Isı Pompaları

Sıcaklık, belli bir madde ya da alandaki ısı enerjisi yoğunluğu olarak düşünülebilir. Belirli bir alana veya nesneye çok fazla enerji sıkışmışsa sıcaktır. Enerji görece yayılmışsa soğuktur.

Daha yüksek sıcaklık, bir maddenin moleküllerinin daha fazla kinetik enerjiye sahip olduğu anlamına gelir - yani katı hâlde daha hızlı titreşirler, sıvı veya gaz hâlindeyse daha hızlı hareket eder ve daha sık çarpışırlar. Titreştiklerinde ya da çarpıştıklarında, bu kinetik enerjiyi ısı enerjisi (yani ısı) olarak hissederiz. Yani sıcaklık, dışarıdan aktif biçimde daha fazla enerji ekleyerek veya (daha fazla) molekülü daha küçük bir alana sıkıştırıp bu enerjiyi yoğunlaştırarak artırılabilir.

Termodinamiğin temel evrensel yasalarına göre enerji, her şey dengelenip eşitlenene kadar her zaman yayılmaya veya yüksek enerji yoğunluklu alanlardan düşük enerji yoğunluklu alanlara hareket etmeye eğilimlidir (buna Entropi denir - Daha Fazla Videoya bakın). Bu yüzden soğuk günlerde ısı enerjisi sıcak bir evden soğuk dışarıya yayılır. Bu ısı transferi yalıtımla yavaşlatılabilir, ama ısı pompaları aynı ilkeleri akıllıca kullanarak ve soğutucu akışkan denen özel, basınçlı bir sıvıyla transferi tamamen tersine çevirir.

Soğutucu akışkanları burada özellikle kullanışlı kılan şey, kaynama noktalarını kolayca değiştirebilmemizdir.

Kaynama noktaları

Kaynama noktalarının bilimini biraz kurcalayalım. Kaynama, moleküller sıvıyı bir arada tutan moleküller arası kuvvetlerden kurtulacak kadar kinetik enerji kazandığında, bir sıvının gaza buharlaşmasıdır. Sıvı içinde bu kuvvetler sürekli kırılıp yeniden oluşur, böylece moleküller birbirlerinin yanından geçebilir. Sıvıyı gaza çevirmek, moleküllerinin tamamen ayrılması için yeterli enerji gerektirir. Bu, su için genelde olduğu gibi mutlaka tam 100 °C'de (212 °F) olmak zorunda değildir, hatta sıcak olduğunda bile olmak zorunda değildir…

Örneğin, bir dağın tepesinde su ısıtırsan aslında daha düşük sıcaklıkta kaynadığını görürsün. Bunun nedeni, yüksek rakımlarda atmosfer basıncının deniz seviyesindekinden daha düşük olmasıdır; bu da moleküllerin daha kolay yayılıp kaçmasını sağlar, yani suyun kaynaması için daha az enerji gerekir. Tersine, daha yüksek basınç altında su molekülleri birbirine sıkışır ve kaynayıp kurtulmaları için daha fazla enerji - dolayısıyla daha yüksek sıcaklık - gerekir. Bu yüzden basınç, suyun kaynama noktasını değiştirebilir.

Duyulur ısı ve gizli ısı

Normalde su gibi bir şeyi ısıttığınızda (veya soğuttuğunuzda), enerji eklemek (veya çekmek) önce moleküllerinin kinetik enerjisini artırarak (veya azaltarak) ve onların daha hızlı (veya daha yavaş) hareket etmesini ya da titreşmesini sağlayarak sıcaklığını değiştirir. Bu enerjiye duyulur ısı denir ve bir şey dokununca sıcak ya da soğuk geldiğinde hissettiğimiz şeydir.

Ama başka bir numara daha var - su kaynama noktasına ulaştığında sıcaklığı artmayı bırakır. Bunun yerine, tüm bu ısı enerjisi bir anda molekülleri bir arada tutan bağları kırmak ve onları birbirinden ayırıp suyu buhara çevirmek için kullanılır. Suyun sıcaklığı (ya da daha doğrusu oluşan su buharının sıcaklığı), tüm su buharlaşana kadar yeniden yükselmeye başlamaz. Katı hâldeki buzun sıvıya erimesi için de aynısı geçerlidir. Buna gizli ısı denir ve devasa bir enerji miktarıdır. Aslında suyu buharlaştırmak, suyun sıcaklığını ilk başta kaynama noktasına çıkarmak için gerekenden 7 kat daha fazla enerji ister.

