Yer Kaynaklı İklimlendirme-3

–TOPRAK VE SU KAYNAKLI ISI POMPALARI–

-YER MÜHENDİSLİĞİNİN KATKILARI-

 “Hiçbir şeye ihtiyacımız yoktur, yalnız bir şeye ihtiyacımız vardır; çalışkan olmak ”  

Mustafa Kemal ATATÜRK

Üçüncü ve son bölümde; Toprak ve Su Kaynaklı Isı Pompası Sistemlerinin tasarımı ve yer seçiminde Yer-Mühendisliğinin katkıları ve ülkemizden örnekleri ele alacağız.

En baştan beri bu konuyu ele almamızın temel nedenini tekrar edelim ki amacımızı pekiştirelim: “Enerji ihtiyacının fosil kaynaklı tükenebilir kaynaklardan karşılanması ve bu kaynakların riskleri nedeniyle; enerji kaynaklarının çeşitlendirilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu anlamda; ülkeler, kamu destekleri ile doğal kaynaklara mümkün olduğunca az zarar veren ve tükenmeyen alternatif enerji yatırımlarına yönelmişlerdir. Gelişmiş ülkelerde, yer ve su kaynaklı ısı pompaları ile en azından sivil yapıların ve toplumun ortak kullandığı alanların (alışveriş merkezleri, okullar vb) ısıtma ve soğutma ihtiyaçlarının karşılanması amaçlanmaktadır.”

“Yer kaynağından ısı transferi yeraltı suyundan ve topraktan olmak üzere 2 şekilde yapılır. Yeraltı suyu sistemden geçirildikten sonra tekrar toprağa verilmekte veya deşarj edilebilmektedir. Bu amaçla mevcut su kuyuları da kullanılabilmektedir. Topraktan doğrudan ısı transferi yapan sistemlerde ise kapalı bir boru demeti (ısı değiştiricisi) toprak içine gömülür. Gömülü borularda dolaşan akışkan sistem içerisinden geçerek kapalı bir devre oluşturur”².

Yer (toprak/su) kaynaklı Isı Pompaları tasarımını etkileyen etmenlerin başında; zeminin jeofizik ısıl iletkenliği, gömme derinliği, kazı veya sondaj boyutu ve geri dolgu malzemesinin iletkenliği (laboratuvarda jeofizik deney ile ölçülebilir), jeolojik birimin türü/tanımlanması, jeofizik özellikleri, birimin nemi, YAS seviyesi vb. gelmektedir.

Tekrar hatırlayalım; Isı pompaları, kış aylarında toprağın ısısını alarak ısıtmada, yaz ayalarında ise ortam ısısını toprağa vererek soğutmada kullanan; yüksek miktarda enerji düşük maliyetli sistemlerdir.

Yer kaynaklı ısı pompası sistemleri konvansiyonel ısıtma/soğutma sistemlerine göre % 20-30 daha yüksek ilk yatırım maliyeti göstermektedir. Ancak işletme ve bakım maliyetleri konvansiyonel sistemlere göre çok düşüktür.  

-Yer Kaynaklı Isı Pompalarında Yer Mühendisliğinin (Jeoloji, Jeofizik, Hidrojeoloji, Sondaj) Önemi-

Bir mühendislik yapısında toprak kaynaklı ısı pompası projelendirilirken; ilk yatırım ve işletme giderlerini etkileyecek ve dolayısıyla ekonomikliği sağlayacak olan toprak ısıl direnci, yıllık ortalama toprak sıcaklığı, jeolojik/jeofizik yapısı vb. proje verileri öncelikli olarak değerlendirilmelidir.

Toprak kaynaklı ısı pompalarının projelendirilmesinde toprağın fiziksel (jeofizik) ve kimyasal özellikleri toprak devresinin boyutlandırılmasında çok önemli kriterlerdir⁵.   

YER ÖZELLİKLERİ: Kumlu, killi, siltli ve bunların bileşimi zeminler, YAS barındıran jeolojik yapı, kaya ortamlar vb ve “toprak (yer) direnci” faktörü önem kazanmakta ve “toprağın ısıl iletim katsayısı” yıl içerisinde hem nem miktarına hem de derinliğe bağlı olarak değişebilmektedir.

