Alan verisi ve makine öğrenimi kullanarak bir yerden ısı geri kazanımlı toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin sürdürülebilir performans iyileştirilmesi

Gömülü ısının daha iyi kullanılması neden önemli

Şehirler binaları daha temiz yollarla konforlu tutmanın yollarını ararken, yeraltındaki sabit sıcaklıktan yararlanan sistemler ilgi çekiyor. Bu toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri, standart klimalar ve kazanlara göre enerji tüketimini azaltabiliyor; ancak sıcak yazların yaşandığı bölgelerde gizli bir sorunla karşılaşıyorlar: zamanla toprağa daha fazla atık ısı veriliyor, bu da zemini yavaşça ısıtarak verimi düşürüyor. Bu çalışma, yeraltı ısı birikimini azaltmakla kalmayan, yaz aylarındaki atık ısını kullanışlı sıcak suya dönüştüren yeni bir tasarımı; gerçek saha verileri ve modern makine öğrenimi araçlarıyla yönlendirilmiş biçimde inceliyor.

Binaları soğutup suyu ısıtmanın daha akıllı yolu

Araştırmacılar, yazları sıcak ve kışları soğuk bir Çin kentindeki büyük bir sanayi binasında ısı geri kazanımlı bir toprak kaynaklı ısı pompası (HRGSHP) test ettiler. Normal bir toprak kaynaklı sistem gibi, yeraltında derin dikey borulardan su dolaştırarak ısıyı emiyor veya reddediyor. Fark ise her ısı pompası ünitesinin paralel düzenlenmiş iki kondenser içermesi. Bir dizi vana ile sistem, istenmeyen ısıyı ya toprağa gönderebiliyor ya da uzay ısıtması, nem alma yeniden ısıtması veya kullanım sıcak suyu gibi amaçlar için sıcak su üretmek üzere yakalayabiliyor. Yazın, soğutma ihtiyacı yüksek olduğunda ve sıcak su da faydalı olduğunda, bu tasarım aynı makinenin iç mekanları soğuturken aynı zamanda 50 °C su sağlamasına olanak tanıyor.

Sistem mevsimler boyunca nasıl çalışıyor

Yaklaşık üç yıllık işletme süresince sistem dört temel mod arasında geçiş yaptı. Saf soğutma modunda, geleneksel bir toprak kaynaklı soğutucu gibi çalıştı; ısıyı yeraltı döngüsüne gönderirken binaya soğutulmuş su sağladı. Soğutma artı sıcak su kombinasyonu modunda, ısının bir kısmı toprağa, bir kısmı ise sıcak su tankına gitti. Ayrıca ılık mevsimlerde yalnızca sıcak su modu ve kışın yeraltı döngüsünün ısı kaynağı olarak hareket ettiği ve sistemin uzay ısıtması için sıcak su sağladığı ısıtma modu vardı. Vanaların konumunu, su akışını ve kompresör kapasitesini ayarlayarak sistem, ayrı kazanlar veya soğutma kuleleri eklemeden değişen dış hava ve iç talebe uyum sağladı.

Saha verilerinin yıllarca açığa çıkardıkları

Ekip, sıcaklıkları, akış hızlarını, güç kullanımını, toprak koşullarını ve hava durumunu sürekli kaydederek iki yüz binden fazla veri noktası topladı. Bu ölçümler, yoğun soğutma altında bile 150 m derinlikteki ortalama toprak sıcaklığının üç yıl içinde yalnızca yaklaşık 0,45 °C yükseldiğini gösterdi; bu, benzer iklimlerdeki standart toprak kaynaklı sistemler için bildirilen artışlardan çok daha az. Bununla birlikte, gerçek kurulumun genel verimi laboratuvarda belirtilen değerlerden daha düşüktü; kısmen pompaların genellikle gerekenden fazla su pompalaması ve sistem boyunca küçük sıcaklık farkları oluşturarak elektriğin israfına yol açması bunun nedenlerindendi. Mevsimsel eğilimler de gözlendi: zeminin kademeli ısınması soğutma verimini hafifçe düşürürken, yeraltı ısı kaynağının sıcaklığını yükselterek kış ısıtmasını iyileştirdi.

Algoritmalara ayar yaptırmak

Mevcut donanımdan daha fazla performans elde etmek için yazarlar veri odaklı bir optimizasyon çerçevesi kurdular. Sistem verim göstergelerinin dış ortam sıcaklığı, su sıcaklıkları ve akış hızları gibi koşullara nasıl tepki verdiğini öğrenmek üzere bir tür sinir ağı kullandılar. Bir genetik algoritma en iyi iç ayarları aradı ve TOPSIS olarak bilinen bir karar yöntemi, ısı pompasının kendisi ve tüm tesis için ayrı ölçütler de dahil olmak üzere birden çok hedefi aynı anda dengeledi. Bu sanal test yatağı, sıcaklıklar ve akışlar için gerçekçi sınırları korurken elle denemenin pratik olmadığı birçok işletme kombinasyonunu keşfetmelerine izin verdi.

Enerji tasarrufları ve pratik karşılığı

Optimum ayarları modellerine uyguladıklarında sonuçlar çarpıcıydı. Ortalama olarak, tüm sistem için kış ısıtma performans ölçümleri yüzde 27’ye kadar iyileşirken, yaz soğutma performansı yaklaşık yüzde 21 geliştirildi. Aynı zamanda analiz, elektrik kullanımının yaklaşık beşte biri kadar azalabileceğini ve tesisin mevcut işletme şeklinde karşılaştırıldığında işletme maliyetlerinde tahmini yüzde 19’luk bir düşüşe yol açabileceğini gösterdi. Önemli olarak, bu kazanımlar yeni ekipman gerektirmiyordu; yalnızca veri odaklı yöntemle yönlendirilen farklı su sıcaklığı ve pompa hızı seçimleri gerekiyordu.

Geleceğin binaları için anlamı

Uzman olmayan biri için çıkarılacak ders, yeraltı ısı pompası sistemlerinin kendi atık ısısını yeniden kullanarak ve daha akıllıca çalıştırılarak hem daha temiz hem de daha maliyet etkin hale getirilebileceğidir. Test edilen tasarım, zeminin aşırı ısınmasını önlüyor, ayrı ısıtma ve soğutma cihazlarına olan bağımlılığı azaltıyor ve makine öğreniminin işletmecilerin insan deneme-yanılmasının gözden kaçırabileceği tatlı noktaları bulmasına yardımcı olabileceğini gösteriyor. Ayrıntılı yaşam döngüsü maliyetlerinin dahil edilmesi ve başka bina türlerinde testler yapılması için daha fazla çalışma gerekl olsa da, bu çalışma gömülü boruları ve dijital modelleri gerçek enerji tasarrufuna dönüştürmek için pratik bir yol sunuyor.

Atıf: Cui, Y., Chong, W.T., Varman, M. et al. Sustainable performance enhancement of a heat recovery ground source heat pump system using field data and machine learning. Sci Rep 16, 15271 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45353-z

Anahtar kelimeler: toprak kaynaklı ısı pompası, ısı geri kazanımı, bina enerjisi, makine öğrenimi, HVAC optimizasyonu