1 1. GİRİŞ Enerji gereksinimimizi daha çok fosil yakıt ve tükenebilir kaynaklardan karşıladığımız günümüz şartlarında enerji kaynaklarının tükenmesi gibi bir problem ile karşı karşıyayız. Bu problemin farkında olan gelişmiş ülkeler şimdiden bu problemin çözümü için devlet desteği çerçevesinde doğal kaynaklara mümkün olduğunca az zarar veren ve tükenmeyen enerji alternatiflerinin geliştirilmesi ve uygulamasına yönelmişlerdir. Bir devlet politikası olarak benimsenen bu yapılanma gelişmiş ülkelerde özendirilmekte ve devlet tarafından desteklenmektedir. Günümüzde tükenebilir enerji kaynaklarının ( kömür, doğal gaz, petrol vb. ) yüksek maliyetlerinden dolayı alternatif enerji kaynaklarına yönelmemiz gerektiği de bir diğer gerçektir. [1] Jeotermal enerji, dalga enerjisi, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, ısı pompaları gibi yenilenebilir enerji kaynakları popüler konular olarak gündemde yer almaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları çevre şartlarıyla sıkı bir ilişki içerisindedir. Dolayısıyla ülkelerin kendi çevre şartlarına göre bunlardan bir veya birkaçının kullanımını desteklemesi çağdaş enerji politikaları kapsamında yer tutar. Bunların arasında güneş enerjisi sistemleri ve ısı pompaları enerji ekonomisi ve ekolojik dengenin bozulmadan korunabilmesi amacıyla ülkemizde mevcut potansiyelleri de göz önünde bulundurularak cazip hale gelmektedir[3]. Avrupa ve ABD de güneş enerjisi sistemleri ve ısı pompaları yaygın bir şekilde uygulanmakta ve bu çalışmalar devlet teşviki ile birlikte yürütülmektedir. ABD de her yıl 50,000 üzerinde toprak kaynaklı ısı pompası(TKIP- GSHP) satılmaktadır ve toplamda 1,000,000 üzerinde olduğu tahmin edilmektedir. Ülkemizdeki çalışmalar ise dünyadaki uygulamalarla karşılaştırıldığında oldukça düşük bir seviyede bulunmaktadır[8]. Ekonomik ve sosyal kalkınmanın gerektirdiği enerjiyi herhangi bir darboğaza düşmeden, en ekonomik maliyetlerle ve çevreyi koruyarak karşılamak gerekmektedir. Nitekim yedinci beş yıllık kalkınma planında bu husus, "Enerji sektöründe temel amaç, artan nüfusun ve gelişen ekonominin enerji ihtiyaçlarının sürekli ve kesintisiz bir şekilde ve mümkün olan en düşük maliyetlerle karşılanabilmesi olarak ortaya konmuştur. "Sektörde azalan doğal kaynaklar, artış göstermesi beklenen maliyetler ve büyüyen talep göz önüne alınarak, uzun dönemde güvenilir ve düşük maliyetli bir enerji arz sisteminin kurulması esastır. Bu doğrultuda yurt içi enerji kaynaklarının geliştirilmesi ve tüketimindeki payı zamanla artacak, ithal kaynakların temini için
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
1. GİRİŞ
Enerji gereksinimimizi daha çok fosil yakıt ve tükenebilir kaynaklardan
karşıladığımız günümüz şartlarında enerji kaynaklarının tükenmesi gibi bir problem ile
karşı karşıyayız. Bu problemin farkında olan gelişmiş ülkeler şimdiden bu problemin
çözümü için devlet desteği çerçevesinde doğal kaynaklara mümkün olduğunca az zarar
veren ve tükenmeyen enerji alternatiflerinin geliştirilmesi ve uygulamasına
yönelmişlerdir. Bir devlet politikası olarak benimsenen bu yapılanma gelişmiş ülkelerde
özendirilmekte ve devlet tarafından desteklenmektedir. Günümüzde tükenebilir enerji
kaynaklarının ( kömür, doğal gaz, petrol vb. ) yüksek maliyetlerinden dolayı alternatif
enerji kaynaklarına yönelmemiz gerektiği de bir diğer gerçektir. [1]
Jeotermal enerji, dalga enerjisi, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, ısı pompaları gibi
yenilenebilir enerji kaynakları popüler konular olarak gündemde yer almaktadır.
