Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun

www.tubiad.org
ISSN:2148-3736
El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi
Cilt: 2, No: 1, 2015 (21-39)
El-Cezerî Journal of Science and
Engineering
ECJSE
Vol: 2, No: 1, 2015 (21-39)
Makale / Research Paper
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun
Termodinamik Değerlendirmesi
Murat ÖZTÜRK*
Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, 32200
Isparta/TÜRKİYE, [email protected]
Received/Geliş: 18.07.2014
Revised/Düzeltme: Accepted/Kabul: 25.11.2014
Özet: Bu çalışmanın ana çıktıları iki gruba ayrılabilir, i-) düşük enerji ve ekserji içerikli toprak kaynaklı ısı
pompası sistemi olan güç üretim tesisinden bina kabuğuna doğru olan ısı akımına enerji ve ekserji analizini
uygulamak ve toplam bina yapısında enerji kullanımı ile ilgili mümkün olan iyileştirmeleri yapmak, ii-) ekserji
analizi ile ısıtma ve sıcak su üretimini sağlayan toprak kaynaklı ısı pompası sistemini değerlendirmektir. Tüm
bunlara ek olarak binanın enerji ve ekserji akımları birincil enerji kaynağından bina diş kabuğuna doğru
incelenmiştir. Tüm sistemdeki ekserji yıkımları sayısal olarak belirlenmiş ve tablolar halinde sunulmuştur.
Önemli bir tasarım parametresi olarak dış ortam sıcaklığının -15 °C’den 20 °C’ye kadar değişmesi durumunda ve
günlük ortalama güneşlenme şiddetinin 100 W/m2’den 500 W/m2’ye değişmesi durumunda entegre sistemin
performansının nasıl değiştiğini göstermek için parametik bir çalışmalar sunulmuştur. Bu çalışmada sunulan
enerji ve ekserji analizine göre, toprak kaynaklı ısı pompası sistemi binanın iç hacimlerinin ısıtılmasında ve sıcak
su üretimde kullanılabilir.
Anahtar kelimeler: Binalarda enerji akımı, toprak kaynaklı ısı pompası, enerji ve ekserji analizi.
Thermodynamic Assessment of the Ground Source Heat Pump Heating
Option for Buildings
Abstract: The main objective of this paper should be divided two main topics, i-) to apply the energy and exergy
analyses to a low energy and exergy heating system from the power plant through the ground source heat pump
system to the building envelope and to find possibilities for further improvements in energy utilization in the
overall building system, ii-) to consider the ground source heat pump system based heating and production of
warm water via the exergy analysis view point in detail. Energy and exergy flows in the structures of the building
are also investigated from the primary energy source to the building envelope. Exergy destructions in the overall
system are quantified and illustrated via tables. Parametric studies are illustrated for investigating of the
integrated system performance by the change in the important design parameters as the ambient temperature
from -15 °C to 20 °C, and the monthly average daily global solar radiation from 100 W/m2 to 500 W/m2. Based
on the energy and exergy analyses, the ground source heat pump system should be used for the building to heat
the space as well as hot water.
Keywords: The energy flow in the building, ground source heat pump, energy and exergy analysis.
Bu makaleye atıf yapmak için
Öztürk, M, “Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun Termodinamik Değerlendirilmesi” El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi 2015,
2(1); 21-39.
How to cite this article
Ozturk, M., “Thermodynamic Assessment of the Ground Source Heat Pump Heating Options for Buildings” El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 2015,
2(1); 21-39.
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
1. Giriş
Enerji insanoğlunun birincil ve ikincil ihtiyaçlarını karşılamada gereksinim duyduğu en önemli
olgudur. Bu gereksinim günümüze kadar farklı kaynaklardan karşılanmıştır. Son yüz-yüzelli yılı
dikkate aldığımızda ise; kömür, petrol ve doğalgaz gibi fosil kökenli yakıtlar bu ihtiyaçları
karşılamada temel kaynak rolünü üstlenmiştir [1]. Dünyadaki enerji ihtiyacı; nüfus artışı,
sanayileşme ve yeni ihtiyaçlarla hızla artmaktadır. Buna karşın günümüz dünyasının temel enerji
kaynağı olan fosil yakıtlarda artış olmamakta, yani kaynakların ihtiyaçları karşılayamadığı bir
noktaya doğru hızla gidilmektedir. Alternatif enerji kaynaklarına geçişteki en önemli neden fosil
yakıtların sınırlı olması yanında, ekolojik çevreye verdikleri telafisi güç zararlardır. Son yıllarda
yoğun hava kirliliği, sel, fırtına ve doğal afetlerin artışında etkili olmakta, yükselen yerküre
ortalama sıcaklığı ile beraber buzullarda erimeler oluşmaktadır. Yani çevresel faktörler de farklı
uyarılarla alternatif yakıtları gündeme taşımaktadır.
Enerjinin sadece niceliğinin değil aynı zamanda kalitesinin de (Ekserji: enerjinin nitelikli işlerde
kullanıla bilir bölümü) bilinmesi de sürdürülebilir enerji çalışmaları için gereklidir [2]. Bu amaca
yönelik yenilikçi teknolojilerin ve yöntemlerin, enerji kaynaklarının güvenli kullanım tekniklerinin,
enerjinin akıllı ve verimli kullanımı yanı sıra enerji kayıplarının en aza indirilmesi için yeni yöntem
ve teknolojilerin araştırılması gerekmektedir [3].
Hepbaşlı ve Balta [4], binaları ısıtmanın ve soğutmanın çok verimli bir yolu olan jeotermal ısı
pompası olarak da bilinen toprak kaynaklı ısı pompalarının kullanım potansiyelini düşük sıcaklıklı
jeotermal kaynaklardan ısı enerjisi elde etmek için incelemişlerdir. Çalışmalarında jeotermal
rezervuara yaklaşık bir değere sahip olan düşük sıcaklıklı jeotermal kaynak kullanarak, bir ısı
pompası sisteminin modellemesi ve performans değerlendirmesiyle ilgili sonuçları sunmuşlardır.
Enerji ve ekserji analiz metotları deneysel sonuçlara dayanan sistem performansını değerlendirmek
için kullanılmıştır. Ekserji yıkımlarını, enerji ve ekserji verimliliği ilişkileri ısı pompası ünitesinin
her bir bileşeni için ve bütün sistem için sunmuşlardır. Aynı zamanda, yakıt tüketim oranı, bağıl
tersinmezlik, verimlilik eksikliği, ekserjetik faktörü ve gelişme potansiyel gibi bazı termodinamik
parametreler sistem için araştırılmışlardır.
Balta ve diğerleri [5], çalışmalarında binalar için toprak kaynaklı ısı pompasıyla elektrik
üretiminden elde edilen düşük ekserjili ısıtma sisteminin değerlendirilmesini ve ekserjetik analiz
sonuçlarını sunmuşlardır. Kullanılan metodoloji, Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) tarafından
binalarda enerji dönüşümü ile ilgili oluşturulan ön tasarım analiz temellerine dayandırmışlardır.
