Bir ısı pompası ısıyı bir düşük kaynaktan alarak daha yüksek sıcaklıktaki kaynağa taşır. Bu tanımlamaya göre soğutma çevrimi ile çalışan tüm soğutma ekipmanları, iklimlendirme cihazları ve soğutma grupları ısı pompasıdır.
Bununla birlikte mühendislik tanımlamalarında bu ısı pompası kavramı ısıyı, soğutma için bir ortamdan uzaklaştırmaktan ziyade genellikle faydalı amaçlar için kullanmayı hedeflemektedir. İki konumlu ısı pompaları hem ısıtma hemde soğutma yapabilir.
Isı kazanımlı ısı pompaları sadece ısıtma veya eş zamanlı ısıtma ve soğutma yaparlar. Bir ısı pompası proje uygulaması, üretici tarafından tasarlanmış bireysel ürünlere kıyasla sıkı bir alan mühendisliği gerektirir. Uygulamalı ısı pompaları yerinde imal edilen ısı pompalarını (sahada veya elemanlarının müşteri tarafından monte edildiği) ve endüstriyel ısı pompalarını kapsar.
Modern ısı pompalarının birçoğu buhar sıkıştırmalı veya absorbsiyonlu çevrimleri kullanır. Uygulamalı ısı pompaları çoğunlukla elektrik motorları ile çalışırken sınırlı alanlarda içten yanmalı motorlar ve türbinler tarafından kullanılabilmektedir. Uygulamalı ısı pompaları daha çok binaların ısıtma ve soğutma işlemlerinde kullanılır, fakat evsel ve servis su ısıtması, havuz ısıtması ve endüstriyel proses (süreç) ısıtması uygulamaları da yaygınlaşmaya başlamıştır.
Uygulamalı ısı pompalarının kapasiteleri birçok tesislerde 7 kW ile 44 MW kademelerinde çalışmaktadır. Bu makinelerin bazılarında su çıkış sıcaklığı 105 °C ve buhar basıncı 400 kPa (gösterge) basıncına çıkabilmektedir.
Büyük sistemlerde kullanılan kompresörler bir veya daha fazla pistonlu veya vidalı tiplerden başlayarak kademeli santrifüj kompresörlere kadar değişebilmektedir. Tek bir sistem veya merkezi sistem sıklıkla kullanılabilir, fakat bazı örneklerde bölünmeyi (zon) kolaylaştırmak için çoklu ısı pompası sistemleri kullanılabilmektedir. Isı kaynakları olarak toprak, kuyu suyu, gri (kirli) su, güneş enerjisi, hava ve bina içi ısısı kullanılabilir.
Sıkıştırma tek kademeli veya çok kademeli olabilir.
Sıklıkla ısıtma ve soğutma eş zamanlı olarak ayrık zonlarda yapılabilir.
Merkezi olmayan sistemlerde su devreli ısı pompaları yaygındır, çoklu su kaynaklı ısı pompaları aynı su devresine bağlanırlar. Bunlar; toprak kaynaklı, ısı atıcılar (soğutma kuleleri ve kuru soğutucular) ilave ısıtıcılar (kazanlar ve buhar ısı değiştiriciler), ısı geri kazanımlı ısı pompaları, güneş toplayıcı cihazları ve ısı depolarını kapsar.
Merkezi ve bölgesel ısıtma ve soğutma sistemleri hem merkezi hemde dağılmış makul olan ısı pompaları sistemlerine dayanmaktadır.
Isı Pompası Çevrimleri
Uygulamalı ısı pompalarının çeşitli tipleri mevcuttur (açık ve kapalı çevrim); bu çevrimlerin bazı ters devreleri olanları iklimlendirme sistemlerinde ısıtma ve soğutma amaçlı kullanılır, diğerleri iklimlendirme endüstriyel proses (süreç) uygulamalarında yalnızca ısıtma maçlı kullanılır. Aşağıdakiler ısı pompası çevrimlerinin dört temel tipidir:
- Kapalı buhar sıkıştırmalı çevrim (şekil 1). Bu çevrim iklimlendirme ve endüstriyel proses (süreç) uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Bu çevrimde geleneksel, tek kademeli, birleşik, çok kademeli veya kaskad ayrık soğutma yöntemleri kullanılabilir.
