Yer Kaynaklı İklimlendirme-2

Yazar: Zafer SAL

09/05/2021
| 14:34

–TOPRAK VE SU KAYNAKLI ISI POMPALARI–

-SINIFLANDIRMA/ÇALIŞMA PRENSİPLERİ-

“Mühendisler sorunları çözmeyi sever. Ortada bir sorun yoksa kendi sorunlarını yaratırlar”

Scott Adams

Yapıların Isı Gereksinimi

Toprak Kaynaklı Isı Pompası dizayn edilirken, toprak ısı değiştiricisinin tasarımından önce yapının “ısı kazancı ve kaybı” tespit edilmelidir. Binanın ısı gereksinimi için kat planı zonlara bölünerek, her bir zon için ısı kaybı/kazancı hesaplamaları yapılır. Isı Kaybı Hesabı, (EN 12831, DIN 4701, TS2164) göre hesaplanmalıdır. Isıtılan alanın yaklaşık ısı gereksinimi hesaplanmasında binanın ısı yalıtım durumu önemlidir³.

Yapıların Isı Kaybı

Mevcut ve yeni binalarda ısı kaybının yaklaşık olarak tespiti için aşağıdaki tabloda belirtilen özgül ısı kaybı değerlerinden yararlanılabilir⁴. Ancak asıl olanın, mevcut Yönetmeliklere göre ayrıntılı hesapların yapılması gerektiği de unutulmamalıdır.

Toprak Kaynaklı Isı Pompası Sistemleri

Temel Çalışma Prensibi

Çalışma prensibini anlatmanın en kolay yolu, klima çalışma prensibini incelemek olacaktır. Soğutma yapan bir klima iç ünitesinde havadan alınan ısı, dış ünitede dış havaya aktarılır. Isı pompası ise toprakta, kayada veya suda depolanmış enerjiyi toprak altındaki boru sistemi vasıtasıyla evin içine yönlendirir. Bu enerji, ısı pompasının içerisindeki soğutucu akışkana aktarılır, kompresörde akışkanın basınç ve sıcaklığı artırılarak enerji bina içi ısıtma tesisatında dolaşan suya iletilir⁴.

Yukarıda numaralandırılmış üniteleri ve işleyişi şu şekilde açıklamak mümkündür:

Toprak kaynaklı ısı pompalarının kaynak tarafı, derin kuyu (80-120 m kuyu uygulaması), serme (arazinin 1-1,5 m altına yüksek metrajlı boru uygulaması) veya su kaynağı (göl veya denize boru uygulaması) olarak düşünülebilir⁴.

Toprak ve Su Kaynaklı Isı Pompalarının Sınıflandırılması

Toprak Kaynaklı Isı Pompaları; toprak ısı değiştiricisinin tipine, kullanım şekline göre farklı sınıflara ayrılmaktadır. Toprak Kaynaklı Isı Pompalarında toprağın veya yeraltı suyunun enerjisinden yararlanmak için iki yöntem kullanılmaktadır³. Bunlar; “Açık Çevrim Sistemler” ve “Kapalı Çevrim Sistemler”dir.

Açık Çevrim Sistemler: Kuyu, artezyen, göl, nehir gibi açık bir su kaynağından elde edilen suyun, bir hidrofor sistemi ile ısı pompasına pompalanması suretiyle suyun sahip olduğu ısı enerjisinden doğrudan faydalanmak esasıyla çalışan sistemlerdir³.

Dizayn aşamasında; suyun kalitesi, ısı kaynağı olarak kullanılan su kütlesinin yeterliliği (birim soğutma yükü başına ihtiyaç duyulan su debisi genellikle 0,027- 0,054 It/s kW)³ ve dönüş suyunun reenjeksiyonu (kuyu veya yüzey suyu) gibi önemli kriterler öne çıkar.

Açık sistemler, kuyu dizaynına bağlı olarak tüm toprak kaynaklı ısı değiştiricilerinin kurulumlarından daha fazla pompalama yüküne ihtiyaç duyarlar. Bununla birlikte; ideal şartlarda bir açık çevrim uygulaması, yer ısı değiştirici sistemlerin içinde en ekonomik olanıdır³.

Kapalı Çevrim Sistemler: Kapalı devre, toprak altına gömülü polietilen borulardan oluşur. Kapalı sistem toprak ısı değiştiricisi boru, ısı pompasına bağlıdır ve boru şebekesi, ısı taşıyıcı akışkanla (su-antifiriz karışımı) doludur³.

Kapalı sistem; ısı taşıyan sıvıyı, basınç altında bulunan boru içerisinde sürekli dolaştırır. Toprak Kaynaklı Isı Pompaları kapalı bir sistemde ısı değiştirici boruların toprağa (jeoKütleye) döşenme biçimlerine göre de ikiye ayrılmaktadır³.

i. Yatay Borulama Sistemleri

ii. Dikey Borulama Sistemleri

i. YATAY BORULAMA

Yatay ısı değiştiricileri, genellikle proje alanının uygun olması durumunda kullanılır ve tek bir hendek veya birbirine yakın hendekler içine bir veya birden fazla borunun (spiral veya düz boru şeklinde) yerleştirilmesiyle oluşur. “Toprak (yer) kollektörü” olarak da adlandırılmaktadır³.

Kent merkezlerindeki yapı alanlarının küçük olması yatay borulama sistemi kurulumunu zorlaştırmaktadır. Yatay borulama sistemi, 1.20-1.50 m derinliğe ve seçilen boru çapına bağlı olarak yaklaşık 0.50-0.70 m mesafe ile birbirine paralel olarak ve bu şekilde her m² için yaklaşık 1.50 ile 2.00 m arasında boru döşenmektedir.

