İki ısı pompalı ısı geri kazanım cihazı düşünün: aynı kompresör, aynı rotor, aynı fanlar, aynı kapasite sınıfı. Aralarındaki tek fark, dönüş (egzoz) hattında evaporatörün rotordan önce mi sonra mı yer aldığı. Katalog verilerinde neredeyse aynı görünen bu iki cihaz, düşük dış hava sıcaklıklarında taban tabana zıt davranır.
Biri evaporatörünü sürekli buzlandırır. Kompresör devreden çıkar, buz çözülünce yeniden devreye girer; yani kesintisiz bir "dur-kalk" döngüsüne girer. Diğeri ise −20 °C dış havada bile evaporatörünü artı sıcaklıkta tutar ve kompresörünü kesintisiz çalıştırır.
Bu yazıda, ısı pompalı ısı geri kazanım (HPHR) cihazlarında çoğu zaman göz ardı edilen bir tasarım kararını, dönüş hattı yerleşimini ele alıyoruz. Veri, HVACinOne ile aynı cihaz üzerinde yapılan birebir karşılaştırmadan geliyor [9]. İki yerleşimi şöyle adlandırıyoruz:
- Ilıman iklim tasarımı (HP-HR-R) (dönüş hattında rotor → evaporatör): Türkiye dahil ılıman ve soğutma yükünün baskın olduğu iklimlerde en yaygın HPHR mimarisidir.
- Soğuk iklim tasarımı (HP-HR-R-C) (dönüş hattında evaporatör → rotor): Isıtma yükünün ağır bastığı, uzun ve sert kışların yaşandığı bölgelere yöneliktir; özellikle Nordik ülkelerde talep görür.
HP-HR-R ve HP-HR-R-C, bu iki yerleşimin HVACinOne'daki fonksiyon adlarıdır; "HPHR" ise genel cihaz sınıfını gösterir. Her iki mimari de piyasada "entegre tersinir ısı pompası + rotary eşanjör" konseptiyle sunulur. Üreticiler bu ürün ailelerini iklim kapsamına ve defrost stratejisine göre konumlandırır [1], [2].
Neden önemli?
Soğuk iklimde bir HPHR cihazının başarısı, katalogdaki tekil verim değerinden çok kışı kesintisiz geçirebilmesiyle ölçülür. Düşük dış havada evaporatörün buzlanması yalnızca bir verim kaybı değildir. Buz serpantin yüzeyini kapattıkça kompresör düşük basınç/koruma nedeniyle durur, buz çözülünce yeniden kalkar. Sonuçta sistem sürekli bir dur-kalk rejimine girer; bu hem kararlı ısıtmayı imkânsızlaştırır hem de kompresör ömrünü zorlar.
Bir cihazın "kaç dereceye kadar güvenle çalışır" sorusunun cevabı, yani minimum çalışma sıcaklığı, doğrudan bir seçim kriteridir. Bu kriterin tek bir katalog sayısı olmadığını, büyük ölçüde yerleşimin sonucu olduğunu göstereceğiz.
İki yerleşim: evaporatör rotordan önce mi, sonra mı?
İncelediğimiz iki konfigürasyon, dönüş havasının izlediği sırada ayrışır:
- Ilıman iklim tasarımı (HP-HR-R): Dönüş hattı sırası Filtre → Rotor → Evaporatör → Fan. Rotor dönüş havasından ısıyı önce geri kazanır; evaporatörün üzerinden bu soğutulmuş hava geçer.
- Soğuk iklim tasarımı (HP-HR-R-C): Dönüş hattı sırası Filtre → Evaporatör → Rotor → Fan. Evaporatörün üzerinden binadan gelen ham ve ılık dönüş havası geçer; rotor, evaporatörden sonra kalan enerjiyi değerlendirir.
Coil'in rotora göre konumunun donma davranışını değiştirdiği, üretici tarafında da ele alınan bir konudur. Bir üreticinin dokümantasyonunda ısı pompası coil'i rotorun daha sıcak bölgesine yerleştirilir. Amaç, 0 °C altı koşullarda coil üzerindeki donma riskini azaltmak ve gereksiz defrost'u önlemektir [3].
Bu sıra farkı küçük bir detay gibi görünür. Ama ısı pompası çevriminin gördüğü kaynak sıcaklığını, dolayısıyla evaporasyon sıcaklığını (TEvap) belirler.
