Isı Pompalarının Seçim Ve Tasarımında Dış Sıcaklığın Etkisi Dr

Isı Pompalarının Seçim Ve Tasarımında Dış Sıcaklığın Etkisi
Dr. İbrahim ÇAKMANUS
Özet
Dünyamızda enerji, istenilen yer ve zamanda seyrek olarak uygun sıcaklıkta bulunur. Mühendisler için
temel problem istenilen formda olmayan enerjinin, ekonomik bir biçimde kullanılabilir bir forma
dönüştürülmesidir. Örneğin petrol, doğal gaz önemli enerji kaynaklarındandır, ancak çıkarılıp
işlenmeden önce istenilen formda değildir. Bunun gibi ısı pompaları havada, suda ve toprakta bulunan
kullanışlı formda olmayan ısıl enerjinin, dışarıdan bir enerji verilerek, daha kullanılabilir şekle getirir. Isı
pompaları, bizlere, yenilenebilir enerji teknolojilerine dayalı sürdürülebilir bir toplum oluşturulmasına
yardımcı olabilecek önemli araçlardan birisidir. Isı pompaları ayrıca ısıyı depolama yoluyla zaman ve
mekanda taşımamıza da yardımcı olur.
1. Giriş
AB enerji direktifi EPBD’de, 2020’de %20 yenilenebilir enerji hedefini tutturulmasında ısı pompalarına
önemli bir yer almaktadır. AB komisyonu, elektriğinin PV, rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji
kaynaklarından sağlanması halinde ısı pompalarını yenilenebilir enerji olarak tanımlamaktadır. Isı
pompaları 2021’de “yaklaşık sıfır enerjili binalara” ulaşma ve benzer şekilde binaların renovasyonlarının
da enerji verimli hale getirme hedefinin de önemli araçlarından birisi olarak görülmektedir. Diğer yandan
ısı pompaları yaklaşık olarak 40 yıldan beri Avrupa ve Amerika’da ticari bir ürün olarak imal edilmektedir.
Global ısınmanın da etkisi ile artık Türkiye’de yazın neredeyse konutlarda da soğutma ihtiyacı
duyulmaktadır. Ege, Akdeniz, Güneydoğu Anadolu Bölgeleri ise soğutma ağırlıklı bir iklime sahiptir.
Karadeniz bölgesi gibi bölgeler ılıman iklim sayılabilir. İç kesimler ve Doğu Anadolu ise ısıtma ağırlıklı
bir iklime sahiptir. Isıtma derece gün sayıları ısıtma ağırlıklı veya soğutma ağırlıklı olsa da genellikle her
ikisi de birlikte bulunmaktadır. Bu nedenle binalarda hem ısıtma hem de soğutma sistemleri kurulmasına
ihtiyaç bulunmaktadır. Konut dışı, ticari binalarda, bu sistemler genellikle fan coil sistemleri veya VRV
sistemleri olarak tesis edilmektedir. Buna karşın konutlarda bu konuda bir karara varılabilmiş değildir.
Müstakil konutlarda döşemeden ısıtma ve soğutma sistemi ile birlikte havadan suya ısı pompalarının
kullanımı büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Apartmanlarda veya yüksek katlı konut binalarında da
aynı
sistemler
veya
fan
coil
sistemleri
VRV
sistemleri,
havadan
havaya
ısı
pompaları
kullanılabilmektedir. Ancak fan coil ve VRV sistemleri fan enerjisi, filtreleme, gürültü ve drenaj sorunları
gibi dezavantajları vardır.Yani ısı pompalarının bina içinde verimli bir biçimde kullanılabilmeleri için bina
içi tesisatlarının da bu cihazların verimli biçimde üretebildikleri su sıcaklıklarına uygun olmalıdır. Bu
cihazlar kışın 30/40 C, yazın 15-20 C soğuk su rejimi kullanılır ise daha yüksek verim ile
çalışabilmektedir. Döşemeden veya tavandan ısıtma ve serinletme, TABS sistemleri daha uygundur. Bu
nedenle zaman içinde teknolojinin bu yöne doğru kayacağı değerlendirilmektedir. Böylece güneş
enerjisinin binalarda kullanım oranları da artacaktır.
