Ticari Binalar için Toprak Kaynaklı Isı Pompaları
Toprak altı borulama ve toprak üstü HVAC sistemlerinin basitleştirilmesinin faydaları
Ticari bina sahiplerinin toprak kaynaklı ısı pompaları (GSHP) hakkındaki düşünceleri "Binalarımızda istediğimiz tek sistem bu" gibi pozitif uç noktalardan "Bu sistemleri bir daha asla kullanmayacağız" gibi negatif uç noktalar arasında değişmektedir. Kurulum maliyetleri ft2 fiyatı $12 ile $50 seviyelerinde değişirken işletme maliyetleri de bu aralıklarda değişebilmektedir. Ancak, başarılı uygulamalara farklı iklim ve bina tiplerinde karşılaşılabilir. Yeni Yapılar Enstitüsü'nün "Getting to Fifty" isimli veritabanında bulunan ve yönetmeliğe uygun binalardan % 50 daha az enerji tüketen binalar listesinde, listede yer alan binalardan % 20'sinin GSHP sistemine sahip olduğu belirlenmiştir. Bu durum GSHP'nin pazar penetrasyon oranı % 1'den düşük olmasında rağmen gerçekleşmiştir.
Bu makalede toprak altı borulama ve toprak üstü HVAC sistemlerinin basitleştirilmesi ile kapalı çevrim GSHP'lerin maliyetlerinin nasıl düşürülebileceği, enerji kullanımının nasıl azaltılabileceği, güvenilirliğin ve konforun nasıl arttırılabileceği tartışılmaktadır.
Tasarım Felsefesi
Proje planları incelendiğinde, genellikle mühendis olmayan üçüncü kişilerin (toprak hattı müteahhidi, boru tedarikçisi gibi) bir mühendis ile birlikte klasik HVAC uygulamalarından yola çıkarak toprak altı çevrimini tasarladığı görülmektedir. Bunun sonucunda toprak altında yeterli ısı transferi sağlayamayan ve buna bağlı olarak yüksek enerji tüketimi ile çalışan bir toprak altı çevrimi elde edilmektedir.
Güvenilir, maliyet ve enerji verimli GSHP tasarlama işlemi, klasik HVAC bakış açısından uzak bir sistem tasarlama yaklaşımı gerektirmektedir. Genellikle geliştirilmiş alt sistemlere sahip merkezi sistemlerin (VAV gibi) ve enerji yönetimi sistemlerinin tekil ekipmanlara göre daha az enerji tükettiğine inanılsa da Şekil 1'de1 yer alan ölçüm sonuçları bu inancın tersini işaret etmektedir. GSHP'ler merkezi sistem tarafından beslenen tekil ısı pompası sistemlerinin enerji tüketimi değerlerinin azaltılabileceğini ifade etmektedir. Karşılaşılabilecek zorluklardan birisi ise fan/pompa enerji tüketimi değerlerinin düşürülmesi ve merkezi hava ve su dağıtımı sistemlerinin kontrol karmaşıklığıdır.
Toprak Isı Değiştiricileri
Yatay olarak daha fazla yüzey alanına (ton başına yaklaşık 150 ile 400 ft2) ihtiyaç duyduklarından dolayı toprak ısı değiştiricileri dikey olarak toprağa monte edilmektedirler. Ancak, borular çoklu biçimde üst üste katlanabildiklerinden (kesişen halkalar şeklinde) dolayı yatay olarak da toprağa yerleştirilebilmektedirler. Bu durumda toprakta taş, kaya v.b bulunmaması gerekmektedir.
Dikey boru yapıları aşağıdaki gibi karakterize edilirler:
· Dikey sondajlar 4-6 inç çapında ve maksimum 600 ft derinliğe kadar (Ortalama olarak 200-300 ft civarındadır) açılmalıdır. Ayrıca dikey sondajlar arasında 20-30 ft mesafe olmalıdır.
· 300 ft'e kadar olan derinliklerde 1 inç, 500 ft'e kadar olan derinliklerde 11/4 inç ve daha derin derinliklerde 11/2 inç çapında ısıl işlem görmüş yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) U tüp şeklinde boru kullanılmaktadır.
· U boru ile açılan sondaj arasında, bu bölgeye su girmesini ve ısı geçişini arttırmak amacıyla sıva veya dolgu malzemesi yerleştirilmektedir. Isıl iletkenliği yüksek sıva kullanımı ile sondaj boyu, sıradan sıva malzemesi kullanılan durumlara göre % 15-35 oranında azaltılmaktadır2,3.
Isı değiştirici uzunluklarını azaltma yönüne gidilirken transfer olan ısının % 70-80'i toprağa iletildiğinden şüpheci yaklaşmak faydalıdır.
Ek ücret (5000 ile 10000 dolar arası) ödeyip çevrimi toprak içerisine dikey yerleştirme ve sistem tasarımına bağlı olarak ısıl özellik testleri uygulama aşağıdaki nedenlerden dolayı genellikle önerilmektedir:
· En kötü senaryo dataları kullanılarak çevrim tasarımı optimize edilebilir.
