Isı Pompası Dünyası Hakkında Bilmeniz Gereken Her Şey

Isı pompalarının arkasındaki konsept basittir: Elektrikle çalışır ve binaları soğutmak veya ısıtmak için ısıyı yönlendirir. Bu yeni bir fikir değil; ısı pompası 1850'lerde icat edildi ve 1960'lardan beri evlerde kullanılıyor. Ancak birdenbire en popüler ev aletleri haline geldi; maliyet tasarrufu ve iklim krizi karşısındaki faydalarının yanı sıra son dönemdeki politika teşvikleriyle de ilgi odağı haline geldi. Temel fikir basit olsa da, ısı pompalarının nasıl çalıştığına ilişkin ayrıntılar büyüleyicidir. Evinizin sıcaklığını kontrol etmek adına bu cihaz adeta fizik kanunlarını çiğniyormuş gibi görünebilir. Isı pompaları da gelişiyor: Yeni modeller daha verimli ve soğuk havayla daha iyi başa çıkabiliyor.

Isı pompası nasıl çalışır?

Yüksek seviyede bir ısı pompası, ısıyı bir yerden toplayıp başka bir yere taşır. Isı pompalarından çoğunlukla ısıtma anlamında bahsedeceğiz, ama aynı zamanda klima gibi soğutmak, ısıyı içeriden toplayıp dışarıya göndermek için de kullanılabilir. Pek çok ısı pompası aslında neye ihtiyaç duyulduğuna bağlı olarak ısıtma veya soğutma şeklinde tersinir çalıştırılabilir. Isı pompasının kahramanı soğutucu akışkandır: Bir devre içinde hareket eden, ısıyı emen ve giderken serbest bırakan bir akışkandır. Elektrik sisteme güç vererek soğutucu akışkanı döngünün içine iter. Soğutucu akışkan ısı pompasında hareket ettikçe sıkıştırılır ve genleşir, sıvı ve gaz formları arasında geçiş yaparak döngünün farklı noktalarında ısı toplayıp salmasını sağlar.

Isı pompasının sıcaklığı yükseltmesi için içerideki fan ve kompresör hızlanıyor ve soğutucu akışkan dışarıdan içeriye daha fazla ısı aktarmak için daha hızlı hareket etmeye başlıyor. Dışarısı çok soğukken dışarıdan ısı toplamak mantığa aykırı görünebilir, bu yüzden nasıl çalıştığını görmek için soğutucu akışkanı bir döngü boyunca takip edelim. Çoğu ısı pompası için bu yolculuk yalnızca birkaç dakika sürer. Isı pompası soğutucu akışkanları çok düşük kaynama noktalarına sahiptir; tipik olarak -15 °F'nin (-25 °C) altındadır. Yani yolculuğumuzun başlangıcında soğutucu akışkan bu sıcaklıkta ve sıvı haldedir. En soğuk yerlerde bile bu durumdaki bir soğutucu akışkan genellikle dışarıdaki havadan çok daha soğuktur. Yolculuğunun ilk aşamasında, soğutucu akışkan bir ısı eşanjöründen geçerek dışarıdaki havayı geçer ve kaynamaya başlayacak kadar ısınarak sıvıdan gaza dönüşür. Yolculuğunun ikinci aşaması kompresörün içinden geçen bir yolculuktur. Kompresör soğutucu akışkanı daha küçük bir hacme sıkıştırarak basıncını ve kaynama noktasını artırır (bu bir dakika içinde önemli hale gelecektir). Bu aynı zamanda onu daha da ısıtır, böylece soğutucu akışkan kompresörün ötesine geçtiğinde iç mekandaki odadan daha sıcak olur.

Soğutucu akışkanın yolculuğunun üçüncü ayağı onu başka bir ısı eşanjöründen geçirir. Ancak şu anda soğutucu akışkan 100 °F'ın üzerinde sıcak bir gazdır ve nispeten daha soğuk bir odadan akmaktadır. Bu ısının bir kısmını fan yardımıyla odaya aktarırken tekrar sıvıya dönüşmeye başlar. Son olarak dördüncü aşamada, sıvı soğutucu akışkan bir genleşme valfinden geçerek basıncı serbest bırakacaktır. Nasıl ki bir malzemeyi sıkıştırmak onu ısıtıyorsa, genleştirmek de onun tekrar soğumasını sağlar, böylece sıvı artık tekrar düşük bir sıcaklığa döner ve içeriye daha fazla ısı emmeye hazır olur.

Isı pompaları soğukta çalışır mı?