Topraktan çekilebilecek ısı miktarı, öncelikle toprağın nemi olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Özellikle nemli ve killi topraklarda olumlu sonuçlar alınmaktadır. Kum oranı yüksek topraklar, yatay uygulamalar için çok uygun değildir (Arslan, 2014).

Bu noktada, düz ya da spiral (slinky) yatay boru uygulaması öncesinde nemli-killi toprak tespitinin yapılması büyük önem kazanmakta ve sahada JEOFİZİK çalışma dizaynı yapılarak düşük rezistiviteli (yüksek iletken) seviyeler ve derinlikleri tespit edilerek hem borulama için yer seçimi/derinliği, hafriyat miktarı hem de killi kısmın yayılımında göre borulama tipi (düz ya da slinky) seçilmelidir.

Yıllık maksimum 2.000 saat tam yükteki boyutlandırma ile ilgili temel değerleri aşağıdaki çizelgeden görmek mümkündür⁴.

Yatay borulamada toprak türü haricinde termal ısı iletkenlik katsayısı (termojeofizik parametre) de ayrıca hesaplanmalıdır. İlerleyen kısımlarda açıklayacağız.

ii. DİKEY BORULAMA (SONDAJ UYGULAMASI)

Proje alanlarının sınırlı olduğu (kentsel alanlarda özellikle) durumlarda uygulanan dikey toprak ısı değiştiricileri, kolay borulama ve az yer gereksinimi nedeniyle son yıllarda giderek yaygınlaşmaktadır.

Dikey tip borulama sistemlerinin planlanması ve yerleştirilmesi için toprak zemininin özelliklerinin, katmanlarının toprak direncinin ve mevcut olan yeraltı suyunun seviyesinin ve bu suyun akış yönünün bilinmesi şarttır³.

Dikey borulama sistemi genellikle dikey bir sondaj deliğinin içine iki adet küçük çaplı yoğunluğu yüksek polietilen borunun yerleştirilmesi ile oluşturulur. Bu iki boru, sondajın son derinliğinde füzyon kaynağıyla, birbirine çok yakın bir “U” dönüşü yapacak şekilde kaynatılır³. Genel olarak uç kısmında özel birleştirme parçaları (U formunda) ile birbirine kaynatılan iki veya dört paralel plastik boruya sahip boru demetinden oluşmaktadır. Plastik borular, dört borulu sistemde uç kısımlarından bağımsız akışlı iki devre oluşturacak şekilde birbirine bağlanmaktadır. Bunlara çift U borulu sistem denilir⁴.

Sondaj derinliği, jeofizik/jeolojik şartlara göre 10 ile 200 m arasında değişebilmektedir.

Uygun hidrojeolojik şartlar altında ortalama dikey tip borulama sistemi kapasitesi 50W/m olarak (yüksek ısı çekişi) kabul edilmektedir³(VDI 4640).

Dikey toprak ısı değiştiricilerinin yerleştirilmesi ve planlanması için toprak özellikleri ve yer altı şartları (jeolojik/jeofizik/geoteknik şartlar) hakkında tam bir bilgiye sahip olunması şarttır⁴. Bu nedenle; dizayn ve imalat aşamasında konusunda uzman jeoloji ve jeofizik mühendisleri ile ortak çalışma gerekmektedir.

Yıllık maksimum 2.000 saat tam yükteki boyutlandırma ile ilgili temel değerleri aşağıdaki çizelgeden görmek mümkündür⁴.

Devam Edeceğiz…

Üçüncü ve son bölümde Yer-Mühendisliğinin katkılarına biraz daha odaklanıp; Ülkemizden örneklerle yazımızı sonlandıracağız.

KAYNAKLAR

¹Hepbaşlı A. ve Ertöz A. Ö., Geleceğin Teknolojisi: Yer Kaynaklı Isı Pompaları, IV. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi

²Dipova N., Termojeoloji ve Yer Kaynaklı İklimlendirme Uygulamaları, Akdeniz Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü.

³Dikenoğlu, N. Jeotermal Isı Pompaları Kullanım Alanları ve Jeoloji Mühendisinin Bu Çalışmadaki Yeri ve Önemi. TMMOB JMO.

⁴Arslan, A. E., 2014. Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Doğalgazlı Kombi Birleşik Sisteminin Enerji Verimliliği Yönünden Araştırılması, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, 2014.

Yılmaz, Z., 2006. Akıllı Binalar ve Yenilenebilir Enerji. Tesisat Mühendisliği Dergisi, Sayı:91, s:7-15.

Yılmazoğlu, M. Z., 2010. Isı Enerjisi Depolama Yöntemleri ve Binalarda Uygulanması. Journal of Polytechnic. Vol:13 No:1 pp:33-42.

www.formgroup.com

R. Küçükçalı, Alternatif Enerjiler ve Alternatif Sistemler, İstanbul: Isısan, 2008.

A. Hepbasli, «”Uzman Gözüyle Termodinamik ve Uygulamaları” Kursu,» Eskişehir, 2008.

D. I. f. N. DIN EN 15450, «Heizungsanlagen in Gebauden – Planung von Heizungsanlagen mit Warmepumpen,» Deutsches Institut für Normung, 2007

VDI, «VDI 4640 Blatt 2 – Thermische Nutzung des Untergrundes Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen – Thermal use of the underground Ground source heat pump systems,» VDI, Düsseldorf, 2001-09.

https://web.itu.edu.tr/~caglari/jeotermal/jeoelek.html