Hava Kaynaklı Isı Pompaları Çok Düşük Sıcaklık Ortamlarıyla Nasıl Başa Çıkabilir?

Son yıllarda hava kaynaklı ısı pompaları büyük ilgi görmüş ve piyasada popülerlik kazanmıştır. Ancak hava kaynaklı ısı pompalarının performansını önemli ölçüde etkileyen birkaç faktör vardır: Birincisi, hava kaynaklı ısı pompalarının performansı düşük ortam sıcaklığı koşullarında önemli ölçüde azalır; ikincisi, ısıtma işlemi sırasında oluşan donma sorunu enerji verimliliğini ve güvenilirliği ciddi şekilde etkiler. Son yıllarda, birçok araştırmacı ve mühendis, yukarıdaki sorunları çözmek için hava kaynaklı ısı pompası teknolojisini geliştirmek için büyük çaba sarf etmiştir.

BÖLÜM 01 Çok Seviyeli Sıkıştırma Teknolojisi

Değişken frekanslı sıkıştırma teknolojisi, hava kaynaklı ısı pompalarının ısıtma kapasitesini artırmak için etkili yöntemlerden biridir. Düşük sıcaklık koşullarında, kompresör hızını artırmak, deplasmanını önemli ölçüde artırabilir ve böylece hava kaynaklı ısı pompasının ısıtma kapasitesini artırabilir. Ancak, frekans dönüşüm teknolojisi sistem enerji verimliliğini artıramaz. Düşük sıcaklıklarda ısıtma kapasitesini ve enerji verimliliğini aynı anda artırmak için çok kademeli sıkıştırma teknolojisi geliştirilmiştir.

Farklı sıkıştırma kademeleri ve çevrim yapılarına göre, çok kademeli basınçlı hava kaynaklı ısı pompaları, kademeli çevrim ve çift/çok kademeli sıkıştırma olarak ikiye ayrılabilir. Düşük ortam sıcaklıklarında tek kademeli bir sıkıştırma sisteminin ısıtma kapasitesini artırmak için, sıkıştırma işlemi sırasında soğutucu akışkan doğrudan sıkıştırma odasına enjekte edilebilir; bu işleme yarı-iki kademeli sıkıştırma denir. İki kademeli sıkıştırma çevriminin özellikleri nedeniyle, bu makalede iki kademeli sıkıştırma çevrimi kapsamına dahil edilecektir.

1.1 Yığılmış hava kaynaklı ısı pompası

Düşük ortam sıcaklığı nedeniyle sistem basınç oranı yüksek, sıkıştırma gücü yüksek ve kısma kaybı yüksektir ve bu da ısı pompasının enerji verimliliğinin düşük olmasına yol açar. Kayıpları azaltmak ve verimliliği artırmak için, yığılmış hava kaynaklı ısı pompası sistemi, tek kademeli bir çevrimin sıkıştırma oranını düşürmek amacıyla tek çevrim yerine seri olarak iki buhar sıkıştırma çevrimi kullanır.

Basamaklı sistem, biri düşük sıcaklık aşaması döngüsü, diğeri ise yüksek sıcaklık aşaması döngüsü olmak üzere iki bağımsız buhar sıkıştırma döngüsünden oluşur. Bu iki döngü, hem düşük sıcaklık döngüsü için kondansatör, hem de yüksek sıcaklık döngüsü için buharlaştırıcı görevi gören ortak bir ara ısı eşanjörü aracılığıyla birbirine bağlanır. Kışın, düşük sıcaklık döngüsü, bir buharlaştırıcı aracılığıyla ortam havasından ısıyı emer ve ısıyı daha yüksek bir sıcaklığa yükselterek yüksek sıcaklık döngüsü için bir ısı kaynağı sağlar; yüksek sıcaklık döngüsünde ise ısı, iç mekan ısıtması için gereken sıcaklığa tekrar yükseltilir.

