Toprak Kaynaklı Isı Pompası Uygulaması Toprak Kaynaklı Isı Pompası Uygulaması

İstanbul da yapılan Metro alışveriş merkezi projesi, Yeşil Bina konsepti kapsamında yapılmış ve projenin tamamlanması tarihinden bugüne AB Çevre Ödülü, ULI Avrupa Mükemmellik Ödülü, En İyi Gayrimenkul Ödülü, ArkiPARC Gayrimenkul Ödülü, Yılın Mimari Ödülü, Avrupa Alışveriş merkezi Ödülü gibi birçok ödül almıştır. Almanya Metro MAM grubuna ait olan, İstanbul Ümraniye İkea yanındaki arazi, alışveriş merkezi olarak değerlendirilmiş ve “Yeşil Bina” konsepti ile yapılmıştır. Binanın mimari projelendirmesi Turgut Alton Mimarlık, Mekanik projelendirmesi ise  Çilingiroğlu Mühendislik tarafından üstlenilmiştir. Gerek mimari gerekse mekanik grubun önerileri ile klima sisteminde toprak kaynaklı ısı pompası uygulamasına karar verilmiştir. Bu kararın ardından projede alternatif sistemlerin karşılaştırılması sonucunda projelendirme ve dizayn uygulamasına geçilmiştir. Bu seçimle birlikte toprak uygulamasının tamamı ve gerekli cihazların temini FORM tarafından yapılmıştır.

2005 yılında başlayan dizayn, 2006 yılında toprak çalışmalarının ardından hesaplamalar, seçimler, sistem boyutlandırmaları, toprak tarafının hesaplanması, dikey sondajların yapılması ve borulama 2007 Haziran ayına kadar devam etmiştir. Uygulamanın sonucunda18,327 metre dikey borulama yapılarak Avrupa’nın en büyük toprak kaynaklı uygulamalarından biri tamamlanmıştır. Sistem 2007 yılının Ağustos ayında devreye alınmıştır. 

Toprak kaynaklı uygulama için ilk aşamada belirlenen alanda iki örnek sondaj yapılmış ve buradan elde edilen toprak verilerine göre dizayn aşamasına geçilmiştir. İlk oluşan projeci hesaplarına göre 2,380 kW soğutma ve 1,227 kW ısıtma yükü belirlenmiştir. Bu yükler ve aylık dağılımları tablo olarak detay toprak hesaplarının yapılabilmesi için Amerika’daki bir firmaya gönderilmiştir.

Toprak kaynaklı ısı pompası sistemi, ticari binalara uygulandığında, toprağa yansıyan yük süreklilik göstermektedir. Ayrıca çok sayıdaki sondajın birbirlerine olan yakınlığı ve kümelenmesinden dolayı da toprak ile olan enerji alışverişi çok değişik şekiller almaktadır. Buna ilaveten yaz ve kış arasında bir dengeleme ve toprağın aşırı soğutulup ısıtılmaması çok büyük önem kazanmaktadır. Bütün veriler birleştirildiğinde toprağa yapılacak borulama adedi, uzunluğu, birbirinden uzaklıkları gibi birçok faktörün, 20 yıllık bir toprak sıcaklığı değişimi ile hesaplanması normal hesap metotları ile yapılması imkansız bir hal almaktadır. Bu konuda özel geliştirilmiş bilgisayar programları, formülasyon hesapları ve hepsinden önemlisi, deneyim ilavesi ile alternatif çözümlerin yapılması çok az sayıda firmanın doğru çözebildiği bir detaydır.

Amerika’daki deneyimli firma tarafından yapılan ilk değerlendirmeler, Kasım 2005’te 9 alternatif senaryo olarak alınmıştır. Bunlar üzerinden Metro, mimari ve mekanik projeciler ile yapılan çalışmalar ile bu çözümlerin sayısı 14’e kadar çıkarılarak Amerikan firması tarafından hesaplanmıştır ve sondaj uzunluğu, boru çapı, kuyular arası mesafe, sondaj adedi, kule kapasitesi ve kulenin yaz-kış kullanım miktarı gibi birçok nokta dikkate alınmıştır; alternatiflerden biri seçilmiştir.

Uygulama için faklı noktalar değerlendirilmiş, ancak bina dışında yeterli yer olmamasından dolayı binanın altına uygulamanın yapılması ve bunu takiben inşaat grubu tarafından inşaatın yapılmasına karar verilmiştir.

