Güneş enerjisi destekli ısı pompası tasarımı

Yaşadığımız konutlarda, iş yerlerinde, alışveriş marketlerinde, okullarda v.s ısınma ve sıcak su üretiminde kullandığımız güneş enerjisi destekli ısı pompası uygulamaları ile iş gücünü düşürmeden daha az enerji kullanıp, daha az maliyet ve çevresel etkileri de minimuma indirerek çevre dostu bir sistemi evimize kurabiliriz. Kurulacak bu sistemin dünya çapında değişik uygulamaları mevcuttur. Ülkemizde ise daha yeni yeni bilinmektedir. Bu makalemizde sistemin nasıl çalıştığını ve bazı deneysel verileri anlatacağız.

Bu sistemi evimize kurabilmek için öncelikle aşağıdaki sıra ile bazı sistem elemanlarını seçmemiz gerekmektedir. Bununla birlikte bu elemanların birbiriyle uyum içerisinde olması ve istediğimiz  ısıtma yükünü elde etmemiz gerekmektedir.

Sistem Elemanları Nasıl Seçilir?

1) Kullanılacak Isı Pompasının Seçimi

Binamızın kaç katlı olduğu, duvarlarının ısı yalıtımı, pencerelerin çift-tek camlı olması gibi bazı özellikler belirlenir. Bu etmenler binamızın ısı kaybını hesaplamakta kullanılacaktır. Isıtma sistemi olarak örneğin yerden ısıtma belirlenmiş ise, ısı pompası seçerken yoğuşturucu sıcaklığı yaklaşık 50º C olmalıdır. Buna ek olarak günlük sıcak su kullanımı tespit edilmeli (aylara göre değişebilir) ve bununda ısıtma yükü hesabında göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bazı değerlerin saptanması gerekmektedir. Örnek olarak,

• Dış Hava (Çevre) Sıcaklığı (Tb),

• İstenen ortam sıcaklığı (Tm),

• Mahal alanı (A),

• Tb ve Tm için mahal ısı kaybı(Qk),

• Isıtma sistemi tasarım sıcaklığı(Tt).

Not: Optimum bir ısı pompası seçimi için, cihaz kapasitesi; %60 mahal ısı kaybı<Qıp*<%80 mahal ısı kaybı şartını sağlamalıdır.

♦ Isı Pompası Karakteristikleri

Destek ısıtma kapasitesi seçimi için; Isı pompasının kapasitesi(Qıp) + Destek ısıtma kapasitesi (Qd) > %120 mahal ısı kaybı şartı sağlanmalıdır.

2) Isıtma Sistemi Boru Tesisatı Tasarımı ve Radyatör Seçimi

Isı pompası planlama kılavuzunda verildiği gibi, sistem su debisi hesaplanır ve boru çaplarımız bu debiye göre seçilir.Radyatör olarak, verimliliği arttırma amacı ile, düşük su hacimli alüminyum radyatörler kullanılabilir.

Örneğin;

• 22°C mahal sıcaklığında 90/70°C çalışma sıcaklıkları için radyatör ısıl kapasitesi %100 kabul edildiğinde yine 22°C mahal sıcaklığında 55/50°C çalışma sıcaklıkları için radyatör ısıl kapasitesi % 40 olarak hesaplanmış ve radyatör boyutlandırması buna göre yapılmıştır.

3) Güneş Kollektörü ve Güneş Enerji Sistemi Elemanları Seçimi

a) Güneş Kollektörleri Seçimi

Güneş kollektörü ile ısıtma desteği uygulamalarında ekonomik bir yatırım için kollektör kapasitesinin toplam ısı gereksinmesinin % 20-25’ini karşılaması tavsiye edilmektedir.

b) Güneş Enerjisi Sistemi Pompa ve Boru Tesisatı Seçimi

Uygulanacak sistem büyüklüğüne, seçilen güneş kolektörleri özelliklerine ve net yüzey açıklık alanına bağlı olarak su debisi belirlenmektedir. Buna göre belirli pompa grupları belirlenir.

c) Plakalı Eşanjör Seçimi

Güneş kolektörü kapalı devresinden sıcak su tankına ısı transferi yapabilmek için tank içi serpantin borulu sistem veya plakalı eşanjörler kullanılmaktadır.

d) Sıcak Su Depolama Tankı Seçimi

Kullanılacak güneş enerjisi sistemin sadece gündüz ısınmasına destek verecek şekilde “güneş varken yararlan” seçildiğinden, depolama tankının büyüklüğü buna göre seçilecektir. Depolama tankı kullanmanın amacı kullanılmadığı zaman gelen enerjinin depolanarak daha sonra kullanılabilmesidir. Sadece gündüz ısınmasına destek kullanımında 2-3 saatlik enerjinin depolanabileceği su hacmi tavsiye edilmektedir.

 Sistem Tasarımı ve Çalışma Prensipleri

Güneş kolektörlerinden gelen sıcak su, öncelikle kullanım suyu boylerini ısıtır. Boyler istenilen sıcaklığa ulaştığında,  üç yolla vana kolektörlerden gelen sıcak suyu plakalı eşanjör vasıtası ile sıcak su depolama tankına yönlendirir. Böylelikle güneş kolektörlerinden gelen enerji depo suyunu ısıtmaya başlar. Kolektör pompasının çalışma ve durması, kollektör ve sıcak su depolama tankı sıcaklıklarını kontrol eden otomatik kontrol cihazı ile sağlanır. Kollektörlerdeki sıcaklık ile depo sıcaklığı arasındaki fark 8°C’den fazla ise pompa çalışmaya başlar. Bu fark 4°C’nin altına düştüğünde pompa depodan kollektörlere ısı kaybı önlenir. Bunun yanın da bu cihaz ile depo sıcaklığı üst sınırlaması, kolektör donma önleme gibi işlevler de yapılır.  Bu esnada, ısı pompası güneş enerjisi tesisatından bağımsız olarak bina giriş katında bulunan programlanabilir oda termostatından ve dış hava sıcaklık hissedicisinden gelen komutlara göre çalışmaktadır.