Analizlerin uygulama yeri olarak 35 m2’lik bir alan ve 105 m3’lük bir hacme sahip odada
yapmışlardır. Odanın iç ve dış sıcaklığını sırasıyla 20oC ve -15oC olarak ölçmüşlerdir. Isı üretmek
için kullanılan ısı pompası sisteminin maksimum sıcaklığı 55oC olacak şekilde tasarlamışlar ve
uygulama testlerini yapmışlardır. Sisteme toplam ekserji girdisini 7,93 kW olarak hesaplamışlar ve
en büyük ekserji yıkımını 5,31 kW ile ilk enerji dönüşümünden meydana geldiğini bildirmişlerdir.
Enerji ve ekserji akışlarını bina duvarları için birincil enerji kaynağından geliştirmişler, tüm
sistemdeki ekserji yıkımını hesaplamış ve örneklerle açıklamışlardır. Enerji kaybının büyük kısmı
bina duvarlarından olmasına rağmen, enerji çevre koşullarında hiçbir potansiyel iş yapma becerisine
sahip olmadığını belirtmişlerdir. Bu yüzden bütün ekserjinin tüketildiğini ifade etmişlerdir. Aynı
zamanda, bugünkü teknoloji ile düşük ekserjili evler inşa etmenin mümkün hale geldiğini, iyi bir
sistem tasarımı ve dikkatli bir proses planıyla bu amacın başarıya ulaşmasının mümkün olduğunu
belirtmişlerdir.
Bi ve diğerleri [6], binaların ısıtma ve soğutma uygulamaları için toprak kaynaklı ısı pompası
sistemini oluşturan tüm alt bileşenlerin ve sistemin kapsamlı bir enerji ve ekserji analizini
sunmuşlardır. Sunulan çalışmanın ana amacı anahtar rol üstlenen potansiyel enerji tasarrufuna sahip
bileşenlerin belirlenmesidir. Ekserji kaybı, ekserji verimliliği, ekserji kayıp oranı, ekserji kayıp
22
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
katsayısı ve termodinamiksel mükemmellik derecesi analitik formüllerini sırasıyla elde etmişlerdir.
Zemin ısı değiştiricisi alt sisteminin minimum ekserji verimliliğine ve termodinamiksel
mükemmellik derecesine sahip olduğunu, tüm sistem içinde en fazla ekserji kayıp oranının ise
kompresörde olduğunu göstermişlerdir. Aynı zamanda sunmuş oldukları sonuçlara göre, ısıtma
modunu oluşturmak için kullanılan toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin ekserji kaybı, soğutma
moduna göre daha büyük olduğu görülmüştür.
Kalıncı ve diğerleri [7], çalışmaların da jeotermal ısıtmalı binanın ekserjetik performans
değerlendirmesini sunmuşlardır. Analizde kullanılan binanın hacmi 1147,03 m3 ve 95,59 m2 net
taban alanına sahiptir. Tasarım çalışmaları yapılan bina için iç ve dış hava sıcaklıklarını sırasıyla 20
°C ve 0 °C olarak belirlemişlerdir. Isıtma sistemine 3,2 bar ve 72 °C sıcaklığında çalışma sıvısı
enjekte edilirse ise 6 ile 8 bar arasında ısı üretimi için kullanılan basınçta 100 ile 122 °C arasında ki
bir sıcaklıkta ve 54,73 kg/s bir kütle akış hızına sahip jeotermal ısıtma sisteminin elde edileceğini
belirtmişlerdir. Enerji ve ekserji akımlarını genelde sistemde ki ekserji yıkımlarını ölçmek ve
göstermek için incelemişlerdir. Sisteme toplam ekserji giriş hızını 9,92 kW olarak bulmuşlar ve en
büyük ekserji yıkım oranını da 3,85 kW olarak birincil enerji dönüşüm sisteminde gerçekleştiğini
bildirmişlerdir.
Yıldız ve Güngör [8], binaların hava ısıtma prosesleri için enerji ve ekserji analizlerini
sunmuşlardır. Çalışmanın tamamında, ısı kayıp ve kazanım hesaplamalarını Avrupa Standartları ile
uyum içinde olan Türk Standartları Enstitüsüne (TSE) kurallarına bağlı olarak yapmışlardır.
Analizlerde ısı yükünü hesaplanmışlar fakat soğutma yükünü ihmal etmişlerdir. Analizlerini
değerlendirmek için kullanılan örnek bina 240 m2’lik alana ve 720 m3’lük hacme sahiptir. Binanın
iç ve dış sıcaklıkları sırasıyla 20oC ve 0oC olarak almışlardır. Ofisin, sıvı doğal gaz (LNG)
konvansiyonel kazan, LNG yoğuşmalı kazan ve bir dış hava kaynaklı ısı pompası yardımıyla
ısıtıldığını kabul etmişlerdir. Yaptıkları çalışmada enerji ve ekserji akımlarını araştırmışlardır. Tüm
sistemdeki enerji ve ekserji kayıplarının miktarlarını belirlemişler ve örneklerle açıklamışlardır.
Enerji ve ekserji bakımından en yüksek verim değerlerini dış hava kaynaklı ısı pompası için % 80,9
ve LNG yoğuşmalı kazan için % 8,69 olarak bulmuşlardır. Sunulan çalışmadaki analiz ve örneklere
bağlı olarak tek başına enerji dönüşüm sisteminin enerji kullanım süreçlerinin önemini tamamen
anlamamızda yetersiz olduğunu göstermiştir. Bu yüzden Termodinamiğin 1. ve 2. yasalarını temel
alan ekserji analiz metodu, binalarda enerji akışının tasarımını daha iyi anlaşılması için
sunmuşlardır. Enerjinin bir kısmı bina duvarlarından kaybolurken, bir kısmının kaldığı ama
ekserjinin tamamı bina duvarında tüketildiğini belirlemişlerdir. Maksimum ekserji kaybının ısıtma
sistemi olarak kazan sistemi kullanıldığında yanma prosesi sırasında meydana geldiğini, fakat dış
hava ısı pompası ısıtma sistemi olarak kullanıldığında, en büyük ekserji kaybının ilk enerji
dönüşümünde meydana geldiğini belirlemişlerdir. Her bir sistemin ek enerji talebi ve ekserji yükü,
sistemin ısı salınımı, dağıtımı ve ısı üretim karakteristikleri gibi alt yapı karakteristikleri tarafından
etkilendiğini bildirmişlerdir. Küresel ısınmanın etkilerinin görülmeye başladığı bu günlerde, sadece
bina duvarlarının değil, küresel enerji kullanımında büyük payı olan binaların tüm sistemleri için
enerji tüketim analizlerinin hesaplanmasının da oldukça önemli olduğunu dile getirmişlerdir.