Evaporatör üzerinden geçen hava kaç derece?
HVACinOne'da aynı cihazı iki konfigürasyonda, dış hava +10 °C'den −20 °C'ye kadar ısıtma modunda çözdük [9]. Cihaz 8000 m³/h debili ve tek devre tersinir ısı pompalıdır; rotoru, üreticinin "sorption hibrit" olarak adlandırdığı tiptir. Dönüş havası her iki halde 20 °C / %50 bağıl nemdir. Rotary eşanjörlerin nem/ısı sınıfları (condensing, enthalpy ve sorption tekerlek) Eurovent Certita AARE programında tanımlanır [4].
Sonuçlar, evaporatörün üzerinden geçen havayı ve evaporasyon sıcaklığını net biçimde ayrıştırıyor:
| Dış hava | Evaporatör girişi | TEvap | Evaporatör çıkışı |
|---|---|---|---|
| +10 °C | 11,7 °C | −1,0 °C | 6,2 °C / %96 |
| 0 °C | 3,1 °C | −8,0 °C | −0,8 °C / %100 |
| −10 °C | −5,7 °C | −16,1 °C | −9,3 °C / %100 |
| −20 °C | −14,8 °C | −24,4 °C | −18,1 °C / %100 |
Tablo 1a — Ilıman iklim tasarımı (HP-HR-R): evaporatör giriş, evaporasyon ve çıkış koşulunun dış havaya göre değişimi.
| Dış hava | Evaporatör girişi | TEvap | Evaporatör çıkışı |
|---|---|---|---|
| +10 °C | 20 °C | +2,7 °C | 10,6 °C / %86 |
| 0 °C | 20 °C | +2,5 °C | 10,5 °C / %86 |
| −10 °C | 20 °C | +2,4 °C | 10,4 °C / %86 |
| −20 °C | 20 °C | +2,2 °C | 10,3 °C / %86 |
Tablo 1b — Soğuk iklim tasarımı (HP-HR-R-C): evaporatör giriş, evaporasyon ve çıkış koşulunun dış havaya göre değişimi.
Yöntem: buzlanmayı ne belirler?
Buz, evaporasyon sıcaklığı TEvap'ın kendisiyle değil, serpantin yüzey sıcaklığıyla ilgilidir. Yüzey hem 0 °C'nin hem de giren havanın çiğ noktasının altına indiğinde nem yoğuşup buza döner [5]. Yüzey sıcaklığı doğrudan raporlanmadığından, çevrimden okunan değerden Tsurf ≈ TEvap + 2 K yaklaşımıyla temsil edilir. Buna göre yüzey donma eşiği TEvap ≈ −2 °C'ye karşılık gelir (çiğ noktası hesabı için [6]).
Nitekim Tablo 1a'da evaporatör çıkışının 0 °C altında ve %100 bağıl nemde olması, iki koşulun da (ıslak + donan yüzey) sağlandığını doğrudan gösterir. Aynı veri, evaporasyon sıcaklığının dış havayla değişimi olarak da okunabilir (Grafik 1). Ilıman iklim tasarımının çizgisi donma eşiğinin altına dalarken, soğuk iklim tasarımı +2,2…+2,7 °C bandında yatay kalır.
Ilıman iklim tasarımında evaporatörün üzerinden rotorun soğuttuğu hava geçer. Bu yüzden evaporasyon sıcaklığı dış hava düştükçe çöker. +10 °C'de TEvap (−1,0 °C) donma eşiğinin (≈ −2 °C) hafif üstündedir. 0 °C dış havada ise evaporatör çıkışı zaten 0 °C'nin altında ve %100 doygundur; yani buzlanma başlamıştır.
Soğuk iklim tasarımında evaporatörün üzerinden daima 20 °C'lik ham dönüş havası geçer. Bu yüzden TEvap, dış hava −20 °C'ye inse bile +2,2…+2,7 °C bandında kalır. Yüzey sıcaklığı +4 °C dolayındadır: çiğ noktasının altında olduğu için serpantin ıslak çalışıp nem alır, ama 0 °C'nin üstünde kaldığından buzlanmaz.
Ne anlama geliyor: Aynı cihaz, aynı kompresör, aynı evaporatör ve kondenser. Ama yerleşim, evaporatör yüzeyini soğuk iklimde donma bölgesinin dışında tutuyor.
