ısı pompaları

ISI POMPALARI
Prof. Dr. Olcay KINCAY
SUNUM PLANI
1. GĐRĐŞ
2. ISI POMPASI TANIMI VE ÇALIŞMA PRENSĐPLERĐ
2.1. Isı Pompası Temel Bileşenleri
2.2. Isı Pompasının Sınıflandırılması
2.2.1. Hava kaynaklı ısı pompaları
2.2.2. Su kaynaklı ısı pompaları
2.2.3. Toprak kaynaklı ısı pompaları
2.2.3.1. Yatay tip kolektörler
2.2.3.2. Dikey tip kolektörler
1. GĐRĐŞ
Fosil yakıtlar (kömür, petrol,
doğalgaz vb.) söz konusu
olduğunda, ne yazık ki hepimiz birer
bağımlıyız.
Günümüzde fosil yakıtların (petrol,
doğalgaz, kömür) yakın bir tarihte
tükeneceği tahmin edilmektedir.
Fosil
yakıt
rezervlerin
azalması, çevre kirliliğine
neden olması ve ekonomik
boyutları nedeniyle yenilebilir
enerji
kaynağı
kullanan,
çevreci, düşük enerji tüketimi
ve
performans
katsayısı
yüksek olan ısı pompası
sistemleri daha cazip hale
gelmeye başlamıştır.
Bir evin enerji ihtiyacının en büyük
kısmını, ısınma ihtiyacı oluşturur
(% 77,8)
Bir evin enerji ihtiyacının en büyük kısmını,
ısınma ihtiyacı oluşturur.(% 77,8)
2. ISI POMPASI TANIMI VE
ÇALIŞMA PRENSĐPLERĐ
Isı Pompası Nasıl Çalışır?
Isıtma sektöründe çoğu insan için
“Isı Pompası” terimi yenidir.
Oysaki evlerimizdeki buzdolabı,
klima, nem giderici ve dondurucular
aynı prensibe göre çalışan
cihazlardır.
Isı Pompaları
Isıyı düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından yüksek sıcaklıktaki
ısı kaynağına aktarırlar. Hava, su, toprak gibi doğal
kaynaktan yararlanırlar.
Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekelerinden
ve proseslerden elde edilen su, ısı kaynağı olarak
kullanılabilir.
Tek cihazla ısıtma-soğutma-sıcak kullanım suyu imkanı
sağlar.
2.1. Isı Pompası Temel Bileşenleri
Isı pompasını oluşturan
temel bileşenleri
evaporatör
(buharlaştırıcı),
kompresör, kondenser
(yoğuşturucu) ve
genleşme valfi olarak
sıralayabiliriz.
Çevre dostluğu!
Đklim değişimleri – Sera etkisi
Küresel ısınmanın nedenleri:
Fosil yakıt kullanımı (Sera etkisinde artış)
Ormanların azalması
Isı Pompası
Etkinlik Katsayısı (COPIP)
2.2. Isı Pompasının Sınıflandırılması
Isı pompalarını, ısı kaynağı bakımından
Isı kaynağı “Hava” olan ısı pompaları
Isı kaynağı “Su” olan ısı pompaları
Isı kaynağı “Toprak” olan ısı pompaları olarak
adlandırılır.
Isı Pompası Sistemleri
Toprak kaynaklı (yatay) IP
CO2 Derinlik sondajı
Yer altı suyu IP
Toprak kaynaklı (dikey) IP
Hava kaynaklı IP
(Split yada kompakt sistem)
Isı Pompası Çalışma Sıcaklıkları
Hava sıcaklığı - 20°C den + 45°C kadar değişir
Su sıcaklığı
+ 8°C den + 30°C kadar değişir
Toprak sıcaklığı + 10°C dan +20°C kadar değişir
Toprak kararlı yapısı ile yaz-kış ısı pompası
uygulamalarına çok uygundur.
