Isı Pompaları
Isı pompaları – Gelecek vaat eden teknoloji
Gerçekte bir soğutma çevrimi olan Isı pompaları teknolojisi eski yıllara dayanıyor olsa da bazı insan hatta bazı ülkeler için yeni teknolojidir. İlerleyen iletişim ve ulaşılabilirlik çağı her konuda gelişim sağlamaktadır. En büyük örneklerinden Isı Pompaları Avrupa ve İskandinav ülkeleri için eski teknoloji olsa da Türkiye için yeni teknolojidir.
Aslına bakarsak yıllardır kullandığımız BUZDOLAPLARI birer ısı pompasıdır. Eski buzdolaplarının arkalarında ince boru demetleri vardı. Boru demetleri buzdolabının içini soğutmak için içindeki yiyeceklerin ısısını çekip buzdolabının dışına taşımaya yarar ve ısıyı dışarı atıp dolabın içini istenilen sıcaklığa düşürürdü. Bu ısının taşınmasında en büyük araç Soğutucu Gaz’dı, soğutucu gazın düşük sıcaklıkta buharlaşması ısı çekmemiz için çok iyi bir araç olmuştur ve hala soğutucu gaz teknolojisinin geliştirilmesi devam etmektedir.
Gelecek vaat etmesinin en büyük nedeni, teknolojinin geliştirilebilir olmasıdır. Her geçen gün ortaya çıkan yüksek verimli gaz ve teknolojik ekipmanlar sistemin verimliliğini arttırmaktadır. Bu verim artışları düşük kaynak sıcaklıklarından daha fazla faydalanmayı sağlayarak yatırım maliyetinin hızlı geri dönmesini sağlamaktadır.
Isıtma sistemlerinde Isı pompası teknolojinin en büyük rakibi Doğalgaz’dır. Yoğuşmalı Doğalgaz sistemleri uygun yatırım maliyetleri ile Isı pompalarının önüne geçmektedir. Ancak Doğalgazın bulunmadığı noktalarda Isı pompası teknolojisi mantıklı ve uygun bir çözümdür. Odun ve Kömür yakmak istemeyen kullanıcılar için vazgeçilemez bir tercihtir.
Türkiye’de Isı Pompası Kullanımı ve Seçim Kriterleri
Ege ve Akdeniz bölgesinde yaygın kullanımın dışında Karadeniz bölgesi de oldukça hareketlidir. Önemli olan dış hava sıcaklıklarının ılıman olması ve doğalgaz alt yapısının olmaması. Eğer ki doğalgaz alt yapısı yoksa, konfor sağlayabilmeniz için işletme maliyeti en uygun cihaz ısı pompasıdır.
Isı Pompası Tarihçesi (kaynak 1*)
1824 yılında, Nicolas Léonard Sadi Carnot ısı pompası çevriminin temel prensibini ortaya atmıştır.
1850 yılında Lord Kelvin'in, soğutma cihazlarının ısıtma maksadı ile kullanılabileceğini ileri sürmüştür.
- Dünya Savaşı'ndan önce ısı pompasının geliştirilmesi ve kullanılır hâle getirilmesi için birçok mühendis ve bilim adamı bu alanda araştırmalar ve çalışmalar yaptı. Savaş yıllarında endüstri, imkânlarını daha acil problemlere yönelttiği için ara verilen bu çalışmalara savaştan sonra tekrar başlandı.
Isı pompası endüstrisinin 1950‘lerde sahip olduğu potansiyel, yüksek kuruluş maliyeti, doğalgaz ve petrole dayanan enerjinin ucuzlaması nedeniyle ısı pompasına olan güven 1960'lı yıllarda azaldı. Isı pompalarının bu duraklamadan sonra önem kazanması 1973'teki enerji krizinden sonra olmuş ve bu tarihten sonra birçok çalışma yapılmıştır.