Yığılmış hava kaynaklı ısı pompası kullanımıyla, çevrimin basınç oranı büyük ölçüde düşürülerek toplam sıkıştırma kaybı ve kısma kaybı azaltılır ve böylece hava kaynaklı ısı pompasının enerji verimliliği artırılır. Ayrıca, farklı çalışma koşullarına göre, kademeli çevrimin yüksek ve düşük sıcaklık kademeleri için farklı soğutucu akışkanlar kullanılabilir. Yığılmış sistem, iki basit tek kademeli sistem kullanılarak uygulanabildiğinden, uzun yıllardır ısıtma ve sıcak su temini uygulamalarında kullanılmaktadır. Ancak, kademeli çevrimdeki ara ısı eşanjörünün ısı transfer sıcaklık farkı kaçınılmaz olarak belirli bir verimlilik kaybına yol açar. Ayrıca, kademeli çevrim, tek kademeli çevrimlere kıyasla daha maliyetli olan iki kompresör ve ek bir ısı eşanjörü kullanımını gerektirir.

1.2 Çift kademeli basınçlı hava kaynaklı ısı pompası

İki kademeli basınçlı hava kaynaklı ısı pompası, iki soğutma çevrimini birbirine bağlar ve bu da bir kademeli sistemin basitleştirilmiş bir hali olarak görülebilir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, iki kademeli basınçlı hava kaynaklı ısı pompaları, kullanılan farklı ekonomizerlere göre iki kategoriye ayrılabilir: flaş tank (FT) sistemleri ve ara ısı eşanjörü (IHX) sistemleri.

Flaş tank sistemi için, iç kondenserden çıkan sıvı soğutucu akışkan iki faza kısılarak flaş tankına girer. İki fazlı soğutucu akışkan flaş tankında doymuş gaz ve doymuş sıvı olarak ayrılır; Doymuş gaz halindeki soğutucu akışkan, alçak basınç kademeli kompresörün soğutucu akışkan egzozu ile karıştırıldıktan sonra, yüksek basınç kademeli kompresör tarafından tekrar sıkıştırılır. Doymuş sıvı, ikinci genleşme valfi tarafından kısılır ve gaz halinde buharlaşmak üzere dış buharlaştırıcıya girer. Daha sonra alçak basınç kademesi kompresörüne girer ve flaş tankındaki orta basınçlı gazla karışır.

Ara ısı eşanjörü sisteminde, kondenser çıkışındaki sıvı soğutucu akışkan doğrudan iki akıma ayrılır: ana akım ve yan akım. Yan akım soğutucu akışkan orta basınca kısılır ve ara ısı eşanjörüne girer. Düşük sıcaklıktaki soğutucu akışkan, ana soğutucu akışkanı aşırı soğutulmuş bir duruma soğutur. Yan akım soğutucu akışkan ısıyı emerek doymuş gaz haline gelir veya aşırı ısıtılır ve daha fazla sıkıştırılmak üzere yüksek basınç kademeli kompresöre girmeden önce düşük basınç kademeli kompresörün egzozuyla karışır. Ara ısı eşanjörünün ana çıkışındaki aşırı soğutulmuş soğutucu akışkan kısılır, buharlaştırıcıdan geçer ve son olarak düşük basınç kademeli kompresöre geri döner; burada orta basınca sıkıştırılır ve yan akım soğutucu akışkanla karıştırılır.

1.3 Yarı çift kademeli basınçlı hava kaynaklı ısı pompası

Yarı çift kademeli basınçlı hava kaynaklı ısı pompası (ayrıca tamamlayıcı hava sistemi olarak da bilinir), çift kademeli sıkıştırma sistemine çok benzer. Aradaki fark, yarı çift kademeli sıkıştırma sisteminde, seri bağlı iki kompresör yerine ara hava besleme portuna sahip bir kompresör kullanılmasıdır. Yarı iki aşamalı sıkıştırmada, flaş tankından veya ara ısı eşanjöründen gelen soğutucu akışkan, iki kompresör arasına değil, kompresörün sıkıştırma odasına enjekte edilir.

