Düşük Dış Ortam Sıcaklıkları için Havadan Suya Isı Pompaları

Yazan: John Siegenthaler

Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Birçok farklı çeşidi ile elektrikli ısı pompaları, tüm dünyada bina ısıtma ve soğutma sektöründe artan bir öneme sahiptir. Büyük miktarlardaki düşük sıcaklıklı kullanılamayan ısıyı, yeterli sıcaklıktaki kullanılabilir ısıya dönüştürerek binaların ve binalardaki kullanım suyunun ısıtılmasını sağlarlar.

Elektrikli ısı pompaları, fotovoltaik sistemler, büyük rüzgâr türbin çiftlikleri, tarım atıklarından elde edilen bio-gaz ile çalışan Tümleşik Isı ve Güç (CHP) sistemleri gibi büyük ölçekli yenilenebilir kaynaklar ile güzel bir uyum gösterirler.

Eskiden oldukları gibi değiller

Ev soğutması ve ısıtılmasında kullanılan “klasik” ısı pompası Kuzey Amerika’da ilk kez 1970’lerde sahneye çıkmıştır. Bu ilk jenerasyon “havadan havaya” ısı pompaları için piyasayı büyük isimli HVAC şirketleri geliştirmişti ve bu pompalar iki ana üniteden oluşmaktaydılar: Bir bina dışı kondenser ünitesi ve bir bina içi klima santrali. Bu üniteleri de bir soğutma hattı birbirine bağlamakta idi.

Havadan havaya ısı pompaları uzun yıllardır piyasada olmasına rağmen, ilk jenerasyon ürünler düşük dış ortam sıcaklıklarında kabul edilebilir verimli çalışma performansını sağlayamamaktaydı. Bu ilk jenerasyon ısı pompaları, dış ortam sıcaklığı 20F’ın altına düştüğünde kapatılması düşünüldüğünden daha yaygın bir uygulama idi. Buna karşın, inverter sürücülü değişken hızlı kompresörleri ve zengin buhar enjeksiyonu (EVI) olarak bilinen bir prosesi de kapsayan soğutma teknolojisindeki ilerlemeler ısı pompalarının çok düşük dış ortam sıcaklıklarında da (-13F/-25C’ye kadar) çalışabilmesine imkân vermiştir.

Isıtma ve soğutma donanımının global ölçekte büyük üreticileri artık havadan havaya ısı pompalarının “soğuk iklim” versiyonlarını piyasaya sürmeye başladılar. Kanalsız mini-split ısı pompası sistemi en yaygın konfigürasyonlardan biridir. Tek bir dış üniteye, her biri kendine ait soğutma hattı ile beslenen birden fazla bina içi duvara monte üniteler bağlanmıştır. Her bir bina içi ünite diğerlerinden bağımsız olarak çalışarak farklı mahallerin şartlarına uygun işletim sağlanmıştır.

Son on yılda, soğuk iklim kanalsız mini-split ısı pompaları iyi bir pazar payı edinmiş olsa da, ısıtma ve soğutma için basınçlı hava dağıtımına bağımlıdırlar. Aslında, yüksek ısıl verimliliklerini, iyi tasarlanmış bir hidronik dağıtım sisteminin sunabileceği seviyede bir konfor ile birleştirecek potansiyele sahip değildirler. Üstelik çoğu kanalsız mini-split ısı pompası sistemi sadece mahal ısıtma ve soğutması sağlayabilirken, kullanım suyu ısıtması ve havuz/spa ısıtması gibi yan yükleri karşılama yeteneğine sahip değildirler.

Hava yerine su

Bu noktada farklı bir ısı pompası konfigürasyonu daha cazip hale gelmektedir. Bir havadan suya ısı pompası, dış havadan düşük sıcaklıklı ısının alınmasında havadan havaya ısı pompası ile aynı konsepti kullanır. Aradaki tek fark, kullanılabilir sıcaklıktaki ısıyı kondenserin içerisinden geçen (hava yerine) suya aktarır.

