MİNİ ve FORE kazıklar vasıtasıyla topraktan enerji alınması

Hazırlayan : Dr.Mak.Müh Osman Pezükoğlu / Form Grup Genel Koordinatörü

Binaların inşasında  temel altına veya inşaat alanının etrafına çakılan kazıklar sadece temelin taşıma kapasitesinin arttırılmasında   veya inşaat alanının  etrafındaki toprak yapısının desteklenmesinin  ötesinde,  binanın  toprak kaynaklı ısıtma - soğutma  ihtiyacının  bir kısmının karşılanmasında  da  kullanılabilir. Bu  şekilde  kullanılan kazıklara “ enerji kazıkları” adı verilmiştir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Enerji kazık uygulamaları 1980 yıllarından beri  artarak uygulanmaktadır. Bu teknoloji  “enercret” olarak da adlandırılmaktadır. Avusturyalı Naegelebau firması ilk uygulayandır.

Fore kazıklar , projesine göre  değişik çaplarda  ve 30 - 60 metre derinliklerde  olabilir. Daha küçük çaplarda ve derinliklerde olan kazıklara , örneğin 30-50 cm çapta ve 15-20 metre derinlikte olan kazıklara mini kazık adı verilir ve bunlardan da enerji  almak mümkün olabilmektedir.   Aslında  gerek mini kazıklar ve gerekse fore kazıklar , topraktan enerji almak maksadıyla  uygulanmazlar. Bu kazıklar tamamen inşaatın gereği olarak imal edilir  ve  uygulanırlar ve hazır  uygulanmışken  ayni zamanda topraktan  enerji  almak için de istifade edilir.

 

 

 

 

Şekilde 1 ve 2 de  görüldüğü üzere  kazıkların demir donatısı , kendisi için açılan kuyuya  yerleştirilmeden önce  sahada hazırlanan borular kazığın demir donatısı  içine yerleştirilir , bağlanır ve birlikte kuyuya indirilir.        

Boru devresi lineer şekilde kazık boyunca,   kazık çapına göre örneğin 4-6  kez kazık tabanına kadar indirilip çıkarılabilir   veya    Şekil-3 deki gibi    demir donatının  çapında helezon şeklinde  ve  donatının iç  çeperine monte edilebilir.  Boru malzemesi  olarak genellikle PE100  kullanılır.  Borular uygulama sırasında  maruz  kalacağı dış etkenlere karşı örneğin ezilmeye veya çentik etkisine karşı mukavim olmalıdır. 

Demir donatıya bağlanan boruların  içinde  su  sirküle eder. Bu şekilde bina ile  kazıklar ve dolasıyla toprak arasında enerji  transferi sağlanır.  Boru içinde sirküle eden su sıcaklığı ile toprak sıcaklığı arasındaki farktan dolayı enerji binadan toprağa veya topraktan binaya geçer.  Mevsimlere göre , örneğin yaz mevsiminde  binadan toprağa enerji depolaması yapılır, kış mevsiminde de bu defa topraktan binaya enerji transfer edilir . Boruda sirküle eden su veya akışkan , binanın ısıtma ve soğutması için kullanılan klima cihazlarının  yaz mevsiminde kondenserinden atılan ısıyı toprağa taşırlar yani binadan toprağa ısı taşırlar ,  kış mevsiminde bu defa   topraktan binaya ısı taşırlar. Toprak,  depolanan  ısıyı bünyesinde bir müddet dağıtmadan muhafaza edebilir.

Toprak ile yapılan ısı alışverişi gelişi güzel olmamalıdır. Yaz ve kış mevsimlerinde toprağa atılan  ve topraktan çekilen ısı miktarlarının eşit olmasına dikkat edilmelidir. Aksi takdirde toprağın bozulmamış sıcaklık değeri aşağıya veya yukarıya doğru artış  gösterir ki bu da bir müddet sonra ısı transferini yapılamaz hale getirebilir .

Kazıklardaki boru devresi , birbirini  termal yönden etkilemeyen,  daha  az pompa gücü gerektiren (düşük basınç kaybı)  ve  daha basit bir şekilde  saha kolektörlerine bağlantısı yapılacak şekilde tasarlanmalıdır.  Ayrıca enerji kazıklarının oluşturulmasında  iksa  kazıkları arasında  örneğin en az 1 veya 2 kazık çapı mesafesi kadar bir aralık bırakılması, enerji kazıklarının birbirlerini etkilememesi açısından uygun olur.  Enerji kazıklarının kapasitesi , kazık etrafındaki toprağın sıcaklığına, toprak yapısına, toprağın termal geçirgenliğine , yer altı sularına, toprağın nemine,  vs  bağlı olarak değişir. Yaklaşık 1 metre çapında  ve ortalama 30 metre derinlikte olan  bir enerji kazık dikkate alındığında , bundan alınacak  kapasite   yaklaşık 1,0 - 1,50  KW olabilir. Enerji kazıklarının çaplarına, derinliklerine , kullanılan boru şekline  vs. göre kapasiteleri  hakkında önceden yapılmış projelerde  sayısal değerlere ulaşmak mümkün olamamaktadır.  Bu hususta daha ziyade muhtelif ülkelerde yapılmış yapılarda kullanılan kazık sayısı ve  yaklaşık  bina ısıtma veya soğutma yükleri ile ilgili yaklaşık bilgiler verilmektedir. 