Bu yüzden, dışarıdaki sıcaklık aynı olsa bile nemli günlerde hava daha sıcak gelir (ya da hava durumu raporları bir sıcaklık söylerken başka bir sıcaklık ‘hissediliyor’ diyebilir) - havadaki ek su buharı, kuru havadakinden daha fazla ısı enerjisi içerir (yani tüm bu ek gizli ısıyı içerir).

Terlemenin sizi serinletmesi de böyle çalışır: Ter buharlaşırken, gizli enerji olarak çok büyük miktarda vücut ısısı emer ve bu ısıyı cildinizden uzaklaştırır. Havada zaten çok fazla buharlaşmış su bulunan nemli koşullarda bu süreç yavaşlar ve ortamın çok daha sıcak hissedilmesine yol açar.

Su, buhardan tekrar sıvıya yoğunlaştığında bunun tersi olur. Suyu kaynatmak için ısı eklediğinizde olduğu gibi, yoğunlaştığında da devasa miktarda enerjiyi geri verir. Böylece, herhangi bir şey faz değiştirdiğinde - yani kaynadığında, eridiğinde, yoğunlaştığında veya donduğunda - bu bağlar kırılırken ya da oluşurken ‘gizli’ ısı enerjisini emmesi veya salması gerekir.

Sıcaklık ve basınç

Yani ısı eklemek veya çekmek sıcaklığı değiştirir, ama basıncı değiştirdiğinizde de benzer bir şey olur.

Basınç katılara, sıvılara ve gazlara uygulanabilir, ama gazlar molekülleri arasında boşluk olduğu için kolayca sıkıştırılabilir; çünkü molekülleri görece yayılmıştır. Öte yandan sıvılar ve katılar aynı şekilde sıkıştırılamaz, çünkü moleküllerini zaten olduklarından daha yakın birbirine sıkıştıramazsınız. Bir sıvıda basınç uygulamak bunun yerine moleküllerin gaz hâline ayrılmasını zorlaştırır. Buhar, kritik sıcaklığın altında aktif olarak soğutulmadan doğrudan sıvıya sıkıştırılabilen bir gaz türüdür. Bu tüm gazlar için mümkün değildir, yani tüm buharlar gazdır ama tüm gazlar buhar değildir.

Su buharının basınç altındayken daha kolay yoğunlaştığını biliyoruz; çünkü bu, molekülleri birbirine daha yakın sıkıştırmaya yardımcı olur. Ama yeterli basınçla, su buharını soğutmaya gerek kalmadan doğrudan tekrar sıvıya sıkıştırabilirsiniz. Ardından buhar sıvıya yoğunlaştığında, tüm gizli enerjisini salar. Tersine, yeterince düşük basınçta sıvı molekülleri hiç ısıya ihtiyaç duymadan yayılır. Sonra ayrılıp buharlaştıklarında, çevrelerinden gizli enerji emerler.

Ama bu biraz çekişme yaratır. Gazları ve buharları sıkıştırırken, basınç uygulamak sıcaklıklarını da artırır. Molekülleri daha küçük bir alana sıkıştırmak (veya aynı alana daha fazla molekül koymak) molekül yoğunluğunu artırır - moleküller birbirine yaklaşır, çarpışmalar daha sık olur ve o alan içinde daha fazla kinetik enerji yoğunlaşır.

İşte işin karmaşıklaştığı yer burası - basıncı artırınca zıt etkiler ortaya çıkar: buhar molekülleri birbirine sıkışır ve bu yüzden yoğunlaşmaları daha olasıdır, ama bu aynı zamanda sıcaklığı da yükseltir ve yoğunlaşmalarını daha az olası hâle getirir.

Buharın kaynama (ya da yoğunlaşma) noktası artık basınçla yükselmiştir, yani bu yeni yüksek basınç koşullarında buharı gaz olarak tutmak için daha fazla enerji girişi ve daha yüksek sıcaklık gerekir.

Yani kendi sıcaklığı değişmemiş olsaydı, ek basınçla birlikte yeni kaynama noktasının altına düşüp yoğunlaşmaya çok daha yakın olurdu.