· Sondajın zorluğu belirlenebilir ve bu şekilde müteahhidin en kötü senaryo üzerinden teklif vermesinin önüne geçilebilir.
· Test çevrimi kalıcı bir toprak ısı değiştiricisi olarak kullanılabilir. Küçük projeler için, ısıl özelliklere "Geo-Heat Center (http://geoheat.oit.edu/techpap.htm#hydro)" adresinden ulaşılabilmekle birlikte dikey çevrimlerin fiyatları, dış komponentler bazında ton başına 1500 ile 2500 dolar arasında değişmektedir. Bu fiyatlar toprak altında bulunan borulamanın fiyatlarını kapsamamaktadır ve fiyatlar çevrimin tipine göre farklılık göstermektedir.
Çevrim Tipleri
Tekil: GSHP'ler için önerilen ilk alternatif tek ısı pompalı, kompresör ile birlikte çalışan tek sirkülasyon pompası ve HDPE?den malzemeli, toprak altında tek bir çevrimden oluşan en basit tekil çevrim tasarımıdır (Şekil 2).
· Kontrolü kolaydır.
· Bağlantı maliyetlerinin minimum seviyede olmasından dolayı genelde en ucuz yöntemdir.
· Teknisyenler tarafından makul süreler içerisinde kurulup servis hizmeti verilebilir.
· Tek veya iki katlı binalar için en uygun sistemlerdir.
· Değişken ısıl yük seviyesi düşük olan binalar için uygundur.
· Korozyon inhibitörlerine ihtiyaç duymaz.
Yarı Merkezi: Tekil çevrimlerin kullanılamadığı binalara yarı merkezi çevrimler (Şekil 3) kullanılması önerilmektedir. Birçok durumda, ısıl yükün değişmesi durumu tüm binanın birbiri ile "bağlanmasıyla" çözümlenebilmektedir. Örneğin, binanın doğuya bakan sınıfları batıya bakan sınıfları ile ısı pompaları ile birbirine bağlanabilir veya ısıl yükü öğlen maksimuma ulaşan bir kafeterya ile ısıl yükü akşam saatlerinde pik yapan spor merkezi birbirine bağlanabilir. İkinci örnekte bulunan suyu ısıtma yükünün büyük bir kısmı mutfağa yerleştirilen su ısıtıcılı ısı pompaları ile karşılanabilmektedir.
Yarı merkezi çevrimlerin:
· Kontrolü kolaydır
· Geniş çapta toprak içi bağlantısı, hafriyat masrafı ve büyük miktarda toprak altı borulama gerektirmediğinden dolayı maliyetleri göreceli olarak daha düşüktür
· Teknisyenler tarafından makul süreler içerisinde kurulup servis hizmeti verilebilir
· Tekil çevrimlere göre daha büyük binalarda kullanılabilir
· Binanın değişken yük durumları başarı ile kullanılabilir
· % 100 HDPE borular kullanılabildiğinden korozyon inhibitörlerine ihtiyaç duyulmaz
Merkezi: Tekil veya yarı merkezi sistemlerin kullanılamadığı durumlarda merkezi çevrimler önerilmektedir (Şekil 4). En yüksek maliyetli (daha derin ve geniş toprak bağlantıları, toprak altı borulama, valfler, merkezi kontrol, ek pompa kapasitesi)4, en az verimli (daha fazla pompa gücü nedeniyle) ve en yüksek servis personeli giderlerine sahip olmalarına rağmen bu tip çevrimler aşağıdaki avantajlara sahiptir:
· En kısa dikey yapıya sahiptir
· Hibrid sistemlere entegresi kolaydır (Isınma ihtiyacını karşılayabilen bir çevrimin soğuma kulesi/sıvı soğutma ile kullanımı ile soğutma yükü de karşılanabilir-Şekil A)
· Tek grup bağlantı ile uzaktaki çevrimlerin kontrolü kolaydır.
· Binalardaki değişken yük durumunu tamamen avantaja dönüştürebilir.
Isı Pompaları, Dış Ortam ve Kontrol
GSHP uygulamalarında en yaygın kullanılan ekipman dikey, aşağı-yukarı akışı ve konsol ünitelerini kapsayan iyileştirilmiş sudan havaya ısı pompalarıdır. Sudan havaya ısı transferine sahip komponentler verimlilik açısından en yüksek değere sahiptir. Çünkü, havadan soğutkana ısı transferi gerçekleştirilen evaporatör ve kondenserlerde sıcaklık farkı son derece düşük olmaktadır. Bu durumu avantaja çevirebilmek amacıyla fan ve pompa güçlerinin azaltılması ve toprak altında yer alan çevrimin sıcaklık artışının (soğutmada) veya azalışının (ısıtmada) minimize edilmesi büyük önem taşımaktadır.