Yenilenebilir enerji kaynakları çevre şartlarıyla sıkı bir ilişki içerisindedir. Dolayısıyla
ülkelerin kendi çevre şartlarına göre bunlardan bir veya birkaçının kullanımını
desteklemesi çağdaş enerji politikaları kapsamında yer tutar. Bunların arasında güneş
enerjisi sistemleri ve ısı pompaları enerji ekonomisi ve ekolojik dengenin bozulmadan
korunabilmesi amacıyla ülkemizde mevcut potansiyelleri de göz önünde bulundurularak
cazip hale gelmektedir[3]. Avrupa ve ABD de güneş enerjisi sistemleri ve ısı pompaları
yaygın bir şekilde uygulanmakta ve bu çalışmalar devlet teşviki ile birlikte
yürütülmektedir.ABD de her yıl 50,000 üzerinde toprak kaynaklı ısı pompası(TKIP-
GSHP) satılmaktadır ve toplamda 1,000,000 üzerinde olduğu tahmin edilmektedir.
Ülkemizdeki çalışmalar ise dünyadaki uygulamalarla karşılaştırıldığında oldukça düşük
bir seviyede bulunmaktadır[8].
Ekonomik ve sosyal kalkınmanın gerektirdiği enerjiyi herhangi bir darboğaza
düşmeden, en ekonomik maliyetlerle ve çevreyi koruyarak karşılamak gerekmektedir.
Nitekim yedinci beş yıllık kalkınma planında bu husus, "Enerji sektöründe temel amaç,
artan nüfusun ve gelişen ekonominin enerji ihtiyaçlarının sürekli ve kesintisiz bir
şekilde ve mümkün olan en düşük maliyetlerle karşılanabilmesi olarak ortaya
konmuştur.
"Sektörde azalan doğal kaynaklar, artış göstermesi beklenen maliyetler ve
büyüyen talep göz önüne alınarak, uzun dönemde güvenilir ve düşük maliyetli bir enerji
arz sisteminin kurulması esastır. Bu doğrultuda yurt içi enerji kaynaklarının
geliştirilmesi ve tüketimindeki payı zamanla artacak, ithal kaynakların temini için
2
gerekli projeler başlatılacak, ürün bazında ve kaynak ülke bazında çeşitlendirmeye
gidilecektir" ve " Yurtiçi enerji kaynaklarının miktar ve kalite olarak yetersiz ve yüksek
maliyetli olması, ithal enerji kaynaklan için gerekli döviz ihtiyacı, asın enerji
kullanımının çevre sorunu yaratması gibi nedenlerden dolayı, sanayide ve toplumsal
yasamın her kesiminde enerji yoğunluk değerlerinin aşağıya çekilmesi,verimliliğin
artırılması ve tasarruf programlarının hayata geçirilmesi sağlanacaktır" şeklinde ifade
edilmiştir[3].
Öte yandan, enerjinin üretimi, çevrimi, iletimi ve tüketiminden kaynaklanan
çevresel sorunlar ve çevrenin korunması konusu dünya ülkelerinin enerji politikaları ve
programlan içinde giderek daha ağırlıklı biçimde dikkate alınmaya başlanmıştır.Buna
paralel olarak, Türkiye'nin hızla büyüyen enerji ihtiyacının ucuz olarak karşılanmasının
yanı sıra çevre kirliliğinin de kontrol altına alınması gittikçe daha fazla önem
kazanmaktadır.
Enerji politikalarının esas amacı, sosyo-ekonomik gelişmeyi kuvvetlendirirken
aynı zamanda çevreyi korumak ve iyileştirmek olduğundan, dünya ülkeleri enerji
politikaları ve programlan içinde giderek daha ağırlıklı bir şekilde göz önüne alınmaya
başlanan çevre konusunda ülkemiz diğer ülkelerdekine paralel bir görüşle yaklaşmakta,
çevrenin korunarak iyileştirilmesi gerekliliğine inanmakta, çevre kirliliğini ve sera gazı
emisyonlarını azaltıcı çeşitli faaliyetlerde bulunmakta ve önlemler almaktadır.
Çevreye olan zararlı etkileri konvansiyonel sistemlere göre daha az olan ısı
pompalı sistemlerin özellikleri, toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin dizayn aşamaları
ve meteorolojik değişimlerin, ısı pompası termodinamik özelliklerini nasıl etkilediğinin
incelenmesi bu tez çalışmasının konusunu oluşturmaktadır[3].
1.2. Isı Pompasının Teknik Gelişimi
Soğutma makinesi ile aynı termodinamik çevrime göre çalışan ısı pompasının ilk
prensibi, 1824 yılında Carnot tarafından tanıtılmıştır. Uygulamaya geçirilmesi, 1850’de
Lord Kelvin’in soğutma cihazlarının ısıtma amacıyla kullanılmasını önermesi ile
gerçekleştirilmiştir.Lord Kelvin’in havayı is gören akışkan olarak kullandığı bu
sistemde dış ortam havası bir silindire çekilir ve burada genişletilerek hem sıcaklığın
hem de basıncın düşürülmesi sağlanır. Daha sonra hava, dış ortama yerleştirilen bir ısı
değiştiricisine gönderilerek genleştirilir, soğuyan havanın dış ortamdan ısı çekmesi
sağlanır. Isınan hava tekrar normal atmosferik hava basıncına sıkıştırılarak odaya
3
verilir. Ancak sıkıştırıldığı için sıcaklığı normal atmosfer sıcaklığından daha yüksektir.
Lord Kelvin “ısı yükselticisi” adını verdiği cihazın doğrudan yanmaya verilen enerjinin
%3’ü ile ısı ürettiğini belirtmiştir. Daha sonra pek çok bilim adamı ve mühendisin,
yaklaşık 80 yıl gibi bir süre içinde yaptıkları araştırmalar sonunda, ısı pompası konfor
ısıtmasında uygulanabilir hale gelmiştir[3].
1927 yılına İskoçya’da çalışmalarına başlayan, aynı zamanda ısı pompasının
isim babası olan Hadlere bu konudaki yayınını 1930 yılında yapmıştır. Avrupa’da ilk
büyük ısı pompası, Zürich’te belediye binasının ısıtılması amacıyla 1938 yılında 175
kW ısıtma gücünde dizayn edilmiştir. Amerika’da imal edilen ilk ısı pompaları, 1940
yılında pazarlanmıştır. Isı pompalarının imalatı, 1952 yılında 1000, 1954’te bunun iki
katı, 1957’de on misli olarak gerçekleşmiştir. 1963 yılında imal edilen ısı pompası
sayısı 76000 olmuştur. Çoğu Güney Amerika’da kurulmuş olan bu tesisler ile kıs
aylarında ısıtma sağlayabilecek şekilde kurulan kombine ısı pompaları, klasik
sistemlerle rekabet etme imkanına ulaşmıştır. 1973 yılında yaşanan enerji krizinden
sonra ısı pompalarına ilgi artarak, 1976 yılında 300,000 adet üretilmiştir. Amerika’da
1978’den sonra inşa edilen binaların %25’inin ısı pompası ile ısıtılması
planlanmıştır[8]. 1980’li yıllarda ısı pompası imalatı bir milyon cihaz/yıl’lık bir
kapasiteye ulaşmıştır. Gelişmiş sanayi ülkelerinde, atık ısı kaynaklarından ısı transferi
için, ısı pompalarından geniş çaplı olarak yararlanıldığı görülmektedir. Gelişmekte olan
ve enerjisinin büyük bir bölümünü ithal eden ülkemizde, enerjinin önemi çok daha
büyüktür. Halen ülkemizde kullanılan alışılagelmiş enerji kaynaklarından petrol ve
kömür bunlarla birlikte hava kirliliğini azaltma amaçlı kullanılan doğal gaz, ithal yolu
ile karşılanmaktadır. Bu ise Türkiye bütçesinde önemli yer tutmaktadır[4].
