TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARI

Çalışma prensibini anlatmanın en kolay yolu, klima çalışma prensibini incelemek olacaktır. Soğutma yapan bir klima iç ünitesinde havadan alınan ısı, dış ünitede dış havaya aktarılır. Isı pompası ise toprakta, kayada veya suda depolanmıs enerjiyi toprak altındaki boru sistemi vasıtasıyla evin içine yönlendirir. Bu enerji, ısı pompasının icerisindeki soğutucu akışkana aktarılır, kompresörde akışkanın basınç ve sıcaklığı artırılarak enerji bina içi ısıtma tesisatında dolaşan suya iletilir.

1.   Toprak altı boru devresi su ve glikolden oluşan bir ısı taşıyıcı akışkan içerir. Bu devre üzerinden ısı taşıyıcı akışkana topraktan enerji transferi gerçekleşir. Bu işlem sonucunda akışkan sıcaklığı cihaz girişinde yaklaşık olarak 0°C civarındadır.

2.   0°C'deki ısı taşıcı akışkan, evaporatörde soğutucu akışkan ile karşılaşıp ısı alışverişini gercekleştirir. Soğutucu akışkan evaporatöre girdiğinde sıvı fazdadır ve yaklaşık -10°C civarındadır. Soğutucu akışkan 0°C'ye geldiginde kaynamaya başlar. Evaporatörden sonra kompresörde gaz fazına geçer. Kompresöre giden gazın sıcaklığı yaklaşık 0°C'dir.

3.   Gaz fazındaki soğutucu akıskanın basıncı kompresör içinde artar ve gazın sıcaklığı 0°C'den yaklaşık 100°C'ye kadar çıkar. Sıcak gaz daha sonra kondensere gönderilir.

4.   Isı, kondenser üzerinden pompa yardımı ile bina içi ısıtma (radyator veya yerden ısıtma) ve sıcak su sistemine (boyler) iletilir. Kondenser icinde, enerjisini kaybeden gaz soğur. Soğutucu akışkanın basıncı genleşme valfine gönderilirken hala yüksektir.

5.  Soğutucu akışkan basıncı genleşme valfinde düşürülür, sıcaklığı ise yaklaşık olarak -10°C'dir.

6.   Isı transferi akışkanı toprakta depolanmış enerjiyi toplamak için tekrar ısı pompasından aynhr. Akışkanın sıcaklığı yaklasık -3°C'dir.

Isıtma sistemi olarak yerden ısıtma, düşük sıcaklıklı radyatör veya fancoil kullanımı mümkündür. Toprak kaynaklı ısı pompaları ısıtma çıkış, su sıcaklığı genellikle 40-50°C arasında olmaktadır. Günümüz teknolojisinde toprak kaynaklı ısı pompalarında 65°C çıkış su sıcaklıkları mümkündür. Isıtma su sıcaklığı ne kadar düşük ise ısı pompası verimi o kadar yüksek olabilmektedir. Yüksek çıkış su sıcaklıkları boyler ısıtmasında önemli bir pozitif etken olmaktadır. Yerden ısıtma sisteminin özellikle 55-45°C yerine, 40-30°C çalışma sıcaklıklarında seçilmesi, yüksek COP saglayacaktır. Isı kaybı sadece yerden ısıtma ile karşılanmıyor ise, düşük sıcaklıkta su ile beslenmek suretiyle radyator veya FCU sistemleri ısıtmaya destek verebilir. Uygun toprak kaynaklı ısı pompaları ile 5-ll°C çıkış su sıcaklıkları ile beslenen fancoil ile soğutma yapma imkanı bulunmaktadır. Bu şekilde kışın yerden ısıtma ile ısıtma, yazın fancoil ile soğutma gerçekleştirilir. Toprak kaynaklı ısı pompalarının kaynak tarafı, derin kuyu (80-120 m kuyu uygulaması), serme (arazinin 1-1,5 m altma yüksek metrajlı boru uygulaması) veya su kaynağı (göl veya denize boru uygulaması) olarak düşünülebilir.

