GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ISITILAN YÜZME HAVUZLARI
Etem Sait ÖZ Tayfun MENLİK
ÖZET
Günümüz tatil beldelerindeki otel, motel, yazlık kooperatif siteleri, vb. yerler ile özel konutlarda kullanılan yüzme havuzlarının ısıtılmalarında çeşitli sistemler kullanılmaktadır.
Bu çalışmada güneş enerjisi ile ısıtılan yüzme havuzlarındaki sistemler, bu sistemlerin tasarımında dikkate alınacak hususlar, sistemi meydana getiren bileşenler ayrıntılı olarak ele alınmış, farklı sistemlere ait örnekler verilmiştir.
1. GİRİŞ
Yüzme havuzları bilhassa tatil beldelerindeki münferit evlerde otel, motel, kooperatif siteleri ve benzeri tesislerde bölgenin iklim şartlarına göre yıl içerisinde sekiz aya kadar uzanacak sürelerde kullanılmaktadır. Havuzların özellikle ilkbahar ve sonbahar aylarında ısıtılmasına gerek duyulabilir.
Yaz aylarında ısıtılmaları gerekli olmayabilir. Yüzme havuzlarının ısıtılmasında çeşitli kaynaklardan sağlanan enerji tüketimi, kullanıcıların önemli miktarlarda masrafla karşı karşıya gelmelerine neden olabilir.
Havuz suyu sıcaklığının ortam havası sıcaklığından birkaç derece fazla olması yeterlidir. Bu bakımdan yüzme havuzlarının güneş enerjisi ile ısıtılması cazip olmaktadır. Yüzme havuzlarının güneş enerjisi ile ısıtılmasında iki yaklaşım söz konusudur[1]. Bunlardan birisi, havuz suyunun bir örtü ile kapatılması ve bu örtünün kollektör gibi görev yaparak suyu ısıtması, diğeri de suyun ısıtılmasında ayrı kollektörler kullanılmasıdır.
Bu çalışmada, havuz suyunun ayrı kollektörlerle ısıtıldığı sistemler üzerinde durulmuştur. Öncelikle ısıtma sistemleri tanıtılacak ve daha sonra sistemi meydana getiren bileşenler üzerinde durulacaktır.
2. GÜNEŞ ENERJİLİ HAVUZ SUYU ISITMA SİSTEMLERİ
Havuz suyunun güneş enerjisi ile ısıtılması, direkt ve endirekt olarak yapılabilir. Direkt sistemde havuz suyu güneş kollektörlerinde dolaşım yaparken endirekt sistemlerde kollektör çevresinde güneş enerjisi ile ısıtılan su bir ısı değiştirici yardımıyla havuz suyunu ısıtmaktadır.
2.1. Direkt Sistemler
Direkt sistemlerde, ısıtılmak istenilen havuz suyu güneş kollektörlerinde dolaşım yaptırılır. Sistemin tamamı korozif özellikte olan havuz suyunun etkisindedir. Havuz suyuna mikrobik etkilere karşı klor veya diğer kimyasal sıvılar verileceğinden, bu sistemlerde kullanılacak malzeme paslanmaz olmalıdır.
Bazı krom nikel çelikler hariç direkt sistemlerde metal malzeme kullanılmamalıdır. Metal malzemenin sebep olacağı pas havuz duvarlarında ve döşemelerinde lekeler meydana getirebilir. Bu nedenle, bu sistemlerde kullanılan malzeme etilen, propilen, kauçuk ve polivinil klorür ihtiva etmelidir. Direkt sistemlerde mevcut havuz pompası, suyun kollektörlerde dolaşımını da sağlayabilir. Böylece, kollektör devresi için ayrı bir pompa kullanılmamış olur. Şekil 1’ de bu tür bir bağlantı şeması verilmiştir.
Şekilde görüldüğü gibi, havuz suyunun filtrelenmesi için kullanılan mevcut havuz pompası aynı zamanda havuz suyunun ısıtılması için kollektörlerde de dolaşım sağlar. Suyun kollektörlerden ya da kollektörlere gitmeden havuzdan havuza dolaşım yapabilmesi kontrol vanası yardımıyla olmaktadır.
Kontrol vanasının görevi, havuz suyunun yeteri kadar ısınması durumunda havuz suyu sıcaklık duyar elemanından aldığı sinyal ile açılarak filtreden geçen suyun güneş kollektörlerine gitmeden doğrudan havuza dönmesini sağlamaktır. Havuz su sıcaklığı ayarlanan değerin altına düştüğünde kontrol vanası kapanarak suyun kollektörden dolaşım yapmasıyla ısınması sağlanır. Bu tip direkt bağlantıda kollektörlerin, havuz seviyesi üzerinde olması gerekir. Aksi halde, yani kollektörlerin havuz seviyesinde ya da havuz seviyesinin altında olması durumunda kontrol vanası açık olduğundan suyun kollektörlerden de dolaşım yapması, başka bir ifade ile havuz suyunun sürekli ısınması söz konusu olabilir.