- Mekanik buhar tekrar sıkıştırmalı (MRV) ısı değiştiricili çevrim (şekil2). Proses (süreç) buharı tekrar bir proseste kullanım için yeterli basınç ve sıcaklığa ulaştırmak için sıkıştırılır. Sıcaklıklar proses için en uygun seviyede olduğundan enerji tüketimi düşük seviyededir. Bu çevrimin tipik uygulamaları buharlaştırıcıları (derişik arttırıcılar) ve distilasyon kolonlarını kapsamaktadır.
- Açık tekrar buhar sıkıştırmalı çevrim (şekil3). Bu çevrimin tipik bir uygulaması bir endüstriyel tesiste düşük buhar seviyesinden yüksek buhar seviyesine çıkarmak için sisteme seri olarak bağlanır. Isı, düşük buhar basıncından yüksek basınca pompalanır.
- Isı tahrikli Rankine çevrimi (şekil4). Bu çevrim büyük miktarda ısı atığı ve enerji maliyetlerinin yüksek olduğu yerlerde kullanışlıdır. Sistemin ısı pompası kısmı açık veya kapalı olabilir, fakat Rankine çevrimi genelde kapalıdır.
Isı Kaynakları ve Çukurları
Herhangi bir uygulama için ısı kaynağının ve çukurunun seçimini en çok etkileyen nedenler; coğrafik yerleşim, iklim, ilk yatırım maliyeti, ulaşılabilirlik ve yapının tipidir.
1. Hava
Dış ortam havası ısı pompaları ve evsel yaygın hafif ticari sistemlerde evsel bir ısı kaynağı ve çukurudur. Hava ve soğutucu akışkan arasında uzatılmış yüzeyli, zorlanmış tasarımlı ısı transfer bataryaları kullanılır. Tipik olarak dış ortamdaki ısı değiştirici bataryanın yüzey alanı iç ortamdakinden %50 ila %100 daha büyüktür. Aynı şekilde dış ünitenin hava debisi iç üniteden aynı oranda büyüktür. Isıtma esnasında soğutucu akışkanın buharlaşma sıcaklığı dış havadan 6 ila 11 K daha düşüktür.
Bir hava kaynaklı ısı pompasının tasarım ve seçiminde iki faktör göz önüne alınmalıdır: 1) Verilen bölgenin dış hava sıcaklığı ve 2) Karlanma.
Dış hava sıcaklığı düştüğünde hava kaynaklı ısı pompasının ısıtma debisi azalır. Bu ekipman tasarımında, verilen bir dış ısıtma tasarım sıcaklığı için hava kaynaklı ısı pompasını, yakıtlı bir sisteme kıyasla daha kritik hale getirir. Ekipman ısıtma için aşırı olmaksızın ve yaz aylarındaki soğutma kapasitesine gerek olmadan düşük bir denge noktasına göre boyutlandırılmalıdır.
Denge noktasının bulunması için bir yöntem, dış hava sıcaklığında ısı pompası ısıtma yüküne uygunluk olarak tanımlanır.
Serpantin yüzey sıcaklığı 0 °C veya daha düşük olduğunda buna uyan dış hava sıcaklığı 2 ila 5,5 °C daha yüksek olur, serpantin yüzeyinde karlanma oluşur. Birikmesine izin verilirse kar tabakası ısı transferini engeller, böylelikle belli aralıklarla buz çözme (defrost) işlemi yapılmalıdır. Bu çözme işleminin sayısı iklime, havalı serpantin tasarımına ve çalışma saatine bağlıdır.
Tecrübeler göstermiştir ki, genellikle dış hava sıcaklığı 10 °C’nin altında %60 bağıl nemde az miktar buz çözme gerektirir. Psikometrik diyagrama göre daha nemli ortamlarda buz çözme işlemine olan ihtiyaç da artmaktadır. Buz çözme işlemi için cihaz en az 20 dakika ters devrede (yaz konumu) çalıştırılır. Buz çözme esnasında ısıtma kapasitesinde azalmalar olacağından hava soğutmalı ısı pompası seçiminde günlük buz çözme (defrost) sayısı dikkate alınmalıdır.
