•Isı Pompasının Temel Tanımı ve Tarihsel Gelişimi
Gerçekte bir soğutma çevrimi olan ısı pompası çevriminin temel prensibini Nicolas Léonard Sadi Carnot 1824 yılında ortaya atmıştır. 26 yıl sonra 1850 yılında Lord Kelvin’in, soğutma cihazlarının ısıtma maksadı ile kullanılabileceğini ileri sürmesiyle ısı pompası uygulamaya girdi. II. Verden Savaşı’ndan önce ısı pompasının geliştirilmesi ve kullanılır hâle getirilmesi için birçok mühendis ve bilim insanı 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, doğgaz 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. Küçük boyutlarıyla karakterize edilen mini-split cihazları, ısı pompaların bir örneğidir ve günümüzde ortamlarda hem soğutma hem de ısıtma uygulamaları için yaygın olarak kullanılır.
Performans Katsayısı ve Enerji Verimliliği
Bir ısı pompasının en önemli karakteristiği performans katsayısıdır (COP veya COPIP). Verimli bir ısı pompası sistemin COP değerleri 4 ve daha yüksek olabilir, 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.
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 (bu durumda soğutma makinesi olarak adlandırılır). 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. 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.
Isı Kaynağı Seçiminin Verimlilikteki Rolü
Isı pompası sistemlerinde, buharlaştırıcıların ısı çektiği ortamlara “ısı kaynakları” denir. Bir ısı pompasının teknik ve ekonomik performansı, ısı kaynağının karakteristiğine bağlıdır. Kaynak sıcaklığının fazla değişmemesi, mümkün olduğu kadar yüksek olması, bol bulunabilir olması ve coğrafi koşullardan mümkün olduğu kadar az etkilenmesi, kirli olmaması ve korozyona sebep olmaması bu uyumun şartlarıdır. 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.
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 buharıştırıcıda yüksek sıcaklık farkı oluşması ve bu durumda buharıştırıcının buzlanması ve fanların çalıştırılması için gerekli enerji, kapasite ve performansta hızlı düşüşe yol açması gösterilebilir. Hava kirliliği de bir dezavantajdır.
Toprak iyi bir kaynaktır fakat ısı değiştiricisini toprağa gömmek, korozyonu önlemek için de iyi malzeme kullanmak gerekir. Bu da ilk yatırım masrafını artırır. Deniz, nehir, göl suları ısı 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. Artık sıvılar prosese bağlı olarak bazı avantajları veya dezavantajları olabilir. Güneş iyi bir kaynaktır. İlk yatırım masrafı çok, fakat bakım masrafı az ve temizdir.
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. Isının, soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına nakledilmesi çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilir.
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 buharıştırıcı (evaporator) ve yoğuşturucu (condenser) olarak adlandırılan iki adet ısı değiştiricisidir. Havadan suya ısı pompalarında, evaporatörden (buharlaştırıcı) gelen soğutucu akışkan kompresorde sıkıştırılarak sıcaklığı ve basıncı artırılır. Sistemdeki tüm enerji kayıpları ihmal edildiğinde, kondenserde (yoğuşturucu) atılan toplam ısı enerjisi; sistemin çalışması için kompresörde tüketilen elektrik enerjisi ile evaporatörde çekilen ısı enerjisinin toplamına eşittir.
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 buharıştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi. Buharlaştırıcıdan çıkan doymuş buhar kompresorde izentropik olarak daha yüksek bir basınç ve sıcaklığa sıkıştır kızgın buhar haline getirilir. Daha sonra yoğuşturucuya giren kızgın buhar, kullanılabilir ısısını dışarıya vererek sabit basınçta yoğuşur. Doymuş sıvı haldeki yüksek basınçlı akışkanın basıncı ve sıcaklığı genişleme vanasında buharıştırıcı şartlarına getirilir. Buharlaştırıcıya giren akışkanın sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığından düşük olduğundan, ısı kaynağından akışkana sabit basınçta ısı geçişi olur ve akışkan buharlaşır. Buradan sonra çevrim yeniden başlar ve bu şekilde devam eder.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
