Exergo Economic Analysis of the Ground Source Heat Pump For Cooling Seasons in the Mardin Province

Abstract

Keywords: Ground source heat pump; energy; exergy; exergo economic.

1. Gi̇ri̇ş

Günümüzde enerji kaynaklarının giderek azalması ve enerji fiyatlarının artmasından dolayı hem Dünya hem de Türkiye için enerjinin etkin ve verimli kullanılması vazgeçilemez bir zorunluluk olmuştur. Yapılmış olan çalışmalarda harcanan enerjinin ısı pompaları yardımıyla daha az tüketilebileceği tespit edilmiştir. Literatürde ısı pompalarının performans analizlerine yönelik birçok çalışma mevcuttur. Kıncay ve Temir[1], İstanbul Hadımköy’de bir villanın ısı kaybı ve ısı kazancı değerlerini belirleyerek hem ısıtma hem de soğutma sezonu için dikey tip toprak kaynaklı ısı pompası sistemi için boyutlandırma hesapları yapmışlardır. Hepbaşlı ve arkadaşları[2], Ege Üniversitesi(İzmir)’de 65 m2’lik bir odada 50 m derinliğe sahip kapalı tip toprak kaynaklı ısı pompasının ısıtma ve soğutma performansları için deneysel çalışmalar yapmışlardır. Niğdelioğlu[3], Kütahya İl’inde soğutma amaçlı kullanılan bir yatay toprak kaynaklı ısı pompası(YTKIP) sisteminin performansına etki eden parametreleri ve sistemin performansını incelemiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, sistemin COP değerini 3,41 olarak bulmuş ve sistemin kullanılabilirliliğinin makul olduğunu söylemiştir. Özgener ve arkadaşları[4], İzmir’de Ege Üniversitesi’nin Güneş Enerji Enstitüsünde kurulan dikey U-borulu toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin ekserji ve eksergoekonomik analizini yapmışlardır. Yapılan analizin neticesinde sistemdeki tersinmezliklerin yerleri de belirlenmiştir. Esen[5], Elazığ’da ısıtılacak ve soğutulacak bir köy evinin bahçesinde 30m, 60m ve 90m olarak üç farklı derinlikte sondaj kuyularına sahip bir dikey toprak kaynaklı ısı pompası(DTKIP) sistemini YSA ve UBSA kullanarak sistemlerin performans karşılaştırmasını yapmıştır. Soğutma ve ısıtma deneyleri sonucuna göre, en yüksek sistem performansını 90m derinlikteki ısı değiştiricili sistem için elde etmiştir. Akbulut[6], çalışmasında Termodinamiğin 1. ve 2. Yasaları ile SPECO ve Eko-indikatör 99 metotlarını kullanarak İstanbul’da Yıldız Yenilenebilir Enerji Evi’nde kullanılan DTKIP ve duvardan ısıtma sistemine ait gerek ısıtma gerekse soğutma sezonu için enerji, ekserji, eksergo ekonomik ve çevresel analizler yapmıştır. Literatürde toprak kaynaklı ısı pompalarının enerji ve ekserji analizlerini yapan çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmada diğer çalışmalardan farklı olarak, Mardin İlinde kurulan DTKIP sisteminin enerji, ekserji ve eksergo ekonomik analizi yapılmıştır.

2. Sürekli̇ Akişli AÇIK Si̇stemlerde Enerji̇ Korunumu

Enerjinin korunumu ilkesi sürekli akışlı açık sistemler için aşağıdaki şekilde yazılabilir: Q

Burada θ akış işi de içinde olmak üzere akışkanın birim kütlesinin toplam enerjisidir. h ke pe olduğu göz önüne alınırsa, enerjinin korunumu ilkesi,

şeklini alır. Giriş ve çıkış halleri sırasıyla 1 ve 2 indisleri ile gösterilir, kütle debisinin m , ayrıca potansiyel ve kinetik enerjilerin değişmediği göz önüne alınırsa m m değişmediği kabul edilirse, bir geçişli ve bir çıkışlı sürekli akışlı açık sistem için enerjinin korunumu denklemi, Q

