T.C. ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR KONUTUN ISITILMASI VE SOĞUTULMASINDA GÜNEŞ ENERJİSİ KAYNAKLI ABSORBSİYONLU SİSTEMLERİN KULLANILMASI Bilsay PASTAKKAYA Doç. Dr. Ömer KAYNAKLI (DANIŞMAN) DOKTORA TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA-2012 Her Hakkı Saklıdır TEZ ONAYI Bilsay PASTAKKAYA tarafından hazırlanan "Bir Konutun Isıtılması ve Soğutulmasında Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorbsiyonlu Sistemlerin Kullanılması" adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı'nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman: Doç. Dr. Ömer KAYNAKLI Başkan: Doç. Dr. Ömer KAYNAKLI Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği A.B.D. Üye: Prof. Dr. Recep YAMANKARADENİZ Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği A.B.D. Üye: Yrd. Doç. Dr. Salih COŞKUN Uludağ Üniversitesi T.B.M.Y.O İklimlendirme ve Soğutma Programı Üye: Yrd. Doç. Dr. Erhan PULAT Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği A.B.D. Üye: Prof. Dr. Murat HOŞÖZ Kocaeli Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Müh. Bölümü Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Kadri ARSLAN Enstitü Müdürü 27 / 07 / 2012 ii i U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; - tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, - görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, - başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, - atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, - kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, - ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. 27 / 07 / 2012 Bilsay PASTAKKAYA ÖZET Doktora Tezi BİR KONUTUN ISITILMASI VE SOĞUTULMASINDA GÜNEŞ ENERJİSİ KAYNAKLI ABSORBSİYONLU SİSTEMLERİN KULLANILMASI Bilsay PASTAKKAYA Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Ömer KAYNAKLI Bu çalışmada, konutların güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemlerle ısıtma ve soğutma ihtiyacının karşılanması deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Binaların ısıtılması ve soğutulması için kullanılan enerji miktarı gün geçtikçe artmaktadır. Enerji kullanımı ile ilintili çevresel ve ekonomik sorunlar, enerji ihtiyacının temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanmasını daha önemli hale getirmektedir. Bu noktada güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemler, kullanımlarının yaygınlaşması ile birlikte, söz konusu sorunların çözümünde önemli rol oynamaktadır. Literatürde yapılan çalışmalardan farklı olarak bu çalışma kapsamında, Bursa Uludağ Üniversitesi’nde kurulan deney tesisatında, bir test odasının, dâhili enerji depolamalı, LiCl-Su akışkan çiftli bir absorbsiyonlu ısı pompası ile ısıtılması ve soğutulması sağlanmıştır. Absorbsiyonlu sistem için gereken termal enerji, düz tip güneş kolektörlerinden oluşan güneş kolektör sistemi ile elde edilmiştir. Güneş enerjisinin yeterli olmadığı durumlarda yardımcı sistem olarak, elektrikli ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası kullanılmıştır. Ayrıca sistemde, yapının sıcak kullanım suyu ihtiyacının karşılanması da sağlanmıştır. Deneysel çalışma dâhilinde, örnek günler için sistemin çalışma performansı ve performansa etki eden parametreler incelenmiştir. Sistemin sayısal analizinde TRNSYS simülasyon programı kullanılarak, deneysel sonuçlar ile simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Deney tesisatı için yapılan yıllık simülasyon sonuçları çalışma dâhilinde sunulmuştur. Ayrıca örnek bir konut tasarımı esas alınarak, Türkiye’de farklı iklimsel ve coğrafi şartlara sahip on farklı il için yapılan yıllık simülasyon sonuçları karşılaştırılmalı olarak sunulmuş, sonuçlar teknik ve ekonomik açıdan analiz edilmiştir. Çalışma dahilinde gerçekleştirilen deneysel ve sayısal analiz uygulamalarında benzer sonuçlar elde edilmiştir. Sistemin dâhili enerji depolama özelliğinin teknik ve ekonomik açıdan önemli faydalar sağladığı görülmüştür. Sistemde yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı kullanımının, alternatiflerine göre daha avantajlı olduğu sonucuna varılmıştır. Absorbsiyonlu sistem veriminin ısı atım ve ısı dağıtım sisteminin çalışma özelliklerinden önemli ölçüde etkilendiği görülmüştür. Örnek bir konut için yapılan simülasyon uygulamalarında, güneş enerjisi kullanımının CO2 salınımındaki azalma ve işletim maliyetlerinde sağladığı kazançlarla büyük faydalar sağladığı ve sistemin uygulanabilir nitelikte olduğu sonucuna varılmıştır. Güneş enerjisi eldesi yüksek olan bölgelerde sistemin sağladığı faydaların daha fazla, geri ödeme süresinin daha kısa olduğu tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Absorbsiyonlu Isı Pompası, Isıtma-Soğutma, Konutsal Uygulama. 2012, xvii + 198 sayfa. i ABSTRACT PhD Thesis HEATING AND COOLING WITH SOLAR ABSORPTION SYSTEMS IN A RESIDENTIAL APPLICATION Bilsay PASTAKKAYA Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Associate Prof. Dr. Ömer KAYNAKLI In this study, heating and cooling of buildings with solar absorption systems were investigated experimentally and numerically. The usage of energy for heating and cooling of the buildings is increasing. Many problems have arisen from the increased usage and demand of energy; therefore, the use of clean and renewable energy sources is becoming more important. Widespread use of solar absorption systems is important to address environmental and economical problems. Unlike other studies in the literature, in this study, a lithium chloride absorption heat pump with interior energy storage was used for heating and cooling a test room located in Uludag University, Bursa. Thermal energy was delivered via a solar collector system that consists of flat plate solar collectors to drive the absorption system. An electric heater and an air source heat pump were used as auxiliary systems when the solar energy was insufficient. Energy demand for domestic hot water was also satisfied by solar energy. System performance and the parameters that have an impact on the system performance were investigated for typical days in experimental studies. TRNSYS simulation programme was used in numerical analysis. Experimental and numerical results were compared. The annual simulation results for the experimental facility were presented in this study. In addition to that, the annual simulations were performed for a typical residence located in ten different regions in Turkey with different geographical and climatic conditions, and the results were analyzed technically and economically. Similar results were obtained both in experimental and numerical analysis. The results showed that interior energy storage of the absorption system provided technical and economical benefits. It was concluded that, using electric heater as an auxiliary energy system had more advantages than its alternatives. Absorption system efficiency was affected significantly by heat distribution and heat rejection systems’ performance. In numerical analysis for typical residence, it was confirmed that using the solar power provided considerable benefits by reducing CO2 emission and operation costs. It was also deduced that using solar power in the regions that gain more solar energy, provides more benefits and less pay back periods for the solar system. Key Words: Solar Power, Absorption Heat Pump, Heating-Cooling, Residential Application. 2012, xvii + 198 pages. i i TEŞEKKÜR Öncelikle bu tez çalışmamı tamamlamak için gereken sabrı ve sağlığı bahşettiği için, Yüce Tanrım’a sonsuz şükranlarımı sunarım. Bana küçük yaşta kalem tutmayı, okuyup yazmayı öğreten ve her zaman bilgeliği öğütleyen, ilk öğretmenlerim sevgili Anne ve Babam’a ne kadar teşekkür etsem, azdır. Doktora eğitimim boyunca, katlanmak zorunda kaldığım her türlü sıkıntıda, maddi ve manevi desteğini benden esirgemeyen sevgili ablam, Bilsev Pastakkaya’ya teşekkürlerimi sunarım. Destekleri ile bana güç veren diğer aile bireylerime şükranlarımı sunar, bugünlere gelmemde büyük emeği olan ancak doktora çalışmamı tamamladığımı görmek için ömrü vefa etmeyen sevgili Yengem başta olmak üzere, ebediyete intikal etmiş olanları saygı ve rahmetle anarım. Bu çalışmanın tamamlanması için geçen zorlu süreçte, değerli yardımları ile bu çalışmayı tamamlamamda önemli bir rol oynayan saygıdeğer hocam, tez danışmanım Sn. Doç. Dr. Ömer Kaynaklı’ya şükranlarımı sunarım. Ayrıca, tez çalışmasını tamamlamamda değerli desteklerini esirgemeyen; Sn. Prof. Dr. Recep Yamankaradeniz’e, Sn. Yrd. Doç. Dr. Salih Coşkun’a, Sn. Yrd. Doç. Dr. Erhan Pulat’a, Sn. Prof. Dr. Murat Hoşöz’e ve Sn. Prof. Dr. İlhami Horuz’a teşekkür ederim. Deney tesisatının kurulumundaki katkılarından ötürü Uludağ Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi’ne teşekkürlerimi sunarım. 1999 senesinde başladığım üniversite hayatımdan, sonsuzluğa uzanan bu serüvende bilim aşkını bana tanıtan, kavratan ve sevdiren, hayatımdaki her güzellikte bir payı olan saygıdeğer hocam, sevgili dostum Dr. Kürşat Ünlü’ye sonsuz sevgi ve minnetlerimi sunarım. Doktora çalışmalarımızı kapsayan, yeni bir doktora kültürünü hayata geçirdiğimiz süreç boyunca, bilgi, ilgi ve desteklerini esirgemeyen, sevgili dostlarım Dr. Mustafa Kemal İşman ve Dr. Özgün Korukçu’ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Bu çalışmanın başarıya ulaşması için gereken sistem bileşenlerinin temininde, kurulumunda ve işletiminde her türlü maddi ve manevi yardımı tüm içtenlikleri ile sağlayan, Sn. Kadriye Şahinsoy’a, Sn. İsmail Müjdeci’ye, Sn. Tamer Durmayaz’a, ve Sn. İrfan Şahin’e ne kadar teşekkür etsem, azdır. Doktora çalışmamın tam anlamıyla başarıya ulaşması amacıyla Güney Florida Üniversitesi’nde gerçekleştirdiğim yurt dışı çalışmasındaki katkılarından ötürü Sn. Prof. Dr. Yogi Goswami’ye, Sn. Prof. Dr. Nejat Veziroğlu’na ve meslektaşım, sevgili dostum Sn. Dr. Gökmen Demirkaya’ya; Stuttgart Üniversitesi’nde gerçekleştirdiğim çalışmalardaki katkılarından ötürü Sn. Dr. Thomas Weimar’a, şükranlarımı sunarım. Deney tesisatının kurulumu ve sistem ile ilgili teorik hesaplamaların gerçekleştirilmesindeki yardımlarından ötürü Sn. Olof Hallström’a ve Sn Dr. Murat Akın’a teşekkürü bir borç bilirim. Son olarak, akademik yaşamım ve doktora çalışmalarım boyunca, öğrenme istekleriyle yaptığım işe olan inancımı her gün arttıran, test düzeneği ve ölçüm işlemlerinde bil fiil çalışmalara katılarak destek veren sevgili öğrencilerimi, gurur ve minnetle anarım. Bu çalışmanın oluşmasında emeği geçen herkese en içten teşekkürlerimi sunar, bilim uğruna uğraş veren ve bilimin yüceliğini kavrayabilen herkese çalışmalarında başarılar ve esenlikler dilerim. ii i İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET................................................................................................................... i ABSTRACT........................................................................................................ ii TEŞEKKÜR........................................................................................................ iii SİMGE ve KISALTMALAR DİZİNİ................................................................ vi ŞEKİLLER DİZİNİ............................................................................................. xi ÇİZELGELER DİZİNİ....................................................................................... xvi 1. GİRİŞ............................................................................................................... 1 2. KAYNAK ÖZETLERİ.................................................................................... 3 2.1. Konu ile İlgili Yapılmış Çalışmalar.............................................................. 3 2.2. Yapılan Tez Çalışmasının Literatürdeki Çalışmalardan Farkı ve Sağladığı Katkılar.......................................................................................................... 13 3. MATERYAL VE YÖNTEM........................................................................... 16 3.1. Test Odası...................................................................................................... 16 3.2. Absorbsiyonlu Isı Pompası Ünitesi............................................................... 21 3.2.1. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibi................................................... 24 3.2.2. Absorbsiyonlu sistemin matematik modeli................................................ 29 3.2.3. LiCl-Su eriyiğinin termofiziksel özellikleri............................................... 39 3.3. Güneş Kolektör Sistemi................................................................................. 47 3.4. Isı Dağıtım Sistemi........................................................................................ 65 3.5. Isı Atım Sistemi............................................................................................. 68 3.6. Basınçlandırma Sistemi................................................................................. 72 3.7. Sıcak Kullanım Suyu Sistemi........................................................................ 75 3.8. Yardımcı Enerji Kaynakları........................................................................... 76 3.9. Otomasyon Sistemi........................................................................................ 78 3.10. Harici Enerji Depolama Sistemi.................................................................. 81 3.11. Deney Ölçüm Cihazları ve Simülasyon Programı....................................... 82 3.12. Hata Analizi................................................................................................. 85 4. BULGULAR ve TARTIŞMA.......................................................................... 87 4.1. Deneysel Uygulama Sonuçları...................................................................... 87 iv 4.1.1. Soğutma uygulamasının deneysel analizi................................................... 87 4.1.2. Isıtma uygulamasının deneysel analizi....................................................... 123 4.2. Sayısal Uygulama Sonuçları.......................................................................... 140 4.2.1. Soğutma ve ısıtma uygulamaları için sayısal analiz sonuçları................... 140 4.2.2. Örnek bir konut için yıllık soğutma-ısıtma periyodu sayısal analiz sonuçları....................................................................................................... 160 5. SONUÇ............................................................................................................. 171 KAYNAKLAR...................................................................................................... 175 EKLER.................................................................................................................. 180 EK-A. Test odası yapı bileşenleri ve özellikleri................................................. 181 EK-B. Aylara göre günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değerleri...................................................................................................... 183 EK-C. Bursa ili meteorolojik tasarım parametreleri............................................. 187 EK-D. Örnek bir konut uygulamasının farklı iller için yıllık simülasyon sonuçları.................................................................................................. 188 ÖZGEÇMİŞ...................................................................................................... 198 v SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama At Kolektör yüzey alanı [m2] Cp Kolektörde dolaşan akışkanın özgül ısısı [[kj/kg/K] Cp,c Yoğuşturucu için özgül ısı değeri [kj/kg/K] Cpcxf Yoğuşturucu çıkışındaki eriyik özgül ısısı [kj/kg/K] Cp,r Reaktör için özgül ısı değeri [kj/kg/K] Cprxf Reaktör çıkışındaki eriyik özgül ısısı [kj/kg/K] CR Dolaşım oranı [-] d Deklinasyon açısı [] dMm İhtiyaç duyulan monohidrat kütlesi [kg] DTf Denge durumunda reaktör ve yoğuşturucu arasındaki sıcaklık farkı [C] d Kolektör taşıyıcı akışkan borularının dış çapı [m] dTi Dahili işlem adım süresi [h] e Enlem açısı [] fd Tozlanma faktörü [-] fg Gölgelenme faktörü [-] Ft Toplayıcı ısı kazanç faktörü [-] Fv Toplayıcı verim faktörü [-] h Saat açısı [] H Güneş batış saat açısı [] H2O Su Hdil Eriyiğin diferansiyel entalpi değeri [kj/kg] Hsolfv Çözünme ısısı ht Dış ortam ısı taşınım katsayısı [W/m2K] Hvap Buharlaşma entalpi değeri [kj/kg] Igs Güneş sabiti [W/m2] I Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen anlık güneş ışınımı [W/m2] Ie Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen toplam güneş ışınım değeri [W/m2] Ied Eğik düzlem üzerine gelen anlık difüze ışınımı [W/m2] Iey Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen yayılı güneş ışınımı [W/m2] Io Atmosfer dışında birim yatay düzlem üzerine gelen anlık güneş ışınımı [W/m2] Iy Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen anlık yayılı ışınım miktarı [W/m2] Iya Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen, yansıyan güneş ışınımı [W/m2] It Güneş ı şınım şiddeti [W/m2] K Kolektör toplam ısı geçiş katsayısı [W/m2K] Kalt Kolektörün alt kısmının ısı geçiş katsayısı [W/m2K] kg Kolektör gövde malzemesinin ısı geçiş katsayısı [W/m2K] ks Kolektör soğurucu yüzeyi ısı iletim katsayısı [W/m2K] Küst Kolektörün üst kısmının ısı geçiş katsayısı [W/m2K] v i ky Kolektör yalıtım malzemesinin ısı geçiş katsayısı [W/m2K] lg Kolektör gövde malzemesinin kalınlığı [m] LiCl Lityum klorür LiBr Lityum bromür LiI Lityum iyodür ly Kolektör yalıtım malzemesinin kalınlığı [m] m Kolektörde dolaşan akışkan debisi [kg/s] mc Yoğuşturucu eriyik debisi [kg/h] Mcb Yoğuşturucu alt bölümünün kütlesi [kg] Mct Yoğuşturucu üst bölümünün kütlesi [kg] Mct0 Yoğuşturucu üst bölümünün boş iken kütlesi [kg] mcx Yoğuşturucu ısı değiştiricisindeki eriyik debisi [kg/h] Mf Reaktörün üst bölümünün doldurulması için gereken eriyik kütlesi [kg] MLc Toplam LiCl kütlesi [kg] mr Reaktör eriyik debisi [kg/h] Mrb Reaktör alt bölümü bileşenlerinin kütlesi [kg] Mrb0 Reaktör alt bölümünün boş iken kütlesi [kg] Mrt Reaktör üst bölümü bileşenlerinin kütlesi [kg] Mrt0 Reaktör üst bölümünün boş iken kütlesi [kg] mrx Reaktör ısı değiştiricisindeki eriyik debisi [kg/h] mvap Reaktör ve yoğuşturucu arasında geçiş yapan buhar debisi [kg/h] Mvap Reaktör ve yoğuşturucu arasında geçiş yapan buhar kütlesi [kg] Mssrb Reaktör alt bölümündeki eriyik içerisindeki LiCl kütlesi [kg] Mssrt Reaktör üst bölümündeki eriyik içerisindeki LiCl kütlesi [kg] Mw0 Toplam su kütlesi [kg] Mwcbi Yoğuşturucu alt bölümü başlangıç su kütlesi [kg] Mwcti Yoğuşturucu üst bölümü başlangıç su kütlesi [kg] Mwsrt Reaktör üst bölümündeki eriyik içerisindeki su kütlesi [kg] Mwsrb Reaktör alt bölümündeki eriyik içerisindeki su kütlesi [kg] n Hesaplama yapılan günün bir yıl içerisindeki sayısı [-] N Cam örtü sayısı [-] NaCl Sodyum klorür NH3 Amonyak P Basınç [Pa] Q Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen günlük tüm güneş ışınımı [W/m2] Qo Atmosfer dışındaki yatay birim düzleme bir gün boyunca gelen güneş ışınımı [W/m2] qabs Kolektörün absorbe ettiği ısı miktarı [W/m2] Qabs Absorber ısıl gücü [W] Qbuh Buharlaştırıcı ısıl gücü [W] Qcv Yoğuşturucu için buharlaşmadan ötürü ısı kazanımı [W] Qd Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen direkt ışınım [W/m2] Qe Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen günlük toplam güneş ışınımı [W/m2] Qed Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen günlük difüze güneş ışınımı [W/m2] vi i Qey Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen günlük yansıyan güneş ışınımı [W/m2] Qf Kolektörde akışkana verilen faydalı enerji miktarın [W] Qcx Yoğuşturucu ısı değiştiricisi ısı gücü [W] Qkay Kaynatıcı ısıl gücü [W] qL Kolektör ısı kayıpları [W/m2] qloss Haznenin çevreye olan toplam ısı kaybı [kj/h] Qre Reaktör ısıl gücü [W] Qrv Reaktör için buharlaşmadan ötürü ısı kazanımı [W] Qrx Reaktör ısı değiştiricisi ısı gücü [W] Qy Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen yayılı ışınım [W/m2] Qya Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen günlük yayılı güneş ışınımı [W/m2] qu Birim kolektör yüzeyinden elde edilen faydalı ısı [W/m2] Qyoğ Yoğuşturucu ısıl gücü [W] r_m Katı LiCl monohidratın yoğunluğu [kg/dm3] r_s LiCl eriyiğinin yoğunluğu [kg/dm3] s Düzlem eğim açısı [] S Yutucu yüzey üzerine gelen efektif güneş ışınım şiddeti [W/m2] T Sıcaklık [C, K] t0 Gün uzunluğu [h] ta Dış ortam sıcaklığı [C] Ta Absorber sıcaklığı [C] Taç Kolektör çıkış sıcaklığı [C] Tamb Çevre sıcaklığı [C] Tc Yoğuşturucu sıcaklığı [C] Tcb Yoğuşturucu alt bölümü sıcaklığı [C] Tcf Yoğuşturucu film sıcaklığı [C] Tcxi Yoğuşturucu ısı değiştiricisi giriş sıcaklığı [C] Tcxo Yoğuşturucu ısı değiştiricisi çıkış sıcaklığı [C] Tct Yoğuşturucu üst bölümü sıcaklığı [C] Tçev Çevre sıcaklığı [C, K] Te Buharlaştırıcı sıcaklığı [C] Tert Reaktör üst bölümü için eriyik denge sıcaklığı [C] Tfc Fan coil sıcaklığı [C] Tg,min Kaynatıcı sıcaklığı minimum değeri [C] Ti İç ortam sıcaklığı [C] Tgk Güneş kolektörü sıcaklığı [C] tp Emici plaka sıcaklığı [C] Tr Reaktör sıcaklığı [C] Trf Reaktör film sıcaklığı [C] Trxi Reaktör ısı değiştiricisi giriş sıcaklığı [C] Trxo Reaktör ısı değiştiricisi çıkış sıcaklığı [C] Trb Reaktör alt bölümü sıcaklığı [C] Trt Reaktör üst bölümü sıcaklığı [C] Ty Soğurucu plaka yüzey sıcaklığı [K] vi ii UA Isı kayıp katsayısı [W/K] UAcb Yoğuşturucu alt bölümünün ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UAct Yoğuşturucu üst bölümünün ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UAcx Yoğuşturucu ısı değiştiricisi ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UAch Şarj durumu için ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UAdi Deşarj durumu için ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UArb Reaktör alt bölümünün ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UArt Reaktör üst bölümünün ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] UArx Reaktör ısı değiştiricisi ısı kayıp katsayısı [kJ/h/K] V Rüzgar hızı [m/s] Vrt Reaktör üst bölümü bileşenlerinin hacmi [dm3] Vrt0 Reaktör üst bölümünün kapasitesi [dm3] w Kolektör taşıyıcı akışkan boruları merkezleri arasındaki mesafe [m] x LiCl eriyiği konsantrasyonu [-] xb Reaktör alt bölümündeki eriyik konsantrasyonu [-] xe Reaktör üst bölümündeki sıcaklığa bağlı eriyik konsantrasyonu [-] XSS Zengin eriyik konsantrasyonu [-] xt Reaktör üst bölümündeki eriyik konsantrasyonu [-] XWS Fakir eriyik konsantrasyonu [-] z Zenit açısı [] zr Rakım [m] p Plakanın yayma oranı [-] c Camın yayma oranı [-] Δhd Diferansiyel entalpi değeri [kj/kgK]  Eriyik konsantrasyonu [-]  İndirgenmiş basınç değeri [-]  Eriyiğin indirgenmiş sıcaklık değeri [-] cA Kolektör anlık verimi [-] c Kolektör toplam verimi [-] k Kolektör kanat verimini [-]  Camın yüzde geçirme oranı [-] c Cam plakanın düzeltilmiş geçirme ve yutma oranı [-] p Plakanın yüzde yutma oranı [-] c Camın yüzde yansıtma oranı [-]  Kolektör soğurucu yüzeyinin kalınlığı [m] Kısaltmalar Açıklama Abs. Absorber B Batı BD Betonarme Duvar Buh. Buharlaştırıcı ÇP Çift Pencere D Doğu DD Dış Duvar DÖ Döşeme ix G Güney HKIP Hava kaynaklı ısı pompası ITK Isıtma tesir katsayısı İK İç Kapı İD İç Duvar K Kuzey Rea. Reaktör STK Soğutma Tesir Katsayısı TA Tavan Yoğ. Yoğuşturucu x ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Einstein Soğutucusu............................................................................. 4 Şekil 3.1. Deney tesisatının şematik görünümü................................................... 17 Şekil 3.2. Test odası.............................................................................................. 18 Şekil 3.3. Bir konutun güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile ısıtılması ve soğutulmasının şematik görünümü................ 22 Şekil 3.4. Soğutma uygulamasında absorbsiyonlu çevrimin In P-h ve In P- 1/T diyagramları.......................................................................................... 24 Şekil 3.5. Absorbsiyonlu ısı pompasının genel görünümü................................... 24 Şekil 3.6. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibi-soğutma modu.................... 26 Şekil 3.7. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibi-ısıtma modu........................ 26 Şekil 3.8. Absorbsiyonlu cihazın hazne ve bağlantılarının görünümü................. 27 Şekil 3.9. Absorbsiyonlu ısı pompasının tüm bileşenlerinin şematik görünümü.............................................................................................. 28 Şekil 3.10. Absorbsiyonlu sistemin bir haznesinin şematik görünümü ve temel nicelikler................................................................................... 30 Şekil 3.11. LiCl-Su eriyiğinin seyrelmesinde diferansiyel entalpi değerinin, eriyik konsantrasyonuna bağlı değişiminin grafiği........... 42 Şekil 3.12. LiCl-Su eriyiği için indirgenmiş basınç- sıcaklık- konsantrasyon diyagramı............................................................................................ 43 Şekil 3.13. Güneş kolektör sistemi....................................................................... 48 Şekil 3.14. Güneş kolektör sisteminin yerleşim özellikleri.................................. 49 Şekil 3.15. Kolektör sistemi için günlük güneş enerjisi miktarının yıllık ortalaması............................................................................................ 50 Şekil 3.16. Ortalama dış ortam sıcaklık değerinin aylara göre değişimi.............. 51 Şekil 3.17. Aylık ortalama gün uzunluğu............................................................. 51 Şekil 3.18. Optimum kolektör eğim açısının aylara göre değişimi...................... 52 Şekil 3.19. Aylık ortalama güneş enerjisi miktarı................................................ 53 Şekil 3.20. Gündüz saatlerindeki aylık ortalama bulutlanma miktarının aylara göre değişimi...................................................................................... 