Dengeleme sıcaklık duyar
Filtreleme pompası
elemanı
Filtre T
Havuza sıcak su gidişi çekvalf
vanası Kontrol
Ek ısıtıcı vanası Elektronik
Havuz suyu kontrol Kollektör elemanı sıcaklık
duyar T Havuza sıcak su Güneş Kollektörü
vanasi Kesme
gidişi
Şekil 1. Mevcut havuz dolaşım pompasının kullanıldığı tek kontrol vanalı direkt ısıtma sistemi[2].
Güneş enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda havuz suyunun ısıtılması ek ısıtıcı kaynağı ile yapılabilir.
Şekil 2’ de yine havuz pompasının kullanıldığı ancak iki adet kontrol vanasının görev yaptığı direkt ısıtma sistemi bağlantı şeması görülmektedir.
Bu sistem, kollektör devresindeki akış direncinin az olduğu başka bir ifade ile bundan önceki bağlantı şeklinde kontrol vanasının açık olduğu durumlarda suyun bir miktarının kollektörden dolaşarak havuza ısınmış olarak gidebileceği böylece havuz suyu sıcaklığının ayarlanan (istenilen) değerin üstüne çıkabileceği durumda kullanılır. Havuz suyu sıcaklığı istenilen değere ulaştığında, pompanın bastığı filtreden geçen suyun tamamı havuza gider. Bu işlem, filtreden sonra güneş kollektörlerine giden hat üzerindeki kontrol vanasının kapanması ile gerçekleşir. Kontrol vanalarının birisi açık konumda iken diğeri kapalı konumdadır. Kontrol vanalarının açılıp kapanması, kollektör sıcaklık duyar elemanı ile havuz suyu sıcaklık duyar elemanı tarafından sağlanır.
pompası Filtreleme
Havuz suyu elemanı sıcaklık duyar
Filtre T sıcaklık T
kontrol Elektronik duyar elemanı Kollektör
su gidişi Havuza sıcak
ısıtıcı Ek vanası Dengeleme Kesme
Havuza sıcak su gidişi Güneş Kollektörü
vanasi
.ekvalf Kontrol vanasi
Şekil 2. Mevcut havuz dolaşım pompasının kullanıldığı iki kontrol vanalı direkt ısıtma sistemi[2].
Kollektörler üzerine güneş enerjisi geldiğinde, kollektörlerdeki sıcaklığı algılayan kollektör sıcaklık duyar elemanının kontrol paneline sinyal göndermesi ve havuz suyu sıcaklık duyar elemanının havuz suyunun ayarlanan sıcaklık değerinin altında olduğunu algılayarak kontrol paneline sinyal göndermesi sonucu, kollektör hattı üzerindeki kontrol vanası açılıp havuz hattı üzerindeki kontrol vanası kapanır.
Bu durumda suyun kollektörler üzerinden ısınmış olarak havuza gitmesi sağlanmış olur. Kollektördeki sıcaklık ile havuz suyu sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı azaldığında (fark aralığı), başka bir deyişle, havuz suyunun yeterli sıcaklığa gelmesiyle, suyun kollektörden dolaşımı, kollektör hattı üzerindeki kontrol vanasının kapanmasıyla, engellenir. Bu durumda pompanın, suyu havuzdan havuza dolaşım yaptırması söz konusudur.
Bu sistem kollektörlerin havuz seviyesinin altında olduğu durumlarda da kullanılabilir. Sistemde kullanılan iki adet kontrol vanası yerine, monte edilebilecek bir adet üç yollu vana kullanılabilir. Şekil 1 ve Şekil 2’ deki bağlantılarda sistemlerde mevcut havuz pompası kullanılmıştır.
Aşağıda belirtilen durumlarda, güneşli devre için ayrı bir dolaşım pompası kullanmak gerekir[2].
• Kollektör yüzeyi 100 m2’ den fazla ise,
• Havuz filtreleme pompasının, suyu kollektör devresinde dolaşım yaptırabilecek debi ve basınç değerlerini karşılamaması halinde.
Filtreleme devresindeki pompadan ayrı bir pompa kullanılmasına ilişkin bağlantı örnekleri, Şekil 3 ve Şekil 4’ de görülmektedir.
Şekil 3’ deki sistemde kollektör sıcaklık duyar elemanı, kollektörlerdeki sıcaklığın yükselmesiyle, kollektör devresindeki pompayı çalıştırıp, suyun kollektörlerde ısınarak havuza gitmesini sağlar.
