T.C. SÜLEYMAN DEM İREL ÜNİVERSİTESİ

FENBİLİMLER İ ENSTİTÜSÜ

TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASININ TERMOD İNAM İK ANAL İZİ

Ahmet ELBİR

Danışman: Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT

YÜKSEK L İSANS TEZİ MAK İNA EĞİTİMİ ANABİLİMDALI

ISPARTA-2010

TEZ ONAYI

Ahmet ELBİR tarafından hazırlanan “TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASININ

TERMODİNAM İK ANAL İZİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği

/ oy çokluğu ile Süleyman Demirel Üniversitesi Makina Eğitim Anabilim Dalı’nda

YÜKSEK L İSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman : Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT (İmza)

( S.D.Ü. Makina Eğitim A.B.D )

Jüri üyeleri :

Yrd. Doç. İbrahim ÜÇGÜL (İmza)

( S.D.Ü. Tekstil Mühendisliği A.B.D )

Yrd. Doç. Reşat SELBAŞ (İmza)

( S.D.Ü. Makina Eğitim A.B.D )

Prof. Dr. Mustafa KUŞCU Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

i

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İÇİNDEKİLER ............................................................................................................. i

ÖZET……………......................................................................................................iv

ABSTRACT................................................................................................................. v

TEŞEKKÜR................................................................................................................ vi

ŞEKİLLER DİZİNİ....................................................................................................vii

ÇİZELGELER DİZİNİ ............................................................................................... ix

SİMGELER VE KISALTMALAR.............................................................................. x

1. GİRİŞ ………………………………………………………………………………1

2. KAYNAK ÖZETLERİ ............................................................................................ 4

3. MATERYAL VE YÖNTEM .................................................................................18

3.1. Isı Pompasının Teknik Gelişimi.......................................................................... 18

3.2. Isı Pompasının Tanımı ve Çalışma Prensibi ....................................................... 19

3.3. Isı Pompalarında Kullanılan Isı Kaynakları........................................................ 21

3.3.1. Hava ................................................................................................................. 23

3.3.2. Su. .................................................................................................................... 24

3.3.3. Yeraltı suyu ...................................................................................................... 24

3.3.4. Yerüstü suyu .................................................................................................... 24

3.3.5. Toprak .............................................................................................................. 25

3.3.6. Güneş enerjisi................................................................................................... 26

3.4. Isı Kaynakları ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre Isı Pompalarının

Sınıflandırılması.......................................................................................... 27

3.4.1. Hava-su ısı pompası ......................................................................................... 27

3.4.2. Toprak-su ısı pompası...................................................................................... 27

3.5. Toprak kaynaklı ısı pompası tipleri .................................................................... 27

3.5.1. Toprak ısı değiştirici tipleri.............................................................................. 28

3.5.1.1. Yatay toprak ısı değiştiricileri....................................................................... 30

3.5.1.2 Dikey toprak ısı değiştiricileri........................................................................ 31

3.6. Isı Pompası Elemanları ....................................................................................... 32

3.6.1 Kompresörler .................................................................................................... 32

3.6.2. Buharlaştırıcılar (Evaporatörler) ...................................................................... 32

ii

3.6.3. Yoğuşturucular................................................................................................. 33

3.6.4. Basınç ayarlayıcılar (Genleşme valfleri).......................................................... 34

3.6.5. Kumanda kontrol cihazları ve diğer yardımcı elemanlar................................. 34

3.7. Isı Pompalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlar .............................................34

3.7.1. CFC (Kloroflorokarbon) .................................................................................. 34

3.7.2. HCFC (Hidrokloroflorokarbon) ....................................................................... 35

3.7.3. HFC (Hidroflorokarbon) .................................................................................. 35

3.7.4. Karışımlar......................................................................................................... 36

3.7.5. Doğal akışkanlar .............................................................................................. 36

3.7.5.1. Amonyak....................................................................................................... 36

3.7.5.2. Hidrokarbonlar (HC)..................................................................................... 37

3.7.5.3. Su .................................................................................................................. 37

3.7.5.4. Karbondioksit (CO2) ..................................................................................... 37

3.7.6 Salamuralar ....................................................................................................... 37

3.7.6.1. Glikol katkılı salamuralar.............................................................................. 38

3.7.7. Alternatif soğutucu akışkanlar ......................................................................... 38

3.7.7.1. R-134A soğutucu akışkanının özellikleri...................................................... 39

3.7.8. Bir soğutucu akışkandan beklenen özellikler................................................... 39

3.8. Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Avantajları ve Dezavantajları......................... 41

3.8.1. Avantajları........................................................................................................ 41

3.8.2 Dezavantajları ................................................................................................... 42

3.9. Termodinamiğin Tanımı ve Termodinamik Kanunları....................................... 43

3.9.1 Isı ve sıcaklık: ................................................................................................... 43

3.9.2. Termodinamiğin sıfırıncı yasası....................................................................... 44

3.9.3. Termodinamiğin birinci yasası......................................................................... 44

3.9.4. Termodinamiğin ikinci yasası .......................................................................... 47

3.9.5. Termodinamiğin üçüncü yasası........................................................................ 50

3.10. Ekserji ............................................................................................................... 51

3.10.1. Ekserjinin tanımı ve ekserji kayıpları ............................................................ 51

3.10.1.1 Çevre ve ölü haller ...................................................................................... 52

3.6.1.2 Ekserji bileşenleri........................................................................................... 53

3.10.2 Fiziksel ekserji ................................................................................................ 53

iii

3.10.3 Ekserji dengesi ................................................................................................ 56

3.10.3.1 Kapalı sistem ekserji dengesi ..................................................................... 56

3.10.3.2 Kontrol hacmi ekserji dengesi...................................................................... 59

3.10.3.3 Standart kimyasal ekserji ............................................................................. 63

3.10.3.4 Gazların ve gaz karışımlarının standart kimyasal ekserjisi.......................... 63

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTI ŞMA .................................................... 66

4.1. Isı Pompası Yapılacak Binanın Belirlenmesi...................................................... 68

4.2. Ofis Yapısı ve Sisteminin Belirlenmesi .............................................................. 69

4.3. Binadaki Enerji İhtiyacının Belirlenmesi............................................................ 69

4.4. Aylık Isı Gereksinimi.......................................................................................... 72

4.5. Genel Analiz ....................................................................................................... 73

4.5.1. Sistemin ekserji analizi .................................................................................... 74

4.6. Toprak kaynaklı ısı pompasının Performans Katsayıları .................................... 80

4.6.1. Performans katsayısı (COP)............................................................................. 80

4.7. Değerlendirme..................................................................................................... 81

5. SONUÇ .................................................................................................................. 87

6. KAYNAKLAR ...................................................................................................... 88

ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................... 92

iv

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASININ TERMOD İNAM İK ANAL İZİ

Ahmet ELBİR

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Makine Eğitimi Anabilim Dalı

Danışman: Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT Isı pompası, dışarıdan enerji verilmesi ile düşük sıcaklıktaki bir ortamdan aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren bir makinedir. Optimum performans, daha yüksek sıcaklıktaki bir bölgeye belirli miktardaki ısıyı atmak için gerekli işin minimuma indirilmesi ile elde edilebilmektedir. Isı pompası sitemi ılık günlerde, bir iklimlendirme cihazı, daha soğuk günlerde ise bir ısıtma ünitesi olarak çalışmak üzere dizayn edilebilmektedir. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri daha çok ticari binalar ve konutların ısıtılması veya soğutulması için kullanılmaktadır. Toprak sıcaklığı genellikle yıl boyunca sabittir, fakat toprak sıcaklığı, büyük oranda toprak cinsine ve nem içeriğine bağlı olarak değişmektedir. Bu tezde Göller Bölgesi (Antalya, Burdur ve Isparta) için toprak kaynaklı ısı pompasının ekserji analizi yapılmıştır. Isı pompası elemanları olan komprasör, kondenser, kısma vanası, evaporatör, tank ve pompanın ekserji yıkım oranları ısıtma yapılan kış ayları için belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Toprak kaynaklı ısı pompası, teorik analiz, ekserji analizi. 2010, 92 sayfa

v

ABSTRACT

Ms.C. Thesis

THERMODIYNAMIC ANALYSIS OF GROUND SOURCED HEAT PUMP SYSTEM

Ahmet ELBİR

Süleyman Demirel University

Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Mechanical Education

Supervisor: Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT

The heat pumps are the applications of cooling based on vapor compression in which the waste heat of the cycle is used taken from a relatively cooler source. Optimum performance is obtained by minimizing the work needed for removal of the heat from a region of higher temperature. Heat pump can be designed as a climatic device and as a heating device in the summer and in the winter seasons, respectively. The ground sourced heat pumps are mainly used for heating or cooling of commercial buildings and residences. Although the temperature of ground is generally constant during the whole year, it can have different values depending on the type and moisture content of the ground. Exergy analysis is applied for ground sourced heat pumps in Goller Region (Antalya, Burdur and Isparta). Exergy destruction of heat pump components, which are compressor, condenser, expansion valve, evaporator, fan, storage tank and circulating pump, are evaluated for heating in the winter months. Key Words: Ground sourced heat pumps, theoretical model, exergy analysis, 2010, 92 pages

vi

TEŞEKKÜR

Bu tez çalışmasında öncelikle şahsıma gösterdiği hoşgörü ve sabır için, daha sonra

bu çalışmanın ileriye gitmesinde değerli fikir, tavsiye ve yardımlarını ve en önemlisi

zamanını esirgemeyen akademik, yönetsel ve kişisel birikimi ile beni yönlendiren tez

danışmanım, değerli hocam Prof. Dr. Ali Kemal YAKUT’a teşekkür ederim.

Çalışmalarımda, başta bana destek veren, çalışma ortamı hazırlayan, Süleyman

Demirel Üniversitesi Yenilenebilir Enererji kaynakları Araştırma ve Uygulama

Merkezi Müdürü Yrd. Doç. Dr. İbrahim ÜÇGÜL’e ve merkez çalışanlarına teşekkür

ederim.

Fikirleri ile çalışmama yön veren değerli hocam Dr. Ahmet KABUL’e teşekkür

ederim.

Çalışmamın başından sonuna kadar bana destek veren, bilgi birikimini esirgemeyen

ve çalışmamın değer kazanmasını sağlayan değerli arkadaşım Dr. Murat ÖZTÜRK’e

sonsuz teşekkürler ederim

Ahmet ELBİR

ISPARTA, 2010

vii

ŞEKİLLER D İZİNİ

Şekil 3.1 Isı yükselticisi ............................................................................................. 18

Şekil 3.2 Isı makinesi ve ısı pompası çevrimleri .......................................................20

Şekil 3.3 Isı pompası sistemi...................................................................................... 21

Şekil 3.4. Yatay toprak ısı değiştiricisi ..................................................................... 28

Şekil 3.5. Dikey toprak ısı değiştiricisi ..................................................................... 29

Sekil 3.6. Seri ve paralel akışlı yatay yer ısı değiştiricileri........................................ 30

Şekil 3.7. Kesit geometrilerine göre dikey yer ısı değiştiricileri ............................... 31

Şekil 3.8. Kapalı sistem ve çevresinin birleşik sistemi .............................................. 54

Şekil 3.9 Gazın kimyasal ekserjisinin değerlendirilmesi sistemi............................... 64

Şekil 4.1. Antalya için 2003-2008 yılları meteorolojik verilere göre 5, 10, 20, 50

ve 100 cm için toprak sıcaklıkları ............................................................... 66

Şekil 4.2. Burdur için 2003-2008 yılları meteorolojik verilere göre 5, 10, 20, 50

ve 100 cm için toprak sıcaklıkları ............................................................... 67

Şekil 4.3. Isparta için 2003-2008 yılları meteorolojik verilere göre 5, 10, 20, 50

ve 100 cm için toprak sıcaklıkları ............................................................... 67

Şekil 4.4. Antalya, Burdur ve Isparta için 2003-2008 arasında meteorolojik

verilere göre ortam sıcaklıkları ................................................................... 68

Şekil 4.5. Isıtması yapılan ofis binası ....................................................................... 69

Şekil 4.6 Antalya, Burdur ve Isparta için 2003-2008 yılları ortalama güneş

radyasyonu değerleri ................................................................................... 72

Şekil 4.7 Antalya, Burdur ve Isparta için ısıtma yapılan aylardaki ısı yükü

ihtiyacı......................................................................................................... 73

Şekil 4.8. Teorik ısı pompası sisteminin şematik gösterimi ...................................... 75

Şekil 4.9 Teorik ısı pompası sisteminin Antalya, Burdur ve Isparta için inceleme

yapılan aylardaki toplam ekserji yıkımları.................................................. 83

Şekil 4.10 Antalya için teorik ısı pompası sisteminin inceleme yapılan aylardaki

ekserji yıkım oranları .................................................................................. 83

Şekil 4.11 Burdur için teorik ısı pompası sisteminin inceleme yapılan aylardaki

ekserji yıkım oranları .................................................................................. 84

Şekil 4.12 Isparta için teorik ısı pompası sisteminin inceleme yapılan aylardaki

ekserji yıkım oranları .................................................................................. 84

viii

Şekil 4.13 Antalya, Burdur ve Isparta için teorik ısı pompasının performans

katsayısı (COPısı pomp) değerleri................................................................... 85

Şekil 4.14 Antalya, Burdur ve Isparta için teorik ısı pompası sisteminin

performans katsayısı (COPısıpompsısistemi) değerleri ....................................... 85

ix

ÇİZELGELER D İZİNİ

Çizelge 3.1. Isı kaynaklarının karsılaştırılması ......................................................... 23

Çizelge 4.1 Cihaz başına ısı kazancı ......................................................................... 71

Çizelge 4.2 Isı pompası bileşenlerinin Antalya, Burdur ve Isparta için Kasım,

Aralık, Ocak, Şubat ve Mart aylarındaki ekserjileri (xe ), ekserji

yıkımları ( xemxE && = ) ve sistemin toplam ekserji yıkımları (∑ xE& ).......... 82

x

SİMGELER VE KISALTMALAR P : basınç (bar,kPa) T : sıcaklık (oK) u : iç enerji (kj/kg) V : hız (m/s) W : iş (kj) W& : bir anda yapılan iş (kj/s) m : kütle (kg) Q : ısı alışverişi (kj) s : entropi (kj/kgoK) t : zaman (s) g : yer çekimi ivmesi (m/s2) CFC Kloroflorokarbon COP Isı pompası performans katsayısı COPS Isı pompası sogutma performans katsayısı HC Hidrokarbonlar HCF Hidroflorakarbon HCFC Hidrokloroflorokarbon TKIP Toprak kaynaklı ısı pompası CV Kontrol hacim Rezarvuar Isıl enerji deposu

1

1. GİRİŞ

Çevre sorunlarının ve kirliliğinin büyük bir bölümünde, enerji kaynaklarının

kullanımı, diğer bir ifade ile enerji üretimi, çevrimi, iletimi ve tüketimi, endüstrinin

bıraktığı atıklar, taşıtların egzoz gazlarındaki kirleticiler ve özellikle kentsel

alanlarda, konutlardaki ısıtma ihtiyacını karşılamak üzere tüketilen enerjinin atık

ürünleri etkili olmaktadır (Couvillion, 1985).

Hava, su ve toprak kirliliğine neden olan bu zararlı maddeler ekolojik dengede

olumsuz değişiklikler meydana getirmekte, canlı ve cansız varlıklar üzerinde zararlı

etkiler yapmaktadır. Basta fosil yakıtların kullanımı olmak üzere çeşitli insan

etkinlikleriyle atmosfere verilen karbondioksit ve diğer sera gazı emisyonlarındaki

hızlı artış sonucu kuvvetlenen "sera etkisi"; Kloroflorokarbonların ve halonların

kullanılmasıyla ilişkili "ozon tabakasının incelmesi", sırasıyla küresel ısınmaya ve

yeryüzüne ulasan ültraviyole ısınların artmasına neden olmaktadır. Bunun sonucunda

da doğal bitki örtüsü ve diğer canlı türleri yok olarak ekolojik denge bozulmakta;

kara ve deniz buzulları eriyerek deniz seviyesi yükselmesi gibi tehlikeler gündeme

gelmektedir. Bütün bunların yanında, çevre kirliliğinin küresel boyutu da göz önünde

tutulmalıdır.

Bu nedenle, tüm ülkelerde kükürt oksitleri, azot oksitleri, partikül madde vb kirletici

parametrelerin ve emisyonların yayılmasını azaltmak amacıyla yasa ve yönetmelikler

çıkartılmakta, uluslararası anlaşmalar yapılmakta, önlem teknolojileri geliştirilmekte

ve yeni enerji üretim teknolojileri konusunda araştırma - geliştirme çalışmaları

sürdürülmektedir.

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.

2

"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

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" seklinde ifade

edilmiştir (Diz, 2001).

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 kaynaklarının maliyetlerinin artması, kıtlaşması; enerji, sanayi ve ulaştırma

sektörlerinden doğan kirlenmeler dünyada olduğu gibi ülkemizde de çevreyi

korumaya yönelik önlemlerin alınmasını gerekli kılmıştır. 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.

Enerji politikasında, enerji ve sosyo-ekonomik gelişme ile birlikte çevrenin de

dikkate alınması öngörüldüğünden, enerji güvenliği, ekonomik büyüme ve çevrenin

korunması hedefleri arasında denge sağlanması gerekmektedir. Bundan dolayı,

3

ülkemizin çevresel kirlenmenin azaltılmasına olan katkısını, enerji, endüstri ve

ekonomiye ilişkin gelişme ihtiyacımızla sınırlı olması zorunludur. Bu husus,

ülkemizin enerjiye ilişkin faaliyetlerinde göz önünde tutulmalı ve çevreyi koruyucu

önlemlerin alınmasına önem verilmekle birlikte, alılan önlemlerin, enerji ve endüstri

alanlarında gelişmekte olan ihtiyaçlarımızın karşılanmasını ve sosyo-ekonomik

kalkınmamızı engellememesine dikkat edilmelidir (Diz, 2001). 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.

4

2. KAYNAK ÖZETLER İ

Literatürde, Toprak Kaynaklı Isı Pompası Sistemleriyle ilgili olarak birçok çalışma

mevcuttur. Bu çalışmalar kronolojik olarak aşağıda açıklanmıştır.

Kersten (1949) yapmış olduğu çalışmada, toprak ısı iletim katsayısını belirlemek

üzere, toprak kuru yoğunluğu ve nem miktarı değerlerine bağlı olarak deneysel

denklemleri açıklamıştır.

Ingersoll (1954), toprak altına ısı çekmek veya atmak üzere yerleştirilmi ş borulardaki

ısı geçişini incelemek için Kelvin Çizgisel Kaynak Teorisinin kullanılabileceğini

göstermişlerdir. Kelvin Çizgisel Kaynak Yöntemi ısı kaynağının sonsuz bir ortamda

olduğunu kabul eder. Yöntem, boru etrafındaki sıcaklık dağılımının zaman ile

ili şkisini, borunun toprak yüzeyinden veya diğer borulardan yeterince uzak olduğu

durumlarda, kabul edilebilir doğrulukla vermişlerdir. Ingersoll’un bir baksa

çalışmasında sabit ısı geçişinde toprak sıcaklığındaki değişimin, bu teori ile uygun

şekilde hesaplandığını göstermiştir. Kullandığı denklemler son zamanlarda bir çok

araştırmacı tarafından periyodik ısı geçişi (on/off) ve sinüzoidal ısı geçişi şartlarında

toprak sıcaklıklarını ölçmek amacıyla da kullanılmıştır.

Shelton (1975) Yeraltındaki bir ısı deposu ve depo etrafında bulunan topraktaki ısı

aktarımını incelemiştir. Depolama ortamı olarak bir su tankı, kaya ve toprağın

seçildiği bu çalışmada, yarı küresel geometride, sürekli rejim ısı iletimi problemi için

analitik çözüm, geçici rejim ısı iletim problemi için sayısal çözümler verilmiş ve

sonuçlar tartışılmıştır.

Givoni (1977), güneş enerjisinin yeraltında mevsimlik depolanmasının önemini

ortaya koyarak 150x150m’lik bir yalıtım tabakası ile kaplanan 100x100 m2 alan ve

20 m kalınlıktaki toprağı yeraltı ısı deposu olarak incelemiştir. Toprağın ısıl

iletkenliği 2 W/mK, depo ile etrafındaki ortam arasındaki sıcaklık farkı 50ºC olarak

tahmin edildiğinde, aşağıya doğru yanal yüzlerden kaybolan yıllık ısı miktarının

5.000.000 MJ olduğu hesaplanmıştır. Toplam güneş enerjisi, 22500 m2’ lik ve %30

5

verimli toplayıcı için, 56.000.000 MJ/yıl olarak tahmin edilmiştir. Bu çalışmaya göre

toplam yıllık ısı kaybı toplanan enerjinin yaklaşık olarak %10’u kadardır. Bu

sistemlerde asıl zorluğun toprak altındaki depoya enerji ilavesinden ziyade kısın geri

çekilmesinin olduğu belirtilen makalede, mevsimlik depolamada alternatif depolama

ortamları teklif edilmiş ve bu ortamların avantaj ve dezavantajları ortaya konmuştur.

Önemli bir depolama ortamı, kuru toprak içerisinde suni olarak ıslatılmış topraktır.

Islak toprağın yüksek ısıl iletkenliğini kullanarak ısı geçişini arttırmak, deponun

etrafındaki kuru toprağın düşük ısıl iletkenliği nedeniyle de çevreye olan ısı kaybını

azaltmak amaçlanmıştır.

Kunze ve Forsgren (1978), Jeotermal kaynakları sıcaklığa göre sınıflandırdığı

çalışmasında 50ºC’ nin altındaki kaynakların jeotermal ısı pompası uygulamaları için

50-80ºC arası sıcaklıkların direkt kullanım için 130ºC’ nin üstündeki kaynakların ise

elektrik üretimi için uygun olduğunu belirtmektedir. 50ºC’ nin altındaki kaynaklarda

jeotermal ısı pompaları için tipik COP degeri 3,5-4,5 arasında değiştiğini ve yaklaşık

olarak 25 enerji tasarrufu sağlayacağını belirtmektedir.

Niess (1979), Yapmış olduğu çalışmada; 915m derinliğinde 20lt debi ve 38ºC

sıcaklıktaki bir jeotermal kaynaktan ısı pompası ile ısı absorbe ederek 74ºC ve 28lt/s

debide sıcak temiz su elde etmiştir. Kondenser su devresi kapalı devre olup dönüş

sıcaklığı 68ºC ve toplam ısı yükü 644 kW’ tır. Eğer jeotermal su direkt olarak

kullanılsaydı(genellikle jeotermal sudaki ısı bir plakalı tip esanjörle ısıtma

devresinde kullanılmak üzere kapalı devreden temiz suya aktarılmaktadır) es değer

ısı yükü için 76ºC sıcaklık 28 lt/s debiye sahip 2347 m derinlikte bir kuyu

kullanılması gerekirdi. Bu iki durumun ekonomik analizini yapan Niess, ilk yatırım

maliyeti için ısı pompasının %65 daha ekonomik, işletim maliyeti için ise %88

tasarruf sağlandığı sonucuna varmıştır.

