Netice DUMAN nduman@cumhuriyet.edu.tr Ertan BUYRUK buyruk@cumhuriyet.edu.tr Mustafa CANER mustafacaner@cumhuriyet.edu.tr ÖZET
Bu çalışmada, Sivas ili özelinde yatay serme toprak kaynaklı ısı pompası sistemini oluşturan elemanlara ekserji analizi uygulanmış ve sistemi oluşturan her bir elemanın ekserji verimi değerlendirilmiştir. Sistemin akış şemasına bağlı olarak her bir elemanın belirlenen giriş ve çıkış noktalarında termodinamik özelikleri (sıcaklık ve basınç) sistemden anlık olarak kaydedilmiştir. Ölçülen bu özelikler ile her bir noktanın entalpi ve entropi değerleri Coolpack programı ile belirlenmiştir. Yapılan hesaplamalar sonun da her bir elemana ekserji analizi uygulanarak her bir sistem elemanının ekserji verimleri belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Isı pompası, ekserji analizi, ekserji verimi
ABSTRACT
In this study, exergy analysis has been applied to the elements forming the horizontally laid ground source heat pump system specific to Sivas province and the exergy efficiency of each element constituting the system has been evaluated. Based on the flow chart of the system, the thermodynamic properties (temperature and pressure) of each element at the designated entry and exit points were recorded instantaneously in the system. With these measured properties, the enthalpy and entropy values of each point were determined by the Coolpack program. At the end of the calculations, exergy analysis was applied to each element and the exergy efficiency of each system element was determined.
Key Words: Heat pump, exergy analysis, exergy efficiency
1. Giriş
DETERMINATION OF EXERGY EFFICIENCY OF GROUND
SOURCE HEAT PUMP SYSTEM ELEMENTS SPECIFIC TO
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
58
Farklı çeşitleri bulunan enerji, insan yaşantısının önemli ve zorunlu ihtiyacı durumuna gelmiştir. Sanayileşme ve gelişen teknolojiler daha fazla enerji ihtiyacını da beraberinde getirmiştir. Özellikle ısıtma ve soğutma için harcanan enerji, enerji tüketiminde büyük bir oran oluşturmaktadır. Dünya geneli ve ülkemizde birincil enerji kaynaklarından olan fosil yakıt kullanımı birinci sıradadır. Fosil yakıtların hızla tükenmesi, çevre kirliği ve ülkemize ithal edilmeleri yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimi artırmıştır. Yerli enerji üretimi için; yenilenebilir kaynakların araştırılması ve uygulanabilir olması enerji tüketimi konusunda dışa bağımlılığı azaltmasının yanında karbon emisyonlarının düşürülmesinde de etkili olacaktır.
Yenilenebilir enerji teknolojileri kullanılarak elektrik üretilebildiği gibi, ev, okul, hastane gibi ortamlarda, tarım ve hayvancılık sektöründe fosil yakıtlar kullanılmadan ısıtma ve soğutma yapılabilmektedir. Kışın iç ortamların ısıtılması, doğal ısı kaynaklarından ısı enerjisinin pompalanması ile gerçekleştirilirken, yazları da iç ortamın ısısı, dış ortama aktarılmakta ve böylece soğutma yapılmaktadır.
Isı pompaları toprak, hava ve su (göl, deniz ve yeraltı suyu) gibi bir kaynaktan aldığı düşük ekserjili ısı enerjisini elektrik enerjisi kullanarak başka bir ortama pompalayan sistemlerdir.
Kaynağın yenilenebilir olmasının yanında verimli kullanılmasının sağlanması gereklidir.
Yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan ısı pompası, Türkiye gibi, gelişmekte olan ülkelerin enerji ihtiyaçları ve buna yönelik dışa bağımlı olarak harcanan maliyetlerin çok yüksek olmasının yanı sıra, doğal yaşamın korunabilmesi, karbon emisyonlarının makul seviyelere indirilebilmesi ve enerji kaynaklarının doğru kullanılabilmesi yönünde atılan adımların daha fazla fayda sağlaması için araştırılmaya değer bir konudur. Bu bağlamda, ısınma ve soğutma amaçlı kullanılabilecek ısı pompası sistemlerinin farklı iklim koşullarında kullanılabilirliğini görmek amacıyla Sivas ilinde yatay toprak kaynaklı ısı pompası sistemi kurulmuştur.
Sunulan çalışmada, Sivas ilinde toprak kaynaklı ısı pompasının kullanılabilirliği araştırılmıştır. Ekserji yöntemleri kaynaklarının kullanılmasında en fazla fayda elde edilmesini sağlamaktadır. Sistemde yapılan analizlere göre her bir sistem elemanının ekserji verimi incelenmiştir.
Geçmiş yıllarda, birçok araştırmacı toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin ekserji analizi ile ilgili teorik ve uygulamalı birçok çalışma yapılmıştır.
Tarnawski vd. (2009), Isıtma (maks. 5.5 kW) ve soğutma (maks. 3.3 kW) modunda çalışan yatay toprak ısı değiştiricili toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin bilgisayar simülasyonu ve analizi Sapporo’da (Japonya) bulunan 200 m2’lik yaşam alanı olan genel bir konut için yürütmüşlerdir. Sonuçta, Kuzey Japonya’da yeni ve güçlendirilmiş konut ve ticari kullanım için yatay ısı değiştiricilerinin uygulanmasının, özellikle tarıma elverişli alanlarda gerçekleştirilebilir olduğunu belirtmişlerdir. Bi vd. (2009), bina ısıtma ve soğutma sistemleri için oluşturulan toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin karşılaştırmalı ekserji analizini yapmışlardır. Ekserji kaybı, ekserji verimliliği, ekserji kaybı oranı, ekserji kaybı katsayısı ve termodinamik mükemmellik derecesi bağıntılarını türetmişlerdir. Sarbu ve Sebarchievici (2014), bu çalışmalarında TKIP sistemlerinin ayrıntılı bir literatür taramasını yapmış ve son gelişmeler üzerinde durmuşlardır. Ünal (2014), doktora çalışmasında Termodinamiğin 1. ve 2. Yasaları, Eksergo Ekonomik analiz metotlarını kullanılarak Mardin ili Midyat ilçesinde seçilen deney odasında kullanılan güneş enerjisi destekli dikey tip toprak kaynaklı ısı pompası sistemine ait enerji, ekserji ve eksergo ekonomik analizler yapmıştır. Lia vd. (2014), Toprak ve hava kaynaklı ısı pompası sistemlerinin ısıtma ve soğutma ekserjilerinin teorik analizini yapmışlardır. Çalışmalarında, "soğuk ekserji" ve "sıcak ekserji" kavramlarına dayalı hem toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri (TKIP) hem de hava kaynaklı ısı pompası sistemleri (HKIP) ekserjetik özelliklerini sunmuşlardır. TKIP’ın HKIP’dan daha az ekserji tüketmekte olduğunu belirtmişlerdir. Analizler kompresörün, toplam ekserji girdileri arasında en büyük ekserji girişi gerektirdiğini ve ekserji tüketiminin en yüksek seviyede olduğunu göstermektedir. Elektrik tüketiminin azaltılması, kompresör veriminin artırılması, gereksiz ekserji tüketiminin en az olması açısından önemli olduğu sonucuna varılmıştır. Korkmaz (2015), Türkiye’de farklı bölgelerdeki kurulu TKIP sistemlerinin çalışmalarını incelemiştir. Yapılan çalışmalarda çoğunlukla enerji, ekserji ve ekonomik analizler farklı amaçlı kullanım alanlarına yapıldığı belirtilmiştir. Bu analizler sonucunda bu sistemlerin Türkiye’nin değişik bölgelerinde rahatlıkla kullanabileceği sonucuna varılmıştır. Zhai vd. (2017), Şanghay JiaoTong Üniversitesinde 180 m2 kapalı alana sahip toplantı salonuna tasarlanan ısı pompası sistemini kurmuşlardır. Yapılan deneyler sonucunda TKIP sistemlerinin Şangay'daki binalarda uygulanabileceğini belirtmişlerdir.
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
59
2. Deney Düzeneği
Bu çalışmada yatay tip toprak kaynaklı ısı pompasının tasarımı yapılmıştır. Yatay tip toprak kaynaklı ısı pompası deney sistemi Sivas Cumhuriyet Üniversitesi yerleşkesinde bulunan enerji evine kurulmuştur. Toprak altı ısı değiştiricisi, toplam boru boyu 370 m ve 4 hat şeklinde oluşturulmuş ve 2,5 m toprak derinliğine yerleştirilmiştir. Topraktan su - antifriz karışımı dolaştırılarak ısı çekilmiştir. 2016 yılının Aralık ayında gerçekleştirilen deneyler sırasında iç ortam sıcaklığı, dış ortam sıcaklığı, su-antifriz karışımının buharlaştırıcıya giriş çıkış sıcaklığı, soğutucu akışkanın ısı pompası elemanlarına giriş çıkış sıcaklıkları, ısıtma suyunun radyatörlere gidiş ve dönüş sıcaklıkları ve farklı derinliklerde toprak sıcaklıkları ölçülmüştür. Ayrıca kompresör giriş ve çıkış basınçları, su-antifriz karışımının ve ısıtma suyunun debisi ve güç tüketimleri ölçülmüştür.
Şekil 1’de sistemin şematik gösterimi verilmiştir. Deney sistemi, toprak devresi, ısı pompası devresi ve ısıtma devresi olmak üzere üç devreden oluşmaktadır. Toprak ısı değiştiricisi, 2,5 m derinliğinde 10 bar işletme basıncına dayanaklı PE100 (polietilen) borudan oluşturulmuştur. Toprak ısı değiştiricisinde akışkan olarak antifriz oranı kütlece %20 olan antirifizli su kullanılmıştır. Isı pompası devresinde iş akışkanı olarak R410A kullanılmıştır. Isıtma devresinde ısıtıcı olarak radyatör kullanılmıştır.
Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik gösterilmesi
Deney düzeneğinde, toprak altı ısı değiştiricisinde dolaşan salamuranın ve ısıtma suyunun debisi ölçülmüştür. Isı pompasının ve dolaşım pompalarının tükettiği gücün ölçülmesi ve kaydedilmesi için şebeke analizöründen iki adet kullanılmıştır. Deneyler sırasında, termokupllar (ısıl çiftler) kullanılarak iç ortam sıcaklığı, dış ortam sıcaklığı, 0,5 m, 1 m, 1,5 m, 2 m ve 2,5 m derinliklerde toprak sıcaklıkları, ısıtma suyu sıcaklıkları, soğutucu akışkan sıcaklıkları ve antifrizli su sıcaklıkları ölçülmüştür.
Ekserji analizleri sırasında aşağıdaki varsayımlar yapılır:
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
60
Bileşenleri birbirine bağlayan borudaki ısı transferi ve soğutucu akışkan basınç düşmeleri uzunlukları kısa olduğundan önemsizdir.
Potansiyel ve kinetik enerjiler ihmal edilir ve kimyasal reaksiyonlar yoktur.
Toprakaltı ısı değiştiricisi tamamen toprak tarafından çevrili olduğundan ısı kaybı ihmal edilmiştir.
Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı yalıtımlı olduğundan dolayı ısı kayıpları ihmal edilmiştir.
3. Teorik Analiz 3.1. Ekserji Analizi
Enerji analizi termodinamiğin birinci yasasına bağlıdır ve enerjinin korunumu ile ilgilidir. Hangi ünitede enerji kalitesinin ne kadar olduğu ve ne kadar değiştiği hakkında bilgi vermez. Bu bilgiler ancak ikinci yasaya dayanan bir ekserji analizi ile belirlenebilir. Ekserji analizi ekserji kayıplarının yerlerini ve gerçek büyüklüklerini belirleyerek enerjinin daha verimli kullanımını hedeflemektedir. Mevcut sistemlerin verimsizliklerini azaltarak daha verimli enerji sistemleri tasarlanıp tasarlanamayacağını ortaya çıkarmaktadır.
Ekserji analizi kütlenin, enerjinin korunumu ve ekserji dengesi eşitlikleri kullanılarak yapılmaktadır. Kütlenin korunumu:
g= ç (1) Enerjinin korunumu:
(2)
Sürekli akışlı açık sistem için termodinamiğin ikinci yasası aşağıdaki gibi yazılır:
(3)
Burada birinci kanun denklemi de kullanılarak ısı geçişi terimi yok edilirse,
(4) Tersinir iş, yukarıdaki denklemde toplam entropi üretimi ( ) terimi sıfıra eşitlenerek potansiyel ve kinetik enerjiler ihmal edilerek aşağıdaki gibi yazılır:
(5)
ψ ile gösterilen ekserji akısı denklem 6 ile yazılır.
(6)
3.2. Ekserji Verimi
Ekserji verimi, bir enerji sisteminin performansının gerçek bir ölçüsünü sağlamasının yanı sıra enerji sistemlerinin benzer enerji sistemleri ile karşılaştırılması için de önemlidir. Verimleri değerlendirerek kayıpların yerlerini ve büyüklüklerini belirleyerek daha verimli enerji kaynağı kullanımı sağlamaktadır. Ekserji analizinde kullanılan eşitlikler referanslarda verilen ilgili literatürden Bi vd. (2009) alınmıştır. Tablo 1’de sistem elemanlarının şematik gösterimleri ve ekserji verimleri verilmiştir.
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
61
Tablo 1. Sistem elemanlarının şematik gösterimleri ve ekserji verimleri
Sistem
Elemanı Şematik Gösterim Ekserji verimi
Kompresör Toprakaltı ısı değiştirici Buharlaştırıcı Yoğuşturucu Kısılma vanası Akümülasyon Tankı Radyatör
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
62
3.3. Belirsizlik analizi
Deneylerdeki hatalar ve belirsizlikler, cihaz seçimi, cihazın durumu, cihaz kalibrasyonu, çevre, gözlem ve okuma ve test planlamasından kaynaklanabilir. Deneysel çalışmanın doğruluğunu göstermek için belirsizlik analizinin yapılması gereklidir. Belirsizlik analizi, birçok çalışmada kullanılan Holman (1994) tarafından tanımlanan yöntem kullanılarak gerçekleştirilmiştir ve sonuçlar Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 2. Sistem elemanlarını belirsizlik değerleri
Ölçülen Değerler Birim Toplam belirsizlik(%)
Hacimsel debi m3/h ±3,36 Sıcaklık o C ±1,43 Güç kW ±1,02 Sistem Elemanları Kompresör kW ±4,55 Yoğuşturucu kW ±5,56 Buharlaştırıcı kW ±5,56 Kısılma Vanası kW ±2,04 Akümülasyon tankı kW ±2,04 TID kW ±5,28 Radyatör kW ±5,28 4. Deneysel Bulgular