54 x i Şekil 3.21. Buzlanma olayının görüldüğü gün sayısının aylık ortama değerleri.............................................................................................. 55 Şekil 3.22. Kolektör bileşenlerinin boyutlarının gösterimi.................................. 64 Şekil 3.23. Fan-coil ünitesinin kesit görüntüsü.................................................... 66 Şekil 3.24. Fan-coil cihazları (a) ve cihazların içyapısı (b).................................. 68 Şekil 3.25. Aksiyel fanlı açık tip soğutma kulesi................................................. 70 Şekil 3.26. Deney tesisatında kullanılan soğutma kulesi...................................... 71 Şekil 3.27. Isı atım hattında kullanılan plakalı ısı değiştiricisi............................. 71 Şekil 3.28. Çift serpantinli boyler......................................................................... 72 Şekil 3.29. Soğutma kulesi pompası..................................................................... 73 Şekil 3.30. Dolaşım hatları pompaları.................................................................. 73 Şekil 3.31. Pompa debi ölçüm işlemi................................................................... 74 Şekil 3.32. Sıcak kullanım suyu boyleri............................................................... 75 Şekil 3.33. Elektrikli ısıtıcı................................................................................... 76 Şekil 3.34. Hava kaynaklı ısı pompası................................................................. 77 Şekil 3.35. PT 100 sıcaklık sensoru...................................................................... 79 Şekil 3.36. Otomasyon sistemi kontrol paneli...................................................... 80 Şekil 3.37. Absorbsiyonlu cihazın bilgisayar destekli veri ölçümü..................... 83 Şekil 3.38. Elektrik sarfiyatı ölçümünde kullanılan sayaçların görünümü........... 84 Şekil 4.1. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–1) ............................................................................................ 88 Şekil 4.2. Güneş kolektör hattı sıcaklıkları (Deney–1) ....................................... 88 Şekil 4.3. Soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi (Deney–1) ...................... 89 Şekil 4.4. Reaktöre verilen termal enerji miktarı (Deney–1) .............................. 90 Şekil 4.5. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–1) ....................... 90 Şekil 4.6. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–1)......... 91 Şekil 4.7. Isı değiştiricisi giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–1) .............................. 91 Şekil 4.8. Sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi (Deney–1) ............................................................................................ 92 Şekil 4.9. Fan-coil sıcaklıkları (Deney–1) ........................................................... 93 Şekil 4.10. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–1) ................ 94 Şekil 4.11. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–1) ............. 94 xi i Şekil 4.12. CW20 ortalama soğutma kapasitesi eğrileri....................................... 96 Şekil 4.13. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–2) ........................................................................................... 99 Şekil 4.14. Güneş kolektör hattı sıcaklıkları (Deney–2) ..................................... 99 Şekil 4.15. Soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi (Deney–2) .................... 100 Şekil 4.16. Reaktöre verilen termal enerji miktarı (Deney–2) ............................. 100 Şekil 4.17. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–2) ...................... 101 Şekil 4.18. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–2)....... 102 Şekil 4.19. Isı değiştiricisi giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–2) ............................ 102 Şekil 4.20. Sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi (Deney–2) ............................................................................................ 103 Şekil 4.21. HKIP ve fan-coil sıcaklıkları (Deney–2) ............................................ 104 Şekil 4.22. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–2) ................ 104 Şekil 4.23. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–2) ............. 105 Şekil 4.24. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–3) ............................................................................................ 107 Şekil 4.25. Dış ortam şartlarının görünümü (Şekil–3) ........................................ 108 Şekil 4.26. Güneş kolektör hattı sıcaklıkları (Deney–3) ..................................... 109 Şekil 4.27. Soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi (Deney–3) ................... 110 Şekil 4.28. Reaktöre verilen termal enerji miktarı (Deney–3) ........................... 110 Şekil 4.29. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–3) .................... 112 Şekil 4.30. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–3) ..... 112 Şekil 4.31. Isı değiştiricisi giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–3) ............................ 113 Şekil 4.32. Fan-coil sıcaklıkları (Deney–3) ......................................................... 114 Şekil 4.33. Sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi (Deney–3) .......................................................................................... 115 Şekil 4.34. Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değerleri (Deney–3) ........................ 115 Şekil 4.35. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–3) ............... 116 Şekil 4.36. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–3) ............. 117 Şekil 4.37. Harici enerji depolama sistemi sıcaklık değişimleri (Deney–4) ....... 118 Şekil 4.38. Kolektör giriş-çıkış ve dış ortam sıcaklıkları (Deney–5) .................. 120 Şekil 4.39. Boyler ve kolektör giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–5) ....................... 121 xi ii Şekil 4.40. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–6) ........................................................................................ 125 Şekil 4.41. Fan-coil sıcaklıkları (Deney–6) ....................................................... 126 Şekil 4.42. Termal enerjilerin zamana göre değişimi (Deney–6) ...................... 127 Şekil 4.43. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–6) ................... 128 Şekil 4.44. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–6)..... 129 Şekil 4.45. Güneş kolektörlerinde buzlanma olayı (Deney–6) .......................... 129 Şekil 4.46. Güneş kolektör sistemi ve boyler sıcaklıkları (Deney–6) ............... 130 Şekil 4.47. Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değerleri (Deney–6) ....................... 131 Şekil 4.48. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–6) .............. 131 Şekil 4.49. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–6)............ 133 Şekil 4.50. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–7) ........................................................................................ 134 Şekil 4.51 Güneş kolektör hattı sıcaklık değerleri (Deney–7)............................ 135 Şekil 4.52. Güneş kolektörleri üzerindeki buzlanma ve buzların çözülmesi (Deney–7) ........................................................................................ 135 Şekil 4.53. Hazne B reaktör ve yoğuşturucu giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–7) ........................................................................................ 136 Şekil 4.54. Güneşlenme kazançları ile pasif ısıtma uygulaması (Deney–7)...... 136 Şekil 4.55. Termal enerjilerin zamana göre değişimi (Deney–7) ...................... 137 Şekil 4.56. Sistem bileşenleri enerji tüketim değerleri (Deney–7) .................... 138 Şekil 4.57. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–7) ........... 139 Şekil 4.58. Absorbsiyonlu cihazın üretici firması tarafından önerilen absorbsiyonlu sistem şeması............................................................. 141 Şekil 4.59. Soğutma uygulaması-test odası ve dış ortam sıcaklığı..................... 145 Şekil 4.60. Soğutma uygulaması-kolektör hattı gidiş-dönüş sıcaklıkları........... 145 Şekil 4.61. Soğutma uygulaması-absorbsiyonlu sistem bileşenleri sıcaklık değerleri............................................................................................ 146 Şekil 4.62. Soğutma uygulaması-ısı atım hattı gidiş-dönüş sıcaklık değerleri... 147 Şekil 4.63. Soğutma tesir katsayısının soğutma kulesi dizayn sıcaklığı ile değişimi............................................................................................ 148 Şekil 4.64. Isıtma uygulaması-test odası ve dış ortam sıcaklığı......................... 152 xi v Şekil 4.65. Isıtma uygulaması-kolektör hattı gidiş-dönüş ve boyler sıcaklıkları........................................................................................ 153 Şekil 4.66. Isıtma uygulaması- absorbsiyonlu sistem bileşenleri sıcaklık değerleri............................................................................................ 153 Şekil 4.67. Yıllık soğutma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı..... 156 Şekil 4.68. Yıllık ısıtma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı......... 157 Şekil 4.69. Yıllık sıcak kullanım suyu ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı........................................................................... 158 Şekil 4.70. CO2 salınımındaki azalma miktarının aylara göre değişimi............. 159 Şekil 4.71. Ekonomik tasarruf miktarının aylara göre değişimi........................ 159 Şekil 4.72. Örnek bir konutun yıllık soğutma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı........................................................................... 163 Şekil 4.73. Örnek bir konutun yıllık ısıtma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı........................................................................... 164 Şekil 4.74. Örnek bir konutun yıllık sıcak su ihtiyacı ve güneş enerjisi karşılanma miktarı........................................................................... 164 Şekil 4.75. Örnek bir konut için CO2 salınımındaki azalma miktarının aylara göre değişimi......................................................................... 166 Şekil 4.76. Örnek bir konut için ekonomik tasarruf miktarının aylara göre değişimi................................................................................... 166 Şekil A.1. Test odası duvar bileşenleri ve özellikleri......................................... 181 Şekil A.2. Test odası tavan ve taban bileşenleri ve özellikleri........................... 182 Şekil B.1. Ocak-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri........... 183 Şekil B.2. Şubat-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri.......... 183 Şekil B.3. Mart-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri........... 183 Şekil B.4. Nisan-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri.......... 184 Şekil B.5. Mayıs-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri......... 184 Şekil B.6. Haziran-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri...... 184 Şekil B.7. Temmuz-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri..... 185 Şekil B.8. Ağustos-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri...... 185 Şekil B.9. Eylül-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri.......... 185 Şekil B.10. Ekim-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri........ 186 Şekil B.11. Kasım-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri....... 186 Şekil B.12. Aralık-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri....... 186 xv ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 3.1. Test odası ısı kaybı hesabı................................................................ 19 Çizelge 3.2. Test odası soğutma yükü hesabı....................................................... 20 Çizelge 3.3. LiCl-Su eriyiğinin diferansiyel entalpi değerinin hesaplanmasında kullanılan denklemdeki parametreler................... 40 Çizelge 3.4. LiCl-Su eriyiğinin çözülebilirlik sınırlarını tanımlayan denklemdeki parametreler................................................................ 40 Çizelge 3.5. LiCl-Su eriyiğinin buhar basıncının hesaplanmasında kullanılan parametreler.................................................................... 41 Çizelge 3.6. Denklem 3.65 için sabit sayıların farklı eriyik bileşimleri için değerleri............................................................................................ 45 Çizelge 3.7. Denklem 3.67’de kullanılan sabit sayıların LiCl-Su eriyiği için değerleri............................................................................................ 46 Çizelge 3.8. Denklem 3.68’de kullanılan sabit sayıların LiCl-Su eriyiği için değerleri............................................................................................ 47 Çizelge 3.9. Güneş kolektörü teknik özellikleri................................................... 48 Çizelge 3.10. Fan-coil sisteminin teknik özellikleri............................................. 68 Çizelge 3.11. Dolaşım pompalarının özellikleri ve debi ölçüm değerleri............ 74 Çizelge 3.12. Taşınabilir ölçüm cihazlarının özellikleri....................................... 82 Çizelge 3.13. Absorbsiyonlu sistem ölçüm cihazlarının ölçüm aralığı ve hassasiyeti....................................................................................... 86 Çizelge 4.1. Sıcak kullanım suyu tüketim miktarı ve kullanım özellikleri (Deney–1) ........................................................................................ 92 Çizelge 4.2. Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değerleri (Deney–1) ....................... 93 Çizelge 4.3 . HKIP enerji tüketim değerleri (Deney–2) ...................................... 103 Çizelge 4.4. Farklı ısı atım hattı ekipmanları ile soğutma tesir katsayısı değerleri............................................................................................. 148 Çizelge 4.5. Farklı ısı dağıtım hattı ekipmanları ile soğutma tesir katsayısı değerleri............................................................................................. 149 Çizelge 4.6. Soğutma uygulaması aylık simülasyon sonuçları............................ 155 xv i Çizelge 4.7. Isıtma uygulaması aylık simülasyon sonuçları........................... 155 Çizelge 4.8. Örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları.................... 162 Çizelge D.1. İllerin coğrafik ve iklimsel özellikleri........................................... 188 Çizelge D.2. İstanbul ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 189 Çizelge D.3. Ankara ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 190 Çizelge D.4. İzmir ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 191 Çizelge D.5. Antalya ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 192 Çizelge D.6. Adana ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 193 Çizelge D.7. Erzurum ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 194 Çizelge D.8. Samsun ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 195 Çizelge D.8. Gaziantep ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 196 Çizelge D.9. Diyarbakır ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları..................................................................... 197 xv ii 1. GİRİŞ Enerji ihtiyacı, tüm dünyada büyük bir hızla artış göstermekte, bu durum sosyal, ekonomik ve çevresel açıdan birçok sorunu da beraberinde getirmektedir. Bu sorunlar, enerji ihtiyacının temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılanmasının önemini her geçen gün arttırmaktadır. Yaşamsal faaliyetlerin konfor şartları altında sürdürülebilmesi için yaşam alanlarının ısıtılması ve soğutulmasında harcanan enerji, küresel ölçekteki toplam enerji tüketimde önemli bir paya sahiptir. Avrupa ülkelerinde, birincil enerji tüketiminin %40’lık bölümü binaların enerji ihtiyacını karşılamakta kullanılmaktadır (Henning 2007). Binaların soğutulması için harcanan enerji miktarı, küresel ısınma ve iklim değişiklikleri ile paralel olarak hızla artış göstermektedir. Bu durum özellikle sıcak yaz günlerinde elektrik dağıtım şebekelerinin yetersiz kalmasına sebep olmaktadır. Enerji kaynağı olarak temiz ve yenilenebilir enerji kaynağı kullanan, yardımcı enerji kaynağı ihtiyacı asgariye indirilmiş iklimlendirme sistemlerinin kullanımı, söz konusu sorunlar için önemli bir çözüm alternatifi olmaktadır. Günümüzde yapıların ısıtılması ve soğutulması amacıyla kullanılan ve enerji kaynağı olarak güneş enerjisini kullanan birçok ısıtma-soğutma sistemi mevcuttur. Bu sistemlerin işletim maliyetleri düşüktür ve enerji ihtiyacı tamamen temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağından sağlanmaktadır (Pastakkaya ve ark. 2008). Binaların hem ısıtma hem de soğutma ihtiyacını karşılayabilen, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemlerinin kullanımı, sistem verimlilikleri ve işletim maliyetlerinin düşüklüğü nedeni ile gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bu nedenle konu ile ilgili yapılan bilimsel çalışmalar her geçen gün artmaktadır. Bu çalışmanın hedefleri şu şekilde sıralanabilir:  Binaların ısıtılması ve soğutulmasında güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemlerinin kullanımının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi.  Dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası sistemi için oluşturulan matematik modelin tanıtılması ve sistemde kullanılan LiCl-Su eriyiği ile ilgili termofiziksel özellikleri içeren bağıntı ve grafiklerin sunulması.  Absorbsiyonlu sistemde kullanılan harici donanımların, absorbsiyonlu ısı pompasının çalışma performansına etkisinin araştırılması. 1  Sistemin farklı yardımcı enerji kaynakları ile birlikte kullanımının incelenmesi.  Tüm bir yıl boyunca güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemin çalışma özelliklerinin teknik ve ekonomik açıdan karşılaştırılmalı olarak analizi.  Örnek bir konutun tasarımının farklı iklimsel ve coğrafi şartlara sahip on farklı bölge için yapılan yıllık simülasyon sonuçlarının teknik ve ekonomik açıdan karşılaştırılmalı analizi.  Sistemin kullanımın yaygınlaştırılması ve dolayısıyla bundan sağlanacak faydaların arttırılması için gereken koşulların incelenmesi. Çalışmanın hedeflerinin sağlanabilmesi açısından yürütülen çalışmalar şu şekilde özetlenebilir. Konunun deneysel olarak incelenmesi adına Uludağ Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü laboratuar binası dâhilinde, güneş enerjisi kaynaklı bir ısı pompası sistemi kurulmuştur. Deney tesisatında yer alan LiCl-H2O akışkan çifti ile çalışan, dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası, 30 m2 taban alanına sahip bir test odasının ısıtma ve soğutma yükünü karşılamak için kullanılmıştır. Absorbsiyonlu sistemin çalışması için gereken termal enerji, güneş kolektör sistemi ile sağlanmıştır. Güneş kolektör sistemi, her biri 2,5 m2 yüzey alanına sahip 16 adet düz güneş kolektöründen oluşmaktadır. Güneş enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda kullanılmak üzere yardımcı sistem olarak elektrikli ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası sistemi kullanılmıştır. Sıcak kullanım suyu ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanması 1000 l. hacminde bir sıcak su tankı ile sağlanmıştır. Tüm deney tesisatının otomatik kontrolü, kurulan otomasyon sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Isıtma ve soğutma uygulamalarını incelemek amacıyla, Ağustos ve Şubat aylarında, ısı kazancı ve ısı kaybının yüksek olduğu örnek günler için tüm soğutma-ısıtma periyotlarının incelendiği deney sonuçları elde edilmiştir. Deneysel çalışmalarda, harici donanımların, absorbsiyonlu ısı pompasının çalışma performansına etkisi araştırılmıştır. TRNSYS simülasyon programı kullanılarak, deney tesisatında yer alan sistemin çalışma özellikleri sayısal olarak incelenmiştir. Sistemin tüm yıl boyunca çalışma özelliklerinin belirlenmesi amacıyla yapılan simülasyonlar ile elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Ayrıca farklı iklimsel ve coğrafi şartlara sahip on farklı bölge için yapılan yıllık simülasyon sonuçları, teknik ve ekonomik açıdan incelenmiştir. 2 2. KAYNAK ÖZETLERİ Güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemlerinde ısıtma ve soğutma ihtiyacı, güneş enerjisinden elde edilen termal enerjinin, sistemin kaynatıcısında kullanımı ile sağlanır. Soğutma olayı, soğutucu akışkanın buharlaştırıcıda buharlaşmasıyla gerçekleştirilirken, ısıtma olayı absorber ve yoğuşturucuda oluşan ısı vasıtasıyla gerçekleştirilir. Absorbsiyonlu soğutma sistemi, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemine oldukça benzerdir. Buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma çevrimindeki mekanik işlem yerini, absorbsiyonlu soğutma sisteminde fiziko-kimyasal işlemler alır. Mekanik kompresör yerine absorbsiyonlu soğutma sisteminde kaynatıcı ve absorberden oluşan ısı eşanjörleri gurubu yer almaktadır. Soğutma elde etmek için buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemindeki mekanik ve elektrik enerjisi yerine absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde termal enerji kullanılmaktadır. Bunun sağlamış olduğu avantajlarla çeşitli endüstriyel tesislerdeki atık ısının değerlendirilmesi ve tükenmez bir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin kullanılması yoluyla enerjinin pahalı olduğu günümüzde absorbsiyonlu soğutma sistemleri daha ekonomik olmaktadır. Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin, dış hava sıcaklığının yüksek olduğu yörelerde kullanılması çok uygundur (Yamankaradeniz ve ark. 2002) 2.1. Konu ile İlgili Yapılmış Çalışmalar Absorbsiyonlu ısı pompası sistemlerinin tarihçesi 19.yy’a kadar uzanmaktadır. Absorbsiyonlu soğutma makinesi üzerine ilk çalışma 1850 yılında Fransız bilim adamı Edmond Carré tarafından yapılmıştır. İlk orijinal tasarımda akışkan çifti olarak zehirli bir bileşim olan su ve sülfürik asit kullanılmıştır. Edmond Carré’nin konu ile ilgili çalışmalarını sürdüren kardeşi Ferdinand Carré, 1858 yılında ilk absorbsiyonlu soğutma sistemini icat etmiştir (Granryd ve Palm 2005). Ferdinand Carré, amonyak-su eriyiği kullanan absorbsiyonlu cihazının patentini 1859 yılında Fransa’da almıştır. Absorbsiyonlu sistemin güneş enerjisi kaynaklı olarak ilk kullanım örneği 1878 yılında Paris’te görülmektedir. Bu tarihte Fransız mucit Augustin Mouchot ve asistanı Abel Pifre tarafından Paris Dünya Fuarı’nda sergilenen güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu soğutma makinesi, yoğunlaştırılmış güneş enerjisini kullanarak buz üretimi 3 gerçekleştirmiştir (Henning 2007). Ancak bu tarihte başta kömür olmak üzere termal enerji kaynaklarının son derede ekonomik şartlar altında elde edilebilmesi, güneş enerjisinin absorbsiyonlu sistemlere entegresini olumsuz olarak etkilemiştir. 1922 yılında İsveç Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nde öğrenci olan Baltzar von Platen ve Carl Munters tarafından pompasız çalışabilen ilk absorbsiyonlu sistem dizayn edilmiştir. Bu sisteme alternatif olarak 1926 senesinde Albert Einstein ve asistanı Leó Szilárd tarafından sunulan “Einstein Soğutucusu”nun şematik görünümü Şekil 2.1.’de yer almaktadır. Şekil 2.1. Einstein Soğutucusu (Anonim 2011a) Absorbsiyonlu sistemlerin ticari üretimi 1923 tarihinden itibaren görülmektir. Bu tarihte ilk kez AB Arctic firması tarafından ticari üretimine başlanan sistemler, özellikle 1960’lı yıllarda, karavanların soğutucu ihtiyacının karşılanması amacıyla oldukça ilgi görmüştür. Absorbsiyonlu sistemlerle ilgili araştırma çalışmaları, 70’li yıllardaki enerji krizleri ile birlikte ivmelenmiştir. Buna bağlı olarak 80’li yıllarda; başta güneş enerjisi olmak üzere alternatif enerji kaynaklarının kullanımına yönelik arayışlar sonucunda, 4 Amerika Birleşik Devletleri’nde ve Japonya’da absorbsiyonlu sistemlerle ilgili yoğun araştırma-geliştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir (Sayigh ve Mc Veigh 1992). Bu ivmelenme 90’lı yıllarda azalma eğilimi gösterse de günümüzde güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemler ile ilgili birçok ülkede teorik ve uygulamalı araştırma çalışmaları yürütülmektedir. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)’nin bildirdiğine göre, geleneksel ısıtma soğutma uygulamalarının alternatifleri arasında absorbsiyonlu sistemler, en çok umut vaat eden sistemlerdendir. (Anonim 1972). Löf ve Tybout (1974) konutların güneş enerjisi ile ısıtılması ve soğutulmasında sistem tasarımı ve maliyetini konu alan bir çalışma gerçekleştirmiştir. Çalışma sonucunda birçok bölge için, ısıtma-soğutma uygulamasının bir arada olduğu kombine güneş enerjisi sisteminin, sadece ısıtma amaçlı kullanılan güneş enerjisi sisteminden daha ekonomik olduğunu bildirilmiştir. Wilbur ve Manchini (1975) güneş enerjili absorbsiyonlu sistemlerin farklı sistem bileşenleri ile çalışmalarını simüle ederek, çalışma sonucunda LiBr-Su eriyiği ile çalışan sistemin NH3-Su eriyiği ile çalışan sisteme göre çok daha üstün olduğunu bildirmiştir. Ward (1979) yaptığı çalışmada, küçük ölçekli güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin diğer soğutma sistemleri ile teknik ve ekonomik açıdan karşılaştırmalarını yaparak, bu sistemlerin uygulanabilirliğini incelemiş ve ekonomik uygulanabilirliğin ağırlıklı olarak yakıt maliyetleri gibi finansal parametrelere bağlı olduğunu bildirmiştir. Ayyash (1980) güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ve buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinin uygulanabilirliği konusunda yaptığı çalışmada, her iki sistemi karşılaştırmalı olarak analiz etmiştir. Çalışma sonucunda söz konusu sistemlerin karşılaştırılmasının doğru şekilde yapılabilmesi için, her iki sistemin de enerji ihtiyacının aynı enerji kaynağı tarafından eşit miktarda sağlanması ve kalan enerji ihtiyaçlarının ise güneş enerjisinden sağlanması gerektiğini belirtmiştir. Suri ve ark. (1984) çalışmalarında güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde termal enerji sisteminin seçimi konusunu inceleyerek, yardımcı ısıl enerji kaynağı kullanımının yüksek soğutma tesir katsayısı (STK) eldesi ve elektrik enerjisi tasarrufu sağlamasından ötürü cazip olduğunu belirtmiştir. Muneer ve Uppal (1985) çalışmalarında, ticari bir 5 absorbsiyonlu soğutma sistemin matematiksel modelini oluşturarak sistemin soğutma tesir katsayısını incelemiştir. Çalışma sonucunda güneş enerjisi kaynaklı, su soğutmalı absorbsiyonlu sistemlerin, kurak iklimlerdeki soğutma uygulamaları için önemli bir potansiyel oluşturduğunu bildirmiştir. Corbella ve Garibotti (1989) geleneksel ve güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemleri, sistem verim ve soğutma tesir katsayıları ile enerji fiyatlarındaki değişimleri göz önüne alarak karşılaştırmalı olarak inceleyerek tekno-ekonomik analiz sonuçlarını sunmuştur. Hammad ve Audi (1992) enerji depolama sistemi olmayan LiBr-Su eriyikli güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu soğutma sistemini, Ağustos-Eylül aylarında günlük 5-6 saatlik soğutma periyotları için incelemiştir. Çalışma sonucunda sistem performansının; faydalı güneş enerjisi miktarı, kaynatıcı ve buharlaştırıcı sıcaklıklarına bağlı olarak değiştiğini ve en yüksek soğutma tesir katsayısının 0,55 olduğunu bildirmiştir. Chinnappa ve ark. (1993) tarafından yapılan çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı NH3-Su eriyikli absorbsiyonlu sistem ile buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sisteminin birlikte kullanıldığı soğutma uygulaması gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sisteminin yoğuşturucusu, absorbsiyonlu sistemin buharlaştırıcısıyla soğutularak, buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin enerji tüketiminde önemli tasarruflar sağlanmıştır. Siddiqui (1994) yaptığı çalışmada, farklı akışkan çifti kullanan dört ayrı absorbsiyonlu sistemin, kaynatıcı ve yoğuşturucu sıcaklıklarının optimizasyonu için işletim maliyetlerinin ekonomik analizini gerçekleştirmiştir. Siddiqui çalışması sonucunda, farklı çalışma koşullarında kaynatıcı sıcaklığı ve ısıtma-soğutma tesir katsayılarının optimum değerlerinin değişimini grafiksel olarak sunmuştur. Millán ve ark. (1997) çalışmalarında güneş enerjisi kaynaklı LiBr-Su eriyikli bir absorbsiyonlu sistemin teorik olarak modellenmesini gerçekleştirerek, Madrid’in meteorolojik koşullarına göre soğutma uygulamasında sistem performansını araştırmıştır. Yapılan çalışma sonucunda güneş kolektörlerinin günlük veriminin yaklaşık %22, soğutma makinesinin günlük soğutma tesir katsayısının ise 0,55 olduğu bildirilmiştir. Mendes ve ark. (1998) tarafından yapılan çalışmada, ısıtma ve soğutma uygulaması için güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası ile buhar sıkıştırmalı sistemin enerji tüketim değerleri karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir. Soğutma 6 uygulamasında güneş enerjisi kaynaklı kullanılan absorbsiyonlu sistem, kış uygulamasında gaz yakıtlı kazan ile beslenmiştir. Çalışma sonucunda güneş enerjisi kaynaklı sistemin buhar sıkıştırmalı sisteme göre birincil enerji tüketiminin çok daha az olduğu vurgulanmıştır. Li ve Sumathy (2000) tarafından yapılan çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemler ile ilgili yapılan teorik ve uygulamalı çalışmalar ayrıntıları ile sunulmuş ve sistem tasarımı ve sistemi oluşturan donanımların seçimi konusunda bilgiler verilmiştir. Absorbsiyonlu sistem verimini etkileyen en önemli parametrenin kaynatıcıyı besleyen kaynağın kaynatıcıya giriş sıcaklığı olduğu bildirilmiştir. 2000’li yıllarda konu ile ilgili yapılan teorik ve özellikle deneysel çalışmalarda büyük bir artış olduğu gözlenmektedir. Bunun başlıca sebebi fosil yakıtların kullanımına bağlı çevresel ve ekonomik sorunların, son on yılda büyük bir artış göstermesidir. Ayrıca geleneksel soğutma sistemlerinde kullanılan soğutucu akışkanların çevre üzerindeki olumsuz etkileri, bu sistemlerin yüksek enerji tüketiminden ötürü oluşan enerji dağıtım şebekelerinde yaşanan sorunlar ve buna bağlı yaşanan enerji kesintileri, birçok ülkenin konuya ilgi göstermesine ve konu ile ilgili yapılan çalışmaların artışına sebep olmuştur. Li ve Sumathy’nin (2001) yaptığı deneysel çalışmada, 4,7 kW kapasiteli güneş enerjisi kaynaklı LiBr-Su eriyikli absorbsiyonlu soğutma makinesinin bölüntülü sıcak su depolama sistemi ile birlikte kullanımını incelemiştir. İki farklı bölüntüye ayrılabilen 2,75 m3 kapasiteli sıcak su tankında, üst bölüntü toplam hacmin dörtte biri kapasitededir. Çalışmada, depolama sisteminin bir bütün ya da bölüntülü olarak kullanılması durumu karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, bölüntülü depolama modunda çalışan sistemin toplam soğutma tesir katsayısının 0,7 olduğu ve bu değerin de geleneksel depolama yöntemi kullanan sisteme oranla %15 daha yüksek olduğu bildirilmiştir. Ayrıca bölüntülü depolamanın kullanımında, bulutlu günlerde bile sistemin soğutma olayını gerçekleştirebildiği vurgulanmıştır. Atmaca ve Yiğit (2003) çalışmalarında, geliştirdikleri simülasyon programı ile Antalya yöresi için güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu soğutma sisteminin soğutma tesir katsayısı ve kaynatıcı giriş sıcaklığını incelemiştir. Yapılan çalışma sonucunda 7 absorbsiyonlu sistemin yüksek performanslı güneş kolektörlerine ihtiyaç duyduğu vurgulanarak çalışma için 80C’lik kaynatıcı sıcaklığının en iyi seçenek olduğu bildirilmiştir. Syed ve ark. (2005) tarafından gerçekleştirilen çalışmada, tipik bir Madrid evinin soğutma yükünün karşılanmasında LiBr-Su eriyikli güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu soğutma sisteminin kullanımı uygulamalı olarak incelenmiştir. Çalışmada 35kW nominal soğutma kapasiteli, ticari olarak üretilen bir absorbsiyonlu sistem, 49,9 m2 yüzey alanına sahip düz güneş kolektörlerinden elde edilen ve 2 m3 hacmindeki su deposunda depolanan sıcak su ile beslenmiştir. Isı dağıtım sistemi olarak fan coil sistemi, ısı atım sistemi olarak da kuru tip soğutma kulesi kullanılmıştır. Çalışma sonucunda; kaynatıcı sıcaklığının 57-67C, absorber sıcaklığının 32-36C arasında değiştiği; absorbsiyonlu sistemin soğutma tesir katsayısının maksimum, günlük ortalama ve periyot ortalama değerlerinin sırasıyla 0,6 (maksimum kapasitede), 0,42 ve 0,34 olarak ölçüldüğü bildirilmiştir. Izquierdo ve ark. (2007), ticari olarak üretilmiş 4,5 kW soğutma kapasiteli LiBr-Su eriyikli güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu soğutma sistemi ile konutsal soğutma uygulamasında sistem performansını incelemiştir. Ağustos ayı için Madrid’te gerçekleştirilen deneylerde kaynatıcı sıcaklığının 80–107C arasında değiştiği koşullarda, sistemin soğutma tesir katsayısı ölçülmüştür. Çalışma sonucunda, absorbsiyonlu sistemin ısı atımında sıcaklık değerinin 35–41,3 C mertebelerine ulaştığında buharlaştırıcı sıcaklığının 15C’ye kadar yükseldiği soğutma periyodu için ortalama soğutma tesir katsayısının 0,37 olduğu bildirilmiştir. Pongtornkulpanic ve ark. (2008) LiBr-Su eriyikli, 10 ton soğutma kapasiteli güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemin çalışma performansını deneysel olarak incelemiştir. Tek kademeli olan absorbsiyonlu sistemin kaynatıcısı için gereken termal enerji, 72 m2 vakum tüplü güneş kolektörleri ile sağlanmış, güneş enerjisinin yetersiz olduğu durumlar için sıvılaştırılmış petrol gazı yakıtlı kazan yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılmıştır. Çalışma sonucunda absorbsiyonlu sistemin toplam termal enerji ihtiyacının %81’inin güneş enerjisinden, geri kalan %19’luk kısmınınsa yardımcı enerji 8 kaynağından sağlandığı bildirilmiştir. Absorbsiyonlu cihaz ve güneş kolektör sisteminin toplam kurulum maliyetinin, geleneksel sistem maliyetine göre oldukça yüksek olduğu vurgulanmıştır. Ali ve ark. (2008) doğal serinletme sistemi ile entegre çalışan güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemin çalışma performansını deneysel olarak incelemiştir. 270 m2 taban alanına sahip bir mahalin soğutulması, ticari olarak üretilmiş 35,17 kW soğutma kapasiteli tek kademeli LiBr-Su eriyikli absorbsiyonlu cihaz ile sağlanmıştır. Sistemin çalışması için gereken termal enerji 108m2 toplam yüzey alanına sahip vakum tüplü kolektörler aracılığı ile sağlanmıştır. Sistemde 6,8 m3 hacminde sıcak su ve 1,5 m3 hacminde soğuk su deposu yer almaktadır. Yazarların bildirdiğine göre çalışma sonucunda, doğal serinletme, 5 yıllık soğutma periyodu boyunca toplam soğutma yükünün %25’lik kısmını karşılamıştır. Soğutma dönemi boyunca absorbsiyonlu cihazın soğutma tesir katsayısının 0,37 ila 0,81 arasında değiştiği ve elde edilen sonuçlara göre, kW soğutma başına gerekli güneş kolektörleri alanının 4,23 m2 olarak tespit edildiği belirtilmiştir. Hidalgo ve ark. (2008) yaptıkları deneysel çalışmada, 90 m2 taban alınan sahip bir konutun güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistem ile soğutulması uygulamasında enerji tasarrufu ve yenilenebilir enerji kullanımına bağlı karbon salınımındaki azalmayı incelemişlerdir. Ticari bir ürün olan tek kademeli LiBr-Su eriyikli pompasız absorbsiyonlu soğutma makinesi için ihtiyaç duyulan termal enerji, 50 m2 düz güneş kolektörleri ile sağlanmıştır. Sistemde yer alan 2 m3 hacmindeki sıcak su deposu ile termal enerjinin depolanması sağlanmıştır. Konutun soğutma periyodunun günlük 6,5 saat ve günlük ortalama soğutma yükünün 3,5 kW olduğu belirtilmiştir. Çalışma sonucunda, konutun tüm soğutma ihtiyacı absorbsiyonlu sistem ile karşılanırken, sistemin ihtiyaç duyduğu termal enerjinin %56’lık kısmı güneş enerjisinden, geri kalan %44’lük kısmı ise doğalgazlı kazandan sağlandığı, buna göre CO2 salınımında %36’lık azalma, enerji tasarrufunda %62’lik bir kazanç elde edildiği bildirilmiştir. 9 Lecuona ve ark. (2009) yaptıkları çalışmada LiBr-Su eriyikli bir absorbsiyonlu sistem ile soğutma uygulaması için optimum sıcak su sıcaklığını incelemişlerdir. Geliştirilen model, konutlar ve küçük binaların iklimlendirilmesi için kullanılabilecek ticari olarak üretilmiş küçük kapasiteli cihazlar için uygulanarak, farklı güneş kolektör tipleri için sıcaklık ve soğutma tesir katsayısının değişimi sunulmuştur. Optimum sıcaklık değerine ulaşılması için, sıcak su hattındaki debi kontrolünün önemine dikkat çekilmiştir. Eicker ve Pietruschka (2009) ofis binaları için güneş enerjisi kaynaklı soğutma sistemlerinin tasarım ve performansını incelemiştir. Çalışmada TRNSYS (Anonim 2011b) simülasyon programı ile sürekli rejim şartları için oluşturulan model kullanılarak Avrupa’nın farklı bölgelerinde yer alan ofis binalarının güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistem ile soğutulması durumunda, sistemi oluşturan ekipmanların çalışma performansını ve ekonomik analizini yapılmış, sayısal sonuçlar, gerçek ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, soğutma yükünün %80’lik kısmının karşılanması için, otomatik kontrol stratejisi, soğutma hattı sıcaklığı, yapının bulunduğu alan ve soğutma yükü değerlerine bağlı olmak üzere, kW soğutma başına gerekli vakum tüplü güneş kolektörleri alanının 1,7 ila 3,6 m2 aralığında değiştiği tespit edilmiştir. Ayrıca ekonomik analizlerle göre, soğutma yükünün fazla olduğu güney Avrupa bölgelerinde, sistem maliyetlerinin oldukça düşük olduğu, düşük ısı kazancı ve düşük soğutma periyotlu yapılar için soğutma maliyetinin 200 ila 280 € MW/h arasında değiştiği vurgulanmıştır. Mateus ve Oliveira’nın (2009) farklı iklim koşulları ve bina tiplerinin güneş enerjisi kaynaklı ısıtılması ve soğutulmasını konu alan çalışmasında, TRNSYS (Anonim 2011b) simülasyon programı ile Berlin, Lizbon ve Roma’da yer alan; konut, ofis ve otel binaları modellenerek tüm yıllık ısıtma-soğutma ve sıcak kullanım suyu ihtiyaçlarının güneş enerjisi ile karşılanması incelenmiştir. Farklı bölgeler için farklı enerji maliyetleri göz önüne alınarak yapılan çalışmada, enerji ve ekonomik analizler yapılarak, güneş kolektörleri ve diğer sistem ekipmanlarının belirlenmesi konusunda optimizasyon hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda müstakil konutların ve otel binaları için güneş enerjisi sistemlerinin kullanımının ekonomik açısından daha uygulanabilir olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak güneş enerjisi sistemlerinin işletme maliyetlerinin geleneksel sistemlere göre daha az olmasına rağmen, kurulum 10 maliyetlerinin çok daha yüksek olduğuna dikkat çekilmiştir. Ayrıca farklı bölge ve uygulamalarda, güneş kolektör tipi olarak düz tip yerine vakum tüplü kolektörlerin seçilmesinin, sistem için gereken toplam güneş kolektörü alanını %5 ila %50 arasında azaltacağı belirtilmiştir. Agyenim ve ark. (2010) tarafından yapılan çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemin soğuk su depolama sistemi ile birlikte kullanımını deneysel olarak incelemiştir. Sistemde yer alan absorbsiyonlu cihaz, ticari olarak üretilen 4,5 kW soğutma kapasiteli tek kademeli LiBr-su eriyikli bir soğutma makinesidir. Absorbsiyonlu cihaz tarafından üretilen soğuk su 1000 l. hacminde bir soğuk su deposuna gönderilmekte ve sistemin çalışması için gereken termal enerji 12 m2 toplam yüzey alanına sahip vakum tüplü kolektörler vasıtasıyla sağlanmaktadır. Çalışma sonucunda, güneş enerjisinin pik değerlere ulaştığı öğlen saatlerinde, güneş ışınım miktarının 800 W/m2 olduğu ve yaş termometre sıcaklığının 24C olduğu belirtilmiş, absorbsiyonlu cihazın soğutma tesir katsayısının 0,58 olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca deney sonuçlarının, soğuk depolama uygulamasının evsel ölçekli kullanımlar için uygulanabilir olduğu bildirilmiştir. Sanjuan ve ark. (2010) çalışmalarında güneş enerjisi kaynaklı dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası için dinamik simülasyon modeli oluşturarak, 860 m2 taban alanına sahip bir mahalin söz konusu sistem ile soğutulması uygulamasının optimizasyonu üzerine çalışmıştır. Sistemde dört adet absorbsiyonlu cihaz yer almaktadır ve cihazlar 170 m2 toplam alana sahip düz güneş kolektörlerinden oluşan kolektör sistemi ile beslenmektedir. Çalışmada absorbsiyonlu cihazların farklı konfigürasyonlarda düzenlenmesi ve binanın soğutma ihtiyacına göre enerji depolama kapasitesi ve kabiliyeti incelenmiştir. Çalışma sonucunda absorbsiyonlu sistemin dâhili enerji depolama özelliği sayesinde harici bir enerji depolama sistemine ihtiyaç duymadan işlevin yerine getirdiği vurgulanarak aynı çalışma şartlarında harici depolamalı bir absorbsiyonlu sistemin 16 m3’lük bir ek depo hacmine ihtiyaç duyacağı belirtilmiştir. Simülasyon sonuçlarında kontrol stratejisine bağlı olarak güneş enerjisinden faydalanma oranının %50 ilâ %90 arasında değiştiği ve kW soğutma başına gerekli düz tip güneş kolektörü alanının 2,125 m2 olduğu bildirilmiştir. Ayrıca 11 çalışmada otomatik kontrol stratejisinin toplam sistem performansı üzerinde güçlü bir etkisinin olduğu vurgulanmıştır. Dâhili ve harici enerji depolamalı absorbsiyonlu sistemlerin karşılaştırılmasına yönelik bir çalışma Soutullo ve ark. (2011) tarafından gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, her ikisi de ticari olarak üretilen; dâhili enerji depolamalı LiCl-su eriyikli bir absorbsiyonlu sistem ile LiBr-Su eriyikli harici bir su tankında enerji depolayan absorbsiyonlu sistem karşılaştırılmıştır. Dinamik simülasyon modeli TRNSYS (Anonim 2011b.) programı ile oluşturulmuştur. Çalışma sonucunda dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu sistemin ihtiyaç duyduğu kurulum alanının harici depolamalı sisteme göre daha fazla olmasına karşın, harici depolamalı sistemin, enerji depolama amacıyla 15 m3 hacminde ek bir kurulum alanına ihtiyaç duyduğu bildirilmiştir. Pinel ve ark. (2011) güneş enerjisinin termal enerji formunda depolanması konusunda yaptıkları çalışmada, farklı depolama yöntemlerinin konutların ısıtılması ve sıcak kullanım suyunun temini uygulamalarındaki kullanımını incelemiştir. Güneş enerjisinin kimyasal enerji, duyulur ya da gizli ısı formunda depolanmasını sağlayan yeni metotlar tartışılmıştır. Çalışma kapsamında dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası sisteminin termo-kimyasal enerji depolama özelliği tanıtılarak, bu özelliğin sağladığı faydalar ve geleneksel sıcak su depolama yönteminden farkları vurgulanmıştır. Çalışma sonucunda, konu ile ilgili gelecekte yapılacak çalışmalarda, kullanılan materyallerin tanımlanması ve kimyasal enerji ve gizli ısı depolamalı sistemlerin daha detaylı simülasyonunu sağlayacak yöntemlerin geliştirilmesi üzerine yoğunlaşılması gerektiği belirtilmiştir. Moneé ve ark. (2011) çalışmalarında ticari bir ürün olan 4,5 kW soğutma kapasiteli LiBr-Su eriyikli absorbsiyonlu soğutma makinesinin çalışma performansını analiz etmiştir. Soğutma sisteminde absorbsiyonlu cihazın çalışması için gereken termal enerji 37,5 m2 toplam yüzey alanına sahip düz tip güneş kolektörlerinden elde edilirken, ısı atım sisteminde kuru tip soğutma kulesi kullanılmıştır. 2007–2008 yıllarındaki çalışma periyodunda, absorbsiyonlu sistemin soğutma kapasitesinin 3,6 ila 5,6 kW arasında, soğutma tesir katsayısının ise 0,46 ila 0,6 arasında değiştiği bildirilmiştir. TRNSYS 12 simülasyon programı (Anonim 2011b) ile yapılan simülasyon sonuçlarının, ölçüm değerleri ile örtüştüğü bildirilmiştir ve elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Isı atım hattındaki soğutma suyunun sıcaklığının ve kaynatıcıyı besleyen sıcak suyun sıcaklığın soğutma tesir katsayısı üzerinde oldukça etkili olduğu vurgulanmıştır. Buna göre ısı atım hattı için yapılan alternatif tasarım ile absorbsiyonlu sistemin soğutma tesir katsayısının %42 oranında iyileştirilebildiği belirtilmiştir. Uluslararası Enerji Ajansı’nın Güneş Enerjisi Kaynaklı Isıtma-Soğutma Programı’nda yer alan çalışmalar, güneş enerjisinin söz konusu uygulamalarda kullanımının yaygınlaştırılması ve sistem ile ilgili araştırma-geliştirme faaliyetlerinin sağlanması konusunda önemli yararlar sağlamıştır. Bu program dâhilinde yer alan Program 25- Binaların Güneş Enerjisi Kaynaklı İklimlendirilmesi çalışması, 1999–2004 yılları arasında birçok ülkenin katılımı ile gerçekleştirilmiştir (Anonim 1999). Benzer şekilde Program 38- Güneş Enerjisi Kaynaklı İklimlendirme ve Soğutma çalışması 2006–2010 yılları arasında gerçekleştirilmiştir (Anonim 2006). Bu çalışmaların temel amaçları, konu ile ilgili çalışmaların uluslar arası ölçekte yapılan ortak projelerle geliştirilmesi, bilgi birikiminin arttırılması ve paylaşımı, sistem verimlerinin iyileştirilmesi, ticari ölçekli üretimin teşviki ve yaygınlaştırılması ve yeni tasarım yazılımlarının oluşturulması olarak sıralanabilir. Sistem tasarımlarının doğru şekilde yapılması ve uygulanması için sunulan rehber kaynaklar (Henning 2007, Anonim 2005a, Anonim 2005b) ve geliştirilen bilgisayar yazılımları (Anonim 2011b) sayesinde konu ile ilgili birçok projenin uygulanması ve mevcut bilgi birikiminin arttırılması mümkün olmuştur. 2.2. Yapılan Tez Çalışmasının Literatürdeki Çalışmalardan Farkı ve Sağladığı Katkılar Bu tez çalışmasında diğer çalışmalardan farklı olarak, dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile bir test odasının ısıtılması ve soğutulması, aynı zamanda sıcak kullanım suyu ihtiyacının karşılanması deneysel olarak incelenmiştir. Soğutma ve ısıtma uygulaması için örnek günlerde yapılan deneysel uygulamalarla, tüm soğutma-ısıtma periyodu ve bu periyotlar boyunca test odasının ısıl konfor parametreleri incelenmiştir. Isıtma-soğutma periyotları boyunca absorbsiyonlu sistemin 13 ısıtma-soğutma verimi belirlenerek, sistemi oluşturan diğer donanımların çalışma özelliklerinin, absorbsiyonlu sistem üzerine etkisi araştırılmıştır. Sistem için oluşturulan matematik model kullanılarak yapılan simülasyon çalışmasında, aynı şartlar için sistem özellikleri sayısal olarak analiz edilmiş, deneysel ve sayısal sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Ayrıca simülasyon çalışması ile tüm bir yıl boyunca sistemin çalışma özellikleri detaylı olarak incelenerek, sağladığı faydalar teknik ve ekonomik açıdan incelenmiştir. Soğutma uygulamasında, güneş enerjisinin yetersiz olduğu zamanlar için absorbsiyonlu sistemle birlikte kullanılan iki farklı yardımcı enerji kaynağının ile birlikte oluşturduğu hibrit sistemler deneysel olarak incelenmiştir. Her ikisi de temiz ve yenilenebilir enerji kaynağı olan elektrik enerjisi ile çalışan yardımcı enerji kaynaklarının kullanımının çevresel açıdan sağladığı faydalar belirtilmiştir. Absorbsiyonlu sistemin dâhili enerji depolama özelliği, sistem bünyesinde bulunan harici depolama ünitesinin mevcut sistem ile deneysel veriler ışığında karşılaştırılmasıyla, dâhili enerji depolama özelliğinin sağladığı faydalar belirtilmiştir. Ayrıca dâhili enerji depolama özelliğinin teknik ve ekonomik açıdan sistemin kurulumu ve işletimi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemlerin ısıtma-soğutma amaçlı kullanımının avantaj ve dezavantajları teknik ve ekonomik açıdan analiz edilerek sunulmuştur. Ayrıca, sistemi oluşturan diğer bileşenlerin alternatifleri belirlenerek, sistem verimi üzerinde oluşturacağı etkiler belirtilmiştir. Dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası ve güneş kolektör sistemi için oluşturulan matematik model ayrıntılı şekilde tanıtılarak, sistemin çalışma prensibi açıklanmıştır. Sistemde kullanılan LiCl-Su eriyiği ile ilgili termofiziksel özelliklerini içeren bağıntı ve grafikler sunulmuştur. LiCl-Su eriyiği ile çalışan absorbsiyonlu sistemlerin diğer tuz-su eriyiği kullanan sistemlere göre üstün yönleri açıklanmıştır. 14 TRNSYS simülasyon programı aracılığıyla, örnek bir konut tasarımı esas alınarak, Türkiye’de farklı iklimsel ve coğrafi şartlara sahip on farklı il için yapılan yıllık simülasyon sonuçları karşılaştırılmalı olarak sunulmuş, sonuçlar teknik ve ekonomik açıdan analiz edilmiştir. Sistemin kullanımının çevresel ve ekonomik açıdan sağlayacağı faydalar vurgulanmıştır. 15 3. MATERYAL VE YÖNTEM Tez çalışması kapsamında, bir konutun güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemler vasıtasıyla ısıtılması ve soğutulması konusu incelenmiştir. Bu amaçla Uludağ Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü laboratuar binasında oluşturulan deney tesisatı ile konunun deneysel olarak incelenmesi sağlanmıştır. Kurulan deney tesisatının bir bölümü, 2008/63 Evsel ve Endüstriyel Isı Pompalarının deneysel Analizi Uludağ Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında desteklenmiştir. Ayrıca TRNSYS simülasyon programı (Anonim 2011b) ile, sistemin tüm yıllık ve belli şartlar altındaki çalışma performansları incelenerek, elde edilen deneysel veriler ile simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Deney tesisatını oluşturan bileşenler şu şekilde sınıflandırılabilir: 1. Test odası 2. Absorbsiyonlu ısı pompası ünitesi 3. Güneş kolektör sistemi 4. Isı dağıtım sistemi 5. Isı atım sistemi 6. Basınçlandırma sistemi 7. Sıcak kullanım suyu sistemi 8. Yardımcı enerji kaynakları 9. Otomasyon sistemi 10. Harici enerji depolama sistemi Şekil 3.1’de deney tesisatının şematik görünümü yer almaktadır. 3.1. Test Odası Çalışmada, ısıtma ve soğutma uygulamasının deneysel olarak incelenmesi için iklimlendirilecek mahal, mevcut imkânlar ve proje bütçesi dâhilinde bir test odası olarak inşa edilmiştir. Test odası, 30 m2 taban alanına sahiptir ve brüt hacmi 84 m3’tür. Odanın dış ortama cepheli duvarı güney-batı yönüne bakmaktadır ve bu yapı bileşeninin 1 6 Şekil 3.1. Deney tesisatının şematik görünümü 17 üzerinde ısı iletim katsayısı 2,9 W/m2C olan, 9 m2 çift camlı pencereler yer almaktadır. Odanın diğer duvarları, iç ortama komşudur ve tüm duvarlar 50 mm kalınlığında ekstrüde polistren yalıtım plakaları ile içten yalıtılmıştır. Test odasının yapı bileşenlerinin özelliklerinin tespiti, kesit görüntülerinin oluşturulması ve birleştirilmiş ısı transfer katsayılarının hesaplanması ısı yalıtım hesaplama programı (Anonim 2009a) yardımıyla gerçekleştirilerek elde edilen sonuçlar ve yapı bileşenlerinin şekilleri EK-A’da sunulmuştur. Yapının soğutma yükü ve ısı kaybı değerleri geleneksel hesap metotları ve yerel meteorolojik değerler kullanılarak (Yamankaradeniz ve ark. 2008) hesaplanmıştır. Test odasının ısı kaybı hesabı Çizelge 3.1’de, soğutma yükü hesabı ise Çizelge 3.2’de görülmektedir. Buna göre test odasının soğutma yükü değeri 4223 W, ısıtma yükü değeri ise 2069 W olarak tespit edilmiştir. Yapılan hesaplamalarda, odanın soğutma yükünün, ısı kaybı değerinin iki katından fazla olduğu görülmektedir. Odanın güney-batı yönüne bakan pencere alanının, odanın dış ortama cepheli tek duvarının yaklaşık % 65’lik kısmını kaplamaktadır (Şekil 3.2.). Ayrıca odanın soğutma yükünün %60’lık kısmını, güneş enerjisinden kaynaklanan ışınım kazançlarının oluşturduğu görülmüştür. Bir binanın oryantasyonu; yapının, güneye, kuzeye ve diğer cephelere bakan pencereleri gibi mimari özelliklerinden kaynaklanan en iyi pasif güneş ısı kazanımını veya kaybını hesaplamada en önemli faktördür (Anonim 2009c). Bu nedenle ısıtma ihtiyacı, soğutma ihtiyacına göre daha yüksek olan Bursa ili şartları için, güneşlenme kazançlarını arttırma yönündeki mimari tasarımlar, ısıtma ihtiyacını karşılamak için harcanan enerjinin tasarrufu noktasında büyük önem arz etmektedir. Şekil 3.2. Test odası 18 Çizelge 3.1. Test odası ısı kaybı hesabı ISI KAYBI HESABI Tesisin Adı: 2008/63 Güneş enerjisi laboratuarı Isı Yapı bileşeni Kaybı Zamlar Top. Hesabı m m m² Ad m² m² W/m² °C °C W % % % 1+% W ÇP 2,5 1,8 4,41 2 - 8,82 2,9 26 665,03 DD - 2,5 2,8 6,86 2 8,82 4,9 1,446 26 184,22 BD - 0,9 2,8 2,58 1 - 2,58 2,236 26 149,99 İK K 0,9 2 1,74 1 - 1,74 3,5 2 12,18 İD - 5,4 2,8 15 2 - 30,1 0,759 2 45,646 İD K 5,8 2,8 16,1 1 1,78 14,3 0,759 2 21,738 BD G 0,4 2,8 1,01 1 - 1,01 2,236 5 11,292 TA - 5,8 5,4 31,2 1 0,17 31,1 0,846 10 262,85 DÖ - 5,8 5,4 31,2 1 0,17 31,1 1 14 435,4 7 - -5 1,02 1824 Toplam 1788,3 Qs= 245 W Qtop= 2069 W 1 9 İşaret Yön Uzunluk Yüks. veya genişlik Toplam Alan Miktar Çıkartılan Alan Hesaba Giren Alan Isı iletim Katsayısı Sıcaklık Farkı Zamsız Isı Kaybı İşletme Kat yükseklik Yön Toplam Toplam Isı İhtiyacı Çizelge 3.2. Test odası soğutma yükü hesabı Yapının Bulunduğu Yer: Bursa Sahife No: 1 Kat: Zemin 2008/63 Güneş enerjisi lab. ISI KAZANCI HESABI FORMU (kJ/kg) (g/kg) Projelendirme Hava şartları Kuru Ter. Yaş Ter. İzafi h w Şartları Nem Projeleme Günü: 4 Ağustos Dış 37 25 39 15,2 Projeleme Saati: 16:00 İç 25 19 30 19,5 ΔT = 12C Δw = 4,3 h/kg ODA TRANSMİSYON VE GÜNEŞ ISI KAZANÇLARI Duy. Güneş Yükü Transmisyon ısı Net Isı U Ölçü Alan Çık. alan Dz (gxh ΔTeş A (cxd) (e–f ) (W/ Fk xı) (W/m2o gxkxl Cins Yön (mxm) d (m2) (m2) (m2) m2) . (W) C) (oC) (W) b c d e f g h ı j k l m ÇP G 2.45x1.8 2 4.41 - 8.82 321 0, 254 2,9 12 307 9 8 ID B 2,8x5,37 1 15 - 15 0,759 3,3 38 ID K 2,8x5,75 1 16 - 16 0.759 2,2 27 ID D 2,8x5,37 1 15 - 15 0.759 13,3 151 DD G 2,8x5,75 1 16 8,82 7,18 1.446 6,7 70 DK K 0,86x2,02 1 1,74 - 1,74 3,5 2,2 14 TA - 5,83x5,36 1 31,25 - 31,25 0,846 3,3 87 (*)Toplam güneş yükü Q güneş 2548 W (*)Toplam Transmisyon: Q trans 694 ODA DİĞER DUYULUR ISI KAZANÇLARI İnsanlardan duyulur ısı İnsan sayısı x Qd insan= 3 kişi x 63 W/şahıs 189 kazancı (Q duy) Aydınlatma duyulur ısı QTA x ADET x k1= 18 W x 16 x 1 288 kazancı Diğer aletlerden ısı kazancı Bilgisayar 300 (*)Toplam diğer duyulur ısı kazancı 777 ODA GİZLİ ISI KAZANÇLARI İnsanlardan gizli ısı İnsan sayısı x Qg insan= 3 kişi x 68 W/şahıs 204 kazancı (Q gizli) (**)Toplam gizli ısı kazancı 204 TOPLAM ISI KAZANÇLARI Q top=Q güneş+Q trans.