Toprak Kaynaklı İsı Pompası Tanımı-İsı Kaynağı Olarak Toprağın Kullanılması

• 1Isı Pompasının Genel Tanımı:
• Isı pompası basit olarak ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve elektikle beslenen bir sistemdir Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var edilemez, sadece ya biçim değiştirir yada bir yerden bir yere taşınır Isı pompasıda adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama "pompalama" veya "taşıma" kabiliyetinden alır Örnek olarak dalgıç pompalar verilebilir Dalgıç pompalar nasıl suyu üretmiyorlarsa, ısı pompaları da ısıyı üretmeyip sadece taşırlar Dalgıç pompalarının su pompalaması için bir su kaynağına daldırılmalarına benzer olarak, ısı pompalarıda yeryüzünde bir enerji kaynağına temas etmedikleri sürece ısıyı taşıyamazlar Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük maliyetlerle kullanıma sunulabilir
• Isıtma sektöründe çoğu insan için ısı pompası terimi yenidir Oysaki evlerimizdeki buzdalabı, klima, nem giderici ve dondurucular aynı mantığın ürünüdürler Çalışma prensibi ısıyı taşıma mantığına uyduğundan "ısı pompası" başlığı altında toplanabilirler
• Soğutma makinaları ısıtma veya ısıtma ve soğutma amaçlı kullanılırlarsa ısı pompası adını alırlar Örnek olarak evlerimizde kullanılan buzdolablarını alalım Buzdolaplarında yiyeceklerin bulunduğu iç ortam soğuktur ve arkasındaki borular oluşan ısıyı ortama bıraktıklarından sıcaktır Hemen hemen her kişi bu olayın farkındadır Ve bu ısının nereden geldiğini merak etmektedir Örnektede görüldüğü gibi soğutma makinaları ısıyı ve soğuğu aynı anda üretirler Anlaşılacağı gibi ısı pompalarından bahsedildiğinde soğutma makinalarına baş vuruyoruz Öyleyse ısı pompaları uzun süredir bilinen bir kavramdır yani 90'lı yıllar için yeni bir teknoloji değildir Isı pompası teknolojisi mantık olarak ilk 18yy'da oluşmuştur Isı pompasının günümüze kadar soğutmada izlediği yükselen grafikle olduğu gibi, bugünden itibaren ısıtma amaçlı kullanımda da çok büyük bir rolü olacaktır
• Isıtma pompaları genel anlamda ısıyı üretmek yerine taşımayı amaçlar Bunun içinde ısının alınacağı bir ısı çukuruna ihtiyaç vardır Ülkemizde kullanılan ısı pompalarının hemen hemen hepsi ısı çukuru olarak havayı kullanmaktadırlar Günümüzde havayı ısı çukuru olarak kullanan ısı pompaları Split klima ve çiller olarak adlandırılmaktadır Hava kaynaklı cihazların verimleri , dış hava sıcaklıkların değişimlerinde, farklı değerler alırlar Verim değerlerinin gün içinde dahi sabit kalması sebebiyle , işletme maliyetlerinde beklenmeyen artışlarmeydana gelir Bu verim değişimlerini önleyen sıcaklığı sabit kabul edebilecek ısı çukurlarıda mevcuttur Bu amaçla kullanılan sıcaklığı sabit kabul edebilen ısı çukurları toprak ve sudur
• Toprak - Su kaynaklı ısı pompası teknolojisi yeryüzünün belirli bir derinliğinde sıcaklığın yıl içinde nispeten sabit kalması gerçeğine dayanır Bahsedilen derinlikte toprak tabakası 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 ısıyı kaynağı, yazın ise bir ısı çukuru olarak davranır
• Toprak - Su kaynaklı ısı pompaları günümüzde ısıtma - soğutma ve sıcak kullanım suyu eldesinde kullanılmaktadırlar Bu ihtiyaçların tümüne tek makinayla vevap verebildikleri için de tercih sebebi olmuşlardır
• 2Toprak Kaynaklı Isı Pompası ve Jeotermal Enerjinin Tarihçesi:
• Bilinen tarihi kayıtlar Türklerin, Romalıların, Japonların, İzlandalıların ve Merkezi Avrupalıların jeotermal enerjiyi yıkanma, ısınma ve pişirme amaçlı olarak kullandıklarını göstermektedir Roma İmparatorluğundaki banyolar, Osmanlılar dönemindeki Türk hamamları, ılıca ve kaplıcalar toplumların sosyal yaşamlarında sağlık ve yıkanmaya yönelik geleneklerde jeotermal enerjinin etkisini açıklamaktadır
• Jeotermal kaynaklar dünyada birçok yerde vardır Jeotermal sistemler ve jeotermal enerji çoğunlukla yerküredeki levha sınırlarıyla ilişkilendirilmektedir Jeotermal enerji volkanik bölgelerde bulunmakla beraber, sedimanter formasyonlar içinde ılık yeraltı suları olarak ta görülmektedir Doğal çıkışı olan jeotermal sistemler olduğu gibi herhangi bir yeryüzü etkinliği göstermeyen sistemlerde vardır
• Jeotermal saha, sistem ve rezervuarları birbirlerinden ayırmak üzere aşağıdaki tanımlar yapılabilir:
• Jeotermal Saha: Yeryüzünde bir jeotermal etkinliği gösteren coğrafik bir tanımdır Eğer yeryüzünde herhangi bir etkinlik yoksa, yeraltındaki jeotermal rezervuarın üstündeki alanı tanımlamakta kullanılır
• Jeotermal Sistem: Yeraltındaki hidrolik sistemi bütün parçalarıyla birlikte (beslenme zonu, yeryüzüne çıkış noktaları ve yeraltındaki kısımları gibi) tanımlamakta kullanılır
• Jeotermal Rezervuar: Doğrudan işletilen jeotermal sistemin sıcak ve geçirgen kısmını tanımlar