Yatay toprak kaynaklı ısı pompası
Su kaynaklı ısı pompası
Dikey toprak kaynaklı ısı pompası
Hava kaynaklı ısı pompası
2.2.1. Hava Kaynaklı Isı Pompaları
(HKIP)
HKIP ısı kaynağı olarak dış
hava kullanılmaktadır. Ancak
dış hava koşullarının, yıl
içinde mevsimler, aylar, hatta
saatler boyunca değişmesi
nedeniyle COP değeri
oldukça değişkendir, kararlı
değildir.
Hava sıcaklığının soğuk iklimlerde mevsimler arasında
büyük değişim göstermesi nedeniyle, HKIP karasal
iklimlerde sınırlı bir kullanıma sahiptir. Çünkü iç ve dış
sıcaklıklar arasındaki fark arttıkça ısı pompasının COP
değeri azalır. Dış hava sıcaklığının kış aylarında 0°C
veya daha düşük olduğu bölgelerde HKIP çoğunlukla
ek ısıtıcıyla birlikte kullanılmaktadırlar.
Ayrıca hava sıcaklığının 0°C veya daha düşük olduğu
bölgelerde ısı pompasının buharlaştırıcısında donma
probleminin ortaya çıkması ve oluşan buzun çözülmesi
için defrost yapılmasının zorunlu olması enerji
tüketimini artırmakta ve ısı pompasının ısıtma COP
değeri azaltmaktadır.
Müstakil evler ve apartman daireleri için
Isınma, sıcak su ve serinletme ihtiyacınızı karşılar
Modülasyonlu HAVA Isı pompası:
MODÜLASYONLU ne anlama gelir ?
Evin enerji ihtiyacına
göre kendi çalışma
performansını
ayarlar.
(4-12 kW veya 6-18
kW)
2.2.2. Su Kaynaklı Isı Pompaları
Toprağın ulaşılabilir derinliğinde sürekli akışı olan yeraltı
su kaynağı bulunması durumunda bu kaynaktaki su ısı
kaynağı olarak kullanılabilir. +8ºC ila +12ºC sıcaklıkları
arasındaki su optimal bir işletmeye imkan tanır.
Bu sistemlerde, yeraltı suyu açılan bir kuyu ile topraktan
emilir, ısı pompasında kullanıldıktan sonra emiş
kuyusuna min. 5 metre uzaktaki bir geri basma kuyusu
ile tekrar toprağa gönderilir. Kuyulardan, göllerden,
nehirlerden,
şehir
şebekesinden
ve
üretim
işlerinden elde edilen su, ısı kaynağı olarak
kullanılabilir.
Su Kaynaklı Isı pompası
Kullanım alanları:
Müstakil evler ve apartmanlar için
Sanayi uygulamaları
Küçük arazilerde
Isınma ve sıcak su ihtiyacını karşılar
180 kW ye varan enerji tedariki
Yer altı suyunun uygun derinlikte bulunması halinde
10 m ve daha fazla derinliklerde yer altı suyunun sıcaklığı yıl
boyunca çok az değişir. Sıcaklığı ortalama olarak 10ºC’dir.
Kuyuların yerleştirildiği sahaya ve suyun çıkarıldığı yer altı
suyu stok durumuna göre, yer altı suyu sıcaklığı kış
ortasında 8-12ºC ve yaz ortasında 10-14ºC arasında
değişir.
Su kaynağı olarak göller, nehirler gibi yerüstü sularından
yararlanıldığında ise, sıcaklık kuyu sularına göre daha fazla
değişmekle beraber, hava kadar değişmemektedir. Ülkemizde
yerüstü sularının genellikle 0ºC’nin altına düşmemesi de ayrıca
bir avantajdır.
Su ve Toprak Kaynaklı IP Sistemleri
2.2.3. Toprak Kaynaklı Isı
Pompaları (TKIP)
Topraktan ısıyı çekmek için temel olarak iki yöntem
kullanılmaktadır:
A) Yatay Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompaları
(YTKIP)
B) Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompaları
(DTKIP)
Dünyanın hayat kaynağı olan güneşten gelen enerjinin
yaklaşık % 46’sı dünyanın kütlesinde tutulur. TKIP’nın amacı,
dünyanın kütlesinde bulunan bu hazır enerji kaynağından
faydalanmaktır.
