11. SınıfTesisat Teknolojisi ve İklimlendirme
Tesisat Teknolojisi ve İklimlendirme · 11. Sınıf · Soğutma Çevrimi
Isı pompası, aynı cihazda hem soğutma hem ısıtma yapabilen, ısıyı enerji taşıyıcısı olarak kullanan bir sistem elemanıdır. Soğutma çevriminde mahalden ısı alıp dışarı atan cihaz, ısıtma çevriminde tersine çalışır ve dış ortamdan aldığı ısıyı mahale verir. Bu nedenle tek bir cihazla yılın her döneminde konfor sağlanabilir.
Soğutma çevriminde kompresörün girişinden sıvı akışkan, çıkışından sıcak buhar çıkar; yoğuşma dış ortamda, buharlaşma mahalde gerçekleşir. Isıtmada dört yollu valf akış yönünü tersine çevirir: kompresörün sıcak gaz çıkışı buharlaştırıcıya, soğuk gaz çıkışı yoğuşturucuya bağlanır. Böylece bir zamanlar ısı veren eleman ısı alan, ısı alan eleman ısı veren hâle gelir. Cihazın yön değiştirmesi mekaniksel valfin işlevidir; her ısıtma sezonu başında ve belli periyotlarda kontrol edilmesi gerekir.
Isıtma performansı, mahale verilen ısının tüketilen elektrik enerjisine oranıdır. Kompresör elektriği mahale ısısı olarak gönderdiği için bu değer soğutma performansından bir birim yüksektir. Aynı cihazın soğutma kapasitesi 4,2 kW, tüketimi 1,4 kW ise ısıtma modunda 5,6 kW ısı verir ve performans 4,0 olur. Sulu sistemlerde ise sıcaklık farkı ve debi ölçümleriyle performans sürekli doğrulanır.
Hava-su tipi sistemlerde üretilen ısı suya aktarılır. Suda taşınan ısı; kütle debisi, özgül ısı ve sıcaklık farkının çarpımıdır. Tasarımda sıcaklık farkı bilinçli olarak dar tutulur: aynı ısıyı küçük debi ile taşımak boru kaybını ve pompalanan enerjiyi azaltır. Isıtıcılar radyatör, zemin ısıtma ya da fan-coil gibi elemanlarla ısıyı mahale aktarır. Devrede genleşme kabı bulunmalıdır; aksi hâlde ısınan suyun genleşmesi pompa emme tarafında basınç düşümüne ve hava kabarcığı oluşumuna yol açar.
Hava kaynaklı ısı pompalarında dış ünite yüzeyinde yoğuşan nem düşük sıcaklıklarda donar ve buz tabakası oluşturur. Bu katman ısı transferini düşürür, kompresör basıncı yükselir. Çözme sırasında ısıtma tersine çevrilir veya bir ısıtıcı devreye girer; buz eritilir, su buharlaştırılarak uzaklaştırılır, ardından cihaz normal moda döner. Bu aralarda mahale ısı verilmediği için sezonluk tüketim artar. Çözme sıklığı dış ortam sıcaklığı ve nemine göre izlenmelidir.
Seçimde mahalin ısı yükü, dış ortam sıcaklığı aralığı ve kullanım amacı belirleyicidir. Değişken devirli cihazlar kısmi yükte gereğinden fazla kapasite üretmediği için verimi korur. Devreye almada giriş ve çıkış sıcaklıkları, debi, basınç ve elektrik tüketimi birlikte ölçülür; değerler kayıt altına alınır. Performans tasarım değerinden belirgin düşükse önce ölçüm zinciri, debi, temizlik ve sensörler kontrol edilir; ayarlar yalnız ölçüme dayalı olarak değiştirilir.
Yıllık tüketim, ısı pompasının kullanım oranına doğrudan bağlıdır. Cihaz devrede olduğu sürelerde yedek ısıtıcı tüketimi azalır, toplam enerji düşer. Isıtma eğrisinin mahalin ihtiyacına göre ayarlanması, bakım temizliğinin yapılması ve kısmi yükte değişken devirle çalışması tüketimi azaltan başlıca etkenlerdir. Ölçüm verileri düzenli karşılaştırıldığında tüketim değişimlerinin nedeni kolayca bulunur.
Bu konuda bir soğutma makinesinin ısıtma makinesine nasıl dönüştüğünü ve bu dönüşümün enerji hesabının nasıl kurulduğunu öğreneceksin. Konunun sonunda bir ısı pompasının etiketindeki performans değerini okuyup "bu cihaz mahale kaç kW ısı verir, karşılığında ne kadar elektrik ister" sorusunu kendin cevaplayabilecek; hava kaynaklı, kuyu kaynaklı ve toprak kaynaklı sistemlerin farkını söyleyebileceksin.
Konunun teknik çekirdeği enerji dengesidir: kompresörün elektriği mahale gitmez, mahalden ısı taşır. Isıtmada mahale verilen ısının bir bölümü bu elektriktir, kalanı çevreden çekilir. Bu yüzden "ısı pompası elektriği ısıya çevirir" şeklindeki yaygın anlatım yanlıştır; cihaz ısıyı taşır, dönüştürmez.
Bu konuyu çözebilmen için dört kavramı ayırt edebilmen gerekir.
Wilo sistemlerde ise taşınan ısı üç değişkenin çarpımıdır: kütle debisi, özgül ısı ve sıcaklık farkı. Suyun özgül ısısı yaklaşık 4,18 kJ/(kg·K) olarak alınır. Bu üçünü bilmeden boru çapı ya da pompa seçimi yapılamaz.
Soğuk bir kış gününde odadaki klimayı ısıtmak üzere açtığında cihaz dışarıdan ısı çeker ve odayı ısıtır. Buradaki şaşırtıcı olay şudur: odayı ısıtmak için dışarıdan ısı alıyorsun. Bu fiziksel olarak mümkündür çünkü ısı, sıcak yerden soğuk yere kendiliğinden değil, üçüncü bir sistem (akışkan) yardımıyla taşınır.
Sayısal olarak düşünelim. Cihazın ısıtma performansı 4,0 ise ve saatte 1 kWh elektrik çekiyorsa mahale verilen ısı 4 kWh'dir. Enerji dengesine göre çevreden çekilen ısı 4 − 1 = 3 kWh olur. Yani cihaz elektriğin kendisine ek olarak çevreden üç katı kadar ısı taşır.
Bu hesabın "bedava" olduğu anlamına gelmediği de ayrıca not edilmelidir. Yılın geri kalanındaki soğuk günlerde ısı pompası, dış ortamdan çekebileceği ısı azaldığı için aynı mahale ısıyı verebilmek için daha uzun süre çalışmak zorunda kalır. Sezonluk tüketim, tek bir gecenin performans değeriyle değil, ısıtma eğrisiyle hesaplanır.
Isıtma performansı ile soğutma performansı arasındaki ilişki, ısıtma sezonu hesabının ilk adımıdır. Isıtma performansı, aynı cihazda soğutma performansından tipik olarak yaklaşık %25 daha yüksek çıkar. Konunun önceki bölümünde verilen örnekte ısıtma performansı 4,0 olduğuna göre soğutma performansı 4,0 / 1,25 = 3,2 olurdu. Bu ilişki kuraldır, sabit değil; cihazın veri sayfasından alınan değer esas alınır.
Şimdi su devresinin taşıdığı ısıyı hesaplayalım. Bir ısı pompasının ürettiği sıcak su, kütlesel debisi 1000 kg/saat, su sıcaklığı girişte 35 °C, çıkışta 40 °C olan bir zemin ısıtma devresini besliyor.
1. Sıcaklık farkı: 40 − 35 = 5 K.
2. Saatte taşınan enerji: 1000 kg/h × 4,18 kJ/(kg·K) × 5 K = 20900 kJ/h.
3. Watt cinsine çevir: 1 saat = 3600 saniye olduğundan 20900 / 3600 = 5,81 kW ısı taşınıyor.
4. Performans katsayısıyla karşılaştır. Eğer cihaz 5,81 kW ısıyı 1,75 kW elektrikle üretiyorsa performans 5,81 / 1,75 = 3,32 çıkar. Bu değer makul bir aralıktadır; performans çok yüksek çıkıyorsa hesaplanan debi ile ölçülen debinin aynı olmadığı düşünülmelidir.
Debiyi bilmeden performansı da bilemezsin. Performans katsayısı; ısı pompasının elektriğe göre ne kadar çok ısı taşıdığını gösteren bir oran olduğu için debi ve sıcaklık farkı onun paydasındaki elektriğe göre bağımsızdır. Sahada "performans yüksek çıktı, demek ki sistem iyi" demek eksiktir; yüksek değer düşük akımla, düşük değer yüksek akımla da oluşabilir.
Soru: Bir konutun ısıtma yükü 8,4 kW'dır. Isıtma sezonunda ısı pompası, performans katsayısı 4,0 olan bir cihazla günde 6 saat tam yükte çalışmaktadır. Bir ayda (30 gün) kaç kWh elektrik harcar ve bu sürede mahale ne kadar ısı verir?
Cevap: Yaklaşık 378 kWh elektrik ve 1512 kWh ısı. Buradaki 6 saatlik çalışma "tam yükte" varsayımına dayanır; kısmi yükte çalışılan saatlerde performans genellikle daha yüksek olduğundan gerçek tüketim bu değerden düşük çıkabilir.
Isı pompası tasarımında ilk karar, ısının nereden alınacağıdır. Kaynak seçimi, cihazın performansını, yatırımı ve devre gereksinimini birlikte belirler. Aşağıdaki tablo, yaygın kaynak türlerini karşılaştırır.
| Kaynak türü | Isı taşıyıcı | Temel avantajı | Temel sınırlaması | Ek devre gereksinimi |
|---|---|---|---|---|
| Hava kaynaklı | Dış ortam havası | En yaygın çözüm; dış ünite kurulumu yeterlidir | Dış sıcaklık düştükçe performans hızla azalır | Hava kanalları; drenaj hattı |
| Yüzey suyu / kuyu kaynaklı | Kuyudan çekilen su | Yıl boyu kararlı kaynak sıcaklığı; yüksek performans | Kuyu kazısı ve su hakkı gerektirir | Pompa istasyonu, kum ve tortu filtresi |
| Toprak — yatay boru | Toprak | Kurulum maliyeti görece düşüktür | Alan ihtiyacı büyüktür; yeraltı kotu sınırlar | Boru döşeme, antifriz koruması |
| Toprak — dikey kuyu | Toprak | Alan ihtiyacı çok azdır, verim yüksektir | Kuyu kazısı pahalı ve kazıçıl risklidir | İç döşeme hattı, doldurma malzemesi |
| Endüstriyel atık ısı | Proses suyu veya yağ devresi | Çalışma için ek yakıt gerekmez, yıl boyu çalışabilir | Kaynak her zaman mevcut değildir; arıza hâlinde yedek gerekir | Yedek ısıtıcı, eşit çalışma kontrolü |
| Atık hava ısı geri kazanımı | Egzoz veya genel hava | Isı hem ısıtma hem soğutma için kullanılabilir | Kaynak sıcaklığı düşükse verim sınırlıdır | Yedek devre, hava filtrasyonu |
| Şebeke / sıcak su kaynaklı | Sıcak su şebekesi | Yerleşim alanı gerekmez | Suyun sıcaklığı ve basıncı sınırlayıcıdır | Ayırıcı eşanjör, pompa grubu |
Tabloyu okurken şu noktayı ayrı tut: bütün kaynaklar "daha iyi" değildir, hepsi farklı koşullarda uygundur. Dış ortam sıcaklığı hiç düşmeyen bir bölgede kuyu kaynaklı sistemin avantajı, sürekli bir üretim hattı olan bir tesiste egzoz ısısının avantajına göre belirgin biçimde artar. Seçim, en iyi teknolojiyi değil o binanın koşullarına en uyan teknolojiyi bulmaktır.
Özet. Isıtma çevrimi soğutma çevriminin tersidir ve dört yollu valf bunu sağlar; eskiden ısı veren eleman ısı alan, ısı alan eleman ısı veren hâle gelir. Isıtma performansı, mahale verilen ısı gücünün çekilen elektrik gücüne oranıdır ve tipik olarak soğutma performansından yaklaşık %25 yüksektir. Enerji dengesi verilen ısı = elektrik + çevreden çekilen ısı biçimindedir; elektrikten çok ısı üretilmesinin nedeni budur. Su devresinde taşınan ısı kütle debisi, özgül ısı (≈4,18 kJ/(kg·K)) ve sıcaklık farkının çarpımıdır. Performans katsayısını değerlendirirken debi ile sıcaklık farkının da ölçülmesi gerekir. Hava, kuyu suyu, toprak ve atık ısı kaynakları farklı avantaj ve sınırlamalara sahiptir; seçim binanın koşullarına göre yapılır. Çözme, dört yollu valf bakımı, tampon depo ve ısıtma eğrisi takibi, tüketimi belirleyen başlıca etkenlerdir.
Kendini dene. Beş soruyu önce kendin çöz, sonra açıklamayla karşılaştır.
Soğutma çevriminde kompresörün girişinden sıvı akışkan, çıkışından sıcak buhar çıkar; yoğuşma dış ortamda, buharlaşma mahalde gerçekleşir. Isıtmada dört yollu valf akış yönünü tersine çevirir: kompresörün sıcak gaz çıkışı buharlaştırıcıya, soğuk gaz çıkışı yoğuşturucuya bağlanır. Böylece bir zamanlar ısı veren eleman…
Bu konuda bir soğutma makinesinin ısıtma makinesine nasıl dönüştüğünü ve bu dönüşümün enerji hesabının nasıl kurulduğunu öğreneceksin. Konunun sonunda bir ısı pompasının etiketindeki performans değerini okuyup "bu cihaz mahale kaç kW ısı verir, karşılığında ne kadar elektrik ister" sorusunu kendin cevaplayabilecek…
Isı pompası, aynı cihazda hem soğutma hem ısıtma yapabilen, ısıyı enerji taşıyıcısı olarak kullanan bir sistem elemanıdır. Soğutma çevriminde mahalden ısı alıp dışarı atan cihaz, ısıtma çevriminde tersine çalışır ve dış ortamdan aldığı ısıyı mahale verir. Bu nedenle tek bir cihazla yılın her döneminde konfor…
Isı pompası ısıyı enerji taşıyıcısı olarak taşır, ısı üretmez.
Isıtma performansını soğutma performansı sanmak: Isıtma modunda mahale verilen ısı, kompresörün elektriği ile soğutma kapasitesinin toplamıdır; performans bir birim yüksektir. Isı pompasının ısı ürettiğini düşünmek: Cihaz ısı üretmez, düşük sıcaklıktaki ısıyı elektrik enerjisi yardımıyla taşır; enerji hesabı faydalı…
Isıtma modunda çalışan bir ısı pompasının dört yollu valfi ne işi yapar?
Doğru cevap: A) Akış yönünü değiştirir, sıcak gazı kompresör girişine yönlendirir
Akış yönünü değiştirir, kavramı Isıtma Çevrimi ve Isı Pompaları konusunun temel bir kavramıdır. Detaylar konu anlatımında verilmiştir.
Isıtma performans katsayısı nasıl hesaplanır?
Doğru cevap: D) Mahale verilen ısının tüketilen elektrik enerjisine oranıyla
Performans katsayısı her zaman faydalı çıktının girdiye oranıdır. Isıtma tarafında faydalı çıktı mahale verilen ısı, girdi ise tüketilen elektrik enerjisidir; katsayı birimsizdir.
Isıtma modunda çalışan bir sistemin soğutma kapasitesi 4,2 kW, elektrik tüketimi 1,4 kW'dır. Isıtma performansı kaçtır?
Doğru cevap: C) 4,0
Isıtma modunda kompresörün devreye verdiği elektrik enerjisi ile soğutma kapasitesi toplanarak ısı olarak mahale verilir. Bu değer tüketilen güce bölündüğünde ısıtma performansı = 4,0 olarak bulunur; soğutma performansından bir birim yüksektir.
Konu anlatımları hesapsız okunur. Quiz, slayt ve deneme için hesap gerekir.
Tesisat Teknolojisi ve İklimlendirme için çalışma yolu
Konu anlatımları hesapsız okunur; quiz, slayt ve deneme için hesap gerekir.
Bu sayfa Isıtma Çevrimi ve Isı Pompaları konusunun anlatımını, kazanımlarını ve örnek sorularını içerir. Konuyla ilgili tüm sorular için testi çöz, diğer konular için DersTeders ana sayfasına geçebilirsin.
Bu konuyu çalış: hesap aç, ilerlemen kaydedilsin.
Hesap aç