Bazı havadan suya ısı pompaları, nispeten soğuk havalarda bile 130F’lık çıkış suyu sıcaklığına ulaşabilme yetisine sahiptirler. Bu yetileri, radyan zeminler, radyan duvar ve tavan panelleri, panel radyatörler, fan-coil konvektörleri ve modern lamel borulu süpürgelikler gibi hidronik ısı yayıcıları ile kullanımlarını uygun hale getirir. Ayrıca ihtiyaç duyulan kullanım suyu ısıtmasının hepsini olmasa da büyük bir kısmını karşılayabilirler. Uygun bir ısı eşanjörü ile havadan suya ısı pompasında ısıtılan su bir yüzme havuzu veya bir spa mahalinde kullanılabilir.

Nedir?

Kuzey Amerika’daki ısıtma uzmanlarının çoğu kanalsız mini-split ve jeotermal ısı pompalarına aşina olmalarına rağmen, çok azı havadan suya ısı pompalarına aşinadır. Bu durum Asya ve Avrupa marketlerinde farklıdır. Bir Japon yayını olan JARN’ın Ağustos 2015 tarihli sayısındaki verilere göre; 2014 yılındaki havadan suya ısı pompası global piyasası 1,7 milyon üniteyi aşmıştır. 2014 yılında sadece Çin marketinde bir milyona yakın ünitenin satışı gerçekleşmiştir. Fransa’nın lider olduğu, Almanya ve Birleşik Krallık’ın onu takip ettiği Avrupa marketinde ise bu sayı 232.000 ünitedir. Bu havadan suya ısı pompalarının üreticisi aynı zamanda Kuzey Amerika’da kanalsız mini-split ısı pompalarını satan Asya menşeli firmalardır. Diğerleri Avrupa menşeli şirketler tarafından üretilmektedir. Birleşik Devletler marketi global satış hacminde küçük bir orana sahiptir.

Peki bu farkın nedeni nedir? Bu soruya verilecek cevaplardan biri, iskân binaları için hidronik iklimlendirme sistemleri piyasası Birleşik Devletler ve Kanada’da; Asya ve Avrupa’ya nazaran çok daha küçüktür. Diğer bir cevap ise nispeten daha küçük olan Kuzey Amerika evlerinde soğuk su ile ısıtma gerekliliğinin limitli olmasıdır. Üreticiler ayrıca markete (özellikle Kuzey Amerika gibi bir markete) kurulumlar rutin hale gelene kadar fazlasıyla desteğe ihtiyacı olan yeni bir ürünü sürmenin maliyetini göz önünde bulundurmak zorundadırlar. 

İleriye bakış

Yukarıdaki veriler Kuzey Amerika marketinde havadan suya ısı pompalarının gelişemeyeceği anlamına gelmemektedir. Birçok eğilim tam da aksini iddia etmektedir. Aşağıda bazı anahtar göstergeleri sıraladık:

1. Net Sıfır Enerjili (NZE) evlere artan ilgi: Tipik bir NZE evin bina zarfından ısı kaybı minimumken çatısında da hatrı sayılır büyüklükte güneş panel dizisi bulunur. Altyapısı hazırlanmış bölgelerde bu evler ürettiği elektriğin ihtiyaç fazlasını tam tarife ile enerji sağlayıcı şirkete geri satabilir. Bu sebepten güneşli bir yaz günü üretilen kilowatt saatler şebeke içerisinde “park” edilerek; soğuk bir kış gecesinde ısı pompasını çalıştırmak için herhangi teknik veya ekonomik bir ceza yemeden rahatlıkla kullanılabilir. 