Temel elemanlarının optimize edilmiş tasarımları için termal respons testleri yapılması en iyi yoldur ve gereklidir.   Yapıların temel elemanlardan istifade ederek   ısıtma ve soğutma yüklerinin karşılanması binada işletme masraflarının kısılması ve işletmenin çevreye olan etkisini minumuma düşürülmeleri açısından önemlidir. Enerji kazıklarında termal testler yapılırken ,  2-3 kazık birden bir kolektörle bağlanarak birlikte test edilebilir.

Testin gayesi  enerji kazığının  ısı enjeksiyon değerini ( W/m ) tespit edebilmektir. Bu değerin, test sonucunda  elde edilmesi halinde, kazıklar yoluyla topraktan  ne kadar enerji alınabileceği konusunda daha hassas bir yaklaşım elde edilebilir. 

PE borular kazıkların demir donatısına monte edildikten sonra basınç testine tabi tutulur. PE borularda kaçak olmadığı tespit edildikten sonra  demir donatı   yuvasına indirilir. Kazıkların betonu dökülmeden evvel  borulara 10 bar basınç uygulanır . Beton döküldükten sonra  borular beton  katılaşıncaya kadar   basınç altında tutulur . Borular , kazık uçlarından kolektörlere taşınırken  inşaat faaliyetleri dolayısıyla zedelenmemesine azami dikkat edilmeli , borular her evrede su basınç testine tabi tutulmalı, gömülü kalacak boru devrelerinde hava oluşmayacak tarzda tasarım yapılmalı, boru  çapları  25- 32 -40 mm nominal  çaplarda olabilir.  Temel altında kalan kazıklardan PE boruları kolektöre taşımak , iksa kazıklarına uygulanan boruların kolektöre taşınmasına göre daha kolaydır.

 

 

 

 

 

 

Saha kolektörleri , inşaat tamamlandıktan sonra da ulaşılabilir olmalı, Kolektörlerde kesme  vanası , hava atma pürjörleri ,  debi kontrol vanaları olmalıdır.  Saha kolektörlerinden (ara kolektörler) mekanik  odada tesis edilecek ana kolektöre  kadar boru yolları  tasarlanırken inişli  çıkışlı  olmamasına dikkat edilmeli.

 

 

 

 

 

 

 

Şekil-6 da , kazıklara giden ve kazıklardan dönen boruların  kümelenerek  kolektör noktasına taşınmasını göstermektedir.  İksa kazıklarından , PE boruları kolektör noktasına kadar taşıma aşamasında, boruların hasar görmemesine azami dikkat etmeli ve boru güzergahı iyi tasarlanmalıdır.  

Toprak kaynaklı ısı pompası uygulamasında , toprak tarafı eşanjör devresinin oluşturulmasında esas itibarıyla  iki  yöntem uygulanmaktadır.  Bunlar yatay  ve dikey borulamadır.

 

 

 

 

 

 

 

 

Yatay borulamada , toprağın yaklaşık 1,20 – 2.0 metre altında , lineer veya slinky şeklinde boru devreleri oluşturulmakta  ve üzeri toprakla örtülmekte . Dikey borulamada ise 18-20 cm çapında 125-150 metre derinlikte  sondaj kuyusu açılıp içine boru devresi yerleştirilmektedir. Her iki metodun avantaj ve dezavantajlı olduğu hususlar vardır. Dikey borulamada sondaj faaliyeti proje maliyetinin  önemli bir kısmını kapsamaktadır. Bu yüzden yani yüksek sondaj maliyetlerinden dolayı  vazgeçilen projeler olmaktadır. Yatay borulamada toprak kazılması sondaja göre nispeten daha ehven maliyetlerle yapılabilmektedir. Ancak  ayni kapasite için yatay borulamada  3-4 kat daha fazla alana ihtiyaç duyulmaktadır. Uygulama sahasında  zemin  kaya ise yatay borulama imkanı hiç yoktur. 

İşte bu kısıtlar dolayısıyla , fore kazıklı  bir yapıda ,  zaten inşaatın gereği olarak yapılmakta olan kazıklar sayesinde  toprağın enerjisinden istifade etme  fikri  günümüzde  yaygınlaşmaktadır. Bugün , örneğin  ısıtma- soğutma yükü  toplam 1.500-2.000 KW/h seviyelerinde olan bir binanın , temel altında  ve/veya  çevresinde uygulanacak  enerji kazıkları vasıtasıyla topraktan  alacağı enerji  , binanın toplam enerjisinin %10 ‘u cıvarında bile olsa  bu  hiç de küçümsenmeyecek  bir katkıdır.  Türkiye’de her sene buna benzer  projeler  hayata geçirilse , topraktan kaşılanacak   binlerce  KW  enerji   önemli oranda CO2 emisyonunun   önlenmesine katkı koyabilir.