Hava Kaynaklı Isı Pompası
Hava Kaynaklı Isı Pompaları (HKIP)
Dış (çevre) hava en ucuz enerji kaynağıdır. Çevre havası her yerde bulunabildiğinden ve serbestçe kullanılabildiğinden dolayı ısı pompaları için evrensel bir ısı kaynağı/çukuru durumundadır. HKIP’ler kışın dış havadan enerjiyi çekerek iç ortama aktarıp iç ortamın ısınmasını sağlar iken, yazın iç ortamdan ısı çekerek, çektikleri ısıyı dış havaya aktarmakta ve soğutulmuş havayı iç ortama göndererek soğutma yapmaktadırlar. HKIP’nın ilk yatırım maliyetinin toprak ve su kaynaklı ısı pompalarına göre daha düşük olması nedeniyle ılıman iklimlerde çok fazla tercih edilmektedirler.
Hava sıcaklığının karasal iklimlerde mevsimler arasında büyük değişim göstermesi nedeniyle, HKIP karasal iklimlerde sınırlı bir kullanıma sahiptir. Çünkü iç ve dış sıcaklıklar arasındaki fark arttıkça ısı pompasının performansı azalır.
HKIP sistemlerinde, hava sıcaklığı 0°C’ye veya altına indiğinde ısı pompasının buharlaştırıcısında donma problemi ortaya çıkmakta ve oluşan buz, sistemin performansını düşürmektedir. Oluşan buzu çözmek için defrost uygulaması yapılması zorunlu olmakta bu durum da enerji tüketimini artırmakta ve COP’yi düşürmektedir. Dış hava sıcaklığının kış aylarında 0°C veya daha düşük olduğu bölgelerde HKIP çoğunlukla ek ısıtıcıyla birlikte kullanılmaktadırlar.
Split ve paket tip ısı pompaları (klima cihazları) ve klima santralleri hava kaynaklı ısı pompaları arasında yer almaktadır. Özellikle evler, bürolar, otel odaları vb. küçük alanlarda hava kanalı gerektirmeyen split klimalar yaygın olarak kullanılmaktadır. Okul, hastane, fabrika, alışveriş merkezi vb. gibi daha büyük alanlarda ise merkezi sistem klima santralleri, kanal tipi split klimalar ve paket tip klima cihazları kullanılmaktadır.
Hava Kaynaklı Isı Pompası Çevrimleri
Hava kaynaklı ısı pompalarının üç çevrimi vardır: ısıtma çevrimi, soğutma çevrimi ve buz çözme (defrost) çevrimi. Şekil ’da hava kaynaklı ısı pompası uygulamaları görülmektedir. HKIP ile sıcak su elde etme, ısıtma ve soğutma yapılabilir.
Şekil : Hava Kaynaklı Isı Pompası Uygulamaları
Isıtma Çevrimi
Isıtma çevriminde dış havadan çekilen ısı içeriye pompalanmaktadır. Şekil’de hava kaynaklı split tip bir ısı pompasının ısıtma çevrimi gösterilmiştir. Isıtma çevriminde ilk olarak buharlaştırıcı olarak görev yapan dış ısı değiştiriciye giren sıvı-buhar karışımı soğutucu akışkan dış havadan aldığı ısıyla düşük basınçlı buhar fazına geçer. Yön değiştirici vanadan (dört yollu vana) geçen buhar akümülatöre girer. Akümülatör, buhar, kompresöre girmeden önce buhar içerisinde bulunan sıvıyı biriktirme görevi görür. Kompresöre gönderilen buhar sıkıştırılarak basıncı ve sıcaklığı artarılır. Sonra dört yollu vana, sıcak gazı yoğuşturucu olarak görev yapan iç ısı değiştiriciye gönderir. Burada sıcak gazın ısısı iç havaya ya da tesisatta dolaşan suya transfer edilir. Bu işlem esnasında ısısını veren gaz halindeki soğutkan sıvı hale geçer. Son olarak sıvı haldeki soğutkan genleşme vanasından geçerek düşük basınç ve sıcaklıktaki sıvı-buhar karışımına dönüşür ve çevrim bu şekilde tekrarlanır.
Şekil : HKIP Isıtma Çevrimi
Soğutma çevrimi
Yukarıda tanımlanan çevrim, yaz mevsimi boyunca evi soğutmak için ters yönde çalıştırılır. Isı pompası, iç ortamdaki havadan ısı çekerek dışarıya pompalar ve böylece iç ortamın havasını soğutur. Şekil’de hava kaynaklı split tip bir ısı pompasının soğutma çevrimi gösterilmiştir. Soğutma çevriminde sistem ters çalıştığı için iç ünite buharlaştırıcı görevi görürken, dış ünitedeki ısı değiştirici de kondenser görevi görür. Soğutma işleminde genellikle fancoiller kullanılır.
Soğutma çevrimi esnasında, ısı pompası ayrıca iç ortam havasının nemini alır. İç ısı değiştiricinin serpantini üzerinden geçen havadaki nem, serpantin yüzeyi üzerinde yoğuşur. Yoğuşan su, ısı değiştiricinin tabanında bulunan ve evin pis su tahliye sistemi ile bağlantılı olan boşaltma tavası aracılığıyla dışarıya atılır.
Şekil : HKIP soğutma çevrimi
Defrost Çevrimi
Sadece hava kaynaklı ısı pompalarında gerçekleşen bir çevrimdir. Isı pompası ısıtma modunda çalışırken dış hava sıcaklığı donma noktası yakınına veya donma noktasının altına düşerse dış ısı değiştiricinin serpantini üzerinden geçen havadaki nem yoğuşur ve serpantin yüzeyinde buzlanma meydana gelir. Oluşan buz miktarı dış hava sıcaklığına ve havadaki nem oranına bağlıdır.
Serpantin üzerinde oluşan buz, havadan soğutucu akışkana olan ısı transferini azaltarak ısı değiştirici veriminin azalmasına ve bunun sonucunda da ısı pompası sisteminin performansının düşmesine yol açar. Bu sebeple oluşan buzu gidermek için ısı pompası periyodik olarak defrost edilmelidir. Defrost işleminin sayısı şu faktörlere bağlıdır:
1. İklim, yani dış hava sıcaklığı ve havadaki nem miktarı
2. Dış ısı değiştiricinin serpantin tasarımı
3. Isı pompasının çalışma süresi
Tecrübeler, eğer bağıl nem % 60’ı geçmiyorsa, -6.5˚C’nin altında genellikle az defrost gerektiğini göstermiştir. Bu durum psikrometrik diyagramı kullanmak suretiyle de doğrulanabilir. Bununla birlikte, çok nemli koşullarda havada çok küçük su damlacıkları mevcut olduğu zaman, buz birikintisi miktarı psikrometrik diyagram ile bulunandan yaklaşık üç kat daha büyük olabilir. Böyle koşullarda ısı pompası 20 dakikalık kısa bir çalışmadan sonra defrost gerektirebilir. Hava kaynaklı ısı pompası uygulamalarında, defrost işlemlerinin ısıtma kapasitesi üzerindeki etkileri göz önünde bulundurulmalıdır.
Defrost işlemi ısı pompasının ters yönde çalıştırılmasıyla veya başka yöntemlerle yapılır. Isı pompasının ters yönde çalıştırılması yönteminde, ilk olarak dört yollu vana cihazı soğutma moduna çevirir. Bu durumda sıcak gaz, buzu eritmek için dış ısı değiştiriciye gönderilir. Aynı zamanda normalde serpantin üzerinden soğuk hava üfleyen dış fan, atmosfere olan ısı kaybını minimuma indirmek amacıyla kapatılır. Defrost sırasında ısıtma yapılamadığı gibi, iç ortama da soğuk hava üflenmekte olup bu durum çift katlı bir dezavantaj ortaya çıkarmaktadır. Enerji veriminden dolayı defrost işleminin olabildiğince kısa ve seyrek yapılması gerekmektedir. Defrost sayısı arttıkça enerji tüketimi artar ve ısıtma etki katsayısı düşer.