Kuru yoğunluk ve nem oranı, “ısıl iletim katsayısının” hesaplanması için belirlenmelidir³. Sabit bir kuru yoğunlukta nem oranı arttıkça, daha düşük ısı iletim katsayısına sahip olan hava yerini suya bırakarak toprak ısıl direncinin düşmesine neden olmaktadır (Ünlü, 2005). Kısacası; nem arttıkça, jeolojik birim o kadar ısı depolar.

Yatay ve dikey sistem projelendirilmesi için toprakta depolanmış ısı için tecrübe değerleri aşağıdaki çizelgede verilmektedir.

Toprak ısıl iletim katsayıları da aşağıdaki çizelgede verilmiştir.

YERALTISUYU SEVİYESİ: YAS yüksek oranda enerji taşınımı yapabilecek kabiliyete sahip olup verim hesaplamasında önemli bir yere sahiptir. Yeraltı suyu seviyesinin tespiti de temel olarak Jeofizik Mühendisliği uygulamaları içerisindedir.

TOPRAK ISIL DİRENCİ: Toprağın ısı akışına karşı gösterdiği dirençtir. Kuru toprak, yoğun nemli toprak kadar hızlı bir şekilde, ısı enerjisini taşımaz. Ayrıca; boruların dikey uzunlukları, borular arası uzaklık, kullanılan boruların sayısı ve boyutu toprak ısıl direncini etkileyen faktörlerdir³.

Farklı boru yerleşimleri için toprak ısıl direnci değerleri aşağıda verilmiştir.

Çizelgede, kaya ve nemli zemin içindeki dikey sistemlerin yanı sıra, tek borulu, çift borulu ve dört borulu çoklu sistemlerde kullanılan 1″ den 2″ e kadar çeşitli boru ölçüleri için ağır nemli toprak, ağır kuru toprak ve hafif nemli toprak için toprak ısıl direnci değerleri görülmektedir³.

Bir Jeofizik Mühendisliği Deneyi: Termal Response Test

Termal response (tepki) testi;  toprak kaynaklı ısı pompaları ve mevsimsel termal enerji depolama sistemlerini tasarlamak amacıyla geliştirilmiş ve yerin termal özelliklerini (ısıl iletkenlik) ölçen bir in-situ jeofizik deneydir (Gehlin, 2002).   Testin ayrıntısına burada girmeyeceğiz.

BORU CİNSİ ve BORU ÇAPI: Boru çapı arttıkça toprak ısıl direnci azalır. Isı iletkenliği yüksek boru cinsleri, toprak ısı değiştiricilerinin performansını artırır.

TOPRAK DOLGU MALZEMESİ: Toprak dolgu malzemesinin kullanılıp kullanılmayacağı, kazıdan çıkan malzemenin ısıl özellikleri ile ilgilidir. Örneğin nemli killi bir malzeme geri dolguda kullanılabilir.  

BORU GÖMME DERİNLİĞİ: Gömme derinliği arttıkça toprak ısıl direnci azalmakta ve doğal olarak derine gömülen ısı değiştiriciler hafriyat masraflarını arttırmakta ama işletme maliyetlerini düşürmektedir. Gömme derinliğinin belirlenmesinde jeofizik projelerin önemi bu noktada da ortaya çıkmaktadır.

TOPRAK SICAKLIĞI: Yıl içinde maksimum/minimum toprak sıcaklığını Meteoroloji’den edinilen toprak sıcaklığı aylık verilerinden hesaplamak mümkündür. Toprak sıcaklığı derinlik ve zamana bağlı olarak değişim gösterir.

Yerin ısıyı depolama ve geri verme gibi özelliklerinden dolayı sıcaklık değişimlerini azaltma etkisi vardır. Bu etki toprağın yoğunluk ve nem miktarına ve derinliğe bağlı olarak değişir. Derinlik arttıkça yıl içindeki sıcaklık değişimi azalır. Yıllık ortalama toprak sıcaklığı 15 – 45 m derinlikte kuyu suyu sıcaklığına eşit alınabilir ya da ortalama yıllık hava sıcaklığına yaklaşık 1,1°C eklenerek bulunabilir³.  

KUYU SİSTEMLERİYLE YERALTI SULARININ DOĞRUDAN KULLANILMASI: Isı pompaları için gerekli yer altı suyu besleme kuyusundan temin edilir.

