Semih Çalapkulu
Semih Çalapkulu
ISI POMPASI NEDİR ve ISI POMPASININ TARİHÇESİ
  • 0
  • 02 Ekim 2023 Pazartesi
  • +
  • -

(WHAT IS A HEAT PUMP and HISTORY OF HEAT PUMP)

İklim değişikliğinin önde gelen nedenlerinden biri; yakıldığında havaya karbondioksit salarak, gezegenin ısınmasına neden olan petrol, gaz ve kömür gibi fosil yakıtların yakılmasıdır.

Fosil yakıtların tükenmekte olması ve her geçen gün bu yakıtların fiyatlarında ciddi artışlar yaşanması, ayrıca çevre bilincinin gelişmesi gibi birçok sebepten ısı pompasının çok yakın bir gelecekte Türkiye’mizde de yaygınlaşması kaçınılmaz bir sonuç olacaktır.

Avrupa ve Amerika’da özellikle 1990’li yıllardan itibaren kullanımı yaygınlaşmaya başlamış ve her geçen gün kullanıcı sayısı artmıştır.

Ancak ülkemizde maalesef bu teknolojiyle tanışmak konusunda geç kalmış ve ısı pompasının sunduğu bütün avantajlara rağmen hala ciddi sayıda kullanıcı sayısına ulaşılamamıştır.

ISI POMPASININ TARİHÇESİ:

Gerçekte bir soğutma çevrimi olan ısı pompası çevriminin temel prensibini Nicolas Léonard Sadi Carnot 1824 yılındaortaya atmıştır.

Resim1

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1 Haziran 1796 – 24 Ağustos 1832)

(Nicolas Léonard Sadi Carnot: Lazare Carnot’un oğlu Fransız fizikçi. Isı makinesinin çalışma ilkeleri üzerinde çalışmıştır. Buhar makinesinin kuramsal verimini hesaplarken ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşme koşullarını incelemiş, termodinamiğin ikinci kanununu bulmuştur.)

1832 yılında Jakob Perkin tarafından buhar sıkıştırmalı bir soğutucu tasarlanmıştır.

Resim2

Jacob Perkins (9 Temmuz 1766 – 30 Temmuz 1849)

(Jacob Perkins: Amerikalı mucit, makina mühendisi ve fizikçiydi. Massachusetts, Newburyport’ta doğan Perkins, bir kuyumcuya çıraklık yaptı. Kısa süre sonra çeşitli faydalı mekanik icatlarla tanındı ve sonunda yirmi bir Amerikan ve on dokuz İngiliz patenti aldı. Buzdolabının babası olarak bilinir.)

Buhar makinesinin ürettiği mekanik güç, dışarıdan verilerek sıcak–soğuk çevrim sağlanabilir. Bu durumda sistem bir buhar makinesi olmaktan çıkarak; sıcak ortamdan soğuk ortama enerji aktaran bir soğutma makinesi veya soğuk ortamdan sıcak ortama enerji aktaran bir ısıtma makinesi olarak çalışacaktır.

Carnot döngüsü olarak bilinen bu çevrim ısı pompası ve termodinamik için temel prensiptir.

Carnot ve Ters Carnot Çevrimi Nedir; İkisi sabit sıcaklıkta, ikisi adyabatik dört tersinir hal değişiminden oluşan Carnot Çevrimi, ısı makinaları için Tersinir Carnot Çevirimi ise soğutma makinaları için ideal durumda çalışan ve maksimum verimlilik sağlayan durumu ifade etmektedir.

Ekran-Resmi-2023-10-02-20-40-23

26 yıl sonra 1850 yılında LORD KELVİN’in, soğutma cihazlarının ısıtma maksadıyla kullanılabileceğini ileri sürmesiyle ısı pompası uygulamaya girdi.

Resim3

William Thomson (Lord Kelvin) (26 Haziran 1824 – 17 Aralık 1907)

(William Thomson: 21 yaşında Glasgow Üniversitesi’nde fizik profesörü oldu. Aralıksız elli üç yıl bu görevi sürdürdü. William Thomson, özellikle ısı ve elektrikle ilgili incelemeler yaptı. Basınç altında buzun erime noktasındaki değişimleri belirledi ve 1852’de gazların genleşmesinin soğumaya yol açtığını ortaya koydu. Joule ile görüştükten sonra, Kelvin ölçeği olarak adlandırılan ve günümüzde bütün bilimsel sıcaklık ölçümlerinin temelini oluşturan mutlak termodinamik sıcaklık ölçeği düşüncesini ortaya attı.)