Yücer ve Hepbaşlı [9] sunmuş oldukları çalışmada, bir ısıtma merkezinde geleneksel kazan ile
ısıtılan bir eğitim binasının ekserjetik değerlendirilmesini yapmışlardır. Isıtma sistemi binanın
başlangıç aşamasından tamamlanma aşamasına kadar incelemişlerdir. Isı kaybı hesaplamaları hem
enerji hem de ekserji analiz metotları kullanılarak yapılmıştır. Aşamalar arasındaki enerji ve ekserji
akışları optimize edilmiş bina tasarımı için bir ön tasarım aracı kullanılarak elde etmişlerdir. Enerji
ve ekserji kayıpları sistemin performansını değerlendirmek için sunulmuştur. Isıtma merkezindeki
geleneksel bir kazan ve bir odadaki fan ünitesi analiz esnasında göz önünde bulundurulmuştur.
Toplam ekserji girdi oranı 694,5 kW olarak hesaplanmıştır. Diğer yandan en büyük ekserji kaybı
333 kW olarak elde edilmiştir. Geleneksel kazan ve fan ünitesinin ekserji verimlilikleri sırasıyla %
13,4 ve % 37,6 olarak bulunmuştur. Aynı zamanda, uygun ısı kapasitesine sahip termal açıdan iyi
23
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
yalıtımlı yapı malzemelerinin bina diş kabuğuna montaj edilmesinin düşük ekserjili ısıtma
sistemlerini desteklediğini belirlemişlerdir.
Bingöl ve diğerleri [10] Termodinamiğin 1. ve 2. Yasası ve rasyonel ekserji metodu yardımıyla
doğalgaz ve içten yanmalı motorlarla ile çalışan poli-jenerasyon sistemler için geliştirilen bir
MATLAB algoritma temeline dayanan programlamayı çalışmışlardır. Bu çalışma bize en uygun
poli-jenerasyon sistemlerinde minimum emisyon salınımı, maksimum yakıt korunması için
değerlendirme ve daha iyi birtakım değerlendirme ölçütleri sunmakta ve böylece ekonomi, insan
gereksinimleri, enerji ve çevresel faktörler arasında en uygun sürdürülebilir değerlendirmenin
sonucunu verdiğini bildirmektedir. Ekserji yıkımı daha düşük olduğu zaman (ısı kayıpları geri
kazanıldığından), gizli ekserji değerinde kayda değer bir şekilde artış olduğunu belirlemişlerdir.
Çalışkan ve diğerleri [11] binalarda ısıtma uygulamaları ve performanslarının üç farklı durum
sıcaklığı için değerlendirilmesi, hassas termal enerji depolama ve birleşik termokimyasal
sistemlerin çalışmasında yeni bir entegre model sisteminin enerji ve ekserji analizlerini
çalışmışlardır. Belirtilen Sistem-A ve Sistem-B’nin tamamı toprak kaynaklı ısı pompası ısıtma
sisteminden oluşmuştur. Yerden ısıtma sistemi binanın tabanına yerleştirilmiş ve yerden ısıtma,
pompa ve enerji alıcı üniteleri ile desteklenmiştir. Sistem-A, bir termokimyasal termal ısı
depolayıcı, güneş kollektörü, ısı değiştiricisi, pompa ve sıcak su kaynağını içermektedir. Bunlara
ilaveten Sistem-B’nin bileşenleri soğuk su kaynağı termal enerji depolama sistemi ve ısı pompası
ünitesinden oluşmaktadır. Bu sistemleri binalar için gerekli olan ısıyı sağlamak için tasarlamışlardır.
Sunulan çalışmadan elde edilen sonuçlara göre akifer termal enerji depolama sistemi, ekserjetik
olarak termokimyasal termal enerji depolama sisteminden daha verimlidir.
Ekserji yönteminin bir örnek binanın ısıtma ve soğutma sisteminin analizi için uygulanmıştır [12].
Referans durumu olarak saatlik dış ortam sıcaklığı ve nemi dikkate alınarak güç üretim sisteminden
bina dış yüzeyine kadar olan ekserji akımları hesaplanmıştır. Oda havasının kimyasal ekserjisi
soğutma modunda hesaba dahil edilmiştir. Standart durum ile birlikte iyileştirmesi amaçlanan üç
durum bu çalışmada önerilen yöntem kullanılarak analiz edilmiştir. Sonuçlar bina dış yüzeyinin
yalıtımının binanın ekserji tüketimini azaltmada sıcak yaz ve soğuk kış aylarında gerekli olduğunu
göstermiştir. Yıllık toplam ekserji kaybı en fazla birincil enerji dönüşümünde ve ısıtma/soğutma
sistemlerinde olduğu ve sistemin toplam ekserji kaybının yaklaşık %80’nin buralarda gerçekleştiği
bildirilmiştir. Değişken referans durumların binanın iç koşullara nispeten yakın olduğunda dikkate
alınması gerektiğini bildirmişlerdir. Oda havasının kimyasal ekserji değeri fiziksel ekserji değerinin
yaklaşık % 12’si olduğunu, yani kimyasal ekserjinin soğutma modunda göz ardı edilmemesi
gerektiğini bildirişlerdir.
Ülkemizde binalarda tüketilen enerji miktarı toplam enerji tüketiminin yaklaşık %40’ını
kapsamaktadır. Binalarda enerji, ekonomi, çevre ve insan parametreleri bir arada bulunmakta olup
bu anlamda bir bina ülke sürdürülebilirliğinin en küçük modelini, diğer bir deyişle yapı taşını teşkil
etmektedir [13]. Bu nedenle, binaların sürdürülebilir yapıda olması ülkenin sürdürülebilirlik
yolundaki temel ilkesi ve en önemli adımı olmalıdır. Yapılan bu çalışmada, temel özellikleri belli
olan bir binanın ısı kayıpları ile güneş ve içsel olmak üzere ısı kazançlarının belirlenmesinde, ortaya
çıkan bu ısı ihtiyacının karşılanması prosedürlerinin enerji ve ekserji gereksinimlerinin
modellenmesinde kullanılan en kapsamlı yöntemlerden bir tanesi sunulmuştur.
2. Sistemin Tanıtılması
Sistem tasarımın ilk aşamasında, bina performansını göz önünde bulundurabilmek için, binanın
yapısı, kullanılan malzemeler ve teknik sistemler gibi bilgiler gereklidir. Bu tip bilgiler geometrik,
yapısal ve topolojik bilgileri içerir. Geometrik bilgiler direk olarak üç boyutlu bina formu ile
ilişkilidir. Yapısal bilgiler duvarların U-değerleri gibi bileşenlerin özelliklerini belirler. Topolojik
24
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
bilgiler bileşenlerin bağımlılıklarını kapsamaktadır. Şekil 1’de alternatif enerji teknolojilerinden biri
olan ve çevreyi kirletmeyen toprak kaynaklı ısı pompası yardımıyla ısıtıldığı kabul edilen binanın
şematiği sunulmuştur.