Niess (1980), Yaptığı bir başka çalışmada, ısı kaynağı olarak 1,5 km derinlik, 54ºC

sıcaklık ve 20 lt/s debideki bir jeotermal kuyunun kullanıldığı 2580 kW ısıtma

kapasiteli bir jeotermal ısı pompasının sıvı yakıt kullanan konvansiyonel ısıtma

sistemi ile karsılaştırıldığında 10 yıllık zaman için tasarrufunun 1.469.200 $ olduğu

6

belirtilmektedir. Performans katsayısı (COP) 3,5; sistemin amortismanı ise 4 yıl

olarak tespit edilmiştir. Jeotermal su, bir esanjör ile (su-su devreli) ısı pompasından

izole edilmiştir. Evaporatör ve kondenser su devreleri kapalı devre olup,

kondenserden suyun çıkış sıcaklığı 74ºC ve dönüş sıcaklığı ise 68ºC’dir.

Greistad ve Torabramians (1981), TKIP (GSHP) optimizasyonu isimli araştırmasında

jeotermal su debisinin ekipman (evaporatör), enerji ve su maliyeti üzerinde önemli

derecede etkin olduğunu belirtmektedir. Sonuçta 11,8 kW evaporatör kapasitesi için

optimum jeotermal su debisinin 0,25 lt/s ve jeotermal suyun evaporatörde soğutma

miktarının 8,2ºC olarak gerçekleştiğini bulmuştur. Bu değerler için yoğuşma

sıcaklığı 50ºC’ydi. Jeotermal ısı pompasının bir binadaki mevcut radyatörlü ısıtma

sistemine (kaloriferli ısıtma sistemi) nasıl entegre edileceği, üzerinde durulması

gereken önemli bir noktadır. Çünkü ülkemizde ve özellikle bölgemizdeki en yaygın

ısıtma sistemi radyatörlü (hidronik) sistemlerdir.

Halozan; hidronik sistemlerin Avrupa’da çok yaygın olması nedeniyle bu sorunu

incelediği çalışmasında TKIP’nın hidronik ısıtma sistemlerine entegrasyonu

konusunda faydalı öneriler ileri sürmektedir. Avrupa’da yaygın olarak kullanılan

hidronik sistemlerin ülkemizdekilerle aynı olduğu ve benzer çalışma rejimine sahip

oldukları bu makalede açıklanmıştır. Halozan, fosil yakıt (kömür yada fuel-oil)

yakan bir kazan (boyler), sıcak su sirkülasyon pompası, dağıtım boruları ve

radyatörlerden (veya radyatör yerine döşemeden ısıtma) oluşan bir sistem olarak

tanımladığı hidronik sistemler için iki tür çalışma rejiminden bahsetmektedir.

Bunlardan birinci nevi sistemlerde, kazandan ayrılıp radyatörlere giden suyun

sıcaklığı 90ºC iken ikinci tür sistemlerde bu sıcaklığın 60-72ºC civarındadır. Birinci

tür sistemlerde radyatör yüzey sıcaklığının yüksek olması ortam havasının aşırı

kurumasına neden olduğundan ikinci tür sistemler Avrupa’da daha fazla tercih edilir

olmuştur. Hatta Halozan, bu sıcaklığın son yıllarda dizayn aşaması için 55ºC’ ye

düştüğünü belirtmektedir. Ayrıca döşemeden ısıtma için dizayn sıcaklığının tipik

değerinin 45ºC olduğunu fakat uygulamada artık bu sıcaklıkların radyatörlü sistemler

için 50ºC ve döşemeden ısıtmalı sistemler için 40ºC olduğunu da söylemektedir.

Halozan, çalışmasının devamında bu sıcaklıkların ısı pompası uygulaması için

7

fevkalade uygun ve karşılanabilir olduğunun altını çizmekte ve TKIP’nın kolayca

sisteme entegre edilebileceğini belirtmektedir. Bunun için sadece kazanın ısı

pompası ile yer değiştirmesi gereklidir. Burada asıl sorun binanın ısıl ihtiyacının

TKIP’nın nominal ısıtma gücünün altına düştüğü zaman TKIP’nın on/off durumuna

düşmesidir. Çünkü TKIP’nın nominal dizayn kapasitesi, ısıtma sezonunun en soğuk

aylarında binanın ısıl ihtiyacını karşılayacak şekilde seçilir. Daha sıcak zamanlarda

binanın ısıl ihtiyacında azalma olacağı için, bir ısıtma sezonu boyunca binanın ısıl

ihtiyacı TKIP’nın nominal kapasitesinin altına düşebilir. Öte yandan hidronik

sistemlerde çalışma rejimi örneğin günde 14 saat sürekli çalışma seklindedir.

Dolayısıyla sistemin on/off rejimine girmesi önlenmelidir. Bu sorunun çözümü için

Halozan, değişken hızlı kompresör kullanmak suretiyle sürekli kapasite kontrolü

yöntemini önermektedir.

Washington’da 14864 m2 alana sahip Daniel Boone Lisesi; kısın ısıtma yazın

soğutma yapabilen bir TKIP sistemi ile teçhiz edilmiştir. Daha önce okul, bir boyler

vasıtasıyla ısıtılmakta ve soğutma için bir soğutma kulesi kullanılmaktadır. Isı

pompası ile sağlanan tasarrufun 37000 $/yıl ve amortisman süresinin 6 yıl oldugu

belirtilmektedir. Rinse bu çalışmasıyla 1998 ASHRAE Teknoloji Ödülü’nü

kazanmıştır.

Lund ve Kangas (1983), Mevsimlik ısı depolu bir güneş ısıtmalı sistemin net enerji

analizini sunmuşlardır. Bu analiz Finlandiya iklim şartları için gerçekleştirilmi ştir.

Toplayıcı tiplerinin ve ısı pompasının etkileri de hesaba katılmıştır. Kaya içerisine

açılmış duyulur ısı deposunun hacmi 500, 1500 ve 3000 m3 olarak seçilmiştir.

Depoların enerji kapasiteleri, depo sıcaklığına bağlı olarak 40-800 GJ arasındadır. Isı

deposunun sıcaklığı 50ºC’ yi astığında, ısının direkt olarak konutlara sağlandığı

çalışmada, düşük sıcaklık durumunda bir ısı pompası veya elektrikli ısıtıcı

kullanılmıştır. Konutların yıllık ısı ihtiyacının, sıcak su ile birlikte 1800 GJ olan bu

çalışmada sistemin geri ödeme süresi V= 500 m3 depo hacmi için 3,8 yıl, V= 1500

m3 depo hacmi için 5,7 yıl ve V=3000 m3 depo hacmi için 6,9 yıl olarak

hesaplanmıştır.

8

Bjelm ve Schornell (1983)’in gerçekleştirdiği bir araştırmada ise kaynak olarak 25ºC

sıcaklıkta ve 100 lt/s debide su içeren 800 m derinlikteki bir kuyu kullanılmıştır.

Jeotermal ısı pompasının gücü 13 MW’tır. Böyle bir sistemin, sıvı yakıtın

kullanıldığı eski sisteme kıyasla 0.85 milyon SEK/yıl tasarruf sağlandığı ve

amortismanının 3.5 yıl olduğu kaydedilmiştir.

Mathen (1984) yapmış olduğu çalışmada; çalışır vaziyetteki 10 adet TKIP’nın yıllık

performans seviyelerini tespit etmiş ve konvansiyonel ısıtma sistemleri ile

karsılaştırma yaparak net enerji tasarrufunu tespit etmiştir. Elde ettiği sonuçlara göre

kuyu pompasının enerji miktarının sistem performansı üzerinde önemli bir etkisi

olduğunu ve performansı %10-15 etkilediğini ve bu yüzden pompa seçiminde

dikkatli davranılması gerektiğini söylemektedir. Ayrıca ısı pompası evaporatörünün

jeotermal sudan tecrit edilmesi gerektiğini aksi halde kirlenmeden dolayı ısı

transferinin kötüleştiğini belirtmektedir. İncelediği bütün sistemler için ısıtma

modunda ortalama yıllık performans 2,07 ve soğutma modunda soğutma tesir

katsayısının 1,3 olduğunu belirtmektedir.

Jaud (1985) yaptığı çalışmada, Jeotermal ısı pompası için farklı bir uygulama

gerçekleştirmiştir. Kuyunun derinliği 1700 m, su debisi 210 m3/h ve sıcaklığı

57ºC’dir.Jeotermal ısı pompası , biri döşemeden ısıtmalı diğeri ise normal radyatörlü

iki ısıtma sistemini beslemektedir. Sistemde jeotermal sudan ısı çekmek için

titanyum alaşımından imal edilmiş plakalı tip esanjör kullanılmıştır. Döşemeden

ısıtmalı sistemin dönüş suyu ısı pompasının evaporatöründe soğutulmakta ve sonra

plakalı esanjörde jeotermal su ile ısıtılıp tekrar sisteme dönmektedir. Böylece ısı

pompasının evaporatörü döşemeden ısıtmalı sistemin dönüş hattıyla beslenmektedir.

Kondenserde ise radyatörlü sistemin suyu sirküle edilmektedir. Jeotermal ısı

pompasının farklı bir uygulaması olan bu sistemle %46 enerji tasarrufu sağlandığı

belirtilmektedir.

Lund ve Östman (1985) düşey borular kullanarak toprakta mevsimlik ısı

depolamasının üç boyutlu bir sayısal modelini geliştirmişlerdir. Depolama hacmi,

depolama ortamı , toplayıcı alanı ve toplayıcı tipinin sistem performansı üzerindeki

9

etkileri, Helsinki iklim şartları için incelenmiştir. Gelistirilen sayısal model için

denklemler sonlu farklar yöntemiyle ifade edilmiş ve explicit yöntemi kullanılarak

çözülmüştür.

Hugnes ve Arkadaşları (1985) New York şehrinin dışında konutlara yönelik toprak

kaynaklı ısı pompalarının teknik ve ekonomik potansiyelini değerlendirmek

amacıyla, çok aşamalı bir demonstrasyon projesinden elde edilen sonuçları vermiştir.

Bu çerçevede, ısıtma-soğutma performansı ve entegre edilen sıcak kullanma suyu

1982- 1984 yılları süresince gözlenmiştir.

Franck ve Berntsonn (1985) 10-40 m derinliğe kadar düşey borular kullanarak,

toprakta mevsimsel depolama ile güneş destekli ısı pompaları alanında İsveç’te

yürütülen büyük bir araştırma programı doğrultusunda iki deneysel tesisten elde

edilen bazı ana sonuçları sunmuştur.

Catan ve Baxter (1985) Kuzey iklim uygulamalarında toprak kaynaklı ısı

pompalarının ekonomik açıdan optimum analizini inceledi. Pittsburgh’da bulunan

167 m2’lik bir ev için, yatay toprak ısı değiştiricisi olan su kaynaklı ısı pompasının

yapım kullanım maliyetini (life-cycle cost) 7 yıllık ekonomik ömür için minimize

etti. Alışılagelmiş hava kaynaklı ısı pompasına göre, optimize edilen ısı pompasının

geri ödeme süresi 3 yılın altında bulundu.

Goswami ve Dhaliwal (1985) 1,83 m veya daha fazla derinlikteki yer altı toprak

sıcaklığını kullanan tekniklerin ısı aktarım analizini sunmuşlardır. Bu çalışmada

geliştirilen bir bilgisayar simülasyonu yardımıyla, yeraltındaki borudan geçen

havanın sıcaklığı hesaplanmıştır. Hava sıcaklığı, nem, toprak sıcaklığı, toprağın

fiziksel özelikleri, borunun geometrik özellikleri ve hava akış hızına bağlı olarak

belirlenmiştir. Yapılan deneylerde 0,3 m çapında, 25 m uzunluğunda ve 2,1-2,4 m

toprak içerisine gömülmüş plastik borular kullanılmıştır. Deney sonuçları ile teorik

sonuçların uyumu grafiklerle gösterilmiştir.

10

Lund ve arkadaşları (1987) Taşkent’in iklim şartları için mevsimlik ısı depolamalı bir

güneş ısıtma sisteminin bilgisayar simülasyonunu gerçekleştirmişlerdir. Bu

çalışmada depolama ortamı olarak, silindirik bir su kuyusu seçilmiş ve hesaplamalar

seçici yüzeyli toplayıcılar ve seçici yüzeyi olmayan toplayıcılar için yapılmıştır.

Çalışmada ısı pompasız bir güneş ısıtma sistemi tartışılmış ve toplayıcı alanı ile depo

hacmi arasındaki optimum ilişki araştırılmıştır.

Eskilson ve Hellström (1987) 25 kuyulu bir ısı deposu için bir analiz

geliştirmişlerdir. Depoya birkaç gün boyunca yaklaşık olarak sabit 100 kW’lık bir ısı

enerjisi ilave edilerek birbirine paralel 25 kuyuda ısı taşıyan suyun giriş ve çıkış

sıcaklıkları ölçülmüştür. Bu çalışmada sıcaklık ölçümlerinden faydalanılarak kuyu

cidarı ve akışkan arasındaki ısıl direnç ve ortalama efektif ısı iletim katsayısı

bulunmuştur. Geliştirilmi ş olan analizin matematiksel ifadesi gerçekleştirilmi ştir.

Efektif ısıl iletkenlik üç farklı zaman aralığı için 4.5, 3.8 ve 3.2 W/mK olarak, ısıl

direnç ise 0,1 K/W olarak ölçülmüştür.

Claesson ve Eskilson (1988) Isı kaynağı olarak toprağın kullanıldığı ısı

pompalarında, ısının çekilmesi esnasında, toprak içerisine yerleştirilmi ş ısı

değiştiricilerinin ısıl analiz ve boyutlandırma kuralları hakkında bilgiler vermişlerdir.

Kuyulu sistem olarak adlandırılan sistemlerin özellikle ABD ve Kanada’da mevcut

olduğu ve İsviçre’de ise 5000’e yakın uygulama bulunduğu açıklanmıştır. Bu

çalışmada ısı depolama sistemi olarak kuyu içerisine yerleştirilmi ş U seklindeki

plastik borular kullanılmıştır. Kullanılan kuyuların derinliği 40-150 m, çapları ise

0,075-0,11 m arasında değişmektedir. Çalışmada, kuyudan ısı çekilmesi veya kuyuya

ısı ilavesinin analizi yapılmıştır. Toprağın fiziksel özellikleri, iklim değişmeleri,

jeotermal gradiyent ve yer altı sularının sistem üzerindeki etkileri araştırılmıştır.

Kuyuda meydana gelen ısıl işlemler, kuyu ısıl direnci ile ifade edilmiştir. Çekilen ısı

miktarının gerekli ısı çekme sıcaklığı ile ilişkisi formüllerle verilmiştir. Toprağın ısıl

iletkenliği, kuyunun ısıl direnci ve ortalama kararlı toprak sıcaklığı gibi üç önemli

parametrenin esas olduğu bir metot sunulmuştur.

11

Kenisarin ve Arkadasları (1988) Taşkent’in iklim şartları için, mevsimlik ısı depolu,

merkezi güneş ısıtma sisteminin modellemesini yapmışlardır. Toplam ısı yükü 1000

MWh/yıl olan 50 konutlu bir sitenin incelendiği çalışmada, mevsimlik depo olarak

toprağa gömülmüş silindirik bir depo kullanılmıştır. Düz güneş toplayıcılarının

kullanıldığı modellemede, toplayıcı eğimi 27º alınarak, 5000 m3 depo hacmi ve 1150

m2 toplayıcı yüzey alanı için, güneş katkısı F=0,50 olarak tespit edilmiştir.

Matsumato ve Kotera (1988) ıslak kumda ısının depolanması durumunda geçerli olan

ısı ve nem sakınım denklemlerini vermiştir. Isı transferindeki nem etkisinin önemli

olduğu saptanmıştır. Yüksek sıcaklıklar veya düşük nem oranları dışındaki

durumlarda ısı ve kütle denklemlerinin lineerize edilebileceğini ileri sürmüştür.

Analizin sonucunda, ısı kaynağı olarak bir ısı deposu kullanıldığında, yıllık ortalama

depo sıcaklığının, toprak yüzeyindeki ortalama hava sıcaklığına eşit olacağı

belirtilmiştir.

Kavanaugh ve Pazent (1990) ısı kaynağı ve ısı kuyusu olarak nehir suyunun

kullanıldığı su/hava ısı pompalarının isletilmesini inceledi. Ayrıca ısı pompasının

seçimi, pompalama sistemleri, boru hattı yerleşimi ve nehir boyut/derinlik

karakteristikleri ile ilgili önerilerde bulundu.

Martin (1990) tek borulu yatay toprak ısı değiştiricisi olan ısı pompası sisteminin

tasarlanmasında kullanılan parametrelerdeki değişimin etkisini belirlemek üzere

çalımsa yapmıştır. Konutlar için 3ton’luk bir ısı pompasının performansını ve enerji

tüketimini bulmak için bir bilgisayar programı geliştirdi ve sonuçları Oklahoma’daki

iki evde yapılan ölçümlerle kıyasladı. Ayrıca, ekonomik bakımdan optimum tasarımı

belirlemek için ekonomik analiz yaptı.

Sulatisky ve Van Der Kamp (1991) Kanada’da (Saskatchewan) konutlara yönelik

olarak bes toprak kaynaklı ısı pompasını değerlendirdi. 5-8 yıl arasında isletilen ısı

pompası sistemleri, iki yılı askın bir periyot boyunca performans bakımından izlendi.

Eğrican (1991) yaptığı çalışmada, ısı kaynağı olarak güneş enerji deposu kullanan bir

seri güneş ısı pompası sisteminin simülasyonunu yapmıştır. Simülasyon, alan ısıtma

12

amacıyla İstanbul'da bir ev için yapılmıştır. Güneş destekli sistem tarafından

sağlanan alan ısıtma yük miktarı, toplayıcı alanının ve termik depolama hacminin bir

fonksiyonu olarak belirlenmiştir. Isı pompası, güneş panelleri, depolama tankı ve

evin termik ihtiyacı dinamik olarak analiz edilmiş ve her biri için bir bilgisayar

modeli elde edilmiştir. Panel alanı ve tank boyutu değiştirilerek, tüm sistemin

simülasyonu yapılmıştır.

Kavanaugh (1992), Güney iklimlerinde düşey toprak kaynaklı ısı pompalarının kabul

edilebilirliğini ve isletme karakteristiklerini belirlemek üzere çalışmalarda bulundu.

Alabama’daki 150 m2’ lik bir konutta kurulan ısı pompasının soğutma ve ısıtma

performansı ele alındı.

Meloy (1992), Cowlitz İlçesi Adliye Sarayının indirek kuyu suyu soğutması olan

kuyu kaynaklı ısı pompası sistemine dönüştürülmesi üzerine çalıştı ve dönüşüm

esnasında karşılaşılan sorunları belirtti. Sistem kurulduğu ilk yıl %22 dolayında

enerji tüketiminde azalma sağladı.

Rafferty (1992), yeraltı suyu sıcaklığı 22ºC olan 360ton (11266 kW)’ luk ve yer altı

suyu sıcaklığı 13ºC olan 156 ton (549 kW)’luk iki farklı yeraltı su kaynaklı ısı

pompası sisteminden elde edilen deneyimleri açıkladı. Tasarımı, isletme akısı ve

iyileştirilmelerini irdeledi. Ayrıca, yer altı su kimyası, iyi kuyu tasarımı ile kontrol,

ısı pompası kapasite kontrolü ve devreye almanın önemli hususlar olduğunu belirtti.

Hatten (1992), Amerika’da yeraltı sulu ısı pompasının ilk ticari montajı olan

Portland/Oregon’daki bir binadan (bugün the Commonwealth Building olarak

bilinmektedir) elde edilen deneyimleri açıkladı. Sistemin geçmişinin

değerlendirilmesiyle, önemli isletme ve bakım konularını belirtti.

Çomaklı ve Bayramoğlu (1993), çalışmalarında, güneş destekli enerji depolu bir ısı

pompası için teorik model geliştirmişlerdir. Model, sistemdeki güneş toplayıcısı,

enerji deposu, buharlaştırıcı, kompresör, yoğuşturucu, genleşme vanası gibi cihazlara

ait termodinamik bağıntılara dayanmaktadır. Pilot tesisten alınan deneysel verilerden

13

faydalanılarak sistemin bazı çalışma parametreleri hesaplanmıştır. Ayrıca, sistemin

bazı tasarım parametrelerinin sistemin performansına etkisini görmek ve pilot tesiste

ölçülemeyen bazı parametreleri hesaplayabilmek için model kullanılarak simülasyon

çalışması yapılmıştır.

Kaygusuz ve Ayhan (1993), evsel ısıtma için güneş destekli ısı pompası sistemlerinin

ekserjetik verimlerini deneysel olarak incelemişlerdir. Deneysel sonuçlar, Trabzon

için Aralık, Ocak, Şubat, Mart, Nisan ve Mayıs aylarında tipik günler için elde

edilmiştir. Deneyler, her bir ay için açık gökyüzü şartlarında yapılmıştır. Ekserjetik

verimler deneysel veriler kullanılarak hesaplanmış ve karşılaştırmalar farklı sistemler

arasında yapılmıştır.

Dvorov ve Ledentsova (1994) Rusya için jeotermal ısı kullanımının ekonomik ve

teknik yönünü incelediği çalışmasında, 80ºC ve üzeri sıcaklıklardaki kaynakları

kullanarak direkt ısıtma yapmak yerine düşük sıcaklıktaki kaynaklardan ısı pompası

ile yararlanmanın daha ekonomik olduğunu ortaya koymuştur.

Bloomquist ve Schuster (1994) Amerika’da jeotermal kaynak kullanımının tarihsel

gelişimini incelediği çalışmasında; jeotermal ısı pompası uygulamalarının gerek

günümüzdeki ve gerekse gelecekteki önemini ortaya koymuştur.

Sullivan (1994) yayınladıgı makalesinde ilk kez 1940’lı yıllarda ortaya çıkan

jeotermal ısı pompalarının bugün Amerika’da yılda 35000 adet üniteye ulaştığını

yazmaktadır. Amerika’da DOE (Enerji Bakanlığı), SERDP (Strategic Environmental

Research and Development Program) gibi devlet kuruluşları, jeotermal ısı pompası

teknolojisinin geliştirilmesi ile ilgili çok sayıdaki projeye sponsorluk yapmaktadırlar.

Healy ve Ugursal (1997) Bir bilgisayar modeli kullanarak, değişik sistem

parametrelerinin TKIP’ larının performansına olan etkisinin belirlenmesi üzerine

çalıştı. Ayrıca alışılagelmiş ısıtma/soğutma sistemleri ve hava kaynaklı ısı

pompasının kullanıldığı yerde bir TKIP’nın kullanılmasının fizibilitesini

değerlendirmek için ekonomik analiz yaptı.

14

Spikler (1998) Düşey toprak kaynaklı ısı değiştiricilerinde(dört farklı delik çapı

yerleşiminde) kullanılan farklı dolgu malzemesinin etkisi ve ısıl iletkenlik testini

kullanarak, düşey toprak ısı değiştiricisinin tasarımı üzerine çalıştı. Bu çerçevede,

düşey toprak ısı değiştiricisinin sıcaklığına ve tasarımına önemli etkisi olduğunu

belirtti. 6 ½” (16,51 cm)’lik delik çapında, kum yerine standart harcın (grout)

kullanılmasının, ısı değiştiricisinin uzunluğunu %49 arttırdığını deneysel olarak

bulmuştur.

Den Braven (1998) Amerika’da TKIP’nın toprak ısı değiştiricisinde kullanılan

antifrizlerin kullanılabilirliğini inceleyerek liste halinde verdi. Amerika’daki

eyaletlerin hemen hemen yarısında TKIP’ları için antifriz malzemeleri içine alan

herhangi bir kural veya öneri olmadığını belirtti.

Phetteplace ve Sullivan (1998) Toprak Isı değiştiricisi ve soğutma kulesinin ikisinin

kullanıldığı (böylece gerekli olan toprak ısı değiştiricisinin miktarının azaltıldığı)

hibrit bir ısı pompasının performansını inceledi. İki ısıtma ve soğutma sezonu olmak

üzere, yaklaşık 22 aylık bir süre boyunca performans ölçümleri yapılmıştır.

Fleming (1998) 1987’nin sonbaharında, Shangai’deki (Çin) bir ticari ofis binası (net

iklimlendirme yüzey alanı 3600 m2, yapının ısıtma yükü 65,7 ton ve soğutma yükü

128,6 ton) için tasarlanan ve isletilen 130 ton’luk jeotermal ısı pompası sisteminin

tasarımı ve isletilmesi üzerine çalıştı.

Yaman Karadeniz ve Horuz (1998) tarafından İstanbul şartlarında açık günler için,

güneş enerjisi kaynaklı ısı pompasının teorik ve deneysel incelemesi yapılmıştır.

Teorik çalışmada, İstanbul şartlarında açık günler için anlık, aylık ve mevsimlik

ortalama ısıtma tesir katsayıları ve sistemin diğer özellikleri incelenmiştir.

Koyun ve Diz (2000) Yapmış olduğu çalışmada, zamana ve derinliğe bağlı olarak

değişimini incelemişlerdir. Toprağın fiziksel özelliklerine bağlı olarak değişik

derinliklerdeki toprak sıcaklığının yıl içinde aldığı değerler matematiksel ifadeler

vasıtasıyla elde edilmiştir. Bulunan matematiksel ifadeler kullanım kolaylığı

15

sağlayacak şekilde geliştirilmi ştir. İstanbul Göztepe için toprak sıcaklığının yıl

içindeki salınımları hesaplanmış ve hesaplanan toprak sıcaklıkları, Meteoroloji

Müdürlüğü’nden elde edilen değerlerle karsılaştırılmıştır. Mukayese sonucunda;

hesaplanan değerlerdeki hata miktarının; ±1ºC olduğu belirlenmiştir. Daha derin

bölgelerdeki sıcaklık değerleri ise sıcaklık dalgalanmaları daha az olduğundan ±1ºC

lik hata oranının daha az olması beklenebileceği belirtilmiştir.

Diz ve Koyun (2000) Sabit yüzey sıcaklığı ilkesine dayanarak oluşturulan eşitlikler

vasıtasıyla; değişik durumlar göz önüne alınarak çeşitli hesaplamalar yapılmış ve

elde edilen sonuçlar grafiklerle gösterilmiştir. 100 mm ve 25 mm çaplarındaki

boruların, yüksek ısıl iletkenliğe sahip nemli, killi toprağa ve düşük ısıl iletkenliğe

sahip nemli toprağa gömülmesi durumunda 24 saat süresince birim yüzey alanından

geçen ısı miktarı hesaplanmıştır. Toprağın ilk sıcaklığının 1ºC farklı olduğu kabul

edilmiştir.

Işık ve arkadaşları (2000) yapmış oldukları çalışmada; su-su ve hava-su kaynaklı ısı

pompalarının es zamanlı olarak ısıtma ve soğutma şartlarında çalışmasındaki

performansları deneysel olarak araştırılmıştır. Performans hesabında ideal, çevrim ve

gerçek çalışma şartları olmak üzere üç farklı durum için analiz yapılmıştır. Yapılan

incelemede ideal ve gerçek çalışma şartları arasındaki fark ortalama %35

dolaylarında olduğu gözlenmiştir. Özellikle ısı pompası seçiminde yanılgıya

düşmemek için buna dikkat edilmesi gerektiği vurgulanmıştır. Yapılan deneylerin

sonucunda kullanılan ısı pompasının ısıtma amaçlı kullanımda ortalama 3, soğutma

amaçlı kullanımda ise ortalama 2 performans katsayıları sağladığı saptanmıştır. Bu

sonuçlar ısı pompasının klasik sistemlere göre avantajını ortaya koymaktadır.

Kıncay ve Temir (2002) çalışmalarında, İstanbul Hadımköy’deki bir villanın ısı

kaybı ve ısı kazancı değerleri bulunarak dikey tip toprak kaynaklı ısı pompası ile

hem ısıtma hem de soğutma için boyutlandırma hesapları yapılmıştır. Yaz sezonunda

bir metre sondaj borusu ile toprağa verilen ısı 0,067 kW’dır. “Bir Değere Getirilmiş

Maliyet” yöntemine göre maliyeti bulunan ısı pompası sisteminin hava kaynaklı ısı

pompası ile (aynı ısı kaybı ve kazancı için) maliyet karşılaştırması çizelge halinde

16

sunulmuştur. Dikey tip toprak kaynaklı ısı pompasının ilk yatırım maliyetinin hava

kaynaklı sisteme göre %6 daha yüksek, isletme maliyetinin %43 daha düşük ve yıllık

toplam maliyetinin ise %19 daha az olduğu bulunmuştur.

Hepbaşlı ve arkadaşları (2003), İzmir'de 50 m sondajla açılmış toprak kuyusuna

gömülü U şeklindeki bir ısı değiştiricili toprak kaynaklı ısı pompasının ısıtma

performans katsayısını incelemişlerdir. Ayrıca, toprak kaynaklı ısı pompasının

performansını ve kurulma maliyetini etkileyen parametreleri belirlemişlerdir.

İnallı ve Esen (2004) alan ısıtma için kullanılan yatay toprak kaynaklı bir ısı pompası

sisteminin performansı üzerine, toprak ısı değiştiricisinin yüzeyden derinliği,

topraktan ısı çeken akışkanın (salamuranın) debisi gibi parametrelerin etkisini

inlemişlerdir. Deneysel çalışma, 2002-2003 ısıtma sezonunda Kasım-Nisan aylarında

yapılmıştır. Yüzeyden 1 ve 2 m derinliklerdeki yatay toprak ısı değiştiricileri için

sistemin ortalama performans katsayısı sırasıyla 2.66 ve 2.81 değerinde bulunmuştur.

Bi ve arkadaşları (2004) dikey çift helisel sargılı toprak ısı değiştiricili güneş-toprak

kaynaklı ısı pompası konusunda teorik ve deneysel çalışma yapmışlardır. Isıtma

modunda yapılan çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı ve toprak kaynaklı ısı pompası

sistemi dönüşümlü olarak kullanılmıştır. Deneysel olarak da edilen sonuçlara göre,

güneş-toprak kaynaklı ısı pompasının uygulanabilir olduğu görülmüştür.

Özgener ve Hepbaşlı (2005), kurmuş oldukları bir GTKIP sistemi ile yaptıkları

deneysel çalışmada, İzmir Ege Üniversitesi bünyesinde bir sera evinin ısıtılmasını

gerçekleştirerek, sistemin performans karakteristiklerini incelemişlerdir. Özgener ve

Hepbaşlı (2005), yaptıkları diğer bir çalışmada ise aynı sistemin ekserji

ekonomikliğini analiz etmişlerdir.

Bakırcı ve Yüksel (2006) tarafından, güneş enerjisiyle çalışan ısı pompasının

performansını incelemek amacıyla, Erzurum ilinde bir deney düzeneği kurulmuştur.

Sistem, 12 adet düzlemsel güneş enerjisi toplayıcısı, güneş enerjisi depolama tankı,

su-su plakalı bir ısı değiştiricisi, sıvı-sıvı prensibine göre çalışan buhar sıkıştırmalı

17

bir ısı pompası, su sirkülasyon pompaları ve diğer ölçüm elemanlardan meydana

gelmiştir. Deneysel olarak elde edilen sonuçlar, toplayıcı verimi (hK), ısı pompası

ısıtma tesir katsayısı (COP) ve sistemin performansını (COPS) belirlemek için

kullanılmıştır.

Ma ve Li (2007) tarafında, bir ısı pompası sistemin termodinamiğin ikinci kanununa

dayalı ekserjetik verimlilik modeli kurulmuştur. Çalışmada orta değerdeki

basınçların performanslar üzerindeki etkileri prototip bir ısı pompasının deneysel

verileri kullanılarak analiz edilmiştir.

Ceylan ve arkadaşları (2007) tarafından, kereste kurutma amacıyla kurulmuş olan bir

ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi yapılarak, bu sistemdeki enerji

kullanımı ve kurutma işlemi esnasındaki ekserji kayıpları belirlenmiştir.

Özgener ve Hepbaşlı (2007) tarafından yapılan çalışmada, sera ısıtma için kullanılan

güneş ve toprak kaynaklı (toprak tarafından dikey U-borulu ısı değiştiricisinin

kullanıldığı) bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi yapılmıştır.

Dikici ve Akbulut (2008), güneş enerjisiyle çalışan bir ısı pompası sistemini deneysel

olarak inceleyerek sistemin enerji ve ekserji analizi yapılmıştır.

Yapılan literatür araştırmasında, toprak kaynaklı ısı pompalarının değişen iklim

koşullarına bağlı olarak termodinamik analizinin yapılmadığı görülmüştür. Bu

çalışmada Göller Bölgesi olarak bilinen Antalya, Burdur ve Isparta illeri için aynı

yapı özeliklerine sahip ofis binasının değişen iklim koşullarında Termodinamiğin I.

ve II. Yasasının bağlı olarak termodinamik analizi yapılmış ve teorik ısı pompası

sisteminin alt bileşenlerini oluşturan komprasör, kondenser, kısma vanası,

evaporatör, tank ve pompanın ekserji yıkım miktarları ısıtma yapılan Kasım, Aralık,

Ocak, Şubat ve Mart aylarına bağlı olarak belirlenmiştir.

18

3. MATERYAL VE YÖNTEM

3.1. 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 gerçekleştirilmi ştir.

Lord Kelvin’in havayı iş 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 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.

Şekil 3.1 Isı yükselticisi

19

1927 yılında 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 kış 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 300000 adet üretilmiştir. Amerika’da

1978’den sonra inşa edilen binaların %25’inin ısı pompası ile ısıtılması

planlanmıştır. 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 doğalgaz, ithal yolu

ile karşılanmaktadır. Bu ise Türkiye bütçesinde önemli yer tutmaktadır (Çakır, 1998).

3.2. Isı Pompasının Tanımı ve Çalışma Prensibi

Isı pompaları, düşük sıcaklıktaki hava, toprak, yeraltı ve yerüstü kaynaklarının ısı

enerjisinin, Jeotermal ve güneş enerjisinin veya atık ısı enerjisinin yardımcı bir enerji

kaynağı kullanılarak daha yüksek sıcaklıktaki bir ortama aktarıldığı sistemlerdir.

20

Şekil 3.2 Isı makinesi ve ısı pompası çevrimleri

Maddenin enerji durumu kendi mutlak sıcaklığına bağlıdır ve bu da maddeyi

oluşturan taneciklerin kinetik enerjileri toplamıdır. 273 K sıcaklıkta bir katı, sıvı veya

gaz önemli miktarda enerji içerir. 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 is yapılması gerekir. Bu amaçla genellikle elektrik

motoruyla çalışan sıkıştırıcılar veya gaz motorları kullanılır.

21

Isı pompası sistemi, soğutma sistemi ile aynı prensipte çalışmakta ve bir kompresör,

yoğuşturucu, genleşme vanası, buharlaştırıcı ve bir çalışma akışkanından

oluşmaktadır (Şekil 3.3). Soğutucu akışkan buharlaştırıcıya ortam sıcaklığından daha

düşük olan buharlaşma sıcaklığında sıvı halde girer. Ortamdan buharlaştırıcıya

soğutucu akışkanın buharlaşma entalpisini sağlamak üzere bir ısı akımı olur.

Buharlasan akışkan daha sonra sıkıştırılır ve bu sıkıştırma sırasında sıcaklığı

yükselir. Sıcak buhar geri kazanılan ısının verileceği ortama yerleştirilen bir ısı

değiştiricisine girer.

Burada ısı yüksek sıcaklıktaki soğutucu akışkandan ortama doğru akar. Akışkan

soğudukça gizli ısısını da vererek yoğunlaşır. Daha sonra genleşme vanasından

geçirilerek sıvının basıncı düşürülür ve buharlaştırıcıya verilir. Böylece devir

tamamlanmış olur (Erbil, 2002).

Şekil 3.3 Isı pompası sistemi

3.3. Isı Pompalarında Kullanılan Isı Kaynakları

Kaynak sıcaklığının direk kullanılamadığı yerlerde devreye ısı pompası girer. Isı

pompasının maksimum verimde çalışabilmesi, ısının çekildiği ve atıldığı kaynakların

aynı sıcaklıkta olması ile mümkündür. Isı kaynağı seçilirken coğrafi konum, iklim

şartları, ilk maliyet ve uygunluk göz önünde bulundurulmalıdır. Ayrıca ısı kaynağı

22

sıcaklığının büyük değişimler göstermemesi de istenen önemli özelliklerden biridir.

Isı pompalarında baslıca dört kaynaktan yararlanılabilir. Bunlar;

a - Hava

b - Su

c - Toprak

d - Güneş enerjisidir.

Isı kaynağı olarak kullanılan suyu, yeraltı ve yerüstü olarak iki baslık altında

toplamak mümkündür. Bunun yanında atık ısıların ve lağım sularının da ısı kaynağı

olarak kullanılabilmesi mümkündür. Yukarıda sıralanan ilk üç ısı kaynağı tek

başlarına kullanılabilir ancak güneş enerjisi genellikle yardımcı kaynak olarak

kullanılmaktadır.

Bu ısı kaynaklarından ilk üçü tek baslarına kullanılabilirken, güneş enerjisi genellikle

yardımcı kaynak olarak kullanılmaktadır. Isı pompası tasarımında karşılaşılan en

önemli problem, kullanılacak kaynaklar ile ilgili verilerin elde edilmesidir. Isı

pompası için önemli olan bu kaynakların ısı pompası ile uyum sağlayabilmesi,

aşağıda belirtilen şartlara bağlıdır (Hart ve Couvillion, 1986).

• Kaynak sıcaklığının fazla değişmemesi

• Kaynak sıcaklığının mümkün olduğu kadar yüksek olması

• Kaynağın bol bulunabilir olması ve coğrafi koşullardan mümkün olduğu kadar az

etkilenmesi

• Kaynağın kirli olmaması

• Korozyona sebep olmaması

Çizelge 3.1'de çeşitli ısı kaynaklarının karşılaştırma özellikleri verilmiştir.

23

Çizelge 3.1. Isı kaynaklarının karsılaştırılması (Leong and Aittomaki, 1998)

3.3.1. Hava

Isı pompaları için hava; her yerde bulunabilen, bedava ve tükenmez bir kaynaktır. En

büyük yararları, sürekli bulunmasından başka, her ortamda kullanılması; kullanılan

ekipmanların makul boyutlarda olması, düşük işletme ve tesis maliyeti

gerektirmesidir. Ayrıca tasarımı için çok geniş ve ayrıntılı bilgi kaynakları

mevcuttur.

Hava kaynaklı ısı pompalarının iki büyük dezavantajı sıcaklık değişimi ve buzlanma

problemidir. Hava kaynaklı ısı pompalarının tasarımı hava sıcaklığı değişimi ile çok

ilgilidir. Birçok yerde hava sıcaklığının değişimi büyüktür. Dolayısıyla ısıtma yükü,

hava sıcaklıklarının düşük olduğu zamanlarda yüksek olmaktadır. 0oC ve daha düşük

sıcaklıklarda ısı değiştirici yüzeylerinde meydana gelir. Periyodik olarak donun

çözülmesi gerekir.

Isı kaynağı Hava Şehir suyu Kuyu suyu Yüzey suyu

Atık su Toprak Güneş enerjisi

Kaynak sınıflandırması

Birincil Birincil veya

yardımcı Birincil Birincil

Birincil veya yardımcı

Birincil veya yardımcı

yardımcı

Isının atılması için uygunluğu

İyi İyi İyi İyi Kaynağına

göre değişmekte

Genellikle zayıf

Isıyı havaya atmada

kullanılır Bulunabilirlik

(Zaman) Sürekli Sürekli Sürekli Sürekli Değişken Sürekli

Tahmin edilemez

Bulunabilirlik (Yöre)

Üniversal Şehirler Belirsiz Nadir Sınırlı Yaygın Üniversal

İlk yatırım masrafı

Düşük Genellikle en

düşük

Kuyu açmanın maliyetine göre değişmektedir

Düşük Düşük Değişken Yüksek

İşletme masrafı İzafi

olarak düşük

Yüksek Düşük-Orta İzafi

olarak düşük

Düşük İzafi olarak

orta

Yardımcı kaynak olarak işletme

maliyetini düşürür

Sıcaklık seviyesi Uygun Genellikle

tatmin edici Tatmin edici

Tatmin edici

Genellikle iyi

Aşırı miktarda ısı çekilmediği sürece iyi

Çok iyi

Sıcaklık değişimi Aşırı Yöreye göre

değişmektedir Düşük Orta

Genellikle orta

Derinliğe göre

değişmektedir

Aşırı

Ekipmanların boyutları

Orta Küçük Kuyu

ekipmanları haricinde düşük

Küçük Genellikle

orta

Toprak ısı değiştiricileri

haricinde küçük

Sadece bazı

yöreler için

elverişli

24

3.3.2. Su

Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekesinden ve üretim islerinden elde

edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir.

3.3.3. Yeraltı suyu

Kuyu suyu 45–150 metre derinliklerde kuzey ülkelerinde 10oC, güney ülkelerinde ise

16oC civarında elde edilebilir. 10 metre ve daha fazla derinliklerde yeraltı suyunun

sıcaklığının yıl boyunca çok az değişmesi önemli bir avantajdır. Kuyu suyundan

yararlanıldığında, sıcaklığı düşmüş olarak buharlaştırıcıyı terk eden suyun kaynak

sıcaklığını düşürmemesi için genellikle bir daha kullanılmamak üzere bir başka yere

atılması gerekmektedir. Ayrıca sondaj ve bakım maliyetinin yüksek olması kullanımı

zorlaştırmaktadır. Yer altı suları uygun derinlikte, yeterli miktar ve kalitede

bulunduğu taktirde sıcaklığının nispeten sabit kalması nedeniyle ısı pompaları için

uygun gösterilebilir.

3.3.4. Yerüstü suyu

Su kaynağı olarak göller, nehirler gibi yerüstü sularından yararlanıldığında sıcaklık,

kuyu sularına göre daha fazla değişmekle beraber hava kadar değişmemektedir.

Ülkemizde yerüstü sularının genellikle 0oC’nin altına düşmemesi iyi bir avantajdır.

Ayrıca denizlerde 25-50 metre derinlikte sıcaklık 8oC civarında uygun bir sıcaklığa

sahiptir.

Yerüstü suyundan yararlanma çoğu durumda problemli olmaktadır. Zarar verici

maddelerle buharlaştırıcıda ısı geçiş katsayılarının kötüleşmesine neden olunur. Bu

yüzden boru demetli ısı değiştiricileri kullanılmaz. Ayrıca buharlaştırıcı kısa zaman

aralıklarında temizlenmelidir (Diz, 2001).

25

3.3.5. Toprak

Isı kaynağı olarak toprağın kullanılması hava ve su kaynaklı sistemlere nazaran daha

pahalıdır. Toprak altına gömülen boru sistemine “toprak ısı değiştiricisi” adı verilir.

Bu borular vasıtasıyla toprağın ısısı, ısı taşıyıcı akışkana veya çevrimin atık ısısı, ısı

taşıyıcı akışkandan toprağa aktarılır. Toprak altına gömülen borularda ısı taşıyıcı

akışkan olarak; doğrudan soğutucu akışkan veya su-antifriz karışımı kullanılır.

Toprağa gömülü boruların içinde doğrudan soğutucu akışkan kullanmak, soğutucu

akışkan ihtiyacının artmasına neden olur. Bu nedenle soğutucu akışkanın pahalı

olmasından dolayı genellikle ısı taşıyıcı akışkan olarak boru içerisinde su-antifriz

karışımı kullanılmaktadır.

Toprak ısı değiştiricileri yatay ve dikey olmak üzere iki şekilde yerleştirilirler.

Toprağın bileşimi, yoğunluğu, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği toprak ısı

değiştiricisinin seçimini ve boyutlandırılmasını etkiler. Toprak özelliklerinin zamana

bağlı değişimi ve ısı pompası sisteminin çalışması sırasında boruların etrafında belirli

bir bölgede ısı alışverişinden dolayı toprak özelliklerinin değişimi, tasarım

aşamasında ilgili hesaplamaların yapılmasını güçleştirir. Isı pompası ısıtma

sezonunda kullanıldığında, toprak ısı değiştiricisine yakın bölgelerde toprağın ısısı

suya aktarıldığından toprağın ısısı düşer. Dolayısıyla bu bölgede nem miktarı ve

toprak özellikleri değişir. Isı taşıyıcı akışkanın buharlaştırıcıya giriş sıcaklığı da aynı

sebepten dolayı düşer, dolayısıyla ısı pompası kapasitesi ve ısıtma tesir katsayısı

doğrudan etkilenir. Soğuk yörelerde, ısıtma yapıldığı süre içerisinde toprağa yeteri

kadar ısı geçişi olmazsa, kış aylarında topraktan sürekli çekilen ısı nedeniyle toprağın

donma tehlikesi mevcuttur (Esen ve İnallı, 2003).

Ancak ısı kaynağı olarak toprağın, havaya göre genellikle daha uygun sıcaklıklara

sahip olması ve sıcaklık değişiminin daha stabil olması avantajdır. Ayrıca, salamura-

soğutucu akışkan ısı değiştiricilerinin, hava-soğutucu akışkan ısı değiştiricilerine

göre daha az bir sıcaklık farkında çalışabilmeleri, toprak kaynaklı ısı pompalarının

hava kaynaklı ısı pompalarına göre diğer bir avantajıdır.

26

Toprak kaynaklı ısı pompaları, buharlaştırıcısında topraktan çekilen ısıyı kullanan ısı

pompalarıdır. Toprakla olan ısı alışverişi, toprağa yatay veya dikey olarak

yerleştirilmi ş toprak ısı değiştiricileri ile sağlanır. Isı taşıyıcı akışkanın toprak ısı

değiştiricisini oluşturan borulardan geçirilmesiyle elde edilen ısı enerjisi, ısı

pompasındaki buharlaştırıcıda soğutucu akışkana aktarılır. Toprak ısı değiştiricisinin

uygun derinliğe yerleştirilmesi belirli bir miktarda hafriyat veya delme gideri

gerektirerek ilk yatırım maliyetinin artmasına neden olur. Ayrıca yatay toprak ısı

değiştiricisi kullanılması durumunda belirli bir bahçe alanı gerektirmesi, toprak

kaynaklı ısı pompası sisteminin kullanımını kısıtlayan bir diğer faktördür.

3.3.6. Güneş enerjisi

Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden yararlanmanın en önemli avantajı; ısı pompası

buharlaştırıcı sıcaklığının yüksek seçilebilmesine imkan vermesidir. Dolayısıyla

ısıtma tesir katsayısı yükseltilmiş olur. Ancak havanın ısı kaynağı olarak kullanılması

durumunda olduğu gibi, ısı ihtiyacının yüksek olduğu günlerde güneş enerjisi de

kısıtlı olduğundan ek bir ısıtma tesisatına veya ısının depolanması gerekliliğini

ortaya çıkarır. Bu da zaten pahalı olan sistem maliyetinin daha da artmasına neden

olur.

Bunun yanı sıra ulaşım sorunu olmayan, kaliteli ve çevreye zararı olmayan sağlıklı

bir enerji kaynağı olarak güneş, mimari ve mühendislik bir takım yaklaşımlarla

oluşturulan pasif sistemler vasıtasıyla konutların ısı ihtiyacının azaltılmasını

sağlayarak bütün diğer ısı pompası sistemlerine destek olmaktadır. Prensipte güneş

enerjisinin büyük bir kısmının jeokütle tarafından tutulduğu ve diğer kısmının

havanın bünyesinde barındırıldığı düşünülürse, dolaylı olarak da olsa güneş

enerjisinin diğer tüm ısı kaynaklarına temel oluşturduğu kabul edilebilir (Diz, 2001).

27

3.4. Isı Kaynakları ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre Isı Pompalarının

Sınıflandırılması

Kompresörlü ve absorbsiyonlu ısı pompaları, kullanılan ısı kaynaklarına göre,

örneğin toprak veya yeraltı suyu; ısı dağıtıcı sistemlere göre, örneğin sıcak su

ısıtmaları veya hava ısıtmaları seklinde sınıflandırılabilirler. Bir ısı pompası tesisinin

isimlendirilmesinde ilk olarak soğuk taraftaki ısı taşıyıcısı veya ısı kaynağı, ikinci

olarak sıcak taraftaki ısı taşıyıcısı yani ısı dağıtıcı sistem denilmektedir. Örnek

olarak, hava-su ve toprak-su ısı pompaları verilebilir.

3.4.1. Hava-su ısı pompası

Bu sistemde ısı kaynağı olarak havadan yararlanan ve ısı pompasının sıcak kısmında

suyu dolaştıran bir cihaz söz konusudur. Isıtılan bu su, örneğin döşemeden ısıtmalı

bir sistem için kullanılabilir.

3.4.2. Toprak-su ısı pompası

Salamura-su ikilisinin kullanıldığı ısı pompası sistemleri bu gruba örnektir. Burada

ısı kaynağı toprak, topraktan ısıyı çeken akışkan salamura ve ısı pompasının sıcak

kısmındaki ısı taşıyıcı ise sudur.

3.5. Toprak Kaynaklı Isı Pompası Tipleri

Toprak kaynaklı ısı pompaları, toprağın kullanıldığı sistemlerin yer sularının ve bir

ısı kaynağı olarak yüzey sularının çeşitleri için tümü dahil bir terim olarak

kullanılmaktadır. Pazar veya kuruluş ihtiyaçlarının çeşitlili ğini karsılaştırmak için

kullanılan bir çok paralel terimler; örneğin Jeotermal ısı pompaları (JIP), yer enerji

sistemleri ve toprak kaynaklı sistemler bulunmaktadır. Bununla birlikte ASHRAE

(1995), standart bir adlandırma sekli olması bakımından üç grupta toplamıştır.

28

1. Kapalı serpantin toprak kaynaklı ısı pompaları

2. Yeraltı suyu ısı pompaları

3. Yüzey suları ısı pompaları

3.5.1. Toprak ısı değiştirici tipleri

Toprak ısı değiştiricileri, yatay ve dikey olarak yerleştirilebilir( şekil 3.4 ve 3.5).

Dikey ısı değiştiricileri yerlerine, delme makineleri ile yapılan kazı işlemi sonucu

yerleştirilir. Yatay sistem kurmak için de, bir veya birkaç hendek açılmalıdır. Kapalı

devre toprak ısı değiştiricileri, salamuranın akış yollarına göre paralel veya seri tipte

olabilir. Seri tipte tek bir akış yolu mevcuttur. Paralel tipte ise birkaç akış yolu vardır.

Şekil 3.4. Yatay toprak ısı değiştiricisi (Kruse and Heidelck, 2002)

29

Şekil 3.5. Dikey toprak ısı değiştiricisi (Kruse and Heidelck, 2002)

Dikey ısı değiştiricisinin genellikle yatay ısı değiştiricisine göre bazı avantajları

vardır, çünkü dikey tiplerde boruların büyük bölümü toprağın düşük ısıl direnç

gösteren bölümündedir. Yeraltı sularının hareketleri ısı değiştiricisinin iyilik

derecesini yükseltir. Ancak dönüş ve besleme borularını aynı giriş yerleştirme

zorunluluğu da, ısı geçişi bakımından kısa devreye sebebiyet vereceğinden, dikey

tiplerin yerleştirilmesinde bu noktaya dikkat edilmelidir. Borular arasındaki ısı

geçişi, ısı değiştiricisi iyilik derecesinin düşmesine sebep olur ve bu etki delik boyu

ile birlikte artar. Diğer yandan yatay ısı değiştiricisinin iyilik derecesi, ısıtma ve

soğutma mevsimleri boyunca yağmur, kar gibi yüzey olayları nedeniyle ve ısı

değiştiricisinin yüzeye yakınlığıyla doğru orantılıdır.

30

3.5.1.1. Yatay toprak ısı değiştiricileri

Yatay sistemler tek bir hendek veya birbirlerine yakın hendekler içine, bir veya

birden fazla borunun yerleştirilmesiyle oluşturulur. Isı değiştiricisinin iyilik derecesi

borular arasındaki mesafeye bağlıdır.

Yatay ısı değiştiricileri, salamuranın akış yönüne göre seri ve paralel olarak

sınıflandırılır. Bununla beraber toplam hendek uzunluğunu kısaltmak amacıyla tek

bir hendek içerisine birkaç boru yerleştirilebilir. Hendeklerin genişliği 0,6-0,9 m

civarındadır. Borular, yüzey şartlarında en az düzeyde etkilenmeleri amacıyla,

genellikle 0,5-2,5 m derinlikte döşenirler. Bu mesafe arttıkça, ısı değiştiricisinin

iyilik derecesi gerek toprak sıcaklıklarının daha uygun olması, gerekse boruların

yüzey şartlarından daha az etkilenmesi sebebiyle artar. Ancak hafriyat masrafları da

artacağından gömme derinliğine ekonomik analiz sonucu karar verilmelidir. Şayet

tek bir hendek içerisine birkaç kat boru döşenecekse borular arası kot farkı genellikle

0,3-0,5 m olmalıdır (Esen, 2002). Borular döşendikten sonra, dikkat edilecek bir

başka husus da, toprak ve boru arasındaki ısı geçişini iyileştirmek amacıyla

hendekten çıkarılan toprağın yerine yerleştirilirken yoğunluğunu artırmak için

sıkıştırılması gerekir. Yatay toprak ısı değiştiricilerinde, 700 m boru boyu 2 inch

boru çapı ve 1 l/s akışkan debisi kullanılabilir üst sınır değer olarak kabul edilir.

Sekil 3.6. Seri ve paralel akışlı yatay yer ısı değiştiricileri

31

3.5.1.2 Dikey toprak ısı değiştiricileri

Dikey toprak ısı değiştiricileri yerleştirme şekilleri (şekil 3.7’de gösterildiği gibi),

kesit geometrilerine göre U-tüp, bölünmüş tüp ve es eksenli tüp olarak

sınıflandırılabilir. U-tüp boru çapları, ¾ inch ile 2 inch arasındadır. Isı değiştiricisi

derinliği, basınç düşmesi ve ısı geçişi göz önüne alınarak boru çaplarına göre 15-185

m arasında değişir.

Şekil 3.7. Kesit geometrilerine göre dikey yer ısı değiştiricileri (Patlar, 2006)

Yer ısı değiştiricili ısı pompası sistemlerinin tasarımında, ısı değiştiricisinin

döşenmesi gereken alanın azaltılmasının bir amaç olduğu düşünülürse, dikey yer ısı

değiştiricili ısı pompası sistemlerinin diğer sistemlerden en büyük avantajı ortaya

çıkar. En az boruya ihtiyaç duyma, pompalama enerji ihtiyacının diğer sistemlere

nazaran daha az olması, tüm sistemler içinde en az yüzey alanına ihtiyaç duyan

sistem olması, toprak sıcaklığının mevsimlik değişimlerinden etkilenmemesi dikey

toprak ısı değiştiricilerinin diğer avantajlarıdır. Delme makineleri ve ekipmanları

gerektirmesi, delme işleminin hendek açma işleminden pahalı olması dikey ısı

değiştiricilerin dezavantajlarındandır (Güven, 2002).

32

3.6. Isı Pompası Elemanları

3.6.1 Kompresörler

Kompresörler buharlaştırıcıda bulunan alçak basınç ve buhar halindeki soğutucu

akışkanı emerek daha yüksek basınçta olan yoğuşturucu kısmına gönderen iş

makineleridir. Kompresörler baslıca dört ana gruba ayrılırlar:

1. Pistonlu kompresörler

2. Rotatif (dönel) kompresörler

3. Turbo (santrifüj) kompresörler

4. Vidalı kompresörler

3.6.2. Buharlaştırıcılar (Evaporatörler)

Soğutucu akışkanın buharlaşarak, soğutulmak istenen ortamdan ısı çekilmesini

sağlayan elemanlardır. Soğutucu akışkanın beslenmesine, çalışma şartlarına,

soğutulmak istenen sıvı veya havanın sirkülasyon yöntemine, soğutucu akışkanın

kontrol tipine ve uygulamaya göre pratikte çok değişik konstrüksiyonlarda ve

boyutlarda buharlaştırıcı tipi bulunmaktadır.

Genellikle buharlaştırıcılar ısıl iletkenliği yüksek olan demir, çelik, pirinç, bakır veya

alüminyum gibi malzemelerden imal edilirler. Zamanla yüzeylerde birikebilen

kirlili ğin oluşturduğu ısıl direncin büyük olması nedeniyle, malzemenin ısı iletim

katsayısı düşebilmektedir. Dış yüzeylerde hava soğutulması halinde birikebilen toz

ve buz, su soğutulması halinde ise tortu, soğutucu akışkanın aktığı iç yüzeylerde ise

yağ filmi veya tortu birikmesi önemli ısıl dirençler meydana getirir. Örnek olarak

buharlaştırıcı yüzey üzerinde biriken 10 mm kalınlığındaki buz tabakası, ısı geçişini

temiz yüzeye göre yarı yarıya azaltır.

33

3.6.3. Yoğuşturucular

Yoğuşturucular, kompresörden çıkan kızgın soğutucu akışkan buharının soğutularak

yoğuşturulduğu elemanlardır. Burada soğuk akışkan olarak atmosferik hava veya su

kullanılabildiği için, yoğusturucuları hava soğutmalı ve su soğutmalı olarak iki

grupta incelemek mümkündür.

Hava soğutmalı yoğuşturucular, genellikle kanatlı borulu imal edilirler. Boruların

içerisinden soğutucu akışkan, dışından da hava geçer. Bu tip yoğuşturucular daha çok

küçük soğutma yüklerinde ve yeterli soğutma suyunun bulunmadığı durumlarda

tercih edilir, çünkü hava tarafındaki ısı taşınım katsayısı küçük olduğundan, büyük

soğutma yüklerinde çok büyük yüzeyler gerekir.

Bakımları ve kullanışları basit olmakla beraber hava sıcaklığının gün ve mevsim

boyunca değişmesi nedeniyle otomatik kontrolü güçleşir. Ev tipi küçük

buzdolaplarında, hava hareketi doğal olarak sağlanır. Bu dolaşımın rahat olabilmesi

için yoğusturucu ile duvar arasında 10-30 cm kadar bir açıklık bırakılmalıdır.

Soğutma yükü arttıkça zorlanmış dolaşıma gerek duyulur.

Kompresör motorunun miline bir vantilatör takılarak hava hareketi sağlanabilir. Bu

yeterli olmazsa volan üzerine ilave üfleme kanatları takılarak 1500 W civarında

soğutma güçlerine çıkılabilir. Su soğutmalı yoğuşturucular, eğer elde soğutma suyu

varsa ve elektrik enerjisi pahalı ise, yoğuşturucunun su ile soğutulması yoluna gidilir.

Bütün soğutma suyunun dışarıya atılması hem ekonomik olmaz hem de suyu

atabilecek uygun kanalizasyon bulunması güçlükler yaratır. Bu gibi durumlarda,

soğutma suyu bir soğutma kulesinde soğutularak tekrar kullanılır. Böyle bir devrede

soğutma kulesinde buharlasan suyu da karşılamak için kabaca 1 kW soğutma yükü

için saatte 170-200 kg soğutma suyuna ihtiyaç vardır.

34

3.6.4. Basınç ayarlayıcılar (Genleşme valfleri)

Genleşme valfleri aslında birer basınç düşürücü olup pratikte otomatik ve termostatik olmak

üzere iki tip genişleme valfi kullanılır. Ev tipi buzdolabı ve derin dondurucu gibi küçük

soğutma kapasitelerinde genleşme valfi yerine kılcal (kapiler) boru kullanılır. Bu boruların iç

çapları, soğutma yüküne bağlı olarak 0,8-1,3 mm arasında değişir, boyları ise buharlaştırıcı

basıncına göre ayarlanır (Yakar, 1997).

3.6.5. Kumanda kontrol cihazları ve diğer yardımcı elemanlar

Sistemde sıcaklık, basınç geçen akışkan miktarı gibi yönlerden istenilen sınırlar

arasında isletmeye giren veya isletmeden çıkaran kumanda kontrol cihazları ile

devrenin özellik ve işletme şartlarına göre eleman ve cihazlar kullanılmaktadır.

3.7. Isı Pompalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlar

Birçok soğutma tekniği uygulamasında ısı, ikinci bir soğutucu akışkanla taşınabilir.

Herhangi bir sıvı olabilen bu ikinci akışkan esas soğutucu akışkan ile soğutulur ve

hal değişimi olmadan ısı geçişini gerçekleştirebilir. Bu tip sıvılar, ısı transferi

akışkanları, salamuralar veya ikincil soğutucu akışkanlar olarak adlandırılırlar.

CFC-12 Düşük ve orta sıcaklık (max. 80 oC)

CFC-114 Yüksek sıcaklık (max. 120 oC)

R-500 Orta sıcaklık (max 80 oC)

R-502 Düşük-orta sıcaklık (max. 55 oC)

HCFC-22 Düşük sıcaklık ısı pompaları (max. 55 oC)

3.7.1. CFC (Kloroflorokarbon)

Kimyasal stabilizesini ve içerdiği klorin miktarına bağlı olarak CFC’ler

(kloroflorokarbon) global çevreye zararlıdır. CFC’ler yasaklı akışkan grubuna

dahildir. Yüksek ozon tüketimine sahip olduklarından üretimi ve kullanımı yasaktır.

Yalnızca eskiyen sistemlerdeki gazların temizlenmesiyle elde edilebilmektedirler. Bu

35

grubun kapsadığı akışkanlar R-11, R-12, R-113, R-114, R-115, R-500, R-11502, R-

13 B1’dir(Niğdelioğlu, 2006).

3.7.2. HCFC (Hidrokloroflorokarbon)

Hidrokloroflorokarbonlar da klorin içermesine rağmen kloroflorokarbonlara göre

ozon tüketme potansiyeli çok daha azdır. HCFC’nin ozon tüketme potansiyeli, düşük

atmosferik kimyasal stabilizeye bağlı olarak CFC-12’ ye göre %12 daha azdır.

Ayrıca global ısıtma potansiyeli CFC-12’nin % 20’si kadardır. HCFC’ler geçiş

akışkanları olarak adlandırılır. HCFC’ler R-22, R-401, R-402, R-403, R-408 ve R-

409 akışkanlarını içerir.

3.7.3. HFC (Hidroflorokarbon)

Hidroflorokarbonlar uzun dönemde alternatif akışkanlar olarak değerlendirilebilir.

Bu onların R-134A, R-152A, R-32, R-125 ve R-507 gibi klorin içermedikleri

anlamına gelir. Ozon tüketimine etkileri olmadığı için, R-12, R-22, R-502’ye

alternatif olabilirler. Fakat onların da hala global ısınmaya etkileri vardır.

HFC-134A termofiziksel özellikler olarak CFC-12’ye çok benzemektedir. HFC-134a

kullanılan bir ısı pompasının performans katsayısı (COP) pratik olarak CFC-12

kullanılan ısı pompasınınkiyle aynı olacaktır. Düşük evaporatör sıcaklığında (-1 oC’nin altında) ve büyük sıcaklık artışlarında performans katsayısı biraz daha düşük

olacaktır.

HFC-152A esas olarak R-500’ün bir parçası olarak kullanılmıştır. Karışımlarda

eleman olarak kullanılır ve yanıcıdır.

HFC-32 orta yanıcı olarak kabul edilebilir ve sıfıra yakın global ısıtma potansiyeli

vardır. Uzun dönemde ısı pompası ve endüstriyel soğutma uygulamalarında HCFC-

22’nin yerine uygun bir akışkan olarak düşünülmektedir. HFC-32, yanıcı olmayan

karışımlarda R-502 ve HCFC-22 yerine ana bilesen olarak kullanılmaktadır.

36

HFC-125 ve HFC-143A hemen hemen R-502 ve HCFC-22 ile benzer özelliklere

sahiptir. Global ısıtma potansiyeli HFC-134A’ya göre üç kat fazladır.

3.7.4. Karışımlar

Bir karışım iki veya daha fazla akışkanı içerebilir. İzeotropik karışımlar sabit

sıcaklıkta buharlaşır ve yoğunlaşır. CFC-12 ve R-502’nin yerini alması için ilk

karışımlar HCFC-22 veya HCFC akışkanlarını içerdikleri için geçiş akışkanları

olarak kabul edildiler. R-502’nin ve HCFC-22’nin yerini alması için oluşturulan yeni

nesil karışımlar ise klorin içermezler ve temel olarak HFC’lerden (HFC-32, HFC-

134A, HFC-125, HFC-143A) ve hidrokarbonlardan oluşur. Gelecek için umut veren

iki akışkan R-410A ve R-407C’dir. R-410A R-32 ve R-125’in karışımıdır, R-407C

ise R-32, R-125 ve R-134A’dan oluşmaktadır. R-410A kullanarak R-22’ye kıyasla

çok daha iyi COP değerleri elde edilmektedir. R-410A kullanarak toplam maliyette

azalma sağlanabilir, çünkü sistem bileşenlerinin özellikle kompresörün ölçülerinde,

akışkanın volümetrik kapasitesinin yüksek olması nedeniyle önemli miktarda azalma

olacaktır.

3.7.5. Doğal akışkanlar

Doğal akışkanlar, biyosferde doğal olarak mevcut olan maddelerdir. Global çevreye

zararları sıfır veya sıfıra yakındır. Doğal akışkanların örnekleri amonyak,

hidrokarbonlar, karbondioksit, hava ve sudur.

3.7.5.1. Amonyak

Amonyak çoğu ülkede orta ve büyük soğutma ünitelerinde baslıca kullanılan

soğutucu akışkandır. Toksin ve yanıcı karakteri nedeniyle kullanımı için ayarlar ve

kurallar geliştirilmi ştir. Termodinamik ve ekonomik olarak yeni ısı pompaları

ekipmanlarında CFC’lere ve HCFC-22’ye en iyi alternatiftir. Bugün için sadece

büyük ısı pompası sistemlerinde kullanılmıştır ve yüksek basınç kompresörleri

37

kondenzasyon sıcaklığını 58oC’den 78oC’ye çıkarmıştır. Verimli yüksek basınç

kompresörleri geliştirilirse, amonyak mükemmel bir yüksek sıcaklık soğutucu

akışkanı olacaktır.

3.7.5.2. Hidrokarbonlar (HC)

Günümüzde propan, propilen ve propan karışımları, bütan ve etan ısı pompası

sistemlerinde kullanılabilecek en umut verici soğutucu akışkan olarak

değerlendirilmektedir.

3.7.5.3. Su

Toksin ve yanıcı olmayan uygun termodinamik özelliklere sahip olan su, endüstri ısı

pompalarında kullanılabilecek mükemmel bir akışkandır. Tipik olarak çalışma

sıcaklıkları 80oC ile 150oC arasında değişir. Dezavantajı ise sahip olduğu volümetrik

ısı kapasitesidir. Bu özellik özellikle düşük sıcaklıklarda büyük ve pahalı

kompresörler gerektirir.

3.7.5.4. Karbondioksit (CO2)

CO2 ne toksik ne de yanıcıdır ayrıca normal yağlama yağlarıyla ve genel

konstrüksiyon malzemeleri ile uyumludur. Volümetrik soğutma kapasitesi yüksektir.

COP değeri çok düşüktür.

3.7.6 Salamuralar

Kalsiyum ve sodyum kloridin su içindeki çözeltileri, pratikte en çok kullanılan

soğutucu salamuralardır. Salamuralı soğutma tekniğine esas olarak, endüstriyel

soğutma sistemlerinde ve buz paten sahalarında kullanılmaktadır. Kalsiyum klorid

salamurası için korozyon temel bir problem olup, özellikle galvanizli demir

kaplarının kullanıldığı buz üretim tanklarında önemli hasarlar yapmaktadır.

Salamuralı sis yöntemi ile balıkların ve diğer besin maddelerinin dondurulduğu

38

işlemlerde, kalsiyum klorid çözeltisinin besin maddesine temasının istenmediği

durumlarda, adi sofra tuzu (sodyumklorid) kullanılır. Tuz aynı zamanda soğutma

serpantinleri üzerine püskürtülerek, buzlanmanın önlenmesinde de kullanılır.

Kalsiyumklorid eriyiğinin donma noktası düşük olduğu için soğutma

uygulamalarının çoğunda daha uygundur. Ticari kalsiyumklorid, küçük pullar, katı

veya eriyik halinde, tip 1 ve tip 2 olarak satışa sunulur. Ticari sodyumklorid ise, hem

saf kaya tuzu, hem de rafine edilmiş sofra tuzu olarak bulunabilir. Magnezyum

tuzlarının çamur haline gelme eğilimleri olduğundan, bu tuzların sodyumklorid ve

kalsiyumklorid içinde bulunması istenmez.

3.7.6.1. Glikol katkılı salamuralar

Etilen ve propilen glikol renksiz, pratik olarak kokusuz sıvılar olup, su ve birçok

organik bilesen ile kolayca karışabilirler. Etilen glikol derişikli ğinin kütlesel olarak

%60 değerinden fazla olması durumunda, eriyiğin donma noktası sıcaklığı

artmaktadır. Propilen glikol derişikli ğinin %60 değerinden fazla olması durumunda

eriyiğin belirli bir donma noktası yoktur. Burada donma yerine, propilen glikol

eriyiği cam özelliklerine sahiptir. Cam, aşırı viskoziteli sıvının soğutulması halinde

katı görünüşlü amorf bir cisimdir. Ötektik noktasının seyreltik tarafında donma

esnasında buz oluşurken; ötektik noktasının diğer tarafında, donma esnasında katı

glikol parçaları eriyikten ayrılır. Bu tip eriyiklerin donma hızı çoğunlukla yavaştır,

fakat zamanla bunlar sertleşir ve katı kütle oluşturur.