• Jeotermal sistemler ve rezervuarlar; rezervuar sıcaklığı, akışkan entalpisi, fiziksel durumu, doğası ve jeolojik yerleşimi gibi özelliklerine göre sınıflandırılırlar Örneğin jeotermal rezervuarda 1 km derinlikteki sıcaklığa bağlı olarak sistemleri 2 gruba ayırmak olasıdır[1]:
• Rezervuar sıcaklığının 150oC’dan düşük olduğu düşük sıcaklıklı sistemler: Bu tür sistemler genelde yeryüzüne ulaşmış doğal sıcak su veya kaynar çıkışlar gösterirler
• Rezervuar sıcaklığının 200oC’dan yüksek olduğu yüksek sıcaklıklı sistemler: Bu tür sistemler ise buhar, kaynayan çamur göletleri ve altere olmuş yeraltı formasyonlarıyla bilinirler
• Türkiye’de Kızıldere ve Germencik jeotermal rezervuarlarının sıcaklığı 200-220oC arasında olup, Balçova-İzmir’in de içinde bulunduğu diğerleri ise genelde düşük sıcaklıklı sistemlerdir
• Sistemleri sıcaklıklarına göre olduğu gibi entalpilerine göre de düşük entalpili ve yüksek entalpili sistemler diye iki gruba ayırmak olasıdır 190oC’daki entalpi olan 800 kJ/kg’dan düşük entalpili sistemler “düşük entalpili sistemler” olarak, entalpisi 800 kJ/kg’dan daha yüksek olanlar ise “yüksek entalpili sistemler” olarak tanımlanabilirler
• Jeotermal sistemler sınıflandırılırken sistemin fiziksel durumuna bağlı olarak yapılan sınıflandırma literatürde daha fazla rağbet görmektedir Bu yaklaşıma göre 3 farklı rezervuar durumu tanımlanmaktadır:
• Sıvının etken olduğu jeotermal rezervuarlar: Rezervuardaki basınç koşullarında su sıcaklığının buharlaşma sıcaklığından daha düşük olduğu rezervuarları tanımlamakta kullanılır Rezervuar basıncını sıvı su fazı kontrol etmektedir Bu tür rezervuarlarda, özellikle basıncın düşük olduğu üretim kuyuları civarında su buharına rastlamak olasıdır
• İki fazlı jeotermal rezervuarlar: Rezervuarda sıvı su ve su buharı birlikte bulunmaktadır ve rezervuar basıncı ve sıcaklığı suyun buhar basıncı eğrisini izler
• Buharın etken olduğu jeotermal rezervuarlar: Rezervuar basıncındaki akışkan sıcaklığının suyun buhar basıncı eğrisi sıcaklığından daha yüksek olması durumunda bu tür rezervuarlar oluşurlar Rezervuardaki basıncı su buharı fazı kontrol etmektedir
• Jeotermal sistemlerin ve rezervuarların içinde fiziksel durum yere bağlı olarak değişiklik gösterebilir ve rezervuarlar zamanla durum değişikliği de gösterebilirler Örneğin sıvının etken olduğu bir rezervuar, üretim sonucu oluşan basınç düşümünden dolayı, zamanla iki fazlı bir jeotermal rezervuar durumuna dönüşebilir Rezervuar içinde buhar (veya rezervuardaki suyun yeterli oranda çözünmüş CO2 içermesi durumunda gaz) başlığı oluşabilir Düşük sıcaklıklı sistemler genelde sıvının etken olduğu sistemler tanımına girerken, yüksek sıcaklıklı sistemler ise üç gruba da girebilir
• Türkiye’de buharın etken olduğu rezervuar keşfedilmemiştir Tümü sıvının etken olduğu rezervuarlar grubundandır Kütlesel olarak %15 kadar CO2 içeren Kızıldere jeotermal rezervuarı başlangıçta sıvının etken olduğu bir rezervuar davranışı gösterirken, yapılan üretim sonucu oluşan rezervuar basıncının sıvı su-CO2 sistemi için geçerli buharlaşma (veya gazlaşma) basıncından daha düşük düzeylere inmesinden dolayı, rezervuar şu anda iki fazlı jeotermal rezervuar davranışı göstermektedir Dünyada buharın etken olduğu jeotermal rezervuarlar olarak ABD’deki Geysers sahası ve İtalya’daki Larderello sahası örnek olarak verilebilir
• Jeotermal sistemler ayrıca doğal durumuna ve jeolojik konumuna bağlı olarakta sınıflandırılmaktadırlar[2]:
• Volkanik sistemler: Volkanik etkinlikle ilişkilendirilen sistemlerdir Isı kaynağı mağma veya sıcak yükseltilerdir Geçirgen çatlaklar ve fay zonları volkanik sistemlerde suyun akışını kontrol ederler
• Taşınım sistemleri: Düşey ısı akışı değerlerinin yüksek olduğu tektonik olarak aktif bölgelerde sıcak kabuğun ısı kaynağı olduğu sistemlerdir Düşey çatlak ve fayların bulunduğu ortamlarda jeotermal su 1 km’den daha derinlere indikten sonra aşağıdaki kayaçlardan ısı almakta ve daha sonra yükselerek taşınım sistemlerini oluşturmaktadır
• Sedimanter sistemler: 1 km’den daha derin yerlerde geçirgen sedimanter tabakalarda oluşan, ısı taşınımından çok iletimin doğal olarak etken olduğu ve bazı durumlarda fayları da içeren sistemlerdir
• Yüksek-basınçlı sistemler: Yüksek basınçlı petrol ve gaz rezervuarlarına benzer olarak, basıncın normal basınçlardan yüksek olduğu tabakaların bulunduğu sistemlerdir Genelde oldukça derindirler
• Sıcak kuru kayaç sistemleri: Volkanizma veya anormal yüksek ısı akışı sonucu oluşmuş kayaç hacımlarıdır ve fakat geçirimsiz özelliği olan sistemlerdir Geçirgen olmadığından ve akışkan içermediğinden normal jeotermal rezervuarlar gibi işletilemezler Yapay çatlaklar açılarak yine yapay bir rezervuar yaratma yöntemiyle işletilmesi henüz araştırma aşamasındadır