3. Materyal VE Metot

Bu çalışmada Mardin ili Midyat ilçesinde belirlenen deney alanı için dikey tip toprak kaynaklı ısı pompasının soğutma sezonu için yapılan deneysel çalışmaların sonuçları incelenerek sisteme enerji, ekserji ve eksergoekonomik analiz uygulanmıştır. Deney için kullanılan mahal, 15x8 ölçülerinde 120 m2 taban alanına sahip bir bölmedir. Deney odası belirlenen binanın bodrum katında depo amaçlı kullanılmaktadır. Bu odada kurulan deney tesisatı toprakaltı devresi, ısı pompası devresi ve fan coil devresi olmak üzere üç adet kapalı devre şeklinde tasarlanmış olup toplam dokuz adet alt üniteyi içermektedir. Deney tesisatı belirlenen deney odasının soğutma ihtiyacını karşılamak için kullanılan gerçek bir sistemdir. (Şekil 1)

Şekil 1. Deney odası ve deney tesisatı Toprakaltı devresi; toprakaltı ısı değiştiricisi, pompa1 ve IP cihazının içinde bulunana bir adet plakalı ısı değiştiriciden meydana gelmektedir. Toprakaltı ısı değiştiricisini(TID) oluşturmak için deney odasının bulunduğu binadan 5 m uzaklıkta ve aralarında 6 m mesafe olan iki adet 100 m derinliğinde sondaj kuyusu açılmış ve içlerine Rehau marka DN25 siyah polietilen borular yerleştirilerek kuyunun dibinde U parçası ile birleştirilmiştir. TID’nin IP cihazı ile bağlantısı toprağın 50 cm altından geçirilen yatay boru iletim hattı ile sağlanmıştır. Toprak altı devresinde 100 m derinlikte kuyuların sıcaklıkları ölçülmüş ve datalogger ile kaydedilmiştir (Şekil 2).

Şekil 2. Toprakaltı devresi IP devresi; Evaporatör, Kompresör, Kondenser ve Kısılma Vanası ünitelerinden meydana gelmektedir. Bu ünitelerin tümü IP cihazının içinde bulunmaktadır (Şekil 3). Isı Pompası Cihazı, Thermeco marka ve 16 kW kapasiteye sahiptir. IP Devresinde soğutucu akışkan olarak R407C kullanılmaktadır. Devredeki soğutucu akışkanın dolaşımını IP cihazında bulunan scroll tip kompresör sağlamaktadır. Kondenser ve Evaporatör üniteleri çelik sacdan imal edilmiş plakalı ısı değiştiricilerdir.

Fan coil devresinde; akümülasyon tankı, sirkülasyon pompası ve 2 adet Aldağ marka AE600 model fan coil bulunmaktadır. Fan coiller ve akümülasyon tankının görünümü Şekil 4’te gösterilmiştir.