+Q duy.+Q gizli Q toplam= 2548+694+777+204 4223W 20 3.2. Absorbsiyonlu Isı Pompası Ünitesi Absorbsiyonlu ısı pompaları, termal enerji vasıtasıyla ısıtma ve soğutma olayını gerçekleştiren cihazlardır. Temelde çalışma prensibi buhar sıkıştırmalı mekanik ısı pompası sistemlerine benzemektir. Buhar sıkıştırmalı çevrimde kompresörün yaptığı mekanik işlemler, absorbsiyonlu soğutma sisteminde fiziko-kimyasal işlemler sonucunda gerçekleştirilmektedir. Absorbsiyonlu sistemler temelde, kaynatıcı (reaktör ya da desorber), absorber, buharlaştırıcı, yoğuşturucu ve kısılma vanasından oluşur. Sistemde biri soğutucu akışkan, diğeri ise taşıyıcı akışkan olmak üzere iki farklı akışkan dolaşmaktadır ve sistem genellikle kullandığı akışkan çiftine göre isimlendirilir. Akışkanın çiftinin basınçlandırılması için eriyik pompasının kullanıldığı gibi, üçüncü bir akışkanın kullanımı ile pompaya ihtiyaç duymadan çalışan pompasız absorbsiyonlu çevrimler de mevcuttur. Absorbsiyonlu sistemlerde soğutucu akışkan olarak amonyak (NH3) ya da su (H2O) kullanılır. Amonyak eriyikli sistemlerde, taşıyıcı akışkan olarak su kullanılır. Suyun soğutucu akışkan olarak kullanıldığı sistemlerde ise taşıyıcı akışkan tuz-su eriyiğidir. Bu eriyikte genelde LiBr, LiCl, NaCl, LiI ve çeşitli tuz karışımları kullanılır. Buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma çevrimi ile absorbsiyonlu soğutma çevrimi ve amonyak- su ile tuz-su eriyikli absorbsiyonlu sistemlerin karşılaştırılması, tek ve çok kademeli absorbsiyonlu sistemlerin özellikleri, Yamankaradeniz ve ark. (2009) tarafından detaylı olarak sunulmuştur. Absorbsiyonlu sistemlerin çalışması için gereken termal enerjinin güneş enerjisi ile karşılanarak ısıtma-soğutma uygulaması yapılması durumunda sistem, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası olarak adlandırılır. Şekil 3.3.’de bir konutun güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile ısıtılması ve soğutulmasının şematik görünümü yer almaktadır. Şekildeki sistem harici enerji depolamalı sistem olup, absorbsiyonlu sistemin çalışması için gereken termal enerji harici bir haznede depolanmaktadır. Konutsal kullanım amacıyla üretilen tuz eriyikli absorbsiyonlu sistemlerde, genellikle LiBr-Su ya da LiCl-Su eriyiği kullanılmaktadır. Burada LiBr-Su eriyiği ile çalışan, sürekli çevrimli ve harici enerji depolamalı, güneş enerjisi kaynaklı 21 ısı pompası sisteminin çalışma prensibi anlatılarak, sistemin konutsal uygulaması açıklanacaktır. Şekil 3.3. Bir konutun güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile ısıtılması ve soğutulmasının şematik görünümü Sistemin çalışma prensibi şu şekilde açıklanabilir. Güneş kolektörleri vasıtasıyla elde edilen termal enerji, bir pompa aracılığıyla enerjinin depolandığı sıcak su deposuna gönderilir (1). Sistemin çalışması esnasında, depoda bulunan sıcak suyun sıcaklığının istenen değerin altında olması durumunda yardımcı enerji kaynağı devreye girerek, sıcaklığın istenen seviyeye çıkmasını sağlar (2). Sıcak su deposundan alınan sıcak su, bir pompa vasıtasıyla kaynatıcıya gönderilir (3). Absorberden çıkıp (8) eriyik pompası vasıtasıyla ısı değiştiricisinden geçerek (9) ısınan LiBr bakımından fakir LiBr-Su eriyiği (fakir eriyik), kaynatıcıya gelir (10) ve sıcak su deposundan gelen yüksek sıcaklıktaki suyun ısısı ile buharlaşarak eriyikten ayrılır. Buharlaşarak kaynatıcıyı terk eden soğutucu buharı (su buharı) yoğuşturucuya girer (4). Bu esnada, kaynatıcıda bulunan tüm soğutucu akışkanın buharlaşması halinde tuz kristalleşir ve sistemin çalışması durur. Bu olaya kristalizasyon denir. Kaynatıcıda LiBr konsantrasyonu artan eriyik (zengin eriyik) (11), ısı değiştiricisinden geçerek (12) fakir eriyiğe ısı verdikten sonra absorbere geri döner (13). Kaynatıcıdan buharlaşarak yoğuşturucuya giren (4) soğutucu buharı burada dışarıya ısı atarak yoğuşur. Yoğuşturucudan tamamen yoğuşmuş olarak ayrılan soğutucu akışkan (5) bir kısılma vanasından geçerek, basıncı buharlaştırıcı 22 basıncına düşürülür (6). Buharlaştırıcıda, buharlaşma için gereken ısıyı çekerek soğutma olayını gerçekleştirir. Buharlaştırıcıda soğutulan ve genellikle antifriz-su karışımından oluşan soğuk taşıyıcı akışkan, harici bir dolaşım hattıyla soğutma serpantininden (14) geçirilir ve bir ısı dağıtım sistemi vasıtasıyla soğutulacak ortama gönderilerek konutun soğutulması sağlanır. Buharlaştırıcıdan doymuş buhar veya kızgın buhar fazında çıkan soğutucu akışkan absorbere girer (7). Kaynatıcıdan ayrılan ve ısı değiştiricisinden geçtikten sonra bir kısılma vanasında absorber basıncına kısılan zengin eriyik (13), buharlaştırıcıdan gelen (7) soğutucu buharını absorbe eder. Absorber içerisinde LiBr bakımından zengin hale gelen eriyik pompası vasıtasıyla tekrar kaynatıcıya gönderilir ve soğutma döngüsü bu şekilde tamamlanmış olur. Absorberde zengin eriyiğin soğutucu buharını absorbe etmesi esnasında ısı açığa çıkar. Bu işlemin iyi bir şekilde gerçekleşmesi için açığa çıkan ısının absorberden atılması gerekmektedir. Absorberden ve yoğuşturucudan açığa çıkan ısının atılması için ısı atım hattı kullanılır. Genellikle ısı atım hatlarında ıslak ya da kuru tip soğutma kuleleri (15) kullanılır. Eğer konutta yazın ısıtılacak bir yüzme havuzu (16) mevcutsa, absorber ve yoğuşturucuda oluşan ısı, harici bir dolaşım hattı aracılığıyla yüzme havuzuna gönderilerek, havuzun ısıtılması sağlanır. Bu uygulama hem ısı pompası sisteminin verimini iyileştirir hem de yüzme havuzunun ekonomik bir şekilde ısıtılmasını sağlar. Havuzun ısıtılması ayrıca güneş kolektör sisteminden alınan bir hat (17) aracılığıyla da sağlanabilir. Soğutma uygulamasında absorbsiyonlu çevrimin In P-h ve In P- 1/T diyagramları Şekil 3.4’te görülmektedir. Isıtma uygulamasında, konutun ısıtılması için absorber ve yoğuşturucuda oluşan ısı, üç yollu vanalar vasıtasıyla ısıtıcı serpantine (18) gönderilir. Isı dağıtım sistemi vasıtasıyla bu ısının konuta gönderilmesi sonucu ısıtma olayı gerçekleştirilir. Bu esnada, absorbsiyonlu çevrimin devam etmesi için, buharlaştırıcının düşük sıcaklıktaki bir ısı kaynağından ısı çekmesi gerekmektedir. Islak tip soğutma kuleleri bu işlem için bir ısı kaynağı olarak kullanılamaz. Bu nedenle buharlaştırıcı için gereken ısının yüzme havuzu (16) ya da güneş kolektör sisteminde yer alan sıcak su deposundan (17) temin edilmesi gerekir. Söz konusu işlem, sıcak su deposundaki sıcak suyun sıcaklığını azaltarak sistem veriminin düşmesine neden olacağından, bu işlem için yüzme havuzunun kullanılması ya da mevcutsa farklı bir düşük sıcaklıklı ısı kaynağının tercih edilmesi uygun olacaktır. 23 Şekil 3.4. Soğutma uygulamasında absorbsiyonlu çevrimin In P-h ve In P- 1/T diyagramları 3.2.1. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibi Deney tesisatında, absorbsiyonlu ısı pompası cihazı olarak, ticari olarak ClimateWell firması tarafından üretilen, dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası CW 20 modeli (Anonim 2010a) kullanılmıştır. Tek kademeli LiCl-Su eriyikli sistem, harici bir enerji depolama sistemine ihtiyaç duymaksızın termal enerjiyi kendi içerisinde depolama özelliğine sahiptir. Sistem, çevrim boyunca şarj-deşarj periyotları ile çalıştığından, kesikli absorbsiyonlu çevrim özelliğindedir. Absorbsiyonlu ısı pompası sisteminin genel görünümü Şekil 3.5’te yer almaktadır. Şekil 3.5. Absorbsiyonlu ısı pompasının genel görünümü 24 Isı pompası sistemi, sürekli çevrim ile çalışan geleneksel absorbsiyonlu sistemlere göre önemli farklılıklara sahiptir. Sistem, birbirinden bağımsız iki eş hazne ve bu hazneleri harici hatlara bağlayan bir pompalama ünitesinden oluşmuştur. Harici tesisatlar, termal enerji hattı, ısı atımı hattı ve ısı dağıtım hattıdır. Cihaz içerisinde, enerjiyi LiCl tuzuna şarj edebilen ve depolama tankı olarak kullanılabilen veya tuzda depolanan enerjiyi soğutma enerjisi şeklinde deşarj edebilen Hazne-A ve Hazne-B olmak üzere birbirinden bağımsız iki hazne bulunmaktadır. Haznelerin şarj-deşarj geçişleri manüel ya da cihazın farklı çalışma modlarına göre otomatik olarak gerçekleştirilebilmektedir (Anonim 2010a). Her hazne, iki farklı bölmeden oluşmuştur. Bu bölmelerden, biri LiCl tuzu ile diğeri ise su ile doldurulmuştur. Sistemin soğutma modu için çalışma prensibinin şematik görünümü Şekil 3.6.’da görülmektedir. Sistemin soğutma modundaki şarj olayı esnasında Hazne-A’da, tuz bölmesinde (reaktör) bulunan eriyik, dışarıdan verilen termal enerji ile kurutularak, oluşan su buharı diğer bölmeye (yoğuşturucu) gönderilir. Yoğuşturucuda oluşan termal enerji ise ısı atım hattında yer alan soğutma kulesi vasıtasıyla dışarı atılır. Deşarj olayını gerçekleştiren Hazne-B’de, tuz ile dolu olan bölümde (absorber); su ile dolu olan bölümde (buharlaştırıcı) soğutma olayını gerçekleştirmek için ortamdan çekilen termal enerji ile oluşan su buharı absorbe edilir. Bu esnada buharlaştırıcı ile soğutma olayı gerçekleştirilerek, ısı dağıtım hattı aracılığıyla mahalin soğutma yükü karşılanır. Absorberde, absorbsiyon olayı esnasında oluşan termal enerji ısı atım hattındaki soğutma kulesi vasıtasıyla dışarı atılır. Şarj-Deşarj geçişi ile şarj modunda olan Hazne- A deşarj moduna geçerek soğutma olayını gerçekleştirirken, deşarj modundaki Hazne-B şarj moduna geçerek termal enerjinin depolanmasını sağlar. Sistemin ısıtma modu için çalışma prensibinin şematik görünümü Şekil 3.7.’de görülmektedir. Sistemin ısıtma modundaki şarj olayı esnasında Hazne-A’da, reaktörde bulunan eriyik, dışarıdan verilen termal enerji ile kurutularak, oluşan su buharı yoğuşturucuya gönderilir. Yoğuşturucuda oluşan termal enerji ise ısı dağıtım hattında yer alan fan coiller vasıtasıyla ısıtılmak istenen mahale gönderilir. Deşarj olayını gerçekleştiren Hazne-B de yer alan absorberde; buharlaştırıcı tarafından düşük sıcaklıklı bir ısı kaynağından (su deposu, yüzme havuzu) çekilen termal enerji ile oluşan su buharı 25 absorbe edilir. Absorberde, absorbsiyon olayı esnasında oluşan termal enerji, yoğuşturucudakine benzer şekilde ısı dağıtım hattı ile mahale gönderilerek, mahalin ısıtılması sağlanır. Şarj-Deşarj geçişi ile şarj modunda olan Hazne-A deşarj moduna geçerken, deşarj modundaki Hazne-B şarj moduna geçerek termal enerjinin depolanmasını sağlar. Şekil 3.6. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibi-soğutma modu Şekil 3.7. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibi-ısıtma modu 26 Absorbsiyonlu sistemde, haznelerde yer alan tuzlu su eriyiği, hiçbir zaman diğer hazneye geçmemektedir. Reaktörde bulunan LiCl-Su eriyiği içerisindeki suyun, tamamen buharlaşarak yoğuşturucu haznesine geçmesi durumunda hazne tamamen şarj olmuş demektir ve bu durum sistemin çalışmasında herhangi bir aksaklığa sebep olmamaktadır. Bu nedenle absorbsiyonlu sistemlerde görülen kristalizasyon tehlikesi, bu sistemde tamamen ortadan kalkmıştır. Ayrıca, güneş enerjisinden elde edilen termal enerjinin haznelerde depolanabilme özelliği, geleneksel absorbsiyonlu sistemlerdeki harici enerji depolama ihtiyacını da ortadan kaldırmaktadır. Bu sayede; sistemin kurulumunda yaşanan kurulum alanı ihtiyacı ve harici depolama sisteminin ilk kurulum maliyetine katacağı ek masraflar konusunda önemli iyileştirmeler sağlanabilmektedir. Sistemde, Hazne A ve Hazne B dâhilinde yer alan bölmeler (reaktör-absorber, yoğuşturucu-buharlaştırıcı) etrafına spiral şeklinde sarılan ısı değiştiricileri, sistemi termal enerji, ısı atım ve ısı dağıtım hattına bağlanmıştır. Bu bağlantıların ağızlarında yer alan üç yollu vanalar, şarj-deşarj geçişlerinde akış yönünü değiştirerek, cihazın ısıtma-soğutma modları arasındaki geçişini sağlamaktadır. Bu sayede aynı ısı dağıtım sistemi ile hem soğutma, hem de ısıtma işlemi gerçekleştirilebilmektedir. Şekil 3.8.’de, absorbsiyonlu cihazın bir haznesi ve bağlantılarının görünümü, Şekil 3.9.’da ise cihazın tüm bileşenlerinin şematik görüntüsü yer almaktadır. Şekil 3.8. Absorbsiyonlu cihazın hazne ve bağlantılarının görünümü 27 Şekil 3.9. Absorbsiyonlu ısı pompasının tüm bileşenlerinin şematik görünümü (Bales ve Nordlander 2005) Üretici firmanın verdiği katalog değerlerine göre (Anonim 2010a) , absorbsiyonlu ısı pompası cihazının ısıtma enerji depolama kapasitesi 56 kWh olup, pik soğutma gücü 20 kW, ısıtma gücü 25kW’tır. Sistemin teorik soğutma tesir katsayısı 0,68 olup, sistemin kurulum şartlarına bağlı olarak bu değerin 0,52-0,57 arasında değiştiği bildirilmiştir. Sistemin reaktörünü besleyen güneş hattının giriş sıcaklığı üst limiti 120C’dir. Sistem içerinde 74,5 l. tuz eriyiği bulunmakta ve sistemi besleyen harici dolaşım hatlarında taşıyıcı akışkan olarak %15 derişimli propilen glikol-su eriyiği kullanılmaktadır. Sistemde yer alan hareketli parça sayısının son derece az olması nedeni ile cihazın ortalama elektrik gücü tüketim değeri 18 W’tır. Absorbsiyonlu sistem içerisinde yer alan ölçüm cihazları ve yazılım programı sayesinde, sistemin reaktör-absorber, yoğuşturucu-buharlaştırıcı sıcaklık değerleri, sisteme verilen termal enerji, sistemden atılan termal enerji ve sistemin sağladığı soğutma enerjisi değerleri, sistemdeki su ve eriyik debisi ve sistemin doluluk oranı cihaz tarafından ölçülmekte ve kaydedilmektedir. 2 8 3.2.2. Absorbsiyonlu sistemin matematik modeli Absorbsiyonlu ısı pompası sisteminde, sistemin simülasyonunda kullanılan bilgisayar programı (Anonim 2011b) için oluşturulan matematiksel model, Bales ve Nordlander (2005) tarafından sunulmuştur. Deney tesisatında yer alan absorbsiyonlu sistemin matematik modeli oluşturulurken sistem dâhilinde yer alan ve termokimyasal akümülatör özelliğindeki bir hazne göz önüne alınmıştır. Hazne, reaktör/absorber ve buharlaştırıcı/yoğuşturucu bölüntüleri ve bu bölüntüleri birbirine bağlayan buhar geçiş kanalını içermektedir. Her ana bölüm, kendine has kütle ve ısı kayıp katsayısına (UA- değeri) sahiptir. Modellemede, buharlaşma, yoğuşma ve seyrelme ısıları göz önüne alınmıştır. Şarj-deşarj durumları için tek bir UA-değeri parametre olarak kullanılmış, bu değer yoğuşturucu ve reaktörün UA-değerlerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Reaktör-eriyik deposu ve yoğuşturucu-su deposu arasında bir karışım akışı bulunmaktadır. Matematik model, çözüm için yapılan iterasyon işleminde, sabit iterasyon adımı kullanmaktadır. Şekil 3.10’da görüldüğü gibi, matematik modelde yoğuşturucu ve reaktörün birbirinden bağımsız iki bölümden oluştuğu kabul edilmiştir. Üstteki bölümler, bu birimlerle dış ortam arasındaki enerji geçişi için, alt bölümlerse su ve tuz-su eriyiği depolamak için kullanılmaktadır. Buna göre, yoğuşturucu olarak adlandırılan birimin üst kısmındaki bölüm yoğuşturucu alt kısmındaki bölüm ise su deposu, benzer şekilde reaktör olarak adlandırılan birimin üst kısmındaki bölüm reaktör, alt kısmındaki bölüm ise eriyik deposudur. Yoğuşturucu ve reaktördeki ısı değiştiricilerinin sıcaklık değerlerini veren matematiksel ifadeler sırasıyla şu şekildedir; C (m . p ,cxfcx ) Tcxo  T UAcx cxi  (Tcxi  Tct ).e (3.1) C (m p ,rxfrx . ) T  T  (T UArxrxo rxi rxi  Trt ).e (3.2) 29 Yoğuşturucu ve reaktördeki ısı transferi sırasıyla Denklem 3.3 ve Denklem 3.4’de, haznenin çevreye olan toplam ısı kaybı değeri ise Denklem 3.5’de verilmiştir. Şekil 3.10. Absorbsiyonlu sistemin bir haznesinin şematik görünümü ve temel nicelikler Q cx  mcx .C p ,cxf .(Tcxi  Tcxo ) (3.3) Q rx  mrx .C p ,rxf .(Trxi  Trxo ) (3.4) q loss  UAct .(Tct  Tamb ) UArt .(Trt  Tamb ) UAcb .(Tcb  Tamb ) UArb .(Trb  Tamb ) (3.5) Reaktörün üst ve alt bölümlerindeki sıcaklık değerleri sırasıyla Denklem 3.6 ve Denklem 3.7; yoğuşturucunun üst ve alt bölümlerindeki sıcaklık değerleri sırasıyla Denklem 3.8 ve Denklem 3.9’da verilmiştir. 3 0   T T (Qcx  Qcv UAct .(Tct  Tamb )).dt ict  ct  M .C (3.6) ct p ,c (Q rx  Q rv UArt .(Trt  T )).dtT amb irt  Trt  (3.7) M rt .C p ,r UA .(T  T ).dt Tcb  T  cb cb amb i cb M .C (3.8) cb p ,c T T UArb .(Trb  T amb ).dt irb rb  M .C (3.9) rb p ,r Başlangıç koşullarında tüm tuz kütlesi reaktörde çözülmüş halde bulunmaktadır. Tuz eriyiğinin konsantrasyon değeri x, şu şekilde hesaplanabilir; M x  Lc M  M  M  M (3.10) Lc w0 wcti wcbi Hesaplanan eriyik konsantrasyon değerine göre, haznenin üst ve alt bölümündeki su ve eriyik kütlesi sırasıyla aşağıdaki denklemlerle hesaplanır: M ssrt  x.Vrt 0 .r _ s (3.11) M wsrt  (1 x).Vrt 0 .r _ s (3.12) M ssrb  M Lc  M ssrt (3.13) M wsrb  M w0  M wsrt  M wcti  M wcbi (3.14) Şarj ve deşarj işlemlerinde, sırasıyla UAch ve UAdi olmak üzere, farklı UA değerleri söz konusudur. Buna göre, sırasıyla şarj ve deşarj işlemleri için yoğuşturucu ve reaktörün UA değerleri, aşağıda sunulmuştur. 3 1 Şarj durumu için; UAcx  UAch .3 (3.15) UArx  UAch (3.16) Deşarj durumu için; UAcx  UAdi .3 (3.17) UArx  UAdi (3.18) Qcv, yoğuşturucu için buharlaşmadan ötürü ısı kazanım miktarıdır ve pozitif ya da negatif değerde olabilir. Qcv’nin pozitif olması, sistemin şarj olduğunu, negatif olması ise sistemin deşarj olduğunu gösterir. Qcv değerinin hesaplanması yoğuşturucu ısı değiştiricisi ısı kayıp katsayısı (UAcx), yoğuşturucudaki ısı değiştiricisinde oluşan su filminin sıcaklık değerine (Tcf) ve yoğuşturucunun üst bölümündeki sıcaklık değerine (Tct) bağlıdır. Buna göre yoğuşturucudaki ısı transfer miktarı ve yoğuşturucudaki ısı değiştiricisinde oluşan su filminin sıcaklık değeri, sırasıyla Denklem 3.19 ve 3.20’de sunulmuştur. Q cv  UAcx .(Tcf  Tct ) (3.19) (Trt  Tct  DT f ).UATcf  T  rx ct (3.20) UArx UA cx Denklem 3.20’de yer alan DTf parametresi, sistem denge durumuna ulaştığında, reaktör ve yoğuşturucu arasındaki sıcaklık farkını ifade etmektedir. Bu değer, sadece eriyikte kullanılan tuz tipi (LiCl), reaktörün üst sıcaklığı ve reaktörün üst bölümündeki tuz eriyiğinin kütlesel derişimine bağlıdır. DTf parametresinin LiCl tuzu için, Conde (2004) 3 2 tarafından sunulan çalışmada verilen değerler temel alınarak hesaplanmasında kullanılabilecek matematiksel ifade, Denklem 3.21’de görülmektedir. DT f  Trt  (1,01803 .Trt 13,3442 .xt 122,667.xt .xt  0,21194 .T rt .xt ) (3.21) Denklem 3.21’de yer alan haznenin üst kısmındaki eriyiğin derişim miktarı xt değeri şu şekilde hesaplanır; M x  ssrtt M  M (3.22) ssrt wsrt Yoğuşturucudaki ısı transfer miktarının hesaplanmasından sonra, reaktördeki ısı transferi miktarının hesaplanması da eriyiğin buharlaşma ve seyrelmesindeki diferansiyel entalpi değerine bağlı olarak Denklem 3.23 ile hesaplanabilir. LiCl-Su eriyiğinin seyrelmesindeki diferansiyel entalpi değerinin hesabı, Bölüm 3.2.3.’de açıklanacaktır.   Q  cv .(HQ vap  H dil ) rv  (3.23) H vap Sistem şarj durumundayken, ısının bir kısmı suyun buharlaştırılması için, diğer kısmı ise, bir enerji depolama formu olan, tuzun bağ yapısını bozmak için kullanılır. Sistem deşarj durumundayken, tuz eriyiğinin seyrelmesi ve yoğuşmadan ötürü, tuzda depolanan enerji serbest kalır. Su buharının geçişine bağlı reaktör ve yoğuşturucu arasındaki kütle transferi, haznenin durumuna göre değişkenlik gösterebilir. Sistem şarj durumundayken buhar reaktörden yoğuşturucuya doğru hareket eder. Bu nedenden ötürü reaktörün üst bölümünde bulunan suyun bir kısmı yoğuşturucuya giderken, eriyiğin belirli bir miktarı da alt kısımdan üst kısma doğru pompalanarak, üst kısımdaki eriyik kütlesi sabit değerde tutulur. 3 3 Reaktörün üst bölümündeki su kütlesi, reaktörün üst bölümünün hacmi ve bu bölümün doldurulması için gereken kütle miktarını gösteren matematiksel ifadeler, sırasıyla Denklem 3.24, Denklem 3.25 ve Denklem 3.26’da verilmiştir. M wsrt  M wsrt  M f .(1 xb ) (3.24) V M wsrt  M ssrtrt r _ s (3.25) M f  (Vrt 0 Vrt ).r _ s (3.26) Mwsrb+Mssrb-Mf <1 olması durumunda Mf=0’dır ve bu ifade reaktörün alt bölümünün boş olduğunu ifade eder. Buna göre LiCl konsantrasyonun alt ve üst bölümlerdeki değeri sırasıyla Denklem 3.27 ve Denklem 3.28’de görüldüğü gibi hesaplanabilir. x M ssrtt M  M (3.27) ssrb wsrt x M ssrbb  M  M (3.28) ssrb wsrb Eğer, Mf≥0 ise tuz eriyiği alt bölümden üst bölüme doğru pompalanır. Bu durumda, LiCl eriyiğinin konsantrasyonu, reaktördeki su kütlesi ve üst bölümdeki sıcaklık değerini veren matematiksel ifadeler, sırasıyla aşağıda sunulmuştur. M wsrt  M wsrt  M f .(1 xb ) (3.29) M wsrb  M wsrb  M f .(1 xb ) (3.30) M ssrt  M ssrt  M f .xb (3.31) 3 4 M ssrb  M ssrb  M f .xb (3.32) T T  rt .M rt  Trb .M f rt M  M (3.33) rt f Eğer, Mf<0 ise tuz eriyiği üst bölümden alt bölüme doğru pompalanır. Bu durumda, LiCl eriyiğinin konsantrasyonu, reaktördeki su kütlesi ve üst bölümdeki sıcaklık değerini veren matematiksel ifadeler, sırasıyla aşağıda sunulmuştur. M wsrt  M wsrt  M f .(1 xt ) (3.34) M wsrb  M wsrb  M f .(1 xt ) (3.35) M ssrt  M ssrt  M f .xt (3.36) M ssrb  M ssrb  M f .xt (3.37) Trb .MT rb  Trt .M f rb  M  M (3.38) rb f Buharın transferinden ötürü, reaktörün üst bölümündeki eriyiğin derişimi artmış ya da derişimi azalarak eriyik seyrelmiş olabilir. Bu nedenden ötürü reaktörün üst bölümündeki eriyiğin denge durumunda kalabilmesi için ekstra su ya da tuza ihtiyaç duyulur. Reaktörün üst bölümündeki eriyiğin seyrelmesinden ötürü oluşan sıcaklık değişiminin matematiksel ifadesi Denklem 3.39’da yer almaktadır. Reaksiyon her halükarda devam eder ve ihtiyaç duyulan monohidrat kristali miktarı, seyrelmeden ötürü oluşan sıcaklık değişiminin belirlenmesinde anahtar parametredir. Denklem 3.41’de yer alan konsantrasyon ifadesi, Conde (2004)’nin sunduğu verilere göre ifade edilmiştir. T T dM .H  m solvrt rt M (3.39) rt  C p ,r 3 5 dM (xe  xt ).(M ssrt  M wsrt ).(42,4  18)m  42,4 (3.40) xe  0,0000046427 .Trt .Trt  0,0019011210 7.Trt  0,410579 (3.41) Eğer, (Mmcrt-dMm)<0,1 ya da (Mssrt-dMm)<0,1 ya da (Mwsrt-dMm)< 0,1 ise yeterli miktarda eriyik ya da su yok demektir ve dMm değeri sıfır alınır. Reaktörün üst bölümündeki eriyik içerisinde bulunan LiCl kütlesi (Mssrt) ve reaktörün üst bölümündeki eriyik içerisinde bulunan tuz kütlesi (Mwsrt), sırasıyla Denklem 3.42 ve Denklem 3.43 yardımıyla hesaplanabilir. M M dM . 42,4ssrt  ssrt  m (42,4 18) (3.42) M 18wsrt  M wsrt  dM m . (42,4 18) (3.43) Yoğuşturucunun üst bölümündeki kütle miktarı (Mct) Denklem 3.44, alt bölümündeki kütle miktarı (Mcb) ise Denklem 3.45 ile hesaplanır. M ct  M ct 0  M wcti (3.44) M cb  M cb  M vap (3.45) Sistem şarj durumunda ise su buharı kütlesi sıfırdan büyüktür (Mvap>0) ve bu durumda yoğuşturucunun alt bölümündeki sıcaklık değeri Denklem 3.46 ile hesaplanır. Sistemin deşarj durumunda yoğuşturucunun üst bölümündeki sıcaklık değeri Denklem 3.47 ile bulunur. Tcb .(M cb  M vap )  TT  ct .M vap cb M (3.46) cb 3 6 T T  ct .(M ct  M vap )  Tcb .M vap ct M (3.47) ct Bu sıcaklık değerlerinin değişimi, buharın kütle transferinden etkilendiği gibi, dahili karışım pompasından da etkilenecektir. Buna göre, dTi , modeldeki iterasyon adım süresi olmak üzere, yoğuşturucunun alt bölümündeki sıcaklık değeri Denklem 3.48 ile yoğuşturucunun üst bölümündeki sıcaklık değeri Denklem 3.49 ile bulunur. T T T .m  ct c .dti  Tcb .mc .dticb cb M (3.48) cb T T Tcb .mc .dti  Tct .mc .dt  ict ct M (3.49) ct Reaktörün üst bölümü için eriyiğin denge sıcaklığı şu şekilde hesaplanır; Tert  1213,1.xt .xt  467,79.xt 13,127 (3.50) Genel olarak, eriyiğin ortalama konsantrasyon değeri, denklem 3.51 ile hesaplanır. x M LC M  M  M  M (3.51) rt rb rt 0 rb 0 Bales ve Nordlander (2005) tarafından absorbsiyonlu ısı pompası sisteminin simülasyonunda kullanılan bilgisayar programı (Anonim 2011b) için oluşturulan matematiksel model ile sisteme ait değişkenler belirlenerek birçok farklı uygulama için sistemin performansı hesaplanabilmektedir. Konu ile ilgili sistemin performansını belirlemeye yönelik yapılan benzer çalışmalar (Sanjuan ve ark. 2010, Soutullo ve ark. 2011) literatürde yer almaktadır. Absorbsiyonlu soğutma sisteminin soğutma tesir katsayısı (STK) değeri, birim enerji başına yapılan soğutma olarak tarif edilir. Buna göre soğutma tesir katsayısı, sistemin 3 7 buharlaştırıcı gücünün kaynatıcı (reaktör) gücüne oranı olarak ifade edilebilir (Denklem 3.52) STK Q buh Q (3.52) kay Isıtma tesir katsayısı (ITK) ise, birim enerji başına yapılan ısıtma olarak tarif edilir. Isıtma tesir katsayısı, sistemin yoğuşturucu ve absorber güçlerinin toplamının, kaynatıcı gücüne oranı olarak ifade edilebilir (Denklem 3.53) Qyoğ  QITK  abs Q (3.53) kay Deney tesisatında yer alan absorbsiyonlu ısı pompası sistemi, şarj ve deşarj geçişleri ile kesikli olarak çalışmaktadır. Buna göre sistemin belli bir periyotta soğutma tesir katsayısının hesaplanmasında; soğutma tesir katsayısı, sistemin buharlaştırıcısından elde edilen soğutma enerjisinin, bu işlemin gerçekleşmesi için sistemin reaktörüne şarj edilen termal enerjiye oranı olarak ifade edilebilir (Denklem 3.54) Benzer şekilde, sistemin ısıtma tesir katsayısı, sistemin absorber ve yoğuşturucusundan elde edilen termal enerjinin, bu işlemin gerçekleşmesi için sistemin reaktörüne şarj edilen termal enerjiye oranıdır (Denklem 3.55) STK Q buh Q (3.54) re Q  Q ITK  yoğ abs Q (3.55) re Çalışma dahilinde yapılan deneylerde, soğutma ve ısıtma periyotlarının soğutma ve ısıtma tesir katsayıları sırasıyla Denklem 3.54 ve Denklem 3.55 yardımıyla bulunarak, absorbsiyonlu sistemin bu periyotlar boyunca ısıtma-soğutma performansları incelenmiştir. 