• Türkiye’de bilinen ve işletilen sahaların tektonik olarak aktif bölgelerdeki taşınım sistemleri olduğu söylenebilir Batı Anadolu bölgesindeki birçok jeotermal saha (Kızıldere ve Balçova gibi) bölgedeki graben yapıları içinde yeralmaktadır Doğu Anadolu bölgesinde volkanik sistemlerin varlığı tahmin edilmekte beraber, bugüne kadar yapılan araştırmalar sonucunda henüz ekonomik olarak işletilebilir bir saha bulunmamıştır
• Jeotermal enerji yerin ısısıdır Enerji olarak konutların ve binaların ısıtılmasında ve soğutulmasında kullanıldığı gibi, sıcak su temininde ve ayrıca endüstrinin ısı gereksiniminin karşılanmasında doğrudan kullanılır Dünyada 2000 yılı itibariyle elektrik-dışı kullanım (seralar, havuzlar, merkezi ısıtma, endüstriyel işlemler) 15 133 MWt olarak tahmin edilmektedir Türkiye’de Balçova-Narlıdere, Afyon, Gönen, Simav, Kızılcahamam, Kırşehir gibi yerlerdeki jeotermal merkezi ısıtma projeleri on binlerce konutun ısıtılmasını gerçekleştirmektedir ve jeotermal ısıtma kapasitesinin 350 MWt’a çıktığı belirtilmektedir [4] Jeotermal enerji elektrik üretiminde de dolaylı olarak kullanılmaktadır Kızıldere jeotermal santralı 204 MWe kurulu gücüyle jeotermal enerjiden elektrik eldesi için ülkemizdeki tek önemli örnektir ABD’de kurulu gücü 2850 MWe olan jeotermal güç sektörü gelişmiş durumdadır Dünyada 2000 yılı itibariyle jeotermal elektrik santrallarının kurulu gücü 7974 MWe’e ulaşmıştır Filipinler’de elektriğin %18’i, Nikaragua’da %17’si, El Salvador’da %12’si ve Kosta Rika’da %11’i jeotermal buharından elde edilmektedir Ülkemizde henüz yeteri kadar gelişmemiş olmakla beraber, jeotermal ısı pompaları dünyada birçok ülkede jeotermal enerjiden verimli yararlanmak üzere yaygın olarak kullanılmaktadır Örneğin ABD’de 200 000 kadar jeotermal ısı pompası konutları ve binaları jeotermal enerjiyle ısıtmak amacıyla kullanılmaktadır
• 3-Dünya Üzerinde Toprak Kaynaklı Isı Pompaları:
• Toprak kaynaklı ısı pompaları geçtiğimiz yarım yüzyıl içerisinde kış sezonunun uzun ve sert geçtiği Kuzey Avrupa, İskandinavya Kanada ve Kuzey Amerika'da avantajları ve yüksek konfor özelliklerinden ve çok yönlü kullanılabilir olmasından dolayı tercih edilmiştir
• Süreç içinde Kuzey Avrupa ülkeleri tarafından AR-GE' ye verilen önem sayesinde mükemmel bir tekniğe sahip olmuştur Enerji politikaları ve petrol ürünlerinin birim fiyatlarındaki beklenmedik artışlar ısı pompasını ön plana almış çevre faktörüde eklendiğinde tek sistem olduğu ortaya çıkmıştır
• Toprak kaynaklı ısı pompaları alternatif sistemlere nazaran ürettiği enerjinin 1/3'i bedel karşılığı düşünülürse sadece tüketicinin değil, devletlerinde dış kaynaklı enerji alım politikalarında büyük bir avantaj sağlayacağı ispatlanmış ve bu sayede ısı pompası teknolojisi devletler tarafından teşvik ve destek görmektedir
• 4-Isı Kaynağı Olarak Toprağın Kullanılması:
• Dağın dibinde, aynı ısıyı tüm yıl muhafaza edebilen bedava bir ısı kaynayı bulunur Dağ ısısını kullanmak her tip bina (büyük ve küçük, kamusal ve özel) için güvenli, garantili ve çevre dostu ısıtma tekniğidir Yatırım masrafları relatif olarak yüksektir Ancak uzun vadede, uzun ömürlü, çalışma garantili ve servis ihtiyacı çok düşük bir ısıtma alternatifi elde etmiş olursunuz Isı faktörü yüksektir (3 değerine ulaşır)Tesisat az yer kaplar ve çok küçük alanlarda dahi ayarlanabilir Delme işleminden sonraki onarım önemsizdir Bu nedenle deliğin çevresindeki doğa tahribatı minimumdur Yer altı suyu kullanılmadığı için bu suların tesisat seviyesine etkisi yoktur
• Isı enerjisi, mevcut, geleneksel su kafesi ısıtma sistemi ve sıcak su üretimi için kullanılabilir
• Yaz döneminde, toprağın üzerinde güneş ısısı depolanır Yüksek enerji tüketimi olan evlerde Isıtma için bu enerji metodundan yararlanmak uygundur Yüksek su muhteviyatı olan topraklardan daha fazla enerji elde edilir
• 5-Toprak-Su Kaynaklı Isıtma-Soğutma Pompası Nasıl Çalışır:
• Toprak – su kaynaklı ısı pompaları (TSKIP), toprağın veya yeraltı suyunun yaz ve kış aylarında hemen hemen sabit denebilecek sıcaklıktaki ( 7 – 22 °C arasında değişebilen ) enerjisinden faydalanmak suretiyle kışın ısıtma, yazın ise soğutma amacıyla yaygın olarak kullanılır
• Yazın mahalden alınan ısı, bir ısı pompası yardımıyla toprağa veya yeraltı suyundan aktarılırken, kışın mahalli ısıtmak için gerekli ısıyı yine aynı cihaz vasıtasıyla topraktan veya yeraltı suyundan çekebilmek mümkündür Şekil 1 de tipik bir jeotermal kaynaklı ısı pompası (TSKIP) sistemin nasıl çalıştığı gösterilerek, sistemin elemanları aşağıda açıklanmıştır (1) de yer altı suyu (genellikle 7-22°C) TSKIP’ sına pompalanmaktadır
