isi pompalari - yildiz.edu.tryildiz.edu.tr/~okincay/dersnotu/isipompasi.pdf · yatay toprak...

Prof. Dr. Olcay KINCAY

ISI POMPALARI

SUNUM PLANI

1. GĐRĐŞ

2. ISI POMPASI TANIMI VE ÇALI ŞMA PRENSĐPLERĐ

2.1. Isı Pompası Temel Bileşenleri2.2. Isı Pompasının Sınıflandırılması

2.2.1. Hava kaynaklı ısı pompaları

2.2.2. Su kaynaklı ısı pompaları2.2.3. 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 katsayısıyüksek olan ısı pompasısistemleri 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 Çalı şır?

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 doğalkaynaktan yararlanırlar.

� Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekelerinden ve proseslerden elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir.

� Tek cihazla ısıtma-soğutma-sıcak kullanım suyu imkanısağlar.

2.1. Isı Pompası Temel Bile şenleri

� Isı pompasını oluşturan temel bileşenleri evaporatör (buharla ştırıcı), kompresör, kondenser (yoğuşturucu) vegenleşme valfi olarak sıralayabiliriz.

� Fosil yakıt kullanımı (Sera etkisinde artış)

� Ormanların azalması

Đklim değişimleri – Sera etkisi

Küresel ısınmanın nedenleri:

Çevre dostlu ğu!

Isı Pompası

Etkinlik Katsayısı (COP IP)

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.

Toprak kaynaklı (yatay) IP

CO2 Derinlik sondajı

Yer altı suyu IP

Toprak kaynaklı (dikey) IP

Hava kaynaklı IP

(Split yada kompakt sistem)

Isı Pompası Sistemleri

Isı Pompası Çalı şma 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 pompasıuygulamalarına çok uygundur.

Yatay toprak kaynaklı ısı pompası Dikey toprak kaynaklı ısı pompası

Hava kaynaklı ısı pompasıSu kaynaklı ısı pompası

2.2.1. Hava Kaynaklı Isı Pompaları(HKIP)

HKIP ısı kaynağı olarak dışhava kullanılmaktadır. Ancak dış hava koşullarının, yıl içinde mevsimler, aylar, hatta saatler boyunca değişmesi nedeniyle COP değeri oldukça değişkendir, kararlıdeğildir.

� Hava sıcaklığının soğuk iklimlerde mevsimler arasında büyük değişim göstermesi nedeniyle, HKIP karasal iklimlerde sınırlı bir kullanıma sahiptir. Çünkü iç ve dışsıcaklıklar arasındaki fark arttıkça ısı pompasının COP değeri azalır. Dış hava sıcaklığının kış aylarında 0°C veya daha dü şük oldu ğu 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

Evin enerji ihtiyacına göre kendi çalı şma

performansınıayarlar.

(4-12 kW veya 6-18 kW)

Modülasyonlu HAVA Isı pompası:

� MODÜLASYONLU ne anlama gelir ?

2.2.2. Su Kaynaklı Isı Pompaları

� Toprağın ulaşılabilir derinliğinde sürekli akışı olan yeraltısu kaynağı bulunması durumunda bu kaynaktaki su ısıkaynağı olarak kullanılabilir. +8ºC ila +12ºC sıcaklıklarıarasındaki su optimal bir i şletmeye imkan tanır.

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

� Kullanım alanları:

� Müstakil evler ve apartmanlar için

� Sanayi uygulamaları

� Küçük arazilerde

� Isınma ve sıcak su ihtiyacını kar şılar

� 180 kW ye varan enerji tedariki

� Yer altı suyunun uygun derinlikte bulunması halinde

Su Kaynaklı Isı pompası

� 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 altısuyu stok durumuna göre, yer altı suyu sıcaklı ğı kışortasında 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 IsıPompaları (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.

� 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.

Yıllık toprakaltı sıcaklık değişimi

Toprak altı sıcaklığının aylara göre değişimi

� TKIP toprağı enerji kaynağı olarak kullanmaktadır. Güneşışımasının bulutlara, bulutların üzerinden yağmurla toprağa veya direk olarak ışınların toprağa gelmesiyle topra ğın 1,2 –1,5 m derinli ğine 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 kabu ğuna do ğru 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 KaynaklıIsı 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.

