Isı Pompası Uygulamaları İçin Helis Tipi Toprak Isı Değiştiricilerinin Optımum Tasarımı

Abstract

Binalardaki enerji tüketimi, gelişmiş ülkelerde tüketilen toplam enerjinin büyük bir kısmını oluşturur. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri, hem ısıtma hem de soğutmadaki yüksek enerji verimlilikleri nedeniyle yaygınlaşmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerin kurulum bedelleri ve performansları, toprak ısı değiştiricilerinin optimum seviyedeki tasarımından büyük ölçüde etkilenir. Günümüzde toprak kaynaklı ısı pompası uygulamalarında düşey U borulu toprak ısı değiştiricilerin yanında yatay olarak da uygulanabilen düz, slinky ve helis tipleri de mevcuttur. Bunların en önemlilerinden biri de helis (sarmal) toprak ısı değiştiricilerdir. Bu ısı değiştiriciler diğerlerinden daha ucuz olmakla beraber, daha az yer kaplaması, uygulama kolalığı olması vb. avantajlara da sahiptirler. Sarmal şekillendirmiş toprak ısı değiştiricisinin performansını etkileyen üç etken vardır; Toprak ısı değiştiricisi borular arasındaki aralık, toprak ısı değiştiricisi nominal çapı ve borunun sarmal yapısıdır. Büyük ölçekli toprak kaynaklı ısı pompaları uygulamalarında birden çok toprak ısı değiştiricisi gereklidir, bu yüzden ısı değiştiricilerin arasındaki uzaklığı belirlemek önemli bir konudur. Bu tezde de, sarmal toprak ısı değiştiricilerin aralarındaki mesafenin ısı transfer oranına (ITO) etkileri araştırılmıştır. Toprak ısı değiştiricisi performansı belirlenmiş ve optimum uzaklık tespit edilmiştir. Buna ek olarak, saha ve sarmalların sarımları arasındaki etkinin ısı transfer oranına ve toprak isi değiştiricisi nominal çapına olan bağı sayısal olarak COMSOL'da araştırmıştır. Elde edilen deneysel veriler de bu sayısal sonuçları doğrulamakta kullanılmıştır ve uyumlu oldukları görülmüştür. Bu çalışmada yapılan sayısal model Toprak kaynaklı ısı pompaları sistemlerindeki sarmal toprak ısı değiştiricileri tasarlamak için bir yararlı bir yol gösterici olacaktır. Deneysel çalışmalarda kullanılan Helis toprak ısı değiştiricisi Toprak Kaynaklı Isı Pompası Test ve Araştırma Laboratuarının açık hava bölümünde toprak içerisine yerleştirilmiştir. Toprağa gömülmeden önce yaklaşık 1.1m uzunluğunda olan helis toprak ısı değiştiricisi açılarak ve sabit durmasını sağlayacak bir boru vasıtasıyla 3m uzunluğa getirilmiştir. Daha sonra hazırlanan Helis toprak ısı değiştiricisi açılan kuyunun içerisine alt tabanı yerden 4.5m derinlikte üst kısmı yerden 1.5m derinlikte olacak şekilde yerleştirilmiş ve boşluklar çıkan toprak ile doldurulmuştur. Uçları dışarıda kalan toprak ısı değiştiricisinin uç boruları 0.5m derinlikte toprak altında yalıtımlı borularla laboratuar içerisinde bulunan Isıl Test Sistemine bağlanmıştır. Gerekli sızdırmazlık testleri yapılarak toprak ısı değiştiricisi incelemelere hazır hale getirilmiş ve test edilmiştir. Farklı zamanlarda birden fazla testler yapılarak sonuçlar doğrulanmıştır. Sistem durumunun daha iyi anlaşılabilmesi için, toprak ısı değiştiricisinin performansı 5 gün boyunca izlenmiştir. İç ve dış devrelerdeki giriş ve çıkış sıcaklıklarının değişimi ölçülmüştür. Giriş su sıcaklığı 40 oC'de sabit olarak tutulmuştur. Toprak ısı değiştiricisine giden suyun ortalama dönüş sıcaklığı ise 39.2 oC'dir. Ayrıca toprak sıcaklığındaki artış sebebiyle, topraktan çıkış su sıcaklığının zaman boyunca daha yüksek değerlere ulaştığı gözlenmiştir. Bu sıcaklık davranışına göre, boru duvarlarındaki sıcaklığın sabit olduğu ve giriş ve çıkış sıcaklığının ortalamasına eşit olduğu söylenebilir. Isı değiştiricinin boru duvarından toprağa olan ısı transferi; sarmal sayısı, konum, malzeme ve boruların yapısına bağlıdır. Toprak