NZE evleri ısıtmak ve soğutmak için diğer bir yaygın yaklaşım da iki veya üç yüksek duvar ünitesi kurulumunu binanın merkezine yapmak (ki bu bir kanalsız mini-split ısı pompasının bina içindeki kısmı demektir) ve içerideki kapıları açık bırakıp ısıtılmış veya soğutulmuş havanın içeride dağılmasını sağlamaktır. Bu yaklaşımı destekleyenler, kanal ve boru sistemleri gibi bina içi konfor dağıtım araçlarına gerek duyulmadığını vurgulamaktadırlar. İnternet üzerinde bu konu ile ilgili yapılan bir tartışmada, tüm iç kapıların açık bırakıldığı durumda, iç hava sıcaklığının, bina içi ünitelerin sıcaklığının 2F altında sabitleneceğinin altı çizilmektedir. Bu tartışmada ayrıca, yatak odası kapısı gece kapandığında - ki bu makul bir beklentidir – yatak odası sıcaklığı iç ünitenin konumlandırıldığı mahaldeki sıcaklıktan 5F daha aşağı düşebileceği belirtilmiştir.

Peki bu kısıtlar rahatlıkla göz ardı edilebilir mi?

Bu soruya benim cevabım hayır olur, çünkü sadece ısı kaybını karşılamak için mahal içerisine Btu’ları göndermek ile aynı şeyi mükemmel bir ısıl konfor ile yapmak arasında büyük bir fark vardır. Ayrıca binayı inşa eden mimarların iç kapıları koymasının bir amacı vardır ve bu amaç kapalı olduklarında odalar içerisinde 5F’lık sıcaklık farkı oluşturmak değildir. Benim görüşüme göre bu kısıtlar, NZE evlerde kanalsız mini-split yaklaşımının gözle görülür negatifleridir. Bir alternatif düşük ortam hava kaynaklı ısı pompasının ısıl verimliliğini sürdürmek ve sistemin dengelenmesi için hidronik sisteme geçiş yapılmaısıdr. Sıcak tavan veya döşeme gibi düşük sıcaklıklı hidronik dağıtım sistemi kullanarak, kapıların açık veya kapalı olmasından bağımsız olarak ısı pompasından alınan ısı bina içerisinde doğru şekilde dağıtılarak iyi bir ısıl performans elde edilebilir.

Soğutma, merkezi klima santrali içerisinden akan soğuk su ile veya her biri mini-split ısı pompalarında kullanılan duvara monte üniteler ile aynı görevi yapan çoklu küçük klima santralleri ile sağlanabilir.

Tüm soğuk su klima santralleri yoğuşma suyu toplama kapları ve uygun tahliye hatları ile donatılmalıdır. Soğutma ayrıca bir radyan panel ve küçük bir klima santralinin bileşimi ile de yapılabilir. Radyan panel duyulur soğutma yükünün tamamını olmasa da büyük bir kısmını karşılar. Panelin içindeki soğuk su sıcaklığı odanın çiğ noktası sıcaklığından her zaman yüksek olmalıdır. Yine küçük ve tekil bir klima santrali odadan nem uzaklaştırması için gereklidir.

2. Birleşik Devletler’de jeotermal ısı pompalarındaki %30’luk federal vergi indirimi 31 Aralık 2016’da sona erecektir: Bu, jeotermal ısı pompası sistemlerinin satınalınma teşvikini ortadan kaldıracak ve sübvansiyonsuz markette diğer ısı pompası sistemleri ile rekabet etme ihtimalini ortadan kaldıracaktır.

3. Havadan suya ısı pompalarının kurulumu, jeotermal ısı pompalarının kurulumuna nazaran gözle görülür ölçüde ucuzdur: Bu durum özellikle toprak çevrimi için sondaj gerekliliği olduğu durumlarda doğrudur. Benim bulunduğum alanda, sondaj, boru montaji ve derzleme işlemi soğutma tonu başına 3000$ civarında. Birden çok dikey boru hattının birbirine bağlanması ve hattın tekrar ısı pompasının olduğu yere rotalanması da ek bir maliyet olarak karşımıza çıkmaktadır. Sondajdan etkilenen kaldırım ve peyzajın yenilenmesi de jeotermal ısı pompası sisteminin kurulumunda göz önünde bulundurulmalıdır.