3.7.7. Alternatif soğutucu akışkanlar

19. yüzyılın ikinci yarısından itibaren soğutma sanayisinde başlangıçta

karbondioksit, hava, su ve amonyak gibi doğal maddeler soğutucu akışkan olarak

kullanılmıştır. Zamanla yapay olarak elde edilen kloroflorokarbon ve

hidrokloroflorokarbonlar bu maddelerin yerini almış ve yoğun şekilde kullanılmıştır.

Ozonu olumsuz yönde etkilediği belirlenen ve düşük buharlaştırıcı sıcaklılarında

yaygın olarak kullanılan soğutuculardan birisi de R-502’dir. 1980’li yıllardan

itibaren ozon tahribatı özelliği olmayan alternatif soğutucu akışkan arayışına girilmiş

39

ve R-507, R-502’ye alternatif olarak önerilmiştir. Ozon tabakasında meydana gelen

incelme veya parçalanmaları önlemek için, soğutma sistemlerinde kullanılacak

zararsız alternatif soğutucu akışkanlar biliniyor olmakla birlikte yeni maddelerin

araştırılmasına devam edilmektedir. Alternatif maddelerin basında R-134A, R-404A,

R-407A, R-410A ile doğal maddelerden hidrokarbonlar (propan, bütan) ve amonyak

gelmektedir. Yeni imal edilecek ticari soğutucuların bu alternatif soğutucu akışkanlar

için tasarlanmalıdır.

3.7.7.1. R-134A soğutucu akışkanının özellikleri

R-134A (CF2CH2F) soğutucu akışkanı; saf bir soğurucudur, dolayısıyla tek bir

bileşimden oluşmuştur ve bir fazdan diğerine (örneğin sıvıdan buhara) geçişlerde

sıcaklık değişimleri oluşmaz. R-134A’nın fiziksel özellikleri R-12’nin fiziksel

özelliklerine çok yakındır. Halen ozon tüketme katsayısı 0 olan ve diğer özellikleri

açısından en uygun soğutucu madde olarak önerilmektedir. Araç soğutucuları ve ev

tipi soğutucular için en uygun alternatif olarak bilinmektedir. R-134A soğutucu

akışkanı daha önce R-12 soğutucu akışkanını kullanmış olan büyük soğutma

sistemlerinde kullanılabilir. R-134A, yatırım masrafları makul olan ve soğurucu

cihazlarda fazla değişiklik gerektirmeden kullanılması mümkün olan bir alternatif

soğutucu akışkandır. Düşük sıcaklık için çift kademeli sıkıştırma

gerektirebilmektedir (Süzer, 2001).

3.7.8. Bir soğutucu akışkandan beklenen özellikler

Soğutucu akışkanlarda yüksek gizli ısı istenir. Buna bağlı olarak kompresör ve

buharlaştırıcı küçülecek, dolayısıyla otomatik kontrol teçhizatları ucuzlayacaktır. Bu

özellik aynı zamanda sistemin etkinliğini de artırır.

Uygun buharlaşma basıncı ve hacmi istenir. Yüksek basınçta buhar hacmi düşük,

düşük basınçta ise büyüktür. Her ikisinin de uygun değerlerde olması istenir.

Akışkanın normal atmosfer basıncında kaynama sıcaklığı çok yüksek ise normal

soğutma sıcaklıklarında buharlaştırmak için çok düşük basınç gerektirir. Bu olay

40

vakum oluşturur ve eğer kırık veya çatlak oluşursa sisteme hava girer ve içindeki su

buharı donarak borularda tıkanma olmasına neden olur.

Düşük yoğuşma basıncı istenir. Kompresörde sıkışıp basıncı artan buharı soğutarak

sıvı hale dönüştürmek için uygun soğutma ortamı gerekir. Pratik olarak su ve hava

kullanılır. Basınç ne kadar düşük olursa tesisat o kadar ucuz olur, basıncın artmasıyla

malzeme et kalınlığı da artar.

Yüksek kritik basınç ve sıcaklığı istenir. Buharı sıkıştırmak için gerekli basınç ne

kadar düşük ise kompresör gücü de o kadar düşük olur.

Düşük donma sıcaklığı istenir. Akışkan donma sıcaklığının düşük olmasıyla olağan

dışı durumlarda dizayn yapılması gerektiğinde geniş basınç aralıklarında ısı

pompasının çalışması sağlanabilir.

Yağlama yağı üzerinde fazla etkili olmamalıdır. Kimyasal etki yapmamalıdır. Yağın

incelmesi sistemdeki parçalar için zararlıdır. Akışkan yağda erirse yağ incelir. Bazen

de yağın tümü eriyerek akışkanla sürüklenir ve kompresör tamamen yağsız kalır.

Genel olarak bir miktar yağ akışkanla sistem içine yayılır, bu yağın tekrar kompresör

emme tarafına gitmesi gerekir. Elimizde kullanacağımız uygun akışkan yoksa, yağla

eriyen akışkanı kullanmak zorunda isek yüksek akışkan hızı seçmek gerekir.

Yüksek ısı geçirgenliğine sahip olması istenir. Böylece sistemin mahal ve çevrede

oluşan değişik sıcaklık koşullarına karsı tepkisi daha seri olacaktır. Ayrıca soğutucu

akışkanın bu özelliğe sahip olması ısı transfer yüzeylerinin küçülmesini sağlar.

Küçük viskozite istenir. Akışkanın hem sıvı hem de su buharı halindeki viskozitesi

düşük olmalıdır. Viskozitesi büyük olan akışkanların basınçlandırılması için gerekli

olan enerji miktarı daha azdır. Elektrik iletkenliğinin olmaması istenir. Ayrıca yanıcı,

zehirli ve tahriş edici olmamalıdır. Tamir sırasında borularda mutlaka bir miktar

akışkan bulunur. Ucuz ve saf olmalıdır. Su ile karıştığında asit etkisi yapmamalıdır.

Ozon tabakasına zararlı olmamalıdır. Sera etkisine sebep olmamalıdır (Diz, 2001).

41

3.8. Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Avantajları ve Dezavantajları

3.8.1. Avantajları

Yüksek Etkinlik ve Kararlı Kapasite;

Toprak kaynaklı ısı pompaları uygun bir şekilde tasarlandığı zaman, alışagelmiş hava

kaynaklı ısı pompası ve fosil yakıtlı düzeneklerden daha fazla yüksek bir etki

katsayısıyla ve ekonomik olarak isletil. Çevrim sıcaklıkları dış hava sıcaklıklarıyla

çok az değişir. Bu yüzden kapasitesi kararlıdır.

Konfor ve Hava Kalitesi;

Toprak kaynaklı ısı pompaları, gizli soğutma kapasitesini içermeden, yüksek etki

katsayısı sağlarlar. Yüksek etki katsayısı, kompresörün basma basıncının emme

basıncına oranının azaltılmasıyla elde edilmektedir. Dış hava sıcaklığı, basma

basıncının daha düşük limitini gösterdiği için bazı imalatçılar etkinliği yükseltmek

için emme basıncını artırırlar. Bu, konfor ve iç hava kalitesi sorunlarını bir bütün

haline getiren zayıf nem almaya yol açar.

Basit Kontroller ve Ekipman;

Karmaşık kontroller, konforu ve kısmi yükteki etkinliği sağlamak için gerekli

değildir. Toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin giderini düşürmek için pahalı ve

özel cihazların kullanılmaması önerilir. Hava debisi, sabit hacimde olup; merkezi

kontrol sadece su pompasındaki isteğe bağlı değişken hızlı sürücüdedir.

Düşük Bakım Gider;

Toprak kaynaklı ısı pompaları, dış ünite olmadan kurulabilirler. Tüm ısı pompası

ekipmanı iç ünite seklindedir. Ekipmanda, alışılagelmiş ekipmanlarda ortaya çıkan

yüksek ve düşük soğutucu akışkan basınçlarıyla karşılaşılmaz.

Düşük Giderli Su Isıtması;

Çoğu ticari yapıda soğutma sistemiyle alınan, iç yüklerden ortaya çıkan atık ısı söz

konusudur. Bu atık ısı, su ısıtma ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılabilir. Bu,

42

seçilen ısı pompalarındaki ısı geri kazanım serpantinleriyle veya bu amaçla

kullanılan su-su ısı pompalarıyla gerçekleştirilebilir.

Dış Ünite Ekipmanı Gerektirmemesi;

Çoğu toprak kaynaklı ısı pompalarında göze hoş görünmeyen dış ünite gerekli

değildir. Böylece, diğer kullanımlar için bos alan sağlanır ve dış üniteyle

oluşabilecek emniyet sorunları ile olası zararlar ortadan kaldırılır.

Çevre Dostu;

EPA (Environmental Protection Agency) raporuna göre, toprak kaynaklı ısı

pompaları , “analiz edilen tüm teknolojilerin en düşük CO2 emisyonları ve en düşük

toplam çevre giderleri” olarak tanıtılmaktadır. İyi tasarlanan ve kurulan toprak

kaynaklı ısı pompalarının etkinliğinin artması, gerekli olan enerji miktarını azaltır.

Böylece bundan kaynaklanan kirleticiler ve diğer emisyonlar azaltılır.

Tasarım Esnekliği;

Toprak kaynaklı ısı pompaları önemli ölçüde esneklik sağlar. Çünkü değişik boyut

ve yerleşim şekillerinde tasarlanabilir. Isı pompaları, çatı arası boşluğa veya küçük

mekanik odalara konulabilir.

Mükemmel Ömür Gideri;

Toprak kaynaklı ısı pompalarının ilk yatırım maliyeti yüksek olmasına rağmen,

yapım-kullanım ömrü gider hesabı yapıldığı zaman toprak kaynaklı ısı pompalarını

belirgin olarak öncü kılan üç karakteristik ortaya çıkar: enerji ve bakım giderlerinin

düşük olması, ve ekipman ömrünün uzun olması.

3.8.2 Dezavantajları

İlk Yatırım Maliyetinin Yüksek Olması;

Yatırım gideri günümüzde standart merkezi ekipmanın giderinin iki katıdır.

43

Nitelikli Tasarımcı Sayısının Sınırlı Olması;

HVAC (Heating Ventilating and Air Conditioning) tasarımcıları daralan

konstrüksiyon bütçeleri, artan standart istemleri ve giderek çoğalan yasal

sorumluluklar arasında sıkışmış durumdadır. Genellikle yapmak istedikleri son şey

yeni bir şey denemektir (Ersöz, 2000).

3.9. Termodinamiğin Tanımı ve Termodinamik Kanunları

18.yüzyılın başlarından itibaren tekstil endüstrisinde meydana gelen hızlı gelişmenin

sonucu olarak artan güç ihtiyacı ve bunun insan veya hayvan gücüyle

karşılanamaması, buhar makinelerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır. İngiltere’de,

1697 yılında Thomas Savery ve 1712 yılında Thomas Newcomen tarafından yapılan

başarılı ilk buhar makineleri, 1765-1766 yıllarında James Watt’ın bu makineleri

geliştirmesi ve buharın o güne kadar bilinmeyen özellikleri üzerine yaptığı

araştırmalar, bu alandaki çok önemli adımları oluşturmuştur. Diğer birçok

araştırmacının da bu alana yönelmesiyle termodinamik bilimi ortaya çıkmıştır.

Termodinamik terimi ilk kez, İngiliz bilim adamı Lord Kelvin tarafından, 1849

yılında yaptığı bir yayında kullanılmıştır. Termodinamik sözcüğü, Latince therme

(ısı) ve dynamis (güç) sözcüklerinden türetilmiştir. Termodinamik, fiziğin enerji ve

enerjinin şekil değiştirmesi ile uğraşan kolu olarak tanımlanabilir. Hatta

termodinamik günümüzde “enerji ve entropi bilimi” olarak da tanımlanmaktadır

(Bejan ve diğerleri, 1996).

Termodinamik, otomobillerden uçaklara ve uzay araçlarına, elektrik güç

santrallerinden iklimlendirme sistemlerine ve bilgisayarlara kadar çok geniş

uygulama alanlarına sahiptir.

3.9.1 Isı ve sıcaklık:

Sıcaklık, bir maddeyi oluşturan moleküllerin kinetik enerjileri ile ilgili bir büyüklük

olarak tanımlanabilmektedir. Sıcaklık kavramı termodinamiğin sıfırıncı yasası ile

ilgidir. Termodinamiğin sıfırıncı yasası ilk defa 1931 yılında R.H. Fawler tarafından

44

tanımlanmıştır. Termodinamiğin birinci ve ikinci yasası ise sıfırıncı yasasından 50 yıl

önce verilmiştir. Bu yasa mantıksal olarak diğerlerinden önce gelmesi gerektiğinden,

adına sıfırıncı yasa denilmiştir.

Sıcaklık maddelerin fiziksel özelliklerinden yararlanılarak yapılmış, termometre

denilen araçlarla ölçülür. Termometreler genelde suyun donma ve kaynama

noktasına göre ölçeklendirilmişlerdir. Bu ölçekler şunlardır: Celsius (0C), Fahrenheit

(0F), Reomur (0R) ve Kelvin (K) ölçekleri. Bu sıcaklık ölçekleri arasındaki dönüşüm

formülleri şu şekildedir (Çengel ve Boles, 1994);

Bir maddenin sahip olabileceği en küçük sıcaklık derecesine mutlak sıcaklık denir.

Mutlak sıcaklık -273 C0= 0 K’dir. Bu sıcaklığın altında bir sıcaklık yoktur.

3.9.2. Termodinamiğin sıfırıncı yasası

“ İki cisim üçüncü bir cisimle sıcaklıkça eşdeğerde ise, bu iki cisim birbirleriyle de

sıcaklıkça eşdeğerdedir”. Buna termodinamiğin sıfırıncı yasası denilmektedir. 1931

yılında R. H. Fowler tarafından temel bir fizik ilkesi olarak ortaya konmuştur.

3.9.3. Termodinamiğin birinci yasası

Termodinamiğin birinci kanunu veya diğer adıyla enerjinin korunumu ilkesi

enerjinin değişik biçimleri arasındaki ilişkileri ve genel olarak enerji etkileşimlerini

incelemek için sağlam bir temel oluşturur. Termodinamiğin birinci yasası deneysel

gözlemlere dayanarak, enerjinin var veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden

diğerine dönüşebileceğini vurgular. Kapalı sistem olarak tanımlanan, belirli sınırlar

içinde bulunan sabit bir kütle için termodinamiğin birinci yasası veya enerjinin

korunumu ilkesi aşağıdaki gibi ifade edilebilir (Çengel ve Boles, 1994).

273373273

3221232

800

01000

−−=

−−=−=

−− KFRC

45

İş: Termodinamikte iş transfer edilen enerjiyi belirtmektedir. Sistem tarafından

yapılan iş pozitif değerde, sisteme yapılan iş negatif değerde alınır. İş W ile

gösterilirse basitçe aşağıdaki gibi verilir.

0>W sistem tarafından yapılan iş

0<W sistem üzerine yapılan iş

Birim zamanda yapılan işe güç denir ve .

W ile gösterilir.

Enerji: Adyabatik proseste iki durum arasındaki enerji aşağıdaki gibi verilir (Çengel

ve Boles, 1994).

( ) ( ) ( ) adWUUPEPEKEKE −=−+−+− 121212 (3.1)

1 ve 2 sırasıyla başlangıç ve bitiş durumlarını göstermektedir. Özgül iç enerji birim

kütleye veya mol başına bağlı olarak sırasıyla u ve u ile gösterilir.

Özgül enerji gzVu ++= 2

2

1 (3.1a)

Burada; V hızı, z yüksekliği ve g yer çekimi ivmesini göstermektedir. İç enerjiye

( )u , basınca ( )p ve özgül hacme ( )v bağlı olarak entalpi;

pvuh += (3.1b)

şeklindedir. Ekstensif olarak aşağıdaki gibi verilir.

pVUH += (3.1c)

46

Enerji Dengesi:

( ) ( ) ( )[ ] WUUPEPEKEKEQ +−+−+−= 121212

Bu ifade aynı zamanda aşağıdaki gibide yazılabilir.

( ) ( ) ( ) WQPEPEKEKEUU −=−+−+− 121212 (3.2d)

Denklem (3.2d)’e kapalı sistemin enerji dengesi denir. Tüm türlerin kapalı sistemleri

için enerji prensiplerinin dönüşümünü özetler (Çengel ve Boles, 1994).

Isı: Denklem (3.2d)’de Q ile gösterilmiştir. Proses boyunca iş dışında kapalı sisteme

transfer edilen enerjinin miktarıdır. Deneysel sonuçlara bağlı olarak, enerji transferi

sistem ve çevresi arasındaki sıcaklık farkının sonucu olarak ortaya çıkmakta ve

yalnızca azalan sıcaklık yönünde olmaktadır. Enerji transferi ısı ile enerjinin transferi

manasına gelmektedir. Aşağıdaki işaretler ısı transferinde kullanılır (Jones ve Dugan,

2003).

0>Q sisteme olan ısı transferi

0<Q sistemden olan ısı transferi

Güç Çevrimleri: Termodinamik çevrimler altında kapalı sistem incelensin. Enerji bir

özellik olduğu için, bir çevrim üzerinde enerjideki net değişim sıfırdır. Çevrim için

Denklem (3.2d)’den

cevrimcevrim WQ =

bulunur. Deneylerden, güç çevrimlerinin ısı transferi ile enerjinin verilmesi ve ısı

transferi ile enerjinin kaçınılmaz kaybından oluştuğu görülmüştür.

RAcevrim QQQ −=

47

Burada QA ısı transferi ile verilen toplam enerjiyi ve QR ısı transferi ile kaybedilen

toplam enerjiyi göstermektedir. Son iki denklem birleştirilirse aşağıdaki ifade

bulunur.

RAçevrim QQW −=

Termal Verimlilik: Isı makinesinin termal verimliliği net işin ısı transferi ile verilen

toplam enerjiye oranıdır (Çengel ve Boles, 1994).

A

R

A

cevrim

Q

Q

Q

W−== 1η (3.2d)

3.9.4. Termodinamiğin ikinci yasası

“Termodinamiğin ikinci yasası, işlemlerin belirli bir yönde gerçekleşebileceğini, ters

yönde olamayacağını ifade eder.” Bir durum değişimi ancak, termodinamiğin hem

birinci ve hem de ikinci yasasını sağlıyorsa gerçekleşebilir. Örneğin yakıt tüketerek

bir yokuşu çıkan bir otomobil düşünelim. Otomobilde depodan eksilen benzin,

otomobilin yokuş aşağıya kendiliğinden inmesiyle tekrar depoya dolamaz. Yani

durum değişimi tek yönlüdür (Bejan ve diğerleri, 1996).

Termodinamiğin birinci yasası durum değişiminin yönü üzerine bir kısıtlama

koymamaktadır. Birinci yasaya göre bir çevrimde ısı tamamen işe dönüştürülebilir,

Qçevrim=Wçevrim. Yani birinci yasaya göre, sitemden çevreye ısı vermeksizin iş

yapabilen bir ısı motoru, yani %100 verimli bir motor, yapmak mümkündür. İşte

İkinci Yasa buna kısıtlama getirmektedir. Termodinamiğin ikinci yasasının Kelvin-

Planck ifadesi bu durumu açıklar:"Periyodik olarak çalışan bir tek ısı kaynağı ile ısı

alış verişi yaparak sürekli olarak iş üreten bir makinenin yapılması mümkün

değildir."

Isıtma ve soğutma makinelerinin (klima, buzdolabı...) termodinamiğin ikinci

yasasıyla ilişkisini ise Clausius şöyle açıklamıştır:"Çevrede hiçbir etki bırakmaksızın

48

ısıyı soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına ileten bir ısı pompası (veya soğutma

makinesi) yapmak mümkün değildir" yada başka bir deyişle "Isı enerjisi

kendiliğinden soğuk ortamdan sıcak ortama doğru akamaz". Termodinamiğin ikinci

yasası, doğada bulunmayan tersinir işlemler için sakınım yasasıdır. Bu yasa, sistemin

termodinamik özelliklerinden biri olan ve entropi olarak adlandırılan yeni bir

ifadenin tanımlanmasına yol açmıştır (Çengel ve Boles, 1994).

Entropi: “Entropi, sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlanabilmektedir”.

Sistemde düzensizlik arttıkça entropi de artar. Örneğin bir gaz ısıtıldığında

moleküllerinin hareketleri hızlandığından ve düzensizleştiğinden, entropisi artar.

Eğer bir sistem tam olarak düzenli ise, entropisi sıfır olabilir. Enerjinin aksine,

entropi korunan bir özellik değildir ve gerçek tüm işlemlerde sistemin ve çevrenin

entropi değişimlerinin toplamı daima pozitiftir (Çengel ve Boles, 1994).

Entropi, T

dQdS= bağıntısından hesaplanabilir. Bir sistem için entropi değişimi ise

∫=− )(12 T

QSS

δintegrali alınarak bulunabilir. Bunun için T ile Q arasındaki ilişkinin

bilinmesi gerekir. Sistemde toplam entropi değişimi

0⊇∆+∆=∆ çevresistemtoplam SSS ’dır. Burada eşitlik durumu tersinir durumlar, eşitsizlik

durumu ise tersinmez durumlar için geçerlidir. Gerçek işlemler tersinmez işlemlerdir.

Bu sonuca göre termodinamiğin yasaları şöyle özetlenebilir: ”Evrenin enerjisi sabit

kaldığı halde, evrendeki entropi sürekli olarak artmaktadır.”

Kelvin-Planck Açıklaması: Kelvin-Planck açıklaması termal rezervuar konseptini

sunar. Termal rezervuar ısı transferi ile ısı verilmesi veya alınması durumunda sabit

sıcaklıkta kalan sistemdir (atmosfer, geniş su tabakaları vb.). Termal rezervuarın

ekstensif özellikleri, iç enerji gibi, rezervuar sıcaklığı sabit kalsa da diğer sistemlerle

etkileşimlerle değişebilir. Yani devamlı çalışan makine yapılamaz. Analitiksel olarak

aşağıdaki ifade yazılabilir (Çengel ve Boles, 1994).

0≤cevrimW (tek rezervuar)

49

Tersinmezlikler: İçsel ve dışsal olmak üzere ikiye ayrılır. İçsel tersinmezlikler

sistemde olurken dışsal tersinmezlikler çevre ile olur. Proses boyunca içsel

tersinmezlikler yoksa buna içsel tersinirlik denilir.

Carnot Sonuçları: Hiçbir güç verimi %100 verimliliğe sahip olamayacağı için,

maksimum teoriksel verimi belirlemek önemlidir (Jones ve Dugan, 2003).

Sonuç 1: Tüm işletimlerin aynı iki termal rezervuar arasında çalıştığı zaman,

tersinmez güç çevriminin termal verimi tersinir güç çevriminin termal veriminden

her zaman küçük olur.

