Toprak Isısından Faydalanmanın Yolları
Güneş verdiği ısı ile canlılara yaşama imkânı sağlar. Kış aylarında güneş ışınlarının dik gelmemesi nedeniyle ısınma ihtiyacı ortaya çıkar. Toprak yaz boyu güneşlenerek elde ettiği ısı enerjisini yüzeyinde depolar. Kış aylarında depolanan ısı miktarında belirgin bir azalma olur ancak toprak ısısının tamamını veremeden yaz ayları gelir. Yazın toprak tekrar ısınarak eski haline gelir. Yerin derinlerine inildikçe sıcaklığın mevsimsel değişimlerden etkilenmesi azalır. Yaklaşık 15 metre derinlikte sıcaklık 10°C ile sabitlenir ve mevsimsel sıcaklık değişimlerinden etkilenmez. Geniş mermer bloklara sahip mabetlerde de benzer olay görülür bu nedenle iç ortam sıcaklığı kışın dış ortam sıcaklığından yüksek, yazın ise dışarıya göre daha serin olur.
Toprağın sıcak olmasının diğer bir nedeni ise dünyanın merkezinde bulunan yüksek sıcaklıktaki çekirdektir. Buradaki yüksek sıcaklığın etkisi ile toprakta derinlere inildikçe sıcaklık değeri her 33 metrede 1°C artar. Dünyanın merkezindeki çekirdeğin çevresine verdiği ısı miktarı 44TW`tır. Bu enerji dünyanın yıllık toplam enerji tüketiminin üç katına karşılık gelmektedir. Ülkemizde topraktan elde edilebilecek bu enerji ile 100m2`lik yalıtımsız 23 milyon adet konutun ısıtılması sağlanabilir.
Topraktan ısıyı alma
Termodinamiğin ikinci kanununda ifade edildiği gibi, ısı sıcak ortamdan soğuk ortama doğru akar. Isıyı ters yönde iletmek, diğer bir deyişle soğuk bir ortamdan sıcak bir ortama ısı aktarmak için ısı pompası denen bir sistem kullanmak gerekir. Kış aylarında toprak yüzeyinde depolanmış olan ısıyı evlerimizde kullanabiliriz. Toprağın sıcaklığı istediğimiz oda sıcaklığından daha düşük olduğu için ısı pompası kullanılmalıdır.
Isı pompası dışarıdan aldığı enerji ile hem ısıtma hem de soğutma yapabilen bir cihazdır. Isı pompası bir kompresör, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve genişleme vanasından oluşur. Isı iletiminde kullanılan akışkan kompresörün giriş ve çıkışında gaz halindedir. Gaz halindeki akışkan kompresörde güç kullanılarak daha küçük bir hacme sıkıştırılır böylece gazın basıncı ve sıcaklığı yükselir. Yüksek sıcaklıktaki gaz, ısısını ısıtılacak ortama yoğuşturucu vasıtasıyla vererek soğur ve sıvı hâle gelir. Yoğuşturucudan çıkan akışkan genişleme vanasından geçerek basıncı düşer. Genişleme vanasında da kompresörün tam tersi bir işlem gerçekleşir. Akışkan dar bir hacimden geniş bir hacme geçer. Bu geçiş sırasında akışkanın basıncı kompresörden önceki basınç değerine düşer ve akışkan kompresörde kazandığı ısıyı geri verir. Isısını verdikten sonra çok daha düşük sıcaklıklara düşer (yaklaşık -10°C). Düşük sıcaklıktaki bu akışkan, toprağın ısısıyla ısıtılır ve tekrar kompresöre gi-rerek çevrim devam eder.
Isı Pompası elemanları ve çalışma şekli
Yerden ısı elde etmek için 1,5-2 m derine borular serilir ve üzeri toprakla kapatılır. Boruların içerisinde dolaşan akışkan, genişleme vanası çıkışındaki soğuk akışkana ısısını bir ısı değiştiricisi vasıtasıyla verir. Isı değiştiricisi, farklı sıcaklıklardaki iki akışkanın birbirine temas etmeden dolaştığı ve sıcak olanın soğuk olana ısısını aktardığı bir cihazdır. Toprak altından ısı desteğiyle çalışan ısı pompalarına "toprak kaynaklı ısı pompası" denir.
