YÜKSEK PERFORMANS BİNALARINDAKİ BİRLİKTE ISI VE GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN EN UYGUN KAPASİTE SEÇİMİ VE
PERFORMANS DEĞERLENDİRME METRİKLERİ İÇİN GELİŞTİRİLEN EKSERJİ TABANLI YENİ BİR YÖNTEM
Birol KILKIŞ
ÖZET
Bu çalışmanın amacı, Birlikte Üretimin öncelikle ticari yapılardaki uygulamalarında görülen tasarımsal ve işletimsel aksaklıkları gidermek ve yeni bir standardın oluşumuna yönelik performans metriklerini ve bir eniyileme algoritmasını geliştirmektir. Bildiri, enerji ve ekserji verimleri yüksek, enerji kaynaklarını akılcı kullanan, gerçek anlamda yakıt tasarrufunu, çevrenin korunmasını ve enerji emniyetini sağlayan, uluslararası norm ve yönergelere uygun uygulamalara ışık tutmak üzere yüksek performanslı bina kavramı çerçevesinde hazırlanmıştır. İçeriksel anlamda, Mega Hastane uygulamaları ön plana çıkarılmış, bu bağlamda yeni tasarım, kapasite eniyilemesi ve performans değerlendirme yöntemleri geliştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Birlikte ısı ve güç üretimi, Akılcı ekserji yönetimi verimi, melez yenilenebilir enerji sistemleri
ABSTRACT
The objective of this study is to develop performance metrics and an optimization algorithm in order to develop a new standard and eliminate certain design and operational shortcomings observed in the o- generation applications, especially in commercial buildings. With main emphasis on the high- performance building concept, this paper aims to shed light on high-energy and high-exergy efficient applications, which utilize energy resources in a rational manner, achieve actual fuel savings, provide energy security, protect the environment, and comply with international norms and guides. Its content focuses on large hospital applications and provides new design, capacity optimization, and performance evaluation methods, metrics, and algorithms.
Key Words: Co-generation, Rational exergy management efficiency, hybrid renewable energy systems
1. GİRİŞ
Merkezi termik güç santrallerinin performansları santral türüne göre ve değişik ölçülerde meteorolojik koşullara bağlı olabilmektedir. Örneğin, yazın sıcak havada çalışan doğal gaz türbinli bir pikleme santralinin verimi ve kapasitesi dış hava sıcaklığına ve bağıl neme bağlıdır. Sıcak günlerde verim azalmasını giderebilmek için ürettiği elektrik gücünün bir kısmının kullanılarak türbin giriş havasının ön soğutması gerekir. Genelde termik santrallerin atık ısılarından -örneğin konfor ısıtması veya soğutması şeklinde- yararlanılmadığı için hizmet sundukları talep noktalarının çevresel, mevsimsel,
iklimsel ve meteorolojik koşullarına bağlı ısı yüklerinden etkilenmezler ve bu gibi talepleri karşılamadıkları için sadece elektrik yükünü takip ederler. Bu bağlamda merkezi santrallerin denetimi ve işletimi bir anlamda daha kolaydır. Hâlbuki binalarda ve bölge enerji sistemlerinde kullanılan birlikte üretim (BÜ) sistemleri talep noktalarına yararlı ısıyı da eş zamanlı biçimde sunma durumundadırlar.
Bu nedenle, bölgenin veya binanın dış çevre koşullarına, anlık fonksiyonlarına ve anlık kullandıkları enerji kaynaklarına ve sistemlere bağlı bina ısıl yüklerinin anlık değişimlerine bire-bir maruz kalırlar ve sadece güç değil ısı yüklerini de anlık olarak eş zamanlı olarak gözetmeleri gerekir. Sonuç itibarı ile BÜ sistemlerinin tasarımı, en uygun boyutlandırılmaları, ekonomik çözümlemeleri ve işletimleri daha karmaşıktır. Özellikle hastanelerde, okul ve otellerde binanın maruz kaldığı anlık dış meteorolojik koşullara, binanın zamana göre değişken taleplerine ve fonksiyonlarına bağlı olarak değişen ve farklılık gösteren ısı, soğuk ve elektrik güç talep profilleri ile birebir ilişki içersindedir. Bir biri ile zamansal olarak örtüşmeyen, hepsi de ayrı karakterde olan farklı yüklerin saatlik bir çözümleme temelinde yıl boyu hesaplanması ve takibi ön koşuldur. Ayrıca BÜ sistemlerinin en uygun, ekonomik, çevreci ve akılcı kapasitelerde seçiminin yıl boyunca saatlik hesaplar yapılarak irdelenmesi gerekir.
BÜ sistemlerine yoğun ilgiye ve uygulamalara paralel olarak gelişmesi beklenen temel mühendislik bilgileri, yenilikçi sistemlerin AR&GE boyutu, sistem kapasitesinin doğru seçimi, sistemin eniyilemesi, değerlendirme ve çözümleme yöntemleri şu anda yeterli düzeyde değildir. Bu yetersizliğin altında yatan temel zorluklar aşağıda özetlenmiştir.
Farklı ısı ve güç yüklerindeki dengesizlikler,
Sistem güvenirliğinin ve emre amadeliğin çok yüksek olma gerekliliği,
Yatırım ve işletme ekonomikliğinin ve verimin geri dönüş sürelerine doğrudan etkisi,
Yüksek elektrik gücü kalitesi ihtiyacı,
BÜ sistem performansının her a değişken olması,
Talep tarafındaki güç ısı oranının zamana bağlı olarak BÜ sistem (arz) tarafındaki mevcut anlık güç sı oranına benzer olmayabilmesi,
Güç ve enerji depolamasına olan gereksinim,
Isı ve güç yüklerinin takibindeki güçlükler ve farklılıklar.
1.1. Binalar ve Birlikte Üretim
Şekil 1-a ve Şekil 1-b, bir binanın farklı enerji ve güç gereksinimlerini göstermektedir (Kılkış, B., 2011- a, Kilkis, 2012-a). Özellikle tıp merkezleri, oteller gibi 7/24 hizmet veren yapılarda ısı gücü talepleri;
buhar, kızgın su, sıcak kullanım suyu (servis suyu), soğuk su (konfor soğutması, endüstriyel soğutma, cihaz soğutması vb.) ve soğuk hava, sıcak hava şekillerinde olabilmektedir. Soğutma işlevi ise ülkemizde genellikle elektrik gücü ile soğutma gruplarında gerçekleştirildiğinden bu yükün elektrik gücü talebi içersinde yer alması daha doğrudur (Şekil 1-b). Bu durumda binanın elektrik güç yükü özellikle yaz aylarında çok artabilir. Ancak kullanımları ülkemizde nadir de olsa gaz ateşlemeli absorpsiyonlu soğutma makineleri (ESC, 2005), ısı tahrikli desikant tekeri, buharlaşmalı soğutma yöntemleri binada kullanılıyor ise soğutma yükü bu kez ısı yüklerine dâhil edilmelidir (Şekil 1-b). Her iki durumda da soğutma yükleri netice itibarı ile ya bina elektrik yükü veya bina ısı yükü içersinde gözükür. Şekil 1-c de bina sektörü toplamında farklı bina yüklerinin karşılaştırması verilmektedir (EIA, 1999). En büyük yük konfor ısıtmasıdır. Bunu klima yükleri takip etmektedir. Alışılagelen günümüz uygulamalarında bina ısı yükleri fosil yakıtla çalışan kazanlarla karşılanmaktadır. Yoğuşmalı kazanlar kullanılsa da ortalama net verim % 85 in üzerine pek çıkmaz. Ülke ortalamasında ise termik santrallerde üretilen elektrik binaya % 30 verimle gelebilmektedir. Termik santrallerin atık ısıları bölge enerji sistemi kurularak çevre yerleşim bölgelerinde değerlendirilebilir. Örneğin, TÜBİTAK TSAD Projesi ile Yatağan Santrali atık ısısının yerleşim bölgesinde değerlendirilme projesi gerçekleştirilmiştir. Üçlü üretim sisteminde ise tüketici soğutma yükleri elektrik tahrikli soğutma grupları yerine BÜ sisteminin yararlı ısısının en uygun orandaki bir bölümünü kullanan ısı tahrikli soğutma makinelerinden karşılanmaktadır. Yazın konfor ısıtma yükü genelde bulunmadığından yararlı ısının sıcak servis suyu dışındaki büyük bölümü soğutma yüklerinin karşılanmasında kullanılabilmektedir.
Böylece yazın soğutmaya dayalı ek elektrik yükleri önemli ölçüde azaltılmaktadır. Diğer bir avantaj ise ısının yazın da etkin bir biçimde değerlendirilmesi ile BÜ sisteminin ekonomikliğinin artmasıdır. Eğer o yörede gündüz elektrik tarifesi uygulanıyorsa soğutma pik yükleri bu tarife dilimine denk gelmekte bazı durumlarda puant tarife dilimine de sarkabilmektedir. Hem pik soğutma yüklerinin sanal olarak gece
tarifesine kaydırılması hem de pik yüklerin tıraşlanması için soğuk en uygun zaman dilimi içersinde üretilip depolanabilir ve depolanan soğuk (örneğin buzda enerji depolaması: BED) pik soğutma yüklerinin kısmen karşılanmasında kullanılır (Şekil 1-f). Şekil 1-e de gösterildiği üzere şebeke elektriği ve ısı kazanı yerine bir BÜ sistemi bina güç ve ısı yüklerini karşılamak üzere tesis edilmiştir. BÜ verimi genelde % 90 a çok yakındır.
Şekil 1-a. Bina Enerji Talepleri. Şekil 1-b. Soğutmanın Elektrik veya Isıl Güç (Buhar/sıcak su) ile Gerçekleşmesi.
Şekil 1-c. Bina Isı ve Güç Yüklerinin Tipik Karşılaştırması (EIA, 1999).
Şekil 1-d. Alışılagelen Enerji ve Güç Sistemleri ile Taleplerin Karşılanması (Santral Atık Isısının Değerlendirme Seçeneği Noktalı Çizgilerle Gösterilmiştir).
Santral atık ısısı
Şekil 1-g de ise bina mekanik tesisatı ile binanın ısı ve güç yüklerinin birbirinden farklı enerji depolama ve dengeleme ara yüzleri ile ayrılması gösterilmektedir. Bu ara yüz hem elektrik gücünün hem de ısının üretiminde, dağıtımında, atık ısı kazanımında denetim etkinliğini arttırmakta, ekserji verimliliğini yükselmekte, ayrıca bina ve tesisat otomasyonu birbirinden ayrılarak tesisat ve bina otomasyonunun en uygun platformlarda eşgüdümlü olarak gerçekleşmesine yardımcı olmaktadır.
Şekil 1-e. Basit BÜ Sistemi: Isı ve Güç (Birleşik Isı ve Güç Sistemi).
Şekil 1-f. Üçlü Üretim Sistemi ve Soğuk Depolama.
Şekil 1-g. Üretim Tesisi ve Tüketici Alanı Arasında Enerji Depolaması ve Dengeleme Sistemleri.
Bu yöntemle mekanik tesisat bina yerine sadece ara yüzü görmekte ara yüzün (depolar) yüklerine kendi içinde en uygun kararı vererek cevap vermekte, bina otomasyonu da mekanik tesisata komut vermek yerine daha basit düzende depolardan uygun ekserjideki ısıyı çekmektedir. Elektrik gücü ise
denge panosunda dengelenmektedir (Çakmanus, vd, 2010). Bir BÜ sisteminde üretilen güç ve ısının ilişkisi Eşitlik 1 de verilmiştir (EU 2004/8/EC).
ECHP = C·HCHP {ECHP ve HCHP > 0} (1)
Not: EU 2004/8/EC Yönergesindeki HCHP tanımı ile bu bildiride ayrıca tanımlanan QT terimi genelde aynı değere sahiptir. CWA 45547 çerçevesinde BÜ kapsamı dışında bırakılacak elektrik enerjisi yoksa Eşitlik 1 aşağıdaki şekilde de yazılabilir.
CHPEη = C·CHPHη {ECHP ve HCHP > 0} (2)
Birincil Enerji Tasarruf Yüzdesi
EU 2004/8/EC Birincil Enerji Tasarruf Yüzdesi, PES i, farklı sistemlerde üretilen elektrik ve yararlı ısı referans verimlerine (Çizelge 3) oranla (DG TREN, Ocak 2006) şu şekilde vermektedir:
(3)
Eşitlik 3, C cinsinden de yazılabilir:
(4)
Tablo 1. Referans Verimlerine Örnek.
Sistem RefHη RefEη
Buhar 0.90 0.52
Süreç Isısı 0.85 0.52
PES Değerinin Üst Sınırı:
(4) Eşitliğinde CHPHη ve CHPEη verimlerinin toplamı 1 i geçemeyeceği için:
CHPHη + CHPEη < 1; C = CHPEη/CHPHη
Ayrıca elektrik güç üretimi veriminin üst sınırı teknolojinin en son noktasında 0,6 dır. Bu nedenle, CHPEη ≤ 0,6. Bu kısıta göre PES değerinin matematiksel üst sınırı (pratik olarak imkânsız) yani % 100 toplam verim koşulunda aynı referans verim değerleri için bulunabilir:
100 52
, 0 90
, 0 1
1 1 x
CHPE PES CHPE
Aynı çizge üzerinde % 100 (teorik) toplam verim, % 90 toplam verim (pratik üst sınır), % 80 toplam verim (pratik değer) üç eğri görülmektedir. Temsil ettiği toplam verime göre her eğri değişik C değerlerinde PES miktarları görülmektedir. Uygulamadaki pratik C değerleri (0,45 ≤ C ≤ 0,95) göz önünde tutulduğunda ve AB Yönergesine göre kabul edilebilir en düşük PES değerinin de % 10 olma koşulu dikkate alındığında ortadaki taralı alan bize uygulamadaki PES değerinin en fazla % 26 kadar olabileceğini göstermektedir. AB Yönergesindeki PES eşitliği aslında sadece BÜ tesisi ve tüketici alanını çevreleyen dar bir sahadaki çözümlemeyi yansıtmaktadır. Bir BÜ sisteminin ısı ve elektrik gücü çıktılarının tüketici alanında nerede ve ne tür uygulamalarda kullanıldığı, çıktı ekserjileri ile talep ekserjilerinin ne denli uyumlu ve dengeli olduğu da çözümlenmelidir. Buna ek olarak yakıt girdisi
x100 RefEη CHPEη RefHη
CHPHη
1
1 PES
x100 RefEη RefHη
CHPHη 1
PES 1 C
1
tarafında kullanılan yakıtın da ne denli uyumlu ve ekserji kullanımı yönünden akılcı olduğu çözümlenmelidir. Bu genişletilmiş çözümleme bölgesel ve ülkesel enerji bilançosu için çok önemlidir ve toplam CO2 salımlarının hesabında kaçınılmazdır. Bu geniş çerçevede bakıldığında ise gerçek yakıt tasarrufunun % 50 leri aştığı Termodinamiğin 2. Yasası ve REMM (Rational Energy Management Model) Modeli (Kilkis, S., 2007) çerçevesinde görülmektedir.
Şekil 2. PES Değerinin C ve Toplam Verim ile Değişimi (© B. Kılkış, 2008).
2. AB YÖNERGESİNİN EKSİKLİKLERİ İÇİN ÇÖZÜM:
AB Yönergesinin PES Eşitliği bugünün koşullarında yetersiz kalmaktadır. Bunun nedenleri:
PES Eşitliğinde yakıt girdisi olarak sadece fosil yakıtlar öngörülmüştür. Hâlbuki bugünün yenilikçi ve çevre dostu BÜ uygulamalarında belirli bir oranda güneş, rüzgâr, toprak ısısı gibi yenilenebilir enerji kaynakları da kısmen veya tamamen yakıt girdisi olabilmektedir. Örneğin bir güneş enerjili PVT sistemi (Photo-Voltaic Thermal) tek bir yakıttan (Güneş Enerjisi) bir evin ısı ve elektrik yükünü karşılayabilir. PVT sisteminin bizatihi kendisi de böylelikle bir BÜ sistemi olmaktadır. Bu tür sistemler tek başına kullanıldığında veya fosil yakıtlı BÜ sistemleri ile harmanlandığında (Melez BÜ) yakıt tasarrufu nasıl hesaplanacaktır? Bu günün AB Yönergesindeki PES eşitliği bu gibi uygulamalardae ortak bir payda oluşturamamaktadır.
Buhar, kızgın su, sıcak su, soğuk su (üçlü üretim sistemi gibi) gibi değişik ısıl enerji çıktılarının ekserji açısından farklılığını daha da önemlisi ısı sıcaklıklarına, entalpisine ve termodinamik verilere duyarlı değildir. Örneğin PES eşitliği, BÜ tesisinde üretilen ısının 60oC mı yoksa 90oC mi olduğuna duyarlı değildir. Hâlbuki değişik sıcaklıktaki aynı miktar ısının ekserjisi diğer bir deyişle yararlı iş potansiyeli ve topluma katma değerleri farklıdır. Örneğin, 90oC sıcak su ile çalıştırılan absorpsiyonlu soğutma makinesi ile soğutma yapılabilir fakat 60oC su ile ancak kullanım (servis) suyu üretilebilir (Uygulamada sıcak servis suyunun Lejyoner Hastalığını önlemek için 65oC ın altında olması tavsiye edilmez). Maalesef güneş toplaçlı otellerde, hatta hastanelerde ve evlerde bu konuya pek dikkat edilmemektedir (Kılkış B. ve Özgür E., 2012).
Soğutma da durum aynıdır. Örneğin BÜ tesis alanında kendi ürettiği elektrik gücünün bir kısmını tesis içersinde soğutma grupları ile tüketmesi yerine atık ısı ile soğutmanın ayrıcalığını PES Eşitliği göstermemektedir.
Alternatif enerji kaynaklarından da yararlanan yenilikçi BÜ sistemlerini içermemektedir.
Alternatif enerji kaynaklarında birincil enerji kaynakları genelde tüketilmez ve bu durumda zaten PES Eşitliği anlamını yitirmektedir.
Toplam verim: % 100 Toplam verim: % 90 Toplam verim: % 80 PES alt sınırı
RefHη = 0,90 RefEη = 0,52
C C E
H E
H RH RE
CHP CHP
RE CHP
RH CHP
RCHP
1 Ref Ref
Ref
Ref Ref
Çözüm: REMM Modeli (Kilkis, S.,2007-a ve 2007-b )
PES Eşitliğine ilişkin sorunları çözümlemeki REMM Modeli geliştirilmiştir. Bu modele göre PES Eşitliğine akılcı ekserji yönetimi verimi (ΨR) ve daha sonra da Birincil Enerji Oranı (PER) değişkenleri eklenmiştir. Uygulama konfor ısıtması ise akılcı ΨR ın referans değeri toprak kaynaklı bir ısı pompası (Şebeke elektriği ile tahrik ediliyor) 0,10 olarak kabul edilebilir. (API, 1975) ve bir merkezi termik santral için bu değer 0,3 seçilebilir (Sugimoto, Fujii, and Ohta, 2006).
veya, (5)
(6)
(7)
Emax Hmax
Emin
Hmin (1 )
C C
RCHP (8)
f ref
T 1 T
Emax (9)
E ref
T 1 T
Emin (10)
app ref
T 1 T
Hmax (11)
a ref
T 1 T
Hmin veya
ref a
T 1 T
Hmin {T
a < Tref} (12)
Şekil 3. REMM Modelinin 2004/8/EC Yönergesine Uygulaması (Kilkis, S., 2009).
Tf
TE
Tapp
Ta
Tref
Emax
Emin
Hmax
Hmin
100 2
2
1 1
RCHP RCHP
PESRCHP
Ref RefEη
CHPEη RefHη
CHPHη
Ref x100 RefEη
RefHη CHPHη 1
RCHP RCHP
RCHP C
PES
2 2 1 1
Şekil 4. Rüzgâr Türbini ve Toprak Kaynaklı Isı Pompalı WPT Sistemi (Kilkis, B., 2012-a, 2012-c).
Rüzgâr gücü ile çalışan ısı pompası bina konfor sıcaklığını Ta değerinde sürdürmektedir. Güneş enerjili diğer bir sistemde (Şekil 5) yazın verimi düşen PV gözeleri panel arkasındaki bir ısı değiştirici tarafından su ile soğutulmakta, üretilen elektriğin bir kısmı soğutmada kullanmaktadır. TEC modülleri tarafından çekilen ısı aynı ısı değiştiriciye ek ısı kaynağı olarak aktarılmaktadır. Ayrıca TEC modüllerin ürettikleri ısı da aynı ısı değiştiriciye aktarılmaktadır. Böylelikle güneş enerjisine dayalı bir üçlü üretim sistemi oluşmaktadır (Elektrik gücü, sıcak su temini ve soğutma). Yazın üretilen sıcak suyun talebi az, soğutma yükünün daha yoğun olduğu dönemlerde fazla sıcak su bir soğutma makinesinde (Adsorpsiyonlu sistem) değerlendirilebilir. Güneş enerjisinin ışınım şiddeti, I ya bağlı eşdeğer Tf değeri Eşitlik (23) den hesaplanmaktadır.
Şekil 5. Güneş Enerjisinden Elektrik Gücü, Isı ve Soğuk Üretimi (Kılkış, B., 2010).
2.1. BÜ Sistem Veriminin Değişimi
ISO standardının koyduğu kapasite ve verimler için standart çevresel koşullar şu şekildedir:
15oC dış hava sıcaklığı, 101,3 kPa dış hava basıncı, % 60 dış hava bağıl nem ve deniz seviyesi. Fosil yakıtlı, motorlu veya türbinli BÜ sistemlerinin katalog kapasite değerleri yukarıdaki standart değerlerden saptıkça her an değişmektedir. Dolayısı ile özellikle kapasite seçiminde ve ekonomik çözümlemelerde meteorolojik verilerin zamana bağlı saatlik (t) değişimleri önem kazanmaktadır. Bu bağlamda dört temel kapasite düzeltme çarpanı bulunmaktadır.
Deniz seviyesinden olan yükseklik çarpanı, ka(t)
Basınç çarpanı, kp(t)
Nem çarpanı krh(t)
Hava sıcaklığı çarpanı kta ve
Yakıt kalorifik değeri (Alt ısıya göre) çarpanı, kf(g) dir.
Bu çarpanların kullanılacağı anlık (t zamanına bağlı) kapasite değeri şu eşitlikle bulunur:
K(t) = ka(t) · kp(t) · krh(t) · kta(t) · kf(g) · K(katalog) [kWe veya MWe] (13-a) BÜ tesisi mobil değilse (Örneğin acil durumlar için araç üzeri monteli mikro BÜ tesisli seyyar mutfak, uçaktaki yakıt pilli BÜ vb) yani yerleşik bir düzende ise, ka(t) zamana bağlı olmayıp o mahadeki denizden olan yükseklik değişmediği için sabittir:
K(t) = ka · kp(t) · krh(t) · kta(t) · kf(g) · K(katalog) [kWe veya MWe] (13-b) Sıcak Servis Suyu Tf
Ta
Elektrik Gücü Power
Konfor Soğutması veya Isıtması Isı
Isı Tahrikli Soğutma Makinesi
Isı Değiştirgeci PV GÖZESİ
TEC GÖZESİ
gGözesi
MODULE TrefGüç Dönüşüm
ü Tg
Tf Tapp
Isıtma/Soğutm a Sistemi
Ta
Bina GSHP
f ref appi
ref
appi Ri
T T T T
1 1
max
Yakıt Kalorifik Değer Çarpanı ise özellikle doğal gazlı BÜ sistemlerinde günlük değişimler (g) gösterebilir. Nitekim BOTAŞ yöreye göre günlük kalorifik değerleri yayınlamaktadır. Ancak ileriye dönük bir kestirim yapmak güçtür. O yöreye hizmet veren doğal gaz şirketinin geriye dönük mevsimsel verilerinin kullanılması yeterli olabilir. Düzeltme çarpanlarının bir ekonomik çözümlemede gerçekçi ve hassas bir biçimde kullanılabilmesi için meteorolojik verilerin de saatlik olarak bilinmesi gerekir (yükseklik çarpanı hariç). Bunun nedeni ekonomik çözümleme ve performans değerlerinin saatlik ortamda ve bir yıl boyunca o yıl için kestirilmiş yakıt ve diğer gider/yatırım maliyetleri (Mümkünse aylık kestirimler) ile birlikte her saat için bilgisayar ortamında yazılmış bir özel yazılım ile değerlendirilmesi zorunludur. Bu tür bir yazılımın ana hatları bu raporda yer alan bilgilerden türetilebilir. Bir de yıllara göre sistemin yıpranmasını ve hizmete amadeliğini ölçütleyen yıpranma çarpanı, y(n) bulunmaktadır.
Bu çarpan da hem verimi hep kapasiteyi etkilemektedir.
K(t) = ka(t) · kp(t) · krh(t) · kta(t) · kf(g) · y(n)m · K(katalog) [kWe veya MWe] (13-c) K(katalog) terimi BÜ cihazının ISO standart çevre koşulları ve en yüksek verimdeki kapasitesinin katalog değeridir. Katalogda tüm düzeltme çarpanlarının çevre koşullarına bağlı çizelge eğrilerine üretici tarafında yer verilmesinin yanı sıra o ürünün y ve m değerlerinin belirli (standart) işletme ve bakım/onarım koşulları için de belirtilmesi gerekir. Bu eşitlikte y bir ampirik değer, m ise gene ampirik bir değer olup BÜ cihazının tipine, yapım kalitesine, işletme koşullarına, çevresel etkilere, bakım ve onarım kalitesine ve düzenine bağlıdır. n sistemin işletmeye alındığı yıl ve takibeden yıllardaki toplam işletme yılıdır. Düzeltme çarpanları her BÜ ürünü için ayrı olduğundan literatürde verilen genel değerler ancak yaklaşık olmak kaydı ile değerlendirilebilir. Yıpranma çarpanı, yenilenebilir enerjiye dayalı BÜ sistemleri için de geçerlidir, örneğin toprak kaynaklı ısı pompalarında kuyuların etkinliğinin azalması, jeotermal sistemlerde kuyuların bozunması, enerji rezervinin azalması, güneş enerjili sistemlerde optik özelliklerin bozunması yüzey ışık geçirgenliğinin azalması gibi etmenler sayılabilir.
2.2. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Dayalı BÜ Sistemleri
Yenilenebilir enerjiye dayalı BÜ sistemlerinde ise bu çarpanlardan kf(g) doğal olarak bulunmamaktadır zira tükenebilir enerji kaynaklarına dayalı sistemlerde fosil kökenli yakıt kullanılmamaktadır. Buna karşın güneş enerjisine dayalı PVT sistemlerde yeni iki faktör etkendir. Bunlardan ilki ve daha baskını PV sıcaklığı kT(t) çarpanıdır. Her ne kadar sandviç tipi PVT sisteminde (Şekil 5) PV sıcaklığının artması önlense de bu önlem ısı talebine, mevsime ve başka etkenlere bağlı olup her zaman PV gözeleri yeterince soğutulamayabilir. İkinci çarpan kw(t) rüzgâr hızı çarpanıdır ve rüzgâr enerjisine dayalı BÜ sistemlerinde anlık rüzgâr hızı V(t) kapasiteyi doğrudan etkiler.
3. EKSERJİNİN AKILCI KULLANIMI
Toplum refahı, enerji, ekonomi ve çevre ilişkilerini bina, tesis, santral gibi dar alanlar ve “tek-başına”
kavramının dışında talep ekserjileri arasındaki dengeyi bir bütün olarak değerlendirebilen yeni REMM Modelinde Akılcı Ekserji Verimi, ψRi; herhangi bir (i) uygulamasının talep ettiği en az ekserjiye (εappi) karşın arz edilen ekserjinin (εmax) ne denli dengede olduklarını sorgulamaktadır. Başka bir anlatımla, akılcı ekserji verimi, ekserji talebi ile ekserji arzı arasındaki uyumun ve dengenin bir ölçütüdür.
{Süreçte ekserji önce yıkılıyorsa} (14)
ΨRi yakıt tasarrufuna ve CO2 salımlarına yansıyan bir değişkendir. Bu nedenle Yönergenin (PES) eşitliği aşağıdaki şekilde düzeltilmiştir. Burada RefψRCHP yaklaşık0,204 alınır.
(15-a)
Eğer, BÜ sistemine tesis dışından giren başka bir destek ısısı var ise bu destek miktarı yukarıdaki denklemin paydasına eksi değer olarak girmelidir:
(15-b)
Hsη: BÜ sistemine tesis dışından fosil yakıtlara dayalı destek ısısı (supplementary heat) giriyor ise bu ısının haricen üretildiği sistemin 1. Yasa verimi,
RefHsη: Destek ısının üretimi için tanımlanmış Referans Verimi (Örneğin AB Yönergesinden).
Eşitlik (15-b) de ısı ve güç kısmi verimlerinin bulunduğu paydaya buhar gücü verimi (CHPSη) de eklenmiştir, çünkü buharın ekserjisi sudan daha fazladır. Eğer sıcak su farklı sıcaklıklarda üretiliyorsa ekserji farkları yukarıdaki denklemde her farklı sıcaklıktaki sıcak su üretimi için CHPH1η, CHPH2η, gibi çeşitlendirilerek eklenmelidir. Soğutma gücü referans PER değerleri ile ayrılmıştır. Birincil enerji oranı, PER, soğutucu sistemin soğutma tesir katsayısının (COPc) sistemi çalıştıran gücün (Örneğin şebeke elektriği) tüm kayıp ve kaçakları simgeleye güç iletim verimi ηT ile çarpımından oluşur.
PER = ηT·COPc {Tesir Katsayılı Yani GSHP, PVTC vb gibi sistemler için} (16) Eşitlik (16) daki yeni referans değerleri AB Yönergesinde bulunmamaktadır ve ηT = 0,32 (Şebeke Elektriği) kabulü ile şu şekilde önerilmiştir:
Isıtma için RefPER = 0,32·4 = 1,28
Soğutma için RefPER = 0,32·3 = 0,96
Buhar için RefSη = 0,75
BÜ sistemlerinin REMM çözümlemesinde iki senaryo geçerlidir. Bunlar:
Senaryo I- Ekserji yıkımı yararlı uygulamadan öncedir (Örneğin sıcak su kazanı gibi), Senaryo II- Ekserji yıkımı yararlı uygulamadan sonradır (Örneğin BÜ sistemi gibi).
Şekil 6. Toprak Kaynaklı Isı Pompası ve Rüzgâr Türbininden Oluşan Sistemi (Kilkis, B., 2012-a).
x100 2
Ref 2 RefEη
CHPEη RefSη
CHPSη RefHη
CHPHη 1 1
RCHP RCHP RCHP
RefPER PES PER
REMM Boundary
Wind
Tref A- GSHP-Home Boundary
Wind Turbine
Sustainable Home 2 kW electric
power
1 kW
1 kW 85% Electro-mechanical
efficiency
293 K 333 K
5 kW heat
B- Turbine Generator-Home Boundary 40% Hydro-mechanical
efficiency
GSHP
4.5 kW
Tf
Tf
COP=5η
=0.9
Ta
x100 2
Ref 2 RefEη
CHPEη RefSη
CHPSη RefHη
Hη RefHη
CHPHη 1 1
s
RCHP RCHP RCHP
RefPER PER PES
f ref o
ref
T T T
T 1
sup
1
Ekserjinin önce yıkılması: Örneğin doğal gazlı bir kazanda doğal gazın ekserjisi sadece düşük sıcaklıklardaki uygulamalarda kullanıldığından yüksek sıcaklıklarda mevcut ekserji ilk sırada yıkılır (Şekil 7). Aynı bağlamda sadece sıcak su üreten düzlemsel toplaç elektrik gücü üretmediğinden Şekil (7) geçerlidir. Hâlbuki bu sistemde elektrik de üretilse idi (PVT) Şekil (8) geçerli olacaktı.
Şekil 7. Ekserji Kullanımından Önce Gelen Ekserji Yıkımı Senaryosu.
Düzlemsel güneş toplacı ile konfor ısıtması yapıldığına Ta iç hava sıcaklığındaki binanın ekserji talebi, εdem ideal Karno çevrimi temelinde (17-a) Eşitliğinden hesaplanır. Konfor soğutmasında ilişkin eşitlik (17-b) dış hava sıcaklığı To yu da içerir. (18-a) Eşitliği ise REMM verimi ΨR yi verir (Kilkis, S., 2009).
a ref
dem
T
1 T
{Isıtma} (17-a)
a ref o
ref
dem
T
T T
T 1
1
{Soğutma} (17-b)
sup
R
dem (18-a){Isıtma} (18-b)
{Soğutma} (18-c)
Ekserjinin sonra yıkılması: Bu senaryoda, ekserji yıkımı uygulamadan sonra düşük ekserjilerde oluşur. (Doğal gaz motorlu bir BÜ sistemi gibi). BÜ sisteminde doğal gazın yüksek ekserjisine uyumlu olarak önce elektrik gücü üretilir, atık ısısının önemli bir bölümünü tüketici yararlı ısı olarak kullanır, geri kalan ısının düşük ekserjisi kullanılmadığından ekserji yıkılır.
Şekil 8. Ekserji Kullanımının Ardından Gelen Ekserji Yıkımı Senaryosu.
(19) Tref
Ta
Ekserji Arzı
Ekserji Kullanımı Ekserji Yıkımı
Tf
f ref
T 1 T
sup
Tref
Tf
Ekserji Arzı Supply
Ekserji Kullanımı
Ekserji Yıkımı TE
Tapp
Ek ekserji kullanım olasılığı
sup
1
R
dst
E ref
dst T
1 T
E HH H
AE H AH
A
R Q Q
Q AER Q
s
P m
j
sj j n
i
di s demi
P m
j
sj sj ref n
i
di di ref
R
Q Q
T Q T
T Q T
1 1
sup 1 1
1 1
1 1
n
i di n
i
di Ri
R
Q Q
1 1
{Isıtmada TE ≥ Tapp } (20)
Fosil yakıtlara dayalı bir BÜ sistemi yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı sistemlerle harmanlandığında ağırlıklı PES değeri yeniden hesaplanır: (Kilkis, B. 2012-b):
(21) Burada, QAH ısı ve/veya soğuğun yenilenebilir enerji kaynakları ile εAH ekserjisinde karşılandığı ısıl güç (veya enerjidir). Güneş, rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynakları kesikli olduklarından güç yerine belirli bir zaman aralığındaki enerji birimi (kW·h) kullanmak daha yerinde olacaktır. QAE yenilenebilir enerji kaynakları ile karşılanan elektrik gücüdür (veya enerji). Birim ekserjisi 1 kabul edilmiştir (0,95 daha doğru bir değerdir). QH ve QE sırası ile binanın toplam ısı ve güç talepleridir. εHH bina ısıl yüklerinin (Örneğin ısıtma ve sıcak servis suyu talepleri) ortalama ısıl yük ekserjisidir. AER (Alternatif Enerji Oranı: Alternative Energy Ratio) ise yeni bir değerlendirme metriğidir.
(22)
Rüzgâr ve güneş enerjisinin Karno çevrimi tabanındaki eşdeğer kaynak sıcaklıkları aşağıdaki eşitliklerce verilmektedir (Kilkis, S., 2010). Burada ηI türbin verimi, I güneş ışınımı, 5800 K güneş yüzey sıcaklığıdır. Referans sıcaklığı, Tref ortalama toprak sıcaklığı, örneğin 283 K alınabilir. Sisteme farklı ekserjilerde güç girişi ve güç çıkışı varsa (Şekil 10), ortalama REMM verimi,
Rkullanılır.
{Güneş} (23)
refI
f
T T
1
{Rüzgâr} (24), veya: (25)
(26)
Şekil 9. Temel Ekserji Bloğu (©Birol Kılkış ve Şiir Kılkış, 2009).
RCHP
E HH H
AE H AH
A RCHP
RA PES
Q Q
Q PES Q
PES
100
K T
T T I
ref f ref
1 5800 1 1366
Şekil 10. Melez BÜ Siteminde Ekserji Akışı.
Şekil 10 da güneş ve rüzgâr enerjisinden güç ve ısı elde eden ve bunu tüketiciye sunan bir melez BÜ sisteminin ekserji akışı görülmektedir. Sistemde iki adet birim bulunmaktadır: i = 1 (Rüzgâr Türbini) ve i = 2 (Güneş PVT), m = 2. Rüzgâr türbini sadece elektrik üretmekte (n = 1), PVT ise hem ısı hem elektrik üretmektedir (n = 1, 2). Bir BÜ sisteminin basit ekserji verimi, ηEX, BÜ sistemini oluşturan (m) kadar değişik (i) biriminin her birisinin (n) kadar değişik türdeki enerji (j) çıktıları için 1. Yasa verimleri ηj, o birimden çıkan birim ekserjiler εjout ve her birime giren birim ekserjiler εiin ve miktarları Qiin ile ilintilidir. Bu eşitlik her birime tek tür enerji girdisi bulunduğunu varsaymaktadır.
(27)
BÜ sisteminden çıkan değişik ekserji arzları tüketici alanındaki ekserji taleplerinin her birine ideal olarak denkleşmesi koşulunda:
Qingüneş·ηhg·εhsup = εdemh·Qdemh
Qinggüneş·ηeg·εesup + Qingrüzgar·ηer·εesup = εdeme·Qdeme
(28) Eşitliği aynı zamanda ΨR değerini verir. Bunun nedeni ΨR veriminin sadece kaynak ve son talep noktası (Tüketici) arasındaki ekserji dengesi ile ilişkili olmasıdır. (Şekil10 da en soldaki ve en sağdaki kesik çizgili kutular). Bu koşulda yukarıdaki örnek için:
Qingüneş·ηhg·εhsup ≥ εdemh·Qdemh
Qinggüneş·ηeg·εesup + Qinrüzgar·ηer·εesup ≥ εdeme·Qdeme koşulları nedeni ile, ΨR ≤ ηEX koşulu geçerlidir.
(28)
3.1. Çevresel Değerlendirme
Doğal gaz kazanı ile ısıtılan (i) indisli bir bina, elektrik talebinin tamamını uzaktaki bir termik santralden almaktadır. Kazanda yakılan yakıt türüne, yanma performansına, dış koşullara bağlı olarak binadan havaya belirli ölçüde zararlı salım, örneğin CO2 salımı olmaktadır. Ancak bu binanın kısmen sorumlu olduğu ve görülmeyen ikinci, hatta daha fazla sayıda ek salımlardan sorumlu bacaları vardır. Enerji kalitesinin kullanımındaki büyük uyumsuzluğa neden olan bu bina, BÜ sistemi kullanmayıp elektrik enerjisini (j) indisli bir termik santralden almaktadır. Binanın bu elektrik yüküne karşılık, santralin toplam yükü artmakta ve bu oranda santral daha fazla CO2 salımı yapmaktadır (ΣCO2j).
rüzgar inrüzgar güneş
ingüneş
deme deme demh demh R
EX
Q Q
Q Q
Melez BÜ
Isı Qingüneş·ηhg·εhsup
Elektrik Qingüneş·ηeg·εesup
Elektrik Qrüzgar·ηer·εesup
εgüneş, Qingüneş
εrüzgar, Qinrüzgar
Isı εdemh·Qdemh
Elektrik εdeme·Qdeme
Enerji Kaynağı
Tüketici Alanı m = 1
m =2
n = 1
n = 2 n = 1
Ψ
Rη
EX
m
i
iin iin m
i n
j j in j
i
EX
Q Q
1
1 1 sup
Ri
T i
j i j
CO c
CO
2
21
Ri
T i
j i
i j i i
c c CO CO
CO
2 2 2 1 (29)Bir binada kurulu BÜ sistemi koşulunda ise:
(30)
4. OPTİMUM KAPASİTE SEÇİMİ VE PERFORMANS DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ
Yeni bir optimum kapasite seçimi ve performans değerlendirme yöntemi geliştirilmiştir (Kılkış, B., 2013). Değişik bina yüklerinin saatlik ve günlük değişimleri birbirinden farklıdır ve profilleri de zaman ekseninde eş-zamanlı olmayıp profil şekilleri de farklıdır. Yük profillerinin şekilleri de farklıdır. Bu durum Şekil 11-a da gösterilmiştir. Örneğin pik elektrik yükü saat 14 de 18000 kWe olarak yer almaktadır. Pik ısı yükü ise saat 18 de 16000 kWh dir. En olumsuz dengesizlik saat 01 de görülmektedir. Elektrik yükü düşük olduğundan ısı yükünün BÜ tarafından karşılanması mümkün değildir. BÜ sistemi büyük seçildiğinde fazla elektrik enerjisi üretilmek durumu ortaya çıkacaktır. Bu elektriğin şebekeye satılması düşünülse dahi gece tarifesi (en ucuz tarife) üzerinden ıskontolu satılacak bu elektrik BÜ sistemine kazanç getirmeyecektir. Bir çözüm ısı yüklerinin az elektrik yüklerinin az olduğu saat dilimlerinde fazla ısıyı depolamaktır. Şekil 11-a da görünen profillere göre bu çok olası görülmemektedir. Bu nedenlerle yıl boyu her saat diliminde çözümlemelerin yapılarak elde edilecek eniyileme sonuçlarına göre BÜ seçimi yapılmalıdır. BÜ sistemi eğer elektrik yükünü takip edecek ise sistemin güç ısı oranı yaklaşık sabit olduğuna göre ısı yüklerinin çok elektrik yüklerinin az olduğu saatlerde BÜ ısı yüklerini karşılayamayacaktır. Şekil 11-b ye göre, minimum yük 2800 kW dolayındadır. Günlük toplam yükün 24 saate bölünmesi ile ortaya çıkan günlük baz yük ise 3100 kW dolayındadır. Eğer BÜ kapasitesi pik yükün (PE) tamamını karşılamak üzere seçilirse (c =1) veya kapasite 0,9 x PE olarak (c = 2) seçilirse birçok saat diliminde üretilen elektrik gücü talebin üzerinde olacaktır. Özellikle tıp merkezlerinde elektrik gücünün şebekeye satışı da önerilmediğinden BÜ mecburen kısmi yüklerde çalışarak verimi düşecektir. Yüksek olan ilk yatırım maliyeti daha uzun sürede geri dönebilecektir. Örneğin Şekil 11-b ye göre, BÜ sistemi (c = 1 koşulunda) günde sadece iki saat tam yükte çalışabilecektir. BÜ sistemlerinin en düşük kısmi yükü de yaklaşık 0,4 olduğundan bu tür gereğinden büyük seçilmiş BÜ Sistemi eğer c = 1 seçilirse çalışma alt sınırı (cut-off) 7200 kWe
olacaktır. Bu nedenle pik elektrik yükünün tamamının karşılanacağı bir BÜ seçeneğinde BÜ sistemi günün yaklaşık sekiz saatinde durdurulmak zorunluluğu doğacaktır. Görüldüğü üzere c katsayısı azaltıldıkça seçilen BÜ sisteminin kapasitesi azalmakta (Daha ucuz) ve daha uzun sürelerde tam yük veya tam yüke yakın işletime sahip olarak geri dönüş hızlanmaktadır. Doğal olarak bu trendin bir alt sınırı vardır. Çünkü c azaldıkça şebekeden alınan elektrik ve ısının büyük kısmının kazanlardan karşılanması geri dönüşü uzatacaktır. İşte kilit çözüm en uygun c katsayısını bulmaktır. Bu örnek bize BÜ elektrik güç üretim kapasitesinin c tabanında bir eniyileme çalışmasının yapılmadığı durumlarda çok yanlış sonuçlar alınabileceğini göstermektedir. Bina yükleri ise saatlik tabanda kestirilmektedir.
(EnergyPlus gibi yazılımlar ve ara yüzleri: Kilkis, B., 2007).
Şekil 11-a. Güç ve Isı Yüklerinin bir Gün Boyu Saatlik Değişimlerine (Profillerine) Sanal Örnek.
Şekil 11-b. Elektrik Yük Profilinin Görünümü ve Değişik c Değerlerine göre Seçili BÜ Kapasitesi.
4.1. Kapasite Eniyilemesi
Bu çalışmada analitik bir eniyileme algoritması geliştirilmiştir. Amaç fonksiyonu (OF), BÜ sisteminin performansını arttırmayı (Maksimize etmeyi) amaçlamaktadır. Bu fonksiyonun ana parametreleri Termodinamiğin Birinci Yasa verimi, c katsayısı, İşletme Faktörü (İF), Akılcı Ekserji Verimi, minimum CO2 salımı ve kârlılık olarak seçilmiştir. Kârlılık ise diğer parametreler cinsinden ifade edilebileceği için denklemde yer almamaktadır:
OF = f(ηI, c, İF, ΨR, CO2) Maksimize edilecek
R I i l
c İF İF
OF j
1 088 , 0 9
, 0
) 9
, 0
) 6 , 0 ( 6 ,
0 (31)
c = 1 c = 0,9
c = 0,6
C = 0,4 c = 1 koşulunda
işletme alt sınırı
Cut-off
Baz Yük
Pik Yük
P
EMinimum Yük
Saat
Burada ci doğal gaz için 0,2 alınır. İF değeri c katsayısına bağlıdır: İF = f*(c).
ηI =
9 , 0
) 6 , 0 ( 6 ,
0 j İF l
olduğuna göre ve
ΨR ≤ ηEX üst sınırı alınarak ve BÜ için C = 1 (Güç ısı or anı)kabulü ile ηEX ≤ 0,9·ηI eşitsizliğinin üst sınırı kullanılarak ΨR, ηI cinsinden, ηI da İF cinsinden İF de c cinsinden yazıldığı için OF tek değişkene yani c katsayısına indirgenir:
OF = f**(c) Maksimum
Ön çözüm:
0 dc dOF
. Bu eniyileme probleminin kısıtları aşağıda verilmiştir.
ηI≥ 0,80, 0,4 ≤ c ≤ 0,65, 0,7 ≤ İF ≤ 1,ΨR ≥ 0,6, CO2 ≤ 0,088 (Doğal Gaz ve ΨR = 0,6 referans değeri ile). Optimal çözüm bu kısıtlar içersinde aranmalıdır. Pratik ve referans değerler konulduğunda optimal c katsayısı 0,6 ile 0,7 arasında çıkmaktadır. Finans değerleri zamana göre değiştiği için yakıt ve güç bedellerinin kestirimi gerekmektedir. Çizelge 2 de bu tür bir fiyat kestirimi verilmiştir. Bu çizelgede:
ORT/P = GU x 11 saat + P x 5 saat + GE x 8 saat, GU/P = 0,55, GU/GE = 2,38. Dolayısı ile:
GU = 1,01 ORT, GE = 0,429 ORT ve P/ORT = 1,85.
P: Puant Tarifesi, GU: Gündüz Tarifesi GE: Gece Tarifesi, ORT: Günlük Ortalama Tarife Tablo 2. On Yıllık Güç ve Yakıt Fiyatları Örnek Kestirimi
TAHMİNİ DOĞAL GAZ VE ELEKTRİK FİYATLARI TL/kWh
Yıllar
ELEKTRİK D. GAZ ORT/DG
(a/b)
ORT P GE GU DG
1 2012 0,1392 0,2578 0,0597 0,1406 0,058 2,389 2 2013 0,1529 0,2832 0,0656 0,1545 0,061 2,500 3 2014 0,1666 0,3086 0,0715 0,1683 0,064 2,594 4 2015 0,1804 0,334 0,0774 0,1822 0,067 2,674 5 2016 0,1941 0,3594 0,0833 0,1960 0,071 2,740 6 2017 0,2078 0,3848 0,0891 0,2099 0,074 2,794 7 2018 0,2215 0,4102 0,0950 0,2237 0,078 2,837 8 2019 0,2352 0,4356 0,1009 0,2376 0,082 2,869 9 2020 0,2489 0,461 0,1068 0,2514 0,086 2,892 10 2021 0,2627 0,4864 0,1127 0,2653 0,090 2,906
4.2. Birlikte Üretimin Performans ve Değerlendirme Metrikleri
Bu tebliğde sunulan eşitlikler aşağıda verilen ilgili metrikler için kullanılarak birleşik üretim sisteminin performansı irdelenmiş olur.
1. Birincil Enerji Tasarrufu (PES) 2. Enerji Tasarruf Oranı (PESRCHP) 3. Güç/Toplam Isı Oranı (C)
C, BÜ sisteminin en önemli bir diğer değerlendirme parametresidir. Binanın genel güç ve ısı yüklerinin oranına (CB) mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Ancak C oranının 1 i geçmesi pratikte sık rastlanan bir durum değildir. Eğer binada ısıl yükler çok fazla ise melez BÜ sistemleri (WHP, PVT, PVTC gibi) hatta ekonomik ve çevresel boyutlarda kalmak kaydı ile yüksek verimli pikleme ısı kazanları kullanılabilir. Öte yandan C nin 0,4 den az olması da ekserji verimliliği açısından tercih edilmez.
H E
Q CQ
4. Buhar/Toplam Isı oranı: CS
BÜ sisteminde tasarım koşullarında üretilebilen buhar ısısının (QS) aynı sistemde tasarım koşullarında üretilebilen toplam yararlı ısıya (QT) oranıdır. Bu oran özellikle hastanelerde önem taşır, çünkü bu binalardaki buhar yükleri yadsınamaz boyutta olabilir. Gaz motorlu BÜ sistemlerinde buhar öncelikli olarak eksoz atık ısısı kullanılarak olarak üretilir. Bu orana soğuk üretimi dâhil edilmez. BÜ sisteminden ilk aşamada çıkan toplam yararlı ısı bu oranda esastır (EU/2004/8/EC deki yararlı ısı tanım ve hesap yöntemi kullanılarak). Tipik ısılar motor ceket suyundan, eksoz ısısından, jeneratör ceket suyundan, etrafa ışıyan ısıdan vb elde edilebilir.
H S
S Q
C Q
5. Soğuk/Toplam Isı Oranı: Cc
Üçlü veya çoklu üretim BÜ sistemlerinde tesis alanının içinde soğuk (soğuk su, buzlu su, serin su gibi), atık ısıyı kullanarak adsorbsiyon, adsorpsiyon, metal hidrit, PVTC gibi cihazlarla veya kendi ürettiği gücün bir kısmı ile işletilen cihazlarla ürettiği soğuktur. Bu değere ek olarak ısı pompası gibi sürdürülebilir enerji kaynaklarını kullanan cihazlarla ürettiği soğuk da dâhildir. Toplam değer (QC) tasarım koşullarındaki toplam soğuk değeridir. Üretilen soğuğun yararlı tüketim için tüketiciye ölçerek ve eş zamanlı olarak sağlaması esastır. Tüketici alanında üretilen soğuk bu orana dâhil edilmez.
Kendi ürettiği gücün bir kısmını kullanarak soğutucu gruplarda üretilen soğuk hesaba dâhil edilmez.
Bu tür soğutucu gruplara verilen güç C oranı tanımına bağlıdır ve güç tanımı içersinde bırakılır.
H C
C Q
C Q
Yukarıdaki eşitliklerden genel bir ilişki de türetilebilir:
CCsCc 1
CHPH
I6. Birinci Kanun Verimi: ηI
7. İkinci Kanun Verimi: ηEX
8. Ekserji Gömülü Birincil Enerji Tasarruf Oranı: PESRCHP
9. Akılcı Ekserji Yönetimi Verimi (REMM):
R10. CO2 Salımı: Tasarım koşullarında hesap edilir 11. Birim karbon dioksit salımı:
QY CO2
12. Alternatif Enerji Kullanım Oranı:
AER
13. Basit Geri Ödeme Süresi için EK 1 de verilen kısa yöntem ana metindeki kapsamlı hesap yönteminin alternatifi olmayıp ancak sistemin tasarımına karar verilirken ve seçeneklerin ön irdelemesinde kullanılabilir.
14. Tesisteki BÜ ve Tüketici Alanındaki Yük Paylaşımının Uygunluk Katsayısı, YDF:
1
1
B cB s B
c s
C C C
C C
YDF C (32)
YDF, sistemden tüketiciye verilen değişik enerji ve gücün kendi aralarındaki paylaşımının tüketici (Bina) tarafındaki yüklerin kendi aralarındaki paylaşımı ile ne denli uyumlu olduğunun bir ölçütüdür.
Örneğin bir BÜ tesisinde üretilen elektrik gücü elektrik yükü takibinde başarılı olabilir, ancak eş zamanda ürettiği yararlı ısı ve bu ısıdan ürettiği buhar, soğuk ve sıcak su o andaki binanın buhar, soğuk ve sıcak su talepleri ile uyuşmayabilir. Dolayısı ile fazla yararlı ısının mümkünse depolanması (Depo kapasitesi dolmamış ise) veya destek kazan veya çillerle takviyesi gerekir. Bu koşullarda sistemin İşletme Faktörü (İF) de düşer. Bu edenle İF nin yüksek olabilmesi (YDF) değerine bağlıdır.
SONUÇ
Ticari binalarda BÜ uygulamalarının önemi ve ülke ekonomisine, insan sağlığına, çevreye ve cari açıkların kapatılmasına olan potansiyel katkıları yadsınamaz. Buna karşın BÜ uygulamaların çok ciddi ve hassas-saatlik temelde, ortalama on yıl boyunca her günkü farklı koşullarda performans kestirimlerinin yapılması bir ön şarttır. Bu bildiride sağlıklı bir BÜ seçiminin yapılabilmesi için onu aşkın parametrenin incelenmesi ve çözümlemesinin gerektiği gösterilmiştir. Bina saatlik verilerinin daha projenin en başında bina benzetim (simülasyon) modelleri ile kestirilmiş olması ve bu verilerin hazır bulundurulması gerekir. BÜ uygulamalarında yıl boyunca ya bir gün ya birkaç gün karşılaşılabilecek pik yüklere çok yakın kapasiteler seçildiğinde sadece atıl kapasite yaratılmış olmayacak uzun süreler
%40 ın altında kalacak kısmi yükler nedeni ile sistem o süreler zarfında kapatılmak durumu ile karşı karşıya gelebilecektir. Ara kısmi yüklerde ise verim düşecek, ekonomi ve çevre olumsuz etkilenecektir.
Sonuç olarak sistemin geri ödemesi uzayacak hata imkânsız hale gelebilecektir. Doğal olarak bu olumsuzlukların her binada nasıl ve ne kadar gerçekleşeceği gene o bina temelinde baştan sona saatlik bir analizle anlaşılabilir. Öncelikle bu bilincin ve gerekliliğin çok iyi anlaşılması kaçınılmazdır.
SİMGELER
a Elektrik enerjisine ödenen toplam birim fiyat, TL/kW·h (a/b) Birim güç ve birim yakıt fiyatları oranı (Fiyat Makası) AER Sürdürülebilir enerji kaynaklarının kullanım oranı
b Yakıta ödenen birim fiyat (yakıtın alt ısıl değerine göre), TL/kW·h
c Birlikte Üretim Tesisinin kurulu elektrik gücü üretim kapasitesinin tüketici pik elektrik güç talebine (P) oranı, K/P.
C BÜ tesisinde üretilen gücün üretilen yararlı ısıya oranı
Cc BÜ tesisinde üretilen yararlı soğuğun üretilen yararlı ısıya oranı Cs BÜ tesisinde üretilen yararlı buharın üretilen toplam yararlı ısıya oranı
Not: C, Cc, ve Cs simgelerine B alt simgesi eklendiğinde sırası ile, güç, soğuk ve buhar yüklerinin bina toplam bina ısı yüküne oranlarını temsil eder.
ci Birim yakıtın saldığı CO2 miktarı, kg CO2/kW veya kg CO2/kW·h CHPHη Yararlı ısı üretimi kısmi verimi
CHPEη Güç üretimi kısmi verimi CHPSη Buhar üretimi kısmi verimi COPH Isıtma Tesir Katsayısı COPC Soğutma Tesir Katsayısı
CO2 Asal karbondioksit salımı, kg CO2 (veya Gton CO2/yıl) GU Gündüz elektrik tarifesi, TL/kW·h
GE Gece elektrik tarifesi, TL/kW·h
E Etkinlik katsayısı
ECHP Birlikte üretilen elektrik (mekanik) enerjisi, kW·h
h Basit geri ödeme süresi
HCHP Birlikte üretilen yararlı ısı, kW·h