• (2) nolu gazdan suya ısı değiştiricisinde soğutkan (genellikle R-22) pompalanan yer altı suyu ile yazın yoğuşturulmakta, kışın ise buharlaştırılmaktadır Isı değiştiricisinde yer altı suyu ile yazın yoğuşturulmakta, kışın ise buharlaşmaktadır Isı değiştiricide yer altı suyu (ısıtma durumunda ) yaklaşık 5 – 8 °C arasında soğutulmaktadır (soğutma durumunda ise ) yine 5 - 8 °C arasında ısıtılarak geri pompalanmaktadır (3) Kompresör (4) gaz halindeki soğutkanı sıkıştırarak basıncını arttırmaktadır Gazdan havaya ısı değiştiricisinde (5) mahalden dönüş havası yazın soğutularak, kışın ise ısıtılarak üfleme kanal sistemine (6) nolu fan yardımıyla üflenmektedir(7) nolu dört yollu vana (reversing valf) soğutkanın akış yönünü değiştirerek (5) nolu ısı değiştiricisinde yazın soğutma, kışın ise ısıtma yapılmasını düzenlemektedir Isı değiştiricilerinin girişinde soğutkanı yüksek basınçlı sıvı fazından alçak basınçlı gaz fazına geçirmek suretiyle soğutmayı sağlayan genleşme (veya kısılma ) elemanı şeklinde gösterilmiştir
• Görüldüğü üzere, bu sistemin daha aşina olduğumuz hava kaynaklı ısı pompası (HKIP) sisteminden tek farkı (3) nolu ısı değiştiricisinin soğutkandan suya tipinde bir ısı değiştiricinin soğutkandan suya tipinde bir ısı değiştiricisi olmasıdır Böylelikle, TSKIP’ larında soğutkanın yoğuşturulması (yazın), veya buharlaştırılması (kışın) hava yerine su ile yapılmaktadır Çevrimin diğer aşamalarında TSKIP ile HKIP arasında hiçbir fark olmamaktadır
• 6-Toprak Kaynaklı Isı Pompası Çeşitleri:
• Açık Çevrim Sistemler:
• Jeotermal kurulumların çoğu kapalı çevrim sistem kullanırken açık çevrim sistemlerde ayrı bir seçenektirGömülü borunun içinde akan antifriz solüsyon yerine açık çevrim sistemler göl,kuyu gibi kaynaklardan gelen suyu kullanırSu ısının özümsendiği ısı pompasına pompalanırDaha sonra orjinal kaynağına veya dönüşüm kuyusuna boşaltılır
• Kaynak suyu dizaynları en yaygın ve fiyat açısından en efektif olanlarıdırKaynak hem evin su ihtiyacını karşılar hemde ısı pompasında kullanılır1 ton soğutma kapasitesi için yaklaşık olarak 3 gallon/dak kaynak(kuyu) suyu gerekir3000 (square-foot)İyi yalıtılmış bir ev 10-15 galon/dak suya ihtiyaç duyarAçık sistemlerde su kalitesi önemli bir konudurMineraller ısı değiştiricisinde birikebilirDemir ve diğer kirler dönüşüm kuyusunu tıkayabilirGöl ve diğer kaynaklardan gelen organik maddeler jeotermal sistemi hızla tahrip edebilirSuya aşındırıcılık,asitlik ve mineral içeriği testleri yapılmalıdır
• Açık çevrim sistemler çevreye zarar verdikleri gerekçesiyle bazı yerlerde kullanılmamış hatta yasaklanmıştırSu geri verilmezse su kaynakları tükenebilirBulaşma riskide artan bi problemdirDüzgün kurulmamış kuyular gübre,organik madde gibi şeyleri yüzeydeki kaynaklardan su kaynaklarına taşır
• -Su Kaynakları:
• Yeraltı sulu ısı pompası bir açık çevrim sistemidirGüvenilir bir su kaynağına ve iyi su kalitesine ihtiyaç duyarAyrıca ısıl değişime uğramış su işlemden sonra yok edilebilmelidirSu kaynağı 15-3 galon/dak su sağlayabilmelidirYeterli boşaltma sağlanmalıdırSu kalitesi önemli bir sorundurKötü su ısı değiştiricisini aşındırır ve ekipmanın ömrünü azaltırUygun yer suyunu kullanıp kullanmamayı tercih ederken pompalama maliyetide hesaba katılmalıdırAnalizler göstermiştir ki pompalama maliyeti ısıtma ve soğutma maliyetinden % 25 fazla olabilirAlternatif bir kapalı çevrim sistem araştırılmalıdır
• -Göller Havuzlar vb :
• Göl,havuz gibi su kaynakları yerleştirildiğinde bunlar potansiyel ısı kaynağıdırBu durumda boru demetleri düşük seviye suyun metrelerce altındadırBu derinlik yaklaşık 8 feettirBu derinlikte kışın donma olmaz
• Özel Durumlar:Çevrim haraketli su kütlelerine yerleştirilmemelidir(sel tehlikesi olan yerlerde)Sel düzlemleri çevrimi yok edebilirHacimsel olarak en az %20 olmak üzere antifriz sıvı kullanılmalıdırSu kütlesi yapıya yakın olmalıdırEğer su ilen olan mesafe artarsa yatay alana uyum sağlar ve su altında kalan çevrim hiç bir avantaj getirmezKurulumlar normal olarak paralel konfigürasyon kullanılırKaynak başlığı bir tarafta çevrimler ortada dönüşüm başlığı diğer taraftadırBu sistemlerin performansını suyun katmanlaşması,yosun gelişimi gibi nedenler yüzünden kestirmek güçtür
• -Yeraltı Suyu Sıcaklığı:
• Yeraltı suyunun sıcaklığı yıl boyunca nispeten sabit kalırBir yerin yüzey sıcaklığı yaklaşık olarak o yerin yıllık hava sıcaklık ortalamasına eşittirYer ve yeraltı suyu sıcaklıkları mevsimlik hava sıcaklığına göre çok daha durağandırBu durağan ve sabit ısı kaynağı boyutlandırma prosesini yer çifti borulu çevrimlerine göre farklı kılar
• -Boyutlandırma:
• Bir ısı pompasının boyutlandırılması için iki şeye ihtiyaç duyarız:
• 1-Binanın ısıtma ve soğutma yükleri ve yerel sıcak su ısıtma gereksinimleri ısı pompası sistemi tarafından karşılanmalıdır
• 2-Isı pompası işletim saatlerine göre yeraltı ısı değiştiricisinin yükleri ölçülmelidir
• Jeotermal sistemi boyutlandırmada izlenecek yöntem şöyledir:
• 1-Aşağıdaki yöntemlerden birini kullanarak binanın ısıtma ve soğutma dizayn yükünü hesaplanıra) ASHRAe tavsiyelerine dayanan el hesapları b) kabul görmüş bilgisayar yazılımları
• 2-Bu yükleri karşılayabilecek uygun ısı pompasının seçimi
• 3-İç dağıtım sisteminin tipinin seçilmesiHavalı sistemler ev,yerleşim ve bazı sanayi yerleşimlerinde,sudan havaya sistem ise büyük çok bölgeli ticari kuruluşlarda kullanılır
• 4-İç dağıtım sistemini boyutlandırınbunu yapmak için pek çok yardımcı el kitabı ve yazılım kullanılabilir
• 5-Uygun hava kaynağı ve dönüşüm yayıcıların seçilmesi
• 6-Şu faktörlere göre binanın enerji gereksinimlerinin hesaplanması;a)Isıtma ve soğutma yükleri b)iklim ve toprağın ısıl karakteri c)Seçilmiş ısı pompasının tipi ve ebadı
• 7-Yıllık ve aylık yüklere göre ısı değiştiricisinin yükünün ölçülmesi
• -Enjeksiyon ve Boşaltma:
• Yeraltı sulu ısı pompası sisteminde su sistemden bir kere akarGeri yükleme kuyusu,göl havuz veya akıntılar boşaltım için kullanılabilirÇok miktarda su kullanıldığından dönüşüm(atık)suyun işlenmesi arıtılması ekonomik değildirEğer işlenmesi şartsa en ekonomik çözüm kapalı yer çiftli çevrimlerin kullanılmasıdırBu sistemi kullanmadan önce su örneği saygın bir laboratuvar tarafından incelemeye alınmalı ve pH,yüksek çözünmeyen katılar,demir kalsiyum ve diğer minerallere dair testler yapılmalıdırAyrıca aşındırıcılığın bir ölçümü olan Langelier Doyma İndeksini de hesaplayabilirSuyun kalitesi (kurulumda ve gelecekte) ısı pompasının ömrünü tayin ederKuyu,havuz veya gölün bir sene iyi bir kaynakken bir sene zayıf kalabileceği düşünülmelidirYeraltı sulu sistemin sorunları şunlardır:
• a)Aşınma:Benzer olmayan metaller beraber kullanıldığında aşınma durumu görülür(galvenize aşınma)Mesela,demir veya galvenize boru ısı pompasında bakır boru ile beraber kullanılmamalıdırLastik,polietilen,PVC,Polibü tile n kabul edilebilir materyallerdir
• b)Pullanma:Mineraller sudan çökeldiğinde boruların iç taraflarına ve ısı pompasındaki ısı değiştiricisinde görülürPullanma ısı transferini azaltır ve pompalama maliyetini arttırırPullanmaya sebep olan mineraller kuyu suyunda belli bir miktarda mevcutturEğer su sıcaklığı aniden yükselir veya su basıncı aniden düşerse bu mineraller karbonat tabakası oluşurPullanma (tabakalanma-çökelme) yi önlemek için ilk adım tüm su çizgilerini basınç altında tutmaktırİkinci adım su sıcaklığı artışını soğutma modunda 20 dereceden fazla arttırmamaktırÇoğu ısı pompası su sıcaklığını 10-12 dereceden fazla yükseltmez(soğutma modunda)Eğer daha büyük artış gözlenirse akış oranı ayarlanmalıdırIsıtma modunda çökelme olmaz
• c)Encrustation(Paslanma)önüşüm kuyularında görülürBu çamursu kahverengi-portakal rengi bir tortudurSebebi demir bakterisidirBu da sistemi pullanma gibi tıkayabilirSu yollarını basınç altında tutmak ve hava temasını kesmek bakteri oluşumunu engellerEğer oluşmuşsa chorine beyazlatıcı solüsyonla düzenli temizlenerek giderilir
• d )Kemirilme:Suyun kum ve kum gibi partiküllerden arındırılmış olması istenirBunlar ısı pompasını aşındırırDüzenli etkib filtreleme ısı pompasına giren partikülleri azaltır ve aşınmayı minimuma indirirSu çekilirken filtreleme gereklidirAyrıca basınç tankı ve ısı pompası arasına da olası partikülleri gidermek için filtre takılmalıdırBazı üreticiler dayanımı daha yüksek olan kupro-nikel ısı değiştiricisini vakıra tercih ederler
• Kapalı Çevrim Sistemler:
• Kapalı çevrim sistemler jeotermal kurulumların en yaygın olanıdırIsı değiştirici-sıvı dolu borudan ibaret çevrim-yer altına gömülür
• Sıvı sürekli olarak gömülü boru içinde sirküle olurBu sırada topraktan yada yerden ısı çekerBunu kışın evimizde yada işyerimizde kullanırızSıcak aylarda ise sıvı ısıyı içeriden uzaklaştırıp toprağa vermek için kullanılır
• -Kapalı Çevrim Sistem Tipleri:
• a)Merkez Kapalı Çevrim Sistemi:Bütün ısı pompaları merkezi odadadırSu veya hava ısıtılan yada soğutulan odalarda döner
• b)Dağıtılmış Sistemler:Merkezi bir su pompası ve ayrı alanlara ve odalara hitap eden ısı pompalarından ibarettirOkul-ofis gibi yapılarda görülür
• c)Modüler Sistemler:Ayrı ayrı ısı pompaları su pompaları ve çevrimler mevcutturBu sistem bağımsız kişisel kontrol ve operasyona izin verilir
• d)Hibrid Sistem:Soğutma kulesi kullanılırSoğutma kulesi yer ısı değiştiricisinin boyunu küçültür ve kurulum masrafını azaltır
• -Yatay Çevrim::
• Sert kaya olmayan yeterli alan mevcutsa yatay çevrin kurulumu genellikle en ekonomik yoldurYatay çevrimler genellikle yeni yapılan evler ve ticari binalarda kullanılmaktadırYatay çevrimlerde birkaç hendek metodu vardırBorulama hendeklerde birkaç yoldan ayarlanabilira)Tek boru b)Dar hendek ve çoklu boru c)Geniş hendek ve çoklu boru