Ama tabii kendi sıcaklığı da değişmiştir ve basınç sonucu o da artar. Yani basınç kaynama noktasını artırırken, buharın sıcaklığını da artırır ve sıcaklıktaki bu eşzamanlı yükseliş yoğunlaşma sürecine direnerek buharı sürekli yükselen kaynama noktasının üzerinde gaz hâlinde tutar.

Buharın gerçekten yoğunlaşmasını sağlamak için ya basıncı daha da artırmanız gerekir - yükselen kaynama noktası eşzamanlı sıcaklık artışını geçene kadar - ya da onu soğutup ısıyı aktif olarak çekmeniz gerekir; böylece tüm o ek kinetik enerji yayılır ve sıcaklık yeni kaynama noktasının altına iner.

Bu, sıcaklığın, kaynama noktalarının ve basıncın ne kadar sıkı bağlı olduğunu gösterir. Bir şeyi sıcaklık (ya da faz) değiştirmeye 1) duyulur (ya da gizli) ısı enerjisini aktif olarak ekleyip çekerek veya 2) basıncı değiştirerek zorlayabilirsin; bu da gizli ısının emilmesini ya da salınmasını sağlayabilir. Ve bir sıvıya veya gaza basınç uygulamak kaynama noktasını yükseltir (yani ya buharlaştığı ya da yoğunlaştığı sıcaklığı).

Elbette bunların hepsi su dışındaki bileşikler için de geçerlidir: Basınçlı deodorant kutusunu sıkmanın ciltte soğuk hissettirmesinin nedeni budur - salınırken yaşanan hızlı basınç düşüşü, sıvı aerosol moleküllerinin (ve enerjilerinin) gaza yayılmasını sağlar ve sıcaklığının hızla düşmesine neden olur.

Bir ısı pompası, geleneksel kazanlar, fırınlar veya elektrikli ısıtıcılar gibi ısı üretmez. Bunun yerine, zaten var olan ısıyı doğal akış yönünün tersine taşımak için bu termodinamik ilkeleri kullanır, yani düşük kaliteli (yani dağınık) ısı enerjisini dışarıdan alıp içeride yoğunlaştırır. Bu, kapalı devre bir sistemde dört temel parçanın çalıştırdığı bir soğutucu akışkan kullanılarak yapılır: bir kompresör, bir genleşme valfi ve evaporatör ile kondenser olarak bilinen iki ısı eşanjörü. Aslında bu, buzdolapları ve klimalarda kullanılan sistemlerle tamamen aynıdır, sadece ters yönde çalışır (yani ısıyı dışarı atmak yerine evin içinde yoğunlaştırır). Ters çalışan bir klima olan hava-hava ısı pompasıyla başlayalım:

• Adım 1: Normal atmosfer basıncında soğutucu akışkanın kaynama noktası çok düşüktür, yaklaşık -50 °C (-58 °F). Döngüye, kaynama noktasına yakın, çok düşük basınçlı ve çok soğuk bir sıvı-buhar karışımı olarak başlar.
  Evaporatör denen bir boru serpantininden geçer ve dışarıdaki havadan ısı emmeye başlar (hava bir fanla serpantinin üzerinden üflenir). Soğutucu akışkan çok soğuk olduğu için, dışarısı görece soğukken bile - sıfır altı (°C) hava sıcaklıklarında^† bile - hava hâlâ soğutucu akışkandan daha sıcak olduğu sürece ısı emer. Isıyı emdikçe ısınır ve kısa süre sonra düşük kaynama noktasını aşarak gaza dönüşür. Bunu yaparken daha da fazla enerji, yani gizli ısısını emer.
• Adım 2: Soğutucu akışkan artık düşük basınç altında tamamen gaz hâlinde bir buhardır. Hâlâ görece serindir (en fazla dışarıdaki hava sıcaklığındadır), ama emdiği ek gizli ısı sayesinde kayda değer miktarda enerji taşır.
  Soğutucu gaz daha sonra bir kompresörden. geçer. Bu, gazı basınçlandırıp sıkıştırır, molekülleri ve tüm enerjilerini daha küçük bir alanda birbirine yaklaştırır (yani moleküller daha sık çarpışır, böylece kinetik enerjileri artar), sıcaklık da yükselir.
  Buharı ısıtan şey bu sıkıştırma işlemidir. Soğutucu akışkan artık epey sıcaktır, genelde yaklaşık 50-70 °C (120-160 °F) - kaynama noktası da yükselmiş olmasına rağmen hâlâ gaz kalacak kadar sıcak.
• Adım 3: Soğutucu akışkan daha sonra iç üniteden geçerek kondenser. denen başka bir serpantine girer. Soğutucu akışkan artık içerideki havadan çok daha sıcaktır (enerjisi daha yoğundur), bu yüzden ısı doğal olarak açığa çıkar ve odaya akar. Bunu yaparken soğur. Kondenser serpantinindeki artan basınçla yükselen yeni kaynama noktasının altına düşmesi için çok fazla soğuması gerekmez. Ardından kolayca yeniden sıvıya yoğunlaşır ve bütün bir odayı ya da evi ısıtmaya yetecek kadar büyük miktarda gizli enerji açığa çıkarır.
• Adım 4: Soğutucu akışkan artık serin (oda sıcaklığına yakın), yüksek basınçlı, ısı enerjisinin çoğunu kaybetmiş bir sıvıdır ve basıncı düşüren bir genleşme valfinden geçer. Bu, borudaki basıncı azaltır ve soğutucu akışkanın genleşmesini sağlar - böylece molekülleri yayılabilir ve kalan enerji dışarı doğru dağılabilir. Bu, soğutucu akışkanı yeniden sıvı-buhar karışımına çevirir ve onu aniden çok soğutur, böylece döngüye tekrar başlamaya ve daha fazla ısı toplamak için evaporatörden yeniden geçmeye hazır olur.