3 8 3.2.3. LiCl-Su eriyiğinin termofiziksel özellikleri LiCl-Su eriyiğinin termofiziksel özelliklerinin tespiti ile ilgili çalışma Conde (2004) tarafından detaylı olarak sunulmuştur. Conde’nin (2004) bildirdiğine göre, LiCl-Su eriyiğinin diferansiyel entalpi değeri, Denklem 3.56 kullanılarak hesaplanabilir. Denklemlerde yer alan H katsayıları, Çizelge 3.3’de gösterilmiştir.  H H  3  2 hd  hd ,0 1       H   (3.56)  1  Denklemde yer alan  terimi, eriyik konsantrasyonuna ( ) bağlı olup Denklem 3.57 ile hesaplanır.   H   (3.57) 4 Referans Δhd,0 değeri sıcaklığa bağlı bir parametre olup aşağıdaki şekilde hesaplanır. hd ,0  H 5  H 6 (3.58) İndirgenmiş sıcaklık değeri, bir akışkanın gerçek sıcaklık değerinin, o akışkanın kritik sıcaklık değerine bölünmesi ile elde edilir. Denklem 3.58’de yer alan θ değeri, tuz eriyiğinin indirgenmiş sıcaklık değeri olup, Denklem 3.59 ile hesaplanabilir (Conde 2004). 2    A ii (3.59) i0 Denklem 3.59’da  parametresi, eriyik içerisindeki tuzun kütlesel oranı yani eriyik konsantrasyonu olup, Ai değerleri Çizelge 3.4’te gösterilmiştir. 3 9 Çizelge 3.3. LiCl-Su eriyiğinin diferansiyel entalpi değerinin hesaplanmasında kullanılan denklemdeki parametreler (Conde 2004) LiCl-H2O H1 0,845 H2 -1,965 H3 -2,265 H4 0,6 H5 169,105 H6 457,85 Çizelge 3.4. LiCl-Su eriyiğinin çözülebilirlik sınırlarını tanımlayan denklemdeki parametreler (Conde 2004) Sınır A0 A1 A2 Buz hattı 0,422088 -0,9041 -2,93635 LiCl-5H2O -0,00534 2,01589 -3,11459 LiCl-3H2O -0,56036 4,72308 -5,81105 LiCl-2H2O -0,31522 2,88248 -2,62433 LiCl-H2O -1,31231 6,17767 -5,03479 LiCl -1,3568 3,44854 0 LiCl-Su eriyiği için basınç, sıcaklık ve konsantrasyon arasındaki ilişkiyi gösteren grafik, Conde (2004) tarafından sunulmuştur. İndirgenmiş sıcaklık değerinde olduğu gibi, indirgenmiş basınç değeri ( ) de bir akışkanın gerçek basınç değerinin, o akışkanın kritik basınç değerine bölünmesi ile elde edilir. LiCl-Su eriyiği için  değeri aşağıdaki denklem yardımıyla bulunabilir.    25 f ( , ) (3.60) Denklem 3.60’te yer alan f(,) ve 25 değerleri, sırasıyla Denklem 3.61 ve Denklem 3.62 ile hesaplanabilir. f ( , )  A  B (3.61) 4 0      7  8 ( 0,1) 2   25  1 1      e 0,0059       (3.62)  6  Denklem 3.61’de yer alan A ve B katsayılarının hesaplanması, sırasıyla Denklem 3.63’de ve Denklem 3. 64’te sunulmuştur.     2  1 A  2  1            (3.63)  0     5    4 B  1           (3.64)  3  LiCl-Su eriyiğinin buhar basıncının hesaplanmasında kullanılan parametreler, Çizelge 3.5’de görülmektedir. Şekil 3.11’de farklı metotlar ile elde edilen LiCl-Su eriyiğinin seyrelmesinde diferansiyel entalpi değerinin, eriyik konsantrasyonuna bağlı değişiminin grafiği yer almaktadır. LiCl-Su eriyiği için basınç, sıcaklık ve konsantrasyon arasındaki ilişkiyi gösteren grafik ise Şekil 3.12’de görülmektedir. Çizelge 3.5. LiCl-Su eriyiğinin buhar basıncının hesaplanmasında kullanılan parametreler (Conde 2004) LiCl-H2O  0,28 1 4,3 2 0,6 3 0,21 4 5,1 5 0,49 6 0,362 7 -4,75 8 -0,4 9 0,03 41 Şekil 3.11. LiCl-Su eriyiğinin seyrelmesinde diferansiyel entalpi değerinin, eriyik konsantrasyonuna bağlı değişiminin grafiği (Conde 2004). 42 Şekil 3.12. LiCl-Su eriyiği için indirgenmiş basınç- sıcaklık- konsantrasyon diyagramı (Conde 2004) 43 Tuz-Su eriyikli absorbsiyonlu sistemlerde kullanılmak üzere birçok tuz bileşimi ve farklı özellikteki tuzların bir arada kullanıldıkları tuz karışımları mevcuttur. Bu bileşim ve karışımların termofiziksel özelikleri, sistem performansı ve sistemin çalışma özellikleri konusunda oldukça önemlidir. Çalışmanın bu bölümünde, deney tesisatındaki absorbsiyonlu sistemde kullanılan LiCl tuzu ile diğer tuz bileşim ve karışımlarının absorbsiyonlu sistemlerde kullanımı durumunda sistemin termodinamiksel özelliklerini tanımlayan matematiksel ifadeler sunulacaktır. Literatürde yer alan çalışmalarda, tuz-su eriyikli absorbsiyonlu sistemlerde kullanılan tuz bileşim ve karışımları arasında en çok kullanılan LiBr ve LiCl tuzlarıdır. Bunun dışında diğer birçok bileşim ve karışım ile ilgili çalışmalar literatürde mevcuttur. Saravanan ve Maiya (1998) tarafından yapılan çalışmada, birbirinden farklı onaltı tuz-su eriyiğinin bileşim özellikleri belirtilerek, bu eriyiklerin absorbsiyonlu sistemlerde kullanımı durumunda sistemin termodinamiksel açıdan karşılaştırma sonuçları sunulmuştur. Saravanan ve Maiya (1998) çalışmalarında, farklı eriyik bileşimine bağlı absorbsiyonlu sistemin performans özelliklerinin incelenmesinde, model olarak 1 kW soğutma gücünde bir sistemi göz önüne almıştır. Sistemin buharlaştırıcı sıcaklığının 278,15– 288,15 K (5–15C), yoğuşturucu ve absorber sıcaklığının 298,15– 318,15 K (25–45 C), kaynatıcı sıcaklığının 340– 365 K (67–92 C) ve eriyik eşanjörü etkenliğinin 0,5-0,9 arasında olduğu kabul edilmiştir. Çalışmada, söz konusu eriyiklerin kullanılması durumunda, sistemin minimum kaynatıcı giriş sıcaklığı, dolaşım oranı ve soğutma tesir katsayısı karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısıtma-soğutma sistemlerinde, sistem performansına etki eden en önemli parametre, kaynatıcıyı besleyen ısı kaynağının, kaynatıcıya giriş sıcaklığıdır (Pastakkaya ve ark. 2008). Saravanan ve Maiya’ya (1998) göre kaynatıcı sıcaklığının minimum değerinin (Tg,min), absorbsiyonlu sistemin buharlaştırıcı sıcaklığı (Te), absorber sıcaklığı (Ta) ve yoğuşturucu sıcaklığına (Tc) bağlı ifadesi, Denklem 3.65’de yer almaktadır. Bu denklemdeki a, b, c ve d katsayılarının farklı eriyik bileşimine göre aldığı değerler, Çizelge 3.6’da görülmektedir. 44 Tc  T Ta  g ,min  a   b   c  TT cTaTe d e   T  (3.65) e Çizelge 3.6. Denklem 3.65 için sabit sayıların farklı eriyik bileşimleri için değerleri (Saravanan ve Maiya 1998) No: Eriyik bileşimi a b c d Standart Hata 1 H2O-NaOH -317,7409782 247,122163 246,9706805 4,432784562E-06 0,151 2 H2O-LiI -220,2742536 226,7463959 185,2686679 4,03839009E-06 0,041 3 H2O-LiCl -169,0185339 155,3155953 190,3458064 4,575803156E-06 0,061 4 H2O-LiBr -232,3238921 217,76489634 201,5643421 4,17105216E-06 0,023 5 H2O-LiCl + LiNO3 -226,5498708 208,9276819 206,2406563 4,117786381E-06 0,060 6 H2O-LiBr + LiI -229,507457 209,3421344 204,5579544 4,257637975E-06 0,022 7 H2O-LiBr+ ZnBr2 -237,843692 265,2717328 161,2994604 4,160616957E-06 0,121 8 H2O-LiBr + LiNO3 -233,7937027 214,9986573 204,4168507 4,218779341E-06 0,016 9 H2O-LiBr + LiSCN -234,345123 218,9324521 194,3568319 4,12984234E-06 0,098 10 H2O-LiBr+ LiCl + ZnCl2 -215,058622 206,7567316 193,6002527 4,287481922E-06 0,033 11 H2O-LiBr + ZnCl2+CaBr2 -229,9198817 214,3361735 203,335341 4,123930989E-06 0,040 12 H2O-LiBr + ZnBr2+LiCl -161,4896927 142,6188192 148,0260552 6,817251482E-06 0,293 13 H2O-LiBr + LiI+ C2H6O2 -226,9788242 227,7223458 184,9328655 4,28902657E-06 0,014 14 H2O-NaOH + KOH + CsOH -196,6308284 231,232197 172,5896185 3,519814669E-06 0,284 15 H2O-LiNO3+KNO3+NaNO3 -325,5921569 247,754587 249,214876 4,591531714E-06 0,058 16 H2O-LiCl + CaCl2+Zn(NO3)2 -228,7562371 217,5873201 194,9003216 4,678921874E-06 0,058 Düşük yoğuşturucu sıcaklığı, daha düşük yoğuşturucu basıncı anlamına gelmektedir ve bu durumda daha düşük minimum kaynatıcı sıcaklıları elde edilebilmektedir. Sistemin çalışma esnasında yoğuşturucu sıcaklığının düşük olması için iyi ve verimli bir ısı atım sistemi gerekmektedir. Bu şekilde ısı atım sisteminin veriminin arttırılması, minimum kaynatıcı sıcaklığı üzerinde olumlu bir etki yaratacaktır. Ayrıca absorber sıcaklığının azalması, yoğuşturucu sıcaklığının azalmasına benzer şekilde, minimum kaynatıcı sıcaklığını azaltmaktadır. Saravanan ve Maiya (1998) çalışmalarında; göz önüne alınan yoğuşturucu sıcaklığı aralığında ve en düşük buharlaştırıcı sıcaklığında en düşük minimum kaynatıcı sıcaklığı değerinin LiCl-Su eriyiğine ait olduğu sonucuna varmıştır. Absorbsiyonlu sistemlerde dolaşım oranı, sistem tasarımı ve optimizasyonu için önemli bir parametredir. Dolaşım oranı (CR), kaynatıcıya giren fakir eriyiğin kütlesel debisinin, soğutucu akışkan kütlesel debisine oranı olarak tanımlanır. Xss zengin eriyiğin 45 konsantrasyonu, Xws fakir eriyiğin konsantrasyonu olmak üzere dolaşım oranı aşağıdaki şekilde tanımlanır. CR X ss X ss  X (3.66) ws Regresyon analizi ile kaynatıcı, buharlaştırıcı ve ısı atım sıcaklıklarına göre dolaşım oranını veren matematiksel ifade Saravanan ve Maiya (2007) tarafından aşağıdaki şekilde tanımlanarak, bu denklemde yer alan katsayılar, farklı akışkanlar için söz konusu çalışmada sunulmuştur. Bu parametrelerin LiCl eriyiği için aldığı değerler Çizelge 3.7’de verilmiştir. InCR  a a a0  a1T  2  a T  4 b0T b  1  b2T b 3c T 3 e T a T g T (3.67) c e a g Çizelge 3.7. Denklem 3.67’de kullanılan sabit sayıların LiCl-Su eriyiği için değerleri (Saravanan ve Maiya 1998). Standart Eriyik bileşimi No: a b Hata 0 1273,829539 0,06619536977 1 0,1196907165 -950,3010264 H2O-LiCl 2 6209,565459 -0,03397158207 0,030 3 -2,407349643 2596,834793 4 -187338,5096 - Kaynatıcı ve buharlaştırıcı sıcaklığının yükselmesi ile birlikte dolaşım oranı azalmaktadır. Her iki sıcaklık da eriyik eşanjörü etkenliğinden bağımsız olup, kaynatıcı sıcaklığındaki artış zengin eriyik konsantrasyonunu arttırmakta, buharlaştırıcı sıcaklığındaki artış ise fakir eriyik konsantrasyonunu azaltmaktadır. Bu iki durum, dolaşım oranının azalmasına sebep olmaktadır. Belirli bir kaynatıcı sıcaklığında, yoğuşturucu sıcaklığındaki düşüş, fakir eriyiğin konsantrasyonun da azalmasına sebep olacaktır. Absorber sıcaklığındaki azalma ise, zengin eriyik konsantrasyonunun artmasını sağlayacaktır. Buna göre, absorber ve yoğuşturucu sıcaklığındaki düşüş, dolaşım oranını önemli ölçüde arttıracaktır. 46 Regresyon analizi ile kaynatıcı, buharlaştırıcı ve ısı atım sıcaklıkları ve eriyik eşanjörü etkenliğine (Eh) göre soğutma tesir katsayısını (STK) veren matematiksel ifade Saravanan ve Maiya (2007) tarafından Denklem 3.68’de görüldüğü şekliyle tanımlanarak, bu denklemde yer alan katsayılar, farklı akışkanlar için söz konusu çalışmada sunulmuştur. Bu parametrelerin LiCl eriyiği için aldığı değerler Çizelge 3.8’de verilmiştir. STK  a0  a1T a 2T a3 b0 b1 b2g c Ta Eh Te (3.68) Çizelge 3.8. Denklem 3.68’de kullanılan sabit sayıların LiCl-Su eriyiği için değerleri (Saravanan ve Maiya 1998). Eriyik bileşimi No: a b Standart Hata 0 4,010188797 1,792747157 1 -0,5746291303 -1,255213476 H2O-LiCl 0,012 2 1,669212832 0,8517799164 3 -1,908774156 - 3.3. Güneş Kolektör Sistemi Deney tesisatında yer alan absorbsiyonlu cihazın çalışması için gereken termal enerji, güneş kolektörleri aracılığı ile güneş enerjisinden karşılanmaktadır. Güneş kolektör sistemi, test odasının inşa edildiği binanın çatısına kurulmuştur (Şekil 3.13). Güneş kolektör sistemi, absorbsiyonlu ısı pompası çalışma sıcaklıklarını ekonomik bir şekilde sağlayabildiğinden, düz tip güneş kolektörleri ile oluşturulmuştur. Düz tip güneş kolektörlerinde, kolektör veriminin yüksek oluşu sistem verimini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle deney tesisatında, soğurucu yüzeyi titanyum kaplı ve yüksek ısı yalıtımlı, ticari olarak üretilen Wunder Premium 2510 düz tip güneş kolektörleri kullanılmıştır. Üretici firmanın verdiği değerlere göre güneş kolektörlerinin teknik özellikleri Çizelge 3.9’da sunulmuştur. 47 Şekil 3.13. Güneş kolektör sistemi Çizelge 3.9. Güneş kolektörü teknik özellikleri Özellikler Düz Güneş kolektörü Wunder Premium 2510 Boyutlar 1988 x 1218 x 90 mm Soğurucu Plaka Bakır Şerit 0,12 mm Soğurucu Yüzey Titanyum kaplama Manifold/Taşıyıcı Borular Bakır Cam Örtü Normal Demirli, Temperli Isı Yalıtımı Cam yünü Taşıyıcı Boru Sayısı-Çapı 10-Ø18mm Sıvı Hacmi 1,27 lt Debi 120 lt/h Isı Dayanıklılık 232 C Güneş kolektörlerinin yerleştirildiği binanın koordinatları 40 13’ 35” kuzey enlemi, 28 52’ 35” doğu boylamı ve rakımı 98 m.dir. Kolektörler binanın çatısında 30 eğim ve güney yönünden doğu yönüne doğru 40’lik bir sapma ile yerleştirilmiştir. Şekil 3.14’de güneş kolektör sisteminin kurulduğu alanın uydu görüntüsü yer almaktadır. Kolektörlerin binanın çatısında güney yönünden doğu yönüne doğru 40’lik bir sapma ile yerleştirilmesinin sebebi sistemin kurulduğu binanın çatı konstrüksiyonunun özelliği ve binanın statik yapısıdır. Sistemin tasarımı aşamasında yapılan hesaplamada; kolektör 48 sisteminin güney yönüne bakabilmesi için gereken çatı tutucularının, mevcut çatı tutucularından çok daha fazla malzeme kullanılarak inşa edilmesi gerektiği görülmüştür. Bu durumda prefabrike olarak inşa edilmiş binanın statik yapısının, çatı tutucuları nedeni ile binaya binecek ek yükü kaldırmasının riskli olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca çatı tutucularının imalatı için gereken malzemelerin ek maliyeti proje bütçesinin oldukça üzerindedir. Bu nedenlerden ötürü kolektör sistemi, mevcut şartlar nedeni ile ısıl verimdeki düşüş göz önüne alınarak belirtildiği şekilde kurulmuştur. Şekil 3.14. Güneş kolektör sisteminin yerleşim özellikleri (Anonim 2011c.) Kolektör sisteminin tasarım özelliklerinden ötürü ısıl verimdeki düşüşün tespiti amacıyla, yurt dışı çalışmaları kapsamında sistemin mevcut durumu ve alternatif durumunu gösteren güneş haritaları oluşturulmuştur. Şekil 3.15’de, mevcut durumda kolektör sistemi için, Türkiye haritası üzerinde birim metrekare alana düşen günlük güneş enerjisi miktarının yıllık ortalama değeri görülmektedir. Benzer şekilde, alternatif tasarımlar için, kolektör eğim açısı enlem değerine eşit ve güney yönüne bakan kolektör sistemi için birim metrekare alana düşen günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değerlerinin Türkiye haritası üzerinde gösterimi, EK-B’de sunulmuştur. 4 9 Şekil 3.15. Kolektör sistemi için günlük güneş enerjisi miktarının yıllık ortalaması Güneş kolektörlerinin tasarımı ve sayısal analizi için, sistemin kurulacağı bölgenin tüm yıl boyunca aldığı güneş enerjisinin teorik olarak hesaplanmasında kullanılan matematiksel ifadeler ve farklı bölgeler için türetilmiş güneş enerjisi değerleri Uyarel ve Öz (1987) tarafından sunulmuştur. Güneş enerjisinin mevsimsel değişiklerden ve atmosferik olaylardan etkilenmesi nedeni ile teorik olarak elde edilen değerler ile gerçek değerler arasında farklılıklar bulunabilmektedir. Bu nedenle uzun yıllar boyunca süren ölçüm değerleri ve gelişmiş hesap yöntemlerine göre elde edilen değerlere göre yapılan hesaplamalar, daha doğru tasarımların yapılması konusunda önem arz etmektedir. Çalışmada; ısıtma-soğutma uygulaması için, sistemin bulunduğu konumun atmosferik özelliklerinin belirlenmesinde söz konusu kaynaklardan (Anonim 2011e) yararlanılmıştır. EK-C’de sistemin kurulduğu Bursa ili için, iklimlendirme uygulamalarında sistem tasarımı için kullanılan atmosferik değerler yer almaktadır. Amerikan Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi-NASA Atmosferik Bilimler Ölçüm Merkezi tarafından yapılan ölçüm ve hesaplamalar sonucunda sunulan ifadelere ve ölçüm metodolojisine göre (Anonim 2011c) deney tesisatının kurulduğu koordinatlar (40 13’ 35” Kuzey enlemi ≈ 40,5 K, 28 52’ 35” doğu boylamı ≈ 28,5, Rakım: 100m ) için ilgili değerler hesaplanarak sunulmuştur. Deney tesisatının bulunduğu koordinatlar için yıl boyu ortalama dış ortam sıcaklığı değerinin aylara göre değişimi, 22 yıllık ölçüm sonuçlarına dayanarak hesaplanmıştır. Buna göre ortalama sıcaklık, maksimum sıcaklık ortalaması ve minimum sıcaklık ortalaması değerleri Şekil 3.16’da yer almaktadır. 50 30 25 20 15 10 5 0 ak at artc b san yıs ira n mu z os ylü l kimt sım ı k O Şu M Ni Ma az m us E E Ka Ar al H Te Ağ Ortalama sıcaklık değeri Minimum sıcaklık değeri Maksimum sıcaklık değeri Şekil 3.16. Ortalama dış ortam sıcaklık değerinin aylara göre değişimi Güneş enerjisi doğası gereği gündüz saatlerinde elde edilir. Bu nedenle sistemin bulunduğu bölgenin gün uzunluğuna bağlı olarak güneş enerjisinden faydalanma oranı değişir. Şekil 3.17’de deney tesisatının kurulduğu bölge için aylık ortalama gün uzunlukları görülmektedir. 16 15 14,9 14,4 14,7 14 13,7 13 13,2 12,4 12 11,9 11 11,110,7 10 10,0 9,66 9,38 9 ak at art an ıs ranc b s u z s ül O u M i ay zi m sto l Ey Ek im sım lıka Ş N M Ha em ğu a T K A r A Şekil 3.17. Aylık ortalama gün uzunluğu Kolektör sisteminin hesaplanmasında, kolektör sistemi üzerine gelen güneş ışınımının, sistemin kullanım periyodu boyunca maksimum şekilde faydalı enerjiye çevirmek için kolektör eğim açısının doğru belirlenmesi büyük önem taşır. Sistemin kurulduğu koordinatlar için optimum enlem açılarının aylara göre değişimi hesaplanarak Şekil 3.18.’de sunulmuştur. 51 Ortalama gün uzunluğu [h] Sıcaklık [oC] 65 60 59 61 55 57 50 50 49 45 40 35 38 36 30 25 20 23 19 15 10 11 9 5 6 0 ak at artc ub M isa n s n z l O ay ı ira muz sto s lü kim m ık Ş N M a m u E y E Ka sı ral H Te Ağ A Şekil 3.18. Optimum kolektör eğim açısının aylara göre değişimi Güneş kolektörü eğim açısı, güneş kolektör sisteminin yaz ve kış periyodunda çalışması durumunda sistemin kurulduğu yerin enlem açısına eşit olarak alınır. Optimum kolektör eğim açısı, sistem sadece yaz uygulaması için kullanılacaksa enlem açısından daha düşük, sadece kış uygulamasında kullanılacaksa enlem açısından daha yüksek olmalıdır. Şekil 3.17.’den görüleceği üzere, deney tesisatı için kış ve yaz aylarında optimum kolektör eğim açısı 61-6 arasında değişmektedir ve tüm yıl ortalaması için 34,7 olarak hesaplanmıştır. Deneysel uygulamada, test odasının soğutma yükü, ısıtma yüküne göre yaklaşık iki kat daha fazladır ve sistem hem yaz, hem de kış uygulaması için kullanılmaktadır. Bu nedenlerden ötürü; kolektör sisteminin tüm yıllık çalışma periyodu boyunca en iyi verimi sağlayabilmesi amacıyla, kolektör eğim açısı değeri 30 olarak belirlenmiştir. Buna göre, sistemin kurulduğu alanda güney yönüne bakan, 30 eğim açısı ile yerleştirilmiş bir güneş kolektörünün birim metrekaresi üzerine düşen güneş enerjisi miktarı hesaplanarak, değerlerin aylık değişimi Şekil 3.19’da sunulmuştur. Sayısal analiz işlemlerinde, sistemin güney yönünden doğu yönüne doğru belli bir açı ile sapması ve kolektör eğim açsının enlem açısından farklı olarak 30 alınması hesaplamaya dahil edilmiştir. 52 Optimum kolektör eğim açısı 8000 7000 6660 6870 6533 6000 6043 5733 5000 5017 4000 4240 4063 3000 3117 2437 2687 2000 2037 1000 0 ak tc ub a Ma rt isa n yısa ira n uz z m sto s ylü l kim sım alı k O Ş N M E E aHa em ğu K A r T A Şekil 3.19. Aylık ortalama güneş enerjisi miktarı Güneş enerjisi, atmosferik koşullardan etkilenmektedir. Bu koşulların başında şüphesiz gündüz saatlerinde oluşan bulutlanma miktarı yer almaktadır. Gökyüzündeki bulutlanma değeri mevsimlere ve sistemin kurulduğu bölgeye göre değişmektedir. Deney tesisatının kurulduğu üniversite arazisi, Bursa ovasında yer almaktadır. Bursa ovasında, yaz aylarında oluşan yüksek nem değeri nedeni ile yüksek oranda bulutlanma görülmektedir. Bu da elde edilen güneş enerjisi değerini azaltmaktadır. Şekil 3.20’de güneş sisteminin kurulduğu koordinatlar için, gündüz saatlerinde gökyüzünün, yüzde bulutlanma miktarının aylara göre değişimi yer almaktadır. Güneş enerjisinin en çok elde edildiği ve soğutma yükünün en çok olduğu Ağustos ve Temmuz aylarında, bulutlanma oranının yüksek oluşu, güneş kolektör verimini olumsuz olarak etkilemektedir. Kış aylarında bulutlanma miktarının çok yüksek olduğu ve ısıtma periyodu için güneş enerjisi miktarının oldukça azaldığı görülmektedir. Ayrıca bulutlanma miktarının tüm yıllık ortalama değerinin %58,8 olduğu tespit edilmiştir. 5 3 Aylık ortalama güneş enerjisi miktarı[Wh/m2] 80 70,1 71,3 72,3 70 69,9 72,9 66,9 60 62,2 53,9 50 41,1 48,7 40 42,6 30 34,6 20 10 0 t t cak ba aru sa n ıs rany i u z os l ylü kim sım alı k O Ş M Ni Ma Ha z mm ust E E Te ğ K a Ar A Aylık ortalama bulutlanma oranı [%] Şekil 3.20. Gündüz saatlerindeki aylık ortalama bulutlanma miktarının aylara göre değişimi. Kış aylarında görülen buzlanma olayı sonucunda güneş kolektörlerinin üzerini kaplayan buz tabakası, özellikle gün doğumundan sonra kolektör yüzeylerini kaplayarak, ısıtma uygulamalarında güneş enerjisinden faydalanma oranını azaltmaktadır. Şekil 3.21’de, sistemin kurulu bulunduğu koordinatlar için yıl içerisinde buzlanma olayının görüldüğü günlerin aylık ortalama değeri görülmektedir. Buna göre yıl içerisinde ortalama 40 gün boyunca buzlanma görülmekte, bu durum ısıtma uygulamasında güneş kolektör sistemi verimini düşürmektedir. Güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası cihazının reaktör giriş sıcaklığı, ısı pompası sistemi verimini etkileyen en önemli parametre olduğundan, güneş kolektör sisteminin sıcaklık çıkış değeri, sistem performansı açısından büyük önem taşır. Bu nedenle güneş kolektörlerinin yerleştirmesi, sistem tasarımında en önemli parametredir. Kolektörlerin farklı bağlantı şekilleri birçok literatürde ayrıntılı olarak sunulmuştur (Anonim 2005a, Uyarel ve Öz 1987). Güneş kolektörlerinden en yüksek sıcaklık değerini elde etmenin yolu, kolektörlerin seri bağlanmasıdır. Sistemde en yüksek taşıyıcı akışkan debi değeri isteniyorsa, kolektör çıkış sıcaklıklarını göz önüne alarak, bağlama şekli paralel olmalıdır. Güneş kolektör sisteminin en verimli ve en ekonomik şekilde oluşturulması için düşük kolektör alanı ile kolektör çıkışında en yüksek debide 5 4 Bulutlanma oranı [%] ve en yüksek sıcaklıkta taşıyıcı akışkanın elde edilmesi amaçlanmalıdır. Bunun için yapılması gereken, seri bağlanmış kolektör gruplarını, paralel olarak birbirine bağlayarak, güneş kolektör sisteminden maksimum faydalı ısı değerini sağlamaktır. Kolektörlerin birbirine seri olarak bağlanması durumunda, her kolektörün ısıl verimi, giriş-çıkış sıcaklıkları arasındaki farkın azalmasından ötürü düşecektir. Belli bir sayıdan sonra, seri olarak bağlanan kolektörün sisteme hiçbir katkısı kalmamaktadır. Bu nedenle sistemin doğru tasarımı, sistem verimi ve sistemin kurulum maliyeti açısından büyük önem taşır. 12 11 11 10 8 8 7 6 4 2 2 1 0 0 0 0 0 0 0 ak at artc b san ıs a n uz s lül m mu M i ay zir m sto y Ek i sı alı k O Ş N M Ha mTe ğ u E Ka Ar A Şekil 3.21. Buzlanma olayının görüldüğü gün sayısının aylık ortama değerleri Bir kolektörün anlık ( cA ) ya da belli zaman aralığı için ( c ) toplam verimi, birim kolektör yüzeyinden elde edilen faydalı ısının ( qu ) güneş ışınım şiddetine ( It ) oranı olarak tanımlanır.  qcA  uI (3.69) t t  qu .dt   0c t (3.70)  I t .dt 0 55 Buzlanma olayının görüldüğü gün sayısı Kolektör üzerine gelen güneş ışınım şiddeti ya da güneş radyasyon yoğunluğunun yılın herhangi bir günü ve saatinde hesaplanması için aşağıdaki işlem adımları takip edilir. Bunun için öncelikle atmosfer dışında birim yatay düzlem üzerine gelen anlık güneş ışınımı ( Io ) hesaplanır. (Denklem 3.71) I0  I gs . f .Cosz (3.71) Bu denklemde yer alan Igs, Güneş Sabiti olup, dünya dışındaki radyasyon miktarını ifade eder ve değeri 1353 W/m2’dir. Yerküre üzerinde metrekare başına elde edilen hiçbir güneş radyasyon miktarı bu değeri geçemez. f parametresinin hesaplanması Denklem 3.72’de gösterilmiştir. Hesaplamada kullanılan n; hesaplamanın yılın hangi gününde yapıldığını gösterir. f 1 0,033.Cos(360. n ) (3.72) 365 Denklem 3.71’de yer alan z, zenit açısıdır. Zenit açısı, deklinasyon açısı (d), enlem açısı (e) ve saat açısına (h) bağlı olarak Denklem 3.73 ile hesaplanır. Cosz  Cosd .Cose.Cosh  Sind .Sine (3.73) Deklinasyon açısı, aylara ve mevsimlere göre güneş ışınlarının dünyaya geliş açsıdır ve aşağıdaki şekilde hesaplanır. d  23,45.Sin(360. n  284) (3.74) 365 Saat açısı, hesaplama yapılacak güneş saatine bağlı olarak aşağıdaki şekilde hesaplanır. h 15(Güneş saati 12)  0 (3.75) 56 H, güneş batış saat açısı olup deklinasyon ve enlem açılarına bağlı olarak aşağıdaki şekilde hesaplanır. H  arcCos( tan d. tan e) (3.76) Buna göre hesap yapılan zaman için, atmosfer dışındaki yatay birim düzleme bir gün boyunca gelen güneş ışınımı (Qo) aşağıdaki şekilde hesaplanır. Q 240  .I gs . f .Sind.Sine.(  H TanH ) (3.77)  180 Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen günlük tüm güneş ışınımı (Q) ise şu şekilde hesaplanır. Q t  a  b (3.78) Q0 t0 Denklemde yer alan a ve b katsayıları hesaplanırken, zr rakım değeri olmak üzere; Denklem 3.79 ve Denklem 3.80 kullanılır. a  0,103 0,000017zr  0,198.Cos(e  d ) (3.79) b  0,533 0,165.Cos(e  d ) (3.80) Denklem 3.78’de yer alan to değeri gün uzunluğu olup, şu şekilde hesaplanır. t 2o  .H (3.81) 15 rt değeri, yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen anlık güneş ışınımının (I) günlük tüm güneş ışınımına (Q) oranıdır. 57 r I  Cos(180t    . h ) 2 (1 ) Q 4t0  2 H    (3.82) Denklemde yer alan  değeri aşağıdaki şekilde hesaplanır.  h ²   exp 4(1  (3.83)  H  Buna göre Denklem 3.82 aracılığıyla yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen anlık güneş ışınım değeri elde edilir. Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen yayılı ışınımı (Qy) ve direkt ışınım (Qd) değerleri sırasıyla Denklem 3.84 ve Denklem 3.85 aracılığıyla hesaplanır. Qy  Q.K y (3.84) Qd  Q Qd (3.85) Denklem 3.84’de yer alan Ky değeri, Denklem 3.86 ile hesaplanır. K y 11,13Kt (3.86) Kt değeri aşağıdaki şekilde elde edilir. K Qt  (3.87) Qo Yeryüzünde yatay birim düzlem üzerine gelen anlık yayılı ışınım miktarı (Iy) Denklem 3.88 yardımıyla bulunur. Denklemde yer alan ry terimi Denklem 3.89 ile hesaplanabilir. I y  ry .Qy (3.88) 58 r  . Cosh CosHy  (3.89) 24 SinH  H .CosH 180 Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen ışınım miktarının hesaplanmasında, düzlemin eğim açısı s olmak üzere, eğik düzlem üzerine gelen anlık difüze ışınım değeri (Ied) Denklem 3.90 yardımıyla, bu denklemde yer alan Rd parametresi ise Denklem 3.91 ile hesaplanır. Ied  Rd .Id (3.90) R Cos(e  s).Cosd.Cosh  Sin(e  s).Sindd  (3.91) Cose.Cosd.Cosh  Sine.Sind Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen yayılı güneş ışınım değeri (Iey) aşağıdaki şekilde bulunabilir. Iey  I . 1Coss y (3.92) 2 Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen, yansıyan güneş ışınım değeri (Iya), aşağıdaki şekilde hesaplanır. Burada  değeri 0,2 olarak alınabilir. I I..1Coss.ya  (3.93) 2 Buna göre yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen toplam güneş ışınım değeri (Ie), yayılı, difüze ve yansıyan güneş ışınımlarının toplamına eşittir. Ie  Iey  Ied  I ya (3.94) Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen günlük toplam güneş ışınım değeri (Qe), yayılı (Qya), difüze (Qed), ve yansıyan (Qey) toplam güneş ışınımlarının toplamına eşittir. 5 9 Qe  Qey  Qed  Qya (3.95) Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen günlük toplam ışınım (Qe) miktarı Denklem 3.96’ya göre hesaplanır. Qe  R.Q (3.96) Denklemde yer alan R katsayısı aşağıdaki şekilde hesaplanır. R R Qd Qy 1 Coss  1Coss dg    (3.97) Q Q 2 2 Denklem 3.97’de yer alan Rdg katsayısı Denklem 3.98 ile bulunur. Cos(e  s).Cosd.SinH g  .H g .Sin(e  s).Sind R 180dg  (3.98) Cose.Cosd.SinH  .H 180 g .Sine.Sind Burada Hg değeri, Denklem 3.99’da görüldüğü üzere hesaplanır. H g  minarcCos( tan e. tan d ), arcCos( tan(e  s). tan d  (3.99) Yeryüzünde eğik düzlem üzerine gelen yayılı (Qya), difüze (Qed), ve yansıyan (Qey), toplam güneş ışınımlarının hesaplanması, sırasıyla Denklem 3.100, Denklem 3.101 ve Denklem 3.102’de görülmektedir. Q Q..1Cossya  (3.100) 2 Qed  Rdg .Qd (3.101) 60 Q 1Cossey  Qy . (3.102) 2 Denklem 3.69’da yer alan kolektör veriminin hesaplanmasında kullanılan diğer parametre birim kolektör yüzeyinden elde edilen faydalı ısı miktarıdır ( qu ) ve bu değer, kolektörün absorbe ettiği ısı miktarından (qabs) kolektörde oluşan ısı kayıplarının ( qL ) çıkarılması ile bulunur. qu  (qabs  qL ) (3.103) Kolektörün absorbe ettiği enerji miktarı Denklem 3.104 yardımı ile hesaplanabilir. Bu denklemde c, cam plakanın düzeltilmiş geçirme ve yutma oranıdır. It birim kolektör yüzeyine gelen radyasyon miktarı fg gölgelenme faktörü ve fd tozlanma faktörüdür. Uyarel ve Öz’e (1987) göre gölgelenme faktörü ve tozlanma faktörü %2–3 alınabilir. qabs  c .It .1 f g .1 fd  (3.104) c, cam plakanın düzeltilmiş geçirme ve yutma oranı şu şekilde hesaplanabilir.    pc  (3.105) 1 (1 )c Denklem 3.104’de  camın yüzde geçirme oranı, p ise plakanın yüzde yutma oranıdır. c, camın yüzde yansıtma oranı olup Uyarel ve Öz’e (1987) göre bu değer tek cam için 0,16, çift cam için 0,24, üç cam için 0,29 alınabilir. Kolektörde oluşan ısı kayıpları; kolektörün toplam ısı geçiş katsayısı K, emici plaka sıcaklığı tp ve dış ortam sıcaklığı ta olmak üzere Denklem 3.106 ile hesaplanır. qL  K.(t p  ta ) (3.106) 6 1 Kolektörün toplam ısı geçiş katsayısı (K) kolektörün üstü (Küst) ile taban yüzeyinin (Kalt) ısı geçiş katsayılarının toplamıdır. Kolektör üst ısı geçiş katsayısının hesaplanması Denklem 3.107’de görülmektedir. Denklemde yer alan htd, f ve c katsayıları sırasıyla Denklem 3.108, Denklem 3.109 ve Denklem 3.110’da görülmektedir. 1        N 1    (Ty Tçev )(T 2 T 2  K  y çev )  üst  0,33      c T T  htd   0,05N (1  )1 2N  f  (3.107) y çev p   p   N T  N  f     y      c  htd  5,7  3,8V (3.108) f  (1 0,004htd  0,0005h 2 td )(1 0,091N ) (3.109) c  2501 0,0044(s  90) (3.110) Denklemlerde yer alan V değeri rüzgâr hızını, N değeri cam örtü sayısını, hd dış ortam ısı taşınım katsayısını, s kolektör eğimini temsil etmektedir. Ty soğurucu plaka yüzey sıcaklığını Tçev ise çevre sıcaklığını ifade eder ve sıcaklık birimi kelvindir. p plakanın yayma oranı olup değeri 0,9–0,95 arasında alınabilir. c camın yayma oranıdır ve değeri 0,8–0,9 arasında değişir.  Stefan-Boltzman sabitidir ve değeri 5,67x10-8 W/m2K4’tür. Kolektörün taban yüzeyinin ısı geçiş katsayısının hesabı Denklem 3.111’de görülmektedir. Denklemde ky ve kg sırasıyla yalıtım malzemesinin ve kolektör gövde malzemesinin ısı transfer katsayısını, ly ve lk ise sırasıyla yalıtım malzemesinin ve kolektör gövde malzemesinin kalınlığını göstermektedir. k k K y g 1alt    (3.111) l y lg hd Kolektör tasarımında, kolektör dizilimine bağlı olarak, çalışma şartlarında elde edilen güneş enerjisine göre, sistemin çıkış sıcaklığının hesaplanması önemlidir. Bu değer 62 kaynatıcı giriş sıcaklığını ve dolayısıyla absorbsiyonlu sistemin ısıtma-soğutma performansını direkt etkiler. Örnek bir kolektör için, kolektörün çıkış sıcaklığı (Taç) aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir. Q T faç  Tag (3.112) m.CP Denklemde Qf kolektörde akışkana verilen faydalı enerji miktarını, Taç akışkan giriş sıcaklığını, m akışkan debisini ve Cp akışkanın özgül ısını ifade etmektedir. Akışkana verilen faydalı enerji miktarı Denklem 3.113 ile ifade edilir. Qf  At Ft (S  K (Tag Tçev ) (3.113) Denklemde S, yutucu yüzey üzerine gelen efektif güneş ışınım şiddetini ifade eder ve Denklem 3.114 ile hesaplanabilir. S  Ie.( )e (3.114) Ft toplayıcı ısı kazanç faktörüdür ve aşağıdaki şekilde hesaplanır. Denklemde yer alan Fv toplayıcı verim faktörü olup Denklem 3.116’da gösterilmiştir. F m CP  1 exp( A t .K.Fv  t   (3.115) At K  mCP  F 1/ Kv  (3.116)   (d  w) 1/ K 1  (d  wk )  .d.h  t  Denklemde yer alan, d ve w parametreleri güneş kolektör elemanlarının boyutsal değerlerdir. Şekil 3.22’den görüleceği üzere d, kolektör taşıyıcı akışkan borularının dış çapını, w ise iki borunun merkez noktası arasındaki mesafeyi göstermektedir.  , soğurucu yüzeyin kalınlığı olup ks soğurucu yüzeyin üretildiği malzemenin ısı iletim 6 3 katsayısını göstermektedir. ht ısı taşınım katsayısını ve k kolektör kanat verimini ifade etmektedir. Şekil 3.22. Kolektör bileşenlerinin boyutlarının gösterimi Kolektör kanat verimi Denklem 3.117’ye göre hesaplanabilir. Denklemde yer alan m kanat parametresinin hesaplanması Denklem 3.118’da yer almaktadır.  tanh(mw / 2)k  (3.117) (mw / 2) m² K (3.118)  .ks Akışkan çıkış sıcaklığının belirlenmesi ile kolektör bağlama şekli doğru şekilde tasarlanabilir. Buna göre bir kolektörün çıkış sıcaklığı kendisinden sonraki kolektörün giriş sıcaklığı olarak alınarak, serideki her kolektörün çıkış sıcaklığı hesaplanır. Serideki kolektörlerin giriş çıkış sıcaklıkları arasındaki fark, her bağlanan yeni kolektörde bir öncekine göre daha azdır. Bu nedenle belli bir sayıdan sonra bağlanan kolektörler, akışkana enerji aktarımı konusunda hiçbir işlev görmez. Pratikte maksimum seri bağlanacak kolektör sayısı 4–5 olarak alınabilir. Deney tesisatında; bu durum ve binanın statik yapısı göz önüne alınarak, dört adet kolektörün seri olarak bağlandığı dörtlü kolektör paketlerinin paralel olarak bağlanması ile oluşan toplam 40 m2’lik kolektör sistemi kurulmuştur. 6 4 3.4. Isı Dağıtım Sistemi Isı dağıtım sistemi, bir ısıtma ya da soğutma sistemi tarafından sıcaklık değeri değiştirilen taşıyıcı akışkan ile ortam havası arasında ısı geçişini sağlayarak ortamın ısıl konfor şartlarının sağlanmasında kullanılan ekipmanların birleşiminden oluşmaktadır. Taşıyıcı akışkan olarak çoğunlukla su, antifrizli su, hava ya da petrokimya ürünü sentetik akışkanlar kullanılır. Isı dağıtım sistemi olarak hava ya da sıvı akışkanların kullanımının birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları vardır. Temel olarak, bir ortamın iklimlendirilmesinde; ısıtma-soğutma sistemi tarafından gönderilen akışkanın hava olarak tercih edilmesi durumunda, mahalin ek ekipmanlara ihtiyaç duyulmadan taze hava ihtiyacının karşılanması, ortam havasının nemlendirilmesi, filtrasyonu ve dezenfeksiyonu mümkün olmaktadır. Bu sistem daha çok, farklı iklimlendirme ihtiyaçlarına sahip bölümlerden oluşan ofis binaları, okullar, hastaneler ve otellerde tercih edilmektedir. Ayrıca ısı kazanım ekipmanları ve pasif ısıtma-soğutma için uygun mevsimlerde dış ortam havasının kullanılması ile önemli ölçüde enerji tasarrufu yapılabilmektedir. Bu sistemlerde şartlandırılan havanın mahale gönderilmesi için hava kanalları kullanılır. Hava kanalları, uygulama açısından büyük kurulum alanları gerektirdiğinden, kullanımında bina mimarisi açısından kısıtlamalar söz konusu olmaktadır. Ayrıca sistemin ilk yatırım maliyeti, tasarım şartlarına göre değişkenlik göstermekle beraber, taşıyıcı akışkan olarak su kullanan sistemlere göre yaklaşık üç kat daha fazladır. Taşıyıcı akışkan olarak su kullanan sistemlerde, ısıtma-soğutma cihazı tarafından hazırlanan sıcak ya da soğuk su ile ortam arasında gerçekleşen ısı geçişi sonucunda ısıtma-soğutma olayı gerçekleştirilir. Isı geçişini sağlamak amacıyla zorlanmış taşınımlı fan-coil sistemleri, yerden ısıtma-soğutma sistemleri, soğuk tavan uygulamaları, radyant panel gibi farklı seçenekler mevcuttur. Bu sistemlerde ortam içerisindeki, sıcaklık harici diğer konfor parametrelerini sağlamak amacıyla ek donanım kullanımı gereksinimi söz konusudur. Ancak bu sistemler, uygulama kolaylığı ve ekonomik açıdan sağladıkları faydalar nedeni ile sıklıkla tercih edilmektedir. 65 Fan-coiller, basit olarak içerisinden bir fan aracılığı ile ortam havasının sirküle edildiği bir ısı değiştiricisinden (coil) oluşur. Isı değiştiricisi içerisinde, bir dolaşım tesisatı aracılığıyla ısıtma-soğutma cihazı tarafından gönderilen sıcak ya da soğuk taşıyıcı akışkan dolaşmaktadır. Fan tarafından ısı değiştiricisi içerisine üflenen ortam havası ile taşıyıcı akışkan arasında oluşan ısı geçişi sayesinde ısıtma-soğutma olayı gerçekleştirilir. Fan girişinde yer alan filtre aracılığı ile üflenen hava içerisindeki yabancı cisimlerin filtrasyonu sağlanır. Şekil 3.23’de bir fan-coil ünitesinin kesit görüntüsü yer almaktadır. Şekil 3.23. Fan-coil ünitesinin kesit görüntüsü Fan-coil sistemleri iki ya da dört borulu olmak üzere iki kategoride incelenebilir. İki borulu sistemde sıcak ya da soğuk akışkan tek bir ısı değiştiricisine aynı dolaşım hattı ile beslenir. Dolaşım hattı biri gidiş, diğeri dönüş olmak üzere iki borudan oluşur. Dört borulu sistemde ise, biri ısıtma diğeri ise soğutma amacıyla kullanılan birbirinden bağımsız iki ısı değiştiricisi mevcuttur. Fan-coil sistemlerinin soğutma amacıyla kullanımında, 27 C ortam sıcaklığı ve %50 bağıl nem için, gidiş-dönüş akışkan sıcaklığı 7–12 C alınır. Isıtma uygulamasında bu değer 50–40C aralığındadır. Soğutma uygulamasında fan-coillerin kullanımında, ısı değiştiricisi üzerindeki sıcaklık değerinin, ortam havasının çiğ noktası sıcaklığının altına düşmesi ile birlikte ortam havası içerisindeki su buharı yoğuşarak suya dönüşür. Yoğuşan su, drenaj hattı ile ortamdan uzaklaştırılır. 66 Ticari olarak üretilen fan-coil sistemleri ile ilgili bilgilere göre, tekli ünitelerin ısıl kapasiteleri 0,5-10 kW arasında değişmektedir. Genel olarak sistemin ısıtma kapasitesi, soğutma kapasitesinin yaklaşık iki katıdır. Soğutma uygulamasında sistem en düşük fan üfleme hızında çalıştığında fan elektrik tüketim değeri soğutma kapasitesinin %3-7 oranında, en yüksek hızda ise %1-2,5 arasında olmaktadır (Henning 2007). Fan-coil sistemlerinin temel avantajları şu şekilde sıralanabilir:  Sistem sadece boru hattına kurulumuna ihtiyaç duyar ve bu uygulama hava kanallarının kurulumuna göre hem daha basit ve ekonomiktir hem de daha az yer işgal eder.  Farklı mahallerin, ısıtma-soğutma ihtiyacı olmayan durumlarında lokal olarak kontrol edilebilerek devreye girmesi ya da devreden çıkması sağlanabilir.  Farklı mahallerin çalışma şartları, merkezi kontrol üniteleri aracılığıyla ayrı ayrı kontrol edilerek tüm sistemin otomasyonu sağlanabilir. Sistemin dezavantajları olarak şunlar sayılabilir:  Soğutma uygulamasında oluşan yoğuşma suyunun ortamdan uzaklaştırılması için ayrı bir drenaj hattına ihtiyaç duyulur.  Ortamın sıcaklık haricindeki konfor şartlarının sağlanabilmesi için (taze hava, nemlendirme vb.) ek ekipmanlara ihtiyaç duyulur.  Isı geri kazanımının sağlanması diğer sistemlere göre daha zordur.  Fan ünitesinden ötürü, sistemde gürültü problemi mevcuttur ve sistem yaşam alanların içerisinde kurulu olduğundan, gürültü değerlerinin oldukça düşük seviyede tutulması gerekmektedir. Deney tesisatında ısı dağıtım sistemi olarak iki adet fan-coil kullanılmıştır (Şekil 3.24). Sistem seçiminde, özellikle konutsal ısıtma-soğutma uygulamalarında ısı atım sistemi olarak fan-coillerin tercih edilmesi ve fan-coil sistemlerinin avantajları göz önüne alınmıştır. Fan-coil cihazı olarak, ticari olarak üretilen 2280 W soğutma 7825 W ısıtma kapasitesine sahip, Aldağ AE 100 modeli tercih edilmiştir. Sistemde yer alan fan, üç farklı kademede üfleme özelliğine sahip olup, toplam ısıtma-soğutma kapasitesini en yüksek fan hızında sağlamaktadır. Fan-coil üniteleri, test odasının pencerelerinin altına 67 simetrik şekilde yerleştirilerek, oda içerisinde homojen bir ısı dağılımı sağlanmıştır. Sistemin devreye giriş ve çıkışı oda termostatı tarafından otomasyon sistemine gönderilen sinyal vasıtasıyla sağlanmaktadır. Fan-coillerin teknik özellikleri Çizelge 3.10’da yer almaktadır. Şekil 3.24. Fan-coil cihazları (a) ve cihazların içyapısı (b) Çizelge 3.10. Fan-coil sisteminin teknik özellikleri Özellikler Fan- Coil Aldağ AE 100 Boyutlar 480x760x220 mm Soğutma kapasitesi 2280 W- (7-12C -Thava: 27°C) Isıtma kapasitesi 7825 W- (90-70°C -Thava: 18°C) 3 Hava debisi 598 m /h Su debisi 390 lt/h Ses Seviyesi 44 dB Güç tüketimi 45 W Fan kademesine bağlı çarpanlar 1.Kademe 2.Kademe 3.Kademe Soğutma kapasitesi 0,56 0,79 1,00 Isıtma kapasitesi 0,56 0,81 1,00 Hava debisi 0,54 0,76 1,00 Ses Seviyesi (db) 0,82 0,91 1,00 3.5. Isı Atım Sistemi Isı atım sistemleri, absorbsiyonlu soğutma çevrimi esnasında absorber ve yoğuşturucuda oluşan ısının atılması için kullanılır. Isıtma periyodunda ise ısı pompasının düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından sağlayacağı enerjinin transferini sağlar. Bir ısı pompasının 6 8 ısıtma ve soğutma verimi, söz konusu termal enerjinin verimli bir şekilde atımı ya da temini ile doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle doğru bir ısı atım sisteminin seçimi hem teknik hem de ekonomik açıdan önemlidir. Absorbsiyonlu ısı pompalarında ısı atım sistemi olarak soğutma kuleleri, toprak ısı değiştiricileri, yüzme havuzları, doğal ya da yapay göletler ve uygun sıcaklıktaki yer altı ve yer üstü suları kullanılabilir. Ancak tüm bu seçeneklerin, mevcut tasarım koşullarındaki mevcudiyeti ve kullanım özellikleri, sistem seçimi açısından önemli kısıtlar oluşturur. Örneğin, ıslak tip ya da açık çevrimli soğutma kuleleri, soğutma uygulamaları için en çok tercih edilen ve en verimli ısı atım sistemleridir. Ancak sistemin çalışma prensibi gereği ısıtma uygulamasında kullanımları mümkün değildir ve gerekli ısıl enerjinin sağlanması için ek bir sisteme ihtiyaç duyulmaktadır. Toprak ısı değiştiricileri ve doğal su kaynaklarının kullanımı çoğu zaman mümkün değildir, yapının bulunduğu alanın coğrafi özelliklerine bağlı olarak değişir. Konutsal kullanım açısından bakıldığında, konut dâhilinde bir yüzme havuzunun bulunması, hem yüzme havuzunun ısıtılması hem de ısı atımının verimli bir şekilde gerçekleştirilmesi konusunda önemli avantajlar sağlar. Soğutma kuleleri, buharlaştırıcıdan gelen taşıyıcı akışkan ile dış ortam havası arasında, zorlanmış taşınımla ısı geçişini sağlayan ısı değiştiricileridir. Soğutma kuleleri kapalı döngü-kuru tip ya da açık döngü-ıslak tip soğutma kuleleri olmak üzere iki grupta incelenebilir. Kapalı tip soğutma kulelerinde, soğutucu akışkan ile çevre havası birbiri ile temas etmemektedir ve iki akışkan arasındaki ısı geçişi, ısı değiştirici yüzeyinde gerçekleşmektedir. Kapalı tip soğutma kulelerinin verimleri açık tip soğutma kulelerine göre daha düşüktür. Ayrıca fan için gereken elektrik tüketimi yüksektir ve ilk yatırım maliyeti açık tip soğutma kulelerine göre en az iki kat daha fazladır (Henning 2007). Islak tip soğutma kulelerinde taşıyıcı akışkan ile çevre havası direkt temas halindedir. Sistemde soğutucu akışkan olarak kullanılan su ile hava karışımı sırasında suyun %2- 3’lük kısmı buharlaşır su ile çevre havası arasındaki ısı geçişi vasıtasıyla su soğutulur. Bu esnada kaybolan su miktarı kadar sisteme su beslemesi yapılmalıdır. Dış ortam havasının sisteme beslenmesi için aksiyel ya da radyal fanlar kullanılır. Aksiyel fanların 69 güç tüketim değeri ortalama 6–10W/kW soğutma iken radyal fanlarda bu değer 10–20 W/kW soğutma olmaktadır. Enerji tüketim değerinin iyileştirilmesi için frekans kontrollü fanlar kullanılabilir. Sisteme beslenen ortam havası kW soğutma başına 130– 170 m3/h arasında değişmektedir. Ortam havası ile soğutucu akışkan arasındaki ısı geçiş yüzeyini arttırmak amacıyla dolgu malzemesi kullanılır (Şekil 3.25) Açık tip bir soğutma kulesinin performansı temel olarak ortam havasının yaş termometre sıcaklığına bağlıdır. Soğutucu akışkanın soğutma kulesinden dönüş sıcaklığının limit değeri, ortam havasının yaş termometre sıcaklığının 3–5 C üzerindedir. Şekil 3.25. Aksiyel fanlı açık tip soğutma kulesi Deney tesisatında ısı atım hattı için açık tip soğutma kulesi kullanılmıştır. 40000 kcal/h (46 kW) soğutma gücündeki soğutma kulesinde 560 mm çapında ve 0,75 kW gücünde aksiyel fan yer almaktadır (Şekil 3.26). Absorbsiyonlu sistemin ısı atım hattında taşıyıcı akışkan olarak %15 derişimli propilen glikol-su eriyiği kullanıldığından, soğutma kulesi ile cihazın ısı atım hattı girişi arasında plakalı ısı değiştiricisi konulmuştur (Şekil 3.27). Plakalı ısı değiştiricisi tek geçişlidir ve 19 adet plakadan oluşturulmuştur. Isı değiştiricisi absorbsiyonlu cihazın nominal çalışma şartlara göre 26 kW’lık ısı geçişi sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Soğutma kulesi ile ısı değiştiricisi arasındaki dolaşım, tek kademeli pompa vasıtasıyla sağlanmakta ve bu pompa, soğutma kulesi fanı ve ısı atım hattı pompası ile eş zamanlı olarak çalışmaktadır. 70 Şekil 3.26. Deney tesisatında kullanılan soğutma kulesi Şekil 3.27. Isı atım hattında kullanılan plakalı ısı değiştiricisi Isıtma uygulaması için ısı atım hattında, 1000 l hacminde çift serpantinli boyler kullanılmıştır. Absorbsiyonlu sistem ısıtma modunda çalıştığında; ısı pompasının buharlaştırıcısının ihtiyaç duyduğu düşük sıcaklıklı termal enerji ihtiyacının, boyler içerisinde yer alan propilen glikol-su eriyiğinden elde edilmesi düşünülmüştür. Boylerin güneş kolektörlerine bağlanabilme imkânı da göz önüne alınarak, konutsal 71 uygulamalarda aynı amaçla yüzme havuzu kullanımına benzer bir uygulama elde edilmiştir. Çift serpantinli boyler, absorbsiyonlu sistem için harici termal enerji depolama uygulamasının incelenmesi için de kullanılmıştır. Boyler, 1000 l hacmindedir ve boyler içersinde birbirinden bağımsız iki adet spiral şeklinde oluşturulmuş serpantin bulunmaktadır. Üst serpantinin ısı geçiş yüzey alanı 1,58 m2 alt serpantinin ise 2,97 m2’dir. Şekil 3.28’de çift serpantinli boyler görülmektedir. Şekil 3.28. Çift serpantinli boyler 3.6. Basınçlandırma Sistemi Deney tesisatında yer alan güneş kolektör hattı, termal enerji hattı, ısı atım hattı, ısı dağıtım hattı ve soğutma kulesi hatlarının basınçlandırılmasında beş adet santrifüj pompa kullanılmıştır. Tüm pompaların çalışma periyotları ve devreye giriş çıkışları otomasyon sistemi tarafından kontrol edilmektedir. Soğutma kulesinde kullanılan pompa, tek kademeli olup soğutma kulesi fanı ve ısı atım hattı pompası ile eş zamanlı olarak çalışmaktadır (Şekil 3.29). Isı dağıtım hattını besleyen pompa iki kademeli diğer pompalar ise üç kademeli olup, absorbsiyonlu sistemin çalışma özelliklerine göre kullanılmaktadır. Şekil 3.30’da pompaların, dolaşım hatlarının ısı yalıtımından önceki görüntüleri yer almaktadır. 7 2 Şekil 3.29. Soğutma kulesi pompası Şekil 3.30. Dolaşım hatları pompaları Sistemde kullanılan kademeli pompalar, tüm deney boyunca en yüksek debi değerinin elde edilebilmesi için en yüksek kademede çalıştırılmıştır. Dolaşım hatlarındaki debi değerinin ölçüm işlemi portatif debimetre yardımıyla, pompaların farklı kademeleri için ölçülmüştür (Şekil 3.31). Buna göre dolaşım pompalarının özellikleri ve debi ölçüm değerleri Çizelge 3.11’de görülmektedir. 73 Şekil 3.31. Pompa debi ölçüm işlemi Çizelge 3.11. Dolaşım pompalarının özellikleri ve debi ölçüm değerleri Debi ölçüm değerleri Dolaşım Hattı Pompa Kademe Say. Elektriksel Güç [W] [lt/h] 1. 2. 3. 1. 2. 3. Kad. Kad. Kad. Kad. Kad. Kad. Termal Enerji Hattı Grundfos UPS 25-70-180 3 95 125 149 850 1050 1150 Güneş Kolektör Hattı Grundfos UPS 25-70-180 3 95 125 149 700 750 800 Isı Atım Hattı Grundfos UPS 25-80-180 3 110 155 165 850 1150 1250 Isı Dağıtım Hattı Grundfos UPBAS 25-6-180 2 50 55 - 750 850 - Soğutma Kulesi Hattı Lowara 2HMS3/A 1 470 - - 1800 - - Tüm dolaşım hatlarında akışın manüel kontrolü için, hatların boru çapına uygun küresel vanalar kullanılmıştır. Yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılan elektrikli ısıtıcının akış kontrolü ise üç yollu motorlu vana ile sağlanmaktadır. Sistemin çalışması esnasında dolaşım hatlarında oluşan havanın tahliyesi, otomatik hava alma purjörleri vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Absorbsiyonlu cihazın tüm gidiş-dönüş bağlantı ağızlarında ve her güneş kolektörünün çıkışında birer adet otomatik hava alma purjörü yer almaktadır. Dolaşım hatlarında, taşıyıcı akışkanın sıcaklık değişimine bağlı hacim ve basınç değişiminin dengelenmesi için, dolaşım hatlarında yer alan akışkan miktarına göre farklı kapasitelerde genleşme tankları kullanılmıştır. Güneş kolektör hattında yer alan genleşme tankı 50 l ve diğer hatlarda yer alan genleşme tankları ise 6 l hacmindedir. 7 4 Dolaşım hatlarını oluşturan boru tesisatının malzeme seçimi, içerisinde dolaşan taşıyıcı akışkanın sıcaklık ve kimyasal özelliğine göre yapılmıştır. Buna göre sıcak kullanım suyu ve ısı dağıtım hatlarında polietilen boru, diğer tüm hatlarda ise galvaniz kaplı çelik boru kullanılmıştır. Galvaniz kaplı çelik borudan oluşan tüm hatların ısı yalıtımı, yüksek sıcaklık ve ultraviole dayanımlı 5mm kalınlığında elostomerik kauçuk esaslı yalıtım malzemesi ile yapılmıştır. 3.7. Sıcak Kullanım Suyu Sistemi Deney tesisatında yer alan sıcak kullanım suyu sistemi 1000 l hacminde tek serpantinli boyler ve sıcak su sayacından oluşmaktadır (Şekil 3.32). Güneş enerjisinin soğutma uygulaması için yeterli olmadığı durumlarda, güneş kolektörlerinden elde edilen enerji, boyler içerisindeki 2,97 m2 yüzey alanına sahip serpantin içerisinden geçirilerek, kullanım suyunun ısıtılması sağlanmıştır. Sıcak suyun kulanım miktarı, günlük ortalama tüketim değerleri göz önüne alınarak belirlenmiş ve deneysel çalışmalarda yapılan ölçüm sonuçlarında sunulmuştur. Sıcak suyun kullanım miktarının ölçülmesinde sıcak su sayacı kullanılmıştır. Anonim (2008) tarafından, bildirildiğine göre, konutlarda sıcak su tesisatında boyler kullanılması durumunda ASHRAE standardına göre (Anonim 2009c) su sıcaklık değeri en fazla 50C değerinde olmalıdır. Sıcak su tesisatında farklı yapılar için boyler hesabı farklı kaynaklarda detaylı şekilde sunulmuştur (Anonim 2003, Anonim 2008). Şekil 3.32. Sıcak kullanım suyu boyleri 7 5 3.8. Yardımcı Enerji Kaynakları Test odasının ısıtılması-soğutulması için güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda kullanılmak üzere, sistem dâhilinde elektrikli ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası sistemi kullanılmaktadır. Her iki sistem de temiz ve yenilebilir bir enerji kaynağı olan elektrik enerjisi ile çalışmaktadır. Güneş enerjisinden elde edilen termal enerjinin, absorbsiyonlu cihazın çalışması için yetersiz kalması durumunda kullanılmak üzere 9,6 kW ısıtma gücünde, ticari olarak üretilmiş Emsan Dtek-1 elektrikli ısıtıcı sistemde yer almaktadır (Şekil 3.33). Eşit ısıtma kapasiteli üç adet daldırma tip ısıtıcı rezistanstan oluşan sistem, absorbsiyonlu ısı pompasının termal enerji hattına üç yollu motorlu vana aracılığıyla paralel şekilde bağlanmıştır. Isıtıcının çalışma sıcaklığı ve çalışma periyodu otomasyon sistemi tarafından kontrol edilmektedir. Termal enerji hattının absorbsiyonlu cihaz girişinde bulunan PT 100 sıcaklık sensorunun gönderdiği sinyale göre otomasyon sisteminden gelen komutla üç yollu motorlu vana kontrol edilerek, elektrikli ısıtıcının hatta seri olarak bağlanmasını sağlanmaktadır. Bu şekilde absorbsiyonlu sistem için gerekli ek enerji, yardımcı enerji kaynağı tarafından sağlanır. Ayrıca sistem, güneş kolektör hattının direkt olarak absorbsiyonlu cihaza bağlanması durumunda, hattaki taşıyıcı akışkanın sıcaklık değerinin yükseltilmesi için de kullanılabilmektedir. Şekil 3.33. Elektrikli ısıtıcı 7 6 Deney tesisatında yer alan diğer yardımcı enerji kaynağı, test odası içersinde bulunan, ticari olarak üretilmiş Goodman A24-00-2RB hava kaynaklı buhar sıkıştırmalı ısı pompası sistemidir (Şekil 3.34). Soğutma kapasitesi 6,9 kW (23400 btu/h), ısıtma kapasitesi 6,7 kW (23000 btu/h) olan ısı pompası (Anonim 2011d), ısı dağıtım hattı olarak, test odası içerisine döşenmiş hava kanallarını kullanmaktadır. Hava kaynaklı ısı pompası çalışma kontrolü, absorbsiyonlu ısı pompası sistemi için oluşturulan otomasyon sisteminden bağımsızdır ve çalışma özellikleri, kendi içerisinde yer alan oda termostatı ile kontrol edilmektedir. Yapılan deneysel çalışmalarda hava kaynaklı ısı pompası, soğutma döneminde yardımcı soğutucu sistem olarak absorbsiyonlu ısı pompası ile beraber kullanılmıştır. Yardımcı enerji kaynaklarlarının seçiminde, temiz ve yenilenebilir bir enerji olan, aynı zamanda tamamen yerli doğal enerji kaynaklarından üretilebilen elektrik enerjisi ile çalışan cihazlar tercih edilmiştir. Bu sayede çevreci ve dışa bağımlılığı olmayan bir sistem tasarımı amaçlanmıştır. Yardımcı ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası sistemlerinin, soğutma uygulaması için absorbsiyonlu sistem ile birlikte kullanımdaki avantaj ve dezavantajları, karşılaştırılmalı olarak sunulmuştur. Şekil 3.34. Hava kaynaklı ısı pompası 7 7 3.9. Otomasyon Sistemi Güneş enerjisi kaynaklı soğutma-ısıtma sistemlerinde, sistem bileşenlerinin birbiri ile uyumlu çalışması, sistem verimi açısından büyük önem arz etmektedir. Bu uyumun doğru bir şekilde sağlanması doğru olarak tasarlanmış bir otomasyon sistemi ile gerçekleştirilebilir. Ayrıca ısıtma-soğutma uygulamasının gerçekleştirildiği yapının ısıl konfor şartlarının sağlanması açısından otomasyon sisteminin önemi büyüktür. Deney tesisatını oluşturan sistem bileşenleri, temel olarak sistem bileşenlerinden gelen sinyaller ve kullanıcı tarafından belirlenen parametrelere bağlı olarak otomasyon sistemi tarafından kontrol edilmektedir. Absorbsiyonlu cihazın çalışma gereksinimleri ve test odasında belirlenen konfor şartları, otomasyon sisteminin çalışmasında amaç fonksiyonu oluşturmaktadır. Buna göre, test odasının sıcaklığı ısıtma uygulamasında 20C, soğutma uygulamasında ise dış ortam sıcaklığına bağlı olarak 25C olarak belirlenmiştir. Odanın bağıl neminin kontrolü için harici bir sistem bulunmadığından, deneyler esnasında sadece bağıl nem değerinin ölçümü yapılmıştır. Oda içerisindeki sıcaklık değeri oda içerisinde yer alan oda termostatı ile ölçülerek otomasyon sistemine geribildirim sinyali gönderilmektedir. Bu sinyale bağlı olarak, otomasyon sistemi tarafından gönderilen komutla, ısı dağıtım hattı pompası ve fan-coil fanları çalışarak, absorbsiyonlu sistemdeki ısıtma ya da soğutma enerjisi mahale gönderilmektedir. Oda içerisindeki sıcaklık kontrolü için bir diğer kontrol yöntemi absorbsiyonlu cihaz tarafından sağlanmaktadır. Cihaz, ısı dağıtım hattındaki gidiş-dönüş sıcaklıkları arasındaki sıcaklık farkına bağlı olarak çalışmakta ve ısı dağıtım hattı pompasının çalışması için sinyal göndermektedir. Ancak bu tip bir kontrol stratejisi, fan-coiller ile oluşturulmuş ısı dağıtım sistemi açısından uygun değildir ve gereksiz enerji tüketimine bağlı olarak sistemin toplam verimini düşürmektedir. Bu nedenle sistem için bu kontrol stratejisi tercih edilmemiştir. Absorbsiyonlu cihazın çalışması için en önemli parametre, termal enerji hattı girişindeki sıcaklık değeridir. Bu sıcaklık değerinin, reaktördeki LiCl-Su eriyiğini buharlaştırmak için yeterli olması gerekmektedir. Bu nedenle, cihazın termal enerji hattı giriş bağlantı ağzında yer alan sıcaklık sensoru ile sıcaklık ölçümü yapılarak, sıcaklığın istenilen değere (75 C) ulaşıncaya kadar giriş ağzındaki vananın kapalı kalması sağlanmaktadır. 