Slider Altına

Absorpsiyonlu Isı Pompası / Kazan Sistemleri

05 Ekim 2010 Dergi: Ekim-2010

Ticari binalarda yenilenebilir enerji kullanarak ısıl verimliliğin % 145 seviyelerine kadar çıkarılması

Son 20 yıl içinde ticari binalardaki ısıtma uygulamalarında yoğuşmalı gaz yakıtlı hidronik kazanların kullanımı daha popüler hale gelmiştir. Günümüzde yoğuşmalı kazanların bazı modellerinde ısıl verimlilik düşük ateşleme oranında ve düşük dönüş suyu sıcaklığında % 100 seviyelerine ulaşmıştır, fakat bu % 100 seviyesi ticari bina sektöründeki ısıtma sistemleri için temel verimlilik sınırı olarak kabul edilir.

Gaz yakıtlı absorpsiyonlu ısı pompaları mahallerdeki ısıtma uygulamalarında kullanılabilir. Ayrıca bu ısı pompaları hava, su veya toprak gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanarak ısıl verimliliği % 145 seviyelerine kadar çıkarabilir. Absorpsiyonlu ısı pompaları akışkan olarak amonyak – su karışımını kullanırlar ve yoğuşmalı kazanlar ile karşılaştırıldığında enerji ve karbondioksit (CO2 ) emisyon değerleri açısından % 30 hatta daha fazla tasarruf sağlarlar.

Absorpsiyonlu ısı pompaları Avrupa’da önemli bir pazar payı elde etti ve bunun yanında bugünlerde Kuzey Amerika piyasasına da sürüldü. Ayrıca ısı pompaları okullarda/üniversitelerde, hastanelerde, ofislerde ve üretim tesislerinde enerji verimliliğini artırmak için önemli yeni fırsatlar sunmaktadır.

Absorpsiyonlu Termodinamik Çevrim

Absorpsiyonlu termodinamik çevrim, sıcaklık ve basınçtaki değişimlerin çeşitli aşamalarını içerir. Amonyak ve sudan oluşan çalışma sıvısı gaz yakıtlı brülörden, çevre havasından veya jeotermal ısı kaynağından absorbe edilen ısıyı hidronik çevrime verir.  

Absorpsiyon çevriminin ilk adımında gaz yakıtlı jeneratör ile kullanılan akışkan ısıtılır. Yüksek basınç altında akışkan içerisindeki amonyağın bir kısmı buharlaşır ve akışkan, içerisinde kalan suyun alınması için soğutulmuş düzelticiden geçer.

Çevrimin ikinci aşamasında amonyak buharı yoğuşturucuya girer, burada ısısını hidronik çevrime verir ve buhar fazından tekrar sıvı faza geçer.

Üçüncü aşamada, sıvı amonyak genleşme vanasından geçer ve basınçta önemli bir azalma meydana gelir.

Dördüncü aşamada düşük basınçlı sıvı amonyak buharlaştırıcıya girer ve havadan veya jeotermal/su ısı kaynağından ısıyı absorbe ederek tekrar buhar fazına geçer.

Beşinci aşamada amonyak buharı absorbere gelir, burada amonyak-su karışımının zayıf bir (daha düşük amonyak konsantrasyonlu) çözeltisi mevcuttur. Çözeltiden egzotermik reaksiyon ile amonyak buharı absorbe edilir, böylece de akışkanın sıcaklığı yükselir ve açığa çıkan ısı hidronik çevrime verilir.

Altıncı aşamada sıvı-çözelti pompası jeneratörün yüksek basınç ihtiyacını karşılamak için amonyak-su çalışma akışkanının basıncını yükseltir. Absorpsiyon çevrimi başladığı ilk aşamaya gelir ve kendi kendine çevrim tekrarlanır.

Absorpsiyon çevrimi ile kompresör tahrikli Rankine çevrimi arasındaki benzerliklerden, genellikle var olan elektrikli ısı pompası sistemlerinde yararlanılır. Sıvı çözelti pompası ve gaz yakıtlı jeneratör ekipmanları, Rankine çevriminde kompresörün gerçekleştirdiği yüksek basınçlı amonyak buharının elde edilmesi işini yapar. Ayrıca absorber buharlaştırıcıdan amonyak buharını çeker ve bu durum akışkan kompresöründeki emme kısmına benzer. Sonuç olarak absorpsiyon çevrimindeki daraltma ve buharlaştırma aparatı, Rankine çevriminde olduğu gibi basıncın azalması ve ısının absorbe edilmesi işlemlerini gerçekleştirir.

