Isı Pompalı Kullanım Sıcak Suyu Sistemlerinde Doğal Soğutucu Akışkanların Faydaları
Ticari bina sektörünün, sera gazı (GHG) emisyonlarının neredeyse %40'ından sorumlu olduğu düşünüldüğünde, çevresel sürdürülebilirlik ve iklim değişikliği ile ilgili çabaların ticari tesislerin tasarımı, inşa edilmesi ve işletilme şeklini önemli ölçüde değiştirmesi şaşırtıcı değildir. Merkezi su ısıtma tesisleri, gelişen ve genişleyen hükümet düzenlemelerinin yanı sıra çevresel, sosyal ve yönetişim (ESG) programları gibi diğer sürdürülebilirlik faktörlerini karşılamak için tesislerin karbon ayak izlerini nasıl azaltabilecekleri konusunda önemli bir rol oynamaktadır. ABD Enerji Bakanlığı (DOE) en geç 2050 yılına kadar ekonomi genelinde net sıfır emisyon hedeflemiştir. Konsolide Ödenek Yasası 2021'de yer alan Amerikan İnovasyon ve Üretim (AIM) Yasası, Çevre Koruma Ajansı'nı (EPA) Amerika Birleşik Devletleri'nde hidroflorokarbonların (HFC'ler) üretim ve tüketimini en geç 2036 yılına kadar %85 oranında aşamalı olarak azaltmaya yönlendirmektedir. Bu hedefe ulaşılması halinde 171 bir milyon metrik ton CO2 eşdeğeri (MMTCO2e) emisyon önlenmiş olacaktır.
Federal hükümet bu iddialı hedefi belirlemiş olsa da, bu hedefe ulaşmak için gerekli düzenlemelerin çoğu eyalet ve yerel düzeylerde yapılmaktadır. Halihazırda 25 eyalet ve Columbia Bölgesi emisyonları azaltmaya yönelik mevzuatı resmileştirmiştir. Hükümet düzenlemelerini karşılamaya yardımcı olacak bir tasarım yaklaşımı, ısı pompalarının kullanım sıcak suyu (DHW) sistemlerine entegre edilmesidir. Isı pompaları fosil yakıt alternatiflerine göre daha az doğrudan enerji kullanır ve sera gazı emisyonlarını önemli ölçüde azaltabilir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) tarafından yürütülen bir rapora göre, ısı pompaları 2030 yılında küresel karbondioksit emisyonlarını en az 500 milyon ton azaltma potansiyeline sahiptir. Mümkün olan en yüksek çevresel faydayı elde etmek için, belirli performans özelliklerine sahip doğal soğutucu akışkanlara sahip ısı pompaları kullanılmalıdır. Bunlar operasyonel güvenilirliği artırır ve daha yüksek enerji verimliliği sağlar. Dikkate alınması gereken hususlar arasında şunlar yer almaktadır:
- Geniş Ortam Çalışma Koşulları: Bu özelliğe sahip DHW sistemleri yıl boyunca yüksek bir performans katsayısı (COP) sağlar. COP, ısı pompasının ürettiği ısı veya soğuğun spesifik enerji girişine oranıdır.
- Alt Sıcaklık Sınırı: -4°F kadar düşük hava kaynaklı sıcaklıklara veya 18°F kadar düşük su kaynaklı sıcaklıklara kadar tam çalışma özelliğine sahip ısı pompaları, sistemin çalışamama sürelerini azaltabilir.