4. Dönüşlerin azaltılması bir etkendir: Evlerin ısıl yükleri bina zarflarının iyileşmesi sebebiyle azaldığından, 1,0 veya daha az değerlerde farklılık gösteren mevsimsel ortalama COP değerinde çalışan ısı pompaları arasındaki yıllık ısıtma maliyetlerinin farkı azalır. Daha yüksek performansa sahip ısı pompasının az miktarda düşürdüğü işletim maliyetleri; ısı pompasının kurulum maliyetini sistemin faydalı ömrü içerisinde amorti etmeyebilir.

Örnek: 25000 Btuh tasarım ısı kaybı olan, dış ortam sıcaklığının 0F iç ortam sıcaklığının 70F olduğu ve 7000F•gün değerinde iklimi olan bir bölgede kurulmuş evin yıllık ısıtma gereksinimi yaklaşık olarak 39MMBtu/yıl’dır. Eğer bu yük, mevsimlik ortalama COP değeri 3,3 olan (toprak çevriminin sirkülasyonunu yapmak için geçerli olan enerji de bu değere dâhildir) bir jeotermal ısı pompası ile karşılansa idi (elektrik enerji ücretinin kWh başına 0,12$ olduğu varsayımı ile) yıllık ısıtma maliyeti 416$ olacaktı. Aynı 39 MMBtu/yıl, mevsimlik ortalama COP değeri 2,7 olan havadan suya ısı pompası ile karşılansaydı yıllık ısıtma maliyeti 508$ olacaktı. Aradaki yıllık 92$’lık fark (jeotermal ısı pompasının 9000$’lık kurulum maliyetine karşılık bu değer havadan suya ısı pompasında 7000$’dır) jeotermal ısı pompasının yüksek kurulum maliyetini ünitenin faydalı ömrü süresince amorti edemez.

5. Evlerin ısıtma yükleri küçüldükçe kullanım suyu ısıtma yükünün yıllık ısıtma enerji gereksinimindeki yüzdesi giderek artmaktadır: Bazı varsayımlar iyi bir yalıtıma sahip modern bir evde kullanım suyu ısıtma yükünün yıllık enerji yüküne oranını %25-30 değerinde almaktadır.

Birçok kanalsız mini-split ısı pompası kullanım suyu ısıtması sağlayamaz ama uygun şekilde yapılandırılmış havadan suya ısı pompası bunu başarabilir.

Isı pompasının kullanım suyu ısıtmasını yapamadığı ve bu gereksinimin elektrikli ısıtıcı ile karşılandığı bir kurulumda, elektrikli ısıtıcı ısıyı 1,0 civarında bir COP ile uygular. Eğer bu işlem havadan suya ısı pompası ile yapılır ise ısıyı ortalama 2,5 civarında bir COP ile uygulayacaktır. Günlük 60 galonluk, sıcaklığı 50F’tan 120F’a ısıtılan kullanım suyuna ihtiyacı olan bir ailenin yukarıdaki iki senaryo arasındaki yıllık kullanım suyu ısıtma maliyetleri arasında 270$ fark vardır (elektrik birim fiyatı 0,12$ olarak alındığında). Yıllık enerji tasarrufu baz alındığında yukarıda örneği verilen jeotermal ısı pompası ile havadan suya ısı pompası arasındaki kazancın üç katı kadar daha fazla kazanç vaad etmektedir.

Sıfırın altı

Düşük dış ortam koşullarında çalışan havadan suya ısı pompalarının ısıtma kapasitesi ve COP değerlerinin iyileştirilmesi için modifiyeli bir buhar-sıkıştırmalı soğutma sistemi geliştirilmiştir. Bu teknik zenginleştirilmiş buhar enjeksiyonu (EVI) olarak bilinir ve kondenser çıkışı ile ısıl genleşme vanası arasına konumlandırılmış ek bir eşanjör ile uygulanır (Şekil 1).