Gaz yakıtlı jeneratörde kullanılan yakıttan elde edilen ısının 0.85 birimi yoğuşturucudan direkt olarak hidronik dağıtım çevrimine transfer edilir. Bunun yanında amonyak, buharlaştırıcıda çevre havasının veya jeotermal/su kaynağının düşük sıcaklıklı ısısının 0.60 birimini çeker ve bu ısıyı da absorber içerisindeki zayıf su - amonyak çözeltisi ile hidronik dağıtım çevrimine aktarır. Bu nedenle sisteme verilen her bir birim yakıttan toplamda 1.45 birim değerinde elde edilen ısı, hidronik dağıtım çevrimine transfer edilir. Bu sayede de % 145 değerindeki toplam ısıl verimlilik değerine ulaşılır.

Şekil 1’de hava kaynaklı ve jeotermal/su kaynaklı absorpsiyonlu ısı pompasının ısıtma performans karakteristiği gösterilmiştir. Hava absorpsiyonlu ısı pompasının düşük dış hava sıcaklıklarında verimliliğinin çok düştüğü görülmektedir fakat yoğuşmalı kazanlara göre hemen hemen tüm çevre sıcaklıklarında daha yüksek verimlilik sağlar. Jeotermal kaynaklı ısı pompalarının ise sabit enerji performansı gösterme eğiliminde oldukları görülmektedir.

Absorpsiyonlu ısı pompaları en az orta düzeyde sıcaklığa sahip (jeotermal) ısı kaynağı olduğu durumlarda veya sağlanan ısıtma sıcaklığının nispeten düşük olduğu (güneş enerjili veya su çevrimli ısı pompası uygulamalarında) durumlarda oldukça verimli çalışır. Düşük sıcaklıklı (140 0F veya daha az) termal dağıtım sistemleri absorpsiyonlu ısı pompalarına yüksek enerji tasarrufu yapma imkânı sağlar. Tasarımcılar, termal dağıtım sistem cihazlarını (örneğin, besleme havası için konvektör ünitelerini, ısıtma serpantinini vb.) mümkün olan en düşük besleme ve dönüş su sıcaklığını sağlayacak şekilde seçebilir.

Hibrid Sistemlerin Birleştirilmesi

Absorpsiyonlu ısı pompaları, hibrid ısı pompası ve kazan sistemi ile birlikte mevsimlik enerji performansını en üst seviyeye çıkarmak için kullanılabilirler. Isı pompası, bina kontrol sisteminin ısı ihtiyacını karşılayacak ilk bileşendir. Kazan sistemi ise sadece ısı pompasının kapasitesi ısı ihtiyacını karşılayamadığı durumlarda çalışır.

Soğuk dönüş suyunun ısı pompasına akışını sağlayan sistemin boru hattı, verimliliğin en üst düzeye çıkmasını sağlayacak özellikte olmalıdır. Hava kaynaklı ısı pompaları açık havada ya da ortam havasının bol olduğu mekanik odalarda yer almalıdır.

Absorpsiyonlu ısı pompaları, kısmı yüklerde ve tasarım yükü koşullarında performansı en üst seviyede tutabilmek için akıllı kontrol sistemleri bulundurmalıdırlar. Ayrıca uygun fabrika tasarımı ve "tak - çalıştır" özelliği sayesinde absorpsiyonlu ısı pompası ile birlikte çalışan kazan sistemleri, yüksek güvenilirlik ve düşük yatırım maliyeti sunar.

Kuzey iklim bölgesinde yer alan birçok ısıtma uygulamasının yük dağılımına ve sıcaklık verilerine baktığımızda işletme süresinin büyük bölümünün kısmi yükün altındaki koşullarda gerçekleştiği görülür.