Isı pompasının randımanı
Genel olarak bir sistemin performansı, verimi ile ölçülür fakat ısı pompalarında bu biraz farklıdır. Bir ısı pompasının performansı sahip olduğu etkinlik katsayısı ile ölçülür. Ne kadar yüksek etkinlik katsayısına sahipse o kadar iyi demektir. Bu sayının hesaplanmasında çok basit bir formül kullanılır. Isı pompasının ortama verdiği ısı enerjisi, ısı pompasına verilen enerjiye bölünerek etkinlik katsayısı hesaplanır. Bu sayı her zaman 1`den büyüktür. Toprak kaynaklı ısı pompalarının etkinlik katsayıları 4-5 arasında değişmektedir. Bu, verilen bir birim enerjiye karşılık 4-5 birim ısı enerjisi alınması demektir. Aradaki 3-4 birimlik enerjiyi topraktan bedelsiz olarak alırız. Bu şekilde çok düşük maliyetlere ısıtma yapılabilir.
Genel enerji dönüşümü açısından da bakılacak olursa 100 kcal ısı verme potansiyeline sahip bir miktar birincil enerjinin (doğalgaz, petrol, kömür) %97 verimle doğrudan yakılması durumunda elde edilecek ısı enerjisi maksimum 97 kcal`dir. Fakat 100 kcal`lik bir birincil enerjinin ilk olarak %33 verimle bir elektrik enerjisine dönüşümünde 33 kcal (38Wh) elektrik elde edilir. Daha sonra etkinlik katsayısı 5 olan bir toprak kaynaklı ısı pompası kullanarak bu 33 kcal`lik elektrik enerjisi ile 33x5= 165 kcal ısı enerjisi elde edilir. Böylece 165-97= 68 kcal daha fazla ısı elde edilmiş olur. Burada fazladan gelen ısıyı topraktan elde ederiz.
Karbondioksitli Çevrim
Toprak altı borularında çeşitli akışkanlar denenmiştir. Özellikle son yıllarda yapılan araştırmalarla karbondioksit (CO2) kullanılarak bir devridaim pompasına gerek kalmadan da sistemin çalışabileceği kanıtlanmıştır. CO2, boru içerisinde yüksek basınç altındadır. Bu CO2, toprak altındaki dikey borunun üst kısmında soğuk akışkana ısısını verir. Bu şekilde soğuyarak yoğunluğu artan CO2, toprak altı borusunun alt kısmına doğru çöker. Alt kısımlar daha sıcak olduğundan burada ısınarak tekrar buharlaşan CO2 tekrar yüzeye çıkar ve ısısını ısı pompası akışkanına verir. Böylece arada bir devridaim pompası kullanmaya gerek kalmadan doğal olarak çalışan bir sistem elde edilir. Bu sistemle Avusturya`da yaklaşık 100 ev ısınmaktadır.
Isı pompası sistemlerinde gerekli enerji yenilenebilir enerji kaynaklarından çekilerek maliyetsiz ısıtma yapılabilir. Rüzgar enerjisi - toprak kaynaklı ısı pompası, güneş enerjisi - toprak kaynaklı ısı pompası gibi entegre ısıtma-soğutma sistemleri ile sıfır enerji evi inşa etmek mümkün olmaktadır.
Toprağın Isısı ile Soğutma
Toprağın 2-3 m altı en sıcak yaz aylarında bile 12-15°C seviyesindedir. Hava sıcaklığının 35°C`nin üzerine çıktığı yaz aylarında bile toprağın altı önemli bir serinlik kaynağıdır. Toprak altı borularında suyun sürekli dolaşması ile serinlik, yaşadığımız ortamlara aktarılabilir veya diğer bir deyişle ortamdaki ısı toprak altına atılabilir. Veya daha güçlü bir soğutma için ısı pompası ters çalıştırılır. Yani genişleme vanası çıkışındaki soğuk akışkan ile yaşadığımız ortamın soğutması yapılabilir. Yoğuşturucuda atılması gereken ısı ise toprak altına gönderilir. Isı pompasının bu şekilde çalışması ile çok yüksek etkinlik katsayısı elde edilebilir. Toprak çok geniş bir kütle olduğu için toprak altına gönderilen ısı, toprakta bir sıcaklık artışına veya topraktan çekilen ısı toprakta bir sıcaklık azalmasına yol açmaz. Bu da sistemin uzun ömürlü olmasını sağlar.
Artan çevre kirliliği ve fosil yakıtlardan kaynaklanan problemler nedeniyle yenilenebilir enerjilerin kullanılması kaçınılmaz olmaktadır. Açıklanan ısıtma-soğutma sistemleri
ihtiyacımızı karşılamakta kullanılabilecek temiz yöntemlerden biridir.