Havuz suyu sıcaklık duyar elemanı ile kollektör sıcaklık duyar elemanı, ayarlandıkları sıcaklık aralığına bağlı olarak, kollektör devresindeki pompayı devreye sokar veya devreden çıkarırlar. Havuz suyu sıcaklığı ile kollektör sıcaklığı arasındaki fark artarsa (bu durum kollektörlerin güneş enerjisi görerek ısındığını ifade eder) pompa çalışır, fark azalırsa (bu durum kollektörlerin güneş enerjisi alamadığından soğuduğunu ifade eder) pompa çalışmaz.
pompası Filtreleme
Havuz suyu elemanı sıcaklık duyar
Filtre T sıcaklık T
kontrol Elektronik duyar elemanı Kollektör
su gidişi Havuza sıcak
ısıtıcı Ek vanası Dengeleme Kesme
Havuza sıcak su gidişi Güneş Kollektörü
vanasi
.ekvalf Kontrol vanasi
Şekil 3. Güneş kollektörleri devresinde ayrı bir pompa kullanılan direkt Isıtma sistemi[2].
pompası Filtreleme
Filtre
Havuza sıcak Cekvalf
su gidişi ısıtıcı Ek kontrol
Elektronik
elemanı sıcaklık duyarHavuz suyu
sıcaklık elemanı duyar Kollektör
gidişi Havuza sıcak su
vanası Dengeleme T
T
Kesme
pompası Güneş Güneş Kollektörü
Şekil 4. Güneş kollektörleri devresinde ayrı bir pompa ve kontrol vanaları kullanılan direkt ısıtma sistemi[2].
Şekil 3’ deki sistemdeki çekvalfler, kollektör devresi pompa bağlantısının sağ tarafında olan, güneş kollektörlerinde ısınarak havuza giden suyun, kollektör devresi pompası ile tekrar emilmesini önlerken, sol tarafta olan, pompalar çalışmadığında, suyu filtreden tersine dolaşım yapmasıyla, filtrede biriken tortu ve partiküllerin havuza dönerek suyu kirletmesine engel olur.
Şekil 4’ deki ısıtma sisteminde güneş kollektörü devresindeki pompa çalıştığında (pompanın durması ve çalışması Şekil 3’ deki sistemde olduğu gibidir)suyun akış yönüne göre, pompadan önceki ve dengeleme vanasından sonraki kontrol vanaları açılırlar, pompa durduğunda kapanırlar. Böylece kollektöre devresi suyla sürekli dolu kalır.
Bilhassa büyük sistemlerde bu tip bir uygulama aşağıdaki avantajları sağlar[2].
• Kollektörler havuz seviyesinin üstünde olduğunda, boşalmayacakları için sistemde hava cepleri oluşmaz.
• Pompanın devreye girmesiyle, sistemde hava olmayacağı için, kollektördeki basınç dalgalanmalarının sebep olacağı zararların önüne geçilmiş olur.
2.2. Endirekt Isıtma Sistemleri
Yüzme havuzlarının güneş enerjisi ile endirekt olarak ısıtılmasında, ısıtılmak istenen yüzme havuzu suyunun kollektörlerle ilişkisi yoktur. Kollektörlerde güneş enerjisi ile ısıtılan su, havuz suyunu bir ısı değiştirici yardımıyla ısıtır. Endirekt ısıtma sistemlerinde; kollektör devresindeki ısıtan akışkana (suya) antifiriz ilave edilmesi, kollektör devresindeki suyun don etkilerine karşı boşaltılmasını gerektirmeyecektir.Aynı zamanda, devrenin havuz suyunun korozif etkilerinden zarar görmesi de söz konusu olmayacaktır. Dolayısıyla, kollektör devresi metal borularla yapılabilir. Diğer taraftan endirekt ısıtma sistemlerinde, havuz suyunun ısıtılmadığı zamanlarda veya havuz suyunun ısıtılmasına gerek duyulmayan sıcak günlerde, kollektör devresinde ısınan sudan kullanma sıcak suyu hazırlama gibi, başka amaçlar için de yararlanılabilir.
Sadece havuz suyunun ısıtılmasında kullanılan endirekt bir ısıtma sisteminin bağlantı ve kontrol şeması Şekil 5’ te görülmektedir.
kontrol ünitesi FK1
WT1
P2
FR1
F
Şekil 5. Sadece havuz suyunun ısıtılmasında kullanılan endirekt ısıtma sistemi[3].
Şekilde görüldüğü gibi, kollektör devresinde ısınan su bir ısı değiştirici yardımıyla havuz suyunu ısıtmaktadır. Sistemde, kollektördeki su sıcaklığı ile havuz suyu sıcaklığı arasında, ayarlanan bir fark aralığı meydana gelir gelmez, kontrol ünitesi yardımıyla kollektör devresi dolaşım pompası (P1) ve
havuz devresi dolaşım pompası (P2) çalıştırılarak havuz suyunun endirekt olarak ısıtılması sağlanır.
Kollektör ve havuz suyunun sıcaklıkları (FK1) ve (FR1) sıcaklık duyar elemanları ile izlenir. Kollektör devresi kapalı olacağından sistemde bir genleşme tüpü ve yaylı emniyet ventili kullanılmıştır. Ayrıca bu devrenin havasının atılmasını sağlamak amacıyla, kollektörlerin üst seviyesinde bir otomatik hava tahliye cihazı bulunmalıdır. Havuz suyu devresinde, suda olabilecek partikül ve tortuların tutulmasını sağlayan bir filtre (F) bulunmalıdır.