Düşük dış havada: kompresörün dur-kalk döngüsü
Buzlanmanın asıl sonucu, ısıtma modunda kompresörde yaşanır. Ilıman iklim tasarımında dış hava düştükçe evaporatör sürekli buz tutar. Buz serpantini kapattıkça ısı transferi bozulur, emme basıncı düşer ve kompresör koruma amacıyla devreden çıkar. Cihaz buzu çözmek için bir defrost adımına geçer; buz çözülünce kompresör yeniden devreye girer ve evaporatör tekrar buzlanmaya başlar.
Tersinir ısı pompaları için ters çevrim, elektrikli ön ısıtma ve resirkülasyon gibi defrost yöntemleri üretici fonksiyon kılavuzlarında tanımlanır; hepsi tam bu yükü yönetmek içindir [2]. Sonuç, düşük dış havada kesintisiz bir dur-kalk rejimidir. Kompresör kararlı biçimde yük taşıyamaz, üfleme sıcaklığı dalgalanır ve ısıtma sürekliliği bozulur.
Soğuk iklim tasarımında bu döngü hiç başlamaz. Evaporatörün üzerinden 20 °C'lik ham dönüş havası geçtiği için evaporasyon sıcaklığı artı bölgede kalır ve kompresör en düşük dış havada bile kesintisiz çalışır. Aşırı soğuk hava, dönüş hattının en sonundaki rotorda karşılanır. Rotor sürekli döndüğü için bu yükü, kompresörü döngüye sokmadan taşır.
Bu, eşanjör tipleri arasındaki bilinen farkla da uyumludur. Yüksek verimli plakalı eşanjörlerde buzlanma daha yüksek dış hava sıcaklıklarında başlar. Rotary eşanjörler ise daha düşük sıcaklıklara kadar donmadan çalışır ve birikime karşı yapısal olarak daha toleranslıdır [7].
Ne anlama geliyor: Soğuk iklimde asıl mesele "verim kaç puan düşer" değil, kompresörün çalışabilir durumda kalıp kalmadığıdır. Doğru yerleşim, defrost'u kontrolle yönetmeye çalışmak yerine ihtiyacı baştan ortadan kaldırır. (Bu çalışma defrost sıklığını veya süresini ölçmez; gösterdiği şey, buzlanma mekanizmasının soğuk iklim tasarımında hiç oluşmamasıdır.)
Minimum çalışma sıcaklığı: kompresör zarfı ne söylüyor?
İki yerleşimin çalışma noktalarını, üreticinin PSH023-4 scroll kompresörü için yayımladığı çalışma zarfına bindirdik [8]. Bu grafik, minimum çalışma sıcaklığının neden yerleşimin sonucu olduğunu görünür kılıyor.
Ilıman iklim tasarımı (kış)
Dış hava düştükçe çalışma noktaları zarfın soğuk (sol-alt) kenarına doğru yürür. −20 °C dış havada nokta (TEvap −24,4 °C / TCond 19,4 °C), zarfın 20 °C'lik alt yoğuşma sınırının altına düşer; yani zarfın dışındadır. TEvap tek başına −30 °C alt sınırının içinde kalsa da, yoğuşma sıcaklığı izin verilen en düşük değerin altındadır. Evaporatörün erken buzlanmasıyla birleşince, yukarıdaki dur-kalk rejimini besleyen bölge burasıdır.
Soğuk iklim tasarımı (kış)
Çalışma noktaları TEvap +2,5 °C civarında, zarfın merkezinde ve soğuk kenara bol marjla toplanır. Bu yerleşimde minimum çalışma sıcaklığını sınırlayan şey artık defrost veya kompresör zarfı değil, üfleme sıcaklığıdır. Soğuk iklim tasarımının üfleme sıcaklığı 0 °C dış havada 20,5 °C iken −20 °C'de 14,2 °C'ye iner.
Çok düşük dış hava tasarımlarında devreye defrost değil, küçük bir son ısıtıcı girer. Bu trim ısıtıcı, ısı pompasının kısa kaldığı son birkaç dereceyi tamamlayan elektrikli ya da sulu bir bataryadır.
Ne anlama geliyor: "Bu cihaz kaç dereceye kadar çalışır?" sorusunun cevabı kataloğa değil, yerleşimin kompresör zarfı üzerindeki izine bakılarak verilir.