Kaynak:http://www.ekolojiteknik.com
Güneş verdiği ısı ile canlılara yaşama imkânı sağlar. Kış aylarında güneş ışınlarının dik gelmemesi nedeniyle ısınma ihtiyacı ortaya çıkar. Toprak yaz boyu güneşlenerek elde ettiği ısı enerjisini yüzeyinde depolar. Kış aylarında depolanan ısı miktarında belirgin bir azalma olur ancak toprak ısısının tamamını veremeden yaz ayları gelir. Yazın toprak tekrar ısınarak eski haline gelir. Yerin derinlerine inildikçe sıcaklığın mevsimsel değişimlerden etkilenmesi azalır. Yaklaşık 15 metre derinlikte sıcaklık 10°C ile sabitlenir ve mevsimsel sıcaklık değişimlerinden etkilenmez. Geniş mermer bloklara sahip mabetlerde de benzer olay görülür bu nedenle iç ortam sıcaklığı kışın dış ortam sıcaklığından yüksek, yazın ise dışarıya göre daha serin olur.
Toprağın sıcak olmasının diğer bir nedeni ise dünyanın merkezinde bulunan yüksek sıcaklıktaki çekirdektir. Buradaki yüksek sıcaklığın etkisi ile toprakta derinlere inildikçe sıcaklık değeri her 33 metrede 1°C artar. Dünyanın merkezindeki çekirdeğin çevresine verdiği ısı miktarı 44TW`tır. Bu enerji dünyanın yıllık toplam enerji tüketiminin üç katına karşılık gelmektedir. Ülkemizde topraktan elde edilebilecek bu enerji ile 100m2`lik yalıtımsız 23 milyon adet konutun ısıtılması sağlanabilir.
Topraktan ısıyı alma
Termodinamiğin ikinci kanununda ifade edildiği gibi, ısı sıcak ortamdan soğuk ortama doğru akar. Isıyı ters yönde iletmek, diğer bir deyişle soğuk bir ortamdan sıcak bir ortama ısı aktarmak için ısı pompası denen bir sistem kullanmak gerekir. Kış aylarında toprak yüzeyinde depolanmış olan ısıyı evlerimizde kullanabiliriz. Toprağın sıcaklığı istediğimiz oda sıcaklığından daha düşük olduğu için ısı pompası kullanılmalıdır.
Isı pompası dışarıdan aldığı enerji ile hem ısıtma hem de soğutma yapabilen bir cihazdır. Isı pompası bir kompresör, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve genişleme vanasından oluşur. Isı iletiminde kullanılan akışkan kompresörün giriş ve çıkışında gaz halindedir. Gaz halindeki akışkan kompresörde güç kullanılarak daha küçük bir hacme sıkıştırılır böylece gazın basıncı ve sıcaklığı yükselir. Yüksek sıcaklıktaki gaz, ısısını ısıtılacak ortama yoğuşturucu vasıtasıyla vererek soğur ve sıvı hâle gelir. Yoğuşturucudan çıkan akışkan genişleme vanasından geçerek basıncı düşer. Genişleme vanasında da kompresörün tam tersi bir işlem gerçekleşir. Akışkan dar bir hacimden geniş bir hacme geçer. Bu geçiş sırasında akışkanın basıncı kompresörden önceki basınç değerine düşer ve akışkan kompresörde kazandığı ısıyı geri verir. Isısını verdikten sonra çok daha düşük sıcaklıklara düşer (yaklaşık -10°C). Düşük sıcaklıktaki bu akışkan, toprağın ısısıyla ısıtılır ve tekrar kompresöre gi-rerek çevrim devam eder.
Isı Pompası elemanları ve çalışma şekli
Yerden ısı elde etmek için 1,5-2 m derine borular serilir ve üzeri toprakla kapatılır. Boruların içerisinde dolaşan akışkan, genişleme vanası çıkışındaki soğuk akışkana ısısını bir ısı değiştiricisi vasıtasıyla verir. Isı değiştiricisi, farklı sıcaklıklardaki iki akışkanın birbirine temas etmeden dolaştığı ve sıcak olanın soğuk olana ısısını aktardığı bir cihazdır. Toprak altından ısı desteğiyle çalışan ısı pompalarına "toprak kaynaklı ısı pompası" denir.