Şekil 6’ da ise kullanma sıcak suyunun ısıtılması ile yüzme havuzu suyunun ısıtılmasını sağlayan, birleşik, endirekt bir ısıtma sisteminin şeması görülmektedir.
WT1
F P2 FK1
FR2
P1 FB1 B1 K
Sıcak su yazın
Sıcak su kışın
Soğuk su FS1
V2
V1
Sıcak su
FR1
Şekil 6. Kullanma sıcak suyu ile havuz suyu ısıtılmasını sağlayan birleşik endirekt ısıtma sistemi[3].
Bu sistemde, kullanma sıcak suyunun güneş enerjisinden sağlandığı bir depolama tankı (boyler “B1”), havuz suyunun güneş enerjisi ile ısıtılmasını sağlayan bir ısı değiştirici (WT1) ve güneş enerjisinin olmadığı ya da yetersiz olduğu durumlarda kullanma sıcak suyunun ısıtılmasını sağlayan bir kazan (K) bulunmaktadır. Şekildeki (V1) üç yollu vana, yeterli güneş enerjisinin olduğu durumlarda (kış veya yaz) kullanma sıcak suyu boylerinin (B1) ısıtılmasına imkan verir. Havuz suyu sıcaklığı ayarlanan değere ulaştığında ya da havuz suyunun ısıtılması gerekmediğinde, güneş enerjisinin kullanma sıcak suyunu ısıtması üç yollu vana (V1) ile otomatik olarak sağlanır. Başka bir ifade ile, üç yollu vana (V1), kollektörde alınan güneş enerjisini ya kullanma sıcak suyu ısıtmada ya da havuz suyunu ısıtmada kullanmaya imkan verir. Direkt ısıtma sistemlerinde ve birleşik olmayan endirekt ısıtma sistemlerinde;
havuz suyunun istenilen sıcaklık değerine çıkmasıyla, kollektörlerden enerji talebi olmayacağından, kollektörlerde aşırı enerji birikmesi olur ve bu enerji boşa gider. Birleşik endirekt ısıtma sistemlerinde bu sakınca ortadan kaldırılmıştır.
Güneş enerjisinin, kullanma sıcak suyu için yetersiz olduğu ya da güneş enerjisinin olmadığı durumlarda, kullanma sıcak suyu kazandan (K) sağlanır. Bu çalışma sürecinde kazan üzerindeki üç yollu vanaya (V2) elle müdahale edilmektedir.
Kollektör sıcaklık duyar elemanı (FK1) ve depolama tankı (B1) sıcaklık duyar elemanı (FR1), yeterli sıcaklık farkını izleyerek (P1) pompasını çalıştırır. Güneş enerjisinden faydalanılamayacak durumlarda devreye sokulmak üzere, depolama tankının(B1) üst bölgesine termostatlı bir elektrikli ısıtıcı monte edilmesi tavsiye edilir. Depolama tankı (B1) belirli sıcaklığa ulaşıldığında, (FR1) sıcaklık duyar elemanından gelen sinyale göre, elektronik kontrol paneli yardımıyla, üç yollu vana havuz suyu ısı değiştiricisine giden devre açılır. Aynı anda havuz ısıtma devresindeki pompa (P2) otomatik olarak devreye girer. Bu pompanın çalışması, güneş ışınımı (radyasyonu) yeterli ise, depolama tankındaki (B1) sıcaklık, ayarlanan değerin altına düşmediği sürece devam eder. Havuz suyu sıcaklığı ile kollektör sıcaklığı farkını algılayan (FR2) ve (FK1) sıcaklık duyar elemanları, depolama tankı sıcaklık duyar elemanından (FR1) alınan sinyale göre, havuz suyunun ısıtılması devam eder.
Yüzme havuzu ve kullanma sıcak suyu depolama tankı ısıtması aynı anda yapıldığından, depolama tankı sıcaklığı istenilen değerin altında kaldığı durumlarda minyatür kollektör (FS1) tarafından elektronik kontrol paneline gönderilen bir sinyal ile dört yollu vana (V1) yardımıyla depolama tankına (B1) gönderilen ısıtıcı akışkan miktarı arttırılarak depolama tankı sıcaklığı birkaç derece arttırılabilir.
Minyatür kollektör aynı zamanda bir sıcaklık ve güneş radyasyonu duyar elemanı olarak görev yaptığından, radyasyon ve sıcaklık değeri istenilen değerde (kısılan havuz suyu ısıtıcı akışkan miktarının, havuz suyu sıcaklığını koruyabilecek değerde olduğu) olduğunda yukarıda bahsedilen işleme imkan verir. Aynı zamanda havuz suyu sıcaklık sensörü (FR2) ve depolama tankı sıcaklık sensörü (FR1) ile kombinasyonda olan minyatür kollektör sistem sıcaklığı ve güneş radyasyonu, havuz suyu ve depolama tankını aynı anda ısıtamayacak kadar düştüğünde depolama tankı ısıtma devresini devreden çıkartıp, havuz suyu ısıtma devresini yalnız ısıtmaya imkan verir.