Isı pompalarının çok soğuk havalarda iyi çalışmadığı iddiası, satacak rakip bir ürünü olan fosil yakıt şirketleri tarafından sıklıkla tekrarlanıyor. Burada bir gerçek var; ısı pompaları aşırı soğukta daha az verimli olabilir. İçerisi ve dışarısı arasındaki sıcaklık farkı arttıkça, ısı pompasının dışarıdaki havadan ısıyı toplayıp odaya dağıtmak için daha fazla çalışması gerekecek, dolayısıyla verimlilik düşecektir. Ancak, elektrifikasyona odaklanan kâr amacı gütmeyen bir grup olan Rewiring America'nın özel projelerinin başkanı Sam Calisch, ısı pompaları daha soğuk iklimlerde en yüksek verimlilikte çalışmasa bile "her yerde çalışıyor" diyor. ABD'de Alaska'dan Maine'e kadar her yerde ısı pompaları çalışıyor. Norveç'teki binaların yaklaşık %60'ı, İsveç ve Finlandiya'dakilerin ise %40'ı ısı pompalarıyla ısıtılıyor. Isı pompaları en soğuk yerlerde bile verimli bir şekilde çalışabilir. Eyalette enerji verimliliği programları yürüten bir kurum olan Efficiency Maine'in kıdemli program yöneticisi Andy Meyer, yine de doğru ısı pompasını seçmek, sıcaklıklar düştüğünde iyi çalışmasını sağlamanın anahtarı olduğunu söylüyor. Meyer, bazı ısı pompalarının oda sıcaklığı sıfırın altında olduğunda ısıtmak için yeterli olmayacağını, ancak daha soğuk sıcaklıklarda verimli çalışacak modeller bulunduğunu söylüyor. Küçük alan ısıtıcıları, soğuk havalara karşı yedek ısıtıcı olarak yardımcı olabilir, ancak iyi boyutlu bir sistem seçerseniz bunlara ihtiyacınız olmayacağını da ekliyor.

Isı pompası teknolojisindeki yenilikler neler?

Meyer, ana bileşenlerinden birçoğundaki iyileştirmelerin ısı pompalarının özellikle soğuk havalarda verimliliğini ve performansını artırmaya yardımcı olduğunu söylüyor. Önemli gelişmelerden biri soğutucu akışkanlarda yaşandı. R-22 olarak da adlandırılan Freon, eskiden pazara hakimdi, ancak ozon tabakasını incelten etkileri nedeniyle ABD ve diğer büyük pazarlarda aşamalı olarak kullanımdan kaldırıldı.

Günümüzde R-410A olarak adlandırılan kimyasalların bir karışımı, ısı pompalarında en yaygın kullanılan soğutucu akışkanlardan biridir. Ozon tabakasına biraz daha az zararlı olmasının yanı sıra, R-410A, R-22'ye göre daha düşük bir kaynama noktasına sahiptir; bu, daha düşük sıcaklıklarda daha fazla ısı emebileceği ve soğukta verimliliği artırabileceği anlamına gelir. Diğer bileşenler de gelişti. Günümüzde ısı pompalarında kullanılan yeni kompresörler, soğutucu akışkanları daha az güç kullanarak daha yüksek basınçlara çıkarabilmektedir. Ayrıca, ısı pompalarının güçlerini arttırıp azaltmalarına olanak tanıyan, değişken hızlı kompresörler olarak adlandırılan yeni kompresörler de bulunmaktadır. Son olarak, ısıyı hava ile soğutucu akışkan arasında aktaran ısı eşanjörleri giderek büyüyor ve daha iyi hale geliyor, böylece ısıyı daha etkili bir şekilde hareket ettirebiliyor. Günümüzde zaten geniş bir ısı pompası yelpazesi mevcuttur. Kurulu olanların yaklaşık %85'i, hava kaynaklı ısı pompalarıdır. Bunlar çok çeşitli şekil ve boyutlarda üretilir. Ancak toprak kaynaklı veya jeotermal ısı pompaları olarak adlandırılan diğer modeller, ısıyı havadan toplamak yerine yeraltından toplar.

Isı pompaları iklim değişikliğine nasıl yardımcı olur?

Binaların ısıtılması sıklıkla doğal gaza veya kalorifer yakıtına bağımlıdır; bu nedenle sektör bugün küresel emisyonların yaklaşık %10'unu oluşturmaktadır. Uluslararası Enerji Ajansı enerji analisti Yannick Monschauer, ısı pompalarının, ısıtmanın iklim üzerindeki etkisini azaltmak için kullanılan merkezi teknoloji olacağını öngörüyor. Isı pompaları şebekeden gelen elektriği kullanarak çalışır. Fosil yakıtlı santraller dünya genelinde elektrik şebekelerini beslemeye devam ederken, yenilenebilir kaynaklar ve düşük karbonlu enerji kaynakları da elektrik şebekelerini destekliyor. Monschauer, tüm büyük pazarlardaki mevcut enerji karması göz önüne alındığında, ısı pompalarının iklim açısından doğrudan fosil yakıtla çalışan ısıtmadan daha iyi olduğunu söylüyor. Isı pompalarının gerçek süper gücü verimlilikleridir. Günümüzde ısı pompaları %300 ile %400 arasında, hatta daha yüksek verimliliğe ulaşabiliyor; bu da elektrikte kullandıklarından üç ila dört kat daha fazla ısı enerjisini açığa çıkardıkları anlamına geliyor. Bir alan ısıtıcısı için teorik maksimum verim %100 olacaktır ve günümüzün en iyi modelleri yaklaşık %95 verime ulaşmaktadır. Isı pompaları ve ısıtıcılar arasındaki verimlilik farkı, bunların nasıl çalıştığına bağlıdır. Alan ısıtıcıları, enerjiyi elektrik formundan başka bir forma, ısıya dönüştürerek çalışır. Öte yandan ısı pompaları elektriği ısıya dönüştürmüyor; ısıyı toplamak ve hareket ettirmek için elektriği kullanıyor. Bu ince bir farktır, ancak temel olarak bir ısı pompasının aynı miktarda elektrik kullanarak çok daha fazla ısıyı geri kazanabileceği anlamına gelir. Bir ısı pompasının maksimum verimliliği, soğutucu akışkana ve kurulan sisteme, ayrıca ısıttığı oda ile dışarısı arasındaki sıcaklık farkına bağlı olacaktır.