Şekil 4. Fancoil devresi Bu çalışmada kullanılan teorik kabuller aşağıda sunulmuştur:  İncelenen sistemler gerçek sistemler olup sürekli akışlı açık sistem modeline uymaktadır.  Malzemeler homojen olup standart özellikleri literatürden alınmıştır.  Cihazlara ait ölçülmeyen özellikler katalog değerlerinden alınmıştır.  Toprakaltı Isı Değiştiricisi tamamen toprak tarafından çevrili olduğundan ısı kaybı ihmal edilmiştir Q ı ,TID 0 .  Pompalar kayıplı olarak çalışmaktadır E ı , , E ı , ve E ı , 0 .  I. Isı eşanjörü (evaporatör) izole edilmiş olup ısı kaybı ihmal edilmiştir Q ı , 0 .  II. Isı eşanjörü (kondenser), Akümülasyon Tankı izole edilmiş olmasına rağmen ısı 0, Q ı ,AT 0 . kaybı mevcuttur Q ı ,  Kompresör kayıplı olarak çalışmaktadır Q ı , 0 .Kompresörün verimi %80 olarak kabul edilmiştir. h .  Kısılma vanasında entalpi kaybı yoktur h Deneysel çalışma sürecinde yapılan kabuller aşağıda verilmiştir:  Isı pompası sistemi bir bütün olarak satın alınmıştır. Bu nedenle bu sistemin analiz edilen parçalarına (kompresör, kondenser, kısılma vanası ve evaporatör) ait maliyetler toplam maliyetin parçalara gerçek maliyetler oranında yeniden dağıtılması ile bulunmuştur.  Sistem ömrü 20 yıl, geri ödeme oranı %6, faiz oranı %3 ve eskalasyon oranı %4 olarak alınmıştır.  Yıllık bakım sistemin kontrolü, eğer eksilmişse sisteme su ve soğutucu akışkan takviyesi şeklinde olup bedeli 150 $ olarak belirlenmiştir. Analizler sırasında bakım maliyeti sistem elemanlarından kompresöre bindirilmiştir.  Yaşam ömrü sonunda sistemde gerekli iyileştirmeler ve parça değişimleri yapılıp yeniden kullanılacağı kabul edilerek atık senaryosu ve hesabı oluşturulmamıştır.  Toprak altı devresi için 100 m derinliğinde 2 adet sondaj kuyusu açılmış olup maliyeti 20 $/m dir. U-tüp paralel sistem ile, dikeyde 200 m ve yatayda 30 m Rehau marka DN 25 polietilen kompozit boru kullanılmıştır ve maliyeti 5 $/m dir.  Akümülasyon tankı hattındaki sirkülasyon pompasının maliyeti 150 $, toprak devresindeki sirkülasyon pompasının maliyeti ise 200 $’dır.

 Akümülasyon tankı 200 lt kapasiteli olup paslanmaz çelikten imal edilmiştir. Akümülasyon tankının toplam maliyeti bağlantı boruları, izolasyonu ve ekipmanları da dahil olmak üzere 1000 $’dır.  Fan coiller 2 adet olup Aldağ marka fan coil kullanılmıştır. Fan coillerin boru malzemesi, bağlantı ekipmanları, işçilik ve sıva maliyetleri toplamda 1000 $’dır. Toprakaltı ve Fan coil sisteminde ısı taşıyıcı akışkan olarak su, ısı pompası devresinde ise soğutucu akışkan olarak R407C kullanılmıştır. Suyun termofiziksel özellikleri termodinamik tablolardan, R407C’nin özellikleri ise Solkane ve Coolpack paket programlarından alınmıştır. Soğutma sürecine ait sistemin genel akış şeması Şekil 5’te verilmektedir. Bu süreçte fan coiller ile mahalden çekilen ısı Q , ısı pompasının evaporatörüne aktarılır. Bu evaporatörden çekilen ısı Q L , ısı transfer akışkanını gaz haline getirir. Gaz halindeki ısı transfer akışkanının sıcaklığı ve basıncı kompresörde sıkıştırma işlemiyle yükseltilir ve akışkan ısı pompasının kondenserine taşınır. Burada yoğuşma gerçekleşirken ortaya çıkan ısı Q H toprakaltı devresine iletilir. Daha sonra soğutucu akışkan kısılma vanasından geçer ve çevrim devam eder.

Sigma 32, 477-488, 2014 Çizelge 1. Soğutma süresince ölçülen değerler

Düğüm No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Wk Wp1 Wp2 Wfc Toprak Fan coil

Faz Gaz Gaz Sıvı Yaş Buhar Sıvı Sıvı Sıvı Sıvı Sıvı Sıvı Sıvı -

Debi (kg/s) 0,09767 0,09767 0,09767 0,09767 0,864 0,864 0,864 0,542 0,542 0,542 0,542 -

Sıcaklık T(°C) 9,2 50,4 30,2 5,7 21,2 25,8 25,7 15,1 7,6 7,9 7,8 -

Entalpi h(kj/kg) 419,22 448,04 244,77 244,77 88,888 108,125 107,703 63,362 31,924 33,189 32,767 -

Entropi s(kj/kgK) 1,7911 1,8267 1,1517 1,1557 0,314 0,379 0,377 0,226 0,115 0,120 0,118 -