3. KOLLEKTÖRLER
3.1. Kollektörlerin Konumlandırılması
Gerek boru şebekesindeki ısı kayıplarını, gerekse pompalama güç ihtiyacını azaltmak maksadıyla kollektörlerin yerleştirilmesinde boru şebekesinin uzunluğu mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır.
Kollektörler güneye yönlendirilmelidir. Havuz ısıtmasının büyük bölümü yaz aylarında yapıldığından eğim için yaz şartı olan”Enlem – 15” değeri esas alınabilir[2]. Ancak ısıtmanın ilkbahar ve sonbahar aylarında da yapılması söz konusu ise eğim değerinin “Enlem – 10” alınması daha uygun olur[4,5].
Kollektörler, ısıtma sezonu boyunca, güneş öğlesinden önce ve sonra (yerel saat 1200’ den önce ve sonra) en az 3’ er saat gölgelenmeyecek şekilde konumlandırılmış olmalıdır[4,5,6].
Kollektörlerin camsız çalışması öngörülmüş ise rüzgar sebebiyle ısı kaybına maruz kalacaklarından, rüzgarlı bölgelerde, belirlenen ısı ihtiyacı için, kollektör alanının arttırılması veya kollektörlere gölgeleme yapmayacak şekilde rüzgar kesicilerinin kullanılması gerekebilir.
3.2. Kollektörlerin Boyutlandırılması
Tüm güneşli ısıtma sistemlerinde olduğu gibi, havuz ısıtmasında da sistemin tasarımının en önemli bölümü gerekli kollektör yüzeyinin tespitidir. İhtiyacı karşılayacak kollektör yüzeyinin belirlenmesinde aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır[2,7,8].
a) İstenilen havuz suyu sıcaklığı ve bu sıcaklığın sürdürülüp sürdürülemeyeceği, b) Yüzme sezonunun uzunluğu,
c) Ek enerji kaynaklarının olup olmadığı, d) İklimsel veriler,
- Kollektörlerin bulunduğu yerin veya havuzun gölgelenmesi,
- Kollektörlerin eğimi ve yönü,
- Havuzun su ile temas eden yüzeylerinin rengi,
- Kolektör ve havuz için rüzgar siperlerinin kullanılıp kullanılmayacağı, - Kollektörlerin bulunduğu yerin ve çevrenin rengi,
e) Sistemle ilgili veriler, - Kollektör tipi, - Pompalama tertibatı,
3.3. Kollektörlerin Bağlantısı
Kollektörler, paralel, seri veya karışık (paralel+seri) bağlanabilirler.
Bağlantıda dikkate alınması gereken iki önemli husus, kollektörlerin monte edileceği yerin geometrisi ve kollektör gruplarının hidrolik karakteristikleridir. Sistemin pompalama için ihtiyaç duyduğu enerji kollektörlerin ısı gücünün % 1’ i ile % 2’ sini geçmemesi ve tüm grupların kollektörlerinin emici yüzey sıcaklıklarının, belirli aralıklar içinde, mümkün olduğunca birbirlerine yakın olmaları sağlanmalıdır[5,8].
Kollektör ünitelerinin bağlantısında Şekil 7’ de görülen paralel bağlantı tercih edilmelidir.
Havuza Havuzdan
Şekil 7. Kollektörlerin paralel bağlanması[2]
Paralel bağlantıda, kollektörde su dolaşımı için gerekli olan pompalama enerji ihtiyacı yüksek olmadığı gibi kollektör emici plakalarındaki sıcaklık düşük ve hemen hemen eşit olduğundan verim yüksektir.
Seri bağlantıda daha yüksek pompalama enerji ihtiyacı vardır ve kollektör emici plakalarındaki sıcaklık dağılımı farklı ve yüksek olacağından verim de daha düşüktür. Şekil 8’ de kollektörlerin seri bağlantısı görülmektedir.
Havuzdan Havuza
Şekil 8. Kollektörlerin seri bağlantısı[2]
Şekil 9a ve Şekil 9b’ de de büyük sistemlerde uygulanan bağlantı örnekleri verilmiştir. Şekillerden görüldüğü gibi, bunlar tamamen paralel düzenleme ve paralel – seri düzenleme şeklindedir.
Havuzdan Havuza
Şekil 9a. Tamamen paralel düzenleme[2]
Havuzdan Havuza
Şekil 9b. Paralel – peri düzenleme[2]
Büyük sistemlerde bazı kollektörlerin yer sıkıntısı nedeniyle seri bağlantı gerekebilir(Şekil 9b). Bu takdirde seri bağlanan kollektörlerin sayısı mümkün olduğu kadar az olmalıdır.
Kollektör gruplarında üniform bir akış sağlayabilmek için, havuza gidiş ve dönüş borularının uzunluğu mümkün olduğunca eşit olmalıdır.
Kollektördeki sıcaklık yükselmesinin eşit olamayacağı boru bağlantıları yapılması zorunluluğu varsa, herhangi bir kollektördeki en yüksek sıcaklık yükselmesi bir başka kollektördeki en düşük sıcaklık yükselmesinin iki katını aşmamalıdır. Bu şart boru bağlantılarının uygun tasarımı veya dengeleme vanaları ile sağlanabilir. Dengeleme vanaları, boru bağlantılarının akışı dengeleyemediği durumlarda kullanılabilir.
Kollektör gruplarının farklı yüksekliklerde olması durumlarda, yüksekliği düşük olan kollektördeki, suyun, yüksekliği fazla olan gruplardan geçtikten sonra havuza gitmesi sağlanmalıdır. Şekil 10’ da bu tip düzenleme görülmektedir.
Havuzdan Havuza
Şekil 10. Değişik yüksekliklerdeki Kollektörlerin paralel bağlantısı için öngörülen boru bağlantısı[3]
4. DOLAŞIM POMPASI
Güneş enerjisi ile havuz ısıtma tesisleri kapalı sistemlerdir. Bu sistemlerde kollektör dönüş bağlantılarındaki su ile gidiş bağlantılarındaki su basınçları dengede olacağından suyu sistemde dolaştıracak pompanın gücünü belirleyecek en önemli faktör boru ve bağlantı parçalarının sürtünme direnci olacaktır. Pompanın yerinin belirlenmesinde ise sistemin tamamında yüksek basınç oluşması göz önünde bulundurulmalıdır. Aksi takdirde sistemin herhangi bir bölümünde pompanın çalışmasından dolayı meydana gelecek vakum etkisi, sisteme tahliye vanasından hava girmesine sebep olur ve sistemdeki su dolaşımını engellenir[1,6].
5. HAVUZ SUYU ISITMA YÜKÜNÜN HESAPLANMASI
Havuz suyunun ısıtma yükü, gelen güneş ışınımından elde edilen ısı kazancından daha az olan toplam ısı kaybına eşdeğerdir. Açık havuzlarda, havuz üzerine gelen ışınımdan önemli bir kazanç sağlanabilir. Bu kazanç için yatay düzleme gelen toplam güneş ışınımının en az % 85’ i havuz suyu tarafından absorbe edilebilecek değer olarak kabul edilebilir[2].
Havuz suyunun toplam ısı kaybı, buharlaşma, ışınım ve taşınım kayıplarının toplamıdır. Bu ısı kayıplarının belirlenmesi, çevre hava sıcaklığı, rüzgar hızı, çevre havasının bağıl nemi veya su buharının kısmi basıncının bilinmesini gerektirir.
Isı kaybını daha önemsiz derecede etkileyen diğer faktörler ise; yüzücülerin meydana getirdiği türbülans (durgun bir havuz için dikkate alınmaz), havuz zemin ve yan duvarlarının iletim kaybı (zemin suyu yoksa ihmal edilebilir) ve yağmur kayıplarıdır ( yağmur suyunun fazla olması havuz suyu sıcaklığını düşüreceğinden ısı yüküne ilave yapılmalıdır).
5.1 Açık Havuzlarda Buharlaşma Isı Kaybı
Sakin hava şartlarındaki buharlaşma ısı kaybı aşağıdaki eşitliğe göre hesaplanabilir[1,2,3].
qe = (5.64 + 5.96V0.3)( Pw – Pa ) (1)
Burada;
qe : Havuz suyu buharlaşma ısı kaybı ( MJ / m2.gün ),
V0.3 : Havuz suyu yüzeyinin 0.3 m üzerindeki yükseklikte rüzgar hızı (m / s),
Pw : “ Tw ” su sıcaklığındaki (0C) su buharının doyma basıncı (kPa), (Şekil 11 ‘den elde edilebilir veya 4 numaralı eşitlik yardımıyla hesaplanabilir),
Pa : Havanın kısmi su buharı basıncı (kPa) dır.
Havuz üzerindeki rüzgar hızı için aşağıdaki değerler alınabilir.
Şehir dışındaki yerler için : V = 0.30 x V0
Korunmuş yerler için : V = 0.15 x V0
V0 : Açık bir zeminde 10 m yükseklikteki normalize edilmiş rüzgar hızıdır.
5.2. Kapalı Havuzlarda Buharlaşma Isı Kaybı (qe)
Kapalı havuzlardaki buharlaşma hızı, açık havuzlara göre, daha düşük değerlerde olacağından, buharlaşma ısı kaybı da düşer. Kapalı havuzlardaki buharlaşma ısı kaybı aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir[1,3,6].
qe = ( 5.64 + 5.96Vh ) ( Pw - Phk ) (2)
Burada ;
qe : Kapalı havuzdaki buharlaşma ısı kaybı (MJ / m2gün),
Vh : Havuz su yüzeyi üzerindeki hava hızı (0.02 m/s ile 0.05 m/s arasında), Phk : Kapalı havuz ortamındaki su buharı kısmi basıncı (kPa) dır.