� 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

Yatay Tip Toprak Kaynaklı Isı Pompası

� 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 borukullanılır.

� YTKIP döşenmesinde hiçbir özel makine gerekmemektedir. Gereken toprak çalışmaları, konvansiyonel inşaat makineleriyle gerçekleşmektedir. Onay işlemleri için inşaat sahibinin yetkili makama bildirmesi yeterlidir.

Yatay Kolektörlerinin Dö şeme Türleri

Salyangoz Döşeme Çift-U Döşeme Tichelmann Döşeme

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.

2.2.3.2. Dikey Tip Toprak KaynaklıIsı Pompaları

Mağmadan gelen ısıyı kullanarak ortamın ısıtılması sağlarlar. Genellikle ısıyıçekme 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:

� Müstakil evler ve sanayi uygulamaları� Isınma ve sıcak su ihtiyacını kar şılar� 180 kW ye kadar enerji ihtiyacını kar şılar� Yüksek enerji ihtiyacı için

� Kullanım alanları:

0°C

3°C

30°C

40°C

Kompresör

Genleşme vanası

-3°C 45°C

35°C-6°C

KondenserEvaporatör

Düşük basınç Yüksek basınç

IsıtmaIsı pompasıYer ısısı sondası

� Özellikle arazinin kısıtlı, toprağın jeolojik yapısının ise uygun olduğu yerlerde dikey borulama tesisatı uygulanmaktadır.

� Standart dikey toprak ısıdeğiştiricilerinde, plastik borular (polietilen veya polipropilen) dikey olarak açılan bir kuyuya yerleştirilir ve boruların etrafı ısıiletim katsayısı yüksek olan bir dolgu malzemesi ile doldurulur.

� En az boruya ihtiyaçduyma, 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 pahalıolması DTKIP dezavantajlarındandır. Büyük yapılar için yer ısısı sondajı

Đki sondaj kuyusu arasındaki mesafe 6 - 7 m arasında olmasıgerekir.

Sondanın enjeksiyon borusu ile birlikte yerleştirilmesi Basınç testi ve kuyunun doldurulması

Boru boyunu etkileyen Boru boyunu etkileyen

faktfakt öörlerrler

•• Arazinin coArazinin coğğrafik yaprafik yapııssıı

•• Yer altYer altıı yapyapııssıı

•• TopraToprağığın kalitesi n kalitesi

•• Topraktaki nem miktarTopraktaki nem miktarıı

•• BinanBinanıın n ııssıı ihtiyacihtiyacıı

•• YatYatıırrıımcmcıınnıın finans gn finans güüccüü

190180160

1251151051009080807060

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

4,5 kW 6 kW 9 kW 15 kW

Kil

kaya

kum

Serme

Dikey derinlik Dikey derinlik –– yatay uzunlukyatay uzunluk

Sadece Isveç’in Strömstad Şehrinde 1650 Daire Isı Pompası Sistemi Kullanmaktadır…

AA

Plakalı ısıdeğiştirici

Suyun alınışı

Suyun geri verilişi

Pompa

Kollektör için kullanılan Antifiriz

� Etilenglikol yanmaz (max -17 oC)� Propilenglikol yanmaz (max -7 oC =25%)� Brinol yanıcıdır (max -12 oC max 30%)� Etanol Alkol yanıcı / zehirleyici (max -12 oC max 30%)� Kalsiyumklorid korozyon yaratır

� Split yada kompakt hava ısı pompası

� Modülasyonlu hava ısı pompası

� Toprak kaynaklı ısı pompası (dikey)

� CO2 Derinlik sondajı

� Yer altı suyu ısı pompası

� Toprak kaynaklı ısı pompası

(yatay)

Sistemlerin verimliliği:

Ekonomi

Isı pompasından elde edilen enerjinin:

�%75 i doğada depolanmış enerjiden

(hava, su, toprak)

� % 25 i elektrikten karşılanır.

Bu ekolojik teknoloji TE ŞVĐK EDĐLMEKTED ĐR!

