Sürdürülebilir Tasarım İçin Jeotermal Enerji Kazıklarının Kullanımı

Abstract

Dünyada hızla artan nüfus ve refah seviyesi enerji tüketimini yoğun olarak arttırmıştır. Enerjiye olan talep her geçen gün artarken, bu yoğun kullanım sebebiyle bu kısıtlı kaynağın maliyeti de artmaktadır. Ayrıca, mevcut enerji kaynakları tükenme tehlikesi altında olduğundan yakın gelecekte enerji tedarikinde sorunlar oluşacağı öngörülmektedir. Fosil-temelli enerji kaynaklarının kullanımı sonucu çevre kirliliği oluşmakta ve atmosfere salınan karbondioksit (CO2) ve diğer sera gazları küresel ısınmayı tetiklemektedir. Fosil-temelli enerji kaynaklarının kullanımını asgari düzeye indirebilmek için temiz, yenilenebilir ve verimli alternatif enerji kaynakları arayışı sürmektedir. İlk aşamada özellikle ulaşım ve ısıtma-soğutma sistemlerinin temiz ve yenilenebilir enerjiye dayalı olarak tasarlanması öncelikli ve acil konular olarak öne çıkmaktadır. Yenilenebilir temiz enerji kaynağı olarak başta güneş enerjisi olmak üzere; rüzgâr, su, jeotermal enerji ve enerji depolama sistemleri gibi çeşitli olanakların araştırıldığı ve geliştirildiği bu süreçte yeryüzü içinde mevcut bulunan jeotermal enerjiden daha geniş ölçekte yararlanılması gerekmektedir. Klasik ve bilinen tanımıyla jeotermal enerji, yer içindeki doğal ısı enerjisinin ulaşılabilir derinliklere çıktığı noktalarda sıvı ya da gaz ile taşınarak kullanılabilen bir enerji türüdür. Buna ek olarak, yer yüzeyinin hemen altındaki kesimler hava sıcaklığından etkilenirken, belirli bir derinliğin altındaki seviyeler mevsimsel değişimlerden en az düzeyde etkilenmektedir. Örnek olarak İstanbul şehri ele alındığında, yaklaşık olarak 5 metre derinliğin altında bu etki en aza inerken, 10 metreden sonra yer sıcaklığı neredeyse değişmemektedir. Yer sıcaklığı benzer şekilde dünyanın birçok bölgesinde 6-10 m derinlikten sonra 10~24°C olarak sabitlenmektedir. Yer sıcaklığının sığ derinliklerde sabit olması sayesinde, genel anlamda bilinen jeotermal enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulmaksızın, dünyanın her yerinde ve her mevsimde, yeraltı tabakalarından yenilenebilir bir ısıtma ve soğutma kaynağı olarak faydalanmak mümkün olmaktadır. Dolayısıyla, yer içinde bulunan bu potansiyel jeotermal enerji, jeotermal sondaj kuyuları benzeri elemanlara bağlı bir ısı pompası yardımıyla yenilenebilir ve temiz bir enerji kaynağı olarak çok büyük bir olanak sunmaktadır. Son yıllarda jeotermal enerji, sondaj kuyuları dışında binaların yapısal elemanları aracılığıyla da kullanılmaya başlanmıştır. Enerji kazıkları (veya ısı değişim kazıkları), yenilenebilir enerji alanında sürdürülebilirlik açısından yenilikçi ve geri dönüşümü olan bir teknolojidir. Bu bağlamda, enerji kazıkları, sabit yeraltı sıcaklığı ve zeminin ısı tutma kapasitesinden faydalanılarak binaların etkin olarak ısıtma ve soğutmasında kullanılabilir. Bu gelişen yeni yaklaşımda, binayı desteklemek için mevcut olarak kullanılan derin temel yapı elemanları aynı zamanda jeotermal ısıtma/soğutma elemanları olarak da kullanılmaktadır. Burada, kazıklar ısı transferini gerçekleştirmek üzere dolaşım (devridaim) boruları içermektedir. Üst yapıdaki ısı enerjisi bir ısı pompası kullanılarak, antifriz katkılı su ve bu borular vasıtasıyla zemine iletilmektedir. Böylece, yaz