–Toprak ve Su Kaynaklı Isı Pompaları-
–Termojeoloji / Termojeofizik-
“Bilim hepimizi eğlendirebilir ve büyüleyebilir, ancak dünyayı değiştiren mühendisliktir”
Isaac Asimov
Yazımızın konusu biraz teferruatlı olduğundan anlatmak istediklerimizi üç bölümde yazı dizisi şeklinde sunacağız.
Çok temel bir giriş yapalım; JeoKütle, ısıtma sezonunda havadan daha yüksek, soğutma sezonunda havadan daha düşük sıcaklıklara sahip bir enerji kaynağıdır. JeoKütlenin enerjisini yaşam alanlarına aktarmak amacıyla “Toprak ve Su Kaynaklı Isı Pompaları” geliştirilmiştir.
Başlangıçta; “iklimlendirme”, “toprak-su kaynaklı ısı pompası (GeoExchange Systems, GeoSource Heat Pumps vb)” ve “termojeoloji / termojeofizik” kavramlarını kısa cümlelerle tanımlayalım.
İKLİMLENDİRME: Kapalı bir ortamın sıcaklık, nem, temizlik ve hava hareketini insan sağlık ve konforuna veya yapılan endüstriyel işleme en uygun seviyelerde tutmak üzere bu kapalı ortamdaki havanın şartlandırılmasıdır.
TOPRAK-SU KAYNAKLI ISI POMPASI: Toprak, yeraltısuyu ve yüzey suyunu ısı kaynağı ve ısı kuyusu olarak kullanan değişik sistemlerin hepsini kapsayan, ilk kullanımı 1930’lara kadar uzanan ancak yaygınlaşması 1990’lı yılları bulan ve sık sık “jeotermal ısı pompası” olarak da adlandırılan bir terimdir1
TERMOJEOLOJİ / TERMOJEOFİZİK: Yüzeyden itibaren 200 m’ye kadar sığ derinliklerde düşük entalpili (entalpi, maddenin yapısında depoladığı her türden enerjilerin toplamı) ısının (<30°C) oluşumu, hareketi vb ile uğraşan; normal sıcaklık koşullarında yeraltında depolanan ısıyı (yer kaynaklı ısı) konu alan2, jeolojik malzemelerin ısıyı ne kadar iyi depolayabildiği ve iletebildiğini gösteren hacimsel ısı kapasitesi ile ısıl iletkenlik gibi jeolojik/jeofizik parametreleri inceleyip iklimlendirme tasarımına adapte eden uygulama alanlarıdır.
-Binalarda Enerji Tüketimi-
İklimlendirilme sistemlerinde tüketilen enerjinin toplam enerji tüketimindeki payı, yaklaşık olarak % 20’yi bulmaktadır (Yılmaz, 2006).
Yalıtım uygulamaları, verimi yüksek ev aletlerinin ve aydınlatma sistemlerinin kullanımı ve yenilenebilir enerji kaynaklarının binalara entegrasyonu ile bu pay azaltılmaya çalışılmaktadır. Bu uygulamaların yanısıra ısı enerjisinin depolanması ve binalarda kullanılması da binalar için enerji tüketimini azaltan bir etken olacaktır (Yılmazoğlu, 2010).
Günümüzde binalar için enerji verimliliği ısıtma ve soğutma talebinin sistematik bir şekilde azaltılmasıyla sağlanmaktadır. Binanın, en uygun mimari tasarımı ile enerji tüketim yükünün azaltılması, enerji tüketen tüm sistemlerinin ayrı ayrı ve mimari ile bütünleşik olarak optimize edilmesini benimseyen “Bütünleşik tasarım anlayışı”, çağdaş yüksek performanslı binaların tasarımında kullanılan yöntem olarak benimsenmektedir.
Bütünleşik tasarım ile ilgili bileşenlerin dengeli tasarımıyla, hem yatırım maliyetlerinde, hem de geri dönüşlerde büyük ekonomik faydalar sağlanmaktadır. Güncel pratiklerde, enerji verimliliğine ilave olarak, yenilenebilir enerji teknolojilerinin kullanılması, fosil yakıtlarına bağımlılığı azalttığı gibi, sera gazı salınımlarının da daha az olmasını sağlamaktadır. Akıllı binalar enerji verimliliğini arttırmak üzere, binanın enerji harcamalarının otomatik olarak binanın kendi elemanlarıyla ve ek donatılarla kontrol edildiği sistemlerdir. Dolayısıyla akıllı binanın en önemli görevi, kullanıcı konforundan ödün vermeden binanın enerji harcamalarının en az düzeyde olmasını sağlamaktır.
Ülkemizde de toplam enerjinin çok önemli bir oranı binalarda kullanıcı konforunu sağlamak üzere ısıtma, klima, havalandırma ve aydınlatma amaçlı kullanılmaktadır. Bu oranlar ülkemiz için yaklaşık olarak aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.
Dünyada ise binalarda kullanılan enerjinin toplam enerji içerisindeki payı %45-50’ye kadar çıkabilmektedir. Bu durum binalarda enerji tasarrufunun ve yönetiminin ne kadar önemli olduğunun göstergesidir (Yılmaz, 2006).
-Toprak Isısının Kaynağı Nedir?-
Atmosferik radyoaktif parçalanmalar, toprak içerisindeki kimyasal ayrışmalar ve yeryüzünün derinliklerinden açığa çıkan ısı ilaveleri dikkate alındığında, toprak için asıl ısı kaynağını güneşten yeryüzüne ulaşan radyasyon enerjisi oluşturmaktadır. Yeryüzüne ulaşan bu enerji; mekanik, kimyevi ve ısısal gibi enerji çeşitlerine dönüşerek, toprağın fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerinin oluşumuna etki etmektedir. Toprakların fiziksel, kimyasal ve minerolojik özelliklerindeki farklılıklardan dolayı her bir toprak tipi (yer tipi) farklı oranda günlük ısı birikimine sahiptir3.
Kısacası, toprakların ısı kaynağı ve akımı gibi bütün yüzey ısı süreçleri, toplam güneş radyasyonu-atmosfer-toprak (jeolojik/jeofizik özellikler) şeklinde ki üçlü blok sistemi içerisinde gösterilebilir (Greçisev vd, 1984)3
Topoğrafya ve enlem derecesi gibi coğrafi koşulların yanında; toprak (yer) yapısı (jeolojik ve jeofizik özellikleri) ve bitki örtüsü gibi faktörler de toprağın ısı dengesine etki etmektedir.
Topraktaki ısı akımının değişimi, toprağın termo-fiziksel (TermoJeofizik) özelliklerine (ısı kapasitesi, ısı iletkenlik katsayısı vb) bağlıdır3.
Toprak sıcaklığının hava sıcaklığına göre yıl içinde fazla değişmemesi ve kışın kullanılabilir sıcaklık aralıklarında olması toprak kaynaklı sistemlerin özellikle karasal iklimlerde kullanımına imkân sağlamaktadır (Arslan, 2014).
Isı pompası basit olarak; ısı kaynağını toprak, su ya da havadan alan, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan sistemlerdir. Yer içerisindeki sıcaklığın kararlı değişimi nedeniyle toprak enerjisinin kullanımında daha etkili sonuçlar elde edilmektedir4.Alternatif enerji kaynakları arasında, toprak ısısı önemli bir yer tutmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompası teknolojisi, yeryüzünün belirli bir derinliğinde sıcaklığın yıl içinde nispeten sabit kalması gerçeğine dayanır. Toprak sıcaklığı, hava sıcaklığına göre çok daha az dalgalanır. Toprak Kaynaklı Isı Pompaları, toprağın içindeki sıcaklığın kararlı değişmesi ve soğuk iklimlerde performansı yüksek tutması nedeniyle; enerjinin kullanımında daha etkili sonuçlar ortaya çıkarır4. Hava kaynaklı cihazların verimleri düşük olduğundan sıcaklığı göreceli olarak sabit kabul edilebilen yer kaynakları (toprak ve su) tercih edilmektedir2
Toprak ısısı, %95 oranına depolanmış güneş enerjisi olup; toprak kışın en soğuk günlerinde bile, optimal işletme için gerekli olan sıcaklık değerine sahiptir. Toprak kollektörleri (ısı değiştiriciler) toprağa yerleştirilerek topraktaki ısı alınır. Kolektörler içerisinde dolaştırılan ısı taşıyıcı sıvı, topraktaki ısıyı ısı pompasına iletir4
Toprağı ısı kaynağı olarak kullanan ısı pompası için ilk patent başvurusu 1912 yılında İsviçre’de yapılmıştır.
-Yüzey Sularının Isı Kaynağı Olması-
Yüzey suyu kaynaklı ısı pompası sistemleri; deniz, göl, nehir, gölet (kullanım ya da estetik amaçlı) vb. büyük su kütlelerini ısı kaynağı olarak kullanırlar. Yüzey suyu sıcaklıkları mevsimlere göre değişmesine rağmen, havaya oranla fazla bir değişiklik göstermez.
Su derinliğinin 2 m’den az olmaması ve yüzey alanının, kurulu ısı pompası kapasitesinin her kW başına en az 80 m2 olması gerekmektedir. Nehir ve göl suyu kaynaklı ısı pompası sistemlerinin ilk yatırım maliyeti toprak kaynaklı ısı pompalarından daha düşüktür (Arslan, 2014).