Proje ofisi gerekli ilave hesaplamaları yaparak sistemin klasik sisteme oranla ilave yatırımın kaç senede geri ödeneceğine dair hesaplamaları yapma imkanı bulmuştur. Klasik sistem olarak hava soğutmalı gruplar ve 4 borulu fan coil sistemi değerlendirilmiştir. Bu hesaplamalar sonucunda ön yatırım olarak daha pahalı olan toprak kaynaklı sistemin 9 sene içinde enerji tasarrufu sayesinde aradaki maliyet farkını geri ödeyebildiği hesaplanmıştır. Bu noktadan sonra sistem klasik sisteme göre enerji ekonomisi sayesinde para kazandırmaya başlamaktadır.

Bu süreci takip eden 6 ay boyunca toprak uygulamasının ihale edilmesi sağlanamamış; 2006 yılının ortasında sistem uygulaması ihale edilerek başlanması istenmiştir. Ancak bu tarihte inşaat grubunun geldiği nokta itibarı ile uygulamanın öngörülen yere yapılması imkansız olmuştur. Yeni belirlenen yerleşimde toprak değerleri farklılık göstermiş, hem havalı sondajdan çamurluya geçilmesi, hem de sondajların yapımında ilk 30 metrenin aşırı çökmelerden dolayı demir borulama ile geçilmesi zorunlu hale gelmiştir. Bunun dışında da farklı derinliklerde yıkılmalar ile karşılaşılmış ve istenen metraja ulaşılması bazı noktalarda çok uzun bir süreç almaya başlamıştır.

İnşaatın bitiş süreci açısından kısalan zamanda, uygulamanın zorunlu olarak farklı bir şekil alması gerekmiştir. Her sondaj için iki gün maksimum süre verilmiş ve bu süre sonunda gelinen derinlikte bırakılması mecburi hale gelmiştir. Ancak bu şekilde mevcut kötü toprak koşullarında, istenilen zaman içinde bitirilerek inşaatın tamamlanması mümkün olabilmiştir. Bu kararda otomatikman yapılan sondajların tümünün aynı uzunlukta olması değil birçoğunun farklı metrajlarda olmasını ortaya çıkarmıştır.

Farklı sondaj metrajları ise su hattının balanslanması konusunda yeni bir problem getirmiştir. Normalde “reverse return” sistemi ile kendinden balanslı bir sistem yaratabilecekken, metrajlar değişince bunun farklı bir şekilde yapılması zorunlu olmuştur. Bunu çözmek için Almanya’da bir firmaya özel toplayıcı kolektörler yaptırılmıştır. Bu kolektörlerdeki her hat, üzerinde olan bağımsız debi ölçer ve vana sayesinde, hatlar arası balanslama yapılabilir hale gelmiş, hatta istenilen hattın tamamen devre dışı bırakılma imkanı da elde edilmiştir.

Bu detaylar kapsamında sondaj işine başlanmış ve süreç içerisinde 2 ile 6 sondaj makinesi arasında çalışılarak ilerlenmiştir.

Kullanılan borular PN 16 – SDR 11 kalitesinde polietilen evsafta borular olmuştur. Borular ucundaki özel U parçanın yüksek basınca dayanıklı olan ve bir defa indirildikten sonra tekrar çıkarılamayacağından % 100 garantili olması gereken bir borudur. Bu nedenle İsviçre’den test edilmiş olarak hazır ithal edilmişlerdir. Buna ilave üçüncü bir boruda dolgu işlemi için kullanılmak üzere birlikte indirilmiştir.

Her sondaj birbirinden yaklaşık 6 metre uzaklıkta ve bina temel noktaları dikkate alınarak yapılmıştır. Açılan kuyuya indirilen boru gerçek inen metraj olarak kayıt edilmiştir. Bazı kuyularda boru indirme sırasında oluşan çökmelerden dolayı açılan kuyudan daha az boru indirilebilmiş, bu durumlarda kuyu boru metraj miktarı ile anılmıştır. Her indirilen boru dolgu öncesi basınç testine tabi tutularak sağlamlığı teyit edilmiştir.   

Sondajlar 8’li olarak bir araya getirilerek yukarıda bahsedilen kolektörlerde toplanmıştır. Böylece binanın altında 15 set 8’li sondajdan oluşan, 15 kolektörlü bir borulama sistemi oluşturulmuştur.

Yapılan sondajlara borulamanın indirilmesini takiben, üçüncü dolgu borusunun kullanımı ile kuyular doldurulmuştur. Dolgu karışımı yüksek basınçlı pompalar ile yapılmıştır. Bunu takiben kuyulardan çıkan borular ayrıştırılarak kolektörlere taşınmış ve bağlanmıştır.

Tamamlanan 15 x 8 toplam 120 adet sondaj sonucunda toplam 10,333 metre boyuta ulaşılmıştır. Ancak farklı boyutlandırmalardan dolayı arzu edilen toplam rakama ulaşılamamıştır. Bu nedenle ilave sondaj noktası aranmış ve bina çevresinde 2 yeni lokasyon saptanarak aynı şekilde bu noktalarda da sondaj yapılmıştır. Sonuçta 3 ayrı noktada 8’li kolektörleri ile oluşturulan sondaj grupları, faz 1 -2 -3 olarak adlandırılmış ve toplamda 208 sondaj adedine ulaşılmıştır.

Kolektörlere bağlanan boruların, kolektörlerden mekanik odaya taşınması 4” (100 mm) borular ile yapılmıştır. Bunlarda diğer borular gibi, PN 16 , SDR 11 standardındadır. Yatay taşınan bu borular yine gidiş geliş olarak ayrılarak aralarına izolasyon eklenmiştir.

İşin yapımı boyunca yaklaşık 6 değişik süreçte boruların su basınç testleri tekrarlanarak hattın problemsiz olduğu teyit edilmiştir. Yapılan işlemin tamamının toprak altına gömülmesi ya da üzerinin beton kaplanmasından dolayı tekrar açılması imkanı olmayacağından bu nokta çok önemli olarak öngörülmüştür.

Tüm borular mekanik odaya taşındıktan sonra 500 mm çapında ana gidiş ve geliş kolektörleri ile bağlanmıştır. Her bir kolektörde toplam 26 adet 100 mm bağlantı bulunmaktadır.

Toplamda ulaşılan sonuç 18,327 metre dikey borulama olmuştur. Bu da kuyu başına ortalama 88 metre derinlik oluşturmaktadır ancak kuyuların boyutları 40 metre ile 150 metre arasında değişkenlik göstermektedir. Toplam boru metrajı olarak bakıldığında ise 18 bin metre dikey borulama gidiş geliş olarak hesaplandığında yaklaşık 36 bin metre borudan oluşmaktadır. Buna ilaveten yataylarda hesaplandığında toprak altına toplam gömülen boru miktarı, farklı çaplarda olmak üzere, 55,000 metre civarındadır.

Toprak borulaması süreci boyunca proje ile ilgili olarak da çeşitli değişiklikler ortaya çıkmıştır. Bina yerleşim ve istenilen aydınlatma donelerindeki değişikliklerden dolayı kapasiteler değişmiş ve soğutma değerleri % 38 civarında artarak 3,250 kW’a ulaşmıştır. Isıtma kapasitesi ise 1,200 kW’larda kalmıştır. Yapılan toplam sondaj miktarı yaklaşık 1,000 kW kapasiteye denk geldiğinden, soğutma için eksik kalan 2,500 kW kapasiteyi karşılayacak şekilde kapalı devre kule teminine gidilmiştir. 

Isıtmadaki eksik 200 kW için ise bir ısı geri kazanım metodu öngörülmüştür. Alışveriş merkezinde açılacak süpermarketin soğuk oda ve soğutma vitrinlerinin bağımsız hava soğutmalı kondenserine, sudan gaza eşanjör konularak kondenserden atılan ısı kışın toprak tarafına aktarılacaktır. Bu sayede toprak tarafına ilave bir 200 kW kapasite sağlanmış olacaktır. 

Sondajların son aşamasında kuyuların verimliliğinin daha net bir şekilde belirlenebilmesi için Çukurova Üniversitesi ile ortak bir test yapılmıştır. Türkiye’de yalnız bu üniversitede bulunan ve test aparatı olan makine ile yaklaşık 2 haftalık bir süreç boyunca 5 adet kuyu test edilmiş ve sonuçları rapor olarak alınmıştır. Bu raporlar sonucunda 2.6 W/mK toplam toprak termal geçirgenlik değeri hesaplanmıştır. Bu değer tekrar Amerika’daki firmaya bildirilerek, değişen kapasite koşulları ve borulamanın son hali ile ilk yapılan çalışmaların tekrarlanması sağlanmıştır.