Şekil 1. Modifiye edilmiş buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi

EVI, evaporatör içerisine giren soğutucu akışkan miktarını artırır & soğutucu akışkanın daha düşük sıcaklıkta girmesini sağlar.

Bu ek ısı eşanjörünün adı “sub-cooler” olarak bilinir ve görevi kondenserden çıkış yapan soğutucu akışkanın sıcaklığını daha da düşürerek ana genleşme valfi ve evaporatöre giren soğutucu akışkan sıcaklığını çok daha düşük miktarlara çekilebilmesini mümkün kılmaktır. Bunu; sıvı soğutucu akışkanın bir kısmını elektronik olarak kontrol edilen ısıl genleşme vanasından geçirerek buharlaştırıp geriye kalan ve sub-cooler’ın diğer tarafından geçen soğutucu akışkandan daha fazla ısı çekilmesini sağlayarak yapar.

Buharlaşan soğutucu akışkan sub-cooler’ın üst kısmından çıkarak kompresör içerisine özel bir buhar deliği vasıtasıyla kompresör içerisindeki salyangozların arasına enjekte edilir. EVI’nin etkileri kompresörün sıkışma oranını artması ve evaporatöre giren soğutucu akışkanın daha soğuk girmesidir. Bu etkiler düşük ortam sıcaklıklarında ısıtma kapasitesindeki ve COP’deki düşüşü azaltır. Şekil 2 ve 3 EVI uygulamalı havadan suya ısı pompasındaki ısıtma kapasitesi ve COP oranlarını göstermektedir.

Şekil 2. EVI uyumlu havadan suya ısı pompası ısıtma kapasitesi

COP’nin ve ısıtma kapasitesinin dış ortam hava sıcaklığı ile doğrudan ilişkili olduğuna dikkat edilmelidir. Bu durum hava kaynaklı ısı pompalarında her zaman geçerlidir. Bu grafiklerde EVI uygulamalı havadan suya ısı pompası 2,55’lik COP değerini dış ortam sıcaklığı 0F iken 120F’lık çıkış su sıcaklığı üretirken sağlamaktadır. Dış ortam sıcaklığı 25F ve çıkış su sıcaklığı yine 120F iken COP değeri yaklaşık olarak 2,8’dir. Aynı şartlarda bu değer, bir inverter sürücülü kompresörlü havadan suya ısı pompasında 2,3 olacaktır. Bu, nispeten yaklaşık olarak %22 performans kazancına eşdeğer olup, aynı elektrik enerjisi girdisi ile %22 daha yüksek ısı çıktısı anlamına gelmektedir. Buna ek olarak, üretici kataloglarına göre inverter sürücülü ısı pompaları dış ortam sıcaklığı 22F’ın altındaki değerlerde 120F’lık çıkış su sıcaklığını sağlayamamaktadır. Dış ortam sıcaklığının 5F olduğu durumlarda bu ısı pompaları sadece 104F’lık çıkış suyu sıcaklığına ulaşabilmektedirler.

Şekil 3. EVI uyumlu havadan suya ısı pompası COP oranları

Ne kadar düşük o kadar iyi

Şekil 2 ve 3’teki grafikler havadan suya ısı pompasının düşük sıcaklıklı ısı dağıtım sistemi ile beraber kullanılmasının avantajlı olduğunu belirtmektedir. Bu özellikle COP için doğrudur. Örneğin; dış ortam sıcaklığının 20F olduğu, binanın ısıtma yükünü 110F sıcaklıktaki su ile dağıtımını sağlayabilen bir dağıtım sistemi ile ısı pompasının COP değeri 3,1 seviyelerine ulaşırken; 130F’lık su sıcaklığı gerektiren bir sistemin COP’si sadece 2,5 olacaktır. Isı pompasını mümkün olan en düşük su sıcaklığında çalıştırmanın en iyi yolu sisteme dış ortam sıcaklık ayar kontrol sistemi eklemek ve buffer tank içerisindeki sıcaklığı ayarlayacak bir “logic” oluşturmaktır.