Isı pompalarının ön maliyetleri, benimsemenin önünde büyük bir engeldir. Bugün tek bir ünitenin satın alınması ve kurulumu 3.000 ila 6.000 $ arasında bir maliyete sahip olabilir ve daha büyük evler genellikle birden fazla ünite gerektirir.

Ancak Monschauer, yaklaşık 15 yıllık kullanım ömrü boyunca, bazı tüketiciler için ısı pompalarının satın alınmasının ve çalıştırılmasının diğer sistemlere göre daha ucuz olduğunu, özellikle de yılın farklı dönemlerinde bir evi hem ısıtmak hem de soğutmak için kullanıldıklarını söylüyor. Dünya çapında 30'dan fazla ülkede ısı pompaları için teşvik programları mevcut; bu programlar genellikle düşük gelirli hanelere veya yüksek verimli ekipman satın alanlara yönelik teşvikleri içeriyor. İtalya, binaların enerji verimliliği açısından yenilenmesi sırasında kurulan ısı pompaları için özellikle cömert sübvansiyonlar sağlıyor; müşteriler satın alma fiyatının %110'una kadar vergi indirimi olarak geri alıyor. ABD'de Enflasyonu Azaltma Yasası, düşük ve orta gelirli haneler için ek indirimlerin yanı sıra ısı pompasının satın alma fiyatı üzerinden %30 vergi kredisi sunuyor. Bazı haneler için finansman maliyetinin %100'ünü karşılayabiliyor.

Isı pompaları için sırada ne var?

Isı pompaları on yıl öncesine göre önemli ölçüde daha iyi olsa da, teknolojinin önünde hâlâ birçok büyüme potansiyeli var. Gradient girişiminin bağımsız pencere üniteleri gibi yeni tasarımlar, kurulum maliyetlerini azaltabilir. Midea ve LG gibi diğer şirketler de küçük, taşınabilir üniteler sunmaya başladı. Bu yeni seçenekler, ısı pompalarının, kurulumun pahalı veya imkansız olacağı eski apartmanlar gibi yeni alanlara da girmesine olanak tanıyabilir. Daha fazla ilerleme kaydedilmesi gereken alanlardan biri de soğutucu akışkanlardır. Günümüzün soğutucu akışkanları eski seçeneklere göre biraz gelişmiş olsa da, yenileri bile güçlü sera gazlarıdır. Sızıntıları önlemek için dikkatli kullanım ve hassas üretim gereklidir. Isı pompalarından elde edilen iklim faydaları, soğutucu akışkan sızıntısının ısınma potansiyeline ağır basıyor ancak alternatifler bu riski daha da azaltmaya yardımcı olabilir. Örneğin Gradient, R-410A'dan daha düşük bir küresel ısınma potansiyeline sahip olan R-32 adı verilen bir soğutucu akışkanı kullanıyor. Hidrokarbonlar propan ve bütan gibi diğer soğutucu akışkan sınıfları, daha da az iklim riski oluşturur. Bununla birlikte, iklim dostu olan bu soğutucu akışkanların bazıları son derece yanıcı olma eğiliminde olduğundan güvenlik sistemleri gereklidir. Yeni teknolojik gelişmeler, piyasadaki halihazırda çok büyük olan ısı pompası yelpazesinin genişletilmesine yardımcı olacaktır. Teknoloji yaygınlaştıkça maliyetler de zamanla düşecektir. Küresel ısı pompası satışları 2021'de %15 arttı. Avrupa, 2021'de %35 satış artışıyla en hızlı büyümeyi gördü; enerji krizi nedeniyle bu eğilimin devam etmesi muhtemel. Kuzey Amerika bugün hâlâ ısı pompası kurulu en fazla sayıda eve sahip, ancak en fazla yeni satış ödülünü Çin alıyor. Nereye bakarsanız bakın, ısı pompası dönemi resmen başladı.

Kaynak: MIT Technology Review, Casey Crownhart