(Avrupa Birliği, devletler, belediyeler,

bankalar ve elektrik dağıtım şirketleri tarafından)

kW başına düşen ısıtma maliyeti (cent)

Motorin

LPGFuel oil

Elektrik

Doğalgaz

Isı pompası

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-So ğutma 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 35/30

20°C

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 – so ğutma -

sıcak kullanım suyu imkanı vardır� Uzun ömürlüdür� % 85 e varan enerji tasarrufu vardır

Döşemeden Isıtma SistemleriSağlıklı, konforlu ve ekonomik bir ısınma şeklidir.

Konforlu ortam ve sa ğlıklı ya şam Uygulama ve bakım kolaylı ğı

Enerjiden tasarruf Mekanlarda daha geni ş iç hacim

Ekonomik avantajlar Tüm hacim içinde homojen bir ısı da ğılımı ve sıcaklık sa ğlanır. Havanın nem dengesi bozulmaz. Sıcaklık farkı az oldu ğu için hacim içinde a şırı hava akımı yoktur.

Döşemede sıcaklık 29°C geçince toz hareketlili ği başlar. Ayrıca sıcaklık artışı ayaklarda bulunan kılcal damarlarda geni şlemeye neden olur.

Döşemeye gidi ş sıcaklı ğı 55°C ve dönü ş sıcaklı ğı ise 45°C'dir .

Duvardan Isıtma ve So ğutma

� TKIP’na en uygun sistemler yerden ısıtma ve duvardan ısıtma ve so ğutma 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 So ğutmaOdaya sıcaklığın büyük kısmı ışıma yolu ile dağılır. Ayrıca ısıtılmış

veya soğutulmuş duvar (panel) nedeniyle oluşan “sınır tabaka” akımının meydana getirdiği doğal konveksiyonbuna eklenir.

Tozlanacak petek yoktur. Hava akımı olmadığından tozlar uçuşmaz. Havanın doğal nem oranı korunur.

Duvardaki panellere gidi ş sıcaklı ğı 35°C ve dönü ş sıcaklı ğı ise 30°C'dir .

Konvansiyonel sistemde sıcaklık da ğılımı Duvardan ısıtma sisteminde sıcaklık da ğılımı

• 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 da ğılımlarıTmax = 20,4 oC

Tmin = 9,6 oC

Tm = 17 oC

Thava = 20 oCSıc

ak

lık (

o C

)

Duvardan ısıtmada sıcaklık da ğılımları

Tmax = 24,6 oC

Tmin = 16,4oC

Tm = 20 oC

Thava = 18 oC

Sıc

ak

lık (

o C

)

� Duvarlarda yoğuşma olmaz. Yoğuşma olabilmesi için duvarların sıcaklığının 14oC altına kadar düşmesi gerekmektedir. Duvardan so ğutma 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.

Isıtılan duvar yüzeyi sıcaklıklarıher yöne eşit dağılır.

Đstanbul’da bir uygulama

� Meydan AVM , Đskandinav ülkelerini dahil etmezsek şu anda Avrupa’nın ve Türkiye’nin en büyük (70.000 m2 büyüklüğündeki), en çevreci toprak kaynaklı ısıpompası projesidir. Metro Group Asset Management’ın 100 milyon € yatırımla kurduğu bu alışveriş merkezi, grubun toprak kaynaklı ısı pompasıuygulaması ile kalorifer kazanı olmaksızın, doğal bir kaynak olan toprak enerjisi sistemiyle ısıtılıp soğutulan ilk projesidir.

2008 Avrupa Mükemmellik Ödüllü ve 2008 AB Çevre Ödülü Alan Metro AVM

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 So ğutma 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

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 katkısağlamaktadır. Ayrıca 8 desibellik bir ses azaltımı da sağlamaktadır.

Đstanbul Metro AVM …

� Meydan AVM’de hiç kazan yoktur . Isıtma yükününtamamı topraktan genelde 25ºC'nin altındaki su ile yapılmaktadır. Merkezi ısıtma yoktur.

� Fancoillerde serpantinde dolaşan şartlandırılmışsuyun temininde sudan suya ısı pompalarından yararlanılmıştır.(ısıtma 50/40ºC ve soğutma 7/12ºC)

� Hibrid sistem uygulamasında 9 yılda sistemin kendisini amorti edebileceği hesaplanmıştır.

Metro AVM …

En ucuz enerji tasarruf edilen

enerjidir!

Nereden Başlamalı: Enerji Tasarrufu

Teşekkürlerimle

Prof.Dr.Olcay KINCAY