Çalışma ilkeleri
Isı pompası, dışarıdan enerji verilmesi ile düşük sıcaklıktaki bir ortamdan aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren bir makinedir. Kışın ısıtma maksadı ile kullanılan ısı pompası, yazın da soğutma için kullanılabilir.
Bir ısı pompasının en önemli karakteristiği performans katsayısıdır (COP). Verimli bir sistemin COP değerleri tipik olarak 4'e eşittir, yani sisteme girilen her bir birim girdi karşılığında 4 birim enerji hasıl olur. Japonya'daki COP değerleri 5'in üzerindedir. En iyi ısı pompaları 6.8 COP değerine ulaşmaktadır.
Soğutma makineleri ve ısı pompaları aynı çevrimi gerçekleştirirler fakat kullanım amaçları farklıdır. Bir soğutma makinesinin amacı düşük sıcaklıktaki ortamı, ortamdan ısı çekerek çevre sıcaklığının altında tutmaktır. Daha sonra çevreye veya yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi, çevrimi tamamlaması için yapılması zorunlu bir işlemdir fakat amaç değildir. Isı pompasının amacı ise bir ortamı sıcak tutmaktır. Bu işlevi yerine getirmek için düşük sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposundan alınan ısı, ısıtılmak istenen ortama verilir. Düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposu genellikle soğuk çevre havası, kuyu suyu veya toprak, ısıtılmak istenen ortam ise bir evin içidir.
Isı Kaynakları;
Isı pompası sistemlerinde, buharlaştırıcıların ısı çektiği ortamlara “ısı kaynakları” denir. Isı pompası için çok önemli olan bu kaynakların ısı pompası ile uyum sağlayabilmesi, aşağıda belirtilen şartlara bağlıdır:
- Kaynak sıcaklığının fazla değişmemesi,
- Kaynak sıcaklığının mümkün olduğu kadar büyük olması,
- Kaynağın bol bulunabilir olması ve coğrafi koşullardan mümkün olduğu kadar az etkilenmesi,
- Kaynağın kirli olmaması,
- Korozyona sebep olmaması,
- Kaynağın sürdürülebilir olması,
Bir ısı pompasının teknik ve ekonomik performansı, ısı kaynağının karakteristiğine bağlıdır. Binalarda kullanılan ısı pompaları için ideal bir ısı kaynağı, ısıtma dönemi boyunca yüksek ve fazla değişmeyen sıcaklığa, bol bulunabilirliğe, aşındırıcı ve kirletici etkenler taşımamasına, uygun termofiziksel özelliklere, düşük yatırım ve işletim maliyetine sahip olmalıdır. Çoğu durumda ısı kaynağının bulunabilirliği, en önemli etken olmaktadır.
Isı pompalarında kaynak olarak :
Çevre havası, Toprak, Deniz, nehir, göl suyu, Yeraltı suları, Artık sıvılar, Artık gazlar, Artık ısılar, Atık sular, Atık Gazlar, Gübre, Güneş, Kaya kullanılabilir. Hepsinin farklı özellikleri vardır.
Çevre havası : Bolca bulunur ve ısı pompaları için en çok kullanılan ısı kaynağıdır. Hava kaynaklı ısı pompalarının mevsimlik performans faktörü (SPF) toprak kaynaklı ısı pompalarından %10 – 30 daha düşüktür. Bunun nedeni olarak, dış hava sıcaklığının düşmesi ile buharlaştırıcıda yüksek sıcaklık farkı oluşması ve bu durumda buharlaştırıcının buzlanması ve fanların çalıştırılması için gerekli enerji, kapasite ve performansta hızlı düşüşe yol açması gösterilebilir. Hava kirliliği de bir dezavantajdır.
Toprak : İyi bir kaynaktır fakat ısı değiştiricisini toprağa gömmek, korozyonu önlemek için de iyi malzeme kullanmak gerekir. Bu da ilk yatırım masrafını artırır. Toprak kaynağını düşündüğümüzde belirli bir derinlikten sonra stabil sıcaklık sağlasa bile her yıl aynı enerjiyi vermeyebilir, bu nedenle toprağın kendini besleyebileceği zamanı çok iyi belirlemek gerekmektedir.