Su buharı kısmi basıncı (Phk) aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir:
Phk = 100
Rh Ps×
(3)
Burada;
Ps ; Ta= Tw için Ps = Pw
eşitliği ile, Şekil 11‘ den veya aşağıdaki eşitlikten elde edilir.
Pw = 0.0045 + 0.0007178Tw – ( 2.649 x 10-6 )Tw2 +( 6.944 x 10-7 )Tw3 (4)
10
Doyma buhar basıncı (Pw), kPa 8
6
0
0 10 20 30 40 50
Şekil 11. Su sıcaklığı ile doyma buhar basıncının değişimi[3]
Bağıl nem (RH) Şekil 12 ’den faydalanılarak bulunabilir. Havuzu kullanan kişilerin sayısı da buharlaşma ısı kaybını arttırır. Havuzu kullanan kişilerin sayısının buharlaşma kaybına olan etkisi, yaklaşık olarak, 1 m2’lik havuz yüzeyi için kişi başına %1’ lik bir artıştır ( Durgun, kullanılmayan bir havuza göre).
4
2
Su sıcaklığı 0C
Yaş termometre sıcaklığı 0 C
0 10 20 30 40 50 50
40
30
20
10
0
Kuru termometre sıcaklığı 0C Bağıl nem
% 80
% 60
% 100
% 40
% 20
Şekil 12. Yaş termometre ve kuru termometre sıcaklığı ile bağıl nem ilişkisi[3]
5.3. Işınım Isı Kaybı (qr)
Işınım ısı kaybı (qr) aşağıda verilen eşitliklerle hesaplanabilir[1,2,3,6].
qr = 6
10 3600 x
24
εw τ (Tw4 – Ts4) = 0.086εw hr (Tw – Ts) (5)Burada ;
εw : Suyun uzun dalga boyundaki yayıcılığı (εw = 0.95), τ : Stefan – Boltzmann sabiti (τ = 5.67 x 10-8 W / m2K4), hr : Işınım ısı iletim katsayısı (W / m2K),
Tw : Su sıcaklığı (K),
Ts : Atmosfer sıcaklığı (K), dır.
Yukarıdaki eşitlikte kullanılan “hr” ve “Ts” aşağıda olduğu gibi belirlenebilir.
hr = τ( Tw2 + Ts2) (Tw +TS)≈(2.268 x 10-7)
3 s w
2 T T ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +
(6)
“hr” değeri, ortalama sıcaklığa (tm) bağlı olarak Şekil 13 ‘den de doğrudan belirlenebilir.
Tm : Atmosfer ve su sıcaklıklarının ortalaması (oC), Kapalı havuzlar için; Ts = Td ‘dir.
Td : Havuzu çevreleyen duvarların sıcaklığı (0C), Açık havuzlar için ; Ts = Ta
εs ’dir.
“εs” atmosfer yayıcılığı (çiğ noktası sıcaklığının (Tdp) fonksiyonudur ve aşağıdaki şekilde belirlenebilir) .
εs = 0.711 + 0.56(Tdp / 100 ) + 0.73( Tdp / 100 )2 Tdp : Çiğ noktası sıcaklığı (0C),
Bulutlu atmosfer için; Ts = Ta ,
Açık atmosfer için ; Ts≈ Ta-20 alınabilir.
0 10 20 30 40 50 8
Şekil 13. Işınım ısı iletim katsayısının (hr)ortalama sıcaklıkla (Tm) değişimi[3]
7
6
5
4
Ortalama sıcaklık (Tm) 0C Işınım ısı iletim katsayısı (hr) W/m2 K
2
t
t
m= t
w+
s5.4. Taşınım Isı Kaybı (qc)
Çevre ortamına olan taşınım ısı kaybı (qc)(kapalı havuz için kapalı ortam havasına) aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir[1,2,3,6].
qc = (3.1 + 4.1V)(Tw – Ta)=0.086(3.1 + 4.1V)(Tw – Ta) (MJ/ m2 gün) (7) Burada;
V0,3 : Açık havuzlarda (dış havuzlarda) veya kapalı havuzlarda(iç havuzlarda)havuz üzerinde 0.3 m yükseklikteki rüzgar hızı ( m / s ),
Tw : Su sıcaklığı ( 0C ), Ta : Hava sıcaklığı ( 0C ),dır.
Taşınım ısı kaybı, büyük oranda rüzgar hızına bağlıdır.
Havuz zemininden de iletim ısı kayıpları olacaktır. Ancak bu kayıplar zeminin güneş enerjisi ısı kazancı ile dengeleneceğinden ihmal edilebilir.