Şekil 1. Isıtma uygulaması yapılan ofis binasının planı
Yapılan çalışmada Türk Bina Standartlarına [14] göre yüzeylerdeki toplam ısı geçiş katsayıları
belirlenmiştir. Binanın konstrüksiyon detaylarının çeşitli girdileri Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1. İncelemesi yapılan ofis binasının önemli parametreleri
Parametre
Bina hacmi
Net zemin alanı
Alan/Hacim oranı
Pencere alanı
Tavan yüksekliği
Değer
372 m3
120 m2
0,3225 m-1
18 m2
2,8 m
Bina bölümü
Dış duvarlar
Çatı
Zemin
Dış kapı
Pencere
U-değeri (W/m2K)
0,56
0,299
0,419
3,5
2,8
Isı yüksek sıcaklıklı ortamdan düşük sıcaklıklı ortama herhangi bir cihaz gerektirmeden transfer
olur. Fakat bu prosesin tersini yapmak için bazı cihazlara gereksinim duyulur. Isı pompaları ve
buzdolapları ısıyı düşük sıcaklıklı kaynaktan alıp daha yüksek sıcaklıklı kaynağa iletir. Isı pompası
konutlarda yaygın olarak kullanılan soğutucularla aynı döngüye sahiptir. Soğutucu ve ısı pompası
arasındaki tek fark kullanım amacıdır (Hodder vd, 2002).
Isı pompaları ısıtma ihtiyacı için hem enerji verimliliği hem de maliyet verimliliği sağlar. Isıtma
sisteminin bu tipinin en önemli avantajı hacim ısıtması için ısı pompasının işletilmesi için gerekli
olan enerjiden daha az enerji tüketim değeri sunmasıdır. Gerçekte, modern elektrikli ısı
pompalarının performans katsayıları (COP) 3,5 ve 5,5 arasında değişmektedir. Bunun manası ise,
her bir kWh güç tüketimi başına, 3,5 ile 5,5 kWh ısıtma enerjisi oluşturulmasıdır (Hepbaşlı, 2011).
Bu yüksek performans avantajına ek olarak, düşük kirliliğe neden olması, hem ısıtma ve hem de
soğutma uygulamalarında kullanılabilmesi, aynı zamanda endüstriyel uygulamalarında bulunması
ısı pompalarının popülaritesini arttırmaktadır.
Şekil 2’de teorik ısı pompası sisteminin şematik sunumu verilmiştir. Isı pompası bileşenleri olan
kompresör, kondenser, kısma vanası ve evaporatörde çalışma akışkanı olarak R134a, zemin ısıtma
sistemi, tank ve pompa alt sistemlerinde ise suyun kullanıldığı kabul edilmiştir.
25
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
Şekil 2. Teorik ısı pompası ısıtma sisteminin şematik gösterimi
İncelemesi yapılan binanın ısıtma uygulaması için, toprak kaynaklı ısı pompası sistemi incelenmiş
ve bu ısı üretim sisteminin bazı önemli verileri Tablo 2’de sunulmuştur.
Tablo 2. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemi için bazı önemli tasarım parametreleri
Isı
üretim
sistemi
Toprak
kaynaklı
ısı
pompası
Verimlilik Kaynağın Kaynağın Maksimum Yardımcı Yardımcı Çevresel
(COP)
birincil
kalite
arz
enerji,
enerji, W
enerji
enerki
faktörü
sıcaklığı,
W/kWısı (Paux,HP,cons)
kesri
faktörü
(Fq,s)
°C
(Paux,HP)
(Frenew)
(Fp)
(Ts,max)
3,56
3
1
55,3
2
0
1,34
3. Genel Kabuller
Isı pompası proseslerini incelemek için aşağıda verilen kabuller yapılmıştır.
• Referans çevre sıcaklığı (To) ve basıncı (Po) sırasıyla 25 oC ve 1 atm olarak alınmıştır.
• Isı pompası sisteminin tüm prosesleri kararlı hal şartlarında bulunmaktadır.
• Sisteme olan ısı ve iş transferi sırasıyla pozitif ve negatif alınmıştır.
• Sabit spesifik sıcaklıkta hava ideal gaz gibi davranmaktadır.
• Kompresörün mekanik (komp,mek) ve kompresör motorunun elektrik (komp,elek) verimlilikleri
sırasıyla % 68 ve % 69 olarak alınmıştır. Kompresör güç girdisi 0,149 kW olduğu andaki gerçek
verilere bağlı olarak alınmıştır [15].
• Sirkülasyon pompasının mekanik (pompa,mek) ve sirkülasyon pompası motorunun elektrik
(pompa,mek) verimlilikleri sırasıyla % 82 ve % 88 olarak alınmıştır. Bu değerler pompanın
karakteristik eğrisinden elde edilmiştir [16].
4. Termodinamik Modelleme
Alternatif enerji kaynaklarından faydalı enerji üreten sistemlerin termodinamik modelleme
çalışmaları, bu sistemleri oluşturan komponentlerin enerji ve ekserji verimliliklerinin belirlenmesi,
kayıpların yeri ve miktarının belirlenmesi ile sistemlerin iyileştirilme potansiyellerinin net bir
26
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
şekilde ortaya konulması için önemlidir. Kararlı hal şartları altında işletilen sistemler için kütle,
enerji ve ekserji denge denklemleri sırasıyla aşağıdaki gibi yazılabilir.
(1)
(2)
(3)
Burada kütle debisini (kg/s), h özgül entalpiyi (kJ/kg), ısı akımını (kW),
işi (kW), ex özgül
ekserjiyi (kJ/kg),
ekserji akımını (kW),
ısı ekserjisini (kW),
işin ekserjini (kW),
ekserji yıkımını (kW), alt indisler g ve ç sırasıyla girdi ve çıktı akımlarını göstermektedir. Ekserji
analizi, incelenen prosesler yardımıyla sistemin dengeye getirilmesi ile yapılabilecek maksimum iş
miktarını sunmaktadır [17]. Isı alış verişinin ve işin ekserjisi sırasıyla aşağıdaki gibi yazılabilir.
(4)
(5)
Ekserji maddenin sıcaklık, basınç ve kimyasal yapısı olmak üzere üç özelliğine bağlıdır. Materyal
akışının ekserjisi ve özgül ekserji sırasıyla aşağıdaki gibi verilebilir;
(6)
(7)
Sunulan bu çalışmada, potansiyel ekserji
, kinetik ekserji
ve kimyasal ekserji
terimleri ihmal edilmiştir. Fiziksel ekserji veya spesifik akış ekserjisi aşağıdaki gibi
verilebilir.
(8)
Burada s özgül entropiyi (kJ/kgK) göstermektedir. Madde akışının ekserjisi aşağıdaki gibi
verilebilir.
(9)
Sistem bileşenlerinin ekserji kayıp oranları aşağıdaki gibi verilebilir.
(10)
burada
sistem bileşenlerinin ekserji yıkımlarını ve
göstermektedir [18].
tüm sistemin ekserji yıkımını
4.1. Binaların enerji ihtiyacının belirlenmesi
Birincil enerji dönüşümü olarak, yeraltında bulunan gizli ısı binada kullanılmak üzere toprak
kaynaklı ısı pompası yardımı ile uygun bir forma dönüştürülür. Üretim aşamasında enerji binanın
sınırlarından içeriye girer. Isıtma durumunu gerçekleştirmek için, enerji taşıyıcısı kondenserden
aldığı ısıyı dışarı verir. Bu çalışmada hiçbir depolama yoktur. Su bazlı sistemlerde, dağıtım sistemi
vasıtası ile ısıtma sistemine enerjiyi taşımada borular kullanılır. Isı odalara radyatör tarafından
27
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
verilir. Yapılan bu çalışmada ki öncelik bina içi konfor uygulamalarının sürdürülebilir bir şekilde
sağlanması olduğu için, bina sınırları içindeki sistemde mevcut olan ısı kayıpları ve kazanımları
Şekil 3’de gösterilmiş ve alt bölümlerde bu kazanç ve kayıplar net bir şekilde açıklanmıştır.