Sudan suya ısı pompalı sistemlerde toprak çevrimi ile bina çevrimi arasındaki sıcaklık farkı düşük olduğunda, fan gücü minimize edildiğinde ve pompaların uygun seçilip doğru kontrol edilmesi sonucunda verim son derece yüksek olmaktadır. Yüksek verimli bir sudan suya ısı pompasına örnek 90°F ile 100°F arasında su sıcaklığına ihtiyaç duyan ve fansız bir zeminden ısıtma sistemidir. Düşük verimli bir sisteme örnek ise 125°F sıcaklıkta suya ihtiyaç duyan yüksek statik basınçlı VAV uygulamalarıdır.
Sudan havaya ısı pompaları uygulamaları ve giriş sıvı sıcaklıkları göz önüne alınarak (ELT)5 kapasitelerine (Bir saatteki İngiliz Isıl Birimi-BTU/h) ve verimliliklerine göre (Enerji verimliliği oranı, EER ve performans katsayısı, COP) değerlendirilmektedir. Sudan havaya ısı pompalarının değerlendirme kriterleri:
· Toprak çevrimli ısı pompaları (GLHP): 77°F ELT soğutma modunda, 32°F ELT ısıtma modunda.
· GLHP'ler (kısmi yük): 68°F ELT soğutma modunda, 41°F ELT ısıtma modunda.
· Toprak-su ısı pompaları (GWHP): 59°F ELT soğutma modunda, 50°F ELT ısıtma modunda.
· Su çevrimli ısı pompalar (WLHP): 86°F ELT soğutma modunda, 68°F ELT ısıtma modunda.
Soğutma modunda (% 47 bağıl nem) istenilen hava giriş sıcaklıkları (EAT) 80.6°F ve ısıtma modunda 68°F'dır. Kapasiteler kanal veya borular içerisinde havayı ve suyu dağıtmada kullanılan fan veya pompa güçlerini kapsamaz.
Optimum ticari sistemler soğutma modunda 80°F ile 90°F arasında ve ısıtma modunda 45°F ile 55°F sıcaklıkları arasında çalışan toprak çevrimleri ile elde edilmektedir. Böylece WLHP'de 86°F giriş su sıcaklığı soğutma kapasitesi ve EER için en yakın gösterge olmaktadır. Isıtma modunda, GWHP'de 50°F giriş su sıcaklığı birçok ticari uygulamada en optimum nokta olmaktadır. Şekil 5'te 85°F ELT ve 75°F EAT değerlerine sahip, standart hava akışlarında (400 cfm/ton) dış statik fan basınçlarını içeren iki yüksek verimli GLHP ürünün deklare edilen verimlerininin kıyaslaması bulunmaktadır. Genel olarak, ısı pompası küçüldüğü zaman verim artmaktadır. 68°F sıcaklıktaki kondenser suyu ile çalışan dual kapasiteli ısı pompalarında eğer tam yük verimleri özelliklere (spesifikasyon) eklenmemişse, deklare edilen verimler yanıltıcı olabilmektedir.
Özellikle soğuk iklimlerde havalandırma havası, en iyi ısı geri kazanım ünitesine sahip dış ortam hava sistemleri ile sağlanmaktadır. Bu uygulamanın merkezi hava dağıtımı sistemleri için gereksiz masraf olduğu düşünülse de bu yöntem ile havalandırma verimi artmakta ve dış hava şartlandırma gereksinimleri azaltılmaktadır.
Bir toprak çevriminin maliyeti ft2 başına 3 ile 8 dolar arasında bir ek maliyet getirmektedir. GSHP'lerin ekonomik kapasiteleri HVAC sistemlerinde standart olan gereksiz ekipmanların sistemden uzaklaştırmaları ile artırılabilir. Eğer kaliteli bir toprak çevrimi kurulmuşsa, basit ve maliyet performansı yeterli olan kontrol sistemleri, örneğin zon termostatları gerekli olabilir.
Referanslar:
1) EIA. (2003). Commercial building energy consumption survey. Washington, DC: Energy Information Administration.
2) Spilker, E.H. (1998). Ground-coupled heat pump loop design using thermal conductivity testing and the effect of different backfill materials on vertical bore length. ASHRAE Transactions, 104, pt. 1, 775-779.
3) Impact of grout on required GSHP bore length. (1998, Nisan). Outside the Loop, p. 1. Available at http://geokiss.com/tech-news/vol1no2.PDF
4) ASHRAE. (2007). 2007 ASHRAE handbook--HVAC applications (ch. 32). Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
5) AHRI. (2008). Directory of certified product performance, water-to-air and brine-to-air heat pumps. Arlington, VA: Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute. Available at http://www.ahridirectory.org/ahridirectory/pages/ariDirectoryMain.aspx
GSHP?ler hakkında ek bilgi http://geokiss.com adresinden temin edilebilir.