Toprak kaynaklı ısı pompalannda yaklaşık çalışma verim degerleri;
Isıtma          Kaynak su sıcaklığı 10°C ve çıkış suyu sıcaklığı 35°C            COP 6,3

                  Kaynak su sıcaklığı 10°C ve çıkış suyu sıcaklığı 50°C            COP 4,4
Sogutma      Kaynak su sıcaklığı 25°C ve çıkış suyu sıcaklığı 7°C              EER 4,2

                  Kaynak su sıcaklığı 25°C ve çıkış suyu sıcaklığı 12°C            EER 5,5

Topraktan çeşitli şekillerde ısı cekilerek faydalanılabilmektedir. Yüzeye  yakın ısı enerjisinden ve jeotermal ısı enerjisinden faydalanma farklılık arz etmektedir. Yüzeye yakın ısı, güneş ısısı olup mevsimsel olarak toprakta depolanmakta ve 1,20 m'den 1,50 m'ye kadar olan derinliğe yatay olarak yerleştirilen toprak ısı degiştiricileri yardımıyla çekilmektedir. Jeotermal ısı enerjisi, yerkürenin 15 kısmından yeryüzüne akmakta ve bundan dikey toprak ısı değiştiricileri yardımıyla faydalanılmaktadır. Dikey toprak ısı değiştiricileri 150 m'lik bir derinliğe kadar düşey olarak yerleştirilebilmektedir.

Her iki sistem yüksek ve mevsimsel olarak nispeten homojen bir sıcaklığa sahiptir. Bu durum, ısı pompalarından yüksek verim (yüksek yıllık COP) elde edilmesini sağlar.

Ayrıca bu sistemlerin kapalı devre ola­rak işletilmesi çok yüksek güvenilirlik sunmakta ve minimum bakım gerektirmektedir. Kapalı devrede, su ve donmaya karşı koruyucu maddeden (etilenglikol) oluşan bir karışım kullanılmaktadır. Bu karışıma 'ısı taşıyıcı akışkan' da denilmektedir.

TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI UYGULAMA

Yatay Toprak Isı Degiştiricileri

a. Avantajları :

- Uygun maliyetler

- Isı pompasının yüksek yıllık performans katsa-

yıları

b. Yatay Toprak Isı Degiştiricisi Uygulaması İçin Pratik Notlar

•  Toprak ısısının çekilmesi, toprak yüzeyine paralel ve genellikle çok devreli olarak yerleştirilen geniş yüzeyli plastik borularla gerçekleştirilmektedir. Bir devrenin uzunluğu 100 m'yi geçmemelidir, aksi taktirde ısı taşıyıcı akışkan sirkülasyonu için gerekli pompa gücü yüksek olmaktadir. Zaman zaman toprakta oluşan buzlanmanın, sistemin işletimine ve yüzey bitki örtüsü üzerinde olumsuz etkileri bulunmamaktadır. Mumkün mertebe derin kök yapan bitkilerin toprak ısı değiştiricısınin uygulandıgı bölgelere dikilmemesine dikkat edilmelidir.

•   Özellikle yeni inşaatlarda, gerekli toprak hafriyatları genellikle büyük bir ekstra masraf gerektirmeden
yapılabilir.

•   Topraktan çekilebilecek ısı miktarı, öncelikle toprağın nemi olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Özellikle nemli ve killi topraklarda olumlu sonuçlar alınmaktadır. Kum oranı yüksek topraklar, yatay uygulamalar  için çok uygun değildir.

Dikey Toprak Degiştiricileri

a. Avantajları :

•   Güvenilir

•   Az yer gereksinimi Isı pompasında yüksek yıllık performans katsayıları

 

                                DİKEY TOPRAK ISI DEĞiŞTIRİCİSİ UYGULAMASI

 