Ekserji (kW) 4,2837 6,1488 4,3034 4,1967 2,7293 4,0100 4,1173 0,9052 0,2990 0,2444 0,3118 3,519 0,176 0,090 0,300 1,0013 0,6143

Sınırları belirlenen sistem üniteleri için Bölüm 2’de kullanılan eşitlikler yardımıyla enerji ve ekserji eşitlikleri Çizelge 2’de, eksergo ekonomik eşitlikler ise Çizelge 3’te verilmiştir. Çizelge 2. Soğutma Süreci’nde Enerji ve Ekserji Dengesi Ünite Kompresör Kondenser Kıs. Vanası Evaporatör Pompa 1 TID Akü. Tankı Pompa 2 Fan Coiller

E E Q K ı ,EVA E W E EK ı , E QT E Q K ı ,TID E E Q K ı ,AT E W E EK ı , E W Q E QK ı , E

Ekserji Dengesi W Ex Ex K ı , Ex Ex Ex ExK ı ,KOND Ex Ex ExK ı ,KV Ex Ex Ex Ex ExK ı ,EVA Ex W Ex Ex K ı , Ex Ex ExT ExK ı ,TID Ex ExK ı ,AT Ex Ex W Ex Ex K ı , W Ex Ex Ex K ı , Ex

Soğutma süreci için, Çizelge 2’de verilmiş olan değerlere bağlı olarak Bölüm 2’de kullanılan termodinamik eşitlikler yardımıyla sınırları belirlenen sistem ünitelerinin enerji ve ekserji analizi yapılmış ve bu değerler Çizelge 4’te verilmiştir.

Z ü c . Ex c . Ex c . Ex c , .W , Z c . Ex c , .W c . Ex Z c . Ex c . Ex

Si̇stem

Evaporatör Kompresör Kondenser Kısılma Pompa 1 TID Akü Fan coil Pompa 2

Giren Isı (kW) 58,249 44,464 117,559 23,907 93,596 93,055 17,303 33,316 18,078

Çıkan Isı (kW) 58,249 40,760 117,327 23,907 93,055 93,055 17,988 34,342 17,760

Kayıp Isı (kW) 0,000 3,704 0,232 0,000 0,541 0,000 -0,685 -1,026 0,318

Giren Ekserji (kW) 5,1019 7,8027 8,8781 4,3034 4,1860 4,1173 0,2990 1,2261 0,3344

Çıkan Ekserji (kW) 4,5827 6,1488 8,3134 4,1967 4,1173 3,7306 0,2444 0,9052 0,3118

Ekserji Kaybı (kW) 0,5192 1,6539 0,5647 0,1067 0,0687 0,3867 0,0546 0,3209 0,0226

Ekserji Verimi (ηII) 89,82 78,80 93,64 97,52 98,36 90,61 81,74 73,83 93,24

Isı Kaybı (kW) Pompa 2 Fan coil Akü TID Pompa 1 Kısılma Kondenser Kompresör Evaporatör -2,000

Şekil 6. Soğutma sürecinde elemanlara ait ısı kaybı değerleri Çizelge 4 ve Şekil 6 birlikte incelendiğinde; soğutma sürecinde sisteme ait elemanların ısı kaybının en fazla 3,704 kW ile kompresörde olduğu görülmektedir. Bu çalışmada kısılma vanası, TID ve evaporatörde ısı kaybının olmadığı kabul edilmiştir. Enerji analizi sonucunda sistem çalışmasının dış hava sıcaklığından etkilendiği görülmüştür. Kompresör soğutma sürecinde ortalama 3,52 kWh elektrik tüketmiştir. Buna bağlı olarak tüm sistemin ortalama COP değeri 3,73 olarak belirlenmiştir. Her ne kadar ısı pompası