Sonuç 2: Aynı iki termal rezervuar arasında çalışan tüm tersinir güç çevrimleri aynı

termal verime sahiptir.

Kelvin Sıcaklık Skalası: Carnot sonuçlarından ikincisi, iki termal rezervuar arasında

işletilen tersinir güç çevriminin termal veriminin yalnızca rezervuarların

sıcaklıklarına bağlı olduğunu, maddenin yapısına bağlı olmadığını bildirir (Çengel ve

Boles, 1994).

( )HC

ircevrimterH

C TTQ

Q,

sin

ψ=

(3.3a)

Burada HQ , HT sıcaklığındaki sıcak rezervuardan ısı transferi ile sisteme transfer

edilen ısı ve CQ , CT sıcaklığındaki soğuk rezervuara sistem tarafından atılan

enerjidir.

H

C

ircevrimterH

C

T

T

Q

Q=

sin

(3.3b)

Bu denklem yalnız sıcaklıkların oranıdır.

50

Carnot Verimi: HT ve CT sıcaklıklarındaki termal rezervuarları arasında işletilen

tersinir güç çevriminin özel durumu için, (3.5) ve (3.7) denklemleri birleştirilirse

Carnot verimi elde edilir (Çengel ve Boles, 1994).

H

C

T

T−= 1maxη (3.3c)

Klausius Eşitsizliği:

∫ ≤

0

bT

Qδ (3.4a)

Burada Qδ çevrimin bir bölümü boyunca sistem sınırının bir bölümündeki ısı

transferi, T sınırın bölümündeki mutlak sıcaklık, b sınırdır. Denklem (3.4a),

Denklem (3.3a)'nın aynısıdır (Çengel ve Boles, 1994). Daha sonraki uygulamalar

için, Klausius eşitsizliği yeniden yazılırsa,

∫ −=

üretimS

T

Qδ (3.9b)

elde edilir. Burada üretimS eşitsizliğin büyüklüğünü göstermektedir. İçsel tersinmezlik

yoksa sıfırdır ve hiçbir zaman negatif olmaz. üretimS aynı zamanda çevrimin

uygulandığı tersinmezliklerin etkisinin ölçüsüdür. Bir sonraki bölümde, üretimS

çevrim boyunca içsel tersinmezlikler tarafından üretilen entalpi olarak

tanımlanmıştır.

3.9.5. Termodinamiğin üçüncü yasası

Değişik maddelerin entropisi için, başlangıç oluşturma konusu, Termodinamiğin

3.Yasası’nı ortaya çıkarmıştır. Bu yasayla ilgili ilk çalışmalar W.H Nernst (1864-

1941) ve Max Planck (1858-1947) tarafından yapılmıştır. Termodinamiğin üçüncü

51

yasası mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir. Buna göre

termodinamiğin üçüncü yasası: “mükemmel bir kristalin, mutlak sıfır sıcaklığındaki

entropisi sıfırdır” şeklindedir. Bu durum istatiksel olarak, kristal yapının en yüksek

derecede olduğunu belirtir ve burada ısıl enerji minimumdur.

3.10. Ekserji

3.10.1. Ekserjinin tanımı ve ekserji kayıpları

Ekserji bazen enerjinin taşınabilir parçası olarak tanımlanmaktadır (Rant, 1964;

Baehr, 1965). Bu tanım yetersizdir çünkü enerjinin ve ekserjinin özellikleri oldukça

farklıdır. Örneğin, enerji bir opsiyonel referans seviyesinden hesaplanabilmektedir.

Sadece bir gereklilik sağlanmalıdır: öngörülen konvansiyonel referans seviyesi

düşünülen proseste yer alan parçacıkların tüm bölümleri için aynı olmalıdır.

Ekserjinin referans seviyesi doğal çevre parametreleri ile belirlenmektedir. Bazı

dönüşüm derecesi bu durumda gözükmektedir, fakat küçük ve tam olarak

ölçülebilirdir (örneğin, konvansiyonel normal ortam sıcaklığının tahmini, bazı

durumlarda geçerlidir). Enerjinin negatif değerinin özel bir anlamı yoktur. Örneğin,

oluşum entalpisi ile hesaplanan kimyasal entalpi genelde negatiftir. Diğer yandan,

fiziksel ekserjinin negatif bir değeri analiz edilen durumun yürüten ekserjinin

tüketimi olmadan gerçekleşmeyeceği manasına gelmektedir.

Yukarıdaki ekserjinin tanımını sonucu olarak, Rant ve Baehr (Rant, 1964; Baehr,

1965) enerjinin taşınamayan parçası olarak tanımladıkları anerji kavramını

sunmuşlardır. Dolayısıyla enerji ekserji ve anerjinin toplamıdır. Anerjinin referans

seviyesi enerjininkine benzer olarak opsiyoneldir. Dolayısıyla anerji negatif

olabilmektedir. Anerjinin negatif değerinin fiziksel anlamını açıklamak çok zordur.

Maddenin düşünülen kısmının sıcaklığı ortam sıcaklığından düşük olduğunda anerji

kavramının kullanımı çok uygundur. Bu durumda bu maddeden bir miktar enerji elde

edilmesi (örneğin soğutma ile) ekserjide artışa ve anerjide düşüşe yol açmaktadır.

Dolayısıyla ekserjiyi enerjinin bir parçası olarak yorumlamak mantıklı değildir.

52

Bu bölümde ekserji tanımlanmış ve dört bileşeni olan fiziksel, kinetik, potansiyel ve

kimyasal ekserji tanıtılmıştır. Ek olarak, öncelikli tanımlar olan çevre ve ölü durum,

verilmiştir. İki sistemden birisi “çevre” olarak adlandırılan idealleştirilmi ş sistem ve

diğeri incelenen sistem olduğu zaman, ekserji sistemin çevre ile dengeye geldiğinde

elde edilebilecek maksimum teorik iş (şaft işi veya elektrik işi) olarak adlandırılır.

Alternatif olarak ekserji, çevrede bulunan maddeyi özel durumda bulunan madde

haline getirmek için gerekli olan minimum iştir.

Ekserji yok edilebilir ve genellikle korunmaz. İncelediğimiz değer ekstensif

özellikler; kütle, enerji ve entropi gibi sistemler arasında transfer edilebilir. Bölüm

3.10.3’de ekserji, ekserji transferi ve ekserji yıkımı kavramları inceleme altındaki

sistem için enerji dengesiyle anlatılmıştır.

3.10.1.1 Çevre ve ölü haller

Çevre: Herhangi bir sistem, güç tesisinde buhar türbin gibi büyük bir sistemin parçası

veya büyük bir sistemin kendisi (güç tesisi gibi) bazı türlerin çevresi içinde işletilir.

Çevre ve sistemin etrafı arasındaki fark önemlidir. Sistemin etrafı sistemde dahil

edilmeyen her şeyi karşılar. Çevre, sistemin etrafının bir bölgesini kapsar. Çevre

tersinmezliklerin serbest olduğu yer olarak görülebilir. Çevrenin To (25 oC) ve Po (1

atm) şartlarında bulunduğu kabul edilebilir.

Ölü Durumlar: Basınç, sıcaklık, kompozisyon, hız veya sistemin değerlendirilmesi

çevreden farklıysa, burada iş yapılabilir. Ölü durumda mekaniksel, termal ve

kimyasal denge durumları sistem ve çevre arasında sabittir. Böylece ölü durumda

bulunan sistemden iş alınamaz. Sistem ve çevre arasındaki dengenin diğer bir tipi

dengenin yalnız mekaniksel ve termal denge şartlarının açıkça belirtildiği durumla

ili şkili olup sistemin bu durumuna sınırlı ölü durum denilmektedir.

53

3.6.1.2 Ekserji bileşenleri

Nükleer, manyetik elektrik ve yüzey gerilim etkilerinin olmadığında, sistemin toplam

ekserjisi (E), dört bileşene ayrılabilir: Fiziksel ekserji (PHE ), kinetik ekserji ( KNE ),

potansiyel ekserji ( PTE ) ve kimyasal ekserji ( CHE )’dir (Dinçer ve Rosen, 2007).

CHPTKNPH EEEEE +++= (3.5)

Kinetik, potansiyel ve fiziksel ekserjilerin toplamı literatürde termomekanik ekserji

olarak adlandırılır. Ekserji ekstensif özellik olmasına rağmen, birim kütle veya molar

olan ilişkisi ise uygundur. Kütle esaslı toplam özgül ekserji aşağıda verilmiştir.

zge

Ve

eeeee

PT

KN

CHPTKNPH

=

=

+++=

2

2

1

Burada V hız ve zyüksekliktir.

0== PTKN ee olduğu sistemde; fiziksel ekserji, sıcaklığın T, basıncın p olduğu

incelenen sistemden sıcaklığın 0T , basıncın 0p olduğu sınırlı ölü duruma geçişte

teoriksel olarak elde edilebilecek maksimum iştir. Kimyasal ekserji sınırlı ölü

durumdan çevre ile tamamen dengede olduğu ölü duruma sistemin geçmesiyle

teoriksel olarak elde edilebilecek maksimum yararlı iştir (kimyasal teriminin

kullanımı mutlaka kimyasal reaksiyonun olduğu manasına gelmez). Her bir

incelemede ısı transferi yalnız çevre ile olur.

3.10.2 Fiziksel ekserji

Fiziksel ekserji için Denklem (3.8), kapalı sistem ve çevreden oluşan Şekil 3.8’de

gösterilen birleşik sisteme enerji ve entropi dengelerinin uygulanmasıyla türetilir.

Amaç birleşik sistemden maksimum işi elde etmek olduğu için, birleşik sistemin

(3.6a) (3.6b) (3.6c)

54

sınırında yalnızca enerji transferi vardır. Kesinlikle birleşik sistemden ısı transferi

yoktur. Sistem ve çevrenin hacmi değişse bile, birleşik sistemin sınırı değişmez.

Böylece toplam hacim sabit kalır (Bejan ve diğerleri, 1996).

Şekil 3.8. Kapalı sistem ve çevresinin birleşik sistemi

Birleşik sistem için enerji dengesi;

(3.7)

veya

(3.8)

olmaktadır. Burada cW birleşik sistem tarafından yapılan işi ve cU∆ birleşik

sistemin iç enerjisindeki değişimi göstermektedir. cU∆ kapalı sistemin veya

çevrenin iç enerji değişimlerinin toplamıdır. Kapalı sistemin iç enerjisi U ile

gösterilmiştir. Sınırlı ölü durumda sistemin iç enerjisi 0U ile gösterilir. Buna göre,

cU∆ aşağıdaki gibi verilebilir.

(3.9a)

Kapalı Sistem

Sistem sınırı

Sistem ve çevresi arasında olan ısı ve iş alış-verişi. Çevre T0, p0’da bulunmaktadır

Kapalı Sistemin sınırı.

WC

ccc WU −Φ=∆

cc UW ∆−=

( ) ec UUUU ∆+−=∆ 0

55

Burada eU∆ çevrenin iç enerjisindeki değişimdir. 0T ve 0p ’da çevrenin

komposizyonu sabit kaldığından eU∆ , çevrenin entropi ( )eS ve hacmindeki ( )eV

değişikliklerle ili şkilidir. Buna göre aşağıdaki ifade yazılabilir.

(3.9b)

Son üç denklemin toplanmasıyla,

(3.9c)

elde edilir. Birleşik sistemin toplam hacmi sabit olduğundan, çevrenin hacmindeki

değişim büyüklüğe eşittir. Fakat kapalı sistemin hacmindeki değişimin zıt

işaretlisidir: ( )VVV e −−=∆ 0 . Buradan iş ifadesi aşağıdaki gibi olur.

(3.10)

İş için maksimum teoriksel değer aşağıdaki gibi entropi dengesini kullanarak

belirlenir: Sınırdan ısı transferi olmadığı için birleşik sistemin etropi dengesi

aşağıdaki ifadeye indirgenir.

(3.11)

Burada üretimS çevre ile dengede bulunan kapalı sistem olarak birleşik sistemdeki

entropi üretimidir. Birleşik sistemin entropi değişimi ( )cS∆ sırasıyla kapalı sistem ve

çevre için entropi değişimlerinin toplamıdır.

(3.12)

eee VpSTU ∆−∆=∆ 00

( ) ( )eec VpSTUUW ∆−∆−−= 000

( ) ( ) ec STVVpUUW ∆−−+−= 000

üretimc SS =∆

( ) ec SSSS ∆+−=∆ 0

56

S ve 0S sırasıyla verilen durumda ve sınırlı ölü durumda kapalı sistemin entropisini

göstermektedir. Son iki denklemin birleştirilmesiyle, eS∆ için çözülerek ve cW

ifadesine konulursa,

(3.13)

elde edilir. Altı çizili terim kapalı sistemin başlangıç durumu ve sınırlı ölü durumu

arasından belirlenir ve bu durumları birleştiren prosesin detaylarından bağımsızdır.

Yine de, üretimS değeri kapalı sistemde sınırlı ölü duruma gecen prosesin doğasına

bağlıdır. üretimS terimi her zaman pozitiftir (Bejan ve diğerleri, 2006). Tersinmezlik

üretilmiyorsa üretimS sıfırdır. Bundan dolayı birleşik sistemdeki işin teoriksel olarak

maksimum değeri üretimS sıfır olduğunda elde edilir. Buna göre,

( ) ( ) ( )00000max, SSTVVpUUWc −−−+−= (3.14)

ifadesi yazılabilir. Fiziksel ekserjinin ( )PHE maksimum değerin tanımlanmasıyla

Denklem (3.14) elde edilmiştir.

3.10.3 Ekserji dengesi

Diğer ekstensif özellikler kütle, enerji ve entropi gibi ekserji dengeside pratiksel

incelemenin özel uygulamaları için uygun alternatif durumlarda yazılabilir. Bu

bölümde kapalı sistem oluşumu ile başlanarak çeşitli ekserji dengesi formları

verilmiştir. Kapalı sistem ekserji dengesi daha sonra kontrol hacimlerinin enerji

dengesini vermek üzere temel olarak kullanılmıştır. Bu, daha geniş fiziksel yararlılık

durumudur (Szargut ve diğerleri, 1988).

3.10.3.1 Kapalı sistem ekserji dengesi

Kapalı sistemin ekserji dengesi, enerji ve entropi dengelerinin birleştirilmesiyle

türetilir (Kotas, 1995).

( ) ( ) ( ) üretimc STSSTVVpUUW 000000 −−−−+−=

57

( ) ( ) ( )

∫

∫

+

=−

−=−+−+−

2

1

12

2

1

121212

üretimb

ST

QSS

WQPEPEKEKEUU

δ

δ (3.15)

Burada W ve Q sırasıyla, iş ile yapılan enerjinin transferi ve çalışılan sistem ve onun

çevresi arasındaki ısı transferidir. bT ısı ile olan enerji transferinin olduğu sınırdaki

sıcaklık ve üretimS terimi iç tersinmezlikten dolayı üretilen entropidir. 0T sıcaklığı ile

entropi dengesi çarpılıp ve enerji dengesinden ifade çıkarılırsa,

( ) ( ) ( ) ( )

∫ ∫ −−

−=

−−−+−+−2

1

2

1

00

120121212

üretimb

STWT

QTQ

SSTPEPEKEKEUU

δδ (3.16)

elde edilir. Qδ terimlerini içerenler toplanır ve sol tarafa Denklem (3.15) konulursa,

ifade aşağıdaki gibi yazılabilir.

(3.17)

Yeniden düzenleme yapılırsa, kapalı sistemin ekserji dengesi aşağıdaki gibi olur

(Bejan ve diğerleri, 2006).

( ) ( )[ ] üretimb

STVVpWQT

TEE 0

2

1

1200

12 1 −−−−

−=− ∫ δ (3.18)

Ekserji Ekserji transferi Ekserji Değişimi yıkımı

Son durumu açıkça belirtilmiş sistemler için Denklem (3.18)’nin sol tarafındaki

ekserji değişimi prosesin doğası önemsenmeden Denklem (3.17)’dan

değerlendirilebilir. Denklem (3.18)’nin sağ tarafındaki terimler açıkça prosese

bağlıdır. Sağ taraftaki ilk terim proses boyunca sisteme ve sistemden olan ısı

( ) ( ) üretimb

STWQT

TVVpEE 0

2

1

012012 1 −−

−=−−− ∫ δ

58

transferiyle ilgilidir ve ısı ile enerjinin transferi (veya eşlik etmesi) ile ilişkili olarak

enerji transferi şeklinde yorumlanabilir (Bejan ve diğerleri, 2006).

QT

TE

bq δ∫

−=

2

1

01 (3.19a)

Sağ taraftaki ikinci terim net yararlı iş ile ilişkilidir ve iş ile enerjinin transferi (veya

eşlik etmesi) ile ilişkili enerji transferi olarak yorumlanabilir.

( )120 VVpWEW −−= (3.19b)

Sağ taraftaki üçüncü terim sistemde tersinmezliklerden kaynaklanan ekserjinin

yıkımı ifadesidir. Ekserji yıkımı ( )DE entropi üretimiyle ilişkilidir.

üretimD STE 0= (3.19c)

Literatürde ekserji yıkımı bazen kullanılabilirlik yıkımı, tersinmezlik ve kayıp iş

olarak refere edilmiştir. Denklem (3.19c) Gouy-Stodola teoremi olarak bilinir.

Sistem tarafından gidilen durumlardaki ekserji değeri, ısı ve iş ile ilişkili ekserji

transferi ekserji tanımı kullanan çevreyle ilgili olarak değerlendirilir. Buradan carnot

verimi (Denk 3.18) olarak tanımlanan )/1( 0 bTT− terimi, Denklem (3.19a)’da ortaya

çıkan QTT b δ)/1( 0− niceliği bT sıcaklığında ısı transferiyle ( )Qδ enerjinin alınması

ve ( )bTT <0 sıcaklığındaki çevreye ısı transferiyle enerjinin verilmesinden oluşan

tersinir güç çevrimiyle oluşturulan iş olarak yorumlanabilir. Not edilmelidir ki

0,TTb ’dan daha küçük olduğu zaman, ekserji transferinin işareti ısı transferinin

işaretinin zıttı olabilir. Böylece ısı transferi ve ilişkili ekserji transferi direkt olarak

zıttır. İş ile ilişkili ekserji transferi aynı zamanda çevreye bağlı olarak değerlendirilir:

Sistem işi (W) olarak ekserji transferi uniform 0p basıncındaki çevrede yer

değiştirme için gerekli olan işten ( )Vp ∆0 daha az olabilir (Denklem 3.19b). Ekserji

59

dengesi özel uygulamalar için değişik formlarda ifade edilebilir. Kapalı sistem için

ekserji dengesinin uygun formu,

∑ −

−−

−=

j

Djj

Edt

dVpWQ

T

T

dt

dE .

0

..01 (3.20)

şeklindedir. Burada dtdE zamana bağlı ekserji değişimidir. ( ) .

0 /1 QTT j− terimi

anlık sıcaklığın jT olduğu sınırdaki ısı transferi )(.

jQ ile ilişkili zamana bağlı ekserji

transferidir. .

W terimi iş ile yapılan zamana bağlı enerji transferidir ve bununla

ili şkili ekserji transferi dtdVpW /0

.

− ile verilir. Buradaki dtdV / terimi zamana

bağlı sistem hacmidir. DE.

ise sistemdeki tersinmezlikten kaynaklanan ekserji

yıkımının zamana bağlı ifadesidir ve sistemdeki entropi üretiminin hızıdır

)(..

üretimoD STE = .

3.10.3.2 Kontrol hacmi ekserji dengesi

Kimyasal ekserjinin rol almasını sağlamada eğer gerekliyse, bu dengeler uygulandığı

zaman, 0T sıcaklığı ve 0p basıncındaki çevrenin kimyasal özelliklerini açıkça

belirtmeliyiz (El-Sayed, 2003).

Genel Yapı: Kütle, enerji ve entropi gibi, ekserji ekstensif özellik olduğu için madde

akımının girdiği ve çıktığı kontrol hacminin içine veya dışına transfer edilir. Bununla

birlikte, Denklem (3.20)'un tam benzeri bazı ekserji transferleri için ek terimlerin

kontrol hacmine eklenmesi gerekir (Bejan ve diğerleri, 2006).

(3.21a)

{

yııkımenerji

transferiekserji

i eeeii

CVCV

j j

oranıisim

ekserji

CV Eememdt

dVpWQ

T

T

dt

dE ...

0

..0

deg

1 −−+

−−

−= ∑ ∑∑

4444444444 34444444444 21321

60

Kontrol hacmi hız dengeleri için i ve e alt indisleri sırasıyla girişleri ve çıkışları

göstermektedir. Denklem (3.21a)’da, dtdEKH terimi kontrol hacminin ekserjisinin

zamana bağlı değişimidir. jQ.

terimi anlık sıcaklığın jT olduğu kontrol hacminin

sınırındaki zamana bağlı ısı transferidir. Bununla ilişkili ekserji transferi

jb

W QT

TE

.0

.

1

−= (3.21b)

şekilde verilmiştir. Kontrol hacmi enerji dengesindeki gibi, KHW.

, akış işinden başka

iş ile zamana bağlı enerji transferini göstermektedir. Bununla ilgili ekserji transferi

aşağıda verilmiştir.

(3.21c)

Buradaki dtdVKH kontrol hacminin zamana bağlı değişimidir. ii em.

terimi girişteki

(i) zamana bağlı ekserji transferidir. Benzer olarak ee em.

çıkıştaki ( )e zamana bağlı

ekserji transferidir. iii emE..

= ve eee emE..

= şeklindedir. Son olarak DE.

kontrol

hacminde tersinmezliklerden kaynaklanan ekserji yıkımının zamana bağlı

değişimidir, üretimD STE.

0

.

= .

Kararlı Hal Formu: Ekserji dengesinin kararlı hal durumunda belirlenmesi önemlidir.

Kararlı durumunda 0/ =dtdEKH ve 0/ =dtdVCV olduğundan Denklem (3.21a),

(3.22a)

veya

dt

dVpWE KH

KHW 0

..

−=

∑ ∑∑ −−+−

−=

i

D

eeeiiKHj

j j

EememWQT

T .....010

61

∑ ∑∑ −−+−=j

De

e

i

iKHjq EEEWE....

,

.

0 (3.22b)

şeklinde verilir (Bejan ve diğerleri, 2006). Kararlı haldeki kontrol hacminin

termodinamik analizini yapmada ekserji için Denklem (3.22a)’lere kütle, enerji ve

entropi dengelerinin kararlı hal durumları olarak verilen Denklem (3.22b)’ler

eklenmelidir.

Girişler ve Çıkışlardaki Ekserji Transferi: Kontrol hacmi ekserji dengesinin

tanımlamasını tamamlamada, (3.21.a) ve (3.22.a) Denklemlerindeki ie ve ee

terimleriyle verilen girişler ve çıkışlardaki ekserji transferlerini belirlemede aritmetik

ortalamaları gereklidir. Diğer ekserji transferlerine gelince, bu terimler ekserjiyi

tanımlamada kullanılan ilgili çevrenin değerlendirilmesinde gereklidir. Bundan

dolayı kontrol hacmine giren (veya çıkan) madde alımıyla ilişkili ekserji, ölü duruma

getirilen akımdan elde edilebilecek maksimum teoriksel iştir. Burada ısı transferi

yalnız çevre ile olmaktadır. Bu iş aşağıdaki gibi iki adımda değerlendirilebilir.