Şekil 3. Bir binanın dış sınırları üzerinde olduğu kabul edilen enerji ve ekserji akımları [19]
Binanın ısı gereksiniminin belirlenmesi için, temel ısı kayıplarının mutlaka hesaplanması gereklidir
[20]. Bina kabuğunda (dış cephesi) meydana gelen ısı kayıpları aşağıda detaylıca incelendiği gibi
başlıca iki gruba i-) taşınımla ısı kaybı ve ii-) havalandırma ısı kayıpları olmak üzere ayrılabilir.
Binalarda ortaya çıkan taşınım ile ısı kaybı genellikle dış duvar, tavan, zemin, pencere veya kapı
sızıntı kayıpları şeklinde olmaktadır. Tüm dış yüzeyler bina bölümlerinin dış boyutları olarak m2
cinsinden ölçülmelidir. Bu çalışmada tabakalar arasındaki ısıl termal köprüler ihmal edilmiştir.
Toplam taşınım kaybı tüm i yüzeylerinden olan kayıpların toplamı olup, aşağıdaki gösterildiği gibi
hesaplanabilir.
(11)
Burada
toplam taşınım ısı transfer hızını,
i yüzeyinden olan taşınım katsayısını
ve
i yüzeyinin taşınım alanını ve
spesifik sıcaklık düzeltme katsayısını göstermektedir.
Bina bölümleri sahip oldukları spesifik sıcaklık düzeltme faktörüne
göre ayrılmalıdır. Sıcaklık
düzeltme faktörü kullanılarak bina dış cephesinden olan tüm taşınım ısı transfer prosesleri aynı
sıcaklık farkına (mesela iç ve dış ortam sıcaklık farkına) bağlı olarak ifade edilebilir. Böylece, buna
ek olarak, binadan mesela zemine olan taşınımla ısı kayıpları bu sıcaklık farkı ve seçilen sıcaklık
düzeltme faktörü kullanılarak tahmin edilebilir. Hesaplama prosedürü kolay olduğu için sunulan
çalışmada bu yöntem seçilmiştir. Dış duvarlar, pencereler ve kapılar için, sıcaklık düzeltme faktörü
aynıdır ve 1’e eşittir. Zeninde toprağa olan sıcaklık düzeltme faktörü ise 0,6 olarak alınmıştır.
Havalandırma ile oluşan ısı kaybı hesabında hava değişim hızı
ve eğer ısı geri kazanımlı
mekaniksel havalandırma sistemi kurulduysa, ısı değiştiricisi verimi
mutlaka verilmelidir.
Havalandırma ısı kaybı
aşağıdaki ifade kullanılarak hesaplanabilir [21].
(12)
Bu çalışmada hava değişim hızı
çift camlı pencere kullanıldığı kabul edildiği için 0,4/h olarak
alınmıştır [22]. c p havanın spesifik ısısını (kJ/kgK), ρ hava yoğunluğunu
, V iç hacmi
ve
ısı değiştiricisinin verimini (%) göstermektedir. Bu çalışmada ısı değiştiricisi
28
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
kullanılmamıştır. Isı değiştiricisinin verimi sıfır olarak alınmış ve bundan dolayı binada doğal
havalandırma olduğu kabul edilmiştir.
Bina ısı kaybı hesabına benzer olarak, ısı kazanımları da ısı dengesi için yapılan ısıl denge hesabına
dahil edilmelidir. Bu ısı kazanımları güneş kazanımı ve içsel kazanım olmak üzere başlıca iki başlık
altında incelenebilir, i-) güneş ısıl kazanımı ve ii-) içsel ısı kazanımı.
Güneş kazanımı bölümü için, pencere camından geçerek içeri gelen güneş radyasyonunun ısı
enerjisine dönüştürülen kısmı aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
(13)
burada Ff pencere çerçevesi kesrini göstermektedir ve metal çerçeveler için 0,8 olarak alınabilir [23]
Aw,j özel yön için pencere alanıdır. Is,j seçilen yön için güneş radyasyonu değeridir. gj toplam
geçirme katsayısıdır ve çift camlı pencere için 0,75 olarak alınabilir. Fsh çevrede ki binaların
mümkün olan gölgeleme etkisi ve Fno cam üzerine gelen ortagonal olmayan güneş radyasyonunun
düzeltme katsayısıdır. Bu çalışmada her iki katsayıda 0,9 olarak alınmıştır. Sunulan bu çalışmada
içsel ısı kazançları ihmal edilmiştir.
Duvar dış yüzünden olan ısı kaybı, içsel kazançları ve bina içinde olan ısı kazançların hepsini
kapsayan tüm ısı akımları Termodinamiğin 1. Kanununa göre aşağıdaki gibi yazılabilir.
Isı İhtiyacı = (ısı kazanımlarının toplamı) – (ısı kayıplarının toplamı)
veya
(14)
Yukarıda verilen ısı ihtiyacı incelemeye tabii tutulan binaya ait ısı ihtiyacını göstermektedir.
Denklem (14)’de elde edilen ifade genel bir sonucu verecektir. Dolayısıyla ısı ihtiyacını diğer
binalarla karşılaştırma yapabilmek için bina alanına bölünmesi yani spesifik ısı ihtiyacının
aşağıdaki gibi tanımlanması gerekir [20].
(15)
4.2. Binaların enerji ve ekserji analizi
Denklem (16)’da verilen binanın ısıtma ekserji yükünün belirlenmesinde binanın ısı ihtiyacının
doğru bir şekilde hesaplanması önemlidir.
(16)
burada To dış ortam sıcaklığını ve Ti oda sıcaklığını göstermektedir. Bu çalışmada odalar radyatör
sistemi ile ısıtılmaktadır. Isıtma sistemindeki ekserji yükünü bulmak için her şeyden önce ısı
kayıpları hesaplanır.
(17)
burada
ısıtma sisteminin termal verimidir. Isıtma sisteminin ekserji yükü aşağıda verildiği gibi
hesaplanabilir.
29
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
(18)
burada
radyotör sistemindeki ekserji yüküdür ve aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
(19)
burada Trad radyatör sıcaklığıdır.
gibi hesaplanabilir [20].
ısıtma fazı süresince ekserji yıkımıdır ve aşağıda gösterildiği
(20)
Dağıtım sistemi durumu için, sıcak su taşıyan borulardan olan ısı kaybı aşağıdaki gibi
hesaplanabilir.
(21)
burada
dağıtım sisteminin termal verimliliğidir ve bu çalışmada 0,9 olarak alınmıştır. Dağıtım
sisteminin ekserji yükü aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
(22)
burada
dağıtım fazı süresince ekserji yıkımıdır ve aşağıda gösterildiği gibi hesaplanabilir.