cihazının COP değeri ortalama 4,84 olarak bulunsa da fan coil grubu ile beraber incelendiğinde ortalama COP değeri 4,34 olarak bulunmuştur. Bu düşüşün sebebi ısı pompası ile fan coiller arasındaki mesafede meydana gelen kayıplardan kaynaklanmaktadır. İncelenen soğutma sürecinde dış hava sıcaklığı, en soğuk ay olarak Ekim’de ortalama 17,9°C, en sıcak ay olarak ise Ağustos’ta ortalama 29,9°C olarak ölçülmüştür. Toprak sıcaklığı 100 m olan kuyu derinliği için soğutma sürecinde ortalama 18,1°C olarak ölçülmüştür. Sistemin toprağa aktardığı ısının değişimi yapılan ölçüm ve hesaplamalar neticesinde dış hava sıcaklığı ile doğru orantılı olarak ve 16,80—17.10 kW arasında değiştiği görülmektedir. İncelenen süreçte deney odasının ısı kazancını karşılamak üzere, ölçülen dış hava sıcaklığının değişimine bağlı olarak akümülasyon tankında 7,4—8,3°C sıcaklığında su hazırlanmaktadır. Bu süreçte kompresör, 2 adet sirkülasyon pompası ve fan coillerin tükettiği elektrik gücü toplamı ortalama 4,085 kWh’tır. Sistemin mahalden çektiği ısı ise dış hava sıcaklığı değişiminden nispeten daha fazla etkilenmekte olup bu değer dış hava sıcaklığı ile orantılı olarak 15,14—15,32 kW arasında değişim göstermektedir.

Şekil 7. Soğutma sezonu için elemanlara ait ekserji değerleri Çizelge 4 ve Şekil 7 birlikte incelendiğinde; sistem elemanları ile ilgili ekserji analizi sonuçlarına göre en yüksek ekserji kaybı meydana gelen eleman 1,6539 kW ile kompresör olarak saptanmıştır. Kompresörden sonra en yüksek ekserji kaybı kondenserde 0,5647 kW, evaporatörde 0,5192 kW, TID’de 0,3867 kW olarak hesaplanmıştır. Soğutma süreci için, Çizelge 3’de verilmiş olan değerlere bağlı olarak Bölüm 2’de kullanılan eksergo ekonomik eşitlikler yardımıyla sınırları belirlenen sistem ünitelerinin eksergo ekonomik analizi yapılmış ve bu değerler Çizelge 5’te verilmiştir. Çizelge 5. Soğutma sürecinde eksergo ekonomik değerler

Si̇stem

Evaporatör Kompresör Kondenser Kısılma Pompa 1 TID Akü Fan coil Pompa 2

Bir Değere Getirilmiş Maliyet(Z) 0,1208 0,4658 0,1208 0,0107 0,0293 0,1587 0,0276 0,1553 0,0207

Ekserji Maliyeti (C) 0,2740 0,7464 0,5794 0,0407 0,0491 0,6784 0,0080 0,0694 0,0049

Eksergo Ekonomik Faktör(f) 0,3060 0,3843 0,1725 0,2082 0,3737 0,1896 0,7753 0,6911 0,8086

Ekserji Kaybı Oranı% (yky) 14,04 44,72 15,27 2,89 1,86 10,46 1,48 8,68 0,61

Şekil 8. Soğutma sezonu için elemanlara ait eksergo ekonomik değerler Çizelge 5 ve Şekil 8 birlikte incelendiğinde; soğutma sürecinde bir değere getirilmiş maliyet en yüksek kompresörde 0,4658 $/h olarak bulunmuştur. Bunu 0,1587$/h ile TID takip etmektedir. Sistem elemanlarına ait ekserji maliyet dağılımı ise dış hava sıcaklığından etkilenmektedir. Ekserji maliyeti büyükten küçüğe kompresörde 0,7464$/h, TID’de 0,6784 $/h, kondenserde 0,5794 $/h, evaporatörde 0,2740 $/h olarak hesaplanmıştır. Eksergo ekonomik faktör değerleri ise; kompresörde %38,43, akümülasyon tankında %77,53, TID’de %18,96, evaporatörde %30,60, kondenserde %17,25, fan coillerde %69,11 olarak hesaplanmıştır.

