Çanakkale için güneş destekli toprak kaynaklı düşey ısı değiştiricisi sistemi tasarımı

Abstract

Dünya genelinde harcanan enerjinin neredeyse üçte biri binalarda ve bina içlerinde kapalı alanlarda yapılan aktivitelerde harcanmaktadır. Ayrıca, binalar dünya genelindeki salınan karbon ve harcanan elektrik enerjisi değerlerinde de önemli bir paya sahiptir. Dolayısıyla, hem önemli miktarda enerji ihtiyacı olan hem de çevreyi kirleten enerji kaynaklarını kullanmakta olan binaların daha temiz enerji kaynaklarını kullanmalarının sağlanması ve kendi enerjilerini üretebilecekleri ve hatta depolayabilecekleri yenilenebilir sistemlerin teşvik edilmesi gerekmektedir. Isıtma ve soğutma sistemlerinde en çok kullanılan yenilenebilir enerji sistemleri yüksek performans katsayıları nedeniyle toprak kaynaklı ısı pompalarıdır. Toprak altı sıcaklığı kışın dış ortam sıcaklığından yüksek yazın ise dış ortam sıcaklığından düşüktür. Bu durum termodinamik olarak daha verimli bir ısıtma soğutma çevrimine imkânı tanır. Yaz enerjisini kışın kullanmaya imkân tanıyan en önemli sistemlerden biri de solar termal enerjiyi yer altında depolamaya ve depolanan bu enerjiyi kışın yer altı ısı değiştiriciler ve ısı pompası sayesinde kullanmaya imkân tanıyan sistemlerdir. Bu sistemler güneş enerjisi ile şarj edilen düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompaları olarak adlandırılır. Geleneksel yer altı ısı pompaları sistemleri yer altı ısı değiştiricileri ve ısı pompasından meydana gelmekte iken düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompası sistemleri geleneksel yer altı ısı pompaları sistemine toprak altının yazın şarj edilebilmesi için ilave edilen solar termal panellerin eklenmesi ile inşa edilmektedirler. Bu sistemler enerjinin depolandığı tarih ile kullanıldığı tarih arasında bir zaman farkı oluşturduklarından yer altını büyük bir batarya gibi kullanmaktadırlar. Isıtma amaçlı kullanılan düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompaları sistemlerinin performans katsayıları geleneksel toprak altı ısı pompaları sistemlerinin performans değerlerinden daha büyüktür. Düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompası sistemlerinin hem solar termal kısmı hem de toprak altı kısmı modüler olarak tasarlanabildiğinden her ölçekte boyutlandırma mümkündür. Bu sistemlerin performans değerleri tabiki toprak altının yapısına da önemli ölçüde bağlıdır. Sistemin kurulacağı bölgenin yeraltı termofiziksel özellikleri iyi belirlenmeli ve toprağın termal difüzyon katsayısı mümkün olduğunca doğru belirlenmelidir. Ayrıca toprak altında var olabilecek yer altı akışlarının hem sistem üzerinde hem de yeraltı suları açısından olumsuzluklar yaratabileceği unutulmamalıdır. Düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompaları sistemleri binalarda önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlayan yenilenebilir enerji sistemlerdir. Bu çalışmada geleneksel toprak altı ısı pompası sistemleri arasında daha yüksek performans değerine sahip olan düşey ısı değiştiricilerinin performansının, güneş kollektörleri ile desteklenmesinin sistem performansının artış miktarı üzerindeki etkisinin gözlenmesi hedeflenmiştir. Bunun yanında farklı derinliklere sahip kuyuların depolama kapasitelerinin karşılaştırılması ve bulunulan bölgenin güneşlenme süresine göre düzenlenen bekleme döneminde gerçekleşen ısı alışverişinin etkileri incelenmesidir. Bu amaçla, Çanakkale ili meteorolojik verileri yardımıyla ve yer altının katmanlı yapısı dikkate alınarak sistemin termal performansı numerik olarak incelenmiştir. Toprak altı ısı pompası sistemi tasarımında ve analizlerinde çeşitli fizik ve mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılan, özellikle birleştirilmiş fenomenler ve multifizik için bir sonlu eleman analizi, çözücü ve simülasyon yazılımı kullanılarak tek ısı değiştiricisinden oluşan bir güneş destekli toprak kaynaklı ısı değiştiricisi sistemi analiz edilmiştir. Çalışmada kullanılan sistem, tek bir düşey ısı değiştiricisinden oluşmaktadır. Bu ısı değiştiricisinin yarıçapı 0.1 m olarak alınmıştır. Isı değiştiricisinin derinliği ise 50-75 ve 100 m olarak seçilmiştir ve sistem verimi ilk 5 yıllık çalışma dönemi için incelenmiştir. Numerik modelde, toprak derinliği ve yarıçapı analiz sonuçlarının etkilemeyecek kadar büyük seçilmiştir. Toprak yapısı olarak çift katmanlı yapı seçilmiş olup, ilk 20 metre kilden, kalanı granitten meydana gelmektedir. Uygulama sahası olarak Çanakkale/Türkiye seçilmiştir. Yapılan numerik analizlerde toprak sıcaklığı, T∞, o bölgenin yıllık ortalama sıcaklığı olan 15 ℃ olarak alınmıştır. Bu literatürde yaygın kullanılan bir yaklaşımdır ve İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü'nde bulunan Isı Pompası Laboratuvarı'nda yapılmış olan deneylerde hata payının %4'ün altında olduğu görülmüştür. Bu değer analizlerde başlangıç koşulu olarak kullanılmıştır. Sistem birbirini takip eden şarj ve deşarj periyotlarıyla çalıştırılmıştır. Her şarj ve deşarj periyodunun arasında bekleme süreleri uygulanmıştır. Çanakkale'nin iklimsel özelliklerine bağlı olarak 15 Mayıs-15 Eylül arasındaki 4 aylık süreç şarj periyodu ve 1 Ekim-1 Mayıs arasındaki 7 aylık süreç ise deşarj periyodu olarak belirlenmiştir. Şarj ve deşarj dönemleri arasında toprağı dinlendirmek ve ısıl karakteristiğini etkilememek adına 15'er günlük bekleme periyotları bırakılmıştır. Çanakkale'nin bulunduğu konum, paralelin ekvatora olan yakınlığı sebebiyle yaz aylarında yüksek güneş radyasyonuna sahiptir. Bu durum ısıtma ihtiyacının karşılanması için deşarj periyodundan daha kısa bir şarj periyodunun yeterli olmasını sağlamaktadır. Şarj, deşarj ve bekleme sürelerinin belirlenmesinde yararlanılan ışınım ve dış ortam sıcaklığı değerleri NASA'nın yenilenebilir enerji, bina enerji verimliliği ve tarımsal ihtiyaçları desteklemek için kullanıma açtığı veri tabanından elde edilmiştir. Düşey ısı değiştiricili toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin ısıl enerji tranferi hesaplamaları bilgisayar destekli analiz programında 50 m, 75 m ve 100 m derinliklerde şarj edilme ve şarj edilmeme durumları için ayrı ayrı yapılmıştır. Şarj edilme durumunda analizler şarj periyodu ile başlamış olup şarj-bekleme-deşarj-bekleme döngüsü ile yapılmıştır. Şarj edilmeyen durumdaysa şarj süreci bekleme süresine dahil edilerek deşarj-bekleme periyotları şeklinde 5 yıllık analizler yapılmıştır. Kil ve granit tabakalarındaki ısı transfer karakteristiklerinin incelenmesinde 180 ısı haritası çizdirilip incelenmiştir. Birinci ve beşinci yıllar için incelenen sıcaklık değeri sonuçlarına göre, maksimum sıcaklık ve minimum sıcaklık değerleri arasındaki farkın granit tabakada daha az olduğu gözlemlenmiştir. Şarj sonrası ve deşarj sonrası bekleme dönemleri kıyaslandığında, şarj sonrası bekleme döneminde ortalama sıcaklık değişimi kil için 7,12 ℃, granit için 6,77 ℃, deşarj sonrası bekleme döneminde ortalama sıcaklık değişimi kil için 4,56 ℃, granit için 4,35 ℃ olarak hesaplanmıştır. Isı değiştiricisi derinliği arttıkça beklendiği üzere hem topraktan çekilen hem de toprağa verilen enerjilerin arttığı görülmüştür. Depo edilen enerji miktarı kuyu derinliği ile arttığı gözlenmiştir. Her üç sistemde de birim ısı değiştiricisi uzunluğunda çekilen veya alınan enerjiler çok yakın olmakla birlikte, granit tabakasında kalan derinliğin farklı olması nedeniyle küçük farklılıklar görülmektedir. Böylece kuyu derinliği arttıkça kullanılabilecek enerji miktarı da artmaktadır. Şarj edilmeyen durumda, toprağın bekleme döneminde dinlendirilmesine rağmen toprak sıcaklığı giderek düşeceği için topraktan çekilen enerjiler yıllar içinde azalmaktadır. Şarj edilen durumda ise, topraktan çekilen enerjiler analizler şarj periyodu ile başladığı için neredeyse sabit kalmıştır. Depolama verimi, toprağa verilen enerjinin ne kadarının kullanılabildiğini gösteren bir parametredir. Literatürde depolama verimi için farklı tanımlamalar ve denklemler kullanılmaktadır. Toprak kaynaklı ısı değiştiricisi sistemlerinde toprağı şarj etmek gerekmeksizin, sisteme toprak sıcaklığından daha düşük sıcaklıkla bir akışkan gönderilerek topraktan enerji çekmek mümkündür. her üç derinlikteki ısı değiştiricisi için de ilk çalışma yılında elde edilen depolama verimleri birbirine çok yakın değerlere sahiptir. Beş yıllık çalışma periyodunun sonunda 100 metre derinlikteki bir ısı değiştiricisinin depolama verimi %18'den %28,5'e, 50 metre derinlikteki bir ısı değiştiricisinin depolama verimi ise %17,5'ten %27'ye yükselmiştir. Hesaplanan değerler göz önünde bulundurulduğunda, 100 m derinlikli kuyu 2. yıldan itibaren özellikleri tanımlanan ev örneğinden 10 adet evin tamamı için gerekli olan ısıl enerji ihtiyacını sağlayabilmektedir. 5. yıl sonunda 75 m derinlikli kuyu kullanıldığı durumda bu 10 evin ihtiyacının %77,7 kadarını, 50 m derinlikli kuyu kullanıldığında ise %49,8 kadarnı karşılayabilmektedir.