mevsiminde binanın soğutulması, kış mevsiminde ise ısıtılması amacıyla ısı enerjisi sırasıyla yeraltına verilir ve yeraltından alınır. Temel sistemlerinde kullanılan kazıklar, genel olarak, jeotermal enerjiden sürekli olarak yararlanabilmek için yeterli uzunluğa sahiptir. Böylece, hâlihazırda imal edilecek olan bu kazıklı temel sistemine dolaşım boruları yerleştirilerek jeotermal enerji kullanılabilecektir. Bu şekilde, temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olan jeotermal enerjiden, her yerde ve her mevsimde yararlanmak oldukça düşük ek maliyetlerle mümkün olabilecektir. Termo-aktif elemanlar olarak enerji kazıklarının ısı değişim mekanizmasının belirlenmesi yüksek önem taşımaktadır. Zemin bünyesindeki ısı transferinin temel mekanizması kondüksiyon (ısı iletimi) olmakla beraber, yeraltı su akımı olduğu durumlarda konveksiyon (ısı döngüsü) da etkili olabilmektedir. Enerji kazıklarının ısı değişim performansı birçok parametreye bağlıdır. Bunlar; zeminin ısı iletkenliği, kazık malzemesi ve çapı, dolaşım borusu çapı, dolaşım sıvısı akış hızı ve dolaşım sıvısındaki karışım oranı, yeraltı su seviyesi gibi faktörlerdir. Bu parametrelerin etkilerini değerlendirmek için laboratuvar ve gerçek ölçekli arazi deneylerinin yanı sıra üç-boyutlu sonlu elemanlar analizleri gibi yöntemler kullanılmaktadır. Isıtma ve soğutma çevrimlerinin yük altındaki kazık davranışına olan etkileri konusundaki araştırmalar ise sınırlıdır. Özellikle de, enerji kazıklarının uzun vadeli performansıyla ilgili verilerin mevcut olmaması ve ayrıca deney ve tasarım standartlarının bulunmaması bu konudaki belirsizliklerin ana unsurlarıdır. Enerji kazıklarının veya diğer termo-aktif temel elemanlarının sürdürülebilirliği zemin sıcaklığının sabit tutulmasına bağlıdır. Zemin sıcaklığındaki değişiklikler ısı değişim kapasitesini ve verimliliği direkt olarak etkilemektedir. Bu yüzden, yapının proje ömrü boyunca enerji kazıklarının performansının nasıl etkileneceğini analiz etmek kritik tasarım noktalarından biridir. Bu durum özellikle ısıtma ve soğutma arzlarının dengesiz olduğu bölgelerde daha fazla önem kazanmaktadır. Enerji kazıklarının yaygın bir şekilde kullanılması önündeki önemli engellerden birisi de enerji kazıklarının termo-mekanik davranışlarının yeterince aydınlatılmamış olmasıdır. Kazıkların hem servis yükü, hem de ısıtma-soğutma çevrimlerine maruz kalması durumunu ifade eden termo-mekanik yükler altındaki davranışları halen araştırma konusudur. Özetle, yapılan araştırmalar sonucunda termal yüklerin kazıklarda fazladan gerilmelere neden olduğu ve kazıkların sürtünme direncini azalttığı görülmektedir. Bu tür termal etkiler, enerji kazıklarının çalışma programına göre önceden belirlenmeli ve kazık tasarımı bu bilgiler ışığında yapılmalıdır. Enerji kazıklarının ısıtma ve soğutma çevrimlerinin zemine olan doğrudan etkisi görece daha bilinen bir konudur. Zemindeki ani sıcaklık artışı drenajsız durumlarda boşluk suyu basıncının artmasına ve efektif gerilmelerin azalmasına neden olabilir. Bunun sonucunda kayma mukavemeti kaybı ve kazıklı temelde oturmalar meydana gelebilmektedir. Bu bağlamda, enerji kazıklarının ısı değişimi davranışı ve ısıtma-soğutma döngüleri sırasında oluşan zemin-kazık etkileşimi büyük önem arz etmektedir. Bu bahsedilen konuların