Ticari soğutmadaki pratikleri takip ederek hava kaynaklı ısı pompasının ilk tasarımında lamel aralıklarını 5,6 mm genişliğinde seçmek buz çözme işleminin sıcaklığını azaltacaktır. Bununla birlikte tecrübeler, sıcak gazlı buz çözme sisteminde lamel aralıklarının daha sık seçilebileceği ve boş hacimleri azaltarak cihaz boyutlarını küçültebileceğini göstermiştir. Geçerli olan tecrübeye göre lamel aralıkları 1,3 mm ila 2,5 mm alınarak seçilebilir.
Birçok kurumsal ve ticari binalarda havanın bir kısmı yol boyunca egzoz edilir. Bu egzoz havası, genellikle ek bir ısıtma gerekse bile, ısı kaynağı olarak kullanılabilir. İç ortam yüzme havuzlarında yüksek nemlilik bina yapı elemanlarında yoğuşmaya neden olur ve bina sakinlerinde konforsuzluk meydana getirir. Geleneksel olarak dış hava ve nem alma serpantinleri kazandan gelen sıcak su ile tekrar ısıtılır., ayrıca havuz suyunun ısıtılmasında da kullanılabilir. Klor ve yüksek nemden oluşabilecek korozyonu önlemek için ısı pompası elemanları korozyona dirençli malzemelerden seçilmelidir.
2. Su
Su tatmin edici bir ısı kaynağıdır. Şehir şebeke suyu nadiren kullanılır, çünkü fiyatı yüksektir ve belediyeler tarafından kısıtlanabilir. Yer altı suyu (kuyu sulu) ısı kaynağı olarak özellikle cazip olabilir, çünkü sıcaklığı göreceli olarak yüksek ve yaklaşık olarak sabittir. Su sıcaklığı, kaynağın derinliğine ve iklime bağlı olarak değişir, fakat Amerika Birleşik Devletleri’nde kuzey bölgelerde 5 C’den başlayarak güney bölgelerde 20 ° C’ye ulaşır. Sıklıkla bir kuyudan yeterli su temin edebilmek için kullanılan su kuyuya tekrar enjekte edilmelidir. Sürdürülebilir uygun bir tasarım ile su sıcaklığı çok az değişerek kullanılabilir.
Su kalitesi analiz edilmeli ve muhtemel çökelti ve korozyon oluşumu dikkate alınmalıdır. bazı örneklerde kuyu suyunu ilave bir ısı değiştirici kullanarak diğer ekipmanlardan ayırmak mümkün olabilir. Bazı özel sıvılar için filtreleme ve havuz çökeltmesi gibi özel önlemler gerektirebilir. Diğer dikkate alınması gereken hususlar kuyu maliyeti, borulama, pompalama ve kullanılan suyun atılmasıdır.
Kuyu suyunun kullanılabilirliği, sıcaklığı, kimyasal ve fiziksel analizi birçok illerde Çevre İl Müdürlükleri veya üniversiteler tarafından yapılabilmektedir.
Açık havuzlarda, göllerde ve nehirlerde ısı değiştiriciler de daldırılarak kullanılabilir. Yüzey veya nehir suyu bir kaynak olarak kullanıldığında kış aylarında evaporatör boyunca sıcaklık düşer, sınırlı olarak donmayı engellemek gerekebilir.
Endüstriyel uygulamalarda, atık proses (süreç) suyu (örnek olarak sıcak çamaşırhane suyu, fabrika atık suyu ve sıcak kondenser suyu) ısı pompası uygulamalarında ısı kaynağı olabilir.
Sıklıkla kanalizasyonlar yer altı veya yüzey sularından daha yüksek sıcaklıklara sahiptirler, ısı kaynağı olarak uygun olabilir. İkincil atık sular (işlenmiş kanalizasyon suları) genellikle tercih edilir, fakat işlemsiz kanalizasyonlar da uygun ısı değiştirici tasarımları ile başarı ile kullanılabilmektedir.
Soğutma esnasında su soğutmalı kondenserlerin kullanımı yaygın uygulamadır.