Isı pompasının defrost moduna gireceği zamanı belirlemek amacıyla iki yöntem kullanılır: talebe bağlı defrost ve zaman-sıcaklık ayarlı defrost. Talebe bağlı defrost yönteminde, dış ısı değiştirici serpantini üzerindeki buz birikimini belirleyebilmek için hava debisi, soğutkan basıncı, hava veya serpantin yüzey sıcaklığı ve serpantin yüzeyi boyunca oluşan basınç farkı kontrol edilir. Zaman-sıcaklık ayarlı defrost ise önceden ayarlanmış bir zaman sayacı veya dış ısı değiştirici serpantini üzerinde bulunan bir sıcaklık sensörü ile başlatılır ve sona erdirilir. Defrost çevrimi iklime ve sistem tasarımına bağlı olarak her 30, 60 ya da 90 dakikada bir başlatılabilir. Gereksiz defrost çevrimleri ısı pompasının mevsimlik performansını azaltır. Talebe bağlı defrost yöntemi sadece gerektiği zaman defrost çevrimini başlattığından genel olarak daha verimlidir.
Hava kaynaklı ısı pompalarında dış ısı değiştirici üzerinde oluşan buzu çözmek için başvurulan diğer defrost yöntemleri ise su ile veya elektrikle yapılan defrost işlemleridir. Su ile yapılan defrost işleminde dış ısı değiştirici serpantininin üstüne 10ºC’ın üzerinde bir sıcaklığa sahip su püskürtülür. Bu yöntemin avantajı yapılışının basit olması, etkisinin çabuk görülmesi ve masrafının az olmasıdır. Buz çözmek için yapılan bir diğer defrost yöntemi ise ısı değiştiricinin dış yüzeylerine (kanatçıklarına) kapalı elektrikli ısıtıcı tüplerin yerleştirilmesi yöntemidir.
Hava Kaynaklı Isı Pompası Sistemleri
Hava kaynaklı ısı pompası sistemleri hava/hava (havadan havaya) ve hava/su (havadan suya) ısı pompası sistemleri olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
Hava/Hava Isı Pompası Sistemleri
Hava/hava ısı pompaları en yaygın olarak kullanılan ve seri üretime en uygun ısı pompalarıdır. Hava/hava ısı pompaları dış havayı ısı kaynağı/çukuru olarak kullanırlar. Evlerde ve ticari/kurumsal binalarda kullanılabilen bu ısı pompaları, ısıtma sezonunda dış havadan ısı çekip iç ortama transfer ederek ısıtma yapmaktadırlar. Soğutma sezonunda ise iç ortamdan ısı çekerek dış havaya aktarmakta, soğuyan iç ortamın havasını ise tekrar içeriye göndererek soğutma yapmaktadırlar. Bu sistemlerin, sulu sistemlerde karşılaşılan su temini, kullanılan suyun atılması, tortulaşma oluşması vb. problemlerin olmaması, ilk yatırım maliyetinin düşük olması, yardımcı bir akışkana gereksinim duymaması, küçük konutların ısıtılmasına elverişli olması vb. avantajları bulunmaktadır. En yaygın örnekleri split ve paket tip ısı pompaları (klima cihazları) ile klima santralleridir.
