27 Nisan 2015 | TEKNİK MAKALE 30. Sayı (Mart-Nisan 2015)

Dr. İbrahim Çakmanus Çakmanus Mühendislik Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti.
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 ve doğalgaz önemli enerji kaynaklarındandır ancak çıkarılıp işlenmeden önce istenilen formda değillerdir. Isı pompaları havada, suda ve toprakta bulunan kullanışlı formda olmayan ısıl enerjiyi, dışarıdan bir enerji verilerek daha kullanılabilir şekle getirirler. Isı pompaları, 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 olurlar.


1. Giriş
AB Enerji Direktifi EPBD’de yer alan “2020’de yüzde 20 yenilenebilir enerji hedefi”nin tutturulmasında ısı pompaları 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 renovasyonlarını enerji verimli hale getirme hedefinin de önemli araçlarından birisi olarak görülmektedir. 
Diğer yandan ısı pompası yaklaşık olarak kırk yıldan beri Avrupa ve Amerika’da ticari bir ürün olarak imal edilmektedir. Global ısınmanın da etkisiyle 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 vardır. 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 sistemlerinin fan enerjisi, filtreleme, gürültü ve drenaj sorunları gibi dezavantajları vardır. Yani ısı pompalarının bina içinde verimli bir biçimde kullanılabilmeleri için bina içi tesisatlar da, bu cihazların verimli biçimde üretebildikleri su sıcaklıklarına uygun olmalıdır. Bu cihazlar kışın 30/40 °C, yazın 15-20 °C soğuk su rejimi kullanılırsa daha yüksek verimle 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 oranı da artacaktır.





2.Isı Pompası Çeşitleri
VRV sistemleri de bir tür ısı pompası olmakla birlikte, burada sekonder devresi su olan sistemler kastedilmiştir. 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, yeraltı 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 pompaları (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 verimlilikleri 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 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. Bütünsel bir verimlilik, 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 soğutma istenilmektedir. Bu nedenlerle soğuk iklimlerde, ısıtmadaki düşük verimlilik problemlerinin azaltılması önem kazanmaktadır. Bu konuyla 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 azaltılması için 
a) İki kademeli ekonomizer sistemleri
b) Intercooler sistemleri
c) Kaskad sistemleri
d) Paralel kompresör uygulamaları 
gibi sistemler üzerinde araştırmalar devam etmektedir (1). Bu çalışmalarda yüzde 25’ten 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 pompalarıysa 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”, Rehva Journal, September 2014. 


[2] Wahlström, A, “Is it Possible to Achieve Zero Energy Demand While Rebuilding Multi-dwelling Buildings?”, Rehva Journal, Ağustos 2011. 


[3] Hepbaşlı, Akdemir, Ö., “Su-çevrimli Isı Pompaları ile Yapılarda Isı Geri Kazanımı”, 6. Ulusal Soğutma ve İklimlendirme Kongresi, Çukurova Üniversitesi, 4-7 Kasım 2000.