Performans: kâğıt üstündeki COP ile sahadaki gerçek
İki yerleşimin ısıtma performansını, evaporasyon/yoğuşma sıcaklıkları ve üfleme ile birlikte okuyalım:
| Dış hava | TEvap / TCond | Üfleme | COP |
|---|---|---|---|
| 0 °C | −8,0 / 31,1 °C | 24,5 °C | 4,51 |
| −10 °C | −16,1 / 25,1 °C | 19,6 °C | 4,08 |
| −20 °C | −24,4 / 19,4 °C | 14,8 °C | 3,66 |
Tablo 2a — Ilıman iklim tasarımı (HP-HR-R): ısıtma modunda çalışma noktası, üfleme sıcaklığı ve sistem COP'si.
| Dış hava | TEvap / TCond | Üfleme | COP |
|---|---|---|---|
| 0 °C | +2,5 / 29,4 °C | 20,5 °C | 6,23 |
| −10 °C | +2,4 / 26,5 °C | 17,5 °C | 6,66 |
| −20 °C | +2,2 / 23,3 °C | 14,2 °C | 7,20 |
Tablo 2b — Soğuk iklim tasarımı (HP-HR-R-C): ısıtma modunda çalışma noktası, üfleme sıcaklığı ve sistem COP'si.
Kâğıt üstünde ılıman iklim tasarımı da makul bir COP veriyor. Ancak bu değerler kararlı (steady-state) çözümden gelir. Gerçekte ılıman iklim tasarımı, düşük dış havada evaporatörünü sürekli buzlandırıp kompresörünü dur-kalk yaptığı için bu COP'leri sürdüremez.
Soğuk iklim tasarımının değerleri ise fiilen elde edilebilir. TEvap +2,5 °C'de sabit kaldığı için kompresörün aştığı sıcaklık farkı (lift) küçük kalır ve rotor, ısıtma yükünün büyüyen kısmını üstlenir. COP değerleri, rotorun pasif ısı geri kazanımını da içeren sistem COP'sidir; salt kompresör COP'si değildir.
Ne anlama geliyor: COP'yi "kâğıt üstü" ve "saha" olarak ayırmak gerekir. Soğuk iklim tasarımı zaten daha yüksek COP verir ve bu değerleri fiilen sürdürebilir. Ilıman iklim tasarımının kâğıttaki makul COP'si ise düşük dış havada dur-kalk nedeniyle elde edilemez; bu yüzden gerçek fark, tablodaki farktan da büyüktür.
Yaz tarafı: soğuk iklim tasarımının iki işletme modu
Soğuk iklim tasarımının yaz davranışını okumak için iki işletme modunu ayırmak gerekir. Bu yerleşimde rotor ve kompresör yaz modunda birlikte verimli çalışamaz. Kompresör çalıştığında, dönüş hattındaki rotorun üzerinden kondenserden çıkan sıcak hava (≈ 43,5 °C) geçer. Taze hava ile arasında sıcaklık farkı kalmadığından rotor işlevsizleşir.
30–45 °C dış hava aralığında üç işletme durumu şöyle:
| Dış hava | Ilıman (rotor + komp.) | Soğuk: yalnız rotor | Soğuk: komp. açık |
|---|---|---|---|
| 45 °C | 19,95 °C / 13,78 kW | 27,1 °C / 2,71 kW | 31,26 °C / 12,61 kW |
| 40 °C | 18,26 °C / 13,04 kW | 26,5 °C / 2,72 kW | 26,91 °C / 12,21 kW |
| 35 °C | 16,79 °C / 12,34 kW | 25,8 °C / 2,72 kW | 22,67 °C / 11,81 kW |
| 30 °C | 15,66 °C / 11,74 kW | 25,0 °C / 2,73 kW | 18,54 °C / 11,43 kW |
Tablo 3 — Yazın üç işletme modunda üfleme sıcaklığı / toplam elektrik gücü (30–45 °C dış hava).
Rotor geri kazanımı, ılıman iklim ve yalnız-rotor modlarında eşittir: 45 °C → 108,7 kW · 40 °C → 74,8 kW · 35 °C → 44,9 kW · 30 °C → 19,0 kW. Kompresör-açık modda rotor katkısı sıfırdır.
Tablo ve grafik, yaz davranışında işletme modu ile dış havanın birlikte belirleyici olduğunu gösteriyor:
- Yüksek dış havada (≈ 45 °C): Soğuk iklim tasarımında yalnız rotor modu hem daha düşük üfleme (27,1 °C) hem çok daha düşük güç (2,71 kW) verir. Kompresörü çalıştırmak rotoru işlevsiz bırakır; güç artar ve üfleme ısınır (31,26 °C). En sıcak günlerde akıllıca mod yalnız rotordur, yani bir serbest soğutma (free cooling) davranışı.