Bu, basınç, faz değişimleri ve gizli ısıyla o kadar büyük enerji miktarlarının taşınabildiğini gösterir ki, bunlar yalnızca duyulur ısıyla temel sıcaklık farkları üzerinden taşınabilecek enerjiden çok daha fazladır. Buna karşılık, radyatörünüzdeki sıcak su hissedebildiğiniz duyulur ısıyı hızla yayar (gizli ısıyla karşılaştırıldığında bunun görece az olduğunu biliyoruz), bu yüzden bütün bir odayı ısıtmak için radyatörlerinize sürekli daha fazla sıcak su verilmesi gerekir. Bir ısı pompasındaki soğutucu akışkanın debisi, aynı miktarda ısı sağlamak için çok daha düşük olabilir. Neyse ki ısı pompaları, radyatörlerinizde, yerden ısıtmanızda ve evsel su tesisatınızda dolaşan suya ısı aktarmak için kazanlar ve su bazlı ısıtma sistemleriyle de birlikte kullanılabilir (bkz. Isı pompası türleri).

^† Not: Isı veya ısı enerjisi, sıcaklık 0 °C'nin altındayken bile hâlâ vardır - sadece çok dağınıktır. 0 °C'nin kendisi, normal atmosfer basıncında suyun erime/donma noktası çevresine dayanan, kesintisiz bir sıcaklık ölçeğindeki (Celsius ölçeği) keyfi bir işarettir. Bu nedenle Celsius ölçeği sıfırın altına, negatif sayılara inebilir.

Gerçek ‘Mutlak Sıfır’, enerjinin mutlak bir ölçeğine (Kelvin ölçeği) dayanır ve enerjinin mutlak minimumda olduğu, herhangi bir bileşik için teorik olarak mümkün olan en düşük sıcaklığı belirtir. Kelvin ölçeği, negatif enerji olamayacağı için -273 °C'ye eşit olan 0 K'nin altına inmez. Bu sıcaklığın üzerindeki her şeyde, bir ısı pompası teorik olarak çalışabilir. Pratikte modern ısı pompaları, -20 °C kadar soğuk havadan (yani 253 K) enerji çekebilir. Bu koşulların üzerindeki sıcaklıklarda performans kötüyse, bunun nedeni genellikle teknolojinin kendisinden çok tasarım veya kurulumdur.

Isı pompaları, ısı üretmek yerine elektriği kullanarak ısıyı bir yerden başka bir yere taşır. Buna karşılık geleneksel ısıtma sistemleri, ya elektrik direnciyle (‘dirençli ısıtma’, elektrikli ısıtıcılarda kullanılır) ya da soba veya kazanda kömür ya da gaz gibi fosil yakıtları yakarak ısı üretir.