Birinci adımda, akım sınırlı ölü duruma getirilir. İkinci adımda ise sınırlı ölü

durumdan ölü duruma getirilir. İkinci adımdaki işle yapılan katkı açıkça kimyasal

ekserjidir ( )CHe . Birinci adımın katkısı Şekil 3.9’de gösterilen prensipte elde

edilebilir. Akım uygulamalarında, sistemin giriş durumundaki özellikler: h,s,V, z

çıkıştaki özellikler 0,0,, 0000 == zVsh iken geçerlidir. Burada 0h sınırlı ölü

durumdaki özgül entalpi, 0s sınırlı ölü durumdaki özgül entropidir.

Bundan başka, ısı transferi yalnız çevreyle olduğundan 0T ’la ili şkili olan ısı

transferindeki sıcaklık bT ’dır. Buradan birinci adımda türetilen iş, birim kütle başına

( ) ( ) gzVssThh ++−−− 2000 2

1'dir. Özetle, iki akım için maddenin akımı ile ilişkili

toplam ekserji transferi için birim kütleye bağlı aşağıdaki ifade elde edilir.

62

( ) ( ) CHo egzVssThhe +++−−−= 2

00 2

1 (3.23)

Denklem (3.23.a)’da ki altı çizili terim madde akımıyla ilişkili ekserji transferinin

fiziksel ekserjisi ( )PHe olarak tanımlanırsa aşağıdaki ifade elde edilir.

( ) ( )000 ssThhePH −−−= (3.24)

Fiziksel ekserji aynı zamanda madde akımının sıcaklık ve basıncıyla ilişkilidir. Sabit

özgül ısı oranı (k) ile ideal gazın özel durumu için, Denklem (3.24) aşağıdaki gibi

ifade edilebilir.

( )k

k

p

PH

p

p

T

T

T

T

Tc

e1

0000

lnln1

−

+

−−= (3.25)

Son olarak, şu da not edilmelidir ki Denklem (3.25)’ün sağ tarafındaki iki terim

sırasıyla sıcaklık ve basınca bağlıdır. Her ikisi de boyutsuz olan bu terimler ideal gaz

akımı ile ilişkili olan ekserjinin sırasıyla termal ve mekaniksel bileşiminden söz

etmektedir. Genel olarak yine de, fiziksel ekserji bu iki bileşenlerin terimlerinde

verilemez. Denklem (3.23) ile verilen ekserji transfer teriminin niteliği Alternatif

olarak tanımlanan diğer bir perspektiften görülebilir.

( )vppvee 0−+= (3.26)

Burada e, Denklem (3.23) ve (3.24)’den elde edilen, kontrol hacmine giren ve çıkan

toplam özgül ekserjidir. pv terimi girişte (veya çıkışta) özgül akış işidir ve

( )vppv 0− akış işi ile ili şkili ekserji transferinin tanımıdır. Ekserji transferi terimi

( )e basitçe iki katılımın toplamıdır: akış maddesinin ekserjisi ve akış işi ile ili şkili

ekserji transferi. Denklem (3.23)’nin ilk terimi ( )e hiçbir zaman negatif olmasa bile,

0pp < olduğu zaman ikinci terim negatiftir.

63

3.10.3.3 Standart kimyasal ekserji

Standart kimyasal ekserjiler 0T çevre sıcaklığı ve 0p çevre basıncının, mesela

sırasıyla ( )CK 02515.298 ve 1 atm standart değerlerine bağlıdır. Standart çevre

doğal çevreyi tamamlayan mümkün kimyasal kadar yakından yansıtan standart

konsantrasyonlarla referans maddenin kurulmasının oluştuğu gözü ile bakılır.

Referans maddeler aşağıda belirtildiği gibi genellikle 3 gruba ayrılır (Bejan ve

diğerleri, 2006):

1. Atmosferin gaz bileşenleri

2. Litosferden katı maddeler

3. Okyanuslardan iyonik veya iyonik olmayan maddeler.

İki alternatif standart ekserji referans çevresi mühendislik uygulamaları için

mevcuttur. Bunlar, burada Model 1 ve Model 2 olarak verilmiştir. Literatürde verilen

Model 1 için referans maddeleri nitrik asit ve nitratlar için sınırlı kimyasal denge ve

atmosfer, okyanuslar ve litosfer parçasının tüm diğer kimyasal bileşenleri için

sınırsız termodinamik denge olduğu kabul edilerek belirlenir (Bejan ve diğerleri,

2006). Yine literatürde (El-sayed, 2003) verilen farklı bir yaklaşım Model 2 olarak

kullanılmıştır. Referans maddesi inceleme yapılan elementi içeren maddeler

arasından her bir kimyasal element için seçilir.

Standart kimyasal ekserjilerin tablosunun kullanılması ekserji prensiplerinin

uygulanmasını kolaylaştırır. Standart terimi biraz yanlış olsa da, tüm uygulamalar

için yeterli olan çevrenin bir özelliği değildir. Yine de, çevrenin alternatif

özellikleriyle ilişkili olan hesaplanmış kimyasal ekserjiler genellikle uyum içindedir.

3.10.3.4 Gazların ve gaz karışımlarının standart kimyasal ekserjisi

Standart ekserji referans çevresinin bilinen özelliği gaz fazında olmasıdır. Bu faz

( )gOHCOON 2222 ,,, ve diğer gazlardan oluşur. Gaz fazındaki k.inci gaz 0T

64

sıcaklığı ve 0pxp ek

ek = kısmi basıncındadır. Buradaki e çevreyi göstermektedir ve

ekx çevresel gaz fazındaki k gazının mol yüzdesidir. Şekil 3.9’de (Şekil 3.8'in özel

hali) gösterilen kararlı haldeki yapının refere edilmesi, çevresel gaz fazında bulunan

gaz için standart kimyasal ekserjinin değerlendirilmesi aşağıdaki gibi yapılır (Bejan

ve diğerleri, 2006):

k.inci gaz 0T sıcaklığı ve 0p basıncında girer, yalnız çevre ile ısı transferinde

bulunarak izotermal olarak genişler, 0T sıcaklığı ve 0pxek kısmi basıncındaki çevreye

çıkar. k gazının her bir molü başına maksimum teoriksel iş, genişleme tersinmez

olduğu zaman elde edilir. Buna bağlı olarak, entalpi ve entropi için ideal gaz

ili şkilerinden, k gazının her bir molü için kimyasal ekserji;

ek

ekCH

k

xTR

p

pxTRe

ln

ln

0

0

00

−=

−= (3.27)

şeklindedir.

Şekil 3.9 Gazın kimyasal ekserjisinin değerlendirilmesi sistemi

Her biri çevresel gaz fazında verilen N gazının karışımının kimyasal ekserjisi benzer

olarak elde edilebilir. Şekil 3.2'de gösterilen yapıda, k gazının 00 , pT ’daki gaz

T0, p0’da k gazı

T0, okx p0’da

gaz

T0 evQ.

evW.

65

karışımında mol yüzdesi kx 'dır, 0T sıcaklığı ve 0pxk kısmi basıncında girmekte ve

0T sıcaklığı 00 pxk kısmi basıncında çıkmaktadır. Önceki gelişmeye paralel olarak

k'nın her bir molü başına iş ( )kek xxTR ln0− 'dır (Bejan ve diğerleri, 2006). Tüm

bileşenlerin toplanmasıyla, karışımın molü başına kimyasal ekserjisi,

(3.28)

olur. ( )kekk xxx lnln − alınarak ve Denklem (3.27) tanımından bu ifade Alternatif

olarak aşağıdaki gibi yazılabilir.

(3.29)

Denklem (3.29) referans çevrede bulunanlar haricinde gazları içeren karışımları

kapsar, mesela, gaz yakıtları. Bu denklem aynı zamanda ideal gaz modeline bağlı

kalmayan karışımlara (ve çözeltilere de) uygulanabilir. Tüm bu verilen

uygulamalarda, CHke terimleri standart kimyasal ekserjilerin tablosundan seçilir.

∑ ∑+= kk

CHkk

CHxxTRexe ln0

∑−=k

ek

k

CH

x

xxTRe ln0

66

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTI ŞMA

Yapılan bu çalışmada, göller bölgesi olarak adlandırılan Antalya, Burdur ve

Isparta’da olduğunu kabul ettiğimiz ofis için toprak kaynaklı ısı pompası sistemi

tasarlanmış (Şekil 4.5) ve toprak kaynaklı ısı pompasını oluşturan ana elemanlar

olan kompresör, evaporatör, kısma vanası ve kondenserin ekserji analizi yapılarak

durum değerlendirilmiştir. Isı pompası sistemlerinde kullanılacak kompresör verimi

%90 ve pompa verimi %85 olarak alınmıştır. Isı pompası ekserji analizi yapılan

Antalya, Burdur ve Isparta illeri için meteoroloji istasyonlarından alınan 2003-2008

yılları arasındaki meteorolojik veriler kullanılarak sırasıyla Şekil 4.1, 4.2 ve 4.3’de

Antalya, Burdur ve Isparta için 5, 10, 20, 50 ve 100 cm toprak sıcaklıkları, Şekil

4.4’de belirtilen iller için aynı yıllar arasındaki dış ortam sıcaklıkları verilmiştir.

Aylar

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sıc

aklık

(o C)

5

10

15

20

25

30

35

40

5 cm10 cm20 cm50 cm100 cm

Şekil 4.1. Antalya için 2003-2008 yılları meteorolojik verilere göre 5, 10, 20, 50 ve

100 cm için toprak sıcaklıkları

67

Aylar

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sıc

akl

ık (o C

)

0

5

10

15

20

25

30

5 cm10 cm20 cm50 cm100 cm

Şekil 4.2. Burdur için 2003-2008 yılları meteorolojik verilere göre 5, 10, 20, 50 ve

100 cm için toprak sıcaklıkları

Aylar

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sıc

aklık

(o C)

0

5

10

15

20

25

30

35

5 cm10 cm20 cm50 cm100 cm

Şekil 4.3. Isparta için 2003-2008 yılları meteorolojik verilere göre 5, 10, 20, 50 ve

100 cm için toprak sıcaklıkları

68

Aylar

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ort

alam

a S

ıcak

lık (o C

)

0

5

10

15

20

25

30

35

AntalyaBurdurIsparta

Şekil 4.4. Antalya, Burdur ve Isparta için 2003-2008 arasında meteorolojik verilere

göre ortam sıcaklıkları

Kış mevsimi ısıtması için seçilen aylar Kasım, Aralık, Ocak, Şubat, Mart ve Nisan

aylarıdır. Bu aylar için Antalya, Burdur ve Isparta’nın toprak sıcaklıları ilgili

şekillerden alınmıştır. Isı pompalarında çalışma akışkanı olarak R-134a ve ayrıca

toprak altı tesisat için ısı taşıyıcının su olduğu kabul edilmiştir. Yapılan

değerlendirme analizlerinde ele alınan bu üç il için R134a çalışma akışkanı

kullanılan toprak kaynaklı ısı pompalarının termodinamik incelemesi yapılmıştır.

4.1. Isı Pompası Yapılacak Binanın Belirlenmesi

Bu çalışmada, ısı kayıpları ve kazançları hesabı için gerekli olan oda ve dış ortam

sıcaklıkları gibi tasarım sıcaklıkları TSE’ye göre alınmıştır. Her üç ilde olduğu kabul

edilip analizi yapılan ofisin boyutları 15m*16m*3m olarak alınmıştır.

69

4.2. Ofis Yapısı ve Sisteminin Belirlenmesi

Bu çalışmada örnek olarak alınan binanın planı Şekil 4.5’de gösterilmiştir. Ofis

binasında biri doğuya diğeri güneye bakan iki adet çift camlı pencere bulunmakta ve

bunların toplam ısı iletim katsayısı (Upencere) 2,2 W/m2K’dir. Ofis binasının bir adet

tahtadan yapılmış kapısı vardır ve bunun toplam ısı transfer kat sayısı (Ukapı) 3,5

W/m2K’dir. Ofis binasının toplam zemin alanı 240 m2 ve toplam hacmi 720 m3’dür.

Dış duvarlar yatay iki adet briket ve aralarında yalıtım malzemesinden (cam yünü)

oluşmaktadır. İç duvar ve dış duvarın her ikisi de alcı tabakası ile kaplıdır ve duvarın

toplam ısı transferi katsayısı (Uduvar) 0,816 W/m2K’dir. Bu çalışmadaki duvarlardan

tavanlardan ısı kaybı ve ısı kazançlar gibi tüm hesaplamalar Türk Yapı Standardı

olarak ilgili bir referanslardan alınmıştır [TS EN ISO 13789, 2000; TS825, 1998].

Şekil 4.5. Isıtması yapılan ofis binası

4.3. Binadaki Enerji İhtiyacının Belirlenmesi

Tüm analizlerdeki en önemli adım gerçek bir binanın enerji ihtiyacının

belirlenmesidir. Analizde ofisin iç hacmi (V) ve net zemin alanı (AN) gibi genel proje

verileri sırasıyla 720 m3 ve 240 m2 alınmıştır. İç oda sıcaklığı (Ti) ve dış ortam

sıcaklığı (Ta) tasarım sıcaklıkları olup her üç il için Ti, 20 oC olarak alınmış ve

70

ortalama dış ortam sıcaklıkları Şekil 4.4’den alınmıştır. Binanın ısı ihtiyacının

belirlenmesi için, ilk önce taşınım ve havalandırmadan olan ısı kayıpları

hesaplanmalıdır.

Binalardan taşınım ile ısı kaybı dış duvarlardan, tavandan, pencerelerden, bodrumdan

(zeminden) ve boşluk süzülmelerinden olmaktadır. Bu çalışmada termal köprüler

ihmal edilmiştir. Toplam taşınım ile olan ısı kaybı tüm i.inci yüzeylerinden olan

kayıpların toplamıdır ve aşağıdaki denklem ile hesaplanır.

∑ −−= ))).(1.(.(.

aiiiT TTbAUQ (4.1)

Burada .

TQ (W) toplam taşınım ile olan ısı kaybı iU (W/m2K), i.inci yüzeyinin ısı

taşınım katsayısı ve iA (m2) i.inci yüzeyin taşınım, b ofis yapım elemanlarının

sıcaklık faktörüdür ve binanın dış yapı elemanının sıcaklığı dış ortam sıcaklığından

farklı oluğunda dikkate alınır. Sıcaklık faktörü yapı elemanları dış ortam havası ile

direk temasta olduğunda sıfır alınır [Wittchen ve Aggerholm, 2000].

Havalandırma ile olan ısı kaybı aşağıdaki ifade yardım ile hesaplanabilir.

))).(1.(...(.

aiVdpV TTnVCQ −−= ηρ (4.2)

Burada dn hava sirkülasyon hızı (m/s), Vη eğer ısı geri kazanımlı havalandırma

sistemi kurulursa ısı değiştiricisinin verimidir. Bu çalışmada, ısı değiştiricisi

kullanılmamıştır, ısı değiştiricisinin verimi sıfır olarak alınmıştır ve ofiste doğal

havalandırma olduğu için hava sirkülasyon hızı 0,15 olarak alınmıştır [Schmidt,

2003].

Isı kaybı havalandırıldıktan sora, ısı kazancı hesaplanmaktadır. Isı kaybına benzer

olarak, ısı kazancı ısı balansında hesaba dahil edilmelidir. Isı kazancı iki ana

71

sınıflandırmaya; güneş kazancı ve içsel kazanca ayrılabilir. Güneş kazancı aşağıdaki

gibi verilir.

∑ −= )...)).(1.(( ,

.

noshjjwfsS FFgAFIQ (4.3)

Burada SQ.

(W) güneş kazancı, sI güneş radyasyonu, fF pencere çerçevesi kesri,

wjA (m2) toplam cam alanıdır. jg camdan olan toplam enerji taşınımı olup çift cam

için 0,75 alınabilir. shF çevredeki diğer binalardan olan mümkün gölgeleme etkisi ve

noF cam üzerine gelen dikey olmayan radyasyonun düzeltme katsayısı olup, her iki

değerde birçok durum için 0,9 olarak alınmaktadır. [Wittchen ve Aggerholm, 2000;

Schmidt, 2003]. İçsel kazanç özgülsel olarak iki gruba yarılmaktadır. İlk grup ev

sakinlerinin ısı kazancıdır, mesela odada oturan insanların ve diğeri ise cihazlardan

olan ısı kazancıdır, mesela bilgisayar, televizyon, lamba gibi. '',oiQ& insan başına ısı

kazancını ve ono ofiste bulunan insan sayısını vermek üzere, insanlardan olan ısı

kazancı aşağıdaki ifadeden bulunur.

ooioi noQQ .'',,

&& = (4.4)

Cihazlardan olan ısı kazancı ise

∑=

=m

iieiei nQQ

1

'',, .&& (4.5)

ifadesinden bulunur. Cihaz başına olan ısı kaybı Çizelge 4.1’de verilmiştir.

Çizelge 4.1 Cihaz başına ısı kazancı (W) [Kreider vd, 2002]

Cihaz Bilgisayar Soğutucu Fotokopi makinesi Televizyon

Isı kazancı (W) 75 150 200 75

72

Tüm ısı akımları, binada olan ısı kayıpları, ofisin içindeki ısı kazançları

termodinamiğin birinci yasasına göre aşağıda verilen enerji dengesinde belirtilebilir.

Isı İhtiyacı = Toplam Isı Kaybı – Toplam Isı Kazancı

)()( ,, eioiSVTh QQQQQQ &&&&&& ++−+= (4.6)

4.4. Aylık Isı Gereksinimi

Yapılan bu çalışmada ofiste 10 insan, 10 bilgisayar 1 soğutucu, 1 fotokopi makinesi,

1 adet televizyon ve toplam gücü 200W olan 4 adet lambaların bulunduğu kabul

edilmiştir.

Şekil 4.6’da Antalya, Burdur ve Isparta için meteorolojiden alınan 2003-2008 yılları

arasındaki güneşlenme verileri kullanarak ortalama güneş radyasyonları sunulmuştur.

Aylar

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ort

alam

a G

üneş R

adya

syon

u (W

/m2 )

50

100

150

200

250

300

350

AntalyaBurdurIsparta

Şekil 4.6 Antalya, Burdur ve Isparta için 2003-2008 yılları ortalama güneş

radyasyonu değerleri

73

Denklem (4.6)’da verilen toplam ısı gereksimi ifadesine göre Antalya, Burdur ve

Isparta için ısıtma yapılan kış uygulaması için ele alınan ofisin ısı gereksinimi

hesaplanmış ve Şekil 4.7’de verilmiştir.

Aylar

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

kW

3

4

5

6

7

8

9

10

11

AntalyaBurdurIsparta

Şekil 4.7 Antalya, Burdur ve Isparta için ısıtma yapılan aylardaki ısı yükü ihtiyacı

4.5. Genel Analiz

Kütle, enerji ve ekserji dengeleri ısı girişi, ekserji yıkımının hızı, enerji ve ekserji

verimliliklerinin belirlenmesi için uygulanmıştır. Genel kütle dengesi aşağıdaki gibi

ifade edilebilir.

∑ ∑= cikisgiriş mm && (4.7)

Burada m& kütle akış hızını göstermekte, alt indisler sisteme olan madde girdi ve

çıktılarını belirtmektedir. Enerji ve ekserji dengeleri aşağıdaki gibi yazılabilir.

74

cikisgiri ş EE && = (4.8)

yikimcikisgiris xExExE &&& =− (4.9)

Soğutucu akışkanın veya suyun özgül akış ekserjisi aşağıda verilmiştir.

( ) )(, oooWT ssThhex −−−= (4.10)

Burada h entalpiyi ve s’de entropiyi göstermektedir. Sıfır alt indisi ise referans (ölü)

durumundaki özellikleri belirtmektedir. Ekserji miktarı ise,

( )xx emE && = (4.11)

ile verilir. Isı değiştiricisindeki (kondenser veya evaparotör) ve pompadaki ekserji

yıkımı ise

cikisgirisHEyikim xExExE &&& −=, (4.12)

( )giriscikispompapompayikim xExEWxE &&&& −−=, (4.13)

Burada pompaW& pompa işini göstermektedir.

4.5.1. Sistemin ekserji analizi

Kabuller:

Toprak kaynaklı ısı pompasının ekserji analizi boyunca aşağıdaki kabuller

yapılmıştır.

a- Tüm prosesler kararlı haldedir, potansiyel ve kinetik enerji etkileri

önemsenmediği kararlı akış hali vardır ve kimyasal reaksiyonlar yoktur.

b- Sistem ısı transferi ve sistemden iş transferi pozitiftir.

c- Sabit özgül ısı ile birlikte hava ideal gaz olarak kabul edilmiştir.

75

d- Bileşenleri bileştiren borular içindeki ısı transferi ve soğutucu basınç

düşmeleri, boruların uzunluklarının kısa olması nedeniyle ihmal edilmiştir.

e- Kompresör mekaniksel ( ηkomp,mekanik ) ve kompresör motor elektriksel

(ηkomp,mekanik) verimlilikleri sırasıyla %68 ve %69 alarak alınmıştır. Bu

değerler kompresörün güç gidericisinin 0,149 kW olduğu durum için geçerli

olan gerçek verimlerdir.

f- Devir daim pompasının mekaniksel (ηpompa,mekanik) ve devir daim pompasının

elektiriksel (ηpompa,elektirik) verimlilikleri sırasıyla %82 ve %68 alınmıştır. Bu

değerler pompa karakteristik eğrisinden 0,050 kW’lık elektirik gücüne bağlı

olarak elde edilmiştir.

Teorik olarak termodinamik açıdan incelemesi yapılan ısı pompası sisteminin

şematik görünümü Şekil 4.8’de verilmiştir.