Deniz, nehir, göl suları : Isı pompaları için iyi bir kaynaktırlar. Nehir ve göl sularının kışın donma sorunu vardır. Bu sorun deniz için çok önemli değildir. Bu sularda kirlilik sorunu vardır. Coğrafi şartlardan da çabuk etkilenirler.
Yeraltı suları : Yıl boyunca sıcaklık değişimi azdır. Taşınması için pompa kullanılıyorsa ek enerji kullanılıyor demektir. İçine pis suların karışması tehlikelidir. Isı değiştiricilerinin yer altına gömülmesi korozyona neden olabilir ve maliyeti artırır.
Artık gazlar : Ev ve ticari binalardaki ısı pompaları için önemli ısı kaynağıdır. Isı pompası, havalandırmadan aldığı ısıyı hacim ve su ısıtmak için kullanır.
Artık ısılar : Prosese bağlı olarak bazı avantajları veya dezavantajları olabilir.
Güneş : İyi bir kaynaktır. İlk yatırım masrafı çok, fakat bakım masrafı az ve temizdir.
Isı pompaları ayrıca, tek başına ya da ek bir sistemle birlikte kullanılabilir. Isıtma ihtiyacını tek başına karşılayanlara “monovalent ısı pompaları”, ek kaynak yardımıyla bu ihtiyacı karşılayanlara ise “bivalent ısı pompaları” denir. Bivalent durumda ısı pompası ısıtma yükünün %50 – 95‘ini karşılar. Bivalent sistemlere örnek olarak güneş toplayıcıları ve kazanlar verilebilir. Bu ikili sistemlerin çalışması da sıralı veya birlikte olmaktadır. Sıralı çalışma, bir sistem devreden çıktığında ötekinin devreye girmesidir. Isı pompası – kazan sistemi bu şekilde çalıştırılabilir. Isı pompasının çalıştırılmasının ekonomik olmadığı durumlarda ısı pompası devreden çıkar ve kazan devreye girer. Birlikte çalışmaya örnek olarak da ısı pompası – güneş toplayıcıları sistemi verilebilir. Binanın ısıtılmasında kullanılan ısı pompasının çalışması için gerekli sıcaklık aralığı güneş enerjisi sayesinde sağlanabilir.
Isı pompası termodinamiği
Isı pompasını, basitçe ısı makinesinin tersi bir çevrim olarak göz önüne alabiliriz. Isı makinesi, yüksek sıcaklıktaki ortamdan ısı çekerek, düşük sıcaklıktaki ortama aktaran ve bu işlemi yaparken dışarıya iş veren makinedir. Isı pompası ise, dışarıdan enerji verilmesi ile düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren makinedir.
Kışın ısıtma maksadı ile kullanılan ısı pompası, yazın da soğutma için kullanılabilir. Isının, soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına nakledilmesi çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilir. Buna göre ısı pompası çeşitleri aşağıdaki gibidir:
Genellikle “Buhar sıkıştırmalı çevrimli” ve “Absorbsiyonlu” ısı pompası çeşitleri kullanılır.
Isı pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışır. Basit bir ısı pompasının ana elemanları kompresör, genişleme vanası (expansion valve) ile buharlaştırıcı (evaporator) ve yoğuşturucu (condenser) olarak adlandırılan iki adet ısı değiştiricisidir.