ısı değiştiricisinin dışındaki boruları dolduran ana akışkanda, hem taşınım hem de iletimle ısı transferi gerçekleşebilir. Bunun taşınım kısmını ölçmek oldukça zordur. Bu çalışmada 1, 2, 3 ve 5 sarmal şekillendirilmiş toprak ısı değiştiricisinin bilgisayar modellemesi açıklanmıştır. Bir toprak ısı değiştiricisindeki ısı transferini modellemek için, zemindeki toprak/kaya genellikle sonsuz homojen ortam olarak tahmin edilmiş ve ısı transferi çoğunlukla iletimle gerçekleşiyor kabul edilmiştir. Toprak ısı değiştiricisinin duvar sıcaklığı sabit ve giriş ve çıkış su sıcaklıklarının ortalama değeri olarak kabul edilmiştir. Farklı toprak ısı değiştiricisi aralıklandırmalarında ısı etkileşimlerinden oluşan performans kayıpları için 3 durum belirlenmiştir. Toprak ısı değiştiricileri arasındaki uzaklık 1 metre ve 11 metre arasında değiştirilmiştir. Ayrıca zemindeki toprağın farklı özellikleri ve sıcaklığı da toprak ısı değiştiricisinin performansında önemli bir rol oynar. Zeminin sıcaklığı toprağın ısıl özelliklerinin bir fonksiyonudur: ısıl yayınım (α), ısıl iletkenlik (k) ve ısı kapasitesi Cp. Toprağın ısıl yayınımı; ısıl iletkenlik ve ısı kapasitesine bağlıdır ve tanımlanmış bir özelliktir. Bu sebeple, toprak ısı değiştiricislerin ısıl davranışlarını tahmin edebilmek için 3 toprak özelliği: k, α ve Cp, bilinmeli veya hesaplanmalıdır. Toprağın ısıl özelliklerinin doğru değerlerini elde etmek için uygulama yapılacak bölgede ölçüm şarttır. Bu ölçüm işlemi toprağa ısı vererek toprağın buna tepkisinin izlendiği ısıl tepki testleri ile gerçekleştirilir. Toprak bileşimi yalnızca konuma bağlı olarak değil aynı zamanda toprağın yapısına göre de değişim gösterebilir. Toprağın nemlilik oranı, kil, kaya, kum vb. yapısı performansa etki eden faktörlerdendir. 3 boyutlu, tek sarmal toprak ısı değiştirici modeli COMSOL Multifizik programı kullanılarak, geometrik değişkenlere ve katı alanların (zemin, harç ve polietilen giriş ve çıkış boruları) özelliklerine bağlı olarak oluşturulmuştur. Model koşulları deneysel koşullarla aynıdır. Modelin doğruluğu deneysel verilerle kanıtlanmıştır. Tek sarmal toprak ısı değiştiricisi deneysel sonuçları modelledikten sonra, performanslarının belirlenmesi amacıyla bir, iki, üç ve beş sarmal toprak ısı değiştiricisi için modeller oluşturulmuştur. Kritik toprak ısı değiştiricisindeki ısı transferi miktarı sayısal olarak belirlenmiş ve tek sarmal toprak ısı değiştiricisi perasyonunda oluşan performans kayıpları hesaplanmıştır. Kritik toprak ısı değiştiricisi, tüm tez bölümlerinde merkezi toprak ısı değiştiricisi olarak tanımlanmıştır. Bu çalışmanın sonucu olarak, toprak ısı değiştiricislerin sarmal sayısı arttığında, bütün sistemin verimliliğinin, özellikle toprak ısı değiştiriciler arası mesafe kısa olduğunda, azaldığı görülmüştür. Örneğin, 2 toprak ısı değiştiricisinde merkezi toprak ısı değiştiricisinin performans kaybı, yarıçap 3 m olduğunda % 6'dır. Bu kayıp 3 sarmal toprak ısı değiştiricisinde % 14, 5 sarmal toprak ısı değiştiricisinde % 22'dir. Benzer şekilde, mesafe 10 metre olduğunda performans kaybı 2, 3 ve 5 sarmal toprak ısı değiştiricisi için sırasıyla % 1, % 2 ve % 3'tür. Buna ek olarak, saha mesafesinin (Lp) ve toprak ısı değiştiricisinin çapının (D) etkisi incelenmiştir. Simülasyonun sonuçları saha mesafesinin ve ısı değiştiricisi çapının toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin tasarlanmasında önemli parametreler olduğunu kanıtlamaktadır. Bu değişkenleri artırmak toprak kaynaklı ısı pompasının verimini artırsa da, aynı zamanda ilk yatırım maliyetini de artırmaktadır. Bu yüzden, tesisin ömrü boyunca toplam gideri en aza indirgeyen optimum uzaklık tespit edilmelidir.

