was calculated 4,65. Due heat pump system integrated 19 units of photovoltaic thermal solar collectors integrated according to heating season condition average 4,59 hours heating was ensured without need natural gas. Moreover, by heating season average villa’s heating and usage purpose and required utility hot water energy demand was calculated 1345,88 kWh; 39,60% of such energy was provided from solar energy. Remaining energy demand however was met by natural gas resourced additional heater. During heating season at villa mentioned monthly average 60,91 m3 less natural gas was used and taking Ankara province natural gas providers’ unit prices for same fuel to consideration, natural gas invoice was saved 607,150 TL during heating season. Alongside thereto electrical energy produced at system during summer season are sold to electricity supply network, while thermal energy feeds to boiler for utility hot water demands.
Science Code : 92802
Key Words : Solar energy, photovoltaic thermal, heat pump, energy efficiency, performance analysis, sustainable energy
Page Number : 104
Supervisor : Prof. Dr. Mustafa AKTAŞ
TEŞEKKÜR
Lisans öğrenimimden başlayarak yüksek lisans öğrenimim ve tez çalışmam süresince beni yönlendiren, tecrübelerinden faydalandığım, değerli bilgilerini, görüşlerini ve desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen tez danışmanım sayın Prof. Dr. Mustafa AKTAŞ’a, eğitim hayatımın tüm süreçlerinde ve bu çalışmanın hazırlanmasında manevi desteklerinden dolayı özellikle annem Cahide ŞENSOY’a, babam M. Vehbi ŞENSOY’a ve ablam Kübra ŞENSOY’a teşekkürü bir borç bilirim.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ... iv
ABSTRACT ... v
TEŞEKKÜR ... vi
İÇİNDEKİLER ... vii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x
RESİMLERİN LİSTESİ ... xii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... xiii
SİMGELER VE KISALTMALAR... xiv
1. GİRİŞ
... 12. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
... 53. TEORİK ANALİZ
... 173.1. Carnot Çevrimi ... 17
3.2. İdeal Buhar Sıkıştırmalı Çevrim ... 19
3.3. Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Çevrim ... 20
3.4. Eğimli Güneş Kolektörüne Düşen Işınımın Hesaplanması ... 21
3.5. Isı Pompası Bileşenlerinin Kapasitelerinin Hesaplanması ... 23
4. ISI POMPALARI
... 254.1. Isı Pompalarının Kaynak Bazlı Sınıflandırılması ... 25
4.1.1. Hava kaynaklı ısı pompaları ... 25
4.1.2. Su kaynaklı ısı pompaları ... 26
4.1.3. Toprak kaynaklı ısı pompaları ... 27
4.1.4. Güneş enerjisi kaynaklı ısı pompaları ... 28
4.2. Isı Pompası Sistemlerinde Kullanılan Ekipmanlar ... 29
4.2.1. Kompresörler ... 29
Sayfa
4.2.2. Kondenserler (Yoğuşturucular) ... 32
4.2.3. Genleşme valfi ... 33
4.2.4. Evaporatörler (Buharlaştırıcılar) ... 36
4.3. Isı Pompası Sistemlerinde Kullanılan Soğutucu Akışkanlar ... 38
4.3.1. Soğutucu akışkanların sınıflandırılması ... 38
4.4. Boylerler (Su ısıtıcılar) ... 41
4.4.1. Serpantinli boylerler ... 41
4.4.2. Gömlekli boylerler ... 42
4.4.3. Elektrikli boylerler ... 42
5. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ISI VE ELEKTRİK ENERJİSİNİN ELDESİ
... 455.1. Güneş Kolektörleri ... 45
5.1.1. Isıtma amacıyla kullanılan güneş kolektörleri ... 45
5.1.2. Elektrik enerjisi üretimi amacıyla kullanılan güneş kolektörleri ... 48
5.2. Fotovoltaik Paneller ... 50
5.2.1. Kristal slikon güneş panelleri ... 51
5.2.2. İnce film güneş panelleri ... 53
5.3. PV/T Güneş Kolektörleri ... 55
5.3.1. PV/T hava kolektörleri ... 56
5.3.2. PV/T Su kolektörleri ... 58
6. GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASI SİSTEMLERİ
... 616.1. Geleneksel Güneş Enerjisi Destekli Isı Pompası Sistemleri ... 61
6.2. Direkt Genleşmeli Güneş Enerjisi Destekli Isı Pompası Sistemleri ... 62
6.3. PV/T Destekli Isı Pompası Sistemleri ... 62
6.4. Güneş Enerjisi Desteli Toprak Kaynaklı Hibrit Isı Pompası Sistemleri ... 63
6.5. Diğer Güneş Enerjisi Destekli Hibrit Isı Pompası Sistemleri ... 64
Sayfa
7. YÖNTEM VE TASARIM
... 657.1. Villanın Isıtılması ve Kullanım Sıcak Suyu İçin Gerekli Enerji İhtiyacı ... 66
7.1.1. Villanın ısıtılması için gerekli enerji ihtiyacı ... 66
7.1.2. Villanın sıcak su ihtiyacı için gerekli enerji ihtiyacı ... 73
7.1.3. Villanın mahal ısınması ve su ısıtması için gerekli toplam enerji ihtiyacı miktarı ... 75
7.2. Tasarım ... 76
7.3. Hesaplamalar ... 78
8. SONUÇ VE ÖNERİLER
... 87KAYNAKLAR ... 89
EKLER ... 95
EK-1. Isı yalıtımı yapılan villanın özgül ısı kaybı çizelgesi ... 96
EK-2. Isı yalıtımı yapılan villanın yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacı çizelgesi ... 98
EK-3. Fotovoltaik termal kollektörün teknik bilgilendirme dokümanı ... 100
ÖZGEÇMİŞ ... 104
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 2.1. Direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi... 6
Şekil 2.2. Dikici ve Akbulut tarafından tasarlanan ısı pompası sistemi ... 8
Şekil 2.3. Xiangqiang Kong ve diğerleri tarafından tasarlanan direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi ... 11
Şekil 2.4. Jiaheng Chen ve Jianlin Yu’nun ejektör sıkıştırmalı ısı pompası tasarımı ... 12
Şekil 2.5. Sistemde kolektör alanının enerji tüketimime etkisi ... 13
Şekil 3.1. Isı pompası sistemi çalışma prensibi ... 17
Şekil 3.2. Carnot soğutma makinesi termodinamik işleyişi ve ters Carnot çevrimine ait T-s diyagramı ... 18
Şekil 3.3. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi termodinamik işleyişi ve T-s diyagramı ... 19
Şekil 3.4. Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine ait örnek T-s diyagramı ... 20
Şekil 4.1. Hava kaynaklı ısı pompası sistemlerine ilişkin örnek bir uygulama şeması .. 26
Şekil 4.2. Su kaynaklı ısı pompası sistemlerine ilişkin ilişkin örnek bir uygulama şeması ... 27
Şekil 4.3. Yatay ve dikey tip toprak kaynaklı ısı pompasına ait örnek bir uygulama şeması ... 28
Şekil 4.4. Güneş enerjisi kaynaklı ısı pompasına ait örnek bir sistem tasarımı ... 29
Şekil 4.5. Pistonlu kompresörlerin yapısı ... 30
Şekil 4.6. Buharlaşmalı kondenser... 33
Şekil 4.7. Termostatik genleşme valfi çalışma prensibi ... 35
Şekil 4.8. Elektronik genleşme valfi yapısı ... 36
Şekil 4.9. Lamelli tip hava soğutan evaporatöre ait örnek gösterim ... 37
Şekil 4.10. Su soğutan evaporatörlere ait örnek gösterim ... 37
Şekil 4.11. Tek ve çift serpantinli boyler iç kesit görünüşü ... 42
Şekil 5.1. Düzlemsel güneş kolektörünün ve elemanları ... 46
Şekil 5.2. Vakum tüplü güneş kolektörünün görünüşü ... 47
Şekil Sayfa
Şekil 5.3. Düzlemsel havalı kolektöre ait örnek tasarım ... 48
Şekil 5.4. Parabolik çanak tip YGE sistemi çalışma prensibi ... 50
Şekil 5.5. Kristalin silikon güneş panellerin yapısı ve çalışma ilkesi ... 51
Şekil 5.6. PV/T güneş kolektörü girdi-çıktı şeması ... 55
Şekil 5.7. PV/T hava kolektörlerinin yapısı ... 57
Şekil 5.8. Farklı tipte kolektörde elde edilen verim değeri karşılaştırması ... 58
Şekil 5.9. PV/T su kolektörlerinin yapısı ... 58
Şekil 6.1. Geleneksel güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi şematik gösterimi ... 61
Şekil 6.2. Direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası şematik gösterimi ... 62
Şekil 6.3. PV/T destekli ısı pompasına ait örnek şematik gösterim... 63
Şekil 6.4. Güneş enerjisi desteli toprak kaynaklı hibrit ısı pompası sistemi... 64
Şekil 6.5. Güneş ve rüzgâr enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompasına ait örnek şematik gösterim ... 64
Şekil 7.1. Türkiye il bazlı ısıtma bölgesi haritası... 65
Şekil 7.2. Tasarım Şeması ... 76
Şekil 7.3. Isı pompası sistemi Log P-h diyagramı ... 83
Şekil 7.4. Villanın enerji tüketimine kaynakların yüzdelik katkısı ... 85
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa
Resim 5.1. Parabolik oluk tip YGE sistemi şematik gösterimi ... 49
Resim 5.2. Güneş güç kulelerine ait örnek tesis ... 50
Resim 5.3. Monokristal güneş panelinin dış görünüşü ... 52
Resim 5.4. Polikristal güneş panelinin kullanıldığı örnek tesis ... 53
Resim 5.5.CdTe ince film teknolojisi ile kurulmuş örnek tesis ... 54
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 4.1. Güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinde yoğun olarak
kullanılan soğutucu akışkanlar ... 41
Çizelge 5.1. PV/T sistemleri verim kıyas çizelgesi ... 59
Çizelge 7.1. Farklı amaçlarla kullanılan binalar için hesaplamalarda kullanılacak aylık ortalama iç sıcaklık değerleri çizelgesi ... 66
Çizelge 7.2. Isıtma bölgelerine göre aylık ortalama sıcaklık değerleri ... 67
Çizelge 7.3. Bölgelere ve ara değer Atop/Vbrüt oranlarına bağlı olarak sınırlandırılan 𝑄𝚤’nun hesaplanması” çizelgesi ... 71
Çizelge 7.4. Aylık bazda villanın ısınması için gerekli aylık enerji ihtiyacı miktarı .... 72
Çizelge 7.5. Konutlar için günlük sıcak su ihtiyacı bilgileri ... 73
Çizelge 7.6. Ankara ili şebeke suyu sıcaklık değerlerinin aylara göre değişimi ... 74
Çizelge 7.7. Villanın kullanım sıcak suyu ihtiyacı için gereken enerji miktarı ... 74
Çizelge 7.8. Villanın ısıtması ve kullanım sıcak suyu için gerekli toplam enerji miktarı ... 75
Çizelge 7.9. Villanın ısıtması ve kullanım sıcak suyu için gerekli toplam enerji miktarı ... 78
Çizelge 7.10. Ay ve şehir bazlı YYRA ve AÖRA değerleri ... 79
Çizelge 7.11. Kış uygulamasına göre DİRAF değerleri... 80
Çizelge 7.12. Kış uygulamasına göre DİFAF ve YAF değerleri ... 80
Çizelge 7.13. Yansıtıcılık oranı değerleri... 81
Çizelge 7.14. R410A soğutucu akışkanının teknik ve fiziksel özellikleri ... 82
Çizelge 7.15. Isı pompası sistemi Log P-h diyagramı çıktıları ... 83
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklamalar
AD Dış duvar alanı, [m2]
Ad Dış hava ile temas eden taban alanı, [m2]
Ads Düşük sıcaklıklardaki iç ortamlar ile temas eden yapı elemanlarının alanı, [m2]
Ai i yönünde toplam pencere alanı, [m2] APV/T PV/T kolektör yüzeyi toplam alanı, [m2] AK Kolon alanı, [m2]
Ak Dış kapı alanı, [m2]
An Bina kullanım alanı, [m2]
AP Pencerelerin alanı, [m2]
AT Tavan alanı, [m2]
At Zemine oturan taban alanı, [m2]
Atop Villanın ısı kaybeden alanlarının toplamı, [m2]
ATR Teras alanı, [m2]
chava Havanın özgül ısısı, [J/kgK]
csu Suyun özgül ısısı, [J/kgK]
Ekomptük. Kompresör elektrik enerjisi tüketimi, [kWh]
Etüketim Villada ısıtma amacıyla tüketilen toplam enerji, [kWh]
Fw Camlar için düzeltme faktörü
gi,ay i yönünde saydam elemanların güneş enerjisi geçirme faktörü
g Laboratuvar şartlarında ölçülen ve yüzeye dik gelen ışın için güneş enerjisi geçirme faktörü
H Binanın özgül ısı kaybı, [W/K]
Simgeler Açıklamalar
Ht Villada iletim yoluyla gerçekleşen ısı kaybı, [W/K]
Hv Villada havalandırma yoluyla gerçekleşen ısı kaybı, [W/K]
h1 Kompresör girişindeki entalpi değeri, [kJ/kg]
h2s İdeal koşullarda kondenser entalpisi, [kJ/kg]
h2 Gerçek koşullarda kondenser entalpisi, [kJ/kg]
I Isı köprüsünün uzunluğu, [m]
Ii,ay i yönünde dik yüzeylere gelen aylık ortalama güneş ışınımı şiddeti, [W/m2]
msu Isıtılan su kütlesi, [kg]
nh Hava değişim oranı, [1/h]
P1 Genleşme valfi üst diyafram basıncı, [P]
P2 Genleşme valfi yay basıncı, [P]
P3 Evaporatör basıncı, [P]
Q Villanın kullanılan alan başına düşen enerji ihtiyacı, [kWh/ m2] 𝑄𝚤 Villanın ısıtılması için müsaade edilen maksimum ısı ihtiyacı
değeri, [kWh/m2]
Qay Villanın aylık ısıtma ihtiyacı, [J]
e, ay Aylık ortalama dış sıcaklık, [°C]
𝐐̇𝐞𝐯𝐚𝐩 Evaporatör kapasitesi, [W]
QH Soğuk ortama geçen ısı enerjisi, [J]
i, ay Villanın aylık ortalama iç sıcaklığı, [°C]
QL Sıcak ortama geçen ısı enerjisi, [J]
𝐐̇𝐤𝐨𝐧𝐝 Kondenser kapasitesi, [W]
Qsu Suyun ısıtılması için gerekli enerji ihtiyacı miktarı, [kWh]
Qyıl Villanın yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacı, [J]
ri,ay i yönünde saydam yüzeylerin gölgelenme faktörü
V’ Hava debisi, [m3/h]
Simgeler Açıklamalar
Vh Havalandırılan hacim, [m3]
t Isıtma süresi, [s]
tkomp Kompresör çalışma süresi, [h]
TH Sıcak ortam sıcaklığı, [°C]
TL Soğuk ortam sıcaklığı, [°C]
Tsu,sıcak Kullanım suyu sıcaklığı, [°C]
Tsu,soğuk Şebeke suyu sıcaklığı, [°C]
Ub Alt ısı kayıp katsayısı, [W/m2K]
UD Dış duvarın ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
Ud Dış hava ile temas eden tabanın ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
Uds Düşük sıcaklıklardaki iç ortamlar ile temas eden yapı elemanlarının ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
UI Isı köprülerinin ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
UK Kolonun ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
Uk Dış kapının ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
UP Pencerenin ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
UT Tavanın ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
Ut Zemine oturan tabanın ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
UTR Terasın ısıl geçirgenlik katsayısı, [W/m2K]
V Aylık doğalgaz tüketim miktarı, [m3]
𝐖̇𝐤𝐨𝐦𝐩 Kompresör gücü, [kW]
𝛂 PV/T kolektörün güneş ışınımı yutma katsayısı, [%]
ηay Aylık kazanç kullanım faktörü
𝛈𝐈𝐃 Isı değiştirici verimi, [%]
𝛈𝐢𝐧𝐯 İnvertör verimi, [%]
𝛈𝐏𝐕𝐓,𝐞𝐥𝐞𝐤𝐭𝐫𝐢𝐤 PV/T kolektörü elektrik verimi, [%]
Simgeler Açıklamalar
𝛈𝐏𝐕𝐓,𝐭𝐞𝐫𝐦𝐚𝐥 PV/T kolektörü termal verimi, [%]
𝛈𝐏𝐕𝐓,𝐭𝐨𝐩𝐥𝐚𝐦 PV/T kolektörünün toplam verimi, [%]
𝛈𝐲𝐚𝐧𝐦𝐚 Doğalgaz yanma verimi, [%]
ηC Kompresör izantropik verimi, [%]
Havanın birim hacim kütlesi, [kg/m3]
Фi,ay Aylık ortalama iç kazançlar, [W]
Фg,ay Aylık ortalama güneş enerjisi kazancı, [W]
i,ay Ortalama iç ortam sıcaklığı, [°C]
e,ay Ortalama dış ortam sıcaklığı, [°C]
Kısaltmalar Açıklamalar
AID Doğalgaz alt ısıl değeri, [kJ/m3]
AÖRA Atmosfer öncesi güneş radyasyonu değeri, [kJ/m2gün]
ASHRAE The American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers
ASPE American Society of Plumbing Engineers BREEAM BRE Enviromental Assessment Method BUF Bulanıklık faktörü
CdTe Kadminyum Tellürid
CIS Copper indium selenide
COP Performans katsayısı
COPIP Isı pompasının performans katsayısı
COPIPC Carnot ısı pompasının performans katsayısı
COPSistem Tüm sistemin performans katsayısı
COPSMC Carnot soğutma makinası performans katsayısı DİF Difüz radyasyon miktarı, [kJ/m2gün]
Kısaltmalar Açıklamalar
DİFAF Difüz radyasyon açı faktörü
DİR Direkt radyasyon miktarı, [kJ/m2gün]
DİRAF Direkt radyasyon açı faktörü
DG-GDIP Direk genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası EVKTE Evaporatörde kullanılabilir termal enerji, [kJ/gün]
GEL Green Energy Lab
GDIP Güneş enerjisi destekli ısı pompası
GTHGDIP Güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı hibrit ısı pompası sistemleri GWP Küresel ısınma potansiyeli
KKE Kompresörde kullanılabilir elektrik enerjisi, [kJ/gün]
KKO Kayıp kazanç oranı
KKOay Aylık kayıp kazanç oranı
LEED Leadership in Energy and Environmental Design ODP Ozon tüketme potansiyeli
OPAkış Kış Mevsimi Optimum Panel Açısı, [o] OPAyaz Yaz Mevsimi Optimum Panel Açısı, [o]
PV Fotovoltaik
PV/T Fotovoltaik termal
PV/T-GDIP PV/T destekli ısı pompası sistemleri T.C. Türkiye Cumhuriyeti
TGRM Kollektörlere düşen toplam güneş enerjisi radyasyon miktarı, [kJ/gün]
TL Türk Lirası
TRA Birim kolektör yüzeyine düşen ışınım miktarı, [kJ/m2gün]
TSGV Termostatik genleşme valfi USD United States Dollar
Kısaltmalar Açıklamalar
YAF Yansıtılmış açı faktörü
YAO Yansıtma oranı
YEKA Yenilenebilir enerji kaynak alanı YGE Yoğunlaştırıcılı güneş enerjisi YYRA Yeryüzü Radyasyonu, [kJ/m2gün]
1. GİRİŞ
Enerji insanoğlunun yaşadığı her dönemde büyük bir önem arz etmiştir. Sanayi Devrimi ile başlayan endüstrileşme çalışmaları enerjinin önemini daha da arttırmış ve enerjiyi stratejik bir boyuta taşımıştır. 1973 yılında meydana gelen birinci petrol krizi ve sürekli olarak artan enerji ihtiyacı ülkeleri, enerji ve arz politikaları geliştirmeye itmiş ya da mevcut politikalarını gözden geçirmeye yöneltmiştir. Enerji ihtiyacında yaşanan artışın temel sebepleri, ekonomik büyüme, yaşam standartlarının yükselmesinin sonucu oluşan refah artışı ve nüfusun hızlı çoğalmasıdır. Bu duruma sebep olan değişkenlerin mevcut hızında artması durumunda gelecek 50 yıl içerisinde dünya enerji tüketiminin bugünkünün birkaç katı olacağı düşünülmektedir. Bu yüzdendir ki birinci petrol krizinden günümüze kadar geçen süreçte ülkeler sürdürülebilir enerji politikaları geliştirerek kalkınma yolunda yoğun bir arayış içerisine girmişlerdir.
Sürdürülebilirlik, 1987 senesinde Birleşmiş Milletler Dünya Çevre ve Kalkınma Komisyonu’nun yayınlamış olduğu “Ortak Geleceğimiz” adlı rapor çerçevesinde oluşturulmuş bir kavramdır. Bu kavram insanlığın, doğanın gelecek kuşak gereksinimlerini tehlikeye atmadan hareket etmesi gerektiğini vurgulamış ve bahsedilen bu doğal hareketin yaşamın her safhasına etki etmesini önermiştir. Ülkelerin sürdürülebilir enerji politikaları oluşturabilmeleri için enerjiyi; düşük maliyetli, sürekli, ulaşılabilir, çevreye duyarlı bir şekilde üretmeyi ve kullanmayı devlet bilinci haline getirmesi gerekmektedir. Dolayısıyla mevcut durumda bilinen ve kullanılan enerji kaynaklarının sürdürebilirlik kavramına uygunluğu incelenmelidir.
Konvansiyonel enerji kaynakları; petrol, doğalgaz, kömür gibi yenilenemez kaynaklardır.
Bu kaynaklar geçmişten günümüze kadar kullanılan ve rezerv bakımından tükenme riskiyle karşı karşıya kalan bu yüzden de enerji üretim maliyetleri günden güne artan, dünyada sera gazı salınımına ciddi anlamda etki eden, küresel ısınmayı tetikleyen, hava ve su kirliliği başta olmak çeşitli çevre kirlilikleri sebebiyle farklı yaşam alanlarındaki canlıların yaşamlarını tehdit eden özellikleri barındırmaktadır. Tüm bu özellikler enerjide sürdürülebilir bir gelecek için geleneksel enerji kaynaklarının etkin bir çözüm oluşturamayacağı gerçeğini ortaya koymaktadır.
Enerjide sürdürülebilirliğin sağlanabilmesi için; güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, biyogaz ve biyokütle enerjisi, jeotermal enerji gibi kaynakları barındıran yenilenebilir enerji kaynaklarının ulusal kapasite sistemlerinde kurulu gücünün arttırılması gerekmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarına ait ekipman maliyetleri birçok ülkede yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları neticesinde keskin bir düşüş içerisine girmiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanıldığı elektrik santrallerinin çevreye zararı yok denecek kadar az olup birçok canlı türü de enerji üretim faaliyetine kaynak ve destek olmaktadır. Yenilenebilir enerji santralleri şebekeye alternatif destek sağlamakla kalmayıp dağınık şebeke sistemine olanak sağlamalarıyla enerji arz güvenliğine de büyük katkı sağlamaktadır. Ayrıca bu kaynaklar tüm tüketicilerin aynı zamanda üretici olabildiği ve uluslararası çevrelerce de desteklenen “her tüketici kendisinin üreticisi” hedefinin yaygınlaşmasına da olanak sağlamaktadır.
Sürdürülebilir enerji politikalarında çok büyük önem ihtiva eden bir diğer kavram da enerji verimliliğidir. Enerji verimliliği aynı işi daha az enerji kullanarak yapabilmektir. Yani yapılan faaliyetin kalitesi, miktarı ve performansını düşürmeden enerji tüketiminin azaltılması amaçlanmaktadır. Yakın zamana kadar bir ülkenin enerji tüketim miktarı gelişmişliğinin bir ölçütü olarak kabul edilmekteyken günümüzde bu değerlendirme geçerliliğini kaybetmiş durumdadır. Mevcut durumda, toplumların ve ülkelerin gelişmişlik düzeyi ne kadar az enerji harcayarak ne kadar çok ürün çıktısı sağladığıyla ölçülmektedir.
Bu durum da karşımıza enerji yoğunluğu olarak isimlendirilen ve gayri safi milli hasıla başına tüketilen enerji miktarını vurgulayan kavramı ortaya koymaktadır. Günümüz enerji politikaları gereği ülkeler enerji yoğunluklarını düşürmek durumundadır. Dolayısıyla ülkelerin politiklarında enerji verimliliği artık bir enerji kaynağı kadar önemli ve değerli bir konuma ulaşmıştır.
Sürdürülebilir enerji politikaları gereği kullanımı kaçınılmaz olan yenilenebilir enerji kaynakları arasında, Türkiye’nin coğrafik özellikleri de dikkate alınarak, güneş enerjisi önemli bir potansiyel olarak karşımıza çıkmaktadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü’nün verileri dikkate alındığında Türkiye’nin yıllık güneşlenme süresi 2 640 saat iken birçok Avrupa ülkesinde bu rakam ortalama 1 600 saat civarındadır. Aradaki bu fark Türkiye’de ki güneş enerjisi potansiyelinin ne kadar önemli olduğu gerçeğini gözler önüne sermektedir. Bahsedilen potansiyelden, güneş kolektörleri vasıtasıyla ısı enerjisi,
fotovoltaik paneller vasıtasıyla elektrik enerjisi olarak yararlanmanın yanında PV/T kolektörleri vasıtasıyla hem ısı hem de elektrik enerjisi olarak yararlanılabilmektedir.
Günümüzde, binaların doğal kaynakları verimli ve etkin olarak kullanılabilmeleri amacıyla enerji mimarisi olarak adlandırılan bir alan ortaya çıkmıştır. Bu alan yapıların tasarımı, inşaatı ya da restorasyonu aşamasında yaşanabilecek her türlü çevresel olumsuzlukların önüne geçmeyi, konutlarda gerçekleştirilebilecek tüm verimlilik analizi çalışmalarını düzenlemeyi, insanları doğayla bütünleşik şekilde yaşatabilmeyi hedeflemektedir. Enerji mimarisi çalışmalarının artışıyla birlikte konutlar, işyerleri, alışveriş merkezleri gibi çeşitli alanlarda yeşil bina sertifikaları ön plana çıkmaya başlamıştır. Bahsedilen sertifikalar, binaların enerji verimliliği performansı verileri, binada yenilenebilir enerjinin kullanımı durumu gibi birçok değişken göz önünde bulundurularak verilmektedir.
Enerji mimarisi çalışmalarının her geçen gün arttığı günümüzde bu konsepte uygun ısıtma sistemi tasarımların oluşturulması da kaçınılmaz hale gelmiş ve gelecektir. Bu anlamda ortaya konulacak tasarımların enerjinin verimli olarak kullanılabilmesi için öncelikli olarak tasarımın kullanılacağı konutlarda TS 825 “binalarda ısı yalıtım kurallarına” uygun olarak ısı yalıtımı yapılması gerekmektedir. Ortaya konulan tasarımlarda ise geleneksel enerji kaynaklarının kullanımı azaltılarak yenilenebilir enerji kullanımının yaygınlaşması amaçlanacaktır. Bu durum oluşturulan sitemin birden fazla enerji kaynağına adapte şekilde çalışabilmesi özelliğini getirecektir. Bu anlamda güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri ile mahal ve sıcak su ısıtılması alternatif bir ısıtma sisteminde aranan birçok özelliği barındırdığından uygulamalarda yer bulabilmesi muhtemeldir. Dolayısıyla yeşil bina konseptine uygun tasarımların yaygınlaştırılması açısında güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri üzerinde araştırma ve çalışmalar yapılması gerekmektedir.
Bu tez çalışmasında, villa tipi bir konutun ilgili standart ve normlarda ısı yalıtım hesabı yapılarak villanın ısıtılması ve villada kullanılacak kullanım sıcak suyunun hazırlanması amacıyla gerekecek enerji miktarı hesap edilmiş sonrasında ise yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanan bir ısıtma sistemi tasarımı yapılmıştır.
Gerçekleştirilen tasarımda güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi ile villa mahalinin ve kullanım sıcak suyunun ısıtabilmesi hedeflenmiştir. Tasarımda PV/T güneş kolektörlerinde
üretilen elektrik enerjisi ile ısı pompası kompresörünün enerji ihtiyacı, üretilen ısı enerjisi ile de ısı pompası evaporatörü ile çift serpantinli boylerin enerji ihtiyacı karşılanmıştır.
Bu tasarım ile konutlarda yoğun olarak kullanılan doğalgaz miktarının azaltılması, PV/T kolektörün ısı pompası sistemleri ile entegre çalışmasının yaygınlaştırılması, ısı pompası sistemlerinin performansının arttırılması, enerjinin verimli kullanılması ile ülke enerji yoğunluğunun düşürülmesi, ısıl konforun sürekli hale getirilmesi, yeşil bina sertifika puanlama sisteminde kullanıcılara avantaj sağlanması, çevreye duyarlı alternatif ısıtma sistemlerinin geliştirilmesi, “her tüketici kendisinin üreticisi” hedefinin yaygınlaşması ve bunun sonucunda sürdürülebilir enerji politikalarının toplum tabanına yayılması hedeflenmiştir.
2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
Günümüzde sistemlerin verimini arttırmak, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak, enerji kaynaklarının birbirlerini desteklemesi ve yedeklemesi sureti ile kaynak dengesi yaratarak sistemlerin güvenilirliğini arttırmak, çevreye duyarlı ve sera gazı emisyonunu azaltan sistemleri geliştirmek gibi amaçlar dâhilinde yeni nesil tasarımlar hızla yaygınlaşmaktadır.
Isı pompası sistemleri de belirtilen amaçlara uygun bir cihaz olduğundan bu noktada gerçekleştirilen çalışmalar hız kazanmıştır. Isı pompası sistemlerinden; ısıtma, soğutma, kurutma gibi birçok farklı alanda yararlanılabilmektedir. Bu alanlarda faydalanılan ısı pompası sistemleri temelde dört çeşit ısı kaynağını kullanmakta olup bu kaynaklar; hava, toprak, su ve güneştir. Bu bölümde güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri başta olmak üzere farklı ısı kaynaklarıyla farklı amaçlarda kullanılan ısı pompası sistemlerine ilişkin gerçekleştirilen önceki çalışmalar incelenmiştir.
Chaturvedi ve diğerleri (1998), konutlarda sıcak su uygulamalarında kullanmak üzere değişken kapasiteli direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerine yönelik deneysel araştırmada bulunmuşlardır. Yapılan araştırmada Şekil 2.1’de gösterilen sistemde [1]; güneş kolektörü evaporatör olarak çalıştırılmıştır. Çalışmada, değişken frekanslı sürücü modülasyonlu kompresör hızının, güneş enerjisi kolektörünün termal kapasitesi ve ısı pompası kompresörünün pompalama kapasitesi arasındaki uyum değişken çevre koşullarında incelenmiştir. Deneyler sonucunda, kış ayından yaz ayına kadar ortam sıcaklığının artışına bağlı olarak kompresör hızının düşürülmesinin sistem performans katsayısını arttıracağı sonucuna ulaşılmıştır. Araştırmacıların yapmış oldukları çalışmalarda sistemin performans katsayısı (COP) değeri çalışma şartlarına göre 2,5 ile 4,5 arasında değişmiştir [1].
Şekil 2.1. Direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi
Chyng ve diğerleri (2003), direk genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinden sıcak su eldesi için Tayvan iklim şartlarında deneysel çalışmalarda bulunmuşlardır. Deney sonuçlarının deneylerden önce yapılan simülasyon sonuçları ile uyum gösterdiği tespit edilmiştir. Bir yıl boyunca süren deneyler sonucunda sistemin performans katsayısı 1,7 ile 2,5 arasında değişkenlik göstermiştir. Yılın büyük bir bölümünde COP değerlerinin 2,0’ de seyrettiği görülmüş ve sistem günlük yıl içerisinde 4 ile 8 saat arasında çalıştırılmıştır. Ayrıca, çalışma sonucunda sistemden daha iyi performans elde edebilmek amacıyla sıcak su depolama tankı kapasitesinin sistem kapasitesi de göz önünde bulundurularak arttırılabileceği önerisinde bulunulmuştur [2].
Badescu (2002), ekolojik evlerde kullanılması gereken en önemli cihazın güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri olduğunu vurgulamış ve bu tip evlerde ortam ısıtması yapmak amacıyla tasarladığı güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminin enerji analizini gerçekleştirmiştir. Ayrıca, Badescu aynı çalışmanın içerisinde, ısı pompası kompresörünü çalıştırmak için gerekli olan enerjinin bataryalar ile desteklenmiş PV paneller ile karşılanabileceğinden bahsetmiştir [3].
Yamankaradeniz ve Horuz (1998), İstanbul ili iklim şartlarında 7 aylık kış mevsiminde su ısıtma amacıyla tasarladıkları güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminin teorik ve deneysel analizini gerçekleştirmişlerdir. Araştırmacılar, yapmış oldukları teorik çalışmalar ışığında bilgisayar yazılımı geliştirmişledir. Bu program ile, günlük ortalama kolektör verimi, güneş ışınımı, yoğunlaştırıcıda aylık ortalama ısı transferi, aylık ortalama soğutma kapasitesi ve COP gibi parametreleri incelemişlerdir. Çalışma sonucunda, güneş ışınım ve
güneş sıcaklığı düşüşünün kolektördeki verimliliği azalttığı ve bu nedenle de sistem performansının düştüğü vurgulanmıştır. Gerçekleştirilmiş olan deneysel çalışmada iklim şartlarına bağlı olarak ısı pompası COP değerinin 4,0 ile 5,2 değerleri arasında değiştiği saptanmıştır [4].
Yumrutaş ve Kaşka (2008), Gaziantep ili iklim şartlarında, güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminin mahal ısıtmasında kullanılmasına yönelik bir sistem dizayn etmiş ve deneysel olarak çalışmalarda bulunmuşlardır. Sistem temel olarak; güneş kolektörü, ısı pompası, silindirik ısı depolama tankı, ölçü birimleri ve ısıtma odasından oluşmaktadır.
Sistemde yapılan deneyler sonucunda, bulutlu ve kapalı bir havada sistem performans katsayısının 2,5 olarak ölçüldüğü, güneşli ve açık bir havada ise sistem performans katsayısının 3,5 olduğu ve diğer günlerdeki sistem performans katsayısı 2,5 ile 3,5 değerleri arasında değişiklik gösterdiği sonuçlarına ulaşılmıştır [5].
Kaygusuz ve Ayhan (1999), Trabzon ili şatlarında, kapsüllenmiş faz değiştirici malzeme ile kombine güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemini mahal ısıtmasında kullanmak amacıyla bir sistem geliştirmiş ve sistemi farklı bağlantılarla deneysel olarak analiz etmişlerdir.
Deneysel düzenek ısıtma ayları olan Kasım- Mayıs ayları arasında kullanılmış olup çalışmalar sonucunda seri bağlı ve paralel bağlı ısı pompasının dönemsel COP değerleri sırasıyla 4,0 ve 3,0 olarak bulunmuştur [6].
Kuang ve diğerleri (2003), Çin’in kuzeyinde kış şartlarında yapmış oldukları deneysel çalışmada güneş enerjisi destekli su kaynaklı ısı pompası sistemleri ile mahal ısıtılması esnasında; ısı depolama tankının güneş ışınım ve ısı yükü uyumsuzluğunu modüle eden önemli bir ekipman olduğunu vurgulamışlardır. Deneysel olarak çalışılan sistemde, ısı depolama tankı sıcaklığı ile ortam sıcaklığı birbirine yakın olduğundan ısı kaybının az olduğu, bu nedenle bu ısı depolama tankının termal izolasyonunun kritik olmayacağından bahsedilmiştir. Çalışmada, güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemine yardımcı bir ısı kaynağına gerek duyulduğu, bu ısı kaynağının depolama tankının içerisine koyulmasının dış ortam ile ısı tankı arasında büyük bir sıcaklık farkı ortaya çıkaracağı, bu durum da enerji tüketimini artacağından bahsedilmiş ve yardımcı ısı kaynağının yük yanına konumlandırılmasının ekonomik olarak daha uygun olacağı vurgulanmıştır. Ayrıca, ısıtma dönemi boyunca, tüm sistemin ortalama COP değeri 2,19; ısı pompası ortalama COP değeri ise 2,55 olarak hesaplanmıştır [7].
W. Aziz ve diğerleri (1999), solar kolektör borularının içerisinden kloroflorokarbon soğutucu akışkanları ile iki fazlı akışta direk genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinin termodinamik analizini gerçekleştirmiştir. Analiz sonunda, kütle akış hızı ve emici yüzey ısı akısının kolektör uzunluğuna ve soğutucu akışkan ısı aktarım katsayısına ciddi oranda etki ettiği vurgulanmıştır [8].
Chow ve diğerleri (2010), seri bağlı direk genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinden sıcak su eldesi için matematiksel bir model geliştirmiş ve bu modeli Hong Kong iklim şartlarında uygulamışlardır. Gerçekleştirilen simülasyonlar soncunda, sistemin ortalama 2 060 saat çalışabileceği ve ortalama COP değerinin 6,46 olacağının öngörüldüğü belirtilmiştir. Yaz aylarında 7’nin üzerinde öngörülen COP değerinin Ekim ayında 6,91 değerine düşeceği belirtilmiş ve bu durumun temel sebebinin güneş ışınımındaki düşüşten kaynaklanacağı açıklanmıştır. Çalışma sonunda COP değerindeki düşüşün azaltılması için farklı devirlerde çalışabilen kompresörler kullanılması gerektiği öneri olarak sunulmuştur [9].
Dikici ve Akbulut (2008), direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri ile mahal ısıtması için Elâzığ iklim şartlarında Şekil 2.2’de gösterilen tasarım [10] ile deneysel bir çalışma gerçekleştirmişlerdir. Çalışma sonucunda, sistem performans katsayısı 3,08 olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, incelenen sistemin Türkiye’nin doğu illerinde alternatif ısıtma yöntemi olarak kullanılabileceği vurgulanmıştır [10].
Şekil 2.2. Dikici ve Akbulut tarafından tasarlanan ısı pompası sistemi
Cai ve diğerleri (2016), alan ısıtması, alan soğutması ve su ısıtma gibi faaliyetlerde bulunabilen endirekt güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi üzerine çalışmalarda bulunmuşlardır. Çalışmada, bu sistem için alan ısıtması ve su ısıtması üzerine dinamik bir model geliştirilmiş olup, modelde bulunan sonuçlar deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır.
Kurulan sistem farklı iklim koşullarında incelenmiş olup elde edilen sonuçlar %5’ten daha az fark ile simülasyonlar ile uyum göstermiştir. Güneş ışınımı miktarının 0 W/m2’den 800 W/m2 değerine yükselmesi ile birlikte mahal ısıtması için sistem performans oranı da 2,35’ten 2,57’ye yükselmiştir. Sistemden su ısıtılmasına ilişkin çalışmalarda ise, su sıcaklığının 200 ‘den 350’ye yükselmesi ile birlikte enerji tüketiminin %16,52 artış göstermesine karşın sistem performans değerinin %15,86 oranında arttığı tespit edilmiştir [11].
Huan-Liang Tsai (2015), su ısıtması yapmak amacıyla PV/T destekli ısı pompası sistemleri için yeni bir tasarım ortaya koymuş ve bu sistemin termodinamik analizini gerçekleştirmiştir.
Çalışmada, tasarlanan sistem simüle edilmiş ve simülasyon sonuçlarının doğruluğu deneysel çalışmalar ile kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar çerçevesinde simülasyon ve deneysel sonuçlarının birbirlerini doğruladıkları anlaşılmıştır. Deneysel çalışmada, PV/T (evaporatör), kompresör, genleşme valfi ve kondenser olarak su tankı kullanılmıştır.
Deneysel çalışma, Tavyan iklim şartlarında Da-Yeh Üniversitesi kampüsünde gerçekleştirilmiş olup 2013 yılı haziran ayı süresince saat 12.00-13.00 arasında ölçümler alınmıştır. Bu saatlerde, PV/T sisteminde üretilen elektrik enerjisinin kompresörün enerji ihtiyacını karşıladığı doğrulanmıştır [12].
J.P. Fine ve diğerleri (2017), su ısıtma amaçlı PV/T kolektörleri destekli kaskad ısı pompası sisteminin termodinamik teorik analizini gerçekleştirmişlerdir. Çalışmanın amacı, PV/T destekli kaskad ısı pompası (iki ısı pompası) sistemi ve PV/T destekli tek ısı pompası ile su ısıtma yapan sistemlerin performans kıyasını yapabilmektir. Çalışma farklı iklim şartlarında gerçekleştirilmiş olup lokasyona göre kaskad sistemin tek ısı pompasına sahip sistemden
%37 ila %68 oranında fazla termal enerjiye sağladığı sonucuna ulaşılmıştır [13].
Hong Li ve Yue Sun (2018), PV/T kolektörü destekli hava kaynaklı ısı pompası sisteminin termodinamik analizini gerçekleştirmek üzere deneysel bir çalışmada bulunmuşlardır.
Deneysel çalışma Çin’in Qinhuangdao şehrinde gerçekleştirilmiştir. Araştırma sonucunda, sistemin genel performansının geleneksel GDIP sistemleri ile kıyaslanabilir seviyede olduğu
sonucu ortaya konulmuştur. Sistem performans oranının yaz aylarında yüksek olduğu doğrulanmış ve sistemin aylık ortalama COP değeri 3,10 olarak bulunmuştur. Ayrıca çalışmada sistemin ilk kurulum maliyetinin geleneksel hava kaynaklı ısı pompası sistemlerinden yaklaşık %71,1 oranında fazla olmasına karşın PV/T destekli ısı pompası sisteminin yıllık işletme maliyetini yaklaşık %29,6 oranında azaltılabileceği belirtilmektedir [14].
Gang Wang ve diğerleri (2018), konutlardaki enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla, PV/T destekli ısı pompası sistemi dizaynı gerçekleştirerek deneysel çalışmalarda bulunmuşlardır.
Kurulan sistem, yaz aylarında soğutma, kış aylarında ısıtma, tüm yıl boyunca sıcak su ihtiyacı karşılama ve binanın elektrik ihtiyacının bir kısmını karşılayabilme gibi farklı işlevlerde kullanılabilmektedir. Gerçekleştirilen araştırma sonucunda güneş ışınım değeri yüksek olduğunda PV/T sistemin performansının su ısıtma modunda %50’nin üzerinde olduğu tespit edilmiştir. Yapılan çalışmada, Pekin iklim koşullarında ısıtma modunda PV/T destekli su kaynaklı ve PV/T destekli hava ve su kaynaklı ısı pompalarının kıyaslaması gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneyler sonucunda, COP değerleri sırasıyla 3,18 ve 2,53 olarak bulunmuştur [15].
Xiangqiang Kong ve diğerleri (2018), Çin’in Qingdao şehrinde direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sitemlerine ilişkin bir tasarım gerçekleştirmiştir.
Gerçekleştirilen tasarım mahallin sıcak su ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılacak olup tasarımda; camsız güneş kolektörü, helezon tip hermetik kompresör, elektronik genleşme valfi, mikro kanal kondenser su tankı kullanılmış olup sistemde R134a soğutucu akışkan kullanılmıştır. Sisteme ilişkin model Şekil 2.3’te gösterilmiştir [16]. 2016 yılının neredeyse tamamında gerçekleştirilen deneysel çalışmalar sonucunda, sistem performans oranının 3,0’ün altına düşmediği, güneş ışınım değerinin artışıyla ortam ısıtma süresinin azaldığı ve COP değerinin arttığı görülmüştür. Gerçekleştirilen çalışmada, en yüksek COP değeri, 730 W/m2 değeri ile ağustos ayında 4,45 olarak hesaplanırken en düşük COP değeri ise 56 W/m2 güneş ışınımında kasım ayında 2,77 olarak hesaplanmıştır [16].
Şekil 2.3. Xiangqiang Kong ve diğerleri tarafından tasarlanan direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemi
Xiangqiang Kong ve diğerleri (2018), R410a soğutucu akışkanı kullanarak, bir mahallin sıcak su ihtiyacının karşılama amacıyla direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinin teorik analizini gerçekleştirmişleridir. Çalışmada, dış ortam şartlarının sistem COP değeri üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, soğutucu akışkanın sisteme şarj miktarının artışının kolektör verimini arttırdığı ancak bu durumun COP üzerinde etkisinin sınırlı olduğu, güneş ışınımı parametresi değişiminin sistem COP üzerinde ciddi etkisi olduğu ve güneş ışınımı değerinin 300 W/m2 değerinden 900 W/m2 yükselmesiyle birlikte COP değerinin yaklaşık %46,3 oranında arttığı, kompresör devri 1 500 rad/dak iken COP değeri kompresör devri 3 300 rad/dak olduğu andan yaklaşık
%144,6 oranında fazla olduğu sonuçlarına ulaşılmıştır [17].
Jiaheng Chen ve Jianlin Yu (2017), Şekil 2.4’te şematik olarak gösterilen direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ejektör sıkıştırmalı ısı pompası sisteminin teorik analizini gerçekleştirmişleridir [18]. Tasarladıkları sistem, güneş ışınımı değeri yoğunluğuna göre iki farklı modda çalışabilmektedir, güneş ışınımı değerine bağlı olarak sistemde bulunan selonoid valften biri açık kalmaktadır. Ortamın hava şartları 0°C’nin altında olduğu anlarda yani güneş ışınım değeri düşük iken SV-A diğer koşullarda ise SV-B açıktır. Sistemde R134A soğutucu akışkan kullanılmıştır. Gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda, yeni tasarlanan sistemin COP değerinin, temel ejektörlü ısı pompası çevriminden ve temel ısı pompası çevriminden sırasıyla %13,78 ve %25,07 oranında fazla olduğu tespit edilmiştir [18].
Şekil 2.4. Jiaheng Chen ve Jianlin Yu’nun ejektör sıkıştırmalı ısı pompası tasarımı
Luca Molinaroli ve diğerleri (2013), R-407C soğutucu akışkanı kullanılarak direkt genleşmeli güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri ile mahal ısıtmasına yönelik teorik bir çalışma ortaya koymuşlardır. Sistemin evaporatörünü camsız güneş kolektörü oluşturmaktadır. Ortam sıcaklığının, güneş ışınımı değerinin ve kolektör alanının ısı pompası COP değerine, kompresör devrine ve ısıtma kapasitesine etkileri araştırılmıştır.
Çalışmada ısı pompası sistemi COP değerinin 2,2 ila 4,3 değerleri arasında değişkenlik gösterdiği belirlenmiştir Çalışma sonucunda, ortam sıcaklığı ve güneş ışınımı değerinin artışına bağlı olarak ısı pompasının COP değerinin ciddi oranda arttığı ancak kolektör alanının COP değerini neredeyse etkilemediği belirlenmiştir [19].
Seung Joo Lee ve diğerleri (2018), soğutucu akışkanların da neden oldukları küresel ısınma problemini çözmek amacıyla küresel ısınmaya düşük etkisi olan R1233zd(E)) soğutucu akışkanını ve esnek güneş kolektörleri kullanarak geliştirilen su ve mahal ısıtması yapabilen direkt genleşmeli güneş destekli ısı pompası sistemine özgün deneysel bir çalışma gerçekleştirmişleridir. Çalışmanın amacı tasarlanan sistemin, R134a soğutucu akışkanı kullanılan sistem ile kıyasını yapmaktadır. Çalışma, Kore’nin Seul kenti iklim şartlarında gerçekleştirilmiştir. Sistemde kullanılan esnek güneş kolektörünün verimi ortam hava şartlarından ziyade ortamdaki hava akış oranına bağlı olarak değişmektedir. Dolayısıyla, hava koşullarından bağımsız olarak bu kolektörlerin %40 verimlilik oranına sahip oldukları, tasarlanan sistemde 50 °C doymuş yoğunlaşma sıcaklığında COP değeri 1,89-3,99 arasında değişirken 60 °C doymuş yoğunlaşma sıcaklığında COP değeri 1,12’den 3,36’ya
düşmektedir. R1233zd(E)) akışkanı kullanılarak tasarlanan sistemin ısı kapasitesinin düşük olması tüketim değerlerinin düşük olmasına sebep olmuş ve sistemin COP değeri R134a soğutucu akışkanı kullanılan sistemden büyük olduğu görülmüştür [20].
Xu Dong ve diğerleri (2017), Çin’in Taiyuan kentinde R407c soğutucu akışkan kullanarak güneş destekli endirekt hava kaynaklı ısı pompası sisteminin ısıtma performansını test etmişlerdir. Araştırmacılar tasarlamış oldukları prototipi geleneksel hava kaynaklı ısı pompası ile kıyaslamışlardır. Sistemin kısmı yük oranı; %25, %50, %75 ve %100 olacak şekilde araştırmalar yapılmıştır. Araştırmalar sonucunda yoğunlaşma sıcaklığı sabit olduğunda kısmi yük oranı arttıkça COP değerinin arttığı, kısmi yük oranı sabit olduğunda ise yoğunlaşma sıcaklığının artışı ile birlikte COP değerinin arttığı belirlenmiştir. Geleneksel hava kaynaklı ısı pompası COP değeri 2,21 iken güneş enerjisi destekli endirekt hava kaynaklı ısı pompası COP değeri geleneksel olandan %14,9 daha fazla olup 2,54 olarak hesaplanmıştır [21].
Weibo Yang ve diğerleri (2011), sayısal simülsayonlar ile güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinin performasına yönelik yapmış oldukları deneysel çalışmalarda bulunmuşlardır Yaptıkları deneysel çalışmalarda, deney setini güneş kolektörü, sıcak su depolama tankı ve ısı pompası sistemi oluşturmuştur. Çalışmanın amacı; güneş kolektörü alanının sistem performansına etkisini araştırmaktır. Çalışmada kullanılan farklı kolektör alanlarında, kolektör alanın artışının COP değerini arttırdığı yani kompresörün elektrik tüketimini azalttığı sonucuna ulaşılmıştır ve elde edilen sonuçlar Şekil 2.5’te kıyaslanmıştır [22].
Şekil 2.5. Sistemde kolektör alanının enerji tüketimime etkisi
Junjie Cai ve diğerleri (2017), Çin’deki enerji açığını kapatmak ve binaların yüksek enerji tüketimini azaltmak amacıyla, PV/T destekli toprak kaynaklı ısı pompası sitemi tasarımına ilişkin Çin’in Dalian şehrine ait ortam şartlarında çalışmalarda bulunmuşlardır. Qingyun hibrit projesi için, 1 288 m2 alanda 154 adet PV/T sistemi kurulmuştur. PV/T sisteminin sayesinde, PV hücrelerinin sıcaklığının 10 °C’ye düştüğü anlarda elektrik üretiminin %25’e kadar arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca, kış şartlarında ısı pompası performans katsayısının 3,00’e yaklaştığı belirlenmiştir. Kurulan bu sistem ile, kış şartlarında yaklaşık 3 000 kWh enerji tasarrufu gerçekleştirilmiştir. Aynı çalışmada, Polysun isimli simülasyon programında, kullanılabilir alanda PV modüller olduğu varsayılarak yapılan simülasyon sonucunda, üretilebilen elektrik enerjisinin %30 oranında azalacağı belirlenmiştir. Bu durum, PV/T sisteminde bulunan hücrelerin su ile soğutulması sonucu modül verimliliğinin artmasının bir sonucudur [23].
Özgöner ve Hepbaşlı (2005), sera ısıtma amacıyla güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompası sistemini performans analizine ilişkin yapmış oldukları çalışmada, ısı pompası COP değerinin 2,00 ile 3,13 arasında değiştiği tüm sistemin COP değerinin ise, ısı pompası COP değerinden yaklaşık %5-20 oranında daha az olduğu belirlenmiştir. Ayrıca kurulan sistemin ortam ısısının çok düşük olduğu anlarda sera ısısını karşılamadığı ancak bu sistemin ek bir ısıtma sistemi ile kullanılması durumunda Akdeniz ve Ege bölgeleri hava şartları için tavsiye edilebilir olduğu sonuçlarına ulaşılmıştır [24].
Zhigang Wang ve diğerleri (2015), güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri ile ofis ısıtmasına yönelik Çin’in Tianjin şehri iklim şartlarında Trnsys simülasyon programını kullanarak teorik analiz çalışmalarında bulunmuşlardır. Isıtma periyotu boyunca ısı pompasının COP değeri 4,28 ile 4,36 değerleri arasında değişkenlik göstermiştir [25].
Chen Xi ve diğerleri (2011), güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri ile mahal ısıtılması adına Çin’in Shijiazhuang şehri iklim koşullarında deneysel çalışmalarda bulunmuşladır. Gerçekleştirilen çalışmada, geleneksel toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri ile güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin 4 farklı tasarım üzerinden performans kıyası yapılmıştır. 1. sistemde, sistemin tek ısı kaynağı toprak olup mahal 08.30-17.30 saatlerinde 3 gün boyunca aralıklı ısıtılmakta ve mahal sıcaklığı 23- 24 °C kontrol edilmektedir. 2. sistemde, tek ısı kaynağı toprak iken mahal 48 saat boyunca sürekli ısıtılmaktadır. 3. sistemde, toprak ve güneş enerjisi ısı kaynağı olarak kullanılmakta,
mahal 48 saat boyunca sürekli ısıtılmakta ve güneş kolektörleri 09.30-15.30 saatleri arasında devreye girmektedir. 4. sistemde, sistemin ısı kaynağı toprak ve güneş kolektörleri olup mahal 08.30-17.30 saatlerinde 3 gün ısıtılmakta ve güneş kolektörleri 09.30-15.30 saatleri arasında devreye girmektedir. Tasarlanan sistemlere yapılan simülasyonlar sonucunda, 1.
sistemde COPIP 5,77-7,95 ve COPSistem 4,80, 2.sistemde COPIP 6,02 ve COPSistem 4,43; 3.
sistemde COPIP değerleri 6,26 ile 4,57 arasında bulmuştur. Elde edilen verilerden de anlaşılacağı üzere; 1. sistemde ısı pompası performans oranında meydana gelen büyük farklılığın nedeni toprak sıcaklığından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, güneş destekli toprak kaynaklı ısı pompası performans analizinden anlaşılacağı üzere, sistem COP değeri 0,53’lük bir artış göstermiştir, bu durum geleneksel toprak kaynaklı ısı pompalarının COP değerinin arttırılabilmesi için güneş enerjisinin iyi bir alternatif olduğunu teyit etmiştir [26].
Huai Li ve diğerleri (2018), güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri ile konut ısıtılmasına yönelik Çin’in Pekin şehri iklim şartlarında teorik bir çalışmada bulunmuşladır. Gerçekleştirilen çalışmada, ısıtma döneminde 3 farklı çalışma stratejisi izlenmiştir. Bunlar; güneş kolektörleri ile kondensere giren suya ön ısıtma, evaporatöre giren suya ön ısıtma ve hem kondensere hem de evaporatöre giren suya ön ısıtma yapılmasıyla oluşan tasarımlardır. Her üç sistem için de yapılan simülasyonlarda; 1.sistemde COPIP 5,03 ve COPSistem 2,19, 2. sistemde COPIP 5,28 ve COPSistem 1,77 ve 3. tasarımda COPIP 5,05 ve COPSistem 2,07 olarak bulunmuştur. Sonuç olarak 2. tasarımda güneş enerjisinin siteme katkısı en yüksek seviyeye çıkarılmıştır. Ancak tasarımlara enerji verimliliği açısından bakıldığında, 1.tasarımın 2.tasarıma göre daha verimli olduğu söylenebilir. Bunun sebebi, 2.
tasarımda ısı pompaları ve sirkülasyon pompalarının daha fazla enerji tüketmesidir. Yapılan karşılaştırmalar neticesinde, araştırmacılar 1. tasarımın kullanılması yönünde tavsiye bildirmişledir. Tavsiye edilen tasarım ile 25.12.2016 ve 26.12.2016 tarihlerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmada sistemin COP değeri 5,2 olarak bulunmuştur [27].
Hanne Andersen ve Yong Li (2015), Şangay iklim koşullarında Green Energy Lab (GEL)’in ısıtılması amacıyla güneş enerjisi destekli toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerine dair teorik çalışmalarda bulunmuşlardır. Gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, güneş enerjisi kolektörlerinin toplam ısıtma yükünün %37’sini karşılayabileceği belirlenmiştir. Sistemde güneş kolektörü kullanımının toplam elektrik enerjisi tüketimini %26,1 oranında azaltacağı saplanılarak sistemin COP değeri 4,5 olarak hesaplanmıştır [28].
Hong Li ve Liangliang Sun (2017), PVT destekli toprak kaynaklı endirekt ısı pompası sistemleri ile Çin’in Pekin şehri iklim şartlarında mahal ısıtmasına yönelik iki farklı tasarımda teorik bir çalışma gerçekleştirmiştir. Sistem 1’de, PV/T sisteminden elde edilen sıcak su, ısı depolama tankına ve aynı zamanda bir ısı eşanjörü yardımıyla toprak kaynaklı ısı pompasının soğuk kısmını beslemekte, bu şekilde sıcak su sistemi önceden ısıtılmaktadır.
Ekstra bir enerji gerekmesi durumunda, ısı depolama tankındaki elektrikli ısıtıcı çalıştırılmaktadır. Sistem 2’de, PV/T sisteminden elde edilen ısı enerjisi ısı depolama tankını ısıtmak için kullanılır daha sonra, toprak kaynaklı ısı pompası ısıtılan bu suyu ısı kaynağı olarak kullanmaktadır. Yani, ısıtma yapılmayan mevsimlerde, güneş enerjisi ısı pompası modunda çalışırken ısıtma yapılan mevsimlerde ısı kaynağı topraktır. Her iki sistem için de gerçekleştirilen teorik analizler sonucunda, Sistem 2’de kullanılan ısı pompası sisteminin COP değeri Sistem 1’de kullanılan ısı pompası değerinden daima daha yüksek olup her iki sistemin 190 m2’lik alanda COP değeri sırasıyla 4,16 ve 4,73’tir. Çalışma sonucunda, her iki sistem için de geleneksel toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinden daha iyi bir alternatif olduğu belirtilmiştir [29].
Literatürde güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemleri ile mahal ve sıcak su ısıtılmasına yönelik olarak; kolektör alanının, ekipman boyutu ve sayısının, kolektörlerin bağlantı şeklinin, sistemde kullanılan soğutucu akışkanın, sistem kompresörünün çalışma devrinin, sistemin çalıştığı mevsim ve çalışma saatlerinin, hibrit sistemlerin ve güneş ışınımı değişkenlerinin sistem performansı üzerinde etkilerine ilişkin çalışmalar yapıldığı görülmektedir.
Mevcut çalışmada ise Ankara ili iklim şartlarında bulunan bir villada ısıtma ve kullanım sıcak suyunun karşılanması amacıyla PV/T kolektörleri ısı pompası sistemine entegre edilerek bir tasarım gerçekleştirilmiştir. Tasarım ile villanın enerji tüketiminde fosil enerji kaynaklarına ve şebeke elektriğine bağlılığı azaltmak ve geleneksel ısı pompası sistemlerine göre performans katsayısının arttırılması hedeflenmiştir.
3. TEORİK ANALİZ
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)
