Optimization of ground heat exchangers for sustainable heating solutions: A case study approach

Abstract

Dünya genelinde binalarda tüketilen enerjinin önemli bir bölümünü ısıtma soğutma amaçlı termal enerji oluşturmaktadır. Bu enerji talebi binaların coğrafi yeri, bina malzemesi ve kalitesi, doğru projelendirme, toplumların kullanım alışkanlıkları, toplumların ekonomik seviyesi ve çevre hassasiyeti ile de direkt ilgilidir. Özellikle iklim değişimi ile ilgili mücadelede, termal enerji talebinin yenilenebilir ve verimli sistemler ile sağlanması, üretilen enerjinin en doğru şekilde tüketilmesini sağlayacak eğitimlerin verilerek bilincin oluşturulması bu mücadeleye önemli katkılar sağlamaktadır. Bilindiği gibi Avrupa Birliğinin 2050 yılına kadar atmosfere salınacak karbon için sıfır karbon hedefi bulunmaktadır. Bu çerçevede, karbon salınımına neden olan tüm teknolojilerde iyileştirme hedefleri tutturulmaya çalışılmaktadır. Bu hedeflere katkı sağlanabilmesi sadece enerji üretimi ile değil aynı zamanda üretilen enerjinin verimli bir şekilde iletilmesi ve tüketilmesi ile mümkün olacaktır. Özellikle binalarda termal enerji ihtiyacının binaların yapım aşamasında dikkate alınması ve projelendirme aşamasında binaya en uygun yenilenebilir enerji sisteminin binaya entegre edilmesi hem yatırım maliyetlerinin azaltacak hem de yaşayanların bu teknolojiler ile daha erken karşılaşmasına imkân sağlayacaktır. Enerjinin tüketildiği bölgeye mümkün olan en kısa mesafede üretilmesi hem iletim hatlarına ait maliyetlerinin hem de nakil esnasındaki kayıpların azalmasını sağlamaktadır. Ayrıca, iklim değişimi ile yaşanan doğal afetler ve aşırı hava olaylarının enerji nakil hatlarında önemli hasarlara neden olduğu bilinmektedir. Bu maliyetler tüm toplu için ilave bir ekonomik yük oluşturmaktadır. Büyük hidroelektrik santraller, nükleer santraller, doğalgaz ve kömür santralleri gibi yüksek miktarda enerji üreten ve komplike sistemlerin kurulacakları bölgelerin belirlenmesi hem üretim yöntemlerin hem de ülkelerin stratejik planları ile ilgilidir. Dolayısı ile bu santraller zaten şehirlerin kalabalık ortamlarından uzaklarda bulunmaktadır. Fakat yenilenebilir enerji sistemleri ise daha küçük, modüler ve daha az komplike sistemler olduğundan nerede ise tüm bölgelerde kurulabilir. Özellikle de direkt olarak elektrik enerjisi üretiminde kullanılan güneş ve rüzgâr kaynaklı sistemler şehirlere yakın hatta şehrin içinde bile kurulabilecek kadar küçük ölçekte dizayn edilebilirler. Bununla beraber daha önce de belirtildiği gibi binalarda ihtiyaç duyulan enerjinin önemli bir kısmı termal enerjidir. Termal enerji ihtiyacını karşılamak için de birçok yenilenebilir enerji sistemi mevcuttur. Özellikle günlük hayatımızda ortam ısıtmasında kullandığımız hava kaynaklı ısı pompaları veya çatılarımızda sıcak su ihtiyacımızı karşılamak için kullandığımız solar termal paneller en çok karşılaştığımız yenilenebilir enerji sistemleridir. Günümüzde toplumların yaşam standartların yükselmesi ile hem elektrik enerjinin hem de termal enerjinin istenildiği an kullanıma hazır bir şekilde bulunuyor olması kaçınılmazdır. Dolayısı ile hem maliyetlerin düşürülmesi hem de olası kesintilerde günlük yaşamın etkilenmemesi için enerji depolama önemli akademik problemlerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Isıtma soğutma için kullanılan yenilenebilir enerji sistemlerinin başında ısı pompaları gelmektedir. Isı pompaları ısı değiştiricinin konumlandırıldığı yani ısı alışverişinin yapıldığı ortamın cinsine göre hava kaynaklı, su kaynaklı ve toprak kaynaklı ısı pompaları olarak adlandırılırlar. Günümüzde kurulum maliyetleri az olduğu için en sık kullanılan ısı pompaları hava kaynaklı ısı pompalarıdır. Bu ısı