(23)
Dağıtım sisteminden bina dış kabuğuna kadar olan kayıpların üretim sistemi tarafından karşılanması
gerekir. Buna bağlı olarak dağıtım sisteminin enerji dengesi aşağıdaki gibi yazılabilir.
(24)
burada FS termal güneş gücünün kesrini ve
ise torak kaynaklı ısı pompası sisteminin verimini
göstermektedir. Üretim sisteminin ekserji yükü aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
(25)
Burada TIP ısı pompası siteminin sıcaklığıdır.
4.3. Isı Pompası Sisteminin enerji ve ekserji analizi
Şekil 2’de gösterilen ısı pompası sisteminin her bir bileşeni için genel kütle, enerji ve ekserji denge
denklemleri aşağıda verildiği gibi elde edilmiştir [24].
- Kompresör (I)
Kütle dengesi;
30
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
(26)
Enerji dengesi;
(27)
Ekserji dengesi;
(28)
burada çevreye olan ısı kayıpları ihmal edilmiştir.
aşağıda verilen ifadeden bulunabilir.
(29)
- Kondenser (II)
Kütle dengesi;
;
(30)
Enerji dengesi;
;
(31)
Ekserji dengesi;
(32)
- Kısma Vanası (III)
Kütle dengesi;
(33)
Enerji dengesi;
(34)
Ekserji dengesi;
(35)
- Evaporatör (IV)
Kütle dengesi;
;
(36)
Enerji dengesi;
31
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
;
(37)
Ekserji dengesi;
(38)
- Tank (V)
Kütle dengesi;
;
(39)
Enerji dengesi;
;
(40)
Ekserji dengesi;
(41)
- Sirkülasyon pompası I (VI)
Kütle dengesi;
(42)
Enerji dengesi;
(43)
Ekserji dengesi;
(44)
Burada çevreye olan ısı kayıpları ihmal edilmiştir.
(45)
- Sirkülasyon pompası II (VII)
Kütle dengesi;
(46)
Enerji dengesi;
32
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
(47)
Ekserji dengesi;
(48)
Burada çevreye olan ısı kayıpları ihmal edilmiştir.
(49)
- Radyatör (VIII)
Kütle dengesi;
(50)
Enerji dengesi;
(51)
Ekserji dengesi;
(52)
4.4. Isı Pompası Sisteminin enerji ve ekserji verimliliği
Isı pompası ünitesinin, Şekil 2’de verilen I-IV komponentler, enerji verimliliği aşağıdaki gibi
verilebilir.
(53)
Şekil 2’de gösterilen I-VIII komponentlerden oluşan ısı pompası sisteminin toplam enerji
verimliliği aşağıda verilen ifade yardımı ile hesaplanabilir.
(54)
Enerji verimliliğine benzer olarak ısı pompası ünitesinin (I-IV) ve ısı pompası sisteminin (I-VIII)
ekserji verimlilikleri sırasıyla aşağıda verilmiştir.
(55)
(56)
33
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
Ekserji verimliliği ifadesi yardımıyla ısı pompası sisteminin ve tüm sistemin performansı aşağıda
verilen denklemler kullanılarak hesaplanabilir.
(57)
(58)
5. Sonuçlar ve tartışma
Toprak kaynaklı ısı pompası sistemi komponentleri için sıcaklık, basınç, kütle akış debisi, özgül
entalpi, özgül entropi, enerji, özgül akım ekserjisi ve ekserji akım değerleri Tablo 3’de verilmiştir.
Referans sıcaklık ve basınç değerleri sırasıyla 0 oC ve 101,3 kPa olarak alınmıştır. Suyun ve
soğutucu akışkan olarak kullanılan R134a’nın termodinamik özellikleri EES (Engineering Equation
Solver) programı kullanılarak hesaplanmıştır. Tablo 3’de verilen değerlere bağlı olarak toprak
kaynaklı ısı pompası sisteminin ekserji yıkım hızı, ekserji yıkım oranları, ekserji verimliliği, güç
veya ısı transfer hızı hesaplanmış ve sonuçlar Tablo 4’de sunulmuştur. Ekserji yıkım hızı, enerji
kullanımındaki azalmayı belirtmesine rağmen sistem proseslerinin enerji ve ekserji kullanım
performanslarının incelenmesinde kullanılamaz. Diğer bir ifadeyle sistem performansının
belirlenmesinde ekserji verimliliğinin değerlendirilmesi önemlidir. COP absorbsiyonlu sistemlerin
verimliliğini değerlendirmek için kullanılan en yaygın ölçüdür. Şekil 4’den görüldüğü üzere,
sıcaklık artışı, enerjetik COP değerinde her hangi bir değişikliğe neden olmamasına rağmen
ekserjetik COPex değerinde bir artışa neden olmaktadır.
Tablo 3. Toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin proses verileri, enerji ve ekserji analizi sonuçları
Akışkan
0
0
1
2s
2a
3
4
5
6
7s
7a
8s
8a
9
10
11
12
13s
13a
Soğutucu
Su
Soğutucu
Soğutucu
Soğutucu
Soğutucu
Soğutucu
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Su
Akışkan fazı
Ölü durum
Ölü durum
Isıtılmış buhar
Isıtılmış buhar
Isıtılmış buhar
Sıkıştırılmış sıvı
Karışım
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıkıştırılmış sıvı
Sıcaklık
(oC)
Basınç
(kPa)
0
0
-2.00
54.00
59.00
45.00
-5.00
35.00
28.00
28.46
28.64
5.96
6.00
2.10
5.86
6.25
2.25
2.27
2.28
101.3
101.3
272.3
1254
1254
1254
272.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
101.3
Spesifik
entalpi
(kJ/kg)
255.60
0
249.30
281.70
287.40
115.80
115.80
146.70
117.40
119.30
120.10
25.15
25.32
8.924
24.73
26.37
9.55
9.64
9.68
34
Spesifik
entropi
(kJ/kgK)
1.032
0
0.9326
0.9344
0.9518
0.418
0.442
0.5049
0.4088
0.4152
0.4177
0.0907
0.0913
0.0321
0.0892
0.0951
0.0344
0.0347
0.0349
Kütle
akış hızı
(kg/s)
0.066
0.066
0.066
0.066
0.066
0.42
0.42
0.42
0.42
0.54
0.54
0.54
0.54
0.51
0.51
0.51
0.51
Spesifik
ekserji
(kJ/kg)
20.85
52.76
53.7
27.91
21.36
8.78
5.73
5.89
6.05
0.37
0.38
0.16
0.36
0.393
0.153
0.161
0.147
Ekserji
Enerji
(kW)
1.37
3.48
3.54
1.84
1.41
3.68
2.40
2.47
2.54
0.20
0.21
0.09
0.19
0.20
0.078
0.082
0.075
(kW)
16.45
18.59
18.97
7.64
7.64
61.61
49.31
50.1
50.44
13.58
13.67
4.82
8.9
13.45
4.87
4.91
4.94
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
1.5
0.4
COP
COPex
1.4
1.3
0.38
COP
1.1
0.36
1
0.9
0.34
COPex
1.2
0.8
0.7
0.32
0.6
0.5
0
5
10
15
20
0.3
30
25
o
T0 ( C)
Şekil 4. Entegre sistemin COP ve COPex değerlerinin çevre sıcaklığı ile değişimi (COP and
35000
QH (kW)
30000
Isi yükü (kW)
QI,S (kW)
25000
QI,D (kW)
QU (kW)
20000
15000
10000
5000
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
o
T0 ( C)
Şekil 5. Bina için dış ortam sıcaklık değişimlerine bağlı ısı yükü, ısıtma sistemi, dağıtma sistemi ve
üretim sistemi ısı yükü değişimleri
Dış ortam sıcaklık değerinin -15 °C’den 20 °C’ye kadar değişimine bağlı olarak incelemesi yapılan
bina için ısıtma yükü, ısıtma sistemi ısı yükü, dağıtım sistemi ısı yükü ve üretim sistemi ısı
yükündeki değişimler Şekil 5’de gösterilmiştir. Dış ortam sıcaklığının artmasıyla tüm alt sistemlerin
ısı yükünün azaldığı görülmüştür. Isı yüklerindeki bu azalma hızı en fazla üretim sistemi ısı
yükünde olurken en az azalma hızının ise bina ısı yükünde olduğu görülmüştür. Bunun nedeni
üretim sistemi, dağıtım sistemi ve ısıtma sistemi içinde akan çalışma akışkanı ile çevre arasındaki
sıcaklık farkının azalmasından dolayı ısı transferi ile oluşan enerji kaybının azalması ve
kullanılabilir faydalı enerjinin artması nedeniyle sistem veriminin iyileşmesidir.