-Yeraltı Sularının Isı Kaynağı Olması-
Yeraltı suyu kaynağının yeterli miktarda ve uygun derinlikte bulunması durumunda ısı kaynağı olarak kullanımı mümkündür. Yeraltı sularında yıl boyunca sıcaklık değişimi az olup pek çok bölgede 4-10°C arasında kararlı sıcaklığa sahiptir. Suyun sıcaklığı; derinliğe, iklime ve bölgenin jeolojik yapısına bağlıdır. Yeraltı suyu sıcaklığı mevsimden mevsime çok az değiştiğinden yeraltı suyu sistemleri özellikle hava sıcaklığının yaz ile kış arasında büyük değişim gösterdiği karasal iklimler için cazip bir ısı kaynağı olarak göze çarpmaktadır. Yıl boyunca belirli bir bölgedeki yeraltı suyu sıcaklığı, yaklaşık olarak oradaki yıllık ortalama hava sıcaklığına eşittir. Derin kuyulardaki yer altı suyu sıcaklığı yıllık ortalama çevre sıcaklığından daha yüksektir (Arslan, 2014).
Yer-Mühendisliğinin “İklimlendirme Uygulaması” ile İlişkisi Nedir?
Temelde ve doğal olarak bir Makine Mühendisliği uygulaması olan “yer kaynaklı (toprak/su) iklimlendirme çalışmaları”nda Jeofizik Mühendisliği ve Jeoloji Mühendisliğinin de katkısı oldukça önemli bir yer tutmaktadır.
Yukarıda da genel giriş yapıldığı gibi; yer altındaki ısının kullanma amaçlı yeryüzüne taşınması ısı pompaları ile mümkün olmaktadır. Isı pompaları ısıyı üretmek yerine taşımayı amaçlayan tasarımlar olup, bu amaçla da ısının alınacağı bir ısı çukuruna ihtiyaç duyar.
Klasik iklimlendirme uygulamalarında ısı çukuru olarak hava kullanılmaktadır. Yer kaynakları; kışın bir ısı kaynağı, yazın ise bir ısı çukuru olarak davranır. Isıtma modunda ısı, toprak-ısı değiştiricisine bağlanan devrede dolaşan akışkandan ısı pompası (yer kaynaklı ısı pompası) ile çekilir2.
Mevcut toprak alanı, toprağın bileşimi, yoğunluğu, içerdiği nem miktarı, boruların uygulama derinliği vb faktörler toprak kaynaklı ısı pompalarında ısı değiştiricisinin seçiminde ve boyutlandırmasında önemli rol oynar.
Yer kaynaklı ısı pompasının dizayn türüne göre –ki ilerleyen kısımlarda açıklanacaktır-; doğal zeminin/toprağın ısıl iletkenliği, gömme derinliği, kazı/sondaj boyutu ve geri dolgu malzemesinin iletkenliği bir yer kaynaklı ısı pompası tasarımını etkileyen etmenlerdir. Zeminlerin ısıl iletkenliği mineral içeriğine, yoğunluğa ve nem içeriğine bağlı olarak değişir2.
Tasarımda en kritik parametrelerden biri olan “Termal İletkenlik”, temel bir jeofizik parametredir. Bununla birlikte; kuyu içi uygulamalarda geçilecek jeolojik yapı, yüzey jeofizik etütler ile belirlenir.
Yeraltısuyunu ısıtıcı olarak kullanan sistemlerde jeofizik mühendisliği uygulamaları olmazsa olmazdır.
Aynı şekilde sondaj, kazı, dolgu ve malzeme seçimi vb yer kaynaklı ısı pompası uygulamasının önemli bileşenleridir2.
Tüm bunların ışığında; TermoJeoloji ve TermoJeofizik (bazı kaynaklarda toprağın termo-fiziksel özellikleri olarak geçer) kavramları anlam kazanmaktadır.
İlerleyen bölümlerde; toprak kaynaklı Isı pompasının dizaynı, yer seçimi, uygulama türüne karar verilmesi vb açıklandıkça yer-mühendisliğinin katkısı daha net anlaşılacaktır.
Devam edeceğiz…
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.
3Ekberli, İ., Gülser, C. ve Özdemir, N., 2005. Toprakların Termo-Fiziksel Özellikleri ve Isısal Yayınım Katsayısının Değerlendirilmesi, Ondokuz Mayıs Üniverisitei Zir. Fak. Dergisi, 20(2):85-91.
4Dikenoğlu, N. Jeotermal Isı Pompaları Kullanım Alanları ve Jeoloji Mühendisinin Bu Çalışmadaki Yeri ve Önemi. TMMOB JMO.
Arslan, 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.
D. I. f. N. DIN EN 15450, «Heizungsanlagen in Gebauden – Planung von Heizungsanlagen mit Warmepumpen,» Deutsches Institut für Normung, 2007.
Greçisev S. E., Çistotinov L. V. ve Şur Yu. L., 1984. Kriogen fiziksel jeolojik süreçlerin modellenmesinin temelleri. Moskova, Nauka, 230 s. (Rusça).
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.