Bu, ısı pompalarını çok daha verimli kılar. Tipik bir gaz sobası veya kazan en fazla yaklaşık %90 verimliliğe ulaşabilir - yanmadan gelen enerjinin bir kısmı, su buharı salınırken sıcak dumanla kaçınılmaz olarak kaçar (yakalanmayan gizli enerji şeklinde). Elektrikli ısıtıcılarda ise, fosil yakıt yakılarak üretilen ve elektrik santrallerinden transformatörler ve kilometrelerce iletim hattıyla taşınan şebeke elektriğiyle çalışmak, tesis dışındaki bu fosil yakıtların içerdiği ilk kimyasal enerjinin yalnızca yaklaşık %40’ına denk gelir.

Bu sırada ısı pompaları, iç ve dış ünitelerdeki fanları çalıştırmak ve kompresöre güç vermek için nispeten az miktarda elektrik tüketir. Devredeki soğutucu akışkan, doğal ve kendiliğinden gerçekleşen bir süreçte faz değiştirir - ısı pompası yalnızca bunun gerçekleşmesi için doğru koşulları yaratır. Bu yüzden iyi tasarlanmış ve kurulmuş bir ısı pompası, tükettiği elektriğin 3 katından fazla enerjiyi taşıyabilir (yani %300). İdeal koşullarda (bkz. Isıtma Sistemleri), bu değer 5, hatta 8 kat daha verimli seviyelere çıkabilir (%500-%800).

Verimlilik = Enerji çıktısı (aldığın ısı) ÷ Enerji veya yakıt girdisi (parasını ödediğin şey)

Yaşadığınız yere göre elektrik fiyatları genellikle gaz fiyatlarından oldukça yüksektir. Örneğin Birleşik Krallık’ta elektrik, gazın yaklaşık 3 katına mal olur. Ama ısı pompaları %300’ün üzerinde verimlilikle çalışabildiği için gaz kazanlarından daha ucuza çalışabilir - özellikle daha yeşil şebekelere ve politikalara geçildikçe elektrik-gaz fiyat farkı daralırken ve elektriğin fiyatı düşerken.

En ucuz ve en verimli seçenek, ısı pompalarını yenilenebilir elektrikle çalıştırmaktır. Ama bir ısı pompası fosil yakıtlardan üretilen elektrikle çalışsa bile, geleneksel ısıtma sistemlerinden daha verimli ve daha ucuz olabilir. Yalnızca 2,5 verimlilikle çalışan bir ısı pompası, elektrik santralinde yakılan doğal gazdaki ilk enerjinin sadece %40’ını kullanabiliyor olabilir, ama bu gücü tükettiğinin 2,5 katı enerjiyi taşımak için kullanarak o %40’ı %100’e çıkarır - ve böylece gazı yerinde yakarak elde edilen %90 verimliliği bile aşar.

Isı pompası verimliliğinin gerçek performansa ve işletme maliyetlerine nasıl yansıdığı şunlara bağlıdır:

• Evin büyüklüğü: daha büyük evleri ısıtmak için daha fazla enerji gerekir.
• Yalıtım: iyi yalıtılmış evler ısıyı tutar ve pompaların daha düşük, daha verimli sıcaklıklarda çalışmasını sağlar.
• Sistem tasarımı ve kurulumu: kötü kurulumlar veya eski üniteler kötü çalışabilir ve bir kazandan daha pahalıya mal olabilir, ama iyi kurulmuş modern üniteler önemli miktarda para tasarrufu sağlayabilir.

Birkaç farklı ısı pompası türü vardır, ama hepsi aynı temel ilkeleri kullanır. En yaygın türler havadan ısı çeker:

• Hava-hava ısı pompaları, temelde ters çalışan klima sistemleridir. İkisinde de, soğutucu akışkanı içeren her serpantinin üzerinden bir fanın hava üfleyerek ısıyı emmesini ya da bırakmasını sağladığı iki fan-serpantinli ısı eşanjörü kullanılır. Klimalardan çok az farkları vardır, sadece soğutucu akışkan ısıyı ters yönde taşır - klimalarda evaporatör ısıyı emmek için içeride, kondenser ise ısıyı bırakmak için dışarıda bulunur.
  Hava-hava ısı pompaları odaları daha hızlı ısıtabilir ve bazen soğutma sağlamak için tersine çevrilebilir. Burada evaporatör ve kondenser birbirinin yerine geçebilir ve ek bir valf, kompresörü tersine çevirmeden soğutucu akışkanın akış yönünü değiştirir. Bunun klima ve nem alma gibi faydaları da olabilir: Evaporatör serpantini çevresinden ısı emer ve böylece etrafındaki her şeyi çok soğutur - su buharı serpantine temas edince havadan yoğunlaşır, bu da odadaki nemi azaltır.
  Daha ucuzdurlar ve mobilyaların çevresine esnek şekilde yerleştirilebilirler; ancak genelde yaşam alanları için daha az konforludurlar (gürültülü ve hava üfleyen olabilir, türbülanslı hava hareketleri yaratabilir, ayrıca sıcaklığı tekrar tekrar hedefin üstüne çıkarıp altına indirebilirler) ve evin her yerine dengeli ısı dağıtmak daha zordur; bunun için çoğu zaman farklı odalara birden fazla iç ünite ya da binaya sıcak hava dağıtan bir kanal sistemi gerekir. Ayrıca, kullanım sıcak suyunuz için yine bir tür ek ısıtmaya ihtiyacınız olur.
• Hava-su ısı pompaları, soğutucu akışkandan radyatörlerinizde ve yerden ısıtmanızda dolaşan suya ya da kullanım sıcak suyu tankınızdaki suya ısı aktarmak için bir serpantin veya metal plakalı ısı eşanjörü kullanır (bunlar ayrı sistemlerdir - radyatör suyuyla banyo yapmak istemezsiniz!). Bu sistemler hem daha yavaş ısınır hem de daha yavaş soğur. Bu yüzden daha konforlu, dengeli bir ortama uygundurlar. Bu sayede sıcak su tankınız bir tür enerji depolama aracı olarak da kullanılabilir. Ancak çok daha pahalıdırlar ve borularda ve radyatörlerde büyük iyileştirmeler gerektirebilirler (bunlar duvarda yer kaplar ve mobilyalar tarafından engellenebilir). Ayrıca ABD gibi bazı yerlerde halihazırda su dolaşımlı sistemler kurulmuş olmayabilir.
• Kombine sistemler, odaya göre hem radyatörlerden hem de fan-serpantinlerden yararlanabilir; örneğin banyolara radyatör, diğer odalara ise fan üniteleri yerleştirilebilir. Bu arada, ısı geri kazanım sistemleri yazın normalde dışarı atılacak olan klimaların çektiği ısıyı kullanıp bunun yerine kullanım sıcak suyunu ısıtabilir.

Hava kaynaklı ısı pompası üniteleri de farklı düzenlerde gelir:

• Split üniteler, biri içeride ve biri dışarıda bulunan iki ısı eşanjörüyle tarihsel olarak en yaygın olanlardır. Gürültü rahatsızlığını sınırlamak ve içeride daha az yer kaplamak için kompresör ve genleşme valfi genellikle dış ünitede bulunur. Soğutucu akışkan boruları daha sonra dışarıdan içeriye uzanır; üniteler alanı en iyi şekilde kullanmak için birbirinden uzak konumlandırılabilir.
• Monoblok üniteler artık giderek daha popüler. Genellikle hava-su ısı pompalarıdır; iki ısı eşanjörü ve soğutucu akışkan devresinin tamamı tek bir dış ünitede bulunur, borular da sıcak suyu içerideki radyatörlere taşır. Bu, evin içine ve dışına giren özel yapılmış soğutucu akışkan borularına duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır; zamandan ve maliyetten tasarruf sağlar, riski azaltır.

Hava kaynaklı ısı pompaları çoğu koşulda etkili çalışır, ancak -20 °C'nin altında zorlanabilirler. Klimaların havadaki nemi alabilmesine benzer şekilde, kışın su dış serpantin veya ünite üzerinde yoğunlaşıp donabilir ve kırağı birikmesine yol açabilir. Bunu çözmek kolay olabilir (örneğin sistemler kırağının erimesi için soğutma döngüsünü otomatik olarak ve geçici süreyle tersine çevirir) ama bu zamanla ortalama verimliliği düşürebilir (gerçi yeni, aktif buz çözme veya kırağı önleme teknolojileri de vardır).