4. Sonuçlar VE Öneri̇ler

Bu çalışmada Mardin İli Midyat İlçesi’nde 120 m2 taban alanına sahip bir deney odasının soğutulması amacıyla kurulmuş olan DTKIP deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışmada öncelikle düşük enerji tüketimi ve yakıttan tasarruf sağlayacak bir sistemin kurulumu ve analizi hedeflenmiştir. Yapılan çalışma enerji, ekserji ve eksergo ekonomik analizleri içermektedir. Deneylerde 1 Temmuz 2013-31 Ekim 2013 tarihleri “Soğutma Sezonu” olarak tanımlanmıştır. Bu süreçlerde dakika bazında veriler datalogger yardımıyla toplanarak soğutma sezonuna ait ortalama değerler tespit edilmiş ve buna bağlı olarak hesaplamalar yapılmıştır. İncelenen süreçte sistem elemanlarında ısı ve ekserji kaybının en fazla kompresörde olduğu görülmektedir. Gerek enerji analizi gerekse ekserji analizi sonucunda sistem çalışmasının dış hava sıcaklığından etkilendiği görülmüştür. Eksergo ekonomik analiz sonuçlarına göre de kompresör en yüksek bir değere getirilmiş maliyet (0,4658 $/h), ekserji maliyeti(0,7464$/h) ve ekserji kaybı oranına(%44,72) sahip elaman olarak belirlenmiştir. Bu nedenle iyileştirmelere kompresörden başlamak gereklidir. Ayrıca yapılan çalışmada TID’de ısı kaybı yok kabul edildiğinden ve ekserji kaybı da ihmal edilebilecek seviyelerde olduğundan bu elemanla ilgili yapılacak en iyi çalışma ilk yatırım maliyetini düşürmeye yönelik çalışmalardır. Sonuç olarak; toprak ısı değiştiricileri ve kazı maliyetleri düşürülürse ve yerli teknoloji ile ısı pompası üretilirse bu sistemlerin ülkemiz için kullanımı hem ekonomik hem de çevresel açıdan yararlı olacaktır. Sistemimiz gerek enerji tüketimini azaltmada gerekse sera gazlarının emisyonlarını düşürme bakımından oldukça etkilidir. Bununla beraber aynı iklim kuşağında olan Güneydoğu ve Akdeniz bölgelerinde bu tip sistemlerin kullanılmasının gerek ülkemizin ekonomisi gerekse çevre temizliği açısından faydalı olacağı düşünülmektedir. Bu tür sistemlerin kullanımının yaygın hale getirilmesi için daha fazla çalışmalar yapılmalı ve hükümetler tarafından desteklenmelidir.

Kıncay, O. ve Temir, G., (2002). “Toprak ve Hava Kaynaklı, Isı Pompalı Sistemlerin Ekonomik İncelenmesi”, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 68: 31-37. Hepbaşlı, A., Akdemir, O. ve Hancıoğlu, E.,(2003). “Experimental Study of a Closed Loop Vertical Ground Source Heat Pump System”, Energy Conversion and Management, 44: 527-548. Niğdelioğlu, O., (2006). “Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Dizaynı ve Teknoekonomik Performans Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi FBE, Kütahya. Özgener, Ö., Hepbaşlı, A. ve Özgener, L., (2007). “A parametic Study on the Exergoeconomic Assessment of a Vertical Ground-Coupled(Geothermal) Heat Pump System”, Building and Environment, 42: 1503-1509. Esen, H., (2007). “Düşey Borulu Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Konut İklimlendirme Sistemlerinde Mevsimlik Davranışının Araştırılması”, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi FBE, Elazığ. Akbulut U., (2012). “Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Duvardan Isıtma ve Soğutma Sisteminin Teorik ve Deneysel İncelenmesi”, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi FBE, İstanbul. Temir, G., Bilge, D.,(2004), ”Thermodynamic Analysis of a trigeneration System”, Applied Thermal Engineering, 25: 411-422. Temir, G., Bilge, D.,(2004). “Isıl Sistemlerin Termodinamik Çözümlemesi”, Termodinamik Dergisi, 6: 63-68. Bejan A., Tsatsaronis., G., Moran, M., “Thermal Design and Optimization”1996

Share and Cite