Hibrid sistemin absorpsiyonlu ısı pompası, en yüksek ısıtma yükünün % 25’ini karşılayacak özellikte tasarlanmış olsa dahi toplam ısıtma yükünün yarısından fazlasını karşılayacaktır çünkü neredeyse tüm ısıtma sezonu boyunca bu şekilde çalışacaktır. Bir başka deyişle ısı pompası, en yüksek ısıtma yükünün % 50’sini karşılayacak özellikte tasarlanırsa toplam ısıtma yükünün % 90’nından fazlasını karşılayacaktır.

Isı pompası ve kazan kapasitesi ile eşdeğer kapasiteli olan kazan sistemli absorpsiyonlu ısı pompası ile aslında sadece ısı pompalı sistemle elde edilebilecek aynı sezonluk verimliliğe ulaşabilirsiniz. Bina sahibinin isteklerine bağlı olarak hibrid sistemdeki absorpsiyonlu ısı pompasının ısıtma kapasitesi genellikle tüm hibrid sistemin ısıtma kapasitesinin % 25’i ile % 50’si arasında olur.

Tablo 1, 2MMBtuh toplam ısıtma kapasiteli kazan sistemli hava kaynaklı absorpsiyonlu hibrid ısı pompasının ısıtma yükü hesaplarını ve sistem performans bilgilerini içerir. Bu sistem, su kaynaklı ısı pompasının çevrimdeki sirkülasyon suyunun sıcaklığının 60 0F’ın altına inmemesini sağlayacak ek ısıyı temin etmek için tasarlanmıştır. Absorpsiyonlu ısı pompasının ve kazanın her birinin kapasitesi 1MMBtuh’dur. Tablo 1’de hibrid sistem ile kapasitesi 2MMBtuh olan geleneksel yoğuşmalı kazan sistemi karşılaştırılmaktadır. Bu değerlendirmeyi yapmak için binanın tasarım ısıtma yükü de 2MMBtuh kabul edilmiştir.

Tablo 1’de sıcaklık verilerine göre absorpsiyon ve kazan sisteminin her bir sıcaklık ve ısı çıkış değeri için hesaplanmış ısıtma yükleri bulunmaktadır. Bu tablo, hibrid sistemin % 50’si için tasarlanmış absorpsiyonlu ısı pompasının sezon içerisinde önemli miktarda enerji tasarrufu sağlayacağını göstermektedir. Bu tabloda her ne kadar Chicago hava verilerinden yararlanılmış da olsa birçok bölgede benzer sonuçlar ortaya çıkacaktır. Burada hibrid sistemin toplam ısı çıkışının % 90’nından fazlası absorpsiyonlu ısı pompası tarafından sağlanır.

Tabloda yer alan tasarım seçenekleri ve hesaplamalar, hibrid sistemin diğer tasarım seçeneklerinin değerlendirilmesinde kullanılabilir. Örneğin, ısı pompası bileşenlerinin özellikleri tasarım koşullarındaki enerji performansını ve ekonomik performansı karşılamak için artırılabilir ya da azaltılabilir. Ayrıca ısı pompasının verim değeri, sistemin jeotermal ve hava kaynaklı olduğu durumu gösterecek şekilde değiştirilebilir.

Hava kaynaklı absorpsiyonlu ısı pompası ve kazan ile birlikte çalışan hibrid sistemde, suyun ısı pompa uygulamasındaki çevrimi ile birlikte sezonluk ısıl verimlilik % 95’ten (geleneksel yoğuşmalı kazan) % 125’e çıkmış ve % 24 oranında enerji tasarrufu sağlanmıştır. Ayrıca hava kaynaklı bu hibrid sistem, konvensiyonel hidronik (konvektör) ısıtmanın sezonluk verimliliğini dağıtım sıcaklığına da bağlı olarak % 89’dan % 105’e kadar artırabilir.