35
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
30000
Exb (kW)
Ekserji yükü (kW)
25000
ExI,S (kW)
ExI,D (kW)
20000
ExU (kW)
15000
10000
5000
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
o
T0 ( C)
Şekil 6. Bina için dış ortam sıcaklık değişimlerine bağlı ısı yükü, ısıtma sistemi, dağıtma sistemi ve
üretim sistemi ekserji yükü değişimleri
Dış ortam sıcaklık artışına bağlı olarak binanın ısıtma ekserji yükünün, ısıtma sistemi ekserji yükü,
dağıtım sistemi ekserji yükü ve üretim sistemi ekserji yükündeki değişimler Şekil 6’da
gösterilmiştir. Enerji analizi sonuçlarına benzer olarak tüm alt sistemlerin ekserji yükünün azaldığı
görülmüştür. Ekserji yüklerindeki bu azalma hızı en fazla üretim sistemi ekserji yükünde olurken en
az azalma hızının ise bina ekserji yükünde olduğu görülmüştür. Dış ortam sıcaklığı arttıkça
sistemlerin ekserji yıkım değeri azalırken buna bağlı olarak da ekserji verimliliği de artmaktadır.
Dış ortam sıcaklığı arttıkça sistemlerin ekserji yüklerinde lineer bir azalış sergilemişlerdir. Bunun
nedeni ise enerji üretim ve dağıtım sisteminde sıcaklık farkından dolayı dışarıya taşınan ısı
miktarının büyük olması ve dış ortam sıcaklığının artması ile birlikte sistemden dışarıya doğru olan
ekserji kaybındaki azalma gösterilebilir. Beklenildiği gibi ekserji yıkımındaki azalma, sistemin
ekserji verimliliğinin iyileşmesine neden olmaktadır.
16000
Isi yükü (kW)
14000
QH (kW)
QI,D (kW)
QI,s (kW)
QU (kW)
12000
10000
8000
6000
4000
100
150
200
250
300
350
400
450
500
2
Ig (W/m )
Şekil 7. Bina için günlük ortalama güneşlenme şiddeti değişimlerine bağlı ısı yükü, ısıtma sistemi,
dağıtma sistemi ve üretim sistemi ısı yükü değişimleri
36
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
12000
Ekserji yükü (kW)
10000
8000
6000
Exb (kW)
ExI,D (kW)
ExI,S (kW)
ExU (kW)
4000
2000
100
150
200
250
300
350
400
450
500
2
Ig (W/m )
Şekil 8. Bina için günlük ortalama güneşlenme şiddeti değişimlerine bağlı ısı yükü, ısıtma sistemi,
dağıtma sistemi ve üretim sistemi ekserji yükü değişimleri
Günlük ortalama güneşlenme şiddeti değişimine bağlı olarak incelemesi yapılan bina için, ısıtma
sistemi, dağıtım sistemi ve üretim sistemi için ısı yükündeki değişimler ve ekserji yükündeki
değişimler sırasıyla Şekil 7 ve Şekil 8’de sunulmuştur. İncelemesi yapılan sistemlerin günlük
ortalama güneşlenme şiddeti artışı karşısında ısı yüklerinin ve ekserji yüklerinin lineer bir şekilde
azaldığı görülmüştür. Aynı zamanda alt sistemlerin sahip olduğu enerji ve ekserji yüklerinin bina
yalıtımı ve güneşlenme şiddetine bağlı olarak iyileştikleri de görülmüştür.
1120
0.58
ExY,sistem
y sistem
0.56
1110
0.54
1105
0.52
1100
-15
-10
-5
0
5
10
15
y sistem
ExY,sistem (kW)
1115
0.5
20
o
T0 ( C)
Şekil 9. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemin ekserji yıkımı ve ekserji verimliliği üzerine referans
sıcaklık değişimlerinin etkisi
Toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin değişen dış ortam sıcaklıklarına bağlı olarak ekserji yıkım
ve ekserji verimliliğindeki değişimler Şekil 9’da sunulmuştur. Isı pompası sisteminin ekserji yıkımı
azalma gösterirken ekserji verimlilikleri artış göstermiştir. Bununla birlikte ısı pompası sistemin
ekserji verimliliği ise dış ortam sıcaklığı -15 oC’den 30 oC’ye arttığında yaklaşık olarak %51’den
yaklaşık olarak %57 değerine ulaştığı görülmektedir. Günümüzde artan enerji ve diğer konfor
gereksinimlerinin karşılanması için alternatif enerji teknolojileri ile entegre sistemlerin
kullanılmasının yaygınlaşacağı beklenilmektedir.