5.5. Takviye Suyundan Olan Isı Kaybı (qbu)
Buharlaşmadan dolayı azalan havuz suyunun takviyesi için havuza verilen suyun sıcaklığı (Tw) havuz suyu sıcaklığından (Tsb) düşük değerde olabileceğinden, bu suyun ısıtılması için gerekli olan ısı kaybı (qbu) aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir[1,2,3,4].
qbu = mbu . cp(Tsb - Tw)
qbu = qc/hfg. cp(Tsb - Tw) [J / m2gün] (8)
Burada;
qbu : Takviye suyunun ısıtılması için olan ısı kaybı (J / m2gün), mbu: Günlük buharlaşma debisi (kg / m2gün) (qc / hfg)
cp : Suyun sabit basınçtaki özgül ısısı (J / kg K), Tsb : Buharlaşan havuz suyunun sıcaklığı ( 0C ), hfg : Suyun buharlaşma gizli ısısı (MJ / kg),
5.6 Güneş Işınımı Isı Kazancı (qs)
Havuz zemini tarafından absorbe edilen ısı kazancı (qs) aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir[1,2,3].
qs : ∝Gİ (9)
Burada;
qs : Havuz tabanınca absorbe edilen güneş ışınımı (MJ / m2gün),
∝ : Işınım absorblama yüzdesi ( açık renkli yüzeyler için % 85, koyu renkli yüzeyler için % 90)
Gİ : Yatay düzlem üzerine gelen güneş ışınımı (MJ / m2gün) dır.
Sürekli olarak kullanılan havuzlar için ışınım absorblama yüzdesi % 5 daha düşük alınabilir.
5.7. Toplam Isı İhtiyacı (QT)
QT = (qe + qr + qc + qbu) – (qs) (10)
SONUÇ
Yukarıdaki açıklamalarda sonra, havuz suyu ısıtılmasının, başka bir enerji kaynağına ihtiyaç duyulmadan, güneş enerjisi ile rahatlıkla yapılabileceğini söyleyebiliriz.
Günümüz ekonomik koşulları göz önünde bulundurulduğunda havuz suyu ısıtılması, havuzun bulunduğu mahalde güneş enerjili ısıtma sitemine yapılacak tek bir ısı değiştirici ilavesiyle mahalin sıcak su ihtiyacı ile aynı anda, başka ek bir donanım veya cihaza (ikinci bir pompa, kazan, şofben, vb,) ihtiyaç duyulmadan kolaylıkla ve düşük bir maliyetle yapılabilir.
KAYNAKLAR
[1] JOHN, A., D., William, A., B., “Solar Engineering of Thermal Processes”, Wiley – İntersceince Publication, New York, 1980,
[2] ISO/TR 12596, “ Solar Heating – Swimming Pool” Heating Systems – Dimensions Desing and ınstallation.
[3] ABEL, K., “Heat and Electricity From Solar Energy”, USA, 1983.
[4] Öz, E., S., UYAREL, A., Y., “GÜNEŞ ENERJİSİ VE UYGULAMALRI”, EMEL MATBAACILIK SANAYİ, ANKARA, 1987.
[5] FISK, M., J., ANDERSON, H., C., “Introductıon to Solar Technology”, Addisso – Wesley Publishing Company, USA, 1982.
[6] JOHN, A., D., William, A., B., “Solar Energy Thermal Proceses”, Wiley – İntersceince Publication, New York, 1974,
[7] CAMPEL, S., “Solar Water Heater”, Garden Way Associates Publishing, USA, 1981.
[8] CASSİDAY, B., “The Complete Solar House”, Dodd & Mead Company, New York, 1977.
ÖZGEÇMİŞLER Etem Sait ÖZ
1952 Soma doğumludur. 1973 yılında Yüksek Teknik Öğretmen Okulu’ nun Tesisat Bölümünü bitirmiştir. 1979 yılında İşletme Bilim Uzmanlığı derecesini almıştır. 1989 yılında doktor, 1990 yılında Yrd. Doçent, 1995 yılında Doçent, 2001 yılında tesisat alanında Profesör olmuştur. 1989 yılından 2001 yılına kadar Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Tesisat Anabilim Dalında öğretim görevlisi olarak görev yapmıştır. Halen Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Karabük Teknik Eğitimi Fakültesi Makine – Tesisat Anabilim Dalı Başkanı olarak görev yapmaktadır. Sıhhi Tesisat, Yakıtlar ve Yanma ve Güneş enerjisi konularında çalışmaktadır.
Tayfun MENLİK
1974 İstanbul doğumludur. 1996 yılında Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Tesisat Bölümünü bitirmiştir. 1999 yılında Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünden Yüksek lisansını almıştır. Halen aynı enstitüde doktorasına devam etmektedir. 1996 yılından beri Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine – Tesisat bölümünde Araştırma Görevlisi olarak görev yapmaktadır. Yüksek lisansını Güneş Enerjisi üzerine tamamlamış ve doktorasını Soğutma konusunda yapmaktadır.