19.yüzyılda gazların sıcaklıklarının basınçlarını ayarlayarak değiştirilebileceğinin anlaşılmasıyla ısı enerjisinin daha yüksek sıcaklıklara pompalanması olasılığı dikkat çekmiştir.

Dr. John Gorrie’nin 1851 yılında Amerika’da patentini aldığı makine, ticari olarak imal edilen ilk soğutma makinesidir. Fransa’da Ferdinand Carre 1851’de ilk amonyak absorbsiyon ünitesini tasarlamıştır. Connecticut’tan Alexander Catlin Twining, buhar sıkıştırmalı sistemle dünyada ilk olarak ticari olarak buz yapmak için kompresyon makinesinin patentini almıştır.

Resim4

John B. Gorrie (3 Ekim 1803 – 29 Haziran 1855)

(John B. Gorrie: Nevis doğumlu Amerikalı bir doktor ve bilim adamıydı ve mekanik soğutmanın mucidi olarak kabul edildi. Hastane odalarını soğutarak ateş hastalarının sıcaklığını düşürmek için yapılan deneyler sonucunda soğuk hava soğutma işlemini keşfeden Amerikalı doktor.)

Resim5
Ferdinand Philippe Edouard Carré (11 Mart 1824 – 11 Ocak 1900)

(Ferdinand Philippe Edouard Carré: Fransız mühendis, doğdu Moislains (Somme) 11 Mart 1824’te. Carré en çok buz üretmek için kullanılan soğutma ekipmanının mucidi olarak bilinir.)

Resim6
Alexander Catlin Twining (5 Temmuz 1801 – 22 Kasım 1884)

(Alexander Catlin Twining: Amerikalı bir bilim adamı ve mucitti. Soğutma, sıcaklığı düşürmek amacıyla kapalı bir alandan veya bir maddeden ısıyı çıkarma işlemidir. Ticari soğutmanın 1856’da Amerikalı bir işadamı Alexander C. Twinning tarafından başlatıldığına inanılıyor. Kısa bir süre sonra Avustralyalı James Harrison, Gorrie ve Twinning tarafından kullanılan buzdolaplarını inceledi. Demleme ve et paketleme endüstrilerine buhar sıkıştırmalı soğutmayı tanıttı.)

Resim7

Sıkıştırılmış buharla çalışan ısı pompası prensibinin ilk olarak İsviçre’de 1870-1880 yılları arasında Salina Bex’de mühendis Paul Piccard tarafından gerçekleştirilmiştir.

  1. Dünya Savaşı’ndan önce ısı pompasının geliştirilmesi ve kullanılır hale getirilmesi için birçok mühendis ve bilim insanı bu alanda araştırmalar ve çalışmalar yaptı. Savaş yıllarında endüstri, imkanlarını daha acil problemlere yönelttiği için ara verilen bu çalışmalara savaştan sonra tekrar başlandı.

Isı pompası endüstrisinin 1950‘lerde sahip olduğu potansiyel, yüksek kuruluş maliyeti, doğalgaz ve petrole dayanan enerjinin ucuzlaması nedeniyle ısı pompasına olan güven 1960’lı yıllarda azaldı.

Isı pompalarının bu duraklamadan sonra önem kazanması, 1973’teki enerji krizinden sonra olmuş ve bu tarihten sonra birçok çalışma yapılmıştır.

Resim8

Isı Pompasının Gelişimi: İlk ısı pompası ise 1930 yılında İskoç Haldane tarafından yapılmış ve daha sonra bu ısı pompasını evinde kullanmaya başlamıştır. Haldane, bu makinede kaynak olarak havayı kullanmış ve hava koşullarının iyi olmadığı zamanlarda su ile desteklenmiştir. 1950’ler de ısı pompasına azda olsa ilgi artmış ancak petrol fiyatlarının gerilemesi bazı işletim zorluklarından dolayı fazla rağbet görmemiştir.

1912 yılındaki İsviçre patenti ile toprak kaynaklı ısı pompalarının faydaları ilk olarak tanıtılmıştır. Daha sonra termodinamik yararı, ısı kaynağı olarak toprağa gömülen metal serpantinler içinde salamura dolaştırarak, 1940’lı yıllarda çarpıcı şekilde gösterildi. Serpantin korozyon sorunları, toprak serpantinlerini kullanışsız kıldı ve hava kaynaklı ısı pompasının gelişimini zorladı. Daha sonraları plastik borular kullanılarak, korozyon sorunlarının üstesinden gelindi ve çalışmalar hızlandı.