1.3. Isı Pompasının Tanımı ve Çalışma Prensibi
Gerek sanayide ve gerekse günlük yaşamda ısıtma ve soğutmanın önemi ve bu
amaç ile sarf edilen enerjinin toplam enerji tüketimi içindeki payının yüksekliği,
araştırmaların enerji kullanımında verimliliğin artırılmasında ve güneş enerjisinden atık
ısıya kadar geniş bir yelpaze içerisinde çeşitli kaynakların değerlendirilmesinde
yoğunlaşmasına neden olmuştur.Son yıllarda ülkemizde de adını özellikle konut ısıtma
amaçlı olarak sıkça duymaya başladığımız ısı pompası sistemlerinde dış hava, toprak,
nehir suyu, göl suyu,... gibi bir ortam kış şartlarında düşük sıcaklık kaynağı olarak
kullanılarak alınan ısı , ısıtılması hedeflenen hacimde aktarılmakta; yaz şartlarında ise
4
serinletilmesi hedeflenilen hacimden alınan ısı bu sefer yüksek sıcaklık kuyusu olarak
görev yapan dış hava, toprak, nehir suyu, göl suyu, vb'ne transfer edilmektedir.Sıcaklık
kaynağı veya kuyu olarak kullanılacak ortamın seçilmesi ise iklim şartları, coğrafik
yerleşim, ilk yatırım maliyeti gibi pek çok faktöre bağlı olmaktadır.Carnot, Buharlı Güç
Çevriminin ters çalıştırılması ile ısının çevreden alınıp, yüksek sıcaklık bölgesine
transfer edilebileceğini fark etmiş; ancak, bu prensibe dayanan ısı pompalarının pratikte
uygulanabilirliği fikri ilk defa William Thompson (daha sonra Lord Kelvin) tarafından
ortaya atılmış (1852); belirgin bir şekilde uygulama alanına girmesi ise II. Dünya
Savaşından sonra olmuştur.Isı pompası basit olarak ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir
ortama taşıyan ve elektrikle beslenen bir sistemdir. Bilindiği üzere enerji vardan yok,
yoktan var edilemez, sadece ya biçim değiştirir yada bir yerden bir yere taşınır. Isı
pompası da adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama "pompalama" veya
"taşıma" kabiliyetinden alır. Örnek olarak dalgıç pompalar verilebilir. Dalgıç pompalar
nasıl suyu üretmiyorlarsa, isi pompaları da ısıyı üretmeyip sadece taşırlar. Dalgıç
pompalarının su pompalaması için bir su kaynağına daldırılmalarına benzer olarak, ısı
pompaları da yeryüzünde bir enerji kaynağına temas etmedikleri sürece ısıyı
taşıyamazlar. Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük maliyetlerle
kullanıma sunulabilir[1].
5
İçinde bulunduğumuz çevrede de büyük miktarda enerji depo edilmekte olup (toprakta,
suda ve havada), bu enerji ısıma yoluyla sürekli olarak güneş tarafından
yenilenmektedir. Isının düşük sıcaklıktaki kaynaklardan özümlenmesindeki ana esaslar
son yıllarda soğutma ve iklimlendirme ile ilgili olarak geliştirilen teknolojilerde
kullanılan ilkelerle aynıdır. Isı pompasında amaç bir ortamı ısıtmak iken soğutma
tesislerinde amaç ortamı soğutmaktır. Isı pompası ısı akış yönü itibariyle
termodinamiğin sıfırıncı yasasına aykırı düşmektedir. Sıfırıncı yasa ısının yüksek
sıcaklık ortamından düşük sıcaklık ortamına akacağını ifade ederken, ısı pompasında ısı
akımı bu ifadenin tamamen tersi bir durumda meydana gelmektedir. Termodinamiğin
ikinci kanununa göre düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa ısı aktarımı olabilmesi için
belli bir iş yapılması gerekir. Bu amaçla genellikle elektrik motoruyla çalışan
kompresörler kullanılır[1,2,3].