Besleme kuyuları, bağlı oldukları ısı pompası için gerekli olan nominal debiyi kesintisiz olarak sağlayabilmelidir. Bu debi, her bir kW evaporatör kapasitesi için yaklaşık 0,25m³ /saat’a denk gelmektedir⁴.

Besleme kuyusunun verimi, bölgenin jeolojik durumuna bağlı olarak değişkenlik gösterecektir. Boşaltma kuyuları Isı pompası tarafından ısıtılan veya soğutulan yer altı suyu, bir veya birkaç boşaltma kuyusuna geri gönderilir. Bu kuyular, yer altı suyu akış yönünde ve besleme kuyularından yeterli uzaklıkta olmalıdırlar. Isı pompası sisteminin kurulacağı bölgede jeolojik-hidrojeolojik durum belirlenememiş ve 30 kW’tan daha büyük ısıtma kapasiteli sistemlerde, bir test kuyusu açılmalıdır. Test kuyusunda jeofizikaraştırma (Well logging) yapılmalıdır. Test kuyusu daha sonra besleme veya boşaltma kuyusu olarak da kullanılabilir⁴.

Jeolojik/Jeofizik yapı ve bölgenin yer altı suyu şartları, yer altının termal kullanımı için belirleyicilik teşkil eder. Farklı yöntemlerin kullanımı (örneğin dikey, yatay, toprak ısı değiştiricileri) farklı sistem tasarımlarım gerektirmektedir. Jeolojik/Jeofizik çalışmalar, projelendirme aşamasında dikkate alınmalı ve mümkün olduğunca ekonomik yürütülmelidir.

KOROZYON RİSKİ: Korozyon tespiti amacıyla jeofizik elektrik uygulamalar yapılmalıdır.

DİKEY TOPRAK ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE KUYU İNŞASI: Dikey toprak ısı değiştiricilerinde kuyu inşası; boruların toprak teması, dolgu malzemesi seçimi vb ciddi bir sondaj mühendisliği uygulaması gerektirmektedir.

HELİSEL ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ VE YER-MÜHENDİSLİĞİ: Helisel toprak ısı değiştiriciler sondaj kuyusunun açılmasının mümkün olmadığı ve buna ilaveten kullanılabilecek alanın bir yüzey kollektörü döşenmesi için yeterli olmadığı hallerde kullanılmaktadır. Sondaj kuyuları ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha düşük uygulama derinliğine sahiptir⁴.

Helisel toprak ısı değiştiricilerin ısı çıkarım gücünü, zemin türleri ve yer altı suyu durumu etkilemektedir.

FARKLI TOPRAK ISI DEĞİŞTİRİCİSİ UYGULAMALARI

1. Temel Kazıkları (Enerji Kazıkları): Temel kazıklarının kendisi veya imalat sırasında içine yerleştirilen ısı değiştiricisi borular yardımıyla yer kaynaklı ısı elde edilebilmektedir.

2. Betonarme Yapı Bileşenleri: Yer yüzeyi ile temas halinde olan betonarme yapı bileşenleri de kullanılabilmektedir⁴.

3. Kompakt Yatay Toprak Isı Değiştiriciler: V tipi çukur ısı değiştiriciler ile Slinky ve Svec kollektörlerdir.

4. Madenler ve Tüneller: Toprak altında yapay olarak oluşturulan boşluklar ısı kaynağı olarak da kullanılabilir.

Görüldüğü üzere; toprak kaynaklı ısı pompası sistemi uygulamasında, yatay borulama sistemi için hafriyat, dikey borulama için ise için yapılan sondaj çalışmaları en önemli maliyet unsurudur. Bu maliyet kalemi için ise detaylı jeolojik etüt ve jeofizik mühendisliği projelerinin yapılması hayati öneme sahiptir.

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.

⁵Develioğlu, M., 2012 Yer Kaynaklı Isı Pompalarının Teknolojik Gelişimi ve Türkiye’deki Uygulanabilirliği. YL Tezi, Hacettepe Üniversitesi.

Gehlin S. 2002. Thermal Response Teast, Meathod Development and Evaluation. Doctoral Thesis 2002:39. Luleå University of Technology. Sweden.

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

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

Ünlü K., 2005. Hava ve Toprak Kaynaklı Isı Pompalarına Etki Eden Parametrelerin İncelenmesi, Doktora Tezi.

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.

www.erketasarım.com.tr

www.isimas.com.tr