37
Binalar İçin Toprak Kaynaklı Isı Pompası Isıtma Opsiyonunun…
ECJSE 2015 (1) 21-39
6. Değerlendirmeler
Bina ısıtası için kullanılan toprak kaynaklı ısı pompası destekli entegre güç üretim sisteminin
kullanım potansiyeli termodinamiğin 1. ve 2. yasaları kullanılarak incelenmiş, sistem analizinde
kullanılan denklemler ve analiz sonuçları sunulmuştur. Bunlarla beraber toprak kaynaklı ısı
pompası entegre sistem bileşenlerinin her birisinin enerji ve ekserji verimlilikleri ile ısı pompası
sisteminin enerjetik ve ekserjetik performans katsayıları tanımlanmıştır. Sunulan çalışmada
kullanılan ekserji verimlilik analizi, sistemlerin performansının değerlendirilmesi ve birbirleri ile
karşılaştırılmasında önemli bir termodinamik yöntem olarak kullanılmaktadır. Ekserji analizini
kullanarak sistem performansının ne kadar iyileştirilebileceği hakkında daha önemli bilgileri
sunabileceği de yapılan bu çalışmada gösterilmiştir. Aynı zamanda incelemesi yapılan bina sistemi,
ısıtma sistemi, dağıtım sistemi ve üretim sistemi için enerji ve ekserji yükleri belirlenmiş ve dış
ortam sıcaklığı ile günlük ortalama güneşlenme şiddeti değişimlerine bağlı olarak değişimleri
incelenmiştir. Yapılan bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir;
• Termodinamik yasalarına bağlı olarak kütle, enerji ve ekserji denge denklemleri eneri üretim,
dağıtımı ve kullanım sistemleri proseslerinin anlaşılmasında ve modellenmesinde önemlidir.
Aynı zamanda, termodinamiksel denge denklemlerinin kullanılması ile sistem bileşenlerinin
verimliliğinin belirlenmesi gibi daha geniş kapsamlı sonuçlara ulaşılabilir.
• Toprak kaynaklı ısı pompası sistem bileşenlerinin ekserji yıkım miktarlarının azaltılması ekserji
verimliliğini arttırmaktadır. Sistem verimliliğinin artması ise sistem bileşenlerin enerji üretimi,
taşınımı ve kullanımı süresince çevreye salınan emisyonların azaltılmasında, daha düşük
çevresel etki değerlerinin elde edilmesinde ve daha sürdürülebilir sistemlerin kullanıma
sunulmasında önemlidir.
• Dış ortam sıcaklığının ısı pompası sisteminin enerjetik performans katsayısı üzerine hemen
hemen hiç bir etkisi yokken, ekserjetik performans katsayısının referans sıcaklığının artışı ile
birlikte iyileştiği görülmüştür.
• Dış ortam sıcaklığı ile günlük ortalama güneşlenme şiddeti artışına bağlı olarak bina sistemi,
ısıtma sistemi, dağıtım sistemi ve üretim sisteminin enerji ve ekserji yüklerinde ki değişimler
azalmıştır.
• Dış ortam sıcaklığının artması toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin ekserji yıkımını azaltırken
sistemin ekserji verimliliğini arttırmıştır.
Kaynaklar
[1] Rezaie, B., “Analysis of alternative energy options for buildings”, Master thesis, The Faculty of
Engineering and Applied Science Mechanical Engineering Program University of Ontario
Institute of Technology, 2009.
[2] Zografaski, N., “Technologies for rational use and saving of energy in building”, Energy, 62
(2000) 112-114.
[3] Hepbaşlı, A., "Enerji verimliliği ve yönetim sistemi, yaklaşımlar ve uygulamalar", Schneider
Electric Enerji Verimliliği Serisi 1, İstanbul, 2010.
[4] Hepbasli, A., Balta, M.T., “A study on modeling and performance assessment of a heat pump
system for utilizing low temperature geothermal resources in buildings”, Building and
Environment, 42-10 (2007) 3747-3756.
[5] Balta, M.T., Kalıncı, Y., Hepbaşlı, A., “Evaluating a low exergy heating system from the power
plant through the heat pump to the building envelope”, Energy and Buildings, 40-10 (2008)
1799-1804.
[6] Bi, Y., Wang, X., Liu, Y., Zhang, H, Chen, L., “Comprehensive exergy analysis of a groundsource heat pump system for both building heating and cooling modes”, Applied Energy, 86
(2009) 2560-2565.
38
Öztürk, M
ECJSE 2015 (1) 21-39
[7] Kalıncı, Y., Balta, M.T., Hepbaşlı, A., “Performance assessment of a geothermally heated
building”, Energy Policy, 37 (2009) 1502-1508.
[8] Yıldız, A., Güngör, A., “Energy and exergy analyses of space heating in buildings”, Applied
Energy, 86 (2009) 1939-1948.
[9] Yücer, C. T., Hepbaşlı, A., “Thermodynamic analysis of a building using exergy analysis
method”, Energy and Buildings, 43 (2010) 536-542.
[10] Bingöl, E., Kılkış, B., Eralp, C., “Exergy based performance analysis of high efficiency polygeneration systems for sustainable building applications”, Energy and Buildings, 43 (2011)
3074-3081.
[11] Çalışkan, H., Dinçer, İ., Hepbaşlı, A., “Exergy and exergy analysis of combined
thermochemical and sensible thermal anergy storage systems for building heating applications”,
Energy and Buildings, 48 (2012) 103-111.
[12] Zhou, Y., Gong, G., “Exergy analysis of the building heating and cooling system from the
power plant to the building envelop with hourly variable reference state”, Energy and Buildings,
56 (2013) 94-99.
[13] Öztürk, M., Öz, E. ve Özek, N., “Binalarda enerji ve ekserji ihtiyacının belirlenmesi", VI.
Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Denizli, 14-16 Ekim 2011.
[14] TS 825, 1998. Turkish standard, seating insulation rules in buildings.
[15] Ozturk, M., “Thermodynamic Assessment of Space Heating in Buildings via Solar Energy
System”, Journal of Engineering and Technology, 1 (2011) 1-20.
[16] Yannas, S. Energy and housing design‐Volume I, Principles, Objectives, Guidelines,
Architectural Association, London, 1994.
[17] Dincer, İ., Rosen, M.A., Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development, Elsevier,
San Diego, USA, 2013.
[18] Öztürk, M., Elbir, A., Yakut, A. K., Özek, N., “Batı Akdeniz Bölgesinde toprak kaynaklı ısı
pompası sisteminin evsel uygulamaları ve performans analizi”, Mühendis ve Makine Dergisi,
53-626 (2012) 46-55.
[19] Hauser G., En EV 2000 – Ein Konzeptvorschlag. TAB Technik am Bau, Germany, 8 (1998)
51-56.
[20] Schmidt, D., “Design of low exergy buildings—method and a pre-design tool”, The
International Journal of Low Energy and Sustainable Buildings, 3 (2004) 1–47.
[21] Schmidt, D., “Low exergy systems for high-performance buildings and communities”, Energy
and Buildings 41 (2009) 331–336.
[22] Shukuya, M., “Exergy concept and its application to the built environment”, Building and
Environment 44 (2009) 1545–1550.
[23] Toksoy, M., Arısoy, A., Gokcen, G., Mobedi, M., Yaman, M.C., Kuzgunkaya, E., “Standard
assessment
method
for
energy
performance
in
buildings”,
Available
at
http://web.iyte.edu.tr/∼geocen/turkish/KEP SDM/doc1.pdf (2009).
[24] Ozturk, M., Elbir, A., Ozek, N., Yakut, A.K., “Thermodynamic Analysis and Assessment of
Space Heating with Ground Source Heat Pump for Sustainable Future”, International Journal of
Exergy, 11-1 (2012) 52-68.
39