Efficient use of energy allows decreasing energy consumption as well as less environmental pollution and leads to sustainable development. For an efficient way of heating and cooling of spaces, ground can be used as an energy storage medium for heat exchange processes of heat pump systems to reach higher efficiency. These types of systems are called ground source heat pump (GSHP) systems, which are well established in Western and European countries for space heating and cooling applications.The installation cost and performance of GSHP systems can be greatly affected by optimal design of ground heat exchangers (GHEs). One of the most important GHEs that is used these days is helix GHEs. These GHEs are cheaper than others and also have some advantages. Three parameters affecting the helix GHE's performance are GHEs spacing, GHE major diameter and helical configuration of the pipe. In large scale GSHP applications, more than one GHE is needed, therefore determining the distance between GHEs becomes as an important issue. In this thesis, the effects of distance between vertical helix GHEs on the heat transfer ratio (HTR) are studied. Performance of GHE is determined and optimal distance is examined. Furthermore, the influence of the pitch between the turns of the helix on HTR and GHE major radius are numerically studied in COMSOL environment. The available experimental data are used to validate the numerical results. It is seen that they are in a good agreement. Computational model in this study may provide useful guidance for designing the helical shaped GHE for GSHP systems. The heat transfer from/to the pipe wall of the heat exchanger to/from the ground depends on the turns number, location, material and configuration of the pipes. In this study, computer modeling of 1, 2, 3 and 5 helix GHEs are described. For modeling the heat transfer of a GHE, the ground soil/rock is usually approximated as an infinite homogeneous medium and heat transfer is assumed mainly to take place by conduction. The wall temperature of GHE is assumed as constant and average value of inlet and outlet water temperature. Performance losses due to thermal interactions for different GHE spacings are determined for different number of helix GHEs. Distances between GHEs vary from 1 m to 11 m. Also different characteristics of soil in the ground and its temperature play an important role in GHE performance. The temperature of the ground around GHE is a function of the soil thermal properties like thermal diffusivity (α), thermal conductivity (k) and the heat capacity (Cp) as well as temperature of fluid, time, position. The soil thermal diffusivity is a defined property and is the ratio of the thermal conductivity and the volumetric heat capacity. Therefore, three soil properties (k, α and Cp) should be known or estimated to predict the thermal behavior of GHEs. Obtaining accurate values of the thermal properties of the soil requires a detailed site survey. Soil composition varies widely not only with locations but also from wet clay to sandy soil. In order to better understand the behavior of the system, the performance of the GHE is experimentally analyzed for 5 day non-stop operation. Evolution of inlet and outlet temperatures for vertical helix circuits are measured. It is seen that inlet temperature is almost constant as 40 oC. The outlet temperature reaches the maximum value of 39.2 oC. It is also observed that the outlet temperature gets higher values for longer operation times, due to increament of soil temperature. Based on the observation of temperature change, we consider that the temperature of the pipe's wall is almost constant and is equal to the average value of inlet and outlet temperature amounts. Furthermore, a single helix GHE 3D model is made using COMSOL multi-physics program based on the geometrical parameter and thermal properties of solid domains (ground, grout, and polyethylene inlet and outlet pipes). The model conditions is the same as the experimental conditions The accuracy of the model is proved by experimental data. After validating single helix GHE with experimental results, the same model is extended for 2, 3 and 5 GHEs in order to determine their HTR values and performance losses due to their thermal interactions. Based on the single GHE results, the same study is repeated for 2, 3 and 5 GHEs. The amount of HTR in critical GHE is determined computationally and performance losses are calculated. Critical GHE is defined as central GHE in all part of this thesis. As a result of the study, when the number of GHEs is increased in a finite size domain, increament of the system performance becomes smaller for addition of each GHE. It is found that when the distance between GHEs is d=3m, performance losses of critical GHE (cGHE) for the cases of 2, 3 and 5 GHEs are around 6%, 14% and 22% respectively. Similarly when the distance is 10 m, performance loss is 1%, 2% and 4% for 2, 3 and 5 number of GHEs. Furthermore, the effects of pitch distance (Lp) and major radius (D) on performance of GHE are investigated. The results of the simulations prove that Lp and D important parameters for the design of a GSHP. Although increament of these parameters also improve the performance of GSHP, a higher investment is needed for installation stage. Therefore an optimum size should be found, which minimizes the total cost over the system lifetime.