Toprak kaynaklı ısı pompaları, özellikle ısıtmaya en çok ihtiyaç duyulan kış aylarında toprak sıcaklıkları havadakinden daha dengeli ve tutarlı olduğu için, genellikle daha verimlidir ve düşük sıcaklıklarda daha etkili çalışır. Bunlar, kolektör adı verilen ve topraktan ısı emen (ya da soğutma için ters çalışıyorsa toprağa ısı bırakan) ve evaporatör üzerinden ısıyı soğutucu akışkana aktaran, dolaşımdaki bir akışkanın (genellikle su ve antifriz karışımı) başka bir kapalı devresini kullanır. İki ana kolektör türü vardır:

• Yatay diziler, sığ hendeklere döşenen borulardan oluşur. Borular ne kadar yayılmışsa (ne kadar az kümelenmişse), o kadar fazla ısı çekebilir ve dolayısıyla o kadar verimli olurlar. Bu aynı zamanda toprağı donduracak kadar fazla ısı çekme riskini de azaltır (bu çok zarar verici olabilir). En verimli kolektörler, mümkün olduğunca geniş bir alanı tek ve kesintisiz bir devreyle kaplar.
• Dikey diziler çok daha az alan gerektirir ve toprağın derinlerine iner (mevcut yer altı altyapısının izin verdiği kadar - zemin etüdü gerekir!). İki farklı düzende bulunurlar:
• • Kapalı devre - içine tek, uzun bir boru devresi yerleştirilen ve ardından doldurulan derin bir sondaj kuyusu. Her birinin ne kadar derin olduğuna bağlı olarak, sıradan bir ev için birkaç sondaj kuyusu gerekebilir.
  • Açık devreler akiferlerden yararlanır, yani kolektör devresinde dolaşan ısı transfer akışkanı olarak doğrudan yer altı suyunu kullanırlar. Daha verimlidirler (ısı transferinde bir nokta/engel daha azdır) ama daha fazla uzmanlık ve bakım gerektirirler (kirli su, sistem filtrelerinin düzenli temizlenmesini gerektirir).

Toprak kaynaklı ısı pompaları, ısıyı iletmek ve yenilemek için çoğu zaman topraktaki suya bağlıdır; bu da toprağın gözenekliliğine ve geçirgenliğine bağlıdır. Daha kolay bir seçenek, ısıyı doğrudan bir su kütlesinden çekmektir.

Su kaynaklı ısı pompaları, toprak kaynaklı ısı pompalarından bile daha verimli ve dengeli olabilir ve aynı şekilde kapalı ya da açık devreler içerir: Suyun içinden geçen ayrı bir kapalı kolektör akışkanı devresi ya da doğrudan kaynaktan gelen su kullanılır (bu yine verimliliği artırır ama düzenli temizlik gerektirir). Suyun (ve dolayısıyla mevcut ısının) yenilenme hızı önemlidir - akan su, yakındaki suları yenileyen aktif akıntıları olmayan durgun sudan daha etkili olabilir. Verimliliği en üst düzeye çıkarmak ve daha önce kullanılmış soğuk suyun yeniden dolaşmasını önlemek için ısıyı akış yukarısından almak ve kullanılmış, ısısı azalmış suyu akış aşağısına bırakmak da daha iyidir.

Toprak ve su kaynaklı ısı pompaları çok daha yüksek başlangıç kurulum maliyetleri içerir ve yeterli alana ya da suya erişim gerektirir, ancak daha yüksek verimlilikle zaman içinde işletme maliyetlerinde daha büyük tasarruf sağlama potansiyeline sahiptir. Ancak hava kaynaklı ısı pompaları çok gelişti ve farkı büyük ölçüde kapattı - artık ısı kaynağının sıcaklığına ve dengeliliğine daha az, hidronik tasarımın ve ısıtma sisteminin kendisinin en iyi hâle getirilmesine daha çok önem veriliyor.

Sistem sensörleri ve kontrol:

• Akıllı termostatlar - ısıtmayı tekrar tekrar kapatıp açmak yerine, küçük ayarlarla sıcaklığı dikkatlice düzenleyerek sabit tutmaya yardımcı olabilir.
• Hava durumu dengelemesi - dışarıdaki sıcaklığı algılayan sensörler sayesinde, evinizin içindeki sıcaklık etkilenmeden önce ısıtma proaktif olarak ayarlanır.