pompalarının performans katsayıları (COP) 2.5 civarındadır. Su kaynaklı ısı pompaları ise ısıtılacak veya soğutulacak ortama yakın bir su kaynağı ihtiyacı nedeni ile her bölgede kurulması mümkün olmayan sistemlerdir. Toprak kaynaklı ısı pompalarının COP değerleri ise dış ortam sıcaklığına bağlı olarak 3,0 - 4.5 arasında değişmektedir. İlk yatırım maliyetleri hava kaynaklı ısı pompalarına göre daha yüksek olmasına rağmen yüksek COP değeri toprak kaynaklı ısı pompalarını uzun vadede avantajlı konuma getirmektedir. Toprak kaynaklı ısı pompaları yeraltı ile dış ortam sıcaklığı arasındaki farktan istifade ederek ısıtma ve soğutma amaçlı kullanılırlar. Herhangi bir bölgede ilk yüz metre için yeraltı toprak sıcaklığı (atmosfer sıcaklığından etkilenmeyen ilk metrelerden sonrası) o bölgenin yıllık ortalama hava sıcaklığı değerine eşittir. Yeraltında ilk 100 metreden daha derinlere gidildikçe toprak sıcaklığı artış göstermektedir. Yeraltı toprak sıcaklığı soğuk iklimlerde dış ortam sıcaklığına göre yüksek, sıcak iklimlerde ise dış ortam sıcaklığına göre düşüktür. Bilindiği gibi termodinamik olarak ısıtma ve soğutma çevrimlerinde ısı alışverişi yapılan ortamlar arasındaki sıcaklık farkı birbirine ne kadar yakın ise çevrim verimi o kadar yüksektir. Dolayısı ile soğuk iklimde ısıtma yapmak, sıcak iklimde de soğutma yapmak için toprak kaynaklı ısı pompaları oldukça verimli yenilenebilir enerji sistemleridir. Toprak kaynaklı ısı pompaları ihtiyaç duyulan termal yük göz önünde bulundurularak dizayn edilirler. İhtiyaç duyulan termal yükün tamamı veya bir kısmı toprak kaynaklı ısı pompaları ile karşılanabilir. Torak kaynaklı ısı pompaları toprak altına yerleştirilen ısı değiştiriciler ve bina içinde yer alan ısı pompası sisteminden oluşmaktadır. Toprak altı ısı değiştiricileri toprak ile ısı alışverişini saplayan düşey veya yatay yapılardır. Düşey ısı değiştiriciler maliyetleri yüksek olmakla beraber yatay ısı değiştiricilere göre önemli avantajlar içermektedir. Bunların başında daha düşük yer ihtiyacı gelmektedir. Ayrıca yatay ısı değiştiriciler genellikle toprağın sığ bölümlerine yerleştirildikleri için atmosferik sıcaklık değişimlerinden çok etkilendiklerinden sistem veriminde düşüş yaşanmaktadır. Ayrıca düşey ısı değiştiriciler yeraltının daha kayalık bölümlerinde yer aldıklarından ısı değiştiriciler ile yeraltı arasındaki ısı iletimi daha güçlü olmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompalarının ısı değiştiricileri dizayn edilirken, eğer ortamda herhangi bir akış yok ise, birbirleri ile termal olarak etkileşmeyecekleri kadar uzağa yerleştirilirler. Ancak çok fazla ısı değiştirici kuyusu açıldığında kuyuların birbirleri ile etkileşmeyecekleri kadar uzak mesafede olmaları mümkün olmaya bilmektedir. Bu durumda iki seçenek vardır; bunlardan ilki kuyu derinliklerini arttırmak diğeri ise sistem verimini çok fazla etkilemeyecek kadar kuyuların birbirleri ile etkileşmelerine olanak sağlamaktır. Çok derin kuyuların açılması maliyetli olduğundan uygun derinlikte uygun sayıda kuyunun bir yazılım kullanılarak optimize edilmesi en uygun çözümdür. Bu optimizasyon konfor sıcaklığına, termal yük talebine ve yeraltının termofiziksel özelliklerine bağlıdır. Toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin dizayn edildiği güç talebini sağlayabilmesindeki en önemli etken yeraltının termofiziksel özelliklerinin doğru tayin edilebilmesidir. Yeraltının karmaşık yapısı göz önüne alındığında bunun çok da kolay olmadığı tahmin edilebilir. Özellikle; yeraltının katmanlı yapısı, birçok süreksizliğin varoluşu ve yeraltı akışlarının mevcut olması termofiziksel özelliklerin belirlenmesindeki en büyük güçlüklerdir. Bu tip sistemler hem ısıtma hem de soğutma amaçlı