78 Benzer şekilde, ısıl verimin düşmesini engellemek amacıyla aynı uygulama, ısı dağıtım ve ısı atım hatlarında da uygulanmaktadır. Ayrıca termal enerji hattının çalışma maksimum ve minimum sıcaklık değerleri, otomasyon paneli aracılığı ile kullanıcı kontrollü olarak da sağlanabilmektedir. Hattın cihaz girişinden önce yer alan PT 100 sıcaklık sensoru (Şekil 3.35), hattaki akışkanın sıcaklığını ölçerek otomasyon sistemine bildirir. Eğer hattaki sıcaklık değerinin yükseltilmesi amacıyla yardımcı ısıtıcı kullanılacaksa, otomasyon sistemi tarafından gönderilen sinyalle, ısıtıcı çalışır ve ısıtıcı girişindeki üç yollu vana devreye girerek ısıtıcının hatta seri olarak bağlanmasını sağlar. Şekil 3.35. PT 100 sıcaklık sensoru Klasik tuz-su eriyikli absorbsiyonlu sistemlerde, kristalizasyon tehlikesi nedeniyle kaynatıcı giriş sıcaklığının belli bir değeri geçmemesi sağlanmalıdır. Dahili enerji depolamalı sistemde kristalizasyon riski söz konusu değildir ve reaktör giriş sıcaklığı 120C’ye kadar çıkabilir. Reaktör giriş sıcaklığının 120C veya basıncın 10 bar değerinin geçmesi durumunda, cihazın ısı ve basınçtan zarar görmemesi amacıyla, hattın giriş ağzındaki vanalar otomatik olarak kapatılır. Vanaların kapatılması ile birlikte, termal enerji hattındaki taşıyıcı akışkan, by-pass hattı ile kendi içerisinde sirküle eder. By-pass hattının kontrolü, manüel olarak çalışan küresel vana ile sağlanmaktadır. Hattın giriş ağzındaki sıcaklık değeri istenilen değere ulaşıncaya kadar vana tam açık konumda tutulmaktadır. Cihazın normal çalışma şartlarında bu vana %10 açık konuma getirilerek, gerektiğinde by-pass işleminin yapılması sağlanır. Bu hattın 79 otomatik kontrolü için gereken üç yollu motorlu vana, proje bütçesinin yetersiz olmasından ötürü temin edilemediğinden, manüel kontrollü küresel vana kullanılmıştır. Isı dağıtım hattının çalışma sıcaklık değerleri, absorbsiyonlu cihaz üzerinde yer alan dijital kontrol paneli vasıtasıyla seçilebilmektedir. Cihazın ısı dağıtım hattı sıcaklık değeri, fan coil sisteminin çalışma özelliklerine bağlı olarak soğutma uygulamasında 7C ısıtma uygulamasında ise 45C olarak belirlenmiştir. Sistemin ısıtma-soğutma modu geçişleri ve şarj-deşarj geçişleri de kontrol paneli aracılığı ile sağlanabilmektedir. Ayrıca cihazın farklı çalışma modları için, şarj-deşarj geçişleri otomatik olarak sağlanabilmektedir. Cihazın normal çalışma modunda, şarj olan haznenin %80 doluluk oranına ulaşması ya da deşarj olan haznenin tamamen boşalması durumunda sistem otomatik olarak şarj-deşarj geçişi yapmaktadır. Diğer çalışma modlarında ise, her iki haznenin birden şarj ya da deşarj olması, şarj-deşarj geçişlerinin kullanıcı tarafından belirlenen periyotlarda yapılması mümkündür. Güneş kolektör sisteminin kontrolü, güneş kolektör hattı pompasının çalışma periyotlarının kullanıcı kontrollü olarak belirlenmesi ile mümkün olmaktadır. Bu periyotlar, otomasyon panosu üzerindeki dijital göstergede pompanın devreye giriş-çıkış saatlerinin haftanın her günü için ayrı ayrı belirlenmesi ile sağlanmaktadır. Bu sayede güneş enerjisinin kullanılabilir olduğu günlük zaman dilimlerinde sistemin çalışması sağlanarak, sistem veriminin arttırılması amaçlanmıştır. Otomasyon panosu üzerindeki dijital gösterge vasıtasıyla, tüm sistemin ısıtma-soğutma modu geçişi, termal enerji hattının çalışma maksimum ve minimum sıcaklık değerleri, pompaların çalışma durumu ve sistemin alarm konumuna geçmesi durumunda oluşan problemin tespiti sağlanabilmektedir (Şekil 3.36). Şekil 3.36. Otomasyon sistemi kontrol paneli 80 Isı atım hattının kontrolünde, absorbsiyonlu cihaz tarafından otomasyon paneline gönderilen sinyal kullanılır. Bu sinyal vasıtasıyla ısı atım hattı pompası, soğutma kulesi pompası ve soğutma kulesi fanı eş zamanlı olarak çalışmaya başlar. Soğutma kulesinin su haznesi içerisindeki su miktarı, soğutma kulesinde meydana gelen buharlaşma nedeniyle azalır. Su miktarının belli bir seviyenin altına düşmesi ile su haznesi üzerinde yer alan şamandıra sistemi devreye girerek, soğuk su şebekesi bağlantı ağzını açar ve eksik kalan suyun tedarik edilmesi sağlanır. Otomasyon sisteminin belirlenmesi, mevcut proje bütçesi ve teknik imkânlar göz önüne alınarak yapılmıştır. Daha gelişmiş cihaz ve tasarımlarla daha üstün bir kontrol stratejisi oluşturularak sistem veriminin arttırılması mümkündür. 3.10. Harici Enerji Depolama Sistemi Klasik güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu cihazların ısıtma-soğutma uygulamalarında, güneş enerjisinin depo edilerek, elde edilemediği durumlarda gereken ısı ihtiyacının karşılanması ve absorbsiyonlu sistemin kaynatıcısının sabit bir sıcaklıkta beslenmesini sağlamak amacıyla, bir sıcak su deposuna ihtiyaç vardır (Pastakkaya ve ark. 2008). Sıcak su deposu için optimum hacim değeri Lof ve Tbout’un (1974) belirttiğine göre, 1 m2 kolektör alanı başına 50 kg’dır. Kreider ve Kreith’e (1981) göre, soğutma uygulamaları için bu değer 80 kg/m2 ile 200 kg/m2 arasında değişmektedir. Sıcak su depolaması uygulamasında temel problem, ısıl kayıplardır. Genellikle deponun bulunduğu ortam sıcaklığı ile depo içerisindeki suyun sıcaklığı arasındaki farkın yüksek oluşu, ısı kayıplarını arttırmaktadır. Bu nedenle ısı yalıtımının uygun şekilde yapılması ısıl kayıpları azaltır ve sistem performansını arttırır. Soğutma durumu için diğer bir uygulama ise, bir depo içerisinde suyun soğuk olarak depolanmasıdır. Güneş enerjisinin uygun seviyelerde olduğu gündüz saatlerinde, absorbsiyonlu sistem tarafından soğutulan su soğuk olarak depolanarak, gece dönemi için gereken soğutma ihtiyacının karşılanmasında kullanılmaktadır. Depolanan soğuk suyun sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasındaki farkın az olması nedeniyle, ısı kazancı değerleri düşüktür. Bir diğer uygulama ise, soğutucu akışkanın depolanması şeklindedir. Güneş enerjisi değerinin yüksek olduğu zaman diliminde soğutucu akışkanın depolanarak, güneş enerjisinin elde 81 edilemediği dönemde bu depolama sayesinde ihtiyaç duyulan soğutma yükü karşılanabilmektedir. Harici enerji depolama sisteminin kullanımı, hem ısıl kayıplar hem de sistem kurulumunda kurulum alanı gereksinimi açısından çeşitli dezavantajlara sahiptir. Ayrıca sistemin kurulum maliyetini de arttırmaktadır. Bu nedenle dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu sistemlerin kullanımı, söz konusu sorunların çözümü için önemli bir alternatiftir. Yapılan deneysel çalışmalarda, dâhili ve harici depolama sisteminin karşılaştırılması için, deney tesisatında yer alan 1000 l kapasiteli çift serpantinli boyler (bkz. Şekil 3.28) harici sıcak akışkan depolama sistemi olarak kullanılmıştır. Depo içerisinde taşıyıcı akışkan olarak, %15 derişimli propilen glikol-su eriyiği kullanılmıştır. Deneylerde ısıl verimi arttırmak için, depo içerisinde yer alan serpantinler birbirine seri olarak bağlanarak ısı geçiş alanı arttırılmıştır. Serpantin hattı, güneş kolektör hattına bağlanarak, güneş enerjisi ile sıcak akışkan depolama uygulaması gerçekleştirilmiş, bu şekilde dâhili ve harici depolama sistemleri karşılaştırılmıştır. Absorbsiyonlu sistemin ısı dağıtım hattının diğer dolaşım hatları ile bağlantısı bulunmadığından, soğutma uygulaması için soğuk akışkan depolama ve ısıtma uygulaması için depolanan sıcak akışkanın direkt fan-coillere gönderilmesi deneysel olarak incelenememiştir. 3.11. Deney Ölçüm Cihazları ve Simülasyon Programı Deneysel uygulamalarda kullanılan taşınabilir ölçüm cihazlarının model ve kullanım özellikleri Çizelge 3.12’de yer almaktadır. Çizelge 3.12. Taşınabilir ölçüm cihazlarının özellikleri Ölçüm Cihazı Model Ölçüm Parametresi Cihaz Sayısı Dört kanallı sıcaklık Testo 177 T4 Data ölçüm-kayıt cihazı Logger Sıcaklık 3 Çok fonksiyonlu Testo 350-454 Data ölçüm-kayıt cihazı Logger Sıcaklık-Hava Hızı 1 Cep tipi sıcaklık-nem- hava hızı ölçüm cihazı Testo 410-2 Sıcaklık-Bağıl Nem 1 Sıcaklık ölçüm işlemlerinde kullanılan dört kanallı sıcaklık ölçüm-kayıt cihazı sıcaklık ölçümü yaparak dâhili belleğine ölçüm değerlerini kaydetme özelliğine sahiptir. Ölçüm 82 işlemlerinde her ölçüm cihazı için dört adet K tipi Al-Ch çiftli termokupl olmak üzere toplam on iki adet termokupl kullanılmıştır. Dolaşım hatları, sıcak su deposu, fan-coil üfleme sıcaklıkları ve test odası sıcaklığı bu cihazlar aracılığı ile ölçülmüştür. Çok fonksiyonlu ölçüm kayıt cihazı, kullanılan farklı problar ile çeşitli ölçüm işlemleri gerçekleştirerek, dâhili belleğine ölçüm değerlerini kaydedebilmektedir. Deney tesisatında kullanılan cihaz için sıcaklık ve hava hızı ölçebilen prob yer aldığından, bu cihaz ile dış ortam sıcaklığı ölçülmüştür. Test odasının bağıl neminin ölçümünde cep tipi ölçüm cihazı kullanılmıştır. Deney süresi boyunca her saat başı yapılan ölçümler ile odanın bağıl nemi tespit edilmiştir. Absorbsiyonlu ısı pompası cihazının sahip olduğu dâhili ölçüm sistemi ile cihaz bileşenlerinin ve dolaşım hatlarının cihaz bağlantı noktalarındaki sıcaklık değerleri, haznelerin doluluk oranları, sistemdeki su ve eriyik debisi; termal enerji, ısı atım ve ısı dağıtım hatlarındaki enerji değerleri ölçülebilmektedir. Cihaz içerisinde yer alan yazılım programı ile bilgisayara aktarılan ölçüm değerleri, bilgisayar tarafından kaydedilmekte, bu sayede cihazın çalışma özellikleri tespit edilebilmektedir (Şekil 3.37) Şekil 3.37. Absorbsiyonlu cihazın bilgisayar destekli veri ölçümü 8 3 Deney tesisatında yer alan elektrikli cihazların elektrik sarfiyatlarının ölçümünde, dijital elektrik sayaçları kullanılmıştır (Şekil 3.38). Yardımcı enerji kaynakları olan elektrikli ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası için birer adet, pompa grubu ve soğutma kulesi için de bir adet almak üzere toplam üç adet sayaç kullanılmıştır. Sayaçlar vasıtasıyla deney süresi boyunca ölçüm değerleri alınarak elektrik sarfiyat değerleri belirlenmiştir. Şekil 3.38. Elektrik sarfiyatı ölçümünde kullanılan sayaçların görünümü Tez çalışması kapsamında, elde edilen deneysel sonuçların sayısal analiz sonuçları ile karşılaştırılması ve deneysel olarak incelenemeyen günler için sistem özelliklerinin belirlenmesi amacıyla TRNSYS simülasyon programı kullanılmıştır. TRNSYS, (Anonim 2011b) dünya genelinde araştırmacılar ve mühendisler tarafından enerji hesaplamalarında yaygın olarak kullanılan dinamik simülasyon programıdır. Programın DLL temelli yapısı sayesinde genel programlama dilleri (C, C++, PASCAL, FORTRAN vb.) kullanılarak; farklı cihaz, yapı ya da enerji sistemleri için oluşturulan matematik modellerin TRNSYS programında simüle edilebilecek program bileşeni haline getirmek mümkündür. Program tasarımcıları tarafından sağlanan zengin bileşen kütüphanesi aracılığıyla birçok farklı sistemin belirlenen koşullarda simülasyonu mümkün olabilmektedir. Ayrıca dünyanın birçok farklı bölgesi için sağlanan meteorolojik verileri içeren bileşenlerin kullanımı ile atmosferik olayların etkileri simülasyon sonuçlarına dahil edilmektedir. Bölüm 3.2.2’ de tanımlanan absorbsiyonlu sistemin matematik modeline göre oluşturulan TRNSYS simülasyon programı bileşeni ile absorbsiyonlu sistem 84 parametrelerinin; belli çalışma koşulları altında değişimi ve sistem verimi üzerine etkileri incelenmiştir. Söz konusu matematik modele göre TRNSYS programında oluşturulan ClimateWell-Solar Cooling v1.1 (Anonim 2010d) yazılımı ile absorbsiyonlu sistem için elde edilen deneysel sonuçlar ile matematik modelin sunduğu sayısal sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yazılım, birçok farklı tesisat bileşeni ile absorbsiyonlu sistemin birlikte kullanılmasını farklı bölgeler için dinamik olarak simüle edebilmektedir. Isıtma-soğutma uygulamasının yapılacağı yapının özellikleri, termal enerji, ısı atım ve ısı dağıtım hatlarında kullanılan ekipmanların özellikleri kullanıcı tarafından belirlenmekte ve simülasyon sonucunda absorbsiyonlu cihazın çalışma özellikleri tespit edilebilmektedir. Bu program sayesinde deneysel ölçüm sonuçlarının alınamadığı ısıtma ve soğutma periyotları için Bursa ili şartlarına göre elde edilen sonuçlar çalışma dâhilinde sunulmuştur. Ayrıca örnek bir konut tasarımı esas alınarak, Türkiye’de farklı iklimsel ve coğrafi şartlara sahip on farklı il için yapılan yıllık simülasyon sonuçları karşılaştırılmalı olarak sunulmuş, sonuçlar teknik ve ekonomik açıdan analiz edilmiştir. 3.12. Hata Analizi Isıtma ve soğutma uygulamalarının deneysel incelenmesinde gerçekleştirilen ölçüm işlemlerinde kullanılan cihazlar belirli bir ölçüm hassasiyetine sahiptir. Bu nedenle ölçülen her değer bir miktar hata içermektedir. Deneylerde kullanılan her cihazın, kullanım amacı, ölçüm aralığı ve hassasiyeti farklıdır ve cihazların ölçüm hassasiyeti ve ölçüm aralık değerleri Çizelge 3.13’de görülmektedir. Bu cihazların oluşturduğu toplam hatayı belirlemek için Moffat’ın (1988) önerdiği eşitlik kullanılmıştır (Denklem 3.119)  2 2  2 2 2 2 2 Hata  m     Tçev   Ti   Ta       Tc    T    e    T  r     m   T   çev   T           i   Ta   Tc   Te   Tr  2 2 1/ 2  T   T  t 2    fc   gk            (3.119)  T fc   Tgk   t   8 5 Bu eşitliğin payındaki lamda () ile ifade edilen değerler cihazın ölçüm hassasiyetini, paydadaki değerler ise ölçüm değerlerini ifade etmektedir. Buna göre deneysel ölçümlere bağlı hesaplamalarda maksimum hata oranının ±%1 seviyesinde olduğu hesaplanmıştır. Deneysel ölçümlerde en büyük hata debimetreden kaynaklanmaktadır. Diğer parametrelerin (sıcaklıklar ve zaman) ölçümü için kullanılan cihazların hassasiyetinin ölçüm değerlerine göre çok küçük olması nedeniyle, bu parametrelerin ölçümünden kaynaklanan hatanın toplam hata içindeki oranının çok küçük olduğu tespit edilmiştir. Çizelge 3.13. Absorbsiyonlu sistem ölçüm cihazlarının ölçüm aralığı ve hassasiyeti Ölçülen değer Ölçüm cihazı Ölçüm aralığı Ölçüm hassasiyeti Güneş kolektörleri, test odası, fan Testo177, Thermokupl coil sıcaklıkları (K tipi) (-200) – (+1000) °C ±0.5% Dış ortam sıcaklığı Testo 454/350 -0635 1047 Probu (-20) – (+70) °C ±0.5% Absorbsiyonlu sistem sıcaklıkları (reaktör, absorber, yoğuşturucu, CW 20 dâhili termometre buharlaştırıcı) NTC Sensoru (0) – (+120) °C ±0.5% Absorbsiyonlu sistem debi CW 20 dâhili debimetre değerleri (su, eriyik) Grundfos VFS 2– 40 l/s ±1.5% 86 4. BULGULAR ve TARTIŞMA Bu çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile bir mahalin ısıtılması ve soğutulması işlemi, uygulama esasları ve sistem bileşenlerinin sistem verimine etkisi, deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu bölümde konu ile ilgili elde edilen sonuçlar sunularak tartışılacaktır. Çalışmada, ısıtma ve soğutma işlemi ile ilgili 2010–2011 yılları boyunca birçok deneysel uygulama yapılmıştır. Bu deneysel uygulamaların, doktora çalışması ile ilgili özgün sonuçlar içeren kısımları, Deney 1–8 olarak adlandırılarak, deneysel uygulama sonuçları bölümünde sunulmuştur. 4.1. Deneysel Uygulama Sonuçları 4.1.1. Soğutma uygulamasının deneysel analizi Test odasının soğutulması işleminde, farklı yardımcı enerji kaynaklarının kullanımı ve uygulamada sistem bileşenlerinin sistem verimine etkisi incelenmiştir. Deneysel uygulamalarda absorbsiyonlu ısı pompası için yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası sistemi kullanılmıştır. Yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcının kullanıldığı deneysel uygulama (Deney–1), 3 Ağustos 2010 tarihinde, dış sıcaklık değerinin soğutma periyodu boyunca ortalama 31C olduğu, gökyüzünün açık ve bulutlanmanın görülmediği tipik bir Ağustos gününde gerçekleştirilmiştir. Test odasının sıcaklık değeri, konfor şartlarını sağlamak amacıyla 25–27 C arasında tutulmuştur. Dış ortam sıcaklığının, oda içerisinde istenen sıcaklık değerlerine ulaşması ile soğutma uygulaması başlamış, bu değerin altına düşmesi sonucunda ise sonlandırılmıştır. Deney boyunca test odası ve dış ortamın sıcaklık değerlerinin değişimi Şekil 4.1.’de görülmektedir. Güneş enerjisinin, absorbsiyonlu cihazın şarj olması için yetersiz kaldığı 07:30 – 09:00 saatleri arasında elektrikli ısıtıcı devreye girerek, sistemin şarj olması için gereken ek enerjinin teminini sağlamıştır. Elektrikli ısıtıcı tarafından absorbsiyonlu sistemin reaktörü için 8,105 kWh değerinde termal enerji sağlanmıştır. Güneş kolektörlerindeki sıcaklık değeri, saat 09:25 itibari ile absorbsiyonlu sistemin çalışması için uygun sıcaklık değerlerine ulaşarak 87 cihazı beslemeye başlamış ve 16:15’e kadar absorbsiyonlu sisteme 31,02 kWh’lik termal enerji sağlamıştır. Saat 16:15’den sonra, kolektörlerdeki sıcaklık değeri, absorbsiyonlu sistemi beslemek için yetersiz kaldığından; kolektör hattı, sıcak kullanım suyu teminini sağlamak amacıyla, kullanım suyu boylerine bağlanmıştır. Şekil 4.2.’de uygulama boyunca güneş kolektör hattı sıcaklıklarının değişimi görülmektedir. Şekil 4.1. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–1) Şekil 4.2. Güneş kolektör hattı sıcaklıkları (Deney–1) 88 Soğutma uygulaması boyunca, absorbsiyonlu sistemde 09:05, 11:45 ve 15:00 saatlerinde, şarj-deşarj geçişleri gerçekleştirilmiştir. Bu işlem, deşarj modundaki haznenin soğutma uygulaması için yeterli soğutma enerjisini sağlayamaması ile birlikte manüel olarak gerçekleştirilmiştir. Soğutma uygulaması boyunca absorbsiyonlu sistem 11,07 kWh’lik soğutma enerjisi sağlayarak, mahalin tüm soğutma yükünü karşılamıştır. Şekil 4.3’de soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi görülmektedir. Şekil 4.3. Soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi (Deney–1) Absorbsiyonlu sistemin reaktörüne uygulama boyunca verilen toplam termal enerji miktarı 39,12 kWh’tir. Bu enerjinin yaklaşık %21’lik bölümü yardımcı enerji kaynağı aracılığıyla sağlanmıştır. Şekil 4.4.’de reaktöre verilen termal enerji miktarının zamana göre değişimi görülmektedir. Denklem 3.54’e göre deneysel çalışma esnasında, sistemin günlük ortalama soğutma tesir katsayısı; Q STK  buh 11,07  0,28 Q 39,12 re olarak hesaplanmıştır. 8 9 Şekil 4.4. Reaktöre verilen termal enerji miktarı (Deney–1) Soğutma periyodu boyunca, absorbsiyonlu cihazın reaktör-absorber ve yoğuşturucu- buharlaştırıcı sıcaklıklarının değişimi, sırasıyla Şekil 4.5 ve Şekil 4.6’da görülmektedir. Şekil 4.5. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–1) 9 0 Şekil 4.6. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–1) Yoğuşturucu ve absorberde oluşan ısının atılması için ısı atım hattında kullanılan plakalı ısı değiştiricisinin giriş çıkış sıcaklıklarının değişimi ise şekil 4.7’de yer almaktadır. Şekil 4.7. Isı değiştiricisi giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–1) 9 1 Sıcak kullanım suyu boylerindeki suyun, günlük tüketim ihtiyacını karşılaması, 24 saatlik kullanım periyodu boyunca incelenmiştir. Sıcak kullanım suyu sayacı aracılığıyla ölçülen tüm günlük sıcak su tüketim miktarı ve kullanım özellikleri, Çizelge 4.1’de görülmektedir. Şekil 4.8’de ise sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi yer almaktadır. Çizelge 4.1. Sıcak kullanım suyu tüketim miktarı ve kullanım özellikleri (Deney–1) Saat Miktar Açıklama 07:35 10 lt Lavabo ihtiyaç 07:45 75lt Duş 09:15 20lt Bulaşık 10:15 20 lt Lavabo ihtiyaç 12:45 20 lt Bulaşık 13:30 75 lt Duş 16:20 75 lt Duş 19:15 20 lt Bulaşık 20:35 10 lt Lavabo ihtiyaç 22:15 75 lt Duş Şekil 4.8. Sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi (Deney–1) 92 Isı dağıtım sisteminde yer alan ve oda içerisindeki termostat aracılığı ile kontrol edilen fan-coil üniteleri, absorbsiyonlu cihazın ürettiği soğutma enerjisini oda içersine içerisine göndererek soğutma yükünü karşılamıştır. Deney süresince en yüksek üfleme kademesinde çalışan fan-coil sisteminin giriş-çıkış ve menfez sıcaklıkları, Şekil 4.9.’da görülmektedir. Şekil 4.9. Fan-coil sıcaklıkları (Deney–1) Yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılan elektrikli ısıtıcı ve absorbsiyonlu sistem ekipmanların enerji tüketim değerleri, elektronik elektrik sayaçları aracılığıyla ölçülerek kaydedilmiştir ve sırasıyla Çizelge 4.2 ve Şekil 4.10’da gösterilmiştir. Çizelge 4.2. Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değerleri (Deney–1) Zaman Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değeri [kWh] 07:30 0 07:40 1,6 07:50 1,6 08:00 1,6 08:10 1,6 08:20 1,6 08:30 1,6 08:40 1,6 08:50 1,6 09:00 1,6 93 Şekil 4.10. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–1) Sistem bileşenlerinin günlük toplam enerji tüketimi 9,78 kWh olarak tespit edilmiştir. Elektrikli ısıtıcı ise çalışma süresi boyunca toplam 14,4 kWh enerji harcamıştır. Deneysel uygulama boyunca, oda içerisindeki bağıl nemin değişimi, her saat başı alınan bağıl nem değerleri ile ölçülmüştür. Şekil 4.11’de oda içerisindeki bağıl nemin değişimi görülmektedir. Şekil 4.11. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–1) 94 Deneyde odanın tüm soğutma enerjisi ihtiyacı, absorbsiyonlu sistem tarafından karşılanmıştır. Absorbsiyonlu sistemin çalışması için gereken termal enerjinin yaklaşık %21’lik bölümü elektrikli ısıtıcı aracılığıyla, geri kalanı ise güneş enerjisinden sağlanmıştır. Ayrıca ihtiyaç duyulan günlük sıcak kullanım suyu ihtiyacının tamamı da güneş enerjisi ile karşılanmıştır. Sistemin soğutma tesir katsayısı 0,28 olarak hesaplanmıştır. Tek kademeli klasik absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin STK değerleri 0,6-0,7 arasında değişmektedir (Sanjuan ve ark. 2010). Ancak absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin günlük çalışma periyodu göz önüne alındığında STK değerinin daha düşük değerlerde olduğu görülmüştür. Bales ve Nordlander (2005) LiCl-Su eriyikli absorbsiyonlu sistem ile yaptıkları soğutma uygulamasında, sistemin STK değerini 0,46 olarak ölçtüklerini bildirmiştir. Syed ve ark. (2005) tarafından LiBr-Su eriyikli sistem ile gerçekleştirilen deneysel çalışmada, günlük soğutma periyodu ortalama değerinin 0,34 olarak ölçüldüğü bildirilmiştir. Izquierdo ve ark. (2007), 4,5 kW soğutma kapasiteli LiBr-Su eriyikli sistem ile konutsal soğutma uygulamasında; sistemin ısı atımında sıcaklık değerinin 35–41,3 C ve buharlaştırıcı sıcaklığının 15C olduğu soğutma periyodu için ortalama soğutma tesir katsayısının 0,37 olduğu bildirilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda, yüksek absorber-yoğuşturucu sıcaklıkları ve düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarında, günlük ortalama soğutma tesir katsayısının, teorik değerlere göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Absorbsiyonlu sistemin çalışma prensibinden kaynaklanan şarj-deşarj geçişlerinde, sıcak olan yoğuşturucu bölümünün, soğutma işlevini sağlayan buharlaştırıcıya dönüşmesi sürecinde (bkz. Şekil 3.6) sıcaklık farkından kaynaklanan verim düşüşü söz konusu olmaktadır. Şekil 4.5 ve Şekil 4.6’da, absorbsiyonlu sistem bileşenleri incelendiğinde, buharlaştırıcı sıcaklıklarının en düşük değerinin 5 C olduğu, absorber ve yoğuşturucu sıcaklıklarının ise 35 C’nin üzerine çıktığı gözlenmiştir. Düşük buharlaştırıcı sıcaklığı ve yüksek absorber-yoğuşturucu sıcaklıkları, sistem verimini olumsuz olarak etkilemiştir. Absorber-yoğuşturucu sıcaklığının yükselmesi ve ısı atım sisteminin, dış sıcaklık değerine bağlı olarak ısı atımını etkili bir şekilde gerçekleştirememesi, absorbsiyonlu cihaz veriminin ve cihaz soğutma kapasitesinin hızlı bir şekilde azalmasına neden olmaktadır (Anonim, 2010a). Isı atım sistemindeki ısı değiştiricisin sıcaklık değerleri incelendiğinde, ısı değiştiricisinin giriş-çıkış sıcaklıkları arasındaki farkın ortalama 5 C civarında olduğu görülmektedir (bkz. Şekil 4.7). Ancak ısı değiştiricisi çıkış sıcaklığının yaklaşık 30 C 95 seviyesinde olması nedeni ile ısı atım işleminin yetersiz olduğu ve sistem veriminin olumsuz olarak etkilendiği söylenebilir. Üretici firma tarafından bildirildiğine göre, absorbsiyonlu cihazın, soğutma tesir katsayısı kurulum özelliğine göre 0,52–0,57 arasında değişmektedir (Anonim, 2010a). Örneğin, deney tesisatında kullanılan ClimateWell CW20 absorbsiyonlu ısı pompası cihazının; ısı dağıtım sistemi olarak tavandan soğutma uygulamasını kullanması ve ısı dağıtım hattı dönüş sıcaklığının 20 C olması durumunda, termal enerji hattı ve ısı atım hattı sıcaklıklarına göre soğutma kapasitesinin değişimini gösteren performans eğrileri Şekil 4.12’de görülmektedir. Buna göre termal enerji hattındaki sıcaklığın azalması ve ısı atım hattındaki sıcaklığın artması, sistemin soğutma kapasitesinin hızlı bir şekilde düşürmektedir. Şekil 4.12. CW20 ortalama soğutma kapasitesi eğrileri (Anonim, 2010a) Reaktör sıcaklıklarının en yüksek değerinin 85 C olduğu, Şekil 4.5’den görülmektedir. Reaktör sıcaklığının daha yüksek olması, sistemin soğutma verimini arttıracaktır. Şekil 4.2’de güneş kolektör sisteminden elde edilen su sıcaklıkları görülmektedir. Termal enerji hattını besleyen güneş kolektör sisteminde, sıcaklık değerinin en yüksek değerinin yaklaşık 88 C olduğu görülmektedir. Absorbsiyonlu cihaz 120 C reaktör 9 6 giriş sıcaklığına kadar çalışabildiğinden, daha yüksek kolektör sıcaklıkları, sistem verimini arttırabilir. Çatı konstrüksiyonundan kaynaklanan problem nedeni ile (bkz. Şekil 3.14) kolektör sisteminin güney yönünden, doğu yönüne 40’lik bir sapma ile yerleştirilmiş olmasından ötürü, kolektörlerden elde edilen sıcaklık değeri, saat 16:15’den sonra, absorbsiyonlu sistemi beslemek için yetersiz kalmıştır. Bu nedenle sistemin güneş enerjisinden faydalanma oranı azalmıştır. Bu duruma rağmen absorbsiyonlu sistem, soğutma ihtiyacının sürdüğü gece saatlerinde de çalışmasına devam ederek, mahalin soğutma yükünü karşılamıştır. Deney tesisatında ısı atım sistemi olarak fan-coil üniteleri seçilmiştir. Bunun nedeni, ülkemizde ve birçok Avrupa ülkesinde, ısı dağıtım sistemi olarak söz konusu sistemin tercih edilmesidir. Genelde, sadece ısıtma sistemi kurulu olan konutlarda, ısı dağıtım sistemi olarak iki borulu ve taşıyıcı akışkan olarak su kullanan, panel radyatör sistemi ya da yerden ısıtma sistemi kullanılmaktadır. Bu tip konutlara absorbsiyonlu ısı pompası sisteminin kurulması durumunda, teknik ve ekonomik açıdan uygulaması en kolay ısı dağıtım sistemi, fan-coil üniteleridir. Yerden ısıtma sistemlerinde ise, aynı dağıtım sistemi üzerinden soğutma yapma fikri, hem ısıl konfor açısından sıkıntılı olmakta, hem de yoğuşma problemi nedeni ile tercih edilmemektedir. Fan-coil üniteleri ile soğutma yapılması durumunda, buharlaştırıcı gidiş-dönüş sıcaklıkları 7–12 C mertebelerinde seçilir (Henning 2007). Buharlaştırıcı sıcaklığının düşük seçilmesi ile birlikte, sistem veriminin göreceli olarak azalması söz konu olmaktadır. Fan-coil sistemi, test odasının güneşlenme kazançlarının yüksek olması ve yapının içten yalıtılmış olması nedeni ile çok sık devreye girip çıkarak (bkz. Şekil 4.9), absorbsiyonlu sistemin soğutma verimini olumsuz etkilemiştir. Sistemde yer alan sıcak kullanım suyu boyleri vasıtasıyla, konutun sıcak su ihtiyacının tamamı güneş enerjisi vasıtasıyla sağlanmıştır. Günlük 400 lt olarak belirlenen ve günün farklı saatlerinde farklı kullanım amacıyla tüketilen sıcak suyun sıcaklık değeri, tüm gün boyunca 40 C üzerinde tutulmuştur (bkz. Şekil 4.8.). Yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı kullanımı, teknik, ekonomik ve çevresel açıdan çeşitli faydalar sağlamıştır. Elektrikli ısıtıcı, enerji kaynağı olarak elektrik 97 enerjisini kullanır. Sistemin kullandığı elektrik enerjisinin yenilenebilir kaynaklar aracılığı ile üretilmesi durumunda, sıfır emisyonlu, çevreyi kirletmeyen ve dışa bağımlı olmayan bir yardımcı enerji sistemi söz konusu olmaktadır. Elektrikli ısıtıcı gerektiğinde konutun sıcak kullanım suyu ihtiyacını ve ısı dağıtım sistemine direkt olarak bağlanarak, ısıtma ihtiyacını karşılayabilmektedir. Ayrıca taşıyıcı akışkan olarak suyu kullandığından, ısıtma uygulaması için ayrı bir ısı dağıtım hattına ihtiyaç duymadan, mevcut sisteme basit bir üç yollu vana sistemi ile bağlanabilir. Elektrikli ısıtıcıların ilk yatırım ve kurulum maliyetlerinin düşük olması nedeni ile konutların absorbsiyonlu sistemlerle ısıtılması ve soğutulmasında; yardımcı enerji kaynağı olarak bu sistemin seçilmesi ile ilk yatırım ve işletim maliyetlerinin iyileştirilmesi sağlanabilir. Deneysel uygulama boyunca, oda içerisindeki bağıl nem değerinin konfor şartları için uygun seviyelerde kaldığı görülmüştür (bkz. Şekil 4.11) Fan-coil sisteminde yer alan drenaj hattı sayesinde, odanın soğutulması esnasında fan-coil ısı değiştiricisi üzerindeki yoğuşma sonucunda oluşan su mahalden uzaklaştırılmıştır. Fan-coil sisteminde, fan üfleme hızı en yüksek kademede çalıştırılsa da hem ısıl konfor, hem de gürültü açısından bir sıkıntı yaratmadığı gözlemlenmiştir. Ayrıca deneysel çalışma esnasında oda içerisinde bulunan kişilerin bildirdiğine göre, absorbsiyonlu soğutma sisteminin çalışması durumundaki iç ortam şartlarının, hava kaynaklı ısı pompası sisteminin çalışma şartlarına göre daha konforlu olmaktadır. Yardımcı enerji kaynağı olarak, hava-hava akışkan çiftli, hava kaynaklı ısı pompası (HKIP) sisteminin kullanıldığı deneysel uygulama (Deney–2), 4 Ağustos 2010 tarihinde, bir önceki deneysel çalışmaya (Deney–1) benzer şekilde, dış sıcaklık değerinin soğutma periyodu boyunca ortalama 31C olduğu, gökyüzünün açık ve bulutlanmanın görülmediği bir günde gerçekleştirilmiştir. Test odasının sıcaklık değeri, konfor şartlarını sağlamak amacıyla 25–27 C arasında tutulmuştur. Dış ortam sıcaklığının, 27 C değerine ulaşması ile soğutma uygulaması başlamış, bu değerin altına düşmesi sonucunda ise sonlandırılmıştır. Deney boyunca test odası ve dış ortamın sıcaklık değerlerinin değişimi Şekil 4.13’de görülmektedir. Güneş enerjisinin, absorbsiyonlu cihazın şarj olması için yetersiz kaldığı 09:05 – 11:00 saatleri arasında, HKIP sistemi, mahalin soğutulması için gereken soğutma enerjisini sağlamıştır. 98 Şekil 4.13. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–2) 09:30–16:30 saatleri arasında, güneş kolektörlerinden elde edilen termal enerji ile absorbsiyonlu sistemin çalışması sağlanmıştır. Saat 16:30 sonrasında, kolektörlerdeki sıcaklık değerinin, absorbsiyonlu cihaz için yetersiz kalması ile birlikte (Şekil 4.14), kolektör hattı sıcak kullanım suyu boylerine bağlanarak, mahalin sıcak kullanım suyu ihtiyacı karşılanmıştır. Şekil 4.14. Güneş kolektör hattı sıcaklıkları (Deney–2) 99 Absorbsiyonlu sistemin soğutma uygulamasını gerçekleştirebilecek seviyede şarj olması ile birlikte, hava kaynaklı ısı pompası yerine absorbsiyonlu sistem devreye girerek, 11:05 ve 22:00 saatleri arasında çalışmıştır. Soğutma uygulaması esnasında absorbsiyonlu cihaz tarafından sağlanan 10,19 kWh’lik soğutma enerjisi ile (Şekil 4.15) test odasının soğutma yükü karşılanmıştır. Absorbsiyonlu cihazın çalışması için 36,12 kWh’lik termal enerji, güneş kolektörleri vasıtasıyla sağlanmıştır (Şekil 4.16). Şekil 4.15. Soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi (Deney–2) Şekil 4.16. Reaktöre verilen termal enerji miktarı (Deney–2) 10 0 Denklem 3.54’e göre deneysel çalışma için, sistemin günlük ortalama soğutma tesir katsayısı; Q STK  buh 10,19  0,28 Q re 36,12 olarak hesaplanmıştır. Soğutma periyodu boyunca, absorbsiyonlu cihazın reaktör-absorber ve yoğuşturucu- buharlaştırıcı sıcaklıklarının değişimi, sırasıyla Şekil 4.17 ve Şekil 4.18’de görülmektedir. Şekil 4.17. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–2) 10 1 Şekil 4.18. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–2) Isı atım hattında yer alan plakalı ısı değiştiricisinin giriş çıkış sıcaklıklarının değişimi şekil 4.19’da yer almaktadır. Şekil 4.19. Isı değiştiricisi giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–2) 10 2 Deneysel çalışma için günlük sıcak su tüketim miktarı ve kullanım özellikleri, Deney- 1’de belirtilen değerler ile aynı olacak şekilde belirlenmiştir (bkz. Çizelge 4.2). Deney– 2 için sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi ise Şekil 4.20’de yer almaktadır. Şekil 4.20. Sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi (Deney–2) Deneyde, ısı dağıtım sistemi olarak 09:05–11:00 saatleri arasında, HKIP sisteminin hava kanalları, 11:05–22:00 saatleri arasında ise absorbsiyonlu ısı pompası sisteminin fan-coilleri kullanılmıştır. HKIP sisteminin çalışması, cihaz içersinde yer alan termostat aracılığı ile kontrol edilmiştir. Deney süresince HKIP sisteminin hava kanallarının menfez sıcaklığı ile fan-coil sisteminin giriş-çıkış ve menfez sıcaklıkları, Şekil 4.21.’de görülmektedir. Yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılan HKIP ve absorbsiyonlu sistemi oluşturan ekipmanların enerji tüketim değerleri sırasıyla Çizelge 4.3 ve Şekil 4.22’de gösterilmiştir. Çizelge 4.3 . HKIP enerji tüketim değerleri (Deney–2) Başlangıç Bitiş Tüketim değeri [kWh] Başlangıç Bitiş Tüketim değeri [kWh] 09:05 09:11 0,018 10:17 10:24 0,019 09:26 09:31 0,014 10:35 10:42 0,017 09:45 09:50 0,018 10:54 11:00 0,017 09:57 10:02 0,013 Toplam: 0,116 kWh 10 3 Şekil 4.21. HKIP ve fan-coil sıcaklıkları (Deney–2) Şekil 4.22. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–2) HKIP sistemi 09:05–11:00 saatleri arasında toplam 41 dakika çalışarak 0,116 kWh enerji harcamıştır. Absorbsiyonlu sistemin sistem bileşenlerinin günlük toplam enerji tüketimi ise 8,395 kWh olarak tespit edilmiştir. 10 4 Deneysel uygulamada, oda içerisindeki bağıl nemin değişimi, Şekil 4.23’de görülmektedir. Şekil 4.23. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–2) Deneysel uygulamada (Deney–2), güneş enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda yardımcı enerji kaynağı olarak HKIP sistemi kullanılarak, test odasının günlük tüm soğutma yükü karşılanmıştır. Ayrıca, günlük tüm sıcak kullanım suyu ihtiyacı da güneş enerjisi aracılığı ile sağlanmıştır. Yardımcı enerji kaynağı olarak elektrik enerjisi ile çalışan HKIP sisteminin kullanılması, elektrikli ısıtıcı kullanımına benzer şekilde, enerji kullanımına bağlı çevresel sorunların iyileştirilmesi noktasında avantajlar sağlamaktadır. HKIP, aynı zamanda mahalin ısıtma ihtiyacını da karşılayabilme özelliğine sahiptir. Hava-hava akışkan çiftli HKIP sistemleri konutların sıcak kullanım suyu ihtiyacını karşılayamamaktadır. Ayrıca ısı dağıtım hattı olarak, hava kanallarına ihtiyaç duymaları nedeniyle, sistemin kurulum maliyetleri alternatiflerine göre daha fazla olmaktadır. Bu nedenle hava-su akışkan tipli HKIP sistemlerinin tercih edilmesi, bu sorunlar için çözüm alternatifleri sağlamaktadır. HKIP sistemleri, düşük enerji tüketimi ve yüksek STK-ITK değerleri nedeni ile işletme maliyetleri açısından önemli avantajlar sağlamaktadır. Yardımcı enerji kaynağı olarak kullanımlarında, ilk yatırım maliyetlerinin göreceli olarak yüksek oluşu nedeni ile absorbsiyonlu sistemin 10 5 amortisman süresini arttırmaktadır. Bu nedenle HKIP kullanılan konutlarda, genelde absorbsiyonlu ısı pompası sistemi yardımcı ısıtma-soğutma sistemi olarak tercih edilir. Ayrıca HKIP sistemleri, kullandıkları soğutucu akışkanların çevresel etkileri göz önüne alındığında elektrikli ısıtıcılara göre dezavantajlı konumdadırlar. Deney-2’de Deney-1’e benzer şekilde absorbsiyonlu sistemin STK değeri 0,28 olarak bulunmuştur. Benzer dış ortam koşullarında yapılan deneysel çalışmalarda, soğutma tesir katsayılarının aynı değerde hesaplanması, değerin yardımcı enerji kaynağının kullanım özelliklerinden çok, absorbsiyonlu sistemin bileşenlerinden kaynaklandığını göstermektedir. Deney-1’e benzer şekilde, absorbsiyonlu cihazın absorber ve yoğuşturucu sıcaklıklarının yüksek olması ve buharlaştırıcı sıcaklığının düşük seçilmesi nedeni ile (bkz. Şekil 4.17, Şekil 4.18) soğutma veriminin düştüğü görülmüştür. Ayrıca fan-coil sisteminin çok sık bir şekilde devreye girip çıkması da (bkz. Şekil 4.21) sistem verimini olumsuz etkilemiştir. Enerji tüketim değerleri incelendiğinde, HKIP sisteminin 0,116 kWh elektrik enerjisi tüketmiş olması, yardımcı enerji kaynağı olarak kullanımında, işletim maliyetleri açısından büyük avantajlar sağladığını göstermektedir. Absorbsiyonlu sistemin enerji tüketim değeri toplam 8,395 kWh olarak tespit edilmiştir. Buna göre Deney-1’de absorbsiyonlu sistemin günlük çalışma periyodu boyunca saatlik ortalama enerji tüketim değerinin 0,65 kWh, Deney-2’de ise bu değerin 0,56 kWh olduğu görülmektedir. Absorbsiyonlu sistemin günlük çalışma periyodu boyunca enerji tüketim değeri benzer olduğundan, işletim maliyeti açısından yardımı enerji kaynağı olarak HKIP sisteminin seçilmesi daha avantajlıdır. Deney-2’de, soğutma periyodu boyunca oda içerisindeki bağıl nem değerinin konfor şartlarını sağladığı görülmektedir (bkz. Şekil 4.23). Ayrıca gün boyunca sıcaklık değeri istenilen sıcaklık değerleri arasında kalarak, günlük tüm soğutma yükü absorbsiyonlu ısı pompası ve HKIP sistemi ile karşılanmıştır. 10 6 Deney–3, dış ortam şartlarının değişkenlik gösterdiği, parçalı bulutlu ve yağışlı bir yaz gününde gerçekleştirilmiştir. 5 Ağustos günü 2010 tarihinde gerçekleştirilen deneyde, güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı kullanılmıştır. Soğutma periyodu boyunca hava koşulları nedeni ile güneş enerjisi kısıtlı olarak sağlanmış, mahalin soğutma ihtiyacı gece saatlerinde de devam etmiştir. Şekil 4.24’te dış ortam ve test odasının sıcaklık değerleri görülmektedir. Şekil 4.24. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–3) Soğutma periyodu, saat 11:00’da dış ortam sıcaklık değerinin 27C’nin üzerine çıkmasıyla başlamış, saat 22:30’da dış ortam sıcaklığın tekrar bu değere inmesiyle sonlandırılmıştır. Uygulama esnasında saat 19:00’dan sonra hava sıcaklığının ani şekilde 33C’den 27C’nin altına düştüğü görülmektedir. Şekil 4.25’den görülebileceği üzere, saat 19:00’ın ardından oluşan kuvvetli rüzgârlar ve yağışın etkisi ile dış ortam sıcaklığında ani düşüşler gözlenmiştir. Olumsuz atmosfer koşullarının ortadan kalmasıyla birlikte dış ortam sıcaklığı tekrar yükselişe geçmiştir. Hava koşullarındaki ani değişimlere rağmen test odasının soğutma ihtiyacı, günlük soğutma periyodu boyunca (11:00–22:30) devam etmiştir. 10 7 Şekil 4.25. Dış ortam şartlarının görünümü (Şekil–3) Bu uygulamada elektrikli ısıtıcı, Deney-1’den farklı olarak, güneş enerjisinin elde edilemediği saatlerde direkt olarak termal enerji hattına bağlanmıştır. Güneş enerjisinin yetersiz olduğu saatlerde ise ısıtıcı girişinde bulunan üç yollu motorlu vana aracılığıyla (bkz. Şekil 3.33) cihazı besleyen güneş kolektör hattına seri olarak bağlanarak, cihaz için gereken termal enerjinin takviye edilmesinde kullanılmıştır. Şekil 4.26’da güneş kolektör sisteminin sıcaklık değerleri görülmektedir. Saat 08:00’da, absorbsiyonlu sistemin şarj olmasını sağlayacak termal enerji, güneş kolektörlerinden elde edilemediğinden, elektrikli ısıtıcı direkt olarak absorbsiyonlu cihaza bağlanmıştır. Soğutma periyodunun başladığı 11:00’da, absorbsiyonlu cihaz %20 doluluk oranıyla şarj olmuş ve şarj-deşarj geçişi ile soğutma olayını gerçekleştirmeye başlamıştır. Elektrikli ısıtıcı 08:00-11:00 saatleri arasında absorbsiyonlu sistem için 20,99 kWh’lik termal enerji sağlamıştır. Aynı anda gökyüzündeki bulutlanmanın azalması ile kolektörlerdeki sıcaklık değeri artmaya başladığından, elektrikli ısıtıcı kapatılmış ve saat 11:35’de güneş kolektörlerindeki sıcaklığının 70C’ye ulaşması ile birlikte, güneş kolektör hattı direkt olarak termal enerji hattına bağlanmıştır (Şekil 4.26). Güneş kolektörleri, 11:35-12:30 saatleri arasında, sistem için 2,62 kWh’lik termal enerji 10 8 sağlamıştır. Bu saatten sonra hava şartları değişerek, gökyüzündeki bulutlanmanın artması ile birlikte güneş kolektörlerindeki sıcaklık azalmaya başladığından, elektrikli ısıtıcı güneş kolektör hattına seri olarak bağlanmıştır. Güneş enerjisinden elde edilen termal enerjinin, bulutlanma oranına göre değişim göstermesi nedeni ile elektrikli ısıtıcının çalışma sıklığı hattın sıcaklık değerine bağlı olarak belirlenmiştir. Otomasyon sistemi aracılığıyla elektrikli ısıtıcı, hat sıcaklığının 65C’nin altına düşmesi ile çalışmakta, 80C’nin üzerine çıkması ile kapanmaktadır. Bu düzenlemede, hava şartları değişkenliğinden etkilenmeden, absorbsiyonlu sistemin kesintisiz çalışarak mahalin soğutma ihtiyacını karşılaması amaçlanmıştır. 12:30–14:00 saatleri arasında, güneş kolektörleri ve elektrikli ısıtıcı aracılığıyla absorbsiyonlu sisteme 3,07 kWh’lik termal enerji sağlanmıştır. 14:00’dan sonra gökyüzündeki bulutlanmanın ortadan kalkması ile birlikte, elektrikli ısıtıcı devre dışı bırakılarak, 15:15’e kadar güneş kolektör sistemi ile 3,07 kWh’lik termal enerji elde edilmiştir. Güneş kolektörlerindeki sıcaklığın azalması ile birlikte, güneş kolektör hattı sıcak kullanım suyu boylerine bağlanarak, 15:30-16:30 saatleri arasında, sıcak kullanım suyunun ısıtılması için kullanılmıştır. 18:30-19:45 saatleri arasında elektrikli ısıtıcı direkt olarak termal enerji hattına bağlanmış ve absorbsiyonlu sistem için 5,59 kWh’lik termal enerji eldesi sağlamıştır. Şekil 4.26. Güneş kolektör hattı sıcaklıkları (Deney–3) 10 9 Şekil 4.27’de soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi, Şekil 4.28’de ise farklı enerji kaynaklarından reaktöre verilen termal enerji miktarının zamana göre değişimi görülmektedir. Şekil 4.27. Soğutma enerjisinin zamana bağlı değişimi (Deney–3) Şekil 4.28. Reaktöre verilen termal enerji miktarı (Deney–3) 11 0 Absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile soğutma periyodu boyunca toplam 12.48 kWh’lik soğutma enerjisi sağlanarak, test odasının günlük tüm soğutma ihtiyacı karşılanmıştır. Soğutma için kullanılan toplam 35,34 kWh’lik termal enerjinin, yaklaşık %75’lik bölümü elektrikli ısıtıcıdan, %16’sı güneş enerjisinden, %9’u ise güneş enerjisi ve elektrikli ısıtıcının birlikte kullanımından temin edilmiştir. Denklem 3.54’e göre deneysel çalışma için, sistemin günlük ortalama soğutma tesir katsayısı; Q STK 12,48 buh   0,35 Qre 35,34 olarak tespit edilmiştir. Elde edilen soğutma tesir katsayısı değerinin, Deney–1 ve Deney–2’nin soğutma tesir katsayısı değerine göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Deney–1 ve Deney–2’nin soğutma periyotlarının uzunluğu 13 saatken, Deney–3 için bu değer 11,5 saattir. Deney–1’de 39,12 kWh’lik termal enerji ile 11,07 kWh soğutma, Deney–2’de 36,12 kWh’lik termal enerji ile 10,19 kWh soğutma, Deney–3’de ise 35,34 kWh’lik termal enerji ile 12,48 kWh soğutma sağlanmıştır. Buna göre, Deney–3’de diğer deneylere göre daha az termal enerji kullanılarak daha fazla soğutma enerjisi elde edilmiştir. Deney–3’te termal enerjinin %75’lik kısmının, atmosferik şartlardan etkilenmeyen ve yüksek sıcaklıkta termal enerji sağlayabilen elektrikli ısıtıcı tarafından karşılanması bir avantajdır. Ayrıca dış ortam sıcaklığının ve bulutlanma nedeni ile test odası içerisindeki ışınım kazançlarının diğer deneylere göre daha düşük olması, daha verimli bir soğutma sağlamıştır. Ayrıca dış ortam sıcaklığının azalması ve dolayısıyla yaş termometre sıcaklığının düşmesi ile birlikte ısı atım hattı daha verimli bir şekilde çalışarak, absorbsiyonlu sistemin soğutma veriminin artışı konusunda önemli bir rol oynamıştır. Soğutma periyodu boyunca, absorbsiyonlu cihazın reaktör-absorber ve yoğuşturucu- buharlaştırıcı sıcaklıklarının değişimi, sırasıyla Şekil 4.29 ve Şekil 4.30’da 11 1 görülmektedir. Şekillerde görüldüğü gibi, absorber ve yoğuşturucu sıcaklıkları 30 C’nin altına kadar düşmüştür. Şekil 4.29. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–3) Şekil 4.30. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–3) 11 2 Absorber ve yoğuşturucu sıcaklığının düşük olduğu saatlerde, dış ortam sıcaklığının da düşük olduğu görülmektedir. Bu dönemde absorbsiyonlu cihazın, düşük reaktör giriş sıcaklıklarında hızlı bir şekilde şarj olabildiği gözlemlenmiştir. Şekil 4.31. Isı değiştiricisi giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–3) Şekil 4.31’de ısı atım hattı ile soğutma kulesi arasında yer alan ısı değiştiricisi giriş- çıkış sıcaklıkları sunulmuştur. Dış ortam sıcaklığının azaldığı dönemde, ısı değiştiricisi dönüş sıcaklığının 27C’ye kadar düştüğü görülmektedir. Ayrıca bu dönemde, ısı değiştiricisi giriş-çıkış hatları arasındaki sıcaklık farkının, dolayısıyla ısı değiştiricisi veriminin arttığı tespit edilmiştir. Soğutma periyodu boyunca fan-coil ünitelerinin sıcaklık değerlerinin zamana göre değişimi Şekil 4.32’de yer almaktadır. Buna göre fan-coil sistemi, diğer deneylerde olduğu gibi, sık bir şekilde devreye girip çıkarak soğutma yükünü karşılamıştır. Deney– 3’de güneş ışınımından kaynaklanan soğutma yükleri Deney–1 ve Deney–2’ye göre daha az olmasına rağmen, fan-coillerin çalışma sıklığında önemli bir azalma görülmemektedir. Test odasının ısıl yalıtımının içten yapılmış olması bunun temel nedeni olarak söylenebilir. Bu nedenle yapı elemanları, mahal içerisine gönderilen soğutma enerjisini absorbe edemeyerek düşük sıcaklıklı bir ısıl kütle oluşturamamakta, 11 3 dolayısıyla oda içerisindeki sıcaklık artışı daha hızlı gerçekleşmektedir. Bu durum, soğutucu ve ısıtıcı cihazların çok sık devreye girip çıkmasına ve soğutma-ısıtma verimlerinin olumsuz olarak etkilemesine neden olmaktadır. Yapı elemanlarının ısı yalıtımında, düşük ısı geçirgenlik katsayılarına sahip, düşük ya da yüksek sıcaklıklı ısıl kütle oluşturma özelliği yüksek yalıtım sıvalarının kullanımı, söz konusu sorun için uygulanabilir bir çözüm alternatifidir. Şekil 4.32. Fan-coil sıcaklıkları (Deney–3) Deney–3 için belirlenen sıcak kullanım suyu tüketim miktarları ve kullanım özellikleri, diğer deneylere benzer şekilde, Çizelge 4.1’de görülmektedir (bkz. Çizelge 4.1). Sıcak kullanım suyu boyleri 15:30-16:30 saatleri arasında güneş kolektör sistemi ile beslenerek, sıcak suyun istenilen sıcaklığa ısıtılması sağlanmıştır. Şekil 4.33’de sıcak kullanım boylerinin 24 saatlik periyottaki sıcaklık değişimi görülmektedir. Buna göre, boylerdeki su sıcaklığının kullanılabilir seviyelerde kaldığı söylenebilir. Bu noktada dikkat edilmesi gereken bir husus da sıcak kullanım suyu depolarında görülen lejyoner hastalığı riskidir. Depodaki su sıcaklığının, lejyoner hastalığına yol açan bakterinin çoğalması için ihtiyaç duyduğu sıcaklık değerlerinde uzun süre kalması, hastalık riskini önemli ölçüde arttıracaktır. Bu riskin ortadan kaldırılması amacıyla sıcak su deposunun belirli aralıklarda dezenfekte edilmesi insan sağlığı açısından önemlidir. 11 4 Şekil 4.33. Sıcak kullanım suyu boylerindeki su sıcaklığının değişimi (Deney–3) Şekil 4.34. Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değerleri (Deney–3) Şekil 4.34 ve Şekil 4.35’de sırasıyla elektrikli ısıtıcı ve absorbsiyonlu sistemin enerji tüketim değerleri görülmektedir. Elektrikli ısıtıcı çalışma periyodu boyunca toplam 49,2 kWh enerji tüketmiştir. Bu nedenle soğutma uygulaması için absorbsiyonlu cihazın 11 5 ihtiyaç duyduğu termal enerjinin ağırlıklı bölümünün elektrikli ısıtıcı ile karşılanması işletme maliyetleri açısından ekonomik değildir. Alternatif olarak, absorbsiyonlu sistemin mevcut bir soğutma sistemine yardımcı olarak kullanılması işletme maliyetleri açısından daha uygun olacaktır. Deneyde, absorbsiyonlu sistemin toplam enerji tüketimi 10,1 kWh olarak tespit edilmiştir. Buna göre absorbsiyonlu sistemin günlük çalışma periyodu boyunca saatlik ortalama enerji tüketim değeri yaklaşık 0,65 kWh’tir. Bu değer, Deney-1 için elde edilen değerle aynı, Deney-2 için elde edilen değere ise oldukça yakındır. Şekil 4.35. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–3) Deney-3’de test odası için ölçülen bağıl nemin saatlik değişimi Şekil 4.36’da görülmektedir. Soğutma periyodu boyunca dış ortam sıcaklığında ani değişimler görülse de absorbsiyonlu cihazın kesintisiz çalışması nedeni ile oda içerisindeki sıcaklık ve bağıl nem değerlerinin konfor şartlarını sağladığı görülmektedir. Sistemin çalışmadığı 07:00–11:00 saatleri arasında, sıcaklık değeri 27 C’nin altında olsa da bağıl nem %82 değerine kadar yükselerek, mahal içerisindeki konfor şartlarının sağlanamamasına neden olmuştur. 11 6 Şekil 4.36. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–3) Soğutma uygulamalarının incelendiği deneylerde, soğutma ihtiyacının güneş enerjisinin elde edilemediği gece saatlerinde de devam etmesi, enerjinin depolama ihtiyacının önemini ortaya koymaktadır. Absorbsiyonlu ısı pompası sisteminin dâhili enerji depolama özelliği sayesinde gündüz saatlerinde elde edilen güneş enerjisi, haznelerde bulunan tuz eriyiği içerisine depo edilebilmekte, bu durum harici bir enerji depolama sistemi ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Deney–4’de, güneş enerjisinden elde edilen termal enerjinin harici bir enerji depolama sisteminde kullanımı incelenmiştir. Bu deneyde güneş kolektör hattı, direkt olarak 1000 l. hacminde çift serpantinli boylere (bkz. Şekil 3.28) bağlanmıştır. Boyler içerisinde, %15 derişimli propilen glikol-su eriyiği bulunmaktadır. Buna göre 6 Ağustos 2010 tarihi için 24 saatlik ölçüm periyodu boyunca güneş kolektörleri, boylerin üst ve alt kısımları ve dış ortamdaki sıcaklık değişimi gözlenmiştