Isı Pompası

Isı Pompası Nedir ?

Isı pompası, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıma prensibine dayanan ve elektrikle beslenen bir sistemdir. Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük maliyetlerle kullanıma sunulabilir.

Çoğu insan için ısı pompası yeni bir terimdir. Oysaki evlerimizde ısı pompası çalışma prensibi ile aynı mantığın ürünü olan buzdolabı, klima ve derin dondurucu gibi cihazlar kullanılmaktadır. Söz konusu cihazların çalışma mantığı ısıyı taşıma prensibine dayandığından bu cihazlar, ısı pompası başlığı altında toplanabilirler. Isı pompasının yakın bir gelecekte ülkemizde de yaygınlaşması kaçınılmaz bir sonuçtur.

Isı Pompası Toplam Verimlilik

Isı pompalarının toplam verimliliği birçok etkene bağlıdır. Bunlardan bazıları:

1. Kaynak stabilitesi ve kaynağın verime etkisi :
Isı pompasında kaynak dediğimiz enerjini alındığı ortamdır. Kaynaklar hava, toprak yada sudur. Günümüzde Türkiye’de en fazla kullanılan kaynak türü havadır. Havayı enerji kaynağı olarak kullanan ısı pompalarına hava kaynaklı ısı pompası denir. Hava kaynaklı ısı pompaları da havadan suya yada havadan havaya şeklinde olabilir. Isıtma sistemlerinde çoğunlukla havadan suya ısı pompaları kullanılır. Hava kaynaklı ısı pompası kaynağın stabil olmaması nedeni ile sürekli değişken COP değerlerinde çalışır. Yani hava sıcaklığının değişmesi ile harcanan elektrik azalır yada artar.

2. Kullanılan ısı pompasının dizayn şekli ve ısı pompasının performansı :
Isı pompası yerden ısıtma, duvardan ısıtma, radyatör, tavandan ısıtma, tavandan soğutma, fancoil, yer tipi fan coil cihazlarında tek başına yada ek ısıtma amaçlı olarak kullanılır. Isı pompası izafi olarak düşük sıcaklıktaki bir ortamdan (Hava, toprak yada sudan) ısı çeken ve bunu yüksek sıcaklıktaki bir ortama veren makineye denir. Isı pompası ile soğutma makinasının çalışma prensibi aynıdır. Soğutma makinasında maksat, bir mahallin soğutulması; ısı pompasında maksat ise, bir mahalin hem ısıtılması hem soğutulmasıdır. Isı pompası kışın dışarıdaki soğuk havadan ısısını çekerek binaya vermek suretiyle odayı ısıtabileceği gibi, yaz boyunca odadan ısı çekerek dışarı atmak suretiyle odayı soğutmakta da kullanılabilir.

Isı Pompası Nasıl Çalışır ?

Isı pompası enerjiyi bir kaynaktan diğer kaynağa aktaran cihazlardır. Enerji alınan kaynak hava, su yada topraktır.

Isı pompası enerji aldığı kaynağı ısıtma konumunda çalışırken soğutur, serinletme yaparken ise ısıtır. Yapılan işlem gazın faz değişimi ile enerji alma ve bu enerjiyi taşımadır. Bu taşıma ve faz değişimi sırasında bir miktar enerji harcanır.

Isı pompaları kaynaktan ısıtılan yada soğutulan ortama enerji taşımaları esnasında bir miktar elektrik enerjisi harcarlar , harcanan elektrik 1 kw alınan toplam ısı enerjisi 4.5 kw ise bu cihazın COP değeri 4.5 olmaktadır.

Bütün ısı pompaları ayni prensiple çalışılar. Elde edilen ısı, soğutma işleminin bir sonucudur. Evinizdeki buzdolabını düşünün. Buzdolabı içindeki yiyecekleri ve dolabın içindeki havanın ısısını alan akışkan, buzdolabının içini soğuturken odaya ısı vermektedir. Buzdolabının arkasındaki boruların her zaman sıcak olmasının sebebi budur. Buzdolabının yapısındaki kompresör dolabın içinden aldığı enerjiyi 3-4 kat arttırarak, ısı olarak arka tarafa iletir. Bu buzdolabının çalışmasıyla ilgili gerçektir. Asıl amaç soğutma olduğu halde, soğutma işleminin sonucu olarak ısı açığa çıkar. Yani her zaman bir ortamı soğutuyorsanız, başka bir ortamı ısıtıyorsunuzdur.

Bilindiği gibi enerji vardan yok, yoktan var olmaz, sadece ya biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma” kabiliyetinden alır. Eğer amaç soğutmak yerine ısıtmak olursa buzdolabınız bir ısı pompasıdır(Hava-hava ısı pompası). Bu örnekte kaynak: buzdolabının içindeki hava; ısının iletildiği ortam: buzdolabının arkasındaki havadır.

Sonuç olarak ısı pompalı sistemlerde ihtiyacınız olan ısı enerjisinin ¾ ünü doğada depolanmış güneş enerjisinden yani doğal termal enerjiden (toprak, su, hava), ¼ ünü ise elektrik enerjisinden karşılarsınız.

Toprak, su ve hava ücretsiz, yenilenebilir ve tükenmez enerji kaynaklarıdır.

Ayrıca ısı pompaları çoğunlukla kışın ısınmak amacıyla kullanılabildikleri gibi yazın ise aynı ortamı serinletmek amacıyla da kullanılabilirler.

Su- su ve hava-su ısı pompaları, ısıtma ve serinletme hizmetini aynı anda sunabilirler. Diğer ısı pompalarında serinletme için düşük bir ek maliyet yeterlidir.

Isı Pompası Çalışma Prensibi

Isı pompasında hava, toprak (yatay yada dikey) ve su, ana kaynak olarak kullanılır. Bölgeye ve amaca göre kaynak seçimi yapılır. Önemli olan kaynağın olabildiğince stabil olmasıdır. En stabil kaynak topraktır. Fakat ilk yatırım değeri yüksek olmaktadır. 1 mt derinlikte Ocak ayında Ankara 12 C , İstanbul 8 C, İzmir ise yaklaşık 14 C olmaktadır. Hava sıcaklıkları ise devamlı değişkendir. Gündüz, gece hatta gün içinde bile çok değişkenlik gösterir. Fakat son yıllarda kompresör teknolojisi ve gazların geliştirilmesi ile ılıman bölgelerde toprak kaynaklı ısı pompaları ile hava kaynaklı ısı pompalarının COP değerleri birbirine çok yaklaşmışlardır.

Isı pompası kapalı devrelerinde soğutucu akışkanlar dediğimiz Freon gazları kullanılır. Buharlaştırıcı içinden geçen soğutucu akışkan, etrafındaki ortamdan gerekli ısıyı çekerek buharlaşır ve buharlaşan bu soğutucu akışkan, kompresör vasıtasıyla yoğuşturucuya basılır. Yoğuşturucu da, kızgın buhar halindeki soğutucu akışkan etrafındaki ortama ısı vermek suretiyle, yoğunlaşarak doymuş sıvı haline gelir. Yoğuşturucudan çıkan soğutucu akışkan kısılma vanasından geçerek basınç ve sıcaklığı buharlaştırıcı basınç ve sıcaklığına düşürülerek ısı pompası çevrimi tamamlanır.

Isı kaynağında ısı alınması
Buharlaştırıcıda (kaynakla temas halinde bulunan sistem) bulunan soğutucu akışkanın sıcaklığı ve basıncı düşüktür. Isı kaynağından alınan ısı enerjisi ile oluşan sıcaklık farkı, soğutucu akışkanın sıcaklığının arttırılmasını sağlar. Soğutucu akışkan kaynar ve buharlaşır.

Kompresörde sıcaklık artırılması
Kompresör buhar fazındaki akışkanı sıkıştırarak sıcaklığını ve basıncını arttırır.