açıklığa kavuşturulması ve enerji kazıklarının davranışının daha iyi anlaşılması sayesinde yeni tasarım yöntemlerinin geliştirilmesi mümkün olacaktır. Yer ısısına dayalı bu tip enerji aktarım sistemlerinin giderek yaygınlaşması durumunda, komşu yapıların jeotermal temelleri arasındaki etkileşimini anlayabilmek için enerji kazık gruplarının davranışlarının incelenmesinde fayda vardır. Ayrıca, enerji kazıklarının uzun süreli termo-mekanik performansının çok iyi bilinmemesi sebebiyle, tasarım standartlarının oluşturulabilmesi açısından, bu konu da araştırılması gereken başlıklar arasında yer almaktadır. Enerji kazıklarının daha yaygın kullanılmasının önündeki engellerin kaldırılması için yukarıda özetlenen sorulara cevap aranması gerekmektedir. Enerji kazıklarının davranışına yönelik sorulara cevap aranan bu çalışma sonucunda bu son derece önemli uygulama daha yaygın kullanılabilecek ve yüksek miktarda enerji tasarrufu sağlanabilecektir. Enerji fiyatlarının son derece yüksek olduğu ülkemiz özelinde bu daha da önem taşıyan bir etkiye sahiptir. Bu tez çalışmasının amaçları şu şekilde listelenebilir: (1) zemin tabakalarının ısısal özelliklerinin hassas olarak belirlenmesi, (2) enerji kazıklarının termo-mekanik davranışlarının analizi ve (3) enerji kazıklarının ve kazık gruplarının uzun vadeli performanslarının tayin edilmesi. Tekrarlı ısıtma ve soğutma çevrimlerinin etkileri sonucunda; enerji kazıklarının uzun süreli performansı, kazıktaki eksenel yükteki değişimler (ek gerilmeler), kazıkta tekrarlı dairesel şekil değiştirme ve zemin-kazık etkileşim arayüzünde yorulma ve gerilme rahatlaması gibi konular aydınlatılmıştır. Tez çalışmasının içeriğinde ısı iletim teorisi ve jeotermal ısı değişim sistemleri hakkında literatür taraması bulunmaktadır. Yeraltı kaynaklı ısıtma/soğutma kavramı, yaygın olarak kullanılan jeotermal ısı değişimi elemanları ve arazi ısı iletkenlik deneyi ve analiz yöntemleri hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Jeotermal ısı değişim elemanlarında meydana gelen termal süreçleri modellemek amacıyla sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak üç tip nümerik model geliştirilmiştir. Bu modellerin doğrulaması analitik yöntem ve arazi deney verileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları ve karşılaştırmaları detaylı bir şekilde tartışılmıştır. Arazi ısı iletkenlik deneyinin modellenmesini ve analizini geliştirmek amacıyla çeşitli yöntemler ortaya konmuştur. Ayrıca, bu deney ile ilgili iki farklı sahada yapılan vaka analizleri sunulmuştur. Sıcaklık değişimlerine maruz kalan enerji kazıklarının termo-mekanik davranışıyla ilgili kavramlar açıklanmıştır. Geliştirilen termo-mekanik nümerik model kullanılarak, enerji kazığında oluşması beklenen eksenel gerilme değişimlerini ve kazık-zemin arayüzünün davranışını incelemek amacıyla zemin rijitliğine ve kazığın mesnetlenme koşullarına bağlı olarak parametrik bir çalışma yapılmıştır. Benzer şekilde tekil kazıkların ve kazık gruplarının uzun vadeli performansını belirlemek amacıyla nümerik analizler sunulmuştur. Bu çalışma, sıcak, orta ve soğuk iklim olmak üzere üç farklı şehirde gerçekleştirilmiştir. Son olarak, gerçekleştirilen araştırma sonucunda elde edilen sonuçlar ile birlikte araştırmanın ileri aşamaları için tavsiyeler verilmiştir.