kullanılmaktadır. Ancak bazı coğrafi bölgelerde soğuk iklim nedeni ile ısıtma ihtiyacı soğutma ihtiyacından çok fazla olabileceği gibi hiç ısıtma ihtiyacı da olmayabilir. Bu durumda; toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin güneş enerjisi veya bir atık ısı kaynağı ile şarj edilmesi oldukça iyi bir seçenektir. Bu tip sistemler kuyu tipi termal enerji depolama sistemleri olarak adlandırılır (Borehole Thermal Energy Storage, BTES). BTES sistemi bir yeraltı enerji depolama sistemidir. Bu sistemlerin şarj edilmeleri için en uygun kaynak güneştir. Böylece yazın ihtiyaç fazlası olan güneş enerjisi yeraltında depolanabilmektedir. Birçok depolama sistemi kısa süreli depolama yapabilmekte iken BTES sistemleri yazın depolanan termal enerjiyi kışın kullanıma imkân tanıdıkları için uzun süreli termal enerji depolama sistemi olarak adlandırılırlar. BTES sistemleri düşük sıcaklıklarda düz solar termal paneller ile yüksek sıcaklıklarda ise konsantre güneş enerjisi sistemleri ile şarj edilebilirler. Dolayısı ile bu sistemlerin şarjında kullanılacak paneller için uygun bir alana ihtiyaç duyulmaktadır. Düz paneller ile şarj için binaların çatıları önemli bir kullanım alanı yaratmakta iken konsantre güneş enerjisi sistemleri daha komplike ve hacimli olduklarından özellikle de eğimli çatılar için çok uygun değildir. İhtiyaç duyulan alan termal güç talebi ile orantılıdır. BTES sistemlerinin toprak kaynaklı ısı pompalarından bir diğer farkı da ısı değiştiricilerin konumlarıdır. Toprak kaynaklı ısı pompalarının ısı değiştiricilerinde kuyuların birbirleri ile etkileşmemeleri istenirken, BTES sistemlerinde ise kuyuların istenilen bir oranda etkileşmesi ve kuyuların kolektif hareket etmeleri beklenmektedir. Kuyuların birbirlerine gereğinden fazla yakın olmaları veya birbirlerinden etkileşmeyecekleri kadar uzak olmaları BTES sisteminin verimini düşürmektedir. Dolayısı ile kuyular için optimum bir mesafe bulunmaktadır. BTES sistemleri optimize edilirken çok sayıda kuyu bulunması durumunda bu kuyuların yerleşimlerinin iyi incelenmesi ve en uygun kuyu diziliminin ve kuyu aralıklarının belirlenmesi gerekmektedir. Ayrıca toprak kaynaklı ısı pompaları sistemlerinde yeraltı akışları kuyu dizilimlerine de bağlı olarak sistem verimini arttırırken BTES sistemlerinde ise özellikle yüksek akış hızları depolanan enerjiyi depolama alanından uzaklara taşıdığı için sistem verimini düşürmekte hatta BTES sistemini tamamen tahrip etmektedir. Bu nedenle BTES sistemi kurulacak bölgede yeraltı akış hızlarının hem yönünün hem de büyüklüğünün iyi incelenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada ısıtma sezonunun soğutma sezonundan daha uzun olduğu bir bölge için ihtiyaç duyulan ısıtma yükünün toprak kaynaklı ısı pompası ve BTES istemi ile karşılanması incelenmiştir. İncelenen sistemlerde 75 metre derinliğinde ısı değiştiriciler kullanılmıştır. Binaların ısıtma yükü hesaplanırken ısıtma sezonu boyunca saatlik dış ortam sıcaklıkları dikkate alınmış ve bu değerler kuyu yüzeyine değişken ısı akısı olarak tanımlanmıştır. İlk olarak ısıtma yükünün toprak kaynaklı ısı pompası sistemi ile karşılanması durumunda ihtiyaç duyulan kuyu sayısı hesaplanmıştır. Farklı kuyu sayıları için yapılan analizlerde yeraltı sıcaklık profilleri, kuyu yüzeyi sıcaklık değerleri ve COP değeri hesaplanmıştır. Benzer şekilde ihtiyaç duyulan ısıtma yükü BTES sistemi ile de karşılanmıştır. BTES sistemi düz plaka tipi güneş panelleri ile ısıtılan 30°C, 40°C ve 50°C sıcaklıklardaki akışkan ile şarj edilmiştir. BTES sistemleri için de yeraltı sıcaklık profilleri ve COP değerleri hesaplanmıştır. Böylece, ihtiyaç duyulan termal enerjinin karşılandığı toprak kaynaklı ısı pompası ve BTES sistemi karşılaştırılmıştır.