Toprak ısıtma sezonunda dış havadan daha yüksek
sıcaklıkta, soğutma sezonunda ise havadan daha düşük
sıcaklıkta kalarak, tüm yıl boyunca yaklaşık olarak sabit
sıcaklıkta kalır ve dolayısıyla daha kararlı bir enerji
kaynağıdır.
Yıllık toprakaltı sıcaklık değişimi
Toprağın diğer bir ısıl özelliği ise
yüzey toprağının birkaç metrelik
kısmı, havadaki ısıya kıyasla toprak
sıcaklığındaki sapmayı en aza
indirerek toprağı ve daha alt
tabakalarındaki yeraltı suyunu yalıtır.
Bu ısıl dalgalanmalar, ısıtma ya da
soğutma yükünü mevsimsel ihtiyaca
göre değiştirmeye yardımcı olur.
Toprak kış mevsiminde atmosferden
daha sıcak, kış mevsiminde ise
atmosferden daha soğuk olmaktadır.
Toprak altı sıcaklığının aylara göre değişimi
TKIP toprağı enerji kaynağı olarak kullanmaktadır. Güneş
ışımasının bulutlara, bulutların üzerinden yağmurla toprağa
veya direk olarak ışınların toprağa gelmesiyle toprağın 1,2 –
1,5 m derinliğine kadar bir enerji birikimi olur.
Güneşten gelen ışıma ile bu derinliklerde toprak bu enerjiyi
depolar. Topraktaki ikinci enerji ise dünyanın çekirdeğinden
gelen ısı akışıdır. Isı akışı yer kabuğuna doğru azalır ve
yüzeye 2 m kala sıfır olur.
Toprağın ölü bölgesini gösteren eğriler
Burada önemli olan toprağın yüzeyden 1,5 - 2 m aralığındaki
derinlikte enerji depolanmamasıdır. Bu yüzden burası ölü bölge
olarak bilinir ve enerji çekilemez.
2.2.3.1. Yatay Tip
Toprak Kaynaklı
Isı Pompaları
YTKIP en verimli olduğu derinlik 1,2 – 1,5 m’dir. 1,5 - 2 m
aralığı ise ölü bölge olup ısı akışı sıfır olmaktadır. YTKIP’nın
döşendiği alanın üstüne beton atılmamalıdır ve yağmurun
toprakla teması engellenmemelidir.
Yatay Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompası
Kullanım alanları:
Müstakil evler için
Isınma ve sıcak su ihtiyacınızı karşılar
Yeterli ve uygun arazi alanının mevcut olması durumunda
En yüksek verimli sistem (en düşük işletim masrafları)
35 kW ye kadar ısı ihtiyacını karşılar
Borular, yatay olarak geniş bir araziye serildiği için
ısı transfer alanları daha fazladır. Bu sebeple
çekilecek olan enerji de sondaj tipli uygulamalardan
çekilen enerjiden daha fazladır.
Kullanılan boru uzunlukları açısından ise serme
(yatay) uygulamalarında sondaj uygulamalarına
göre hemen hemen 2 kat daha fazla boru
kullanılır.
YTKIP döşenmesinde hiçbir özel makine gerekmemektedir.
Gereken toprak çalışmaları, konvansiyonel inşaat makineleriyle
gerçekleşmektedir. Onay işlemleri için inşaat sahibinin yetkili
makama bildirmesi yeterlidir.
Yatay Kolektörlerinin Döşeme Türleri
VDI 4640 göre borular 1,2 -1,5 m derinlikte ve 0,3 - 0,8 m mesafede
monte edilmelidir. Karşılıklı bir etkileşimin önüne geçilmesi için, besleme
tesisatlarına olan 0,7 m mesafeye uyulmalı aksi takdirde uygun bir
izolasyon yapılmalıdır.
Salyangoz Döşeme
Çift-U Döşeme
Tichelmann Döşeme
2.2.3.2. Dikey Tip
Toprak Kaynaklı
Isı Pompaları
Mağmadan gelen ısıyı kullanarak ortamın ısıtılması sağlarlar. Genellikle ısıyı
çekme derinliği 30 - 150 m arasındadır. Dikey sondaj uygulamalarında, sondaj
makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Kuyu çapları 10 -20
cm arasındadır.
Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı pompası:
Kullanım alanları:
Müstakil evler ve sanayi uygulamaları
Isınma ve sıcak su ihtiyacını karşılar
180 kW ye kadar enerji ihtiyacını karşılar
Yüksek enerji ihtiyacı için
Yer ısısı sondası
Isıtma
Isı pompası
30°C
-6°C
Genleşme vanası
35°C
0°C
40°C
3°C
-3°C
Evaporatör
45°C
Kompresör
Düşük basınç
Kondenser
Yüksek basınç
Özellikle arazinin kısıtlı, toprağın
jeolojik yapısının ise uygun
olduğu yerlerde dikey borulama
tesisatı uygulanmaktadır.
Standart dikey toprak ısı
değiştiricilerinde, plastik borular
(polietilen veya polipropilen) dikey
olarak açılan bir kuyuya
yerleştirilir ve boruların etrafı ısı
iletim katsayısı yüksek olan bir
dolgu malzemesi ile doldurulur.
En az boruya ihtiyaç
duyma, pompalama enerji
ihtiyacının diğer sistemlere
nazaran daha az olması,
tüm sistemler içinde en az
yüzey alanına ihtiyaç duyan
sistem olması, toprak
sıcaklığının mevsimlik
değişimlerinden
etkilenmemesi DTKIP
avantajlarıdır.
Delme makineleri ve
ekipmanları gerektirmesi,
delme işleminin hendek
açma işleminden pahalı
olması DTKIP
dezavantajlarındandır.
Büyük yapılar için yer ısısı sondajı
Đki sondaj kuyusu arasındaki
mesafe 6 - 7 m arasında olması
gerekir.
Sondanın enjeksiyon borusu ile birlikte
yerleştirilmesi
Basınç testi ve kuyunun doldurulması
Dikey derinlik – yatay uzunluk
500
Boru boyunu etkileyen
faktörler
•
•
•
•
•
•
Kil
450
kaya
400
kum
350
Serme
Arazinin coğrafik yapısı
300
Yer altı yapısı
250
Toprağın kalitesi
200
Topraktaki nem miktarı
150
Binanın ısı ihtiyacı
Yatırımcının finans gücü
160
60 70 80
80 90 100
180190
100
105 115125
50
0
4,5 kW
6 kW
9 kW
15 kW
Sadece Isveç’in Strömstad Şehrinde
1650 Daire Isı Pompası Sistemi
Kullanmaktadır…
A
A
Plakalı ısı
değiştirici
Suyun geri
verilişi
Pompa
Suyun alınışı
Kollektör için kullanılan Antifiriz
Etilenglikol
yanmaz (max -17oC)
Propilenglikol
yanmaz (max -7oC =25%)
Brinol
yanıcıdır (max -12oC max 30%)
Etanol Alkol yanıcı / zehirleyici (max -12oC max 30%)
Kalsiyumklorid korozyon yaratır
Sistemlerin verimliliği:
Toprak kaynaklı ısı pompası
(yatay)
Yer altı suyu ısı pompası
CO2 Derinlik sondajı
Toprak kaynaklı ısı pompası (dikey)
Modülasyonlu hava ısı pompası
Split yada kompakt hava ısı pompası
Ekonomi
kW başına düşen ısıtma maliyeti
(cent)
Isı pompasından elde edilen enerjinin:
%75 i doğada depolanmış enerjiden
Motorin
(hava, su, toprak)
LPG
Fuel oil
% 25 i elektrikten karşılanır.
Elektrik
Bu ekolojik teknoloji TEŞVĐK
EDĐLMEKTEDĐR!