1.4.Buhar Sıkıştırmalı Isı Pompaları
Sistem kompresör, genleşme valfı ve iki adet eşanjörden meydana gelmektedir.Aşağıda
buhar sıkıştırmalı ısı pompasının ana elemanları gösterilmektedir. Çalışma akışkanı
bu dört parça içinde çevrim yapar. Buharlaştırıcıda, akışkanının sıcaklığı ısı kaynağının
sıcaklığının altında tutulur. Böylece buharlaştırıcıdaki akışkanının ısı kaynağından ısı
alarak buharlaşması sağlanır. Buhar kompresörde yüksek basınca ve sıcaklığa
sıkıştırılır. Sıcak buhar yoğuşturucuya girer ve yoğunlaşarak ısısını dışarı verir. Son
olarak yüksek basınçlı çalışma akışkanı genleşme valfinde genleştirilerek buharlaştırıcı
basınç ve sıcaklığına getirilir. Ortamdan buharlaştırıcıya soğutucu akışkanın buharlaşma
entalpisini sağlamak üzere bir ısı akımı olur. Buharlaşan akışkan daha sonra sıkıştırılır
ve bu sıkıştırma sırasında sıcaklığı yükselir. Çalışma akışkanı ilk durumuna dönmüş
olur ve tekrar buharlaştırıcıya girer. Kompresör genellikle elektrik motoru veya içten
yanmalı motorlar ile çalışmaktadır. [2]
6
1.4.1Performans katsayısı (COP)
Performans katsayısı (COP) ısı pompası verimliliğinin en yaygın ölçüsüdür. COP ısı
pompasının ısı çıkısının elektrik girişine oranı olup aşağıdaki gibi tanımlanır.
COP=
Mesela, hava kaynaklı ısı pompaları genellikle 2 ile 4 arasında değişen COP’lara
sahiptir. Bu şunu ifade etmektedir; enerji tüketimlerinden 2 ile 4 kez daha fazla enerji
vermektedir. Su ve toprak kaynaklı ısı pompaları ise genellikle 3 ile 5 arasındaki COP
değerlerine sahiptir. Hava kaynaklı ısı pompalarının COP değerleri dış ortam sıcaklık
düşmelerine bağlı olarak azalmaktadır. Bundan dolayı, genellikle iki COP değerleri
sistem için verilmektedir: birincisi 8.3°C ve diğeri 9.4
°C . COP’lar karşılaştırılırken,
değerler mutlaka dış ortam sıcaklıklarına bağlı olarak alınmalıdır. Toprak ve su
kaynaklı ısı pompaları için COP’lar büyük ölçüde değişmez. Çünkü toprak ve su
sıcaklıkları hava sıcaklıklarına göre daha fazla sabittir. COP’ların karşılaştırması bilgi
amaçlıdır, ısı pompasının değerlendirmesi için kesin bir sonuç ortaya sunmaz. Dış ortam
sıcaklığı 44°C ’nin altına düştüğü zaman, periyodiksel olarak ısı pompasının dış ortam
ısı değiştirgeçlerinin buzları temizlenmelidir. Isı pompası ısıtma çevrimindeyken, dış
ortam ısı değiştirgeçleri sıcaklığı donma noktasının altındadır. Isı pompası ünitesinin
enerji temelli verimlilik ölçümü (COPısıpomp) ve toplam ısı pompası sistemi
(COPsistem) aşağıdaki gibi tanımlanmıştır[1].
Şekil 1.2'de performans katsayısının evaporatör ve kondenser sıcaklıklarının farkı ile
değişimi verilmiştir.
7
1.5.Absorbsiyonlu Isı Pompası
Absorbsiyonlu ısı pompalarında kullanılan akışkan, çoğunlukla iki farklı akışkandan
(NH3-su, LiBr-su gibi) meydana gelir. Çalışma akışkanı yüksek basınç ve sıcaklıkta
jeneratörde ısıtılmakta buharlaşma sıcaklığı düşük olan akışkan (NH3, LiBr)