Sudan soğutucu akışkana olan ısı değiştiricileri genellikle kuru genleşmeli veya taşımalı, yüzey kanal tipi veya yüzey boru tipi sulu soğutucular olabilir. Kaynaklı levha tipi ısı değiştiricileri de kullanılabilir. Büyük uygulamalı ısı pompalarında su genellikle soğutucu akışkan yerine kullanılabilir.
3. Toprak
Toprak ısı kaynağı ve çukuru olarak yaygın olarak kullanılır, serpantinler toprağa gömülür. Toprak kanalizasyonu ıslak çamurdan kumlu toprağa oldukça değişen bir yapıya sahiptir, termal özellikler ve beklenen toplam verimlilik üzerine önemli bir etkiye sahiptir. Toprak içindeki ısı transfer süreci geçici ısı akışına bağlıdır. Isıl yayıcılık etkin bir faktör olup yerel toprak verileri olmadan belirlenmesi zordur. Isıl yayıcılık, asıl iletkenliğin ürün yoğunluğu ve özgül ısıya oranıdır. Toprak rutubet oranı ısıl iletkenliği etkiler.
Toprak kaynaklı ısı pompalarının üç ana tipi mevcuttur.
- Yer altı suyu, önceki bölüme açıklanmıştı:
- Doğrudan genleşmeli, soğutucu akışkan toprak içinde gömülen ısı değiştirici içinde dolaşır ve
- Toprak dolaşımlı (kapalı döngülü toprak kaynaklı olarak ifade edilir), ikincil bir salamuralı dolaşım hattı topraktan suya ve sudan soğutucu akışkana ısı değiştiricilerden oluşur.
Toprak dolaşımlı yatay ve dikey olarak yerleştirilebilir. Bu yatay sistem, yatay düzlemden 1 ila 2 m uzağa, yer seviyesinden 1 ila 2 m aşağıya, tekli veya çoklu gömülü serpantin ısı değiştirici yerleştirilir. Borular daha derine gömülebilir, fakat kazı maliyetleri ve sıcaklık dikkate alınmalıdır. Yatay sistemlerde sarmal boru döngüleri kullanılır. Bir dikey sisteme iç içe borulu veya U borulu ısı değiştiricileri kullanılır.
4. Güneş Enerjisi
Güneş enerjisi hem birincil bir ısı kaynağı veya hem de diğer kaynaklarla bir arada kullanılabilir. Hava, yüzey suyu, sığ ve yer altı suyu ve sığ toprak kaynaklı sistemlerin hepsinde güneş enerjisi dolaylı olarak kullanılır.
Güneş enerjisinin ısı pompaları için doğrudan bir kaynak olarak kullanılmasının ana avantajı elde edilebilir, dolaylı kaynaklardan daha yüksek sıcaklıklara ulaşabilmesi, ısıtma tesir katsayısının artmasına neden olmasıdır. Isı pompası olmaksızın güneş enerjisi ile ısıtma ile kıyaslandığında, düşük toplayıcı sıcaklıkları gerektirdiğinden toplayıcı verimi ve kapasitesi artmaktadır.
Güneş kaynaklı ısı pompaları üzerinde yapılan ar-ge çalışmaları iki temel sistem tipi üzerine yoğunlaşmaktadır: doğrudan ve dolaylı sistemler.
Doğrudan sistemde genel olarak düzlem tip bir toplayıcı içine soğutucu akışkan buharlaştırıcı boruları yerleştirilir. Araştırmalar bir toplayıcı üzerinde cam plaka olmadan dahi ısıyı dış havadan alabildiğini göstermiştir.
Aynı yüzey daha sonra dış hava kullanılıp bir kondenser gibi kullanılarak soğutma için bir ısı çukuru gibi olur.
Bir dolaylı sistemde su veya hava güneş toplayıcısından dolaştırılır. Hava kullanıldığında toplayıcı şu yöntemlerle kullanılabilir.
- Toplayıcı bir dış hava ön ısıtıcısı olarak kullanılabilir,
- Dış hava döngüsü tüm ısıyı güneşten almak üzere kapalı olabilir veya
- Toplayıcı bir kaynak veya çukur olarak dış havadan ayrılabilir.