2. Isı Pompası Çeşitleri
VRV sistemleri de bir tür ısı pompası olmakla birlikte burada seknder devresi su olan sistemler
kastaedilmiştir. Isı pompaları hava, su ve toprak kaynaklı olmak üzere üç tiptir. En verimli ve sezonluk
kararlılığı en yüksek olanlar toprak kaynaklı ısı pompalarıdır ancak çok pahalıdırlar. Isı pompaları deniz,
göl, yer altı suyu, akarsu gibi (bulunabildiğinde) kaynakları, güneş destekli olarak da kurulabilir. Ancak
bu tür su kaynakları her yerde bulunamaz ve bu sistemler daha pahalıdır. Tüm bu sebeplerle toprak
kaynaklı ve su kaynaklı ısı pompalarının (verimlilikleri daha yüksek olmakla birlikte) bulunabilirlik ve ilk
yatırım maliyetleri sebebiyle daha kısıtlıdır. Dolayısıyla odaklanılması gereken ısı pompası türü hava
kaynaklı ısı pompalarıdır. Hava her yerde bol miktarda bulunur. Ancak sıcaklığı mevsimsel olarak
değişir. Bu nedenle hava soğutmalı ısı pompalarının verimlilikler daha düşüktür. Yani verimlilik (COP
değerleri ve sezonluk verimlikleri) dalgalı olan dış hava sıcaklığına bağlıdır. Öte yandan bu sistemlerin
verimli olup olmaması alternatif sistemlerin maliyetlerine de bağlıdır. Örneğin hava soğutmalı ısı
pompaları Ankara gibi iklimlerde ve daha soğuk bölgelerde ısı pompaları kışın doğalgaza göre daha az
verimli olabilmektedir. Buna karşın daha sıcak bögelerde alternatiflerine göre daha verimlidir. Soğuk
iklimlerdeki bu dezavantajı azaltmak için araştırma çalışmaları yapılmaktadır. Bu konu aşağıda
özetlenmiştir.
3. Soğuk İklime Uygun Hava Kaynaklı Isı Pompaları
Son yıllarda ısı pompalarının toplam verimliliği konusunda önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Bu gelişme
özellikle kompresör ve ısı eşanjöründe olmuştur. Ancak kompresör ısı pompasının sadece bir
ekipmanıdır. Bütünsek bir verimlilik ve işletme ve kontrol sistemi önemlidir. Ayrıca bina
uygulamalarındaki sezonluk performans kaynak (özellikle dış hava) sıcaklığına bağlı olarak daha
önemlidir. Isı pompalarının en önemli avantajı aynı cihaz ile hem ısıtma hem de soğutma
yapılabilmesidir. Yukarıda da açıklandığı üzere artık konutlarda da ısıtmanın yanında soğutrma imkanı
istenilmektedir. Bu nedenlerle soğuk iklimlerde ısıtmadaki düşük verimlilik problemlerinin azaltılması
önem kazanmaktadır. Bu konu ile ilgili olarak üretici firmaların (AB firmaları) üretim ve geliştirme
çalışmaları devam etmektedir. Isı pompalarının yenilenebilir enerji teknolojisi olarak kabul edilebilmesi
için EU tarafından ısıtmada sezonluk performans katsayısının minimum SPF>2,63
olması
istenmektedir. Kışın dış hava sıcaklığı düştükçe bir yandan ısı pompasının COP değeri düşmekte, buna
karşın binanın ısıtma enerjisi ihtiyacı artmaktadır. Bu durumda ısı pompasının elektrik veya doğalgaz
gibi ek ısı kaynakları ile desteklenmesi gerekebilmektedir. Buradaki sınır değer genellikle -7º C’dir. Isı
pompalarının bu dezavantajının azaltılası için; a) İki kademeli ekonomizer sistemleri, b) intercooler
sistemleri, c) kaskad sistemleri, d) paralel komprsör uygulamaları gibi sistemler üzerinde araştırmalar
devam etmektedir (1). Bu çalışmalarda %25’den fazla iyileştirme sağlanmıştır. Ancak daha kompleks
olan bu sistemler daha pahalı olmaktadır. Bu bağlamda kaskad gaz destekli ısı pompaları da soğuk
iklimler için geliştirilip pazara sunulmaktadır.
4. Sonuç
Isı pompalarının soğuk iklimlerdeki verimlilik düşüklüğü sorunlarına çözüm olarak araştırma ve
geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Dahası buna yönelik ürünler pazarda görülmeye başlanmıştır.
Soğuk iklim için tasarlanan bu tür ısı pompaları ise sıcak iklim bölgeleri için gereksiz yere pahalı
olabilmekte ve bazen de soğutmada verimlilik düşebilmektedir. Bu nedenle pazarda artık iklim
bölgelerine uygun ısı pompalarının sunulmaya başlanması ve seçimde o bölgenin dış iklim şartlarına
uygunluk da bir kriter olarak aranmalıdır.
Kaynaklar
[1] Baxter V., Groll, E., Shen, B, “Air source heat pump for cold climate application”, Rehve Journal,
September 2014.
[2] Wahlström, A, “Is it possible to achieve zero energy demand while rebuilding multı-dwelling
buildings?”, Rehve Journal, August 2011.
[3] Hepbaşlı, Akdemir, Ö., “Su-çevrimli ısı pompaları ile yapılarda ısı geri kazanımı”, 6. Ulusal soğutma
soğutma ve iklimlendirme kongresi, Çukurova Üniversitesi, 4-7 Kasım 2000.