ISI POMPALI PAKET KLİMA SANTRALLERİNDE ETKİN BUZ ÇÖZME KONTROL UYGULAMASI

1. GİRİŞ

Fosil yakıtlara bağımlılığın azaltılması hedefleri doğrultusunda ısıtma sistemlerinde ısı pompası (heatpump) kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu amaçla, farklı kullanım alanlarına göre farklı ısı pompası sistemleri için ürünler geliştirilmektedir. Alışkın olduğumuz konforlu ve ulaşılabilir fosil yakıtlı ısıtma sistemlerinden ısı pompası sistemlerine geçişte, ilk yatırım maliyetinin yanında, enerji etkin ve beklediğimiz konfora uygun, kesintisiz ısı üreten sistemlerin tasarımı önemlidir. Enerji kullanımının yoğun olduğu taze hava şartlandırma sistemlerinde ise, hem konforu hem de enerji etkinliğini bir arada gerçekleştirmek daha da zordur. Entegre kompresörlü ısı pompalı taze havalı paket klima santrallerinde  “Aktif Defrost Kontrol (ADK) ” sistemi olarak adlandırılmış Etkin Buz Çözme Kontrol sistemiyle,  hem kesintisiz ısıtma, hem de enerji etkinliği bir arada sağlanabilmektedir.  [1] numaralı kaynakta buna bir örnek verilmiştir.

2. ISI POMPASI SİSTEMLERİ

Yaygın olarak kullanılan ısı pompası sistemleri aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir.

2.1 Hava Kaynaklı Isı Pompası Sistemleri

Bu sistemler kendi içinde aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

a.   Havadan havaya ısı pompası sistemleri;

i.       Bireysel split klima cihazları,

ii.      Kanallı split klima cihazları,

iii.     Çatı tipi paket klima cihazları (Rooftop),

iv.     Monoblok,

v.      DX (Direct Expansion)  dış üniteli klima santralleri,

vi.     Entegre kompresörlü paket dış ünitesiz klima santralleri.  

b.   Havadan suya ısı pompası sistemleri;

i.       Bireysel (ev tipi) ısı pompası  aygıtları,

i.       Merkezi ısı pompası (heatpump chiller)  aygıtları.

Şekil 1. Hava Kaynaklı Isı Pompası [2]

Bu sistemler, kurulumu ve kullanımı en kolay sistemler olarak ön plana çıkar. Birincil ısı transfer kaynağı olarak havayı kullanır. Sabit bir enerji etkinliği ve ısıtma kapasitesi  sağlayamaz. Düşük dış hava sıcaklıklarında hem kapasitesi, hem de verimi düşer. Bu  nedenle düşük sıcaklıklarda yüksek kapasiteli elektrikli ısıtıcı  desteği gerektiğinden, soğuk iklim kuşağında yer alan ülkelerde  yaygın kullanımı yoktur.

2.2 Su Kaynaklı Isı Pompası Sistemleri

Bu sistemlerde kendi içerisinde aşağıdaki şekilde ayrılır;

c.   Sudan havaya ısı pompası sistemleri;

i.       Kanallı su kaynaklı ısı pompası  aygıtları,

ii.      Çatı tipi paket su kaynaklı ısı pompası klima  aygıtları,

iii.     Su kaynaklı paket entegre kompresörlü ısı pompalı klima santralleri.

d.     Sudan suya ısı pompası sistemleri;

i.       Su kaynaklı ısı pompası sistemleri,

ii.      Toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri.

Şekil 2. Su Kaynaklı Isı Pompası [2]

Sudan suya ısı pompası sistemleri, birincil ısı transfer kaynağı olarak sabit sıcaklıkta suyu kullanması nedeniyle daha  dengeli bir ısıtma kapasitesi ve enerji etkinliği sağlar. Dış hava sıcaklığı çok düşük olan iklimlerde bile etkin şekilde kullanılabilir. Uygulaması, hava kaynaklı sistemlere göre daha zor ve ilk yatırım maliyeti daha yüksektir. Nehir, deniz, termal su, yer altı su kaynağı gibi  olanakların bulunduğu yerlerde birincil ısı kaynağı olarak değerlendirilirken, bu olanakların olmadığı  yerlerde ise, toprakta açılacak belli derinlikteki yatay veya dikey yerleştirilmiş borularla,  birincil ısı kaynağı olarak toprağın sabit sıcaklığından faydalanılır.

Şekil 3. Toprak Kaynaklı Isı Pompası [2]

Bunun yapılamadığı  durumlarda ise, kapalı devre su soğutma kuleleriyle  dış ortamdan ısı transferi sağlanabilir. Ancak her ne kadar bu uygulamada su kaynaklı ısı pompası olarak literatürde yer alsa da, hava kaynaklı ısı pompasına  benzer  olumsuzluklar taşıdığından, kule suyunu sabit sıcaklıkta tutmak için  ek ısıtma sistemlerine (elektrikli boyler, kazan  gibi)  gereksinim duyar. Bu anlamda, kule suyu kullanan bu sistemleri hibrit  (melez) ısı pompası sistemleri olarak tanımlamak daha doğru olur.