A significant portion of the energy consumed in buildings worldwide is thermal energy used for heating and cooling. This demand is influenced by geographic location, building materials and quality, design practices, societal habits, economic level, and environmental awareness. In combating climate change, meeting thermal energy needs through renewable and efficient systems, alongside raising public awareness about energy use, plays a critical role. The European Union's 2050 net-zero carbon target drives improvements in all carbon-emitting technologies. Achieving these goals requires not just clean energy production but also efficient distribution and consumption. Producing energy close to where it is used minimizes transmission losses and infrastructure costs, while also improving resilience against climate-induced natural disasters. While large-scale power plants (e.g., hydro, nuclear, fossil) are located far from cities due to their complexity, modular renewable systems -especially solar and wind- can be deployed near or within urban areas. However, thermal energy remains the dominant need in buildings. Common renewable systems include air-source heat pumps and rooftop solar thermal collectors. As living standards rise, constant access to both electricity and thermal energy becomes essential. Therefore, thermal energy storage is a growing area of academic interest, especially for improving reliability and reducing costs. Among renewable heating and cooling technologies, heat pumps are prominent. Based on the heat source, they are classified as air-source, water-source, or ground-source heat pumps. Air-source heat pumps are widely used due to low installation costs, though their COP is about 2.5. Water-source systems need a nearby water body and are less flexible in location. Ground source heat pumps (GSHP) offer COPs between 3.0 and 4.5, depending on ambient conditions. Despite higher initial costs, their high efficiency offers long-term benefits. They utilize the relatively stable subsurface temperatures for heat exchange, making them especially suitable for cold- or hot-climate regions where the underground temperature differs favorably from the air temperature. The smaller the temperature gap in the cycle, the higher the thermodynamic efficiency. GSHPs are designed based on thermal load requirements, with underground heat exchangers (vertical or horizontal) and indoor heat pumps. Though vertical systems are more costly, they save space and are less impacted by weather fluctuations. Their location in denser geological layers also enhances heat transfer. Thermal interaction between boreholes becomes a concern when many are used. In such cases, deeper boreholes or optimized spacing must be considered. Deep drilling is costly, so optimization software helps determine the best configuration based on comfort needs, soil properties, and system size. The most crucial parameter is accurate identification of underground thermophysical properties, which is challenging due to subsurface layering, discontinuities, and water flows. In regions with higher heating demand than cooling, integrating GSHPs with external charging -such as solar energy- can be effective. These systems are known as Borehole Thermal Energy Storage (BTES). BTES stores heat underground, ideally using solar energy collected in summer for use in winter. Unlike short-term thermal storage, BTES enables seasonal storage. Low-temperature flat-plate solar collectors or high-temperature concentrating solar systems are used for charging. Roofs often accommodate flat panels, but concentrating systems require larger, flatter areas and are harder to integrate on sloped roofs. The required area scales with the building's thermal demand. BTES systems differ from GSHPs in that thermal interaction between boreholes is encouraged, not avoided. Efficiency drops when wells are too far apart or too closely packed. Optimal spacing and array geometry are critical. In high-flow groundwater regions, BTES efficiency may be significantly reduced or even nullified if stored energy is swept away. Thus, flow direction and rate must be carefully assessed before installation. In this study, a region with a long heating season was analyzed using both GSHP and BTES systems, each with 75-meter boreholes. The hourly outdoor temperatures were used to define variable heat fluxes on the borehole walls. First, the heating load was met using GSHP alone, and analyses were conducted for different borehole counts to determine ground temperature profiles, wall temperatures, and COP. Then, BTES systems charged with solar-heated fluid at 30°C, 40°C, and 50°C were tested. COP and ground temperature distributions were compared across systems to evaluate their performance in meeting seasonal heating demands.