Bir dış ortam sıcaklığı ayar kontrolü sürekli olarak dış ortam sıcaklığını baz alıp ısıtma yükünü karşılayacak “hedef” su sıcaklığını hesaplar. Isı pompasını buffer tank sıcaklığını hedef sıcaklık etrafındaki dar bir aralıkta tutacak şekilde çalıştırır.  

Örneğin, buffer tank bir radyan zemin ısıtma sistemini 110F su sıcaklığı ile ve 0F dış ortam sıcaklığında besliyor ise, ısı pompası buffer tank sıcaklığını 107F ilâ 113F aralığında tutuyordur. Bununla birlikte, dış hava sıcaklığı 35F olduğunda ise hedef besleme suyu sıcaklığı da 90F’a düşecektir. Bu şartlar altında dış ortam sıcaklığı ayar kontrol sistemi ısı pompasını buffer tank içerisindeki su sıcaklığını 87F ilâ 93F arasında tutacak şekilde çalıştıracaktır. Bu şartlar, dış ortam sıcaklığı ayar kontrol sistemi toplam işletim aralığı ile beraber Şekil 4’te gösterilmiştir.

Şekil 4. Dış ortam sıcaklığı ayar kontrol sistemi ile ısı pompası işletimi

Özet

Şekil 5 mahal ısıtmasını ve kullanım suyu ısıtmasının büyük bir bölümünü karşılamak için tasarlanmış havadan suya ısı pompasını göstermektedir. Isı pompası, içerisinde antifriz çözelti olan nispeten kısa bir boru devresine bağlıdır. Isıtma modunda, ısınmış antifriz çözeltisi ısı eşanjöründen çıkış sıcaklığı ısı pompasından gelen antifriz çözeltisi sıcaklığından 5F’tan daha düşük olmayacak şekilde boyutlandırılmış lehimli plakalı eşanjör içerisinden geçmektedir. Çünkü ısı pompası devresi izole edilmiş kapalı bir devre olduğundan; basınç tahliye vanası, genleşme tankı, hava seperatörü, doldurma/boşaltma vanaları ve uygun şekilde boyutlandırılmış bir pompa ile donanımlandırılmalıdır.

Isıtılmış su, buffer tankın sol üst kısmında bulunan kısa kolektöre gelir. Isı yayıcılardan biri veya daha fazlası aktif ise bu suyun bir kısmı dağıtım sistemine gider. Kalan kısmı buffer tank içerisine akar.
Dış ortam sıcaklığı ayar kontrol sistemi tankın orta yüksekliğinde bulunan sıcaklık sensörü ile görüntüleyerek ısı pompasını herhangi bir mahalin yükünden bağımsız olarak çalıştırır. Buffer tankı ayrıca tankın sağında görülen tertibat ile kullanım suyuna ön ısıtma yapmak için kullanılır.

Buffer tank içerisindeki su sıcaklığı genellikle kullanım suyunun gerekli olan dağıtım sıcaklığının altındadır. Bu sebepten, termostatik olarak kontrol edilen tanksız elektrikli su ısıtıcısı ile ısı eşanjöründen gelen ön ısıtmaya tabi tutulmuş su ısıtılarak istenilen sıcaklığa ulaşması sağlanır. 

Şekil 5. Mahal ve Kullanım Suyu ısıtma sistemi

Dahası

Havadan suya ısı pompalarının hidronik sistemlerde tümleşik olarak kullanılabileceği birçok yöntem bulunmaktadır. Örneğin; Şekil 5’te gösterilen sistem tekil veya çoklu mahal soğuk su soğutması amacıyla kullanılmak adına genişletilebilir. Ayrıca bu kurulum mahal ısıtma veya soğutması ihtiyacı olmadığı zamanlarda havuz ısıtmasında kullanılabilir. 

Kaynak: https://www.hpacmag.com