1950’ler de Amerika ve İngiltere’de evsel ısı pompalarında toprak kaynağının kullanımı ile ilgili çalımalar başlamıştır. Baker 1950-1951 yıllarında, kış ayları boyunca ortalama ısı tesir katsayısı 3’ün üzerine çıkan, çift tesirli toprak kaynaklı bir ısı pompası geliştirmiştir.

1954 yılında Jordan ve Threlkeld tarafından, 1956 yılında da AEIC-EEI Isı Pompası Komitesi tarafından güneş enerjisi destekli ısı pompaları ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Albuquerque’de bir ofis binası kolektör-ısı pompası sistemi ile ısıtılmış ve soğutulmuştur. Bu sistem daha sonra konutlarda da kullanılmaya başlanmıştır.

1950-1960 yıllarında piyasadaki düşük kalitedeki ısı pompaları, soğuk geçen kış mevsimlerinde, zorlu şartlarda çalışmaya uygun olmadıklarından başarısızlığa uğramış ve bu durum ısı pompası endüstrisindeki gelişmeyi olumsuz etkilemiştir. Ancak yeni teknolojilerin kullanılması ve 1973-1974 yıllarındaki petrol fiyatlarının artmasıyla ısı pompası yeniden ilgi odağı olmuştur.

Resim9

ISI POMPASI NEDİR:

Isı pompası; basit olarak ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve elektrikle beslenen bir sistemdir.

Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var edilemez, sadece ya biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. (Termodinamiğin birinci yasası)

Isı pompası da adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma” kabiliyetinden alır.

Örnek olarak dalgıç pompalar verilebilir. Dalgıç pompalar nasıl suyu üretmiyorlarsa, ısı pompaları da ısıyı üretmeyip sadece taşırlar. Dalgıç pompalarının su pompalaması için bir su kaynağına daldırılmalarına benzer olarak, ısı pompaları da yeryüzünde bir enerji kaynağına temas etmedikleri sürece ısıyı taşıyamazlar. Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük maliyetlerle kullanıma sunulabilir.

Isı enerjisinin elde edildiği kaynağa göre ısı pompaları:

  • Hava kaynaklı ısı pompası
  • Su kaynaklı ısı pompası
  • Toprak kaynaklı ısı pompası olarak sınıflandırılabilir.

Resim10

Enerji kaynağına göre ısı pompası, dış ünite ile dış ortamdan alınan enerjiyi soğutucu akışkan vasıtasıyla (R32/R410A/R134A) hidrolik modüle taşır. Dış ortamdan alınan ısı, hidrolik modül vasıtasıyla tesisat suyuna transfer edilir. Bu işlemden sonra ısıtma veya soğutma sistemi ile sıcak su ihtiyacı için kullanıma hazırdır.

Temel Carnot çevrimi prensibine göre çalışan ısı pompalarında temel ekipmanlar, 2 adet ısı değiştirici (kondenser ve evoparatör), kompresör ve kısılma vanasıdır (expansion valve).

Çoğu insan için ısı pompası yeni bir terimdir. Oysaki evlerimizde ısı pompası çalışma prensibi ile aynı mantığın ürünü olan buzdolabı, klima ve derin dondurucu gibi cihazlar kullanılmaktadır.

Söz konusu cihazların çalışma mantığı ısıyı taşıma prensibine dayandığından bu cihazlar, ısı pompası başlığı altında toplanabilirler. Isı pompasının yakın bir gelecekte ülkemizde de yaygınlaşması kaçınılmaz bir sonuçtur.

Ekran-Resmi-2023-10-02-20-50-49

Klimada Bulunan Ana Bileşenler;

Evaporatör: Soğutucu akışkanı kaynatarak gaz haline dönüştürür.

Kondenser: Soğutucu akışkanın gaz halinde girerek ısısını çevreye verir ve sıvı hale geçer.

Genleşme Valfi: Soğutucu akışkanın basıncını istenilen basınca düşürmeye yardım eder.

Kompresör: Soğutucu akışkanı istenilen basınca göre sıkıştırarak gaz halinde bulunan maddeyi sıvı hale dönüştürür.

ISI POMPASI NASIL ÇALIŞIR: Soğutma makinaları, ısıtma veya ısıtma ve soğutma amaçlı kullanılırlarsa ısı pompası adını alırlar.