Bu nedenle, yarı çift kademeli bir ısı pompası, iki kompresörün yerine özel olarak tasarlanmış bir hava besleme kompresörü kullanan, çift kademeli bir ısı pompasının basitleştirilmiş bir hali olarak görülebilir. Böylece iki kompresör arasındaki yağ dengeleme sorunu ortadan kalkar ve sistem maliyetleri düşer. Daha da önemlisi, hava besleme hattındaki vana kapatılarak yarı iki kademeli sistem esnek bir şekilde tek kademeli sirkülasyon moduna geçebilir ve böylece yarı iki kademeli ısı pompasının kış ve yaz aylarındaki performansı optimize edilir. Bu nedenle, son yıllarda yarı iki kademeli sıkıştırma teknolojisi düşük sıcaklıklı ısı pompalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

BÖLÜM 02 Soğutucu Akışkan Değişimi

Günümüzde, hava kaynaklı ısı pompası sistemlerinde en yaygın kullanılan soğutucu akışkanlar R22 ve R410A'dır; bunların başlıca ikameleri ise R290, R32, R744, R161 ve bazı HFC karışımlı soğutucu akışkanlardır. Ancak, R744 hariç, tüm orta ve düşük GWP'li soğutucu akışkanlar belirli bir derecede yanıcılığa sahiptir ve uygulamaları, şarj miktarı ve diğer özel gereklilikler dikkate alınarak ilgili güvenlik standartlarına veya yönetmeliklerine uygun olmalıdır.

Saf soğutucu akışkan ikamelerine gelince, R290, R22 ile benzer çalışma basıncı ve kapasitesine sahiptir ve R22'den daha yüksek bir enerji verimliliği oranına sahiptir. Ancak yanıcılığı nedeniyle, esas olarak küçük şarj sistemleri için uygundur. Üreticiler, R290 kullanan split klimalar ve hava kaynaklı ısı pompaları sergilemiştir. R32'nin çalışma basıncı ve kapasitesi R410A'ya yakındır ve enerji verimliliği de R410A ile karşılaştırılabilir, hatta R410A'dan biraz daha yüksektir.

R32, şu anda piyasadaki çeşitli klima ekipmanları için uygundur ve Japonya, Çin, Güney Kore ve Avrupa gibi birçok ülke ve bölgede split ünitelerde kullanılmaktadır. Bazı üreticiler, çoklu split üniteler gibi diğer sistem türleri için de R32 kullanmaktadır. R744'ün ısıtma ve soğutma alanlarındaki uygulaması, özellikle dış ortam sıcaklığı yüksek olduğunda, soğutma modundaki enerji verimliliği oranı nedeniyle sınırlıdır. Ancak, R744 transkritik çevrimi, yüksek sıcaklıktaki sıcak su uygulamalarında önemli avantajlara sahiptir.

Saf soğutucu akışkanlara ek olarak, hava kaynaklı ısı pompaları için özel olarak tasarlanmış, çoğunlukla iki veya daha fazla saf soğutucu akışkandan oluşan R32, R125, R134a, R152a, R161, R1234yf, R1234ze, R600a, R1270 ve R290 gibi birçok karışık soğutucu akışkan da mevcuttur. Bazı karışık soğutucu akışkanlara R444B, R446A ve R447A gibi tescilli isimler verilirken, çok sayıda başka karışık soğutucu akışkan hala sürekli olarak geliştirilmektedir. Bu karışık soğutucu akışkanların çalışma basınçları ve kapasiteleri genellikle R22 veya R410A'ya benzerdir; GWP'leri 150 ila 1000 arasında değişir ve yanıcılık seviyeleri 1 (yüksek GWP'li soğutucu akışkanlar) veya 2L'dir (orta GWP'li soğutucu akışkanlar). Şu anda, karışık çalışma akışkanlarının çoğu seri üretime geçmemiş olup, ilgili teknik veriler henüz kamuoyuna açıklanmamıştır.