Split tip ısı pompaları (split tip klima cihazları) iç ve dış ünite olmak üzere 2 ayrı üniteden meydana gelmektedirler. Mahal içerisinde bulunan iç ünitede, iç ısı değiştirici ve fan bulunmaktadır. Dış ünitede ise kompresör, dış ısı değiştirici, genleşme vanası, fan ve diğer elemanlar bulunur. Isı değiştiriciler, içerisinden soğutucu akışkanın geçtiği bakır boru serpantini, hava ile ısı transfer yüzeyini artıran alüminyum kanatçıklar ve hava sirkülasyonunu sağlayan fanlardan oluşmaktadır. Gaz halindeki soğutucu akışkan iç ve dış üniteler arasında bakır borularla taşınmaktadır. Split sistemlerde ısıtılmış/soğutulmuş havanın mahal içerisine dağıtımı yalnızca fan vasıtasıyla yapılabileceği gibi, hava dağıtım kanallarıyla da yapılabilmektedir. Küçük mahallerde hava kanalı gerektirmeyen split klimaların kullanımı yaygındır. Bunların avantajları boyutlarının küçük, kurulumunun kolay ve maliyetinin diğer sistemlere göre daha düşük olmasıdır. Ayrıca her bir mahalle ayrı olarak yerleştirildiklerinden, mahaller birbirlerinden bağımsız olarak ısıtılmakta ve soğutulmaktadır. Alışveriş merkezleri, marketler, lokantalar, hastaneler vb. yerlerde ise kanallı tip split klimalar ideal çözüm sunmaktadırlar. Bu sistemlerde iç ünite hava dağıtım ve geri dönüş kanalları ile bağlantılı olup, merkezi bir fan yardımıyla havanın sirkülasyonu sağlanmaktadır. Hava dağıtım kanalları, sıcak veya soğuk havayı mahal içerisine gönderirken, geri dönüş kanallarıyla hava tekrar iç üniteye dönmektedir.
Split klimaların duvar tipi (mono split veya multi split tip olabilir), salon tipi, yer tipi, tavan tipi, kaset tipi, kanal tipi, inverter tip gibi pek çok çeşitleri mevcuttur. Split klimalarda dış üniteler, klima türüne, ısıtılacak ortama ve yapı mimarisine bağlı olarak dış duvara, binanın dış kısmında bir destek üzerine, düz çatılara veya terasa yerleştirilebilirler.
Paket tip ısı pompaları (paket tip klima cihazları) bütün elemanların tek bir cihaz içerisinde bir arada bulunduğu ısı pompalarıdır. Yani ısı değiştiriciler, kompresör, genleşme vanası gibi elemanlar aynı ünite içerisinde yer almaktadır. Bu tip ısı pompalarında ısıtılan veya soğutulan havanın mahal içerisine dağıtımı hava kanallarıyla yapılmaktadır. Paket tip ısı pompaları tek katlı ve düz çatılı alışveriş merkezi, işyeri, lokanta vb. yapılar için uygundur. Bu sistemlerde cihaz düz çatı veya teras üzerine ya da villa tarzında yapılarda dışarıda bir destek üzerine yerleştirilebilir.
Hava/Su Isı Pompası Sistemleri
Bu ısı pompası sistemleri, ısı pompası su ısıtıcıları olarak bilinirler. Hava/su ısı pompaları ile çevre havasından elde edilen enerji suya (radyatör, yerden ısıtma, boyler ) aktarılarak ısıtma ve sıcak su elde edilebilir. Aynı zamandan fancoiller ile soğutma veya bağıl nem oranına bağlı olarak döşemeden ısıtmada kullanılan tesisatla döşemeden pasif soğutma yapılabilir. Isı kaynağı olarak kullanılan havanın sıcaklığı ne kadar fazlaysa bu cihazların verimi de o kadar iyi olmaktadır.
Modern hava/su ısı pompaları -20˚C’deki dış hava sıcaklıklarında bile ısıtma yapabilmektedirler. Ancak tüm ısıtmayı kendileri sağlayamamaktadırlar. Çok soğuk günlerde ısı pompası tarafından ön ısıtma suyu elektrikli ısıtıcı yardımıyla istenen sıcaklığa getirilebilir.
Hava/su ısı pompaları sıcak su deposunun ve yedek rezistansın aynı cihaz içerisinde bulunduğu komple (tek parçalı) sistem şeklinde olabildiği gibi, mevcut rezistanslı sıcak su deposu ile ısı pompasının birbirinden ayrı olduğu ve depo ile ısı pompası arasındaki su sirkülasyonunun bir pompa ile sağlandığı ek su ısıtıcıları olarak da kullanılabilmektedir.