Isı Pompaları Çevre Dostu Bir Alternatiftir
Isı pompaları, yeni ısı üretmek için enerji kullanmak yerine mevcut ortam sıcaklığını toplayıp suya aktardıkları için su ısıtıcılarını önemli ölçüde daha enerji verimli hale getirebilir. Isı pompaları çok fazla elektrik ve/veya doğal gaz kullanmadığı için sera gazı emisyonları azalır. Isı pompaları esasen klima üniteleridir ancak tersinir çalışır. Soğuk çevreye atılırken ısıdan faydalanılır. Çoğu ısı kaynağı, fosil yakıtlarla kimyasal olarak veya elektrikle direnç yoluyla enerjiyi bir formdan diğerine, ısıya dönüştürür ve genel verimlilik %100 ile sınırlıdır. Isı pompaları enerjiyi doğrudan üretmek yerine düşük kalitede (sıcaklıktaki) bir kaynaktan toplar ve yüksek kaliteli bir kaynağa dönüştürür. Mühendisler, müteahhitler ve ticari bina sahipleri ısı pompalı sıcak su sistemlerine sadece çevre dostu olmalarından başka nedenlerle de bakmaktadır. Elektrikli oldukları için, su depolama tankları içeren ısı pompası sistemleri, enerji bir batarya yerine suda depolanabildiğinden, bir binanın elektrik yükünün kaydırılmasına izin verebilir. Bu, önemli bir sistem ve işletim esnekliği yaratır ve elektrik kullanımını daha düşük kullanım saatlerine kaydırarak daha fazla enerji tasarrufu sağlayabilir.
Doğal soğutucu akışkanlı ısı pompaları hava, toprak veya su gibi kaynaklardan ısı çeker ve aktarır. Doğal soğutucu akışkanlar 150 yılı aşkın bir süredir mevcut olmakla birlikte, üretimi daha kolay olan bazı sentetik soğutucu akışkanlar karşısında geri planda kalmıştır. Kloroflorokarbonlar (CFC'ler) gibi bazı sentetik soğutucu akışkanlar son birkaç on yılda aşamalı olarak kullanımdan kaldırılmış olsa da, HFC'ler hâlâ birçok sistemde kullanılmaktadır. HFC'ler, CO2'den yüzlerce hatta binlerce kat daha fazla olan küresel ısınma potansiyellerine (GWP'ler) sahip güçlü sera gazlarıdır. GWP, bir soğutucu akışkanın küresel ısınma üzerindeki etkisinin, aynı miktardaki CO2'nin 100 yıllık bir dönemdeki etkisine kıyasla ölçülmesidir. Küresel iklim değişikliğinin azaltılmasına daha fazla önem verildiği için, HFC'ler de dahil olmak üzere yüksek GWP'li soğutucu akışkanlar daha yakından incelenmeye başlanmıştır. Bu, sadece ABD'de odaklanılan bir konu değildir. Dünya liderleri 2016 yılında Montreal Protokolünde Kigali Değişikliğini yürürlüğe koydu. Bu önlem, 2050 yılına kadar 70 milyar tondan fazla karbondioksit eşdeğeri (CO2e) emisyonu önleyebilecek sera gazı emisyon azaltımlarını zorunlu kılmaktadır. ABD, Kigali Değişikliğini Ekim 2022'de onaylamıştır. Girişimi taahhüt eden 145 devletten biridir.
Doğal Soğutucu Akışkanlara Geçiş
R-744 gibi doğal soğutucu akışkanların kullanımı, çevresel etki ve sistem performansı açısından geleceğe dönük özellikleri nedeniyle özellikle ilgi görmektedir. Diğer yaygın soğutucu akışkanlara kıyasla 1 GWP değeri çok düşüktür ve 0,0 ozon giderme potansiyeline (ODP) sahiptir. Performans özellikleri, ısı pompasının daha geniş bir aralıkta çalışmasını, ısı pompası kullanımının operasyonel ve verimlilik avantajlarını artırmak için daha yüksek çıkış sıcaklıkları sunmasını sağlar. R-744; R-134a ve R-410a gibi diğer yaygın soğutucu akışkanlardan üstündür. Son ikisi - R-744'e benzer şekilde - toksik olmayan, yanıcı olmayan ve ozon tabakasına zararsız olsa da, sırasıyla 1.430 ve 2.088 GWP ile küresel ısınma üzerinde büyük olumsuz etkileri vardır. Bu amaçla, ABD EPA bu tür soğutucu akışkanların aşamalı olarak azaltılmasına yönelik hedefler açıklamıştır. Bazen "geçiş soğutucu akışkanları" olarak da adlandırılan HFC bazlı soğutucu akışkanların ortadan kaldırılmasını hızlandırmak için federal kurum tarafından bir üst sınırda ticaret programı yürütülmektedir. Bu soğutucu akışkanları kullanan sistemlerin sızıntı yapmasının nadir olmadığını, bu durumun onları daha az verimli hale getirdiğini ve olumsuz çevresel etkilerini artırdığını belirtmek önemlidir.