There is a developing trend around the world to explore alternative energy sources. The main driving forces are growing global energy demand, depleting natural resources and the adverse effects of greenhouse gas emissions from fossil fuel consumption. Geothermal energy is one of the promising renewable sources that can be utilized to offset such trends. Ground temperature remains constant after a depth of about 6 to 10 m as the near surface soils act as a thermal insulator as the ambient temperatures vary seasonally. In most regions this constant temperature is about 10 to 24°C. The relatively constant temperature and the heat storage capacity of near-surface soils in any region represent a significant potential for stored thermal energy which in turn can be harvested with ground-source heat pump (GSHP) systems. These systems exemplify a highly efficient renewable energy technology for space heating and cooling. Over the past 20 years, the ground coupling concept has been expanded from geothermal borehole systems to the use of building foundation elements as heat exchangers. Heat exchanger pile (also mentioned as energy pile) in particular is an innovative technology that combines geothermal heat exchange and structural foundation support. In this hybrid system, geothermal circulation loops are integrated into the deep foundation elements, such as piles, piers, or drilled shafts that are already designed to provide structural support. The heat energy is fed into the ground for cooling in the summer and withdrawn from the ground for heating in the winter. The temperature differential between the ground and the outside temperature acts as an energy pathway to harvest stored ground energy for bringing the building temperature to comfort zone levels. As an added benefit, the additional cost of geothermal borehole drilling for loop placement is offset by this combined use and installation costs of geothermal heat exchangers are significantly reduced. Thermal operation of a heat exchanger pile induces temperature changes in the piles. Such temperature changes create thermal stresses and displacements along the pile that, if ignored in the design process, can result on overstressing the piles and/or unacceptable building deformations. Numerous numerical and analytical approaches were developed to approximate the thermally induced stresses and displacements in heat exchanger piles. All the techniques for analyzing the thermal effects on the mechanical behavior of the piles rely on accurate estimates of the temperature changes in the pile. Sustainable operation of heat exchanger piles or any other thermo-active foundation element relies on maintaining the constant temperature of the ground. Ground temperature changes can directly affect the heat exchange capacity and efficiency of operations. It is critical to evaluate how the heat exchanger pile operation over the life cycle of the structure will change the temperature gradients around the pile. This is particularly important at regions where the respective heating and cooling energy demands are not balanced. The objectives of this dissertation can be listed as follows: (1) estimating the thermal properties of the ground accurately, (2) assessing the thermo-mechanical behavior of heat exchanger piles, and (3) predicting the long-term performance of heat exchanger piles and pile groups. The pile subjected to heating and cooling cycles will eventually expand and/or contract. It is thought that the volume changes and the constraints of the pile, i.e., the degree of fixity at the pile head and the pile toe will have an impact on the thermo-mechanical behavior. The amount of slip displacements at the pile-soil interface and the magnitudes of changes in pile axial stress, shear resistance and radial pressures on the pile soil-interface are the main points of concern. The efficiency and sustainability of the system will be investigated for long-term seasonal operation using actual energy demands for locations with extreme climatic conditions, i.e., hot, moderate and cold. Single pile and pile groups with numerous grid sizes will be investigated. Long-term thermo-mechanical behavior of single piles in each location will be assessed. In order to meet the above mentioned research objectives, in the scope of this study, robust and competent finite element analysis tools will be developed for modeling geothermal heat exchangers. The numerical tools with different levels of complexity will be utilized to analyze various problems related to the operation of GHEs. These include modeling of field thermal conductivity testing, full scale thermo-mechanical testing of heat exchanger piles and long-term seasonal operation of heat exchanger piles and pile groups. The models are planned to be built extensible in nature so that modifications for considering various aspects such as the geothermal gradient or ambient temperature changes could be easily incorporated. Validation and calibration of the proposed numerical models are to be performed using available analytical methods and field testing data. The dissertation includes literature review on the theory of heat transfer with the academic background needed to study the thermal processes occurring in the geothermal heat exchangers. The concept of ground-source heating/cooling, types of commonly used geothermal heat exchangers, detailed discussion on field thermal conductivity testing and currently available analytical and numerical analysis methods are presented. Three numerical modeling techniques are developed for simulating the thermal processes in GHEs by utilizing finite elements. The validation of the models is performed via an analytical method, and a detailed comparison of the analysis results is presented. Several methods to improve the modeling and analysis of the field TCT are also discussed. Case studies of field TCTs performed in two different sites are analyzed. The concept of thermo-mechanical behavior of heat exchanger piles subjected to temperature changes is explained. Thermo-mechanical numerical models are developed and utilized to assess the change in the stresses in the pile, contact pressures and the behavior of the pile-soil interface by performing parametric analyses with respect to soil strength and pile fixity. The proposed thermo-mechanical numerical model is utilized to study the long-term performance of the heat exchanger piles. This study includes analyses in three different cities, which have hot, moderate and cold climates. Finally, the conclusions of the research is presented along with the discussion of recommendations for future research.