Kolay borulama ve az yer gereksinimi nedeniyle toprak ısı degiştiricileri son yıllarda giderek yaygınlaşmaktadır. Genel olarak uç kısmında özel birleştirme parçaları (U formunda) ile birbirine kaynatılan iki veya dört paralel plastik boruya sahip boru demetinden oluşmaktadır. Plastik borular, dört borulu sistemde uç kısımlarından bağımsız akışlı iki devre oluşturacak şekilde birbiri­ne bağlanmaktadır. Bunlara çift U borulu sistem denilir. Uygun hidrojeolojik şartlarda yüksek ısı çekişi sağlanabilmektedir. Dikey toprak ısı değiştiricilerinin yerleştirilmesi ve planlanması için toprak özellikleri ve yer altı şartları hakkında tam bir bilgiye sahip olunması şarttır. Dikey toprak ısı değiştiricileri konusunda uzmanlaşmış, malzeme seçimi ve yerleştirilmesinin yanı sıra gerekli ruhsatların alnması ile ilgili hizmetleri de sunan uzman firmalara danışılmalıdır. Uzman jeologlara veya jeoloji ile ilgili makamlara da danışılabilir.

 

                                        Yeralti Suyu Uygulaması

a.  Avantajları :

-Isı kaynağına ulaşmada düşük yatırım maliyeti

-Az yer gereksinimi

 

Yeraltı suyunun bir kuyudan alınması ve tekrar su akışı yönünde daha ileride başka bir kuyudan kaynağa geri gönderilerek ısının çekilmesi enerjinin daha etkin kullanımını sağlamaktadır. Bütün yıl boyunca hemen hemen sabit olan su sıcaklığı sayesinde ısı pompasında yüksek performans katsayıları elde edilmektedir. Dalgıç pompa ve diğer sistem bileşenlerinin enerji sarfiyatına dikkat
edilmelidir. Kuçük ölçekli sistemlerde veya şok derin kuyu uygulamalarında pompalama enerjisinin yıllık performans katsayısına etkisi mutlaka irdelenmelidir. Yeraltı suyunun ısı kaynağı olarak kullanılmasında su kalitesi, su miktarı vb gibi etkenler önem taşımaktadır. Önce söz konusu bölgede maksimum 20 m derinlikte yeraltı suyunun yeterli miktarda olup olmadığı araştırılmalıdır

 

                                            Yüzey Suyu Uygulaması

Yüzey suları, ısı pompalannda açık ve kapalı devre enerji kaynakları olarak kullanılabilmektedir. Açık devre uygulamalarda göl, deniz veya ırmaklardan alınan su, genellikle bir plakalı eşanjör kullanmak sureti ile ısı pompalarında kullanılabilmektedir. Bu tip uygu­lamalarda titanyum, en sık kullanılan eşanjör malzemesidir. Malzeme seçiminde ve tasarım esnasında yüzey sularının, sistem bileşenleri üzerinde bırakacağı etkiler dikkate alınmalıdır. Isı atılan ve ısı çekilen yüzey suyunun kimyasal içeriğine baglı olarak önlem alınmalı, mümkün mertebe yüzey suyu doğrudan ısı pompası su devresinden dolaştırılmamalıdır.

Yüzey sularının ısı pompalannda kullanımının bir diğer yolu, kapalı devre ısı degiştiricileri kullanmaktir. Bu tip ısı değiçtiriciler, genellikle yüzey suyu içerisine yerleştirilen borulardan oluşur. Özel uygulamalarda korozyon dayanımı yüksek ve yeterli su dolaşım kesitlerine sahip metal levha ısı değiştiriciler de kullanılmaktadır. Her iki durumda da ısı değiştirici devresi, yüzey suyundan yeterli ısıyı çekecek veya ısıyı aktaracak yüzeye sahip olmalıdır. Bu sistem, uygulama ve tasarım açısından açık sistemlerden tamamen farklıdır. Kapalı devredeki ortalama ısı taşıyıcı akışkan sıcaklığı, ısıtma ve sogutma donemlerinde farklılık göstereceğinden, her iki işletim için gerekli ısı transfer yüzeyinin yapılan hesaplarda çok iyi değerlendirilmesi gerekir. Isı degiştiricinin, olası salınımlara karşı sabitlenmesi ve çevresel etkilere karşı korunması gerekmektedir. Sis­tem kapalı bir devreden oluştuğu icin yüzey suyunun kimyasal etkilerine maruz kalmamaktadır. Yüzey suyu ısı değiştirici devresindeki gerekli sirkülasyon haricinde ikinci bir devre ve sirkülasyon bulunmamaktadır.