Isı Pompaları ve Soğutucu Akışkan Çevrimi
Isı pompası teknolojisinin, bina ısıtma sistemlerinin karbonsuzlaştırılması ve küresel olarak ve özellikle Avrupa'yı sıfır çevresel etkiye sahip ilk kıta haline getirmeyi amaçlayan AB tarafından belirlenen emisyon azaltma hedeflerine ulaşılmasında kilit bir araç olduğu artık iyi bilinmektedir.
Şu anda piyasada bulunan ısı pompaları, doğal gaz kazanlarından üç ila beş kat daha yüksek bir ortalama enerji verimliliğine sahip olabilir ve aynı zamanda yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiyle çalışabilir.
Bu teknolojiyi kullanmanın ne kadar önemli olduğunu anlamaya yardımcı olacak bazı rakamlar aşağıda verilmiştir.
AB'de 2022 yılında satılan 3 milyon ısı pompasıyla (2021'dekinden %11 daha fazla), yaklaşık 8 milyon ton (Mt) CO2 emisyonu önlenirken, şu anda Avrupa'da faaliyet gösteren yaklaşık 20 milyon ünitenin tamamı 54 Mt CO2 salınımını önleyerek kıtanın konut ve ticari binalarının yaklaşık %16'sını ısıtmaktadır.
Bu faydalar göz önüne alındığında, tartışmayı küresel bir düzeye genişletirsek, Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı (IRENA) tarafından belirlenen 1,5°C hedefine ulaşmak için 2050 yılına kadar 793 milyon ısı pompasının kurulması gerekecektir.
Isı pompası nedir?
Isı pompası, termal enerjiyi (ısıyı) belirli bir sıcaklıktaki bir ortamdan daha yüksek sıcaklıktaki başka bir ortama aktaran bir ünitedir. Bu, daha yüksek sıcaklıktaki bir cisimden daha düşük sıcaklıktaki bir cisme doğal geçişi içeren ısı enerjisi transferi sürecinin tersidir, ancak elektrik, yakıt veya yüksek sıcaklık ısısı gibi diğer kaynaklardan enerji girişi ile mümkün olur.
Normalde, ısı pompası sistemi kışın bir binayı ısıtmak için kullanılır, ancak genellikle bu üniteler tersinir çalışabilir ve yaz aylarında alan soğutması da sağlayabilir. Bu nedenle yıl boyunca kullanılabilen çok yönlü sistemlerdir.
Isı pompalarının altında yatan çalışma prensibi, "buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi" olarak bilinen ve dört temel unsurdan oluşan kapalı bir devre içindeki soğutucu akışkanın hal değişiminden yararlanılarak ısı transferinin mümkün kılındığı herhangi bir soğutma ünitesi ile aynıdır. Bu elemanlar: Kompresör, kondenser, genleşme cihazı ve evaporatördür.
Soğutma çevrimi
Soğutma çevrimi genellikle Mollier veya basınç-entalpi diyagramında gösterilir (belirli bir koşul altında soğutucu akışkanın özgül enerji miktarını gösterir). Soğutucu akışkanın durumu, p ve h değiştikçe, alanı üç bölgeye ayıran çan şeklinde bir eğri ile temsil edilir: Solda sıvı, sağda buhar; iç kısımda sıvı ve buhar arasındaki denge. Soğutma çevrimindeki aşamalar, her bir bileşene gelen ve giden soğutucu akışkanın durumunu birleştiren segmentlerle temsil edilir. Isı değişimi ve kompresör çalışması, işlemin başlangıcı ve bitişi arasındaki entalpi değişimi ile ölçülür.
Soğutma çevrimini basınç-entalpi diyagramında göstermek için, devredeki dört elemanın her birinin giriş ve çıkışındaki sıcaklık ve basıncı bilmek ve tanımlamak gerekir, bu nedenle teorik olarak sekiz sıcaklık ve sekiz basınç ölçümü gereklidir. Ancak, elemanlar arasındaki borunun uzunluğu genellikle sınırlı olduğundan, sadece dört ölçüm noktası kullanılabilir. Bir elemanın çıkışındaki değerler esasen bir sonraki elemanın girişindeki değerlere karşılık gelir.
Bu nedenle aşağıdaki aşamaları ayırt edebiliriz:
• 1-2 Sıkıştırma: Soğutucu gazın basıncı, sıcaklığını yükseltmek için artırılır.
• 2-3 Yoğunlaşma: Gaz yüksek basınç ve sıcaklıktadır. Yoğunlaşmaya başlar ve dışarıya ısı verir. Bu, ısı pompasının bir ortamı (hava) veya bir sıvıyı (örneğin su) ısıtmasını sağlayan enerji alışverişidir.
• 3-4 Genleşme: Soğutucu akışkan sıvı haldedir, ancak sıcaklık ve basınç hâlâ yüksektir. Genleşme cihazı, hızlı genleşme ile basıncı düşürme görevine sahiptir.
• 4-1 Buharlaşma: Sıvı haldeki soğutucu akışkan artık düşük basınç ve düşük sıcaklıktadır; bu nedenle daha sıcak bir kaynaktan ısı emebilir ve buharlaşabilir.
Bu, ısı pompasının soğuk, yenilenebilir kaynaktan (örneğin dış hava, su, toprak) doğal olarak enerji emerek yararlandığı ısı değişimidir.
Isıtma modunda çalışırken, kondenser ısıtılan evin iç kısmına ısı sağlarken, soğutma modunda kompresörden çıkan soğutucu akışkanın yönü tersine dönecek ve ısı eşanjörlerinin rolleri de tersine dönecektir. Bu nedenle, ısı artık iç ortamdan uzaklaştırılacak, yani soğutulacaktır.
Bir soğutma çevriminde basınç ve sıcaklık yakından ilişkilidir, çünkü ısı değişimi soğutucu akışkanın buharlaşması veya yoğunlaşması ile gerçekleşir. Yani, iki durum değişikliği yoluyla. Hal değişimleri fiziğinde, sıcaklık süreç boyunca aynı değerde kalır, tıpkı suyun kaynadığında 100°C'de kalması gibi. Ancak bu değer basınca bağlıdır. Su aslında deniz seviyesinde atmosferik basınçta 100°C'de kaynar, ancak basıncın daha düşük olduğu yerlerde (yüksek rakımlarda) daha düşük sıcaklıklarda kaynar. Bu nedenle su düdüklü tencerede daha yüksek sıcaklıkta kaynar ve daha hızlı pişer.
Aynı prensiple, bir soğutma çevriminde kompresör, işini, her biri yalnızca soğutucu akışkana bağlı olan, kesin bir sıcaklığa karşılık gelen iki basınç arasında yapar. Bu nedenle, soğutucu akışkanı seçerken, amaçlanan çalışma koşulları altında hangi sıcaklıklarda buharlaşacağını ve yoğunlaşacağını dikkate almak gerekir. Bunların, örneğin ısı pompalarında yoğuşmanın gerekli olduğu 60°C veya süpermarketlerin dondurulmuş gıda tezgahlarında buharlaşmanın gerekli olduğu -30°C gibi hizmet için yararlı sıcaklıklar olması gerekecektir.
Verimlilik hesaplaması
Bir ısı pompasının verimliliği COP (performans katsayısı) ile gösterilir:
COP değerleri esas olarak soğuk kaynak ile sıcak akışkan arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Genel olarak, sıcaklık farkı ne kadar küçükse, COP o kadar yüksek olur. Farklı bölgelerin iklimsel değişkenliği nedeniyle, özellikle dış havayı harici bir kaynak olarak kullanan ısı pompaları için, SCOP (mevsimsel performans katsayısı), yani tipik iklim ve yük koşullarında ağırlıklı ortalama verimlilik, ısıtma verimliliğinin daha kesin bir göstergesini vermek için tercih edilir.
Soğutma modunda ise referans verimlilik endeksi EER'dir (enerji verimliliği oranı):
COP'de olduğu gibi, farklı bölgelerin iklimsel değişkenliği göz önüne alındığında, SEER (mevsimsel enerji verimliliği oranı), yani tipik iklim ve yük koşullarında ağırlıklandırılmış verimlilik, soğutma verimliliğinin daha kesin bir göstergesini vermek için kullanılır.
Isıtma ve soğutma kapasitesi, ilgili ısı eşanjörünün entalpi farkı ile soğutucu akışkanın kütlesel debisinin çarpımı olarak hesaplanır.
Kompresör tarafından çekilen elektrik gücü elektriksel olarak ölçülebilir veya kompresör giriş ve çıkışı arasındaki entalpi farkı ile soğutucu akışkan kütle debisinin çarpımı olarak hesaplanabilir.
Bir ısı pompasının elektrik tüketiminin çoğunu kompresörün oluşturduğuna dikkat edilmelidir. Ancak SCOP ve SEER tanımında bir bütün olarak sistem için gerekli olan yardımcı bileşenlerin (fanlar, pompalar, elektronik kontrol sistemleri, ekranlar vb.) tüketimi de yer almaktadır.
Sonuçlar
Bu nedenle bu yazıda buhar sıkıştırmalı ısı pompasının çalışmasının altında yatan kavramları inceledik ve hem ısıtma hem de soğutma modlarında verimliliğini belirleyen endekslere baktık.
Bu nedenle, ısı pompaları, basitçe soğutma çevriminin bir uygulamasıdır; burada bir ortamı soğutmak yerine "kaynaklar ve bileşenler rol değiştirir" ve ortam ısıtılır. Tüm bunlar, devredeki ana bileşenlerden akan ve ısı taşıyan soğutucu akışkan adı verilen gazın hal değiştirmesi ile mümkün olmaktadır. Ayrıca, soğutucu akışkan devresi kullanan bir ünitenin genellikle soğuktan daha fazla ısı ürettiği ve ısının alındığı kaynak düşük sıcaklıkta olsa bile elde edilebilir enerji miktarının yine de yüksek olduğu unutulmamalıdır.
Kaynak: https://www.carel.com/blog