Isıtma sistemine ısı aktarılması
Buhar fazındaki soğutucu akışkan kondensere ulaşır. Kondenserdeki ısıtma suyunun sıcaklığı buhar fazındaki akışkanın yoğuşma sıcaklığından daha düşük olduğu için, akışkan ısısını ısıtma suyuna aktararak tekrar sıvı faza geçer.

Genleşme valfinde kısılma
Soğutucu akışkanın kompresörde kazandığı yüksek basınç, genleşme valfinden geçerek düşer. Böylece buharlaştırıcıya tekrar düşük sıcaklık ve basınçta girmiş olur. Kapalı çevrim tamamlanır.

Isı Pompası Avantajları

Toprak – su kaynaklı ısı pompası teknolojisi yeryüzünün belirli bir derinliğinde sıcaklığın yıl içinde sabit kalması gerçeğine dayanır. Belirlenen derinlikte toprak tabakası kışın havadan daha sıcak, yazın ise daha soğuktur. Toprak – su kaynaklı ısı pompaları kışın yeryüzünün altında veya yer altı sularında depolanmış ısıyı binaya, yazın bina içindeki ısıyı yeraltına taşıyarak doğanın bize verdiği bu avantajı kullanırlar. Kısaca yer altı; kışın bir ısı kaynağı, yazın ise bir ısı çukuru olarak davranır. Toprak – su kaynaklı ısı pompaları günümüzde ısıtma – soğutma ve sıcak kullanım suyu elde edilmesinde kullanılmaktadırlar. Bu ihtiyaçların tümüne ısı pompası tek makineyle cevap verebildikleri için de tercih sebebi olmuşlardır.

• 35 °C besleme su sıcaklığı ve 55 °C besleme su sıcaklığına göre dizayn edilmiş yerden ısıtma sistemleri arasında % 30 -40 arasında elektrik tüketim farkı oluşur.
• Baca Gereksinimi Yoktur:
• Isı pompaları herhangi bir atık çıkartmazlar, bu nedenle temiz bir ısıtma kaynağıdır.
• Daha düşük işletme maliyetleri vardır.
• Daha az bakım gerektirirler.
• Karbondioksit emisyonunu azaltırlar.
• Yazları soğutma amaçlı kullanılabilirler.
• Uzun ömürlü sistemlerdir.

Isı Pompası Dezavantajları

• Yüksek kurulum maliyeti vardır.
• Kurulumu zor sistemlerdir.
• Soğuk havalarda sistemin zarar görme riski vardır.

Isı Pompaları Çalışma Sıcaklıkları

• Hava sıcaklığı -20 °C den +45 °C ye kadar değişir.
• Su sıcaklığı +8 °C den +30 °C ye kadar değişir.
• Toprak sıcaklığı +10 °C den +20 °C ye kadar değişir.

Hava Kaynaklı Isı Pompası

Hava Kaynaklı Isı Pompaları 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, 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 çoğunlukla ek ısıtıcıyla birlikte kullanılmaktadır.

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 arttırmakta ve ısı pompasının ısıtma COP değeri azaltmaktadır.

Su Kaynaklı Isı Pompası

Toprağın ulaşılabilir derinliğinde sürekli akışı olan yeraltı su kaynağı bulunması durumunda bu kaynaktaki su ısı kaynağı olarak kullanılabilir. + 8 °C ile + 12 °C sıcaklıkları arasındaki su optimal bir işletmeye imkan tanır.

Bu sistemlerde yeraltı suyu açılan bir kuyu ile topraktan emilir, ısı pompasında kullanıldıktan sonra emiş kuyusu 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.

Toprak Kaynaklı Isı Pompası

Topraktan ısıyı çekmek için temel olarak iki yöntem kullanılmaktadır.
– Yatay tip toprak kaynaklı ısı pompaları
– Dikey tip toprak kaynaklı ısı pompaları
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.

Toprak kaynaklı ısı pompası 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 Yüzeyinde Isı Depolanması
Nemin artmasına paralel ısı depolama kapasitesi de artar.