2.3 Isı Pompası Sistemlerinin Kullanım Amaçları

Yukarıda sıralanan ısı pompası sistemlerinin kullanım amaçları aşağıdaki şekilde sıralanmıştır;

a.      Konfor amaçlı  bölüm ısıtması,

b.      Isınma için sıcak su  sağlanması,

c.      Kullanım sıcak suyu  sağlanması,

d.      Proses sıcak suyu  sağlanması.

Konfor amaçlı  yer ısıtması  için en ekonomik ve uygulaması kolay sistemler,  havadan havaya veya havadan suya ısı pompası sistemi olarak görülür. Ancak yukarıda bahsettiğimiz  olumsuz yönlerini de göz önünde bulundurmak gerekir. Özellikle hastane, alışveriş merkezi (AVM), okul, konferans salonu, ofisler gibi taze hava kullanımı yoğun olan  yerlerde, bu  olumsuz yanlarına karşın  yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin hem istenilen ısıl konforu sağlaması, hem de enerji etkin kullanımı yönünden  önemli olduğunu söyleyebiliriz.

Resim 1. Isı Pompası Konut Kullanımı [2]

Her bir ısı pompası sistemi, kullanım amacına, ısı transferi için gerekli olan birincil ısı kaynağına (hava, su  gibi) ve  ısı transfer  olanaklarına  göre farklı şekillerde uygulanabilir. Her bir sistemin tasarımından önce, sistemlerin konfor ve enerji etkinliği irdelenip karar verilmelidir. Ancak uygulanacak sistemin, kesintisiz ısı üretmesi ve transfer etmesi, özellikle soğuk iklim kuşağındaki yerler için  büyük önem taşır. Bu sistemler kurgulanırken, her ne kadar ısı pompası sistemi olarak kurgulansa da, düşük hava sıcaklıklarında çalışmak zorunda kaldıklarında, enerji etkinliği düşük olan elektrikli ısıtıcı  gibi sistemlerle desteklenmesi gerektiğinden,  kullanımda olan hemen hemen bütün ısı pompası sistemlerinde elektrikli ısıtıcılı  destek sistemi de görülmektedir. Bu  nedenle dış hava sıcaklığının eksi derecelere düştüğü durumlarda, artan ısıtma kapasitesi  gereksinimi nedeniyle hem ısı pompası sistemlerinin kapasiteleri düşmekte, hem de enerji etkinliği azalmaktadır. Bu da fosil yakıtlardan uzaklaşmamızın önündeki en büyük engel olarak ortaya çıkmaktadır.

3. ISI POMPALI PAKET TİP TAZE HAVA KLİMA SANTRALLERİNDE   ETKİN BUZ ÇÖZME KONTROL SİSTEMİ UYGULAMASI

Taze havalı klima santrallerinde  ısı geri kazanım sistemi uygulaması, enerji verimliliği için bir gerekliliktir. Isı pompalı paket  aygıtlarda, evaporatör tarafında havanın giriş ve çıkış sıcaklıkları düştükçe  buharlaşma sıcaklığı düşer, buna bağlı olarak kompresörün ürettiği ısıtma kapasitesi azalır ve kompresör daha fazla güç tüketerek, daha az faydalı ısıtma enerjisi üretmeye başlar.  Buharlaşma sıcaklığı belli değerlerin altına düştüğünde ve evaporatörden çıkan hava sıcaklığı 0^oC’ye  yaklaştıkça veya eksi sıcaklıklara inmeye başlayınca evaporatör üzerinde yoğuşan su donmaya başlar ve buzlanmaya yol açar. Isı pompasının  bu buzu eritmek için defrost (buz çözme) çevrimine girmesi gerekir. Defrost çevrimi sırasında ısıtma yapması beklenen  aygıt, tersinir çalışmaya geçerek evaporatör üzerinde oluşan buzu eritmek için soğutma yapmaya başlar. Bu konforsuzluğa ve enerji etkinliğinin hissedilir şekilde azalmasına  neden olur. Konforsuzluğa engel olmak için  gerek duyulan ek kapasite, elektrikli ısıtıcı   benzeri ikincil ısıtma sistemlerinin devreye girmesini gerektirir.

Şekil 4. Yüksek Evaporasyon Sıcaklığının Kompresör Verimine Etkisi [1], [3]

Temel olarak evaporatör üzerinden geçen havanın sıcaklığını  olabildiğince yüksek tutmak, ısı pompasının enerji etkinliğini hissedilir şekilde artırır ve kapasite düşümünü en aza indirir.

Taze havalı klima santrallerinde  ısı geri kazanım sistemi uygulaması, enerji verimliliği için bir gerekliliktir. Yüksek verimli ısı geri kazanım eşanjörleri kullanılarak  her ne kadar dışarıya atılan havanın  olabildiğince enerjisi alınarak taze havaya aktarılması sağlansa da, ısı geri kazanım eşanjörünün egzoz tarafındaki çıkış sıcaklığı o oranda düşer. Bu da evaporatör üzerinden geçen hava sıcaklığının düşmesine yol açtığından,  bir taraftan yüksek ısı geri kazanım kapasitesi elde edilirken, diğer taraftan kompresörün veriminin düşmesine,  toplam enerji tüketiminin artmasına ve kapasite düşümüne yol açar.