Soğutucu Akışkanların Yeni Çağı
Çevresel faydalarına ek olarak, doğal soğutucu akışkanlar tipik olarak daha geniş bir çalışma zarfına ve daha yüksek performans özelliklerine sahiptir. R-744 sıcak iklimlerde iyi çalışsa da, soğuk havalarda alternatiflerine kıyasla çok daha iyi performans göstermesiyle diğer soğutucu akışkanlardan gerçekten ayrılır. Aslında, R-744 diğer soğutucu akışkanların çalışamadığı çok daha düşük sıcaklıklarda çalışabilir. R-744 soğutucu akışkanlar, A1 ASHRAE Standardı 34 sınıflandırmasından da anlaşılacağı üzere, insanlar için zehirli ve yüksek derecede yanıcı olabilen kimyasal soğutucu akışkanlardan çok daha güvenli bir alternatiftir.
ASHRAE Standardı Tanımlamayı Basitleştiriyor
ASHRAE, mühendislere ve sistem tasarımcılarına soğutucu akışkanları değerlendirme ve seçme konusunda yardımcı olmak için Standart 34, Soğutucu Akışkanların Tanımlanması ve Güvenlik Sınıflandırması'nı oluşturmuştur. Kimyasal adları, formülleri veya ticari adları yerine yaygın soğutucu akışkanlara atıfta bulunmak için tek tip bir sistem oluşturur. ASHRAE Standart 34, toksisite ve yanıcılık verilerine dayalı olarak soğutucu akışkanlara numara ve güvenlik sınıflandırması atar. "A" atamasına sahip soğutucu akışkanlar "B" seçeneğinden daha az zehirliyken, "1" yanıcı olmadığı ve "3" yüksek derecede yanıcı olduğu anlamına gelir.
DHW uygulamaları için CO2 ısı pompaları suyu diğer yaygın soğutucu akışkanlardan daha yüksek sıcaklıklara ısıtabilir. Bu yüksek çalışma sıcaklıklarına ulaşmak için geleneksel alt kritik döngü yerine transkritik bir döngü kullanır. Kritik ötesi çevrim, çalışma akışkanının daha yüksek çalışma sıcaklıkları elde etmek için kritik noktanın üzerine çıkabildiği kapalı bir termodinamik dizidir. Gaz soğutucunun yan tarafında yüksek bir sıcaklık yükselmesi ve ısıtılması gereken suyun düşük bir sıcaklığı için, bir CO2 transkritik ısı pompasının verimliliği geleneksel ısı pompalarından daha yüksek olabilir. Transkritik CO2 teknolojisinin getirdiği iyileştirmeler arasında şunlar yer almaktadır:
- Daha düşük enerji tüketimi
- Eşdeğer karbon içeriği
- Çevresel faydalar
Sonuç
Bir bina tasarımının her yönü, artık karbon ayak izi ile ilişkili olarak değerlendirilmelidir. Buna sıcak su sistemleri de dahildir. Agresif ESG hedefleri ve emisyonlara sıkı şartnameler ekleyen hükümet düzenlemeleri ile mühendisler, yükleniciler ve işletme sahipleri, çevre dostu sistemler oluşturmak için mümkün olan her yolu düşünmelidir. CO2 tabanlı bir ısı pompalı su ısıtma çözümünün entegre edilmesi, sistem operasyonlarını genel olarak daha verimli hale getirirken ve enerji faturalarını düşürürken yönergelerin ve kurumsal sürdürülebilirlik hedeflerinin karşılanmasına yardımcı olabilir.
Kaynak: Lync by WATTS