Doğalgaz
(Avrupa Birliği, devletler, belediyeler,
Isı pompası
bankalar ve elektrik dağıtım şirketleri
tarafından)
Hibrid Sistem
(Güneş Enerjisi Destekli
Toprak Kaynaklı Isı Pompası)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi + Isı Pompası
+ Isıl Enerji Deposu)
Hibrid Sistem (Güneş Enerjisi destekli
Dikey Toprak Kaynaklı Isı Pompası
ve Gizli Isı Depolama Sistemi)
A - Güneş Kollektörü, B- Gizli Isı Deposu, C - Dikey Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompası,
D - Isı Pompası, E –Duvardan Isıtma-Soğutma Sistemi, 1-21 Tüm Sistemde Kullanılan Valfler
Isı pompası evi ısıtır mı?
Yüksek ısı sis. (Eski)
90/70
20°C
Düşük ısı sis. (TSE 825) 60/45
20°C
Yerden ısıtma
55/45
20°C
Duvardan ısıtma
20°C
35/30
Neden Isı Pompası ???...
Çok az bedenle ısıl enerjinin
kullanılması
Konvansiyonel enerji kaynaklarını
minimum tüketim
Đşletme güvencesine katkı
Baca, depo, brülör gereksinimi
yoktur
Bakım ve verim kaybı sorunları
ortadan kalkar
%100 çevrecidir
Tek cihazla ısıtma – soğutma sıcak kullanım suyu imkanı vardır
Uzun ömürlüdür
% 85 e varan enerji tasarrufu vardır
Döşemeden Isıtma Sistemleri
Döşemeye gidiş sıcaklığı 55°C
ve dönüş sıcaklığı ise 45°C'dir.
Sağlıklı, konforlu ve ekonomik bir ısınma
şeklidir.
Konforlu ortam ve sağlıklı yaşam
Uygulama ve bakım kolaylığı
Enerjiden tasarruf
Mekanlarda daha geniş iç hacim
Ekonomik avantajlar
Tüm hacim içinde homojen bir ısı dağılımı ve
sıcaklık sağlanır. Havanın nem dengesi
bozulmaz. Sıcaklık farkı az olduğu için hacim
içinde aşırı hava akımı yoktur.
Döşemede sıcaklık 29°C geçince toz
hareketliliği başlar. Ayrıca sıcaklık
artışı
ayaklarda
bulunan
kılcal
damarlarda genişlemeye neden olur.
Duvardan Isıtma ve Soğutma
TKIP’na en uygun sistemler yerden ısıtma ve
duvardan ısıtma ve soğutma yöntemleridir. Bu
sistemler için gerekli olan 35–50oC arasındaki su
sıcaklığını TKIP karşılayabilmektedir.
Mekandaki ısı kayıplarını, duvar betonu içindeki
borularla ısı kaynağından aldığı enerjiyi duvar altına
yayarak dağıtan, duvarı dolayısı ile ortamı ısıtan bir
ısıtma sistemidir
Duvardan Isıtma ve Soğutma
Odaya sıcaklığın büyük kısmı ışıma yolu ile dağılır. Ayrıca ısıtılmış
veya soğutulmuş duvar (panel) nedeniyle oluşan “sınır
tabaka” akımının meydana getirdiği doğal konveksiyon
buna eklenir.
Tozlanacak petek yoktur.
Hava akımı olmadığından tozlar uçuşmaz.
Havanın doğal nem oranı korunur.
Duvardaki panellere gidiş sıcaklığı 35°C
ve dönüş sıcaklığı ise 30°C'dir.
Konvansiyonel sistemde sıcaklık dağılımı
Duvardan ısıtma sisteminde sıcaklık dağılımı
• Duvardan ısıtma / soğutma sisteminde ise sıcaklık ortama eşit bir
şekilde yayılır. Bu nedenle aynı konforlu ortamı elde etmek için daha
az enerjiye ihtiyaç duyulur.
