Isı pompasının tarihsel gelişimi ve temel prensibi
Isı pompası çevriminin temel prensibini Nicolas Léonard Sadi Carnot 1824 yılında ortaya atmıştır. Soğutma cihazlarının ısıtma maksadı ile kullanılabileceğini ileri süren Lord Kelvin ise bu konuyu 1850 yılında işlemiş ve ısı pompası uygulamaya girmiştir. II. Dünya Savaşı’ndan önce birçok mühendis ve bilim insanı ısı pompasının geliştirilmesi ve kullanılır hâle getirilmesi için araştırmalar yapmıştır. Savaş yıllarında endüstrinin imkânlarını daha acil problemlere yöneltmesi nedeniyle ara verilen çalışmalar, savaştan sonra tekrar başlatılmıştır.
Isı pompası endüstrisinin 1950’lerde sahip olduğu potansiyel, yüksek kuruluş maliyeti ve doğalgaz ile petrole dayanan enerjinin ucuzlaması nedeniyle 1960’lı yıllarda azalmıştır. Isı pompalarının yeniden önem kazanması ise 1973’teki enerji krizinden sonra gerçekleşmiştir.
Isı pompası ve soğutma makinesi arasındaki fark
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 ve 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. 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 topraktır; ısıtılmak istenen ortam ise bir evin içidir.
Performans katsayısı ve termodinamik analiz
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 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 pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışır. Basit bir ısı pompasının ana elemanları kompresör, genişleme vanası ile buharlaştırıcı ve yoğuşturucu olarak adlandırılan iki adet ısı değiştiricisidir.
Buhar sıkıştırmalı ısı pompalarında, evaporatörden gelen soğutucu akışkan kompresorde sıkıştırılarak sıcaklığı ve basıncı artırılır. Sistemdeki tüm enerji kayıpları ihmal edildiğinde, kondenserde atılan toplam ısı enerjisi; sistemin çalışması için kompresörde tüketilen elektrik enerjisi ile evaporatörde çekilen ısı enerjisinin toplamına eşittir.
T – s ve P – h diyagramlarından görüleceği gibi çevrimi oluşturan hal değişimleri şöyledir: 1 – 2′ durumunda kompresörde izentropik (tersinir – adyabatik) sıkıştırma gerçekleşir. 2′ – 3 durumunda yoğuşturucuda çevreye sabit basınçta ısı geçişi olur. 3 – 4 durumunda genişleme vanasında sabit entalpide genişleme meydana gelir. 4 – 1 durumunda ise buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi gerçekleşir.
Isı kaynakları ve seçim kriterleri
Isı pompası sistemlerinde, buharlaştırıcıların ısı çektiği ortamlara “ısı kaynakları” denir. Bir ısı pompası için önemli olan bu kaynakların ısı pompası ile uyum sağlayabilmesi, 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 gibi şartlara bağlıdır.
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, dış hava sıcaklığının düşmesi ile buharlaştırıcıda yüksek sıcaklık farkı oluşması ve bu durumda buharlaştırıcının buzlanması için gerekli enerji, kapasite ve performansta hızlı düşüşe yol açmasıdır.
Toprak iyi bir kaynaktır fakat ısı değiştiricisini toprağa gömmek ve korozyonu önlemek için iyi malzeme kullanmak gerekir; bu da ilk yatırım masrafını artırır. Deniz, nehir ve göl suları ısı pompaları için iyi bir kaynaktırlar, ancak nehir ve göl sularının kışın donma sorunu vardır. Yeraltı sularında yıl boyunca sıcaklık değişimi azdır, fakat taşınması için pompa kullanılıyorsa ek enerji kullanılıyor demektir. Artık gazlar, ev ve ticari binalardaki ısı pompaları için önemli ısı kaynağıdır. Güneş ise iyi bir kaynaktır; ilk yatırım masrafı çok fakat bakım masrafı az ve temizdir.
Çevre havası, toprak, deniz/nehir/göl suyu, yeraltı suları, artık sıvılar, artık gazlar, artık ısılar ve güneş ısı pompalarında kullanılabilir kaynaklardır. Çoğu durumda ısı kaynağının bulunabilirliği, en önemli etken olmaktadır.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