- Orta dış havada (≈ 30–35 °C): Kompresör-açık mod daha derin soğutma sağlar (35 °C'de 22,67 °C, 30 °C'de 18,54 °C üfleme). Yalnız rotor bu bantta ancak ~25 °C'ye iner.
- Geçiş ≈ 40 °C civarındadır: İki mod benzer üfleme verir; seçim, güç tüketimi lehine yalnız rotordan yana kayar.
Her koşulda ılıman iklim tasarımı en düşük üflemeyi sağlar, çünkü rotor ön-soğutması ile kompresörü aynı anda kullanır. Özetle soğuk iklim tasarımı, sıcak günlerde bir serbest soğutma cihazı gibi çalışır. Setpoint'e kadar derin mekanik soğutma gereken sıcak iklimlerde ılıman iklim tasarımı daha uygundur.
Ne anlama geliyor: Yaz için "tek doğru mod" yoktur. Cihaz, dış hava ve konfor hedefine göre yalnız-rotor (ekonomik/serbest soğutma) ile kompresör-açık (derin soğutma) arasında yönetilmelidir.
Pratik çıkarım
- Isıtma yükü baskın / soğuk iklim (Nordik ülkeler vb.): Soğuk iklim tasarımı tercih edilmeli. Kompresör en düşük dış havada bile dur-kalk yapmadan çalışır; yazın rotor serbest soğutma sağlar. Üfleme, ekipman seçimine göre değişmekle birlikte kabaca −10 … −15 °C dış hava altında konfor bandının altına iner; bu banttan sonrası için bir son ısıtıcı (trim ısıtıcı) planlanmalı.
- Soğutma yükü baskın / ılıman iklim (Türkiye'nin çoğu bölgesi): Ilıman iklim tasarımı tercih edilmeli. Rotor ve kompresör yazın birlikte çalışıp derin soğutma sağlar; bu bölgelerde kış defrost yükü sınırlı kalır.
- Minimum çalışma sıcaklığı bir katalog sayısı olarak değil, yerleşimin sonucu olarak değerlendirilmeli. Cihaz seçiminde TEvap eğilimi sorulmalı.
Tek cümle ders: Soğuk iklimde ısı geri kazanımın sınırını kompresörün gücü değil, evaporatör yüzeyinin sıcaklığı belirler; evaporatörü ham dönüş havasıyla besleyen bir yerleşim kurduğunuzda, kompresör en düşük dış havada bile dur-kalk yapmadan çalışır.
Kaynaklar
- Systemair, Geniox HP – Integrated reversible heat pump and rotary heat exchanger (ürün broşürü), 2024, https://a.storyblok.com/f/108972/x/aa7e39befa/systemair-geniox-hp-brochure_20240508_.pdf
- Swegon, GOLD RX/HC – Function Guide, t.y., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/9295-en-funkrxhc_functionguide_en.pdf
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible heat pump, 2024, https://www.enawent.pl/files/39/2024_1_ThermoCooler_HP_en.pdf
- Eurovent Certita Certification, AARE – Air-to-Air Regenerative (Rotary) Heat Exchangers (sertifikasyon programı), t.y., https://www.eurovent-certification.com/en/third-party-certification/certification-programmes/aare
- ASHRAE, ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, "Air-to-Air Energy Recovery Equipment" bölümü, t.y., https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
- Wood, L.A., The use of dew-point temperature in humidity calculations, Journal of Research of the National Bureau of Standards – C, 74C(3–4), 117, 1970, https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/74C/jresv74Cn3-4p117_A1b.pdf
- Eurovent AISBL/IVZW, Eurovent 6/18 – Quality criteria for Air Handling Units (First edition), 2022, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/eurovent-rec-6-18-quality-criteria-for-air-handling-units-2022-en-2.pdf
- Danfoss, PSH heating-optimized scroll compressors – Application Guide (PSH019–PSH039), t.y., https://assets.danfoss.com/documents/latest/525181/AB492637854347en-000301.pdf
- HVACinOne, HVAC seçim ve hesap yazılımı – cihaz teknik çıktıları (8000 m³/h tersinir HPHR), 2026