Örnek olarak evlerimizde kullanılan buzdolaplarını alalım. Buzdolaplarında yiyeceklerin bulunduğu iç ortam soğuktur ve arkasındaki borular oluşan ısıyı ortama bıraktıklarından sıcaktır. Hemen hemen her kişi bu olayın farkındadır ve bu ısının nereden geldiğini merak etmektedir. Örnekte de görüldüğü gibi soğutma makinaları ısıyı ve soğuğu aynı anda üretirler. Anlaşılacağı gibi ısı pompasından bahsedildiğinde soğutma makinalarına başvuruyoruz. Öyleyse ısı pompaları uzun süredir bilinen bir kavramdır yani 90’lı yıllar için yeni bir teknoloji değildir.

Resim11

Isı pompası teknolojisi mantık olarak ilk 18. yy.’ da oluşmuştur, ısı pompasının günümüze kadar soğutmada izlediği yükselen grafikle olduğu gibi, bugünden itibaren ısıtma amaçlı kullanımda da çok büyük bir rolü olacaktır.

Isı pompaları genel anlamda ısıyı üretmek yerine taşımayı amaçlar. Bunun içinde ısının alınacağı bir ısı çukuruna ihtiyaç vardır. Ülkemizde kullanılan ısı pompalarının hemen hemen hepsi ısı çukuru olarak havayı kullanmaktadırlar. Günümüzde havayı ısı çukuru olarak kullanan ısı pompaları; Split Klima ve Chiller olarak adlandırılmaktadırlar. Hava kaynaklı cihazların verimleri, dış hava sıcaklıklarının değişimlerinde, farklı değerler alırlar. Verim değerlerinin gün içinde dahi sabit kalmaması sebebiyle, işletme maliyetlerinde beklenmeyen artışlar meydana gelir. Bu verim değişimlerini önleyen sıcaklığı sabit kabul edilebilecek ısı çukurları da mevcuttur. Bu amaçla kullanılan sıcaklığı sabit kabul edilebilen ısı çukurları toprak ve sudur.

ISI POMPASI AVANTAJLARI NELERDİR:

Toprak – Su Kaynaklı Isı Pompası teknolojisi yeryüzünün belirli bir derinliğinde sıcaklığın yıl içinde nispeten sabit kalması gerçeğine dayanır. Bahsedilen derinlikte toprak tabakası kışın havadan daha sıcak, yazın ise daha soğuktur.

Toprak – Su Kaynaklı Isı Pompaları kışın yeryüzünün altında veya yer altı sularında depolanmış ısıyı binaya, yazın bina içindeki ısıyı yeraltına taşıyarak doğanın bize verdiği bu avantajı kullanırlar.

Kısaca yer altı; kışın bir ısı kaynağı, yazın ise bir ısı çukuru olarak davranır. Toprak – Su Kaynaklı Isı Pompaları günümüzde ısıtma – soğutma ve sıcak kullanım suyu elde edilmesinde kullanılmaktadırlar. Bu ihtiyaçların tümüne ısı pompası tek makinayla cevap verebildikleri için de tercih sebebi olmuşlardır.

Resim12

Yer Kaynaklı Isı Pompası: Yer kaynaklı ısıtma, yeryüzünde depolanan saf güneş enerjisidir. İlkbaharda güneş daha güçlü parlamaya başladığında, enerji yavaş yavaş yer yüzeyinin altında depolanır. Zaman geçtikçe güneş enerjisi miktarı artar ve enerji yerin alt kısımlarında depolanır. Yer Kaynaklı Isı Pompası, depolanan ısı enerjisini yoğunlaştırarak konutunuzda bulunan kullanım ve ısınma ihtiyacı suyunun ısıtılmasını sağlar.

Havadan Suya Isı Pompası: Evinizi ısıtmak için havanın nasıl kullanılabileceğini hiç merak ettiniz mi? Hava Kaynaklı Isı Pompası, dış ortam havasındaki ısı enerjisini yoğunlaştırarak konutunuzda bulunan kullanım ve ısınma ihtiyacı suyunun ısıtılmasını sağlar.

Egzoz Kaynaklı Isı Pompası: Egzoz Kaynaklı Isı Pompaları önce evinizi havalandırır ve ardından iç ortam havasındaki ısı enerjisini suyunuzu ve evinizi ısıtmak için kullanır. Başka bir deyişle, Egzoz Kaynaklı Isı Pompası evinizdeki atık havadan gelen enerjiyi yeniden kullanır.

Havadan Havaya Isı Pompası: Havadan Havaya Isı Pompası, su bazlı ısıtma sistemi yerine doğrudan elektrik kullanan mülkler için idealdir. Havadan Havaya Isı Pompası, ısıtma faturalarınızı azaltır ve birincil ısıtma sisteminize enerji tasarrufu sağlayan bir sistem görevi görür.