• Hendekler genelde 4 feet yada daha fazla derinliktedirBu gömülen boru sayısına göre değişirEğer delme yada hendekleme için yeterli yer varsa yatay kapalı çevrim en ekonomiktirIsı değiştiricisi seri yada paralel borulu olabilirHer birinin kendi avantaj ve dezavantajları vardır
• Eğer delme yada hendekleme için yeterli yer varsa yatay kapalı çevrim en ekonomik olandırIsı değiştiricisi seri yada paralel borulu olabilirHerbirinin kendi avantaj ve dezavantajları vardır
• A-Seri Sistem:
• Avantajları:
• 1-Tek akış yolu ve boru tipi
• 2-Birim boru başına daha yüksek ısıl performans
• Dezavantajları:
• 1-Daha büyük boru daha fazla su ve antifriz ister
• 2-Birim boru alanı başına daha yüksek maliyet
• 3-Sıvı basıncı düşmesinden dolayı daha sınırlı uzunluk
• B-Paralel Sistem:
• Daha küçük çaplı borudan üretilirGenelde daha ekonomiktirBoru çevriminde hava kalmamasına özen gösterilmelidir
• Avantajları:
• 1-Düşük boru maliyeti,daha az antifriz gerekmesi
• Dezavantajları:
• 1-Havanın giderilmesi önemlidir
• 2-Paralel yol oluşması için dengeli akış gereklidir
• Yatay ısı değiştiricisine bazı örnekler:
• -Tek 1,25-2 inç boru,seri su akışı,350-500 feet/ton nominal uzunluk 6 feet e gömülür
• -2 tane 1,25-2 inç boru,seri su akışı,210-300 feet hendek,420-600/ton nominal uzunluk 6 feet derine gömülür
• -Düşey Çevrim:
• Eğer alan sınırlıysa jeotermal borulama için düşey çevrim kullanılabilirAyrıca düşey çevrimler kayalık alanlarda (kazı için elverişsiz) ve büyük ölçekli eğitim ve ticari kuruluşlarda kullanılırDüşey çevrimi kurmak için mütahit yerde delik açarDaha sonra uzun borular yerleştirilirDaha sonra borular kapanır,sıvanır,doldurulurBinaya uzanan hendekteki başlıklara bağlanırDelme derinliği en ekonomik olacak şekilde tayin edilirTipik derinlik 150-200 feettirDüşey borunun amacı belirli bir miktar boru döşenmesidirMutlak derinliğe ulaşmak değilEğer 600 feet boru gerekliyse delme derinliği 200 feettirDaha ekonomik bir yoldurJeotermal çevrim için delik açmak su bulmak için açılan kuyulardan daha basittirDelik genelde daha kısadırBu delme zamanını düşürürDüşey çevrimin seri ve paralel olmak üzere iki tip mevcuttur
• A-Seri Çevrim:
• Avantajları:
• 1-Tek akış yolu ve boru tipi
• 2-Birim boru başına daha yüksek ısıl performans
• Dezavantajları:
• 1-Daha büyük boru daha fazla su ve antifriz ister
• 2-Birim boru alanı başına daha yüksek maliyet
• 3-Sıvı basıncı düşmesinden dolayı daha sınırlı uzunluk
• B-Parelel Çevrim:
• Avantajları:
• 1-Düşük boru maliyeti,daha az antifriz gerekmesi
• Dezavantajları:
• 1-Havanın giderilmesi önemlidir
• 2-Paralel yol oluşması için dengeli akış gereklidir
• Ana Bileşenler:
• -U- bendleri 180 derece açılı deliğin dibinde bulunur
• -Kaynak ve dönüşüm başlıkları (daha büyük boruda basınç kaybının en az olması için)
• -Ters dönüşüm yada sıkı başlıklar(her çevrimin yaklaşık olarak aynı çevrime sahip olması için)
• -Kaynak başlığından deliğe oradanda dönüşüm başlığına bağlı çevrimler
• Tek U bandlı 075-1 inç boru çevrimli 125-2 inç başlıklı,paralel su akışlı 150-280 feet/ton delik uzunluğu ve 300-500 feet/ton boru uzunluğu
• -Bobin Tipi Çevrim:
• Yerleşim yerlerinde gittikçe yaygınlaşan bir uygulamadırAvantajı ısı transferi alanını küçük hacme sığdırmasıdırDaha az yer ve daha sığ hendek istemesi ev sahipleri için en büyük avantajdırBobin hendeğe yayılarak konur ve gömülürSıkı bir bobin hendek uzunluğunu 2 boru ve 4-6 foot derinliklerine göre 2/3 azaltırGeniş bir bobin bu mesafeyi 1/3 oranında azaltırÖzel dizayn uzunlukları iklim ve toprak uzunluklarına göre göre değişirBobinler 3 foot genişliğinde hendeğe yatay olarak yerleştirilir
• -Bobin Üretimi:
• Bobinler dönüşüm borusu bobininin dibine bağlanarak yatay olarak üretilirTaşıma açısından avantaj sağlarBobin hendeğe yerleştirilmeden önce dönüşüm borusu tabandan kesilerek çıkarılır ve bobinin tepesine yerleştirilirBu durumda her çevrim arasında 20’’ vardır ve çevrimler sadece dipte kesişir
• Bir başka metodta bobinler 30-32 inç çapındadırBu bobinler birbirlerine bağlanırken şekil vermeyi kolaylaştırır
• -Testler:Pennysylvania Kurumu tarafından yapılan testler gösteriyorki yatay ve düşey bobin kurulumu arasında hiç bir fark yokturİyi bir performans için delikler düzgün bir şekilde sıvanmalı ve kapanmalıdırYatay kurulumların daha kolay kapandığı görülmüştür
• 7-Örnek Bir Ofis Binasında Toprak Kaynaklı Isı Pompası Maliyeti:
• İncelenmesini yapacağımız örnek, her katı yaklaşık 600 m² ’den oluşan, iki katlı ve toplam kullanım alanı 1200 m² ’lik bir ofis binasıdır Bina kullanım alanları ve ısı tekniği açısından 7 adet zona bölünmüştür Söz konusu binanın mimari ve inşai özellikleri datası bir Isı Kaybı – Isı Kazancı programında analiz edilerek dizayn soğutma / ısıtma yükleri ve eşdeğer yıllık çalışma saatleri her zon için aşağıdaki gibi hesaplanmıştır (Tablo – 1)
• TSKIP sistemlerinde, binayı ısıtmak ve soğutmak için gerekli toprak altı ısı değiştiricinin hesabı da gerekli olduğu için, söz konusu örnekte bu hesaplar bir bilgisayar programı vasıtasıyla hesaplanmıştır
• Bilgisayar programından çıkan sonuçlar şöyledir;
• Soğutma durumunda, yeterli kondensasyonu sağlayabilmek için gerekli toplam boru uzunluğu 2400 m’dir
• Açılacak kuyuların derinliği 80 m’dir
• HDPE boru çapı 1”
• İki kuyu arası 6 m dir
• Klima cihazı – Soğutmada su
• Giriş / Çıkış sıcaklığı : 294 / 347 ° C
• Klima cihazı – Isıtmada Su
• Giriş / Çıkış sıcaklığı : 133 / 99 °C
• Toprak Sıcaklığı – Kışın : 166 °C
• Soğutma Yükü : 243000 Btu / h
• Soğutmada Enerji İhtiyacı : 23 kw
• Isıtmada Enerji İhtiyacı : 17 kw
• Zon No: Dizayn soğutma yükü saat 8-12 (btu/h) Dizayn soğutma yükü saat 12-16(btu/h) Dizayn soğutma yükü saat 16-20(btu/h) Dizayn Isıtma Yükü(Btu/h) Yıllık Soğutma Saati Yıllık Soğutma Saati
• 1 62000 89000 0 36000 1125 350
• 2 58000 85000 0 18000 1200 110
• 3 46000 36000 21000 38000 1050 220
• 4 26000 18000 15000 24000 760 540
• 5 20000 36000 90000 53000 450 350
• 6 62000 56000 0 42000 1080 420
• 7 33000 22000 0 32000 920 480
• Tablo-1
• Soğutmada Cihaz EER : 149
• Soğutmada Sistem EER : 141
• Isıtmada Cihaz COP : 44
• Isıtmada sistem COP : 41
• Toprak Isı İletkenlik katsayısı : 0597 kcal/h –m-C
• Elbette, bu hesaplar yapılırken binanın kurulacağı bölgedeki toprağın özellikleri esas alınmıştır Bu bina, farklı bir coğrafyada kurulu olsa idi; toprak özellikleri değişeceğinden, toplam toprak altı boru boyu, açılacak kuyuların derinliği, cihaz performansı ve verimi de buna bağlı olarak değişecektir Dolayısıyla bu hesapların etüdünü yeni duruma göre yapmak gerekliliği ortaya çıkacaktır
• 8-Toprak Kaynaklı Isı Pompasının İlk Yatırım Maliyetinin Hesaplanması:
• Kurulacak TSKIP klima sistemine ait ilk yatırım hesap etüdü “ Means Mechanical Cost Data ” maliyet hesap kitabından alınarak etüd edilmiştir
• TOPRAK ALTI ISI DEĞİŞTİRİCİSİ 41000 USD
• Toplam 2400 metre kuyu derinliği ( yaklaşık 500 m boru uzunluğu ) 1” PE borudan, 6 m aralıklarla açılmış Kuyulardan oluşan ve kuyuların 6 m’ye kadar betonla doldurulması dahil 3 adet 2” çapında kollektör dahildir
• KLİMA CİHAZLARI MALZEME TEMİNİ VE MONTAJI 31590 USD
• Yukarıda sözü edilen toplam 11 adet ve 48000 Btu/h nominal kapasiteli TSKIP temini ve montajı
• BİNA İÇİ BORULAMA 8400 USD
• 30 m 3”, 20 m 2”, 12 m 1 ”, 60 m 1” HDPE boru ve boru montaj malzemesinin temini ve montajı
• BİNA İÇİ BORU İZOLASYONU 1580 USD
• 12 mm kalınlıkta kapalı hücreli boru izolasyonu yapımı
• KÜRESEL VANALAR ZON VANALARI, FLEXIBLE BAĞLANTI 3390 USD
• POMPALAR, ÇEKVALF VE PİSLİK TUTUCULAR 2760 USD
• 2 adet 2 HP gücünde 20 t/h ve 14 mmSS sirkülasyonu pompası
• OTOMASYON 3610 USD
• 11 adet programlı termostata bağlı, fark basıncına göre hız kontrolü yapabilen otomasyon sisteminin kurulması
• HAVA KANALI İMALATI VE MONTAJI 26480 USD
• Galvaniz sactan mamul, izoleli hava kanalları ve menfez, anemostat temini ve montajı
• TOPLAM 118810 USD
• Söz konusu örnek binada, ısıtma, soğutma sisteminin toplam 11 adet paket tip TSKIP klima cihazı ile yapılacağı esas alınmıştır
• Cihaz adet ve kapasiteleri şöyledir ;
• o 2 adet 30000 Btu / h nominal kapasiteli klima cihazı
• o 1 adet 36000 Btu / h nominal kapasiteli klima cihazı
• o o o o 8 adet 48000 Btu / h nominal kapasiteli klima cihazı
• Metre kare başına birim maliyet yaklaşık 100 USD / m² dir
• Sonuç olarak ;
• Bu yazıda ABD de kurulu bulunan bir ofisin yıl boyunca klimatizasyonunu sağlamak amacıyla kurulmuş bulunan TSKIP sisteminin incelenmesi ele alınmıştır Binaya ait ısı hesapları, toprak altı ısı değiştiricisinin özellikleri ve en nihayet söz konusu sistemin ilk yatırım maliyet hesabı genel olarak değerlendirilmiştir İşletme maliyeti düşük, konfor şartları hava soğutmalı kondanserli ısı pompalarına göre yüksek, basit, güvenilir, dayanıklı, çevre kirliliği yaratmayan özelliklere haiz TSKIP klima sistemlerinin kullanımı henüz ülkemizde başlamamıştır Oysaki evimizin arka bahçesi, evimizi yazın soğutmak ve kışın ısıtmak için sonsuz bir enerjiye sahiptir Toprağın altında yatmakta olan bu enerjiyi çıkarıp, kullanmak konforun yanında enerji ekonomisi de sağlanmaktadır
• 9-Toprak Kaynaklı Isı Pompası Tasarım Adımları:
• 1 Kullanılacak binaya ait ısı kaybı ve ısı kazancı hesapları yapılır
• 2 Kullanılacak ısı pompası tipi seçilir
• 3 Kullanılacak olan boru tip ve malzemeleri seçilir Seçilen boru tipi için direnç değerleri saptanır
• 4 Toprak cinsi belirlenir Ayrıca toprağa ait yıllık ortalama sıcaklık ve direnç değerleri saptanır
• 5 Eğer su kaynaklı ısı pompası ise, kullanılacak olan suyun sıcaklık ve direnç değerleri belirlenir Suyun kalitesi ve içindeki partikül değerlerinin uygunluğu kontrol edilir
• 6 Çalışma faktörü hesaplanır
• 7 Isı kaynağının ortalama ve minimum sıcaklıkları belirlenir
• 8 Kullanılacak ısı pompasına karar verilir
• 9 Isı değiştirici boyutu hesaplanır
• 10-Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Avantajları:
• 1Temizlik – Çevre kirliliği yaratmaz
• Fosil yakıtlı ısıtma sistemleri ile kıyaslandığında, TSKIP sistemlerinin çevre kirliliği yaratan karbonmonoksit ve NOx emisyonu olmadığı için çevre temizliğine olumlu etkisi vardır Elbette, HKIP sistemleri de TSKIP gibi çevre kirliliği yaratmazlar
• 2 Yüksek verim –Düşük işletme maliyeti
• TSKIP ‘ nın ısıtma – soğutma verimleri, HKIP larına göre yüksektir COP olarak bilinen performans katsayısı yani bir kW elektrik enerjisi tüketimiyle elde edilen ısıtma – soğutma gücü HKIP’ larında 28 – 3 arasında değişirken, TSKIP sistemlerde 4- 5 arasında değişmektedir Elbette tasarım aşamasına, gerçek verim hesabı için proje dizayn şartları ve cihaz imalatçısı tarafından verilen performans tabloları baz alınarak mukayese yapılmalıdır
• 3 Üstün konfor kalitesi – Isıtmada süreklilik
• HKIP’ları mahalli ısıtmak için gerekli enerjiyi dış havadan sağladığı için performansları dış hava sıcaklığına bağımlıdır HKIP’ larının sağladığı ısıtma gücü ihtiyaçla ters orantılıdır Yani dış hava sıcaklığı azaldıkça mahalli ısıtmak için daha fazla ısıtma kapasitesi ihtiyaç duyulurken HKIP’ sının sağlayabildiği ısıtma gücü azalmaktadır Ayrıca dış hava sıcaklığının +5 °C altına düştüğü coğrafi bölgelerde, HKIP’ sının dış ısı değiştirici yüzeyi buzla kaplanmakta ve oluşan buzu çözmeye yarayan defrost mekanizmasının aktive olduğu periyotlarda mahalle soğuk hava üflenmektedir Bu da mahal sıcaklığının dalgalanmasına neden olduğu için ortamın konfor şartları zaman zaman bozulabilmektedir
• Oysa, TSKIP ‘ları kışın ortamı ısıtmak için sağladıkları ısıtma enerjisini toprağın veya yeraltı suyunun hemen hemen sabit denebilecek stabil sıcaklığından aldıkları için, bu sistemlerde HKIP olduğu gibi soğuk üfleme (cold blow effect ) ile buz çözme (defrost cycle) olayları yaşanmamaktadır Dolayısıyla HKIP’ larına göre daha konforlu bir ısıtma sağlanmaktadır
• Şekil 2 de Kuzey Amerika için aylara göre havanın yüzeyden 15m derinlikteki toprağın ve yeraltı suyunun sıcaklık dalgalanmaları grafik olarak verilmiştir Grafikte görüldüğü gibi, yeraltı suyunun sıcaklık dalgalanmaları grafik olarak verilmiştir Grafikte görüldüğü gibi yeraltı suyu en stabil sıcaklık karakterine sahiptir Bununla birlikte toprak ta (yerin 15m altındaki derinlikte bile) daha kararlı bir karakter sergilerken havanın sıcaklık değişimi en kararsız karakteri göstermektedir Elbette toprağın daha derinine inildiğinde sıcaklık kararlılığı artacaktır
• 4 Uygulama esnekliği – Çok çeşitli tipte ve modelde cihaz üretimi
• TSKIP sistemleri imalatçılar tarafından birçok değişik tip ve model olarak üretilmektedir
• Bunlardan bazıları aşağıda sıralanmıştır
• Kanallı tip paket TSKIP’ ları
• Çatı tipi TSKIP’ ları
• Kanallı tip split TSKIP’ ları
• Yer – Tavan tipi montaja uygun konsol tipi TSKIP’ ları
• Sudan suya TSKIP (Fan -coil sistemleri için )
• Kullanım sıcak suyunu da üretebilen TSKIP’ ları (Desuperheaters)
• Bu alternatifler sayesinde TSKIP ‘ larından birçok projede yararlanma şansı bulunabilmektedir
• TSKIP’ larının projelerde kullanım şansını arttıran bir diğer özelliği de ısıtma konumundan soğutma konumuna geçme işlemi her an otomatik veya el kontrolü ile yapılabildiği için dört borulu fan - coil sistemlerinin sunduğu konfor avantajına benzer bir uygulama yapmak mümkün olacaktır
• Ayrıca kapasite bakımından da TSKIP’ ları geniş bir aralıkta imal edilebilmektedirler 7000 – 400000 BTU/h arasındaki kapasitelerde ürün bulabilmek mümkündür
• 11-Sonuç:
• Bir binada ısı pompası uygulamasına başlarken önce ısı kaynağının detaylı irdelenmesi gerekir Örneğin, ısı kaynağı toprak ise toprak ısıl direnci, yıllık ortalama toprak sıcaklığı, toprak yapısı vb; ısı kaynağı hava ise yıllık sıcaklık değişimi, hava kalitesi vb gibi parametreler incelenmelidir Bu parametreler ilk yatırım ve işletme giderlerini etkileyecek önemli hususlardır Ön araştırması iyi yapılmamış bir sistem ekonomik olmayacaktır
• Isı kaynağı olarak toprak geç ısınıp geç soğuduğu için, toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin performans katsayısı kararlı bir yapıdadır ve dış hava sıcaklığından fazla etkilenmez Ayrıca toprak kaynaklı ısı pompasının belirli sıcaklık aralıklarında pasif soğutma (kompresör kullanılmadan sadece akışkanın toprak içersinde sirküle ettirilmesi) ile de çalışabileceği düşünülürse hava kaynaklı sisteme göre önemli bir avantaja sahiptir Hava ısı kaynağı olarak kararlı olmadığı için, hava sıcaklığının değişmesi sonucu ısı pompasının performans katsayısındaki kararlılıkta sürekli değişir