Şekil 4’de evaporasyon sıcaklığının artmasının kompresör verimine etkisi, kompresör seçim programından aynı kompresör seçilerek karşılaştırmalı olarak yapılmıştır.

Toplam sistem veriminin  en yüksek konuma ulaşması için farklı Isı Geri Kazanım (IGK) eşanjörlerini karşılaştırmak gerekir;

3.1 Karşıt Akışlı IGK Eşanjörlü Klima Santrali

Aşağıdaki şekillerde %75 verimli, karşıt akışlı bir ısı geri kazanım eşanjörü ile %50 verimli karşıt akışlı bir ısı geri kazanım eşanjörünün -100C dış hava sıcaklığında, bir ısı pompası siteminde çalışma değerleri gösterilmiştir.

Şekil 5 ve 6’da görüleceği gibi düşük verimli IGK eşanjörü kullanmak, besleme hava sıcaklığını belli oranda düşürmesine  karşın, evaporatöre giren ve çıkan hava sıcaklığı yükseldiğinden,  buharlaşma sıcaklığının yükselmesinden dolayı sistemin kompresör verimi artmaktadır.

Şekil 5. Yüksek Verimli Karşı Akışlı Isı Geri Kazanım Eşanjörü [1]

Şekil 6. Düşük Verimli Karşı Akışlı Isı Geri Kazanım Eşanjörü [1]

Bu  nedenle, sistemin çalışmasının  en uygun konuma getirilmesi  gerekir. Sabit verimli IGK eşanjörleri ile bu sağlanabilir  ancak evaporatörün buzlanmasının önüne geçilemeyebilir.  Ancak çevrimsel ısı geri kazanımlı (runaround coil) veya döner tekerlekli ısı geri kazanımlı (rotary) sistemleri gibi dinamik ısı geri kazanım verimli ısı geri kazanım sistemleri ile evaporatör çıkış havası sıcaklığının kontrolü sağlanabilir.  Böylece, geri kazanım verimi  en yüksek değere ulaşabileceğinden, hem toplam sistem verimi yükseltilir  hem de evaporatör buzlanma kontrolü sağlanabilir. 

Şekil 7. Çevrimsel Isı Geri Kazanım Eşanjörü[1]

3.2 Çevrimsel IGK Eşanjörlü Klima Santrali

Çevrimsel ısı geri kazanımlı eşanjör sisteminde  çıkış tarafından atılan havanın ısısı  bir boru-kanat eşanjör içinde pompa ile  basınçlandırılarak dolaştırılan suyla  besleme havasına aktarılır.  Dolaştırılan suyun debisinin artması ve azalması IGK verimine doğrudan etki eder. Bu yöntemle, dinamik ısı geri kazanım verimi sağlanabilir.  Kullanılan sirkülasyon pompasının değişken hızlı olarak evaporatör çıkış havası sıcaklığına bağlı olarak kontrol edilmesi ile ısı pompası sistem verimi optimize edilebilir. Özellikle  sağlıkla ilgili olarak kullanılan alanlarda tercih edilen bu sistemlerin ısı pompaları ile  bütünleştirilerek çalıştırılması,  bu  gereksinimi karşılayacaktır.

Şekil 8. Döner Tekerlekli Isı Geri Kazanım Eşanjörü[1]

3.3 Döner Tekerlekli IGK Eşanjörlü Klima Santrali

Döner tekerlekli IGK eşanjörleri daha çok konfor amaçlı taze hava uygulamalarında  kullanılır. Tekerleğin bir tarafından geçen egzoz havası üzerindeki ısı, tekerlek  tarafından emilerek, diğer taraftan geçen taze havaya (besleme havası) aktarılarak ısı geri kazanımı sağlanmış olur. Tekerlek belli hızda dönerek bu ısı alışverişini gerçekleştirir. Tekerleğin dönüş hızı evaporatör çıkış sıcaklığına göre kontrol edildiğinde, aynı şekilde ısı pompası sisteminin verimi en yüksek konuma getirilebilir.

4. SONUÇ

Isı pompalı paket tip taze hava klima santrallerinde  etkin buz çözme kontrol sisteminin uygulanması, istenilen ısıl konforun bozulmasına engel olurken, ısı pompası sistem veriminin  en iyi konuma getirilmesine de olanak sağlamaktadır. Sistemin en uygun ve en yüksek verimle çalışması için, sistem içerisinde yer alan  bileşenlerin tek tek değil, birbirleriyle etkileşimlerine bakarak değerlendirilmesi doğru  olacaktır.

KAYNAKÇA

     1.        Ozan Atasoy – Aiolos Air İleri Havalandırma Teknolojileri A.Ş., Airvent Kongresi – Indirect Evaporative Cooling with Integrated DX Cooling and Heatpump – Sunumu – 2024

   2.        EHPA Web Sitesi – https://www.ehpa.org/about-heat-pumps/

     3.     Danfoss Cool Selector kompresör seçim programı