Jeotermal Uygulamalarda Hibrid Sistemler

Elektrik ile çalışan jeotermal ısı pompaları, ticari binaların ihtiyacı olan ısıtmayı ve soğutmayı çiftli ısı değiştirici kullanabilme yetenekleri sayesinde verimli bir şekilde sağladıkları için büyük ilgi çekmektedirler. Jeotermal ısı pompalı sistemler, yazın soğutma için ihtiyaç duyulan elektrik miktarını ve en üst düzeydeki elektrik ihtiyacını azaltmada etkilidirler fakat kuzey iklim bölgelerinde ısıtma için yüksek enerji maliyetlerine neden olurlar. Bunun yanında, jeotermal kaynağın bulunmasının ve bu kaynağın kullanıma hazırlanmasının getirdiği yatırım maliyeti, pazarın bu durumu kabulü açısından önemli bir engel oluşturmaktadır.

Absorpsiyonlu ısı pompaları, jeotermal modda kullanıldığında elektrikli geleneksel ısı pompalarına nazaran yenilikçi tasarım alternatifi sunarlar. Jeotermal elektrikli ısı pompasının performans katsayısı (COP), birincil enerji kullanım faktörünü (ısı pompasından çıkan ısının enerji üretimi için giren yakıta oranı) belirlemek için yakıtla elde edilmiş enerjinin yaklaşık % 30’u ile çarpılmalıdır, bu değer çoğu zaman yoğuşmalı kazan sistemleri için de aynıdır.

Absorpsiyonlu ısı pompaları ile ısıl verimlilik çeşitli jeotermal ısıtma uygulamalarında % 120 ile % 150 arasında olabilmektedir. Jeotermal absorpsiyonlu ısı pompasının birincil enerji performansı, COP katsayısı 4 ile 5 civarında olan elektrikle çalışan jeotermal ısı pompası ile eşit olduğu için kuzey iklim koşulları altında bu sistemlerin performansı en az elektrik ile çalışan sistemlerin performansı kadar olur.

Absorpsiyonlu ısı pompası, CO2 emisyon değerini elektrik ile çalışan ısı pompasına kıyasla yaklaşık % 25 ila % 60 arasında azaltabilir. Burada elektriğin kömür yakılarak elde edildiği düşünülmüştür, ayrıca ABD’de kullanılan elektriğin % 60’ından fazlası da kömürün yakılmasıyla elde edilmektedir.

Bunun yanında gaz yakıtlı ısı pompası aynı özelliklerdeki jeotermal ısı pompasına kıyasla büyüklük ve yatırım maliyeti açısından % 30 ile % 40 civarında avantaj sağlar. Absorpsiyonlu ısı pompası ısıtma modundayken gaz yakıtlı yanma ile çıkış ısısının yaklaşık % 60’ını, jeotermal kaynaklı ise çıkış ısısının hemen hemen % 40’ını karşılar. 1 milyon Btuh kapasiteli jeotermal gaz yakıtlı absorpsiyonlu ısı pompası ısıtma modundayken jeotermal kaynaktan çevrim ile yaklaşık 400,000 Btuh değerinde ısı çıkışı gerçekleşir. Karşılaştırma yaptığımızda, geleneksel elektrikli jeotermal ısı pompası ile jeotermal kaynaktan Rankine çevrimine de dayanarak çıkış ısısının yaklaşık % 70’i elde edilir. Bunun için elektrikli ısı pompasının 700,000 Btuh değerindeki ısı çıkışını sağlayabilecek jeotermal kaynağa ihtiyacı vardır.

Jeotermal kaynağın giderleri bulunduğu bölgeye de bağlı olarak 2000 dolar/ton ile 5000 dolar/ton arasında değişmektedir, bu da jeotermal ısı pompası kullanıcıları için önemli bir yatırım tasarrufu anlamına gelmektedir.

Tablo 2, ticari binalardaki ısıtma uygulamalarında dört farklı ısı pompalı kazanlı hibrid sistem ile yapılan enerji tasarruflarını göstermektedir. Bu tablodaki her sistem, incelediğimiz analizdeki ile aynı absorpsiyonlu ısı pompası / kazan oranına (50/50) sahiptir.

Tablo 2’de yer alan enerji tasarruf değerleri geleneksel yoğuşmalı kazan sistemlerinin sezonluk enerji verimlilik değerleri ile benzerdir, bu değerler de ortalama besleme ve dönüş suyu sıcaklıklarına bağlıdır. Öyle ki bu değer hidronik uygulamalar için % 88 ila % 90 arasında iken su çevrimli ısı pompaları için % 90 ile % 95 arasındadır.

