Isı pompasının tarihi 1824'te, Fransız mühendis Sadi Carnot'nun ısı makineleri üzerine yazdığı kitapla başlar. Binaları bu yolla ısıtma fikrini 1852'de William Thomson (sonradan Lord Kelvin) ortaya attı; buharı sıkıştırarak ısıyı yeniden kullanan ilk çalışan sistemi 1850'lerin ortasında Avusturya'da Peter von Rittinger bir tuzlada kurdu. Bir binayı ısıtan ilk büyük ısı pompalarından biri 1938'de Zürih'te devreye girdi. Isı pompaları 1970'lerin petrol krizlerinden sonra yaygınlaştı; bugünkü cihazları ise inverter kompresörler ve küresel ısınma potansiyeli düşük akışkanlar şekillendiriyor.
Aşağıda bu yolculuğu, bugünkü bir ısı pompasının neden böyle tasarlandığını açıklayan dönüm noktalarıyla anlatıyoruz.
Teori: Carnot ve Thomson
Sadi Carnot, 1824'te yayımladığı "Ateşin Hareket Ettirici Gücü Üzerine Düşünceler" adlı eserinde, bir ısı makinesinin sıcak bir kaynaktan soğuk bir kaynağa akan ısıdan iş elde ettiğini ve elde edilebilecek işin üst sınırının yalnızca bu iki sıcaklığa bağlı olduğunu gösterdi. Bugün Carnot çevrimi dediğimiz bu ideal çevrim tersine çalıştırıldığında, dışarıdan iş harcanarak ısı soğuktan sıcağa taşınır. Isı pompasının tanımı tam olarak budur.
William Thomson 1852'de ilkeyi bina ölçeğine taşıyan bir öneri yaptı. Havayı sıkıştırıp genişleten bir makineyle bir binanın, aynı yakıtı doğrudan yakmaktan daha az enerjiyle ısıtılabileceğini hesapladı ve aynı düzenin binaları serinletmek için de kullanılabileceğini belirtti. Bu öneri, ısı pompasının bir binayı ısıtmak için kullanılabileceğini ilk kez açıkça ortaya koydu.
Bu teorinin bugün de doğrudan bir karşılığı var: bir ısı pompasının ulaşabileceği en yüksek verim, ısıyı aldığı ve verdiği sıcaklıklar arasındaki farka bağlıdır. Dış hava 0 °C'deyken 35 °C su üretmek için teorik üst sınır yaklaşık 8,8, 55 °C su için yaklaşık 6,0'dır. Gerçek cihazlar genellikle bu sınırın yarısı civarına ulaşır. Yerden ısıtmanın düşük su sıcaklığıyla ısı pompasına bu kadar iyi uymasının nedeni de budur.
Soğutma makineleri yolu açıyor
Isı pompasını mümkün kılan donanım, aslında soğutma için geliştirildi. Jacob Perkins 1834'te Londra'da, buharlaşan bir akışkanı sıkıştırıp yoğuşturan ve yeniden buharlaştıran ilk buhar sıkıştırmalı soğutma makinesinin patentini aldı. Buharlaşma, sıkıştırma, yoğuşma ve genleşme adımlarından oluşan bu çevrim, bugünkü ısı pompalarının da temelidir.
1850'lerin sonunda Fransız mühendis Ferdinand Carré, kompresör yerine ısıyla çalışan ve amonyak ile su kullanan absorpsiyonlu soğutma makinesini geliştirdi. Bu yolun bugünkü karşılığını absorpsiyonlu ısı pompası yazımızda anlattık. 1870'lerde Carl von Linde'nin amonyaklı kompresörlü makineleri ise soğutmayı, başta bira fabrikaları olmak üzere endüstriyel ölçeğe taşıdı. Soğutmanın kendi tarihini chiller tarihi yazımızda bulabilirsiniz.
İlk uygulama: Rittinger ve tuz
Isıyı bir yerden alıp daha yüksek bir sıcaklıkta yeniden kullanan ilk çalışan sistem, bina ısıtmak için değil üretim için kuruldu. Avusturyalı maden mühendisi Peter von Rittinger, 1850'lerin ortasında Ebensee'deki tuzlada, tuzlu suyun kaynatılmasıyla çıkan buharı sıkıştırıp yeniden ısıtıcı olarak kullanan bir düzen geliştirdi. Sıkıştırılan buharın sıcaklığı yükselir; böylece aynı buhar, tuzlu suyu kaynatmak için tekrar kullanılabilir ve gereken yakıt azalır.
Bugün mekanik buhar sıkıştırma (MVR) adıyla bilinen bu yöntem; buharlaştırıcılarda, kurutma hatlarında ve damıtma tesislerinde hâlâ kullanılıyor. Rittinger'in çözümü, ısı pompasının asıl gücünü de gösterdi: düşük sıcaklıkta atılacak ısıyı, biraz enerji harcayarak işe yarar bir sıcaklığa çıkarmak.
Binaları ısıtmak: Zürih, 1938
Isı pompasının bina ısıtmasına girişi 20. yüzyılın ilk yarısında oldu ve öncülerden biri İsviçre'ydi. Kömürü ithal eden ama hidroelektriği bol olan bir ülkede, elektrikle ısı üretmek yakıt ithalatına bağımlılığı azaltıyordu. 1938'de Zürih belediye binası, Limmat nehrinin suyunu ısı kaynağı olarak kullanan bir ısı pompasıyla ısıtılmaya başladı.
Zürih'teki düzen bugün de geçerlidir: düşük sıcaklıklı, bol ve sürekli bir kaynak (nehir, göl, toprak ya da hava), bu kaynaktan ısı alan bir evaporatör ve binanın ısıtma devresini besleyen bir kondanser. Bugün bir hava kaynaklı ısı pompası aynı işi dış havayla yapıyor.
Savaş sonrası ve petrol krizleri
İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra özellikle ABD'de konutlar için havadan havaya ısı pompaları üretilmeye başlandı. Ancak petrol ve gazın ucuz olduğu bu yıllarda ısı pompaları, ilk yatırımı düşük kazanlarla rekabet etmekte zorlandı ve uzun süre küçük bir pazar olarak kaldı.
Dönüm noktası 1973 ve 1979 petrol krizleri oldu. Yakıt fiyatları hızla yükselince enerji verimliliği ilk kez devletlerin gündemine girdi. Kuzey Avrupa'da ısı pompası kurulumları bu dönemde hızla arttı; toprak kaynaklı sistemler özellikle İsveç'te yaygınlaştı. Teknoloji, bir laboratuvar fikri olmaktan çıkıp seri üretilen bir ısıtma cihazına dönüştü.
Akışkanların hikâyesi
İlk soğutma makineleri eter, amonyak, kükürt dioksit ve CO₂ gibi akışkanlarla çalışıyordu; bunların bir kısmı zehirli ya da yanıcıydı. 1930'larda yaygınlaşan CFC'ler (R12 gibi) güvenli göründükleri için kısa sürede standart oldu, ardından HCFC'ler (R22) geldi.
1974'te Mario Molina ve Sherwood Rowland, CFC'lerin ozon tabakasını incelttiğini gösterdi. 1987'de imzalanan Montreal Protokolü, ozona zarar veren akışkanların aşamalı olarak kaldırılmasını kararlaştırdı ve yerlerini ozona etkisi olmayan HFC'ler (R410A, R134a) aldı. HFC'lerin de bir sorunu vardı: küresel ısınma potansiyelleri (GWP) yüksekti. 2016'daki Kigali Değişikliği HFC'lerin de azaltılmasını öngördü.
Klima ve ısı pompalarında R22'nin yerini zamanla R410A aldı. R410A ozona zarar vermiyordu ve daha yüksek basınçta çalıştığı için daha küçük borularla ve kompakt eşanjörlerle aynı kapasiteye ulaşılabiliyordu. Ancak GWP değeri 2.000'in üzerindeydi; bu yüzden onun da yerini almaya başlayan yeni bir kuşak akışkan geliştirildi.
Sektör bugün GWP değeri daha düşük olan R32'ye ve bir doğal akışkan olan propana (R290) yöneliyor. Bu akışkanların iklim üzerindeki etkisini sayılarla ısı pompalarının çevresel etkileri yazımızda karşılaştırdık.
Bugün: inverter, buhar enjeksiyonu ve R290
Kaynak tarafında da bir değişim yaşandı. Petrol krizleri döneminde öne çıkan toprak ve su kaynaklı sistemler sondaj, kuyu ya da göl gibi bir altyapı istiyordu. Hava kaynaklı ısı pompaları ise yalnızca bir dış ünite gerektirdiği için kurulumu çok daha kolaydı; soğuk havadaki verim sorunları çözüldükçe Avrupa'da en yaygın tip hâline geldiler.
Son on yıllarda en büyük değişiklik kontrol tarafında oldu. Eski cihazlar kompresörü tam güçte açıp kapatarak çalışıyordu. İnverter sürücülü kompresör ise devrini ihtiyaca göre kademesiz ayarlar; kısmi yükte verimi artırır, sesi ve yıpranmayı azaltır. Buhar enjeksiyonlu (EVI) kompresörler ve iki devreyi art arda çalıştıran kaskad sistemler de ısı pompasını, eskiden kazanın tek seçenek olduğu soğuk iklimlere taşıdı.
AD serileri bu birikimin üzerine kurulu. Boran serisi, R290 akışkan ve buhar enjeksiyonlu kompresörle −25 °C dış havada 65 °C su üretir. Ayaz serisi, R290 ve R134a devrelerini art arda çalıştırarak −30 °C'de 75 °C suya ulaşır. Kompresörü, fanı ve genleşme vanasını yöneten kontrol kartını ve yazılımını ise Ar-Ge ekibimiz geliştiriyor.
Carnot'nun 1824'te tarif ettiği sınır hâlâ geçerli; değişen, o sınıra ne kadar yaklaşıldığı. İyi yalıtılmış bir binada düşük su sıcaklığıyla çalışan, doğru boyutlandırılmış bir inverterli ısı pompası, iki yüzyıllık bu birikimin bugünkü karşılığıdır.
Bugünün ısı pompasını seçmek
Isı pompasının nasıl çalıştığını ısı pompası nedir, nasıl çalışır yazımızda adım adım anlattık. İklim bölgenize uygun seriyi ve teknik tabloları ısı pompası modellerimiz arasında bulabilirsiniz.