Isı pompasının randımanı
Genel olarak bir sistemin performansı, verimi ile ölçülür fakat ısı pompalarında bu biraz farklıdır. Bir ısı pompasının performansı sahip olduğu etkinlik katsayısı ile ölçülür. Ne kadar yüksek etkinlik katsayısına sahipse o kadar iyi demektir. Bu sayının hesaplanmasında çok basit bir formül kullanılır. Isı pompasının ortama verdiği ısı enerjisi, ısı pompasına verilen enerjiye bölünerek etkinlik katsayısı hesaplanır. Bu sayı her zaman 1`den büyüktür. Toprak kaynaklı ısı pompalarının etkinlik katsayıları 4-5 arasında değişmektedir. Bu, verilen bir birim enerjiye karşılık 4-5 birim ısı enerjisi alınması demektir. Aradaki 3-4 birimlik enerjiyi topraktan bedelsiz olarak alırız. Bu şekilde çok düşük maliyetlere ısıtma yapılabilir.
Genel enerji dönüşümü açısından da bakılacak olursa 100 kcal ısı verme potansiyeline sahip bir miktar birincil enerjinin (doğalgaz, petrol, kömür) %97 verimle doğrudan yakılması durumunda elde edilecek ısı enerjisi maksimum 97 kcal`dir. Fakat 100 kcal`lik bir birincil enerjinin ilk olarak %33 verimle bir elektrik enerjisine dönüşümünde 33 kcal (38Wh) elektrik elde edilir. Daha sonra etkinlik katsayısı 5 olan bir toprak kaynaklı ısı pompası kullanarak bu 33 kcal`lik elektrik enerjisi ile 33x5= 165 kcal ısı enerjisi elde edilir. Böylece 165-97= 68 kcal daha fazla ısı elde edilmiş olur. Burada fazladan gelen ısıyı topraktan elde ederiz.
Karbondioksitli Çevrim
Toprak altı borularında çeşitli akışkanlar denenmiştir. Özellikle son yıllarda yapılan araştırmalarla karbondioksit (CO2) kullanılarak bir devridaim pompasına gerek kalmadan da sistemin çalışabileceği kanıtlanmıştır. CO2, boru içerisinde yüksek basınç altındadır. Bu CO2, toprak altındaki dikey borunun üst kısmında soğuk akışkana ısısını verir. Bu şekilde soğuyarak yoğunluğu artan CO2, toprak altı borusunun alt kısmına doğru çöker. Alt kısımlar daha sıcak olduğundan burada ısınarak tekrar buharlaşan CO2 tekrar yüzeye çıkar ve ısısını ısı pompası akışkanına verir. Böylece arada bir devridaim pompası kullanmaya gerek kalmadan doğal olarak çalışan bir sistem elde edilir. Bu sistemle Avusturya`da yaklaşık 100 ev ısınmaktadır.
Isı pompası sistemlerinde gerekli enerji yenilenebilir enerji kaynaklarından çekilerek maliyetsiz ısıtma yapılabilir. Rüzgar enerjisi - toprak kaynaklı ısı pompası, güneş enerjisi - toprak kaynaklı ısı pompası gibi entegre ısıtma-soğutma sistemleri ile sıfır enerji evi inşa etmek mümkün olmaktadır.
Toprağın Isısı ile Soğutma
Toprağın 2-3 m altı en sıcak yaz aylarında bile 12-15°C seviyesindedir. Hava sıcaklığının 35°C`nin üzerine çıktığı yaz aylarında bile toprağın altı önemli bir serinlik kaynağıdır. Toprak altı borularında suyun sürekli dolaşması ile serinlik, yaşadığımız ortamlara aktarılabilir veya diğer bir deyişle ortamdaki ısı toprak altına atılabilir. Veya daha güçlü bir soğutma için ısı pompası ters çalıştırılır. Yani genişleme vanası çıkışındaki soğuk akışkan ile yaşadığımız ortamın soğutması yapılabilir. Yoğuşturucuda atılması gereken ısı ise toprak altına gönderilir. Isı pompasının bu şekilde çalışması ile çok yüksek etkinlik katsayısı elde edilebilir. Toprak çok geniş bir kütle olduğu için toprak altına gönderilen ısı, toprakta bir sıcaklık artışına veya topraktan çekilen ısı toprakta bir sıcaklık azalmasına yol açmaz. Bu da sistemin uzun ömürlü olmasını sağlar.
Artan çevre kirliliği ve fosil yakıtlardan kaynaklanan problemler nedeniyle yenilenebilir enerjilerin kullanılması kaçınılmaz olmaktadır. Açıklanan ısıtma-soğutma sistemleri
ihtiyacımızı karşılamakta kullanılabilecek temiz yöntemlerden biridir.
Kaynak:http://www.ekolojiteknik.com