Sulu sistem suyu sıcaklıkları:

• Daha büyük radyatörler ve daha büyük su depoları belirli bir sıcaklıkta daha fazla su, dolayısıyla daha fazla ısı enerjisi barındırabilir. Bu, daha küçük depolar veya radyatörlerle aynı miktarda ısıyı daha düşük sıcaklıklarda depolayabilecekleri anlamına gelir (yani daha düşük bir ısıl yoğunlukta). Bu, suyla çevresi arasındaki sıcaklık farkını azaltır ve ısı transferini yavaşlatır. Bu durum sistemin evinizi ısıtma hızını düşürse de, daha büyük radyatörler ısıyı yayacak daha geniş bir yüzey alanı sunar ve bu da daha yavaş transfer hızını telafi eder. Ayrıca ısıyı daha düzenli vererek ve depolardan, bağlantı borularından kaynaklanan istenmeyen ve israf yaratan ısı kaybını yavaşlatarak dengeyi artırır.
  Üstelik bu, ısıtma sisteminin genel olarak daha düşük gidiş suyu sıcaklıklarıyla çalışmasını sağlar. Isının suya geçebilmesi için soğutucu akışkanın sudan daha sıcak olması gerektiğinden, daha serin su soğutucu akışkanın hedef sıcaklığının daha düşük kalmasını sağlar. Isı transferini sağlamak için ısı kaynağı her zaman daha sıcak olmalıdır, bu yüzden daha yüksek bir gidiş veya depo sıcaklığı ısı pompasını daha sıcak çalışmaya zorlar; daha serin gidiş veya depo sıcaklıkları ise soğutucu akışkanın da daha düşük sıcaklıkta çalışabileceği anlamına gelir.
  Daha düşük bir soğutucu akışkan hedef sıcaklığı, ısı pompasının aşması gereken dışarıdaki ısı kaynağıyla arasındaki sıcaklık farkının da daha küçük olması demektir. Bu nedenle kompresörün soğutucu akışkanın basıncını ve sıcaklığını artırmak için yapması gereken iş azalır; elektrik tüketimi düşer ve verimlilik artar.
• Tabakalaşma (yani su deponun içinde sıcaklık gradyanının - ya da ‘termoklinin’ - doğal olarak oluşması), soğutucu akışkandan ısı alan suyun sıcaklığını düşürmeye yardımcı olabilir; böylece ısı transfer hızını artırır veya daha sıcak soğutucu akışkan ihtiyacını azaltır. Bu nedenle ısı eşanjörü serpantinini, daha ağır olan soğuk suyun sıcak suyun altında bulunduğu deponun tabanına yerleştirmek daha iyidir.
  Bu yüzden, bu termoklini belirginleştiren daha uzun ve ince silindirlere sahip olmak ve evdeki radyatörlerden dönen soğuk suyu, diğer soğuk suyla birlikte deponun tabanına yönlendirmek daha iyidir (depodaki suyu karıştırmamak için düşük basınç ve hızda).

Borular ve ısı eşanjörleri:

• Daha güçlü ısı eşanjörleri suyu daha hızlı veya sistem boyunca daha küçük sıcaklık farklarıyla ısıtabilir. Örneğin, daha uzun ya da kanatçıklı serpantinler daha geniş yüzey alanına sahiptir ve bu yüzden ısı transferini artırabilir. Ancak:
• • Akış yolunu fazla uzun veya dar yaparsan, soğutucu akışkanın akış hızını ve dolayısıyla ısı iletimini kısıtlarsın. Pompanın o zaman daha çok çalışması gerekir ve bu da ısı pompasındaki soğutucu akışkanın gerekli giriş sıcaklığını yükseltir.
  • Serpantinin iç çapını fazla geniş yaparsanız basınç düşer ve sıvı fazla yavaş hareket eder; bu da borunun kenarında ısı transferini kısıtlayan yalıtıcı bir tabakanın oluşmasına izin verir.
  
  Bu, radyatörlerinize giden ve radyatörlerinizin içinden geçen su boruları ve serpantinler için de geçerlidir. Radyatördeki ısı transferini en üst düzeye çıkarırken bağlantı borularındaki ısı kaybını en aza indirmek için borular ince ayarlanmalı ve dengelenmelidir.

(Technology Connections & Heat Geek bilgilerinden hazırlanan ekstra içerik)