Şekil 4.8. Teorik ısı pompası sisteminin şematik gösterimi

76

Kompresör (I):

a-) Kütle dengesi:

rmmm &&& == 21 (4.15)

b-) Enerji dengesi:

( )12 hhmW rkomp −= && (4.16)

c-) Ekserji dengesi:

21, exmWexmxE rkomprkompyikim &&&& −+= (4.17)

( ) )( 0111 ssThhex oo −−−= (4.18)

( ) )( 0222 ssThhex oo −−−= (4.19)

veya

( )12, ssTmxE orkompyikim −= && (4.20)

Kondenser (II):

a-) Kütle dengesi:

m& 2 = m& 3 = m& r (4.21)

b-) Enerji dengesi:

( )23 hhmQ rkond −= && (4.22)

77

c-) Ekserji dengesi:

32, exmexmxE rrkondyikim &&& −= (4.23)

( ) ( )ooo ssThhex −−−= 222 (4.24)

( ) ( )ooo ssThhex −−−= 333 (4.25)

veya

( ) ( )[ ]3232, ssThhmxE orkondyikim −−−= && (4.26)

Kısma vanası (III):

a-) Kütle dengesi:

m& 3 = m& 4 = m& r (4.27)

b-) Enerji dengesi:

h3 = h4 (4.28)

c-) Ekserji dengesi:

43, exmexmxE rrvanayikim &&& −= (4.29)

( ) ( )ooo ssThhex −−−= 333 (4.30)

( ) ( )ooo ssThhex −−−= 444 (4.31)

veya

( ) ( )[ ]4343, ssThhmxE orvanayikim −−−= && (4.32)

78

Evaporator (IV):

a-) Kütle denge:

m& 4 = m& 1 = m& r ; m& 5 = m& 6 = m& w (4.33)

b-) Enerji dengesi:

( )41 hhmQ rEva −= && ; ( )56 TTCmQ pwwEva −= && (4.34)

c-) Ekserji dengesi:

( ) ( )6514, exmexmexmexmxE wwrrevayikim &&&&& −+−= (4.35)

( ) ( )ooo ssThhex −−−= 444 (4.36)

( ) )( 0111 ssThhex oo −−−= (4.37)

( ) )( 0555 ssThhex oo −−−= (4.38)

( ) )( 0666 ssThhex oo −−−= (4.39)

veya

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]65651414, ssThhmssThhmxE oworevayikim −−−+−−−= &&& (4.40)

Tank (IV):

a-) Kütle dengesi:

m& 6 = m& 7 = m& w ; m& 8 = m& 9 = twm& (4.41)

b-) Enerji dengesi:

( )67,tan TTCmQ wpwk −= && ; ( )89,tan TTCmQ twptwk −= && (4.42)

79

c-) Ekserji dengesi:

( ) ( )9876tan, exmexmexmexmxE twtwwwkyikim &&&&& −+−= (4.43)

( ) )( 0666 ssThhex oo −−−= (4.44)

( ) )( 0777 ssThhex oo −−−= (4.45)

( ) )( 0888 ssThhex oo −−−= (4.46)

( ) )( 0999 ssThhex oo −−−= (4.47)

veya

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]9809876076tan, ssThhmssThhmxE twwkyikim −−−+−−−= &&& (4.48)

Pompa (VI):

a-) Kütle dengesi:

m& 7 = m& 5 = m& w (4.49)

b-) Enerji dengesi:

( )75 hhmW wpompa −= && (4.50)

c-) Ekserji dengesi:

pompawwpompayikim WexmexmxE &&&& +−= 57, (4.51)

( ) )( 0777 ssThhex oo −−−= (4.52)

( ) )( 0555 ssThhex oo −−−= (4.53)

veya

80

( )75, ssTmxE owpompayikim −= && (4.54)

4.6. Toprak kaynaklı ısı pompasının Performans Katsayıları

4.6.1. Performans katsayısı (COP)

Performans katsayısı (COP) ısı pompası verimliliğinin en yaygın ölçüsüdür. COP ısı

pompasının ısı çıkışının elektrik girişine oranı olup aşağıdaki gibi tanımlanır (Diçer,

2007).

(4.55)

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 0C ve diğeri 9.4 0C. 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 0C’nin altına düştüğü zaman, peryodiksel

olarak ısı pompasının dış ortam ısı değişgeçlerinin 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.

(4.56)

veya elektriksel girdi teriminde,

girdisienerjisiElektirik

çııkışısıCOP=

kompresör

kondenser

W

Q&

&=ısıpompCOP

81

(4.57)

ve,

(4.58)

veya elektriksel girdi terimlerinde (Dinçer, 2007),

(4.59)

(4.60)

(4.61)

4.7. Değerlendirme

Antalya, Burdur ve Isparta illerinde olduğu kabul aynı özeliklerdeki bir ofis binasının

Kasım, Aralık, Ocak, Şubat ve Mart ayları ısı ihtiyacının karşılanmasında ısı

pompası sisteminin kullanıldığı kabul edilmiş ve teorik olarak ısı pompasının

termodinamik analizi yapılmış ve sonuçlar Çizelge 4.2’de verilmiştir. Şekil 4.9’da

teorik ısı pompası sisteminin Antalya, Burdur ve Isparta için inceleme yapılan

aylardaki toplam ekserji yıkımları verilmiştir. Bu şekle göre ısı pompası sisteminin

ekserji yıkım oranı en düşük olan il Antalya ve en yüksek Isparta ili olduğu

görülmektedir. Aynı zamanda en yüksek ekserji yıkım oranlarının her üç ilde Ocak

ayında olduğu görülmektedir.

elektirikkompresör

kondenser

W

Q

,ısıpompCOP

&

&=

pompakompresör

kondenser

WW

Q&&

&

+=temiısıpompsisCOP

elektirikpompaelektirikkompresör

kondenser

WW

Q

,,temiısıpompsisCOP

&&

&

+=

mekanikkomresörelektirikkomresör

komresörelektirikkomresör

WW

,,, ηη +

=&

&

mekanikpompaelektirikpompa

pompaelektirikpompa

WW

,,, ηη +

=&

&

82

Çizelge 4.2 Isı pompası bileşenlerinin Antalya, Burdur ve Isparta için Kasım, Aralık, Ocak, Şubat ve Mart aylarındaki ekserjileri (xe ),

ekserji yıkımları ( xemxE && = ) ve sistemin toplam ekserji yıkımları (∑ xE& )

Isı pompası bileşenleri Kompresör (I) Kondenser (II) Kısma Vanası (III) Evaporatör (IV) Tank (V) Pompa (VI) Toplam

İller

Aylar

xe xemxE && = xe

xemxE && = xe xemxE && = xe

xemxE && = xe xemxE && = xe

xemxE && = ∑ xE&

Kasım 4.63 0.1086 14.51 0.3602 4.44 0.0887 8.21 0.1600 0.29 0.05680 0.057 0.0262 0.8005 Aralık 6.77 0.1963 15.79 0.4579 4.38 0.1170 5.8 0.1430 0.28 0.07477 0.0853 0.0136 1.0025 Ocak 8.66 0.3117 16.41 0.5907 4.44 0.1590 4.99 0.1711 0.28 0.02316 0.0832 0.0560 1.3116 Şubat 7.71 0.2620 16.16 0.5494 3.54 0.1200 6.34 0.1682 0.19 0.01740 0.0121 0.0580 1.1750

Antalya

Mart 4.72 0.1180 14.69 0.3672 3.43 0.0880 7.5 0.1538 0.16 0.01560 0.0298 0.0590 0.8016 Kasım 9.73 0.4184 18.13 0.7796 4.53 0.1948 4.88 0.1827 0.15 0.0466 0.0696 0.0732 1.6953 Aralık 14.11 0.8183 19.74 1.1449 4.85 0.2813 3.78 0.2198 0.11 0.035 0.0845 0.046 2.5453 Ocak 15.93 1.0036 20.17 1.2707 4.71 0.2967 3.36 0.2258 0.21 0.035 0.0827 0.0386 2.87 Şubat 15.01 0.9006 20.04 1.2024 4.69 0.2814 2.88 0.0702 0.2 0.0466 0.0656 0.0546 2.5558

Burdur

Mart 9.54 0.43 17.75 0.7987 4.43 0.1993 2.25 0.1819 0.26 0.0469 0.0246 0.0555 1.7123 Kasım 11.45 0.5152 17.71 0.7969 4.52 0.2034 8.22 0.1503 0.25 0.0803 0.0949 0.0903 1.8364 Aralık 15.02 0.6861 20.01 0.9806 4.63 0.2631 4.95 0.2818 0.33 0.0532 0.0761 0.0895 2.3543 Ocak 16.79 1.0577 19.41 1.2228 4.7 0.2961 4.04 0.2626 0.29 0.09 0.067 0.0381 2.9673 Şubat 12.25 0.8423 20.04 1.03 4.41 0.2672 6.62 0.2812 0.26 0.0997 0.066 0.0533 2.5737

Isparta

Mart 9.97 0.66 18.85 0.8859 4.42 0.2077 2.96 0.2183 0.29 0.0897 0.059 0.0865 2.1481

83

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

ΣΕx (kW)

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3,0

3,3

AntalyaBurdurIsparta

Şekil 4.9 Teorik ısı pompası sisteminin Antalya, Burdur ve Isparta için inceleme

yapılan aylardaki toplam ekserji yıkımları

Antalya

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Kompresör (I)Kondanser (II)Kısma Vanası (III)Evaporatör (IV)Tank (V)Pompa (VI)

Şekil 4.10 Antalya için teorik ısı pompası sisteminin inceleme yapılan aylardaki

ekserji yıkım oranları

84

Burdur

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Kompresör (I)Kondanser (II)Kısma Vanası (III)Evaporatör (IV)Tank (V)Pompa (VI)

Şekil 4.11 Burdur için teorik ısı pompası sisteminin inceleme yapılan aylardaki

ekserji yıkım oranları

Isparta

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Kompresör (I)Kondanser (II)Kısma Vanası (III)Evaporatör (IV)Tank (V)Pompa (VI)

Şekil 4.12 Isparta için teorik ısı pompası sisteminin inceleme yapılan aylardaki

ekserji yıkım oranları

85

Şekil 4.10, 4.11 ve 4.12’de ise sırası ile Antalya, Burdur ve Isparta için ısı pompası

sistemini oluşturan kompresör, kondenser, kısma vanası, evaporatör ile tank ve

pompa bileşenlerinin ekserji yıkımları oran olarak verilmiştir. Her üç ilde en yüksek

ekserji yılım oranına sahip olan ısı pompası bileşeninin kondenser olduğu

görülmektedir. Aynı zamanda kondenser en yüksek ekserji yıkım oranı olan %45

seviyelerine Antalya ve Burdur illerinde ulaşmaktadır. İkinci en yüksek ekserji yıkım

oranına ise kompresör sahiptir. Ancak Şekil 4.10’dan görüldüğü gibi Antalya için

Kasım ve Mart aylarında evaporatör en yüksek ikinci ekserji yıkım oranına sahiptir.

En düşük ekserji yıkım oranına ise tank sahip olmaktadır. Yalnız burada bir istisna

Şekil 4.12’den görüldüğü gibi Isparta için Kasım ve Aralık aylarında en düşük

ekserji yıkım oranına pompa sahip olmaktadır.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

Antalya

Burdur

Isparta

Şekil 4.13 Antalya, Burdur ve Isparta için teorik ısı pompasının performans katsayısı

(COPısı pomp) değerleri

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Kasım Aralık Ocak Şubat Mart

Antalya

Burdur

Isparta

Şekil 4.14 Antalya, Burdur ve Isparta için teorik ısı pompası sisteminin performans

katsayısı (COPısıpompsısistemi) değerleri

86

Şekil 4.13 ve 4.14’de sırasıyla teorik ısı pompasının performans katsayıları

(COPısıpomp) ve ısı pompası sisteminin performans katsayısı (COPısıpompsısistemi)

değerleri verilmiştir. Dış ortam sıcaklıkları ile ters orantılı olarak her iki şekilde de

en yüksek performans katsayısı değerlerine sırasıyla Isparta, Burdur ve Antalya

sahiptir. Şekil 4.13’de verilen COPısıpomp değerleri kondenserden alınan ısının

kompresöre verilen elektrik enerjisine oranı olarak hesaplanırken, Şekil 4.14’de

verilen COPısıpompsısistemi değerleri kondenserden alınan ısının kompresör ve devir-

daim pompasına verilen elektrik enerjisine oranından hesaplanmıştır. Antalya için

COPısıpomp değerleri 2,25 ile 4,54 arasında, Burdur için 5,4 ile 7,81 arasında ve

Isparta için 5,64 ile 7,89 arasında değişmektedir. Antalya için COPısıpompsısistemi

değerleri 1,32 ile 2,03 arasında, Burdur için 2,41 ile 3,48 arasında ve Isparta için 2,52

ile 3,52 arasında değişmektedir. COP değerlerine bakıldığında en her üç ilde de en

yüksek değerlere ısıtmanın en yoğun yapıldığı ve dış ortam sıcaklığının düşük

olduğu Ocak ayında ulaşılmaktayken, en düşük COP değerlerine ise ısıtmanın en az

yoğun olduğu Kasım ayında ulaşılmaktadır. Buradan şu sonuç çıkarılabilir, ısı

pompası ile yapılan ısıtmanın yükü artıkça tüketilen elektrik artacak ama bu ikisinin

oranı da artacaktır, yani ısı pompası sistemi soğuk bölgelerde de elektrikle ısınma

yerine ısıtmada kullanılabilir.

87

5. SONUÇ

Her geçen gün artan enerji ihtiyacı iki ana problemi beraberinde ortaya çıkarmıştır.

Bunlar birincisi artan enerji ihtiyacına karşı enerji potansiyelinin sınırlı olması ve

mevcut fosil kaynaklarının azalması, ikinci fosil kaynaklarının kullanımıyla artan

çevre kirlilikleri ve kaygılarıdır. Bu bakımından mevcut olan fosil yakıtların daha

verimli ve temiz teknolojilerle kullanılması son derece önemlidir.

Yapılan bu tez çalışmasında inceleme bölgesi olarak Göller Bölgesi olarak tarif

edilen Antalya, Burdur ve Isparta illeri için mevcut olduğu kabul edilen aynı

özelliklerdeki bir ofis binasının ısı ihtiyacının karşılanması düşünülen Kasım, Aralık,

Ocak, Şubat ve Mart ayları için teorik ısı pompası sisteminin termodinamik

özellikleri değişen meteorolojik şartlara göre incelemesi yapılmıştır. Teorik ısı

pompasının yapı elemanları kompresör (I), kondenser (II), kısma vanası (III),

evaporatör (IV), tank (V) ve pompa (VI) olarak seçilmiş, ısı pompası sisteminde

R134a akışkanının, tank ve pompa sisteminde ise ısı taşıyıcı akışkanın su olduğu

kabul edilmiştir.

Teorik incelemesi yapılan ısı pompası sistemi elemanları için kütle, enerji ve ekserji

dengeleri yazılmış, ekserji yıkım oranları hesaplanmış ve bulunan sonuçlar Çizelge

4.2’de ve Şekil 4.10-12 arasında verilmiştir. Dış ortam sıcaklıkları ile uyumlu olarak

en yüksek ekserji yıkım oranlarına sırasıyla Isparta, Burdur ve Antalya sahiptir.

Sistem bileşenleri acısından inceleme yapılırsa Kompresör (I) ve pompanın (VI)

ekserji yıkım yüzdeleri dış ortam sıcaklıkları ile ters orantılı olarak değiştikleri

görülmüştür. Kondenser (II), kısma vanası (III), evaporatör (IV) ve tankın (V) ekserji

yıkım oranlarının ise dış ortam sıcakları ile orantılı olduğu ortaya çıkmıştır.

88

6. KAYNAKLAR

Anonim, 2009. Internet Sitesi: www.dicle.edu.tr/fakulte/muh/makina/ornek.doc.

Erişim Tarihi:20.01.2009.

Aybers, N., Şahin, B., 1995. Enerji Maliyeti.Yıldız Teknik Üniversitesi, Yayın No:

299, İstanbul. Bakırcı, K. ve Yüksel, B., 2006. Güneş enerjisiyle çalışan ısı pompasının deneysel

incelenmesi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi. ISSBN 1300-3615, Cilt: 26, Sayı: 2, Sayfa: 23-28.

Bejan, A., 1995. Entropy Generation Minimization, Crc Press. Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M., 1996. Termal Desing And Optımızatıon. A

Wiley-Interscience Publication. Bejan, A., Mamut, E., 1998. Thermodynamic Optimization Of Complex Energy

Systems. Kluwer Academic Publishers. Bi Y., Guo T., Zhang L., and Chen L., 2004. Solar and Ground Source Heat-Pump

System. Applied Energy, 78, 231–24. Bloomquist, R.G. and Schuster, J.E. 1994. Direct Use of Jeotermal in Washington

State Past, Present and Future. G.R.C. Trans., Vol.18, p.73-78. Ceylan, T., Aktaş, M., Doğan, H., 2007. Energy and Exergy Analysis of Timber

Dryer Assisted Heat Pump. Applied Thermal Engineering, 27: 216-222 Charsley, E.L., Warrington, S.B., 1992. Thermal Analysis-Techniques and

Applications, The Royal Society of Chemistry. Claesson, J. and Eskilson, P., 1988. Conductive Heat Extraction to Deep Borehole,

Thermal Analyses and Dimensions Rules. Energy, Vol.13, No.6, p.509-527. Çengel, A.Y., Boles, M.A., 1996. Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik.

Literatür Yayıncılık. Dikici, A., Akbulut, A., 2008. Performance Characteristics and Energy exergy

Analysis of Solar-Assisted Heat Pump System. Building and Environment; 43: 1961-1972.

Duffıe, J. A., Beckman A., W., 1991. Solar Engineering Of Thermal Processes. A

Wiley-Interscience Publication.

89

Dinçer, İ., Rosen, M. A., 2007. Exergy, Energy, Environment and Sustainable Development. Elsevier Science, USA.

El-Sayed, Y. M., 2003. Thermoeconomics Of Energy Conversions, Elsevier Science. Elbir, A., 2009. Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Termodinamik Analizi. Yüksek

Lisans Semineri. Ersöz, İ., 2000. Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Bir Hacmin Soğutulması. Yüksek

Lisans Tezi. Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye. Givoni, B.,1977. Underground Long Term Storage of Solar Energy –an Overview.

Solar Energy, Vol.19, p. 617-623. Ingersoll, L.R., Adler, F.T., Pluss, H.J. and Ingersoll, A.C.,1950. Theory of Earth

Heat Exchangers for the Heat Pump, HRAC, pp. 113-122. Işık, N., Onat, A. ve Mendi, F.2000. Havadan Suya Mekanik Isı Pompası Farklı

isletme Koşullarında Deneysel Performans Çalışması. 6. Ulusal Soğutma ve iklimlendirme Tekniği Kongresi 13-14 Nisan 2000, Çukurova Üniversitesi, Adana, s.213-229.

Jones, J.B., Dugan, R.E., 2003. Mühendislik Termodinamiği. Beta Basım A.Ş. Kavanaugh, S.P.,1992. Using Existing Standarts To Compare Energy Consumption

of Round Heat Pumps With Conventional Equipment. ASHRAE Transactions, 98 (2):599-606.

Kenisarin, M.M., Lund, P.D. and Karabaev, M.K.,1988. Numerical Modelling of a

Centralized Solar Heating Systems with Seasonal Thermal Storage. Apllied Solar Energy. Vol.24, No:2, p.52-56.

Kersten, M.S., 1949. Laboratory Reaserch for the Determination of the Properties of

Soils. Engineering Experiment Station, Minesota University, Minneapolis. Kıncay, O., Temir, G., 2002. Toprak Kaynaklı Isı Pompalı Sistemlerin Ekonomik

incelenmesi. Tesisat Mühendisliği Dergisi, Mart-Nisan 2002, s.31-37. Kreider, J.F, Curtiss, P.S., Rabi, A., 2002. Heating and Cooling Of Buildings

Desings for Efficiency,. Mc-Graw Hill. Kotas T. J., 1995. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Krieger Publishing

Company Malabar, Florida. Kunze, J.F. and Forsgren, K.F., 1978. The Economics of Heat Pumps as a Device to

Assist in Geothermal District Space Heating, G.R.C.Trans., Vol.2, p.387-390.

90

Lund, P.D., Ostman, M.B., 1985. A Numerical Model Seasonal Storage of Solar Heat in the Ground by Vertical Pipes. Solar Energy Vol.34, No: 4/5, p.351-366.

Lund, P.D., Peltola, S.S., 1987. Verification of a CSHPSS simulation Program with

Emphasis on System Control. Solar Energy, Vol.39, No.6, p.513-519., Lund, P.D. and Kangas M.T., 1983. Net Energy Analysis of District Solar Heating

With Seasonal Heat Storage. Energy 8(10), 813-819. Ma, G., Li, X., 2007. Exergetic Optimization of a key Design Parameter in Heat

Pump Systems with Economizer Coupled With Scroll Compressor. Energy Conversion and Managament; 48: 1150-1159

Mathen, D.V., 1984. Performance Monitoring of Selected Groundwater Heat Pump

Installations in North Dakota, ASHRAE Trans., Vol.6, p.290-303. Matsumoto, M. and Kotera, N.,1988. An Analysis of the heat Storage Process in Wet

Soil Solved as a Coupled Problem, Energy and Buildings, Vol.11, p.239-247. Moran J. M., 1982. Availability Analysis, Prentice-Hall. Moran, M.J., Shapiro, H.N., 2004. Fundamentals of Engineering Thermodynamics”,

Wiley,. Niess, R.C., 1979. Utilization of Geothermal Energy With an Emphasis on Heat

Pumps. G.R.C.Trans., Vol.5, p.73-80. Niess, R.C., 1980. High Temperature Heat Pumps Can Accelerate The Use of

Geothermal Energy, ASHRAE Trans., Vol.7, p.755-762. Schmit, D., 2003. Design of low exergy buildings-method and a pre-design tool. Int

journal low energy sustain build, 3, 1-47. Shelton, J., 1975. Underground Storage of Heat in Solar Heating System. Solar

Energy, Vol.17, p.137-143. Sorensen, B. , 2004. Renewable Energy, Elseiver Academic Press. Sato N. , 2004. Chemical Energy And Exergy, Elseiver. Szargut, J., Morris, D. R. ; Steward, F. R., 1988. Exergy Analysis of Thermal,

Chemical, and Metallurgical Processes”. Hemisphere Pumlishing Corporation.

Szargut, J., 2005. Exergy Method, Technical and ecological applications. pp. 35-38.

WIT Press Southampton, Boston.

91

TS EN ISO 13789, 2000. Binaların termal performansı- taşınım ısı kayıpları katsayı-hesaplama metotları, Türk Standartları Enstitüsü.

TS 825, 1998. Binalarda Termal Yalıtım. Türk Standartları Enstitüsü. Özgener, Ö. and Hepbasli A., 2005. Performance analysis of a Solar-Assisted

Ground-Source Heat Pump System For Greenhouse Heating: An Experimental Study, Building and Environment 40:8, 1040-1050.

Özgener, O., Hepbaşlı, A., 2007. A Parametrical Study on the Energetic and

Exergetic Asssesment of a solar Assisted Vertical Ground-Source Heat Pump System Used for Heating a Greenhouse”. Building and Enviroment; 42: 11-24

Telli, K. Z., 1998. Termodinamik Problemleri ile Birlikte, Palme Yayıncılık, Ankara. Telli, K. Z., 1998. Termodinamik Semineri”, Palme Yayıncılık, Ankara. Yamankaradeniz, R. and Horuz, I., 1998. The Theoretical and Experimental

Investigation of The Characteristics of Solar-Assisted Heat Pump For Clear Days, International Communications in Heat and Mass Transfer; 25:6, 885-898.

92

ÖZGEÇM İŞ

Adı Soyadı : Ahmet ELBİR

Doğum Yeri ve Yılı : Samsun, 1981

Medeni Hali : Evli

Yabancı Dili : İngilizce

Eğitim Durumu

Lise : Samsun Ticaret Meslek Lisesi, 1998

Lisans : SDÜ Teknik Eğitim Fak. Tesisat Öğretmenliği, 2005

Çalıştığı Kurumlar ve Yıl

Süleyman Demirel Üniversitesi, 2006-….

ERROR: syntaxerrorOFFENDING COMMAND: --nostringval--

STACK:

/Title ()/Subject (D:20100223132630)/ModDate ()/Keywords (PDFCreator Version 0.8.0)/Creator (D:20100223132630)/CreationDate ((gökcen) )/Author -mark-