Bina içi su tesisatı, ilave ısı kaybına neden olmamak için ara plaka eşanjör kullanılmadan yapılmıştır. Bu nedenle oldukça büyük bir borulama hattı çıkmış ancak 5 adet seri bağlantılı frekans kontrollü pompa ile çözümlenmiştir.

Bina içinde tüm küçük dükkanlar sudan havaya ısı pompası cihazları ile çözümlenmiştir. Her bir ünite ayrı termostat ile kontrol edilmekte ve bina otomasyonu ile bağlantılı çalışmaktadır. Sinema ve büyük dükkanlar daha yüksek kapasitedeki “sudan havaya paket klima heat pump” cihazlar ile çözümlenmiştir. Bu cihazların bir kısmı çatıya bir kısmı ise bina içine ekipman odalarına konulmuştur. Bu cihazların üzerinde aynı zamanda ekonomizer bulunmakta olup, mekanın gerektirdiği koşullara göre imkan olduğunda direk dış havayı içeriye basarak soğutmayı sağlayabilmektedirler. Tüm taze hava santralleri Rotary tipi yüksek verimli ısı geri kazanım sistemlidir. Bu sayede dış hava içeriye ısı geri kazanım ile ısıtılıp soğutularak verilebilmektedir. Ayrıca tüm ısı pompası cihazlarının girişlerindeki selenoid vanalar sayesinde, cihazın kompresörü durduğunda kondenser su akışı da durdurulmaktadır. Bu sayede sisteme basan frekans kontrollü pompada kısmakta ve enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Sistemdeki kapalı devre kulede frekans kontrollü fanlar ve düşük ses seviyeli özel fan kanat dizaynı ile seçilerek minimum ses ve enerji kullanımı sağlanmaya çalışılmıştır.

Genel sistem su akışı olarak dizayn, kuleden geçen suyun miktarını ayarlayabilmektedir. Bu sayede kuleden sadece soğutulmak istenen miktarda su geçirilebilmektedir. Aynı şekilde topraktan geçen su miktarı da ayarlanabilir durumdadır. Gereken durumlarda cihazlar tamamen akış dışında bırakılarak suyun kule ile toprak arasında dolaşması da sistem açısından mümkündür. Bu geçiş mevsimlerinde ya da yazın, dış hava müsait olduğunda toprağın dış havanın enerjisi ile soğutulabilmesi imkanını sağlamak amacıyla kurgulanmıştır.

Binada oldukça detaylı bir bina otomasyonu mevcuttur. Tüm cihazların çalışma durumları, set değerleri, kullandıkları kondenser suyu miktarı, çektikleri kw enerji kontrol ve kayıt edilebilmektedir. Burada amaç sistemin çalışmasını düzenli olarak kontrol ederek gerekli düzeltmeleri yapmak ve gerçek harcanan enerji bazında sistemin gelecek yıllarda doğru bir değerlendirmesini yapabilmek olmuştur.          

Binada bunlar dışında da çeşitli enerji tasarruf sistemleri kurgulanmıştır. Tüm çatılar ilave izolasyon ve toprak ile kaplanarak çatıdan olabilecek kayıpların büyük mertebede önüne geçilmiştir. Binanın izolasyonunda özellikle yüksek verimli malzemeler kullanılmıştır. Kullanılan camlar tam alında olmayıp geride tutularak daha az güneş alacak şekilde dizayn edilmiştir (gölgeleme artırılmıştır).

Avrupa’daki en büyük toprak kaynaklı uygulamalardan biri İstanbul’da 18,327 metre dikey borulama metrajı ile tamamlanmıştır. Klasik sisteme göre hesaplanan ilave maliyet geri dönüş süresi 9 yıl civarındadır. Bina, yeşil bina konsepti kapsamında toprak kaynaklı ısı pompası dışında da farklı yaklaşımlara sahiptir. Uygulama sürecinde karşılaşılan problemler farklı şekillerde çözüm bulmuştur. Sistem yaklaşık 1,000 kW kapasite değerinde öngörülerek eksik kalan soğutma kapasitesi kapalı devre kule yükü ile çözümlenmiştir.