Soğutma Seçeneği

Gaz yakıtlı absorpsiyonlu ısı pompaları soğutma yapabilirler ve elektrikle çalışan soğutma grubu (chiller) ile birlikte kullanılarak en üst seviyedeki iklimlendirme yüklerini karşılamada soğutma grubuna yardımcı olurlar. Elektrik maliyetlerindeki tasarruf özellikle kamu hizmet tarifesinin yapısı, yüksek hizmet ücretlerini, gerçek zamanlı fiyatlandırmayı veya sınır koşullarını içeriyorsa önemli olabilmektedir. Bu durum ayrıca aylık maliyet içerisinde yer alan ve yalnızca bir defa pik yapmış elektrik ihtiyacını da içerir.

Elektrikle çalışan soğutma grubunun kapasitesinin düşürülmesi ve absorpsiyonlu ısı pompası – kazan - soğutma grubu üçlüsünün ısıtma ve soğutma sistem tasarımı için kullanılması, absorpsiyonlu ısı pompası sisteminin yatırım maliyetinin azalmasına yardımcı olacaktır. Benzer bir biçimde gaz yakıtla çalışan ısı pompaları (yaz sezonunda hava kaynaklı olarak çalışan) elektrikli jeotermal ısı pompaları ile birlikte kullanıldığında ihtiyaç duyulacak jeotermal kaynağın boyutunu ve bu kaynağa yapılacak ilk yatırım maliyetini büyük ölçüde azaltabilir.

Absorpsiyonlu ısı pompası/kazan/soğutma grubundan oluşan hibrid sistem, tümü elektrikli olan sistem ile aynı soğutma verimini verebilir – hava veya jeotermal kaynaklı – çünkü elektrikli soğutma grubu temel yükte çalışır ve soğutma sezonu süresince toplam soğutma ihtiyacının % 90’nından fazlasını karşılar.

Ayrıca gaz yakıtlı absorpsiyonlu ısı pompası aynı zamanda ısıtma ve soğutma yapabilir. Ticari bina uygulamalarında kimi bölgeler için ısıtma gerekirken aynı zamanda içerideki ofisler ya da bilgisayar sistemleri için ise soğutma gerekebilir. Bunun yanında soğutma sezonu boyunca ihtiyaç duyulan ısıtma ihtiyacı (sıcak kullanım suyu veya havuz suyu gibi) absorpsiyonlu ısı pompası sayesinde yüksek enerji performansı sağlanarak karşılanır.

Sonuç

Toprak, su veya hava gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından absorpsiyonlu ısı pompalı ve kazanlı hibrid sistemler ile ısı elde edilerek okulların/üniversitelerin, hastanelerin, ofis binalarının ve üretim tesislerinin ısıtma ihtiyaçları karşılanır. Bu sırada sezonluk verimlilik % 145 seviyelerine, enerji tasarrufu da % 30 hatta daha yüksek değerlere ulaşır. Sıcaklık – zaman ve yük dağılımı verilerine baktığımızda birçok ticari binanın kısmi yük seviyesinin altında uzun süre çalıştığını söyleyebiliriz. Bu nedenle hibrid sistemde yer alan absorpsiyonlu ısı pompası, pik durumdaki ısı yükünün % 50’sini karşılayacak kapasitede seçildiğinde ısıtma sezonu süresince birçok uygulamada ihtiyaç duyulacak toplam ısının % 90’nından daha fazlasını karşılayabilecektir.

Absorpsiyonlu ısı pompaları ısıtma modunda çalışırken yüksek verimlilik elde edilmesinde ve pik yüklerin karşılamasında elektrik yerine doğalgaz kullanım seçeneği ile bina sahiplerine büyük esneklik sağlarlar. Ayrıca ısı pompaları ile jeotermal uygulamalarda önemli ölçüde yatırım maliyetinden tasarruf edilebilir çünkü bu uygulamalarda % 30 ile % 40 arasında daha küçük boyutlu ekipmanlar kullanılabilir.



Etiketler


Video İçerik

Performansa Dayalı Deprem Tasarımı Yaklaşımı

Sempozyum