Isı Pompası; Isı pompası olarak adlandırılan üründe birincil amaç hedeflenen kaynağın ısıtılmasıdır ve ticari olarak da ısı pompası adını almıştır. Bu ürünlerde ısıtılan su ile bir proses veya mahalin ısıtma işlemi gerçekleştirilirken aynı zamanda kullanım amaçlı sıcak su da elde edilebilir. Bir soğutma çevrimiyle çalışan bu ürünler, ısı kaynağı olarak hava, su, toprak veya atık ısıyı kullanabilirler. İlave destek ısıtıcı olarak da elektrikli rezistans, güneş enerjisi veya fosil yakıtlı ısıtıcılar kullanılır. Soğutma çevrimlerini tersine çevirerek mahalin soğutulması fonksiyonunu da yapabilirler.

Resim13

onuç olarak; Türkiye’de ısı pompası uygulamaları ilk olarak 1990’larin ortalarında gerçekleşmiştir. Türkiye’deki ısı pompası kullanıcıları genel olarak yurt dışında bu sistemle tanışmış, avantajlarını görmüş belki de bizzat yasamış ve Türkiye’ye dönünce bu sistemi kendileri talep ederek kullanmaya başlamış kişilerdir.

Fosil yakıtların tükenmekte olması ve her geçen gün bu yakıtların fiyatlarında ciddi artışlar yaşanması ayrıca çevre bilincinin gelişmesi gibi birçok sebepten ısı pompasının çok yakın bir gelecekte ülkemizde de yaygınlaşması kaçınılmaz bir sonuçtur.

Avrupa’da karbon salınımının azaltılması, yakıt giderlerinin düşürülmesi ve dışa bağımlılığı azaltmak için ısı pompalarına büyük destek verilmektedir. Isı pompalarının kullanımı enerjide dışa bağımlılığımızı azaltacak, yurt dışına ödenen enerji bedellerini düşürecek ve kendi enerjimizle ayakta durmamıza bir başlangıç oluşturabilecektir.

Türkiye’mizde enerjiye; 2021’de 50 Milyar Amerikan Dolar vermişken, 2022 yılında bu miktar 100 Milyar Amerikan Dolar çıkmıştır. Bu enerjinin yaklaşık %36’sı konutlarda kullanılmakta olup, bu veriye göre 36 Milyar Amerikan Dolaryapılarda kullanmaktayız.

Gerekli yatırım bedelinin sağlanması durumunda, Türkiye’de üretilecek cihazlarla makina bedellerinin de Türkiye’de kalması sağlanacaktır. Hem verimli alternatif enerji makinalarıyla daha iktisatlı ısıtma, soğutma ve kullanma sıcak su elde edilmiş olacaktır.

Bu makalemde ısı pompası tarihçesi, ısı pompası nedir ve ısı pompası çeşitleri hakkında bilgi vermeye çalıştım. Bundan sonraki kaleme alacağım, teknik makalemdeyse; ısı pompaları hakkında daha tekniksel anlamda, değerli takipçilerime bilgi alışverişi yapmayı planladım.

Not: Yazıdaki resimler bilgi amaçlı konulmuştur. Yayınlamasında telif ihlali anlamında sıkıntı yaşanması adına, gerekli prosedürleri yapılması yayıncı kuruluşa aittir. Teknik yazı ve/veya makale de, alıntı yapılan kaynaklar “kaynakça” kısmında belirtilmektedir. Lütfen bu konuda gerekli hassasiyeti gösteriniz.

 (Magic Mechanic Meetings© yazı dizisi devam edecek…)

KAYNAKÇA:

1-)  Isı pompası

https://tr.wikipedia.org/wiki/Isı_pompası

2-) Isı Pompası Nedir? Nasıl Çalışır? Tarihçesi?

https://muhendis.web.tr/isi-pompasi-nedir-nasil-calisir-tarihcesi/

3-) Res Enerji Sistemleri A.Ş. Isı Pompası El Kitabı

4-) Isı Pompası Nedir?

https://kamalimuhendislik.com/haberdetay/isi-pompasi-nedir.html

5-) İnverter nedir? Fotovoltaik tesisin kalbi ve beyni hakkında her şey

https://www.fronius.com/tr-tr/turkey/guenes-enerjisi/mustakil-ev-sahibi/blog/what-is-an-inverter

Semih ÇALAPKULU

Makina Mühendisi

Sosyal Medyada Paylaşın:

Düşüncelerinizi bizimle paylaşırmısınız ?

  • YENİ
  • YORUM