• Çabuk ısıtma / soğutma sağlanır. Önce duvarlar ısınır ve kısa süre
içinde sıcaklık odanın bütün her yerine eşit şekilde yayılır. Duvarların
ısınması 5 - 10 dakika içinde gerçekleşir.
• Sık havalandırma yapmaya gerek kalmaz. Böylelikle oda içindeki
ısının kaybı daha az olur.
Radyatörlü ısıtmada sıcaklık dağılımları
Tmax = 20,4 oC
Tmin = 9,6 oC
Tm = 17 oC
Sıcaklık (o C)
Thava = 20 oC
Duvardan ısıtmada sıcaklık dağılımları
Tmax = 24,6 oC
Tmin = 16,4oC
Tm = 20 oC
Sıcaklık (o C)
Thava = 18 oC
Isıtılan duvar
yüzeyi sıcaklıkları
her yöne eşit
dağılır.
Duvarlarda yoğuşma olmaz. Yoğuşma olabilmesi için
duvarların sıcaklığının 14oC altına kadar düşmesi
gerekmektedir. Duvardan soğutma sisteminde duvarlar
17-18oC’ye kadar soğutularak 20 - 22oC’lik doğal ortam
serinliği elde edilir.
Estetik bir görüntü sağlar. Isıtıcı / soğutucu serpantinler
duvar içinde kaldığı için görüntü kirliliğine sebep olmaz.
Đstanbul’da bir uygulama
2008 Avrupa Mükemmellik Ödüllü ve
2008 AB Çevre Ödülü Alan Metro AVM
Meydan AVM, Đskandinav ülkelerini dahil etmezsek
şu anda Avrupa’nın ve Türkiye’nin en büyük (70.000
m2 büyüklüğündeki), en çevreci toprak kaynaklı ısı
pompası
projesidir.
Metro
Group
Asset
Management’ın 100 milyon € yatırımla kurduğu bu
alışveriş merkezi, grubun toprak kaynaklı ısı pompası
uygulaması ile kalorifer kazanı olmaksızın, doğal bir
kaynak olan toprak enerjisi sistemiyle ısıtılıp
soğutulan ilk projesidir.
Proje Künyesi:
Projenin Kapsamı : Alışveriş Merkezi Projesi (Süpermarket –
Sinema -Mağazalardan oluşan) yaklaşık 130 bin m² alanda
oluşturulmuş olup 70 bin m² lik satış alanına sahiptir.
Toplam Soğutma Yükü : 3.600 kW
Toplam Isıtma Yükü
: 1.000 kW
Toplam Ünite Adedi
: 108 adet ısı pompası ünitesi (en
küçük kapasite 1,5 kW, en büyük kapasite 65 kW)
Toplam Sondaj - Boru Metrajı : 18.327 m
Toplam Kuyu Adedi ve Ortalama Metrajı : 208 kuyu / 88 m
Đstanbul Metro AVM …
Binanın çatı alanı yaklaşık 55
bin m2 ve bunun 30 bin m2 yeşil
alandır. Bu özelliği ile Meydan,
dünyanın tek alanda, en büyük
yeşil alanlı çatısına sahiptir. Bu
yeşil örtü ısı yalıtımına katkıda
bulunduğu için enerji
maliyetlerine de önemli bir katkı
sağlamaktadır. Ayrıca 8
desibellik bir ses azaltımı da
sağlamaktadır.
Metro AVM …
Meydan AVM’de hiç kazan yoktur. Isıtma yükünün
tamamı topraktan genelde 25ºC'nin altındaki su ile
yapılmaktadır. Merkezi ısıtma yoktur.
Fancoillerde serpantinde dolaşan şartlandırılmış
suyun temininde sudan suya ısı pompalarından
yararlanılmıştır.
(ısıtma 50/40ºC ve soğutma 7/12ºC)
Hibrid sistem uygulamasında 9 yılda sistemin
kendisini amorti edebileceği hesaplanmıştır.
Nereden Başlamalı:
Enerji Tasarrufu
En ucuz enerji
tasarruf edilen
enerjidir!
Teşekkürlerimle
Prof.Dr.Olcay KINCAY