Buhar sıkıştırmalı ideal ısı pompası çevriminin T – s diyagramı
Buhar sıkıştırmalı ideal ısı pompası çevriminin P – h diyagramı
T – s ve P – h diyagramlarından da görüleceği gibi çevrimi oluşturan hal değişimleri şöyledir:
- 1 – 2’ : Kompresörde izentropik (tersinir – adyabatik) sıkıştırma
- 2’ – 3 : Yoğuşturucuda çevreye sabit basınçta ısı geçişi
- 3 – 4 : Genişleme vanasında sabit entalpide genişleme
- 4 – 1 : Buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi
Buharlaştırıcıdan çıkan doymuş buhar kompresörde izentropik olarak daha yüksek bir basınç ve sıcaklığa sıkıştırılarak kızgın buhar haline getirilir (1 – 2’ durumu). Daha sonra yoğuşturucuya giren kızgın buhar, kullanılabilir ısısını dışarıya vererek sabit basınçta yoğuşur (2’ – 3 durumu). Doymuş sıvı haldeki yüksek basınçlı akışkanın basıncı ve sıcaklığı genişleme vanasında buharlaştırıcı şartlarına getirilir (3 – 4 durumu). Buharlaştırıcıya giren akışkanın sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığından düşük olduğundan, ısı kaynağından akışkana sabit basınçta ısı geçişi olur ve akışkan buharlaşır (4 – 1 durumu). Buradan sonra çevrim yeniden başlar ve bu şekilde devam eder.
Isı Pompası Pazarı Hızlı Büyüyor (kaynak 4*)
28 Şubat 2009
Kazanlar gibi konvansiyonel ısıtma ürünleri pazarındaki düşüşün veya en azından olabildiğince küçük ilerlemenin arka planında ısı pompaları pazarındaki büyüme var. Fransız ısı pompası pazarı sadece 2007’de % 30 büyüme gösterdi, bunda anlamlı ölçüdeki vergi avantajları, büyük rol oynadı.
2007’de, küresel ısı pompası pazarı yaklaşık 477,000 satış adedine ulaştı, Pazar hacminin %24.8’sine sahip Çin ile birlikte, Fransa, İsveç ve Almanya. Küresel ısı pompası pazarının %82’sine karşılık geliyor.
Overall, toprak/su’dan suya ısı pompası sistemleri pazarın dominant ürünleri. Havadan suya tipler de özellikle Fransa, Japonya, İsviçre ve Norveç’te yaygın. Toprak/su’dan suya ısı pompaları Almanya pazarının büyük kısmını elinde tutuyor, havadan suya tiplerde de büyüme sürüyor, toprak kaynaklı ve sudan suya ısı pompalarındaki % 6 düşüşe karşın bu gruptaki büyüme % 16.
Isı pompalı su ısıtıcıları görece olarak küçük bir pazar sayılır; Bu pazarın büyük bir kısmını Çin elinde tutuyor. Çin’de 2007 yılında bu alanda satılan ürün adedi 64, 400. 5kW’tan küçük evsel kullanımlı ısı pompaları bu segmentin en popüler ürünleri. Diğer su ısıtıcılarıyla karşılaştırıldığında, yüksek fiyat ve müşteri bilincinin oluşturulamamış olması prevents iç ortam havası kaynaklı ısı pompalarını engelleyen faktörler. Bu alan Çin’de bir niş market konumunda. Slovenya’da bu tip sistemlerde toprak/su’dan suya veya havadan suya ısı pompaları daha çok tercih görüyor.
2006’da iki haneli büyüme oranlarına karşın, Almanya ısı pompası pazarı sadece % 1.5 büyüyebilmişti. Ancak 2007’de katı yakıtlı, gaz ve motorin yakıtlı kazanlar gibi konvansiyonel ısı üreticilerinin % 25 düşüş göstermesi ile ısı pompası pazarı sağlıklı bir büyüme eğilimine girdi, 2008’de de % 9-10 büyüme olduğu tahmin ediliyor. Bu grubun popülerliğinin artması ile daha ziyade bu alana odaklı uzman kuruluşların yanı sıra pazara bir kaç yeni oyuncu da girdi. Almanya’da, klima alanındaki bazı büyük tedarikçi, invertör kontrollü havadan suya ısı pompası ve sıcak su temini işine girdi.
İngiltere küçük bir ısı pompası pazarına sahip ama belirgin büyüme kaydediyor, 2007’de 3,000 cihaz satılmış. Enerji fiyatlarının yükselmesi bu büyümede ana etken. Toprak/Su kaynaklı ısı pompaları, pazar lideri olarak büyümesini sürdürecek görünüyor. Bu büyüme devlet tarafından da destekleniyor, 2008’in son çeyreğinde 900 euro devlet desteği onaylandı.
İsviçre, yüksek penetrasyon oranı ile Avrupa pazarında en fazla gelişme gösteren pazarlardan biri olma pozisyonunu koruyor. Bu pazar, 1990’lardan beri, yıllık % 13 büyüme oranı ile gelişme kaydediyor.
BSRIA, 2008- 2010 periyodunda özellikle Batı Avrupa, Japonya ve Çin’de yenilenebilir enerjiler alanında büyümenin kesintisiz sürmesini bekliyor. Pek çok ülkede enerji sıkıntısı, yapılar konusundaki yasal düzenlemelerin yanı sıra enerji verimliliğine yönelik ürünleri hem ticari hem de konutsal alanda öne çıkaracak. Bunun için pek çok yerde vergi indirimi ile teşvikler artıyor. Bu teşvikler Fransa’da % 50 oranına vardı. Bu ise kazan ve klima üreticilerinin ısı pompası işine girmelerine yol gösterdi. Tedarikçiler, daha ürünleri belgelendirilmeden, dağıtıma girmeden sürekli değişen teknik ve yasal gereksinmelerle karşı karşıya kaldı.
Fosil yakıt fiyatları gelecek yıllarda da yüksek seyredecek, Pek çok ülke yenilenebilir kaynaklardan elektrik üretimi için proje geliştirecek. Güneş ve rüzgar, en popüler olanlar, ve biokütle CHP tesisleri, önemli ölçekte artacak veya gerekli güvenliği karşılayabilecek hükümetlerde yeni nükleer santraller izin alabilecek.
Genel olarak, uygulamacılara, müteahhitlere yapılan satış, en iyi dağıtım kanalı. Bunu toptancılar izliyor. Hollanda’da, satışların % 84’ü uygulamacılara. Japonya pazarında, bayiler aracılığı ile nihai tüketicilere satış, baskın konumda. Yeni konut inşa sektörü küresel ısı pompası pazarında ana ivmelendirici; yeni yapılan tesisatlar Japon pazarının önde gelen alanı. Bunu yakın ara ile Norveç izliyor. Evsel ısı pompası uygulamaları daha çok alan ısıtmasına yönelik. Bunun tersine, Japonya, Çin ve Slovenya ve ABD ısı pompası pazarı sadece sıcak su hazırlama amaçlı.
Küresel Isı Pompası Pazarı Hareketli (kaynak 3*)
28 Kasım 2018
Küresel ısı pompası pazarı büyüyor. 2017 yılında ürün tiplerine göre havadan suya monoblok cihazlar %14, havadan suya boylerli tipler %7, toprak/sudan suya %2 oranında büyüme kaydedilirken bu oran havadan suya split tiplerde %76 oldu.
Yasal düzenlemeler, destek ve teşvik programları pazarı geliştiren etkenler oldu. ABD’de “Temiz Enerji Planı” çerçevesinde konutsal ve ticari uygulamalar için ulusal verimlilik standartları mevcut. Yine bu plan kapsamında finansal destekler bulunuyor. AB ülkelerinde “İklim & Verimlilik Planı” kapsamında; EPBD (Binalarda Enerji Performansı Direktifi), EED (Enerji Verimliliği Direktifi) ve ErP (Enerji Kullanan Ürünler Direktifi) gibi yasal düzenlemeler bulunuyor. Ayrıca 2021 yılı için tümüyle “Sıfır veya Sıfıra Yakın Enerjili Binalar” hedefi var. Bu doğrultuda finansal destekler de pazarı canlı tutuyor. Çin’de “Temiz Gökyüzü Politikası” kapsamında, kömürün gazlaştırılması ve bu şekilde kömürden elektrik eldesi hedefi, bazı ürünleri içeren ulusal enerji verimliliği standardı ve bazı teşvik uygulamaları mevcut.
Pazar büyüme oranlarına göre ABD için çok önemli bir gelişmeden bahsetmek mümkün değil. %0-10 arasında büyüme kaydeden ülkeler arasında Fransa, Türkiye, Almanya, Polonya, Çekya, Slovakya sayılabilir. %11’in üzerinde bir oranla büyüyen pazarlar ise Çin başta olmak üzere, İtalya, İspanya, Ukrayna, Belçika ve Hollanda olarak öne çıkıyor.
Avrupa’da politik belirsizliğe rağmen olumlu bir hareketlilik ve gelişme söz konusu.
2008-2018 yılları arası 10 yıllık dönem içinde Avrupa ısı pompası pazarı adet bazında %52 oranında büyüdü. Büyüme, ürün tiplerine göre; havadan suya tiplerde %4.1, su ısıtıcı tiplerde %17.4, egzoz havalı tiplerde %1 oranında gerçekleşirken, toprak kaynaklı tiplerde %3.8 oranında daralma gözlendi. En fazla yükseliş görülen tipler hava kaynaklı ürünler oldu.
Pazar büyüme ortalaması %16-17 olan AB’nin ilk on ülkesi
Fransa: %10, Almanya: %14, İsveç: %6, İtalya: %16, Avusturya: %10, İspanya: %27, İsviçre: %5,
İngiltere: %18, Polonya: %6, Çekya: %21
AB ülkelerinde son kullanıcı tarafında ısı pompası satışları
11-20 kW %43
20-50 kW %9
11-20 kW %30
20-50 kW %7
Gelecekte de; kentleşme, enerji verimliliğinin yükselen önemi ve bu doğrultuda yasal düzenlemelerin artması, yükselen enerji fiyatları, dijitalleşme, yeni ürün arzı, yeni iş modelleri ve soğutucu akışkanlar konusundaki tercih ve zorunluluklar pazara yön verecek. Isı pompaları alanında ürün geliştirme çalışmaları da; küçük kapasiteli, entegre-kompakt cihazlar, geniş kapasiteli ticari tipler, internet bağlantılı ürünler, düşük GWP’ye sahip soğutucu akışkan kullanan cihazlara doğru devam ediyor.
Özetle, ısı pompası satışları çevre politikaları tarafından desteklenen olumlu bir trend izliyor. Avrupa’da konut stoku, ısı pompası pazar penetrasyonu için geniş bir potansiyel sunuyor. HVAC endüstrisindeki birleşme ve satın almalar ise daha fazla yenilik geliştirilmesine yardımcı oluyor.
Örnek Isı Pompası Uygulamaları :
Örnek1 (kaynak 5*) : Boyler entegreli Isı pompası, Isı pompası kondenseri Boyler serpantini olarak kullanılmaktadır.
2 veya 3 kişilik aile için 200Litre, 4 kişilik aile için 300Litre ısı pompası yeterlidir. 21 m3’lük bir garaj yada sığınakta rahatlıkla kullanılabilir.
Kapalı alanlarda tercih edilen, kendinden tanklı ısı pompası
Hava Kaynaklı Isı Pompası Dış ünitesi, Uygulama Örnekleri
Sudan Suya Isı Pompası; Primer devrenizi, toprağın altında, nehir&göl içinde yada ısı kaynağı bulduğunuz her hangi bir kaynaktan borulama yaparak enerji çekebilirsiniz.
Kangal Borular (Su İçerisinden Isı Çekmek İçin İdeal Çözüm)
Nehirden Isı çeken Kanatçıklar
Su Kaynaklı Isı Pompası Örnek Çalışması;