TEKNİK BÜLTEN
ISI POMPASI
Sayı 14 Ağustos 2020
Murat ÖZER
Isı Pompası Ne Anlama Gelir
Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan (kaynaktan) alınan ısıyı, yüksek sıcaklıktaki bir ortama (kaynağa) aktaran makinalara ısı pompası denir. Normal şartlarda ısı, her zaman yüksek sıcaklık kaynağından düşük sıcaklık kaynağına doğru hareket eder. Soğutma ve ısıtma ihtiyaçlarından dolayı bu hareketi tersine çevirme ihtiyaçları olmuş ve bu sebeple de ısı pompası teknolojisi ortaya çıkmıştır.
Geçmişi 1800lü yıllara dayanan bu teknoloji ilk olarak soğutma amacıyla geliştirilmiştir. Klasik soğutma çevrimi ile geliştirilen teknik sayesinde buzdolapları ve soğutma amaçlı kullanılan klimalar geliştirilmiştir.
Daha sonra ise tekniğin ısıtma amacıyla da kullanılabileceği düşünülmüş ve 1900lü yılların başlarında ısıtma amacıyla da kullanılmaya başlanmıştır. Soğutma çevrimini ısıtma amacıyla kullanan cihazlara da zamanla ısı pompası adı verilmiştir.
Bilimsel gelişmelerdeki hız, kullandığımız kelimelerin gelişim hızından daha hızlı ilerlediği için, az da olsa bir kavram karmaşasına yol açmaktadır. Teorik olarak Carnot soğutma çevrimi ister soğutma, ister ısıtma amaçlı olsun ısı akışını tersine hareket ettirdiği için, ısıyı pompalamaktadır. Fakat sektörde kullanılan ürünler özünde aynı mantıkla çalışsa da zamanla çok farklı isimler almıştır. Buzdolabı, split klima, soğutma grubu, vrf, roof top, v.b. gibi ürünlerin hepsinde soğutma çevrimi sayesinde ısı düşük bir kaynaktan yüksek bir kaynağa pompalanmaktadır. Buna rağmen hiçbirisine ısı pompası denilmemiştir. Amaçları ve kullanım şekillerindeki farklılıklardan dolayı farklı isimlerle adlandırılmıştır. Hatta bu ürünlerden bazıları soğutma yanında ısıtma özelliğine de sahip olabilmektedir. Bu durumlarda ise heat pumplı / reversible ... şeklinde adlandırılmaktadırlar. Kendi dilimizde dahi ısı pompalı / tersinir … demeyi tercih etmiyoruz.
Ürün Olarak Isı Pompası
Isı pompası olarak adlandırılan üründe birincil amaç hedeflenen kaynağın ısıtılmasıdır ve ticari olarak da ısı pompası adını almıştır. Bu ürünlerde ısıtılan su ile bir proses veya mahalin ısıtma işlemi gerçekleştirilirken aynı zamanda kullanım amaçlı sıcak su da elde edilebilir. Bir soğutma çevrimiyle çalışan bu ürünler, ısı kaynağı olarak hava, su, toprak veya atık ısıyı kullanabilirler. İlave destek ısıtıcı olarak da elektrikli rezistans, güneş enerjisi veya fosil yakıtlı ısıtıcılar kullanılır. Soğutma çevrimlerini tersine çevirerek mahalin soğutulması fonksiyonunu da yapabilirler.
Dış Ortam Isı Kaynağı
Isı pompaları için temel gereklilik dış ortamda bulunan ısı kaynağına erişim ve bu kaynağın sınırsız olmasıdır.
Bu sağlandığı müddetçe kompresör için elektrik enerjisi ve ısıyı aktaracağımız bir mahal bulmak işin basit kısmıdır.
Aranan temel kriter sınırsız olmasının yanı sıra stabil özelliklere sahip olmasıdır. Sıcaklık değerleri ne kadar istikrarlı olursa o kadar da sorunsuz bir ısı akışı elde edilir. Kaynak olarak kullanılan hava, su ve toprak sınırsız ve yenilenebilirdir. Burada bahsedilen su göl, deniz veya bir yer altı su kaynağıdır. Bu tür kaynaklar ısı pompasının ihtiyaç duyduğu enerji yanında sonsuz sayılabilir. Ancak bir yüzme havuzunun suyunu kaynak olarak kullanamayız, çünkü havuz suyu bir hacim içinde sabit kalan sınırlı ve küçük bir kaynaktır. Toprak da yine kullanılan kaynaklar arasındadır. Belli bir derinlikte sabit sıcaklık elde etmek mümkündür. Ürün özellikleri, çalışma ve bağlantı şekilleri açısından su ve toprak kaynaklı ısı pompaları birbirinin aynısıdır.
Dolayısıyla bunları tek bir isimde adlandırmak “toprak-su kaynaklı ısı pompası veya yer altı kaynaklı ısı pompası” daha doğrudur.
Hava kaynaklı ısı pompalarında ise kaynağa erişim imkanı çok kolaydır. Her ne kadar dış havanın sıcaklık değerleri değişkenlik gösterse de gerek kurulum kolaylığı gerekse ısı kaynağına erişimin kolaylığı dolayısıyla en fazla tercih edilen ürün tipidir. Dış kaynağın stabil değerler gösterememesinden kaynaklanan sorun invertörlü kompresörler ve elektronik genleşme vanası yardımyla büyük oranda çözülür ve konforlu bir ısı akışı elde edilir.
Isı Pompası Çeşitleri
Bu çalışmada NİBE markalı ısı pompalarının tipleri ve çalışma prensipleri üzerinde durulmuştur.
1 - Hava Kaynaklı Isı Pompaları
Yandaki şekilde hava kaynaklı bir ısı pompasının prensip çalışma şeması verilmiştir. Şemada ürünün ısıtma çevrimini görmekteyiz.
Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde olduğu gibi, düşük sıcaklıklarda buharlaşabilen soğutucu akışkan, kışın dış hava sıcaklığının çok düşük olduğu değerlerde bile evaporatörde buharlaşarak gaz fazına geçer, kompresörde sıkışma etkisiyle basıncı ve sıcaklığı yükseltilerek bir sonraki kayanağa ısısını aktarabilecek enerji düzeyine ulaşır. Bu transfer kondenser aracılığıyla gerçekleştirilir. Yüksek sıcaklıktaki soğutucu gazın ısı enerjisi suya aktarılır ve su ısıtılmış olur. Enerjisini suya aktaran soğutucu akışkan bu aşamada tekrar sıvı fazına geçer, genleşme vanasında basıncı da düşürülerek, sıcaklığı da düşmüş halde evaporatöre gelir ve yeniden ısı kazanarak buharlaşabilecek konuma gelmiş olur. Bu döngü cihaz çalıştığı sürece devam eder ve kondenser tarafında sürekli suyun ısınması sağlanmış olur.
Basitçe baktığımızda, ısı pompası kışın -20 oC ve hatta bazı özel cihazlar için -25 oC dış hava sıcaklığındaki enerjiyi kullanarak, suyu 55 - 65 0C sıcaklıklarına kadar ısıtabilmektedir.
Hava kaynaklı ısı pompaları bağlantı şekillerine göre split ve monoblok olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Split ısı pompalarında kondenser iç ünitede yer alırken, monoblok ünitelerde kondenser dış ünitede bulunur.
1.A - Split Tip Hava Kaynaklı Isı Pompası
Split tip ısı pompalarında, evaporatör, kompresör ve genleşme vanasının bulunduğu kısım dış üniteyi oluştururken, kondenser ve boilerin bulunduğu kısım iç üniteyi oluşturur. İç ünitenin de boilerli ve boilersiz seçenekleri bulunmaktadır.
Kondenser ünitesinin iç üniteyle beraber kullanımı olabildiği gibi ayrık olarak da kullanılabilmektedir. Her iki durumda da dış üniteden ayrıdır.
Kondenser dış üniteden ayrık olduğu için dış üniteyle iç ünite arasında bir bakır borulamanın yapılması gerekir. Split tiplerde iç üniteyle dış ünite arasında su dolaşmadığı için don riski bulunmamaktadır.
1.A.a
Split tip ısı pompalarında kondenser ünitesi, boilerden de ayrık olarak, hydrobox denilen bir üniteyle de kullanılabilir. Bu şekliyle kullanımı durumunda aşağıdaki gibi bir tesisat şeması orataya çıkacaktır.
EB15 - VVM serisi iç ünite; XL2 – ısıtma sistemi dönüş suyu;
EB101 - Split Sistem; XL52 – gaz hattı;
BP4 – kondenser basınç sensörü; XL53 – likit hattı;
BT3 – ısıtma dönüş sıcaklık sensörü; EQ1 – ACS310 aktif soğutma modülü;
BT12 – kondenser çıkışı sıcaklık sensörü; AA25 – kontrolör;
BT15 – soğutucu akışkan sıcaklık sensörü; BT64 – soğutma hattı sıcaklık sensörü;
EZ101 – AMS10 serisi dış ünite; CP10 – soğutma akümülasyon tankı;
EZ102 – HBS 05 split hydrobox; GP12 – besleme pompası;
XL1 – ısıtma sistemi çıkış suyu; GP13 – sirkülasyon pompası;
QN12 – üç yollu vana soğutma/ısıtma;
1.A.b
Yandaki şekil boilerli bir iç ünitenin dış üniteyle olan bağlantı şeklini göstermektedir.
Isıtma modunda, dış üniteden gelen kızgın ve yüksek basınçlı soğutucu akışkan iç ünitede bulunan kondansere gelir ve ısısını suya aktarır. Daha sonra likit hattından tekrar dış üniteye döner.
İç ünitede ısımış olan su konutun ısıtma tesisatına (yerden ısıtma sistemi, radyatör veya fan coil) gider. Isıtma tesisatında sıcaklığını kaybeden su tekrar iç üniteye döner ve bu şekilde kapalı çevrimde döngü devam eder.
Boiler içersinde bahsettiğimiz kapalı çevrimden ayrı bir hat daha vardır. Şebeke suyu bu hattan geçirilerek ısıtılır ve kullanım sıcak suyu elde edilir.
AMS Dış Ünite
63H1 yüksek basınç presostatı LPT düşük basınç sensörü FM01 fan
20S 4 yollu vana CM kompresör PWB1 kontrol kartı PWB2 invertör kartı PWB3 filtre kartı
QM35 likit hattı servis vanası QM36 gaz hattı servis vanası
EEV-H elektronik genleşme vanası - ısıtma EEV-C elektronik genleşme vanası – soğutma
ACVM İç Ünite
XL1 ısıtma tesisatı çıkışı XL2 ısıtma tesisatı dönüşü XL3 şebeke suyu girişi XL4 kulanım sıcak suyu çıkışı XL8 harici ısıtma sistemi girişi XL9 harici ısıtma sistemi çıkışı XL13 likit hattı
XL14 gaz hattı
XL15 emniyet valfi bağlantısı EP2 ısı eşanjörü (kondenser) GP1 sirlülasyon pompası
2.B - Monoblok Hava Kaynaklı Isı Pompası
Monoblok tip ısı pompalarında kondenser ünitesi de kompresör, evaporatör ve genleşme vanasıyla birlikte dış ünitede bulunur. Dolayısıyla dış üniteyle iç ünite arasında herhangi bir soğutucu gaz akışı olmaz, sadece su bağlantısı yapılır.
Bu bakımdan split tiplere göre kurulumları daha kolaydır.
Genel çalışma prensibini aşağıdaki şemada verilmiştir.
EB15 – VVM iç ünite; EB101 – F2040 ısı pompası dış ünite;
FL10 – emniyet vanası; QM40 – kesme vanası;
XL1 – ısıtma tesisatı sıcak su çıkış; XL2 – tesisat su dönüş;
Monoblok tip ısı pompalarında kullanılan iç ünitelerin şematik gösterimi yukarıda verilmiştir. Bu ünitelerde serpantinli boiler, elektrikli ısıtıcı, genleşme tankı, emniyet vanası, sirkülasyon pompası, bufer tank ve kontrol sistemi bulunmaktadır. Modellere göre boiler tiplerinde farklılıklar olabilir. Yandaki resimde de monoblok tip ısı pompasının dış ünitesi verilmiştir. Split tiplerden farklı olarak bir plaka eşanjörlü kondenser bulunmaktadır.
Aşağıdaki şemada da sıcak su üretim süreci adım adım gösterilmiştir.
2 - Yer (Toprak/Su) Kaynaklı Isı Pompaları
Toprak/Su kaynaklı ısı pompalarında evaporatörde bulunan soğutucu akışkan, suyun sıcaklığını kullanarak buharlaşır.
Plaka eşanjör üzerinde gerçekleşen bu buharlaşma işleminde ısısından yararlanılan su, ısısını yer kaynağından alır.
Bu kaynak toprak veya su olabilir.
Uygulamada zeminin
özelliklerine göre yatay veya dikey uygulamalar yapılabilir.
Hava Kaynaklı Isı Pompası
Su Kaynaklı Isı Pompası
Dikey – Toprak Kaynaklı Isı Pompası
Yatay – Toprak Kaynaklı Isı Pompası Uygulama İmkanı Erişimi kolay Su kaynağının
devamlılığı şart
Sondaj gerektirir Geniş bir alan ihtiyacı
Verimlilik iyi yüksek yüksek yüksek
Uygulama Maliyeti orta yüksek yüksek yüksek
Bakım düşük orta düşük düşük
Yandaki prensip çalışma şemasından da anlaşılacağı üzere, teorik olarak buhar sıkıştırmalı bir soğutma çevriminden farkı yoktur. Soğutucu akışkanlar için faz değişimlerinde kullanılan ısı kaynağı su olduğu durumda, hava olmasına göre daha verimli bir ısı transferi gerçekleştirilir.
Toprak/Su kaynaklı ısı pompalarında kondenserleri zaten su ile soğutulurken, evaporatörde su ile ısı alış verişinde bulunur. O nedenle yer kaynaklı ısı pompalarında daha yüksek verimliliklerden söz etmek mümkündür.
Bu uygulamalar için temel sorun, kayanağa erişimdir. Hem yatay hem de dikey uygulamalar için önemli bir uygulama maliyeti çıkabilmektedir.
Ayrıca toprağın cinsine göre de derinlik değişmektedir.
Verimlilik artışındaki temel sebeplerden biri olarak evaporatör tarafında sabit bir ısı kaynağına
ulaşılabilmesi
gösterilir. Çünkü belli bir derinlikten sonra topraktaki sıcaklık değişmez, sabittir.
Boylerli veya boilersiz modelleri mevcuttur. Aşağıda her ikisine de ait prensip çalışma şeması verilmiştir.
Toprak/Su kaynaklı ısı pompalarında ünite sayısı tektir. Tüm komponentler o ünite içersine yerleştirilmiştir.
Bu ünite de iç ortama konuşlandırılır. Dolayısıyla hava kaynaklılardan farklı olarak kompresör mahal içersinde bulunur.
XL1 – ısıtma tesisatı çıkışı; XL2 – ısıtma tesisatı dönüşü;
XL3 – soğuk su giriş (şebekeden); XL4 – kullanım sıcak suyu çıkışı;
XL6 – yer kaynağından gelen su hattı; XL7 - yer kaynağına giden su hattı;
Monovalent – Bivalent Isı Pompaları
Isı pompaları tekil bir ürün olarak veya ek bir sistemle birlikte kullanılabilirler. Isıtma ihtiyacını tek başına karşılayanlara monovalent ısı pompası denir. Bazı durumlarda ısı pompaları fosil yakıtlı kazanlar veya güneş enerjisi gibi ilave bir sistemle birlikte kullanılır ve ısıtma talebini yük dengesini kurarak karşılarlar, bu tarz sistemlere de bivalent ısı pompası denir.
Ürünlerin Benzeşimi
Hava kaynaklı bir ısı pompası ısıtma konumundayken, çalışma prensibi olarak mini bir heat pumplı hava soğutmalı su soğutma grubunun ısıtma modunda çalışması ile aynıdır. Benzer şekilde havuz suyu ısıtma özelliği olan bir havuz nem alma santralinin çalışma modu havuz suyu ısıtmada iken çalışma prensibi bakımında bu ürünlerle aynı özelliği taşır.
Hava kaynaklı ısı pompası soğutma pozisyonunda çalışırken, prensip olarak mini bir hava soğutmalı su soğutma grubu gibi, mahalin soğutulmasını sağlayacak olan bir fan coile soğuk su gönderir.
Dış ortam ısı kaynağı olarak suyu kullanan bir ısı pompası soğutma konumundayken, prensip olarak su soğutmalı su soğutma grubundan farklı değildir.
Vrf veya split klimalarda dış ortam ısı kaynağı havadır ve iç ortama ısı, soğutucu gazdan havaya aktarılarak taşınırken, ısı pompalarında ısı iç ortama soğutucu gazdan suya aktarılarak gerçekleştirilir. Isı pompalarının vrf ve split klimalara göre daha yüksek verime sahip olmalarının temel nedenlerinden biri budur. Tabi burada su kaynaklı VRFleri ayrı tutmak lazım.
Isı enerjisini suyla taşımak, havayla taşımaktan daha ucuz ve konforludur. Isı pompasıyla suya aktarılan ısı radyatörler aracılığıyla veya yerden ısıtma tekniğiyle yine mahal havasının ısıtılmasında kullanılır. Böyle düşünüldüğünde ısıyı soğutucu gazdan – suya sonra da havaya aktarmış oluyoruz. Ev tipi split klimalarda ise direk soğutucu gazdan havaya bir transfer söz konusudur. Isı pompaları için ısı transferinde daha fazla kademe kullanılmış olsa da; suyla birlikte ısıyı depolayabilmek, ısıyı taşıyabilmek ve sürekli bir konfor alanı yaratabilmek gibi avantajlardan dolayı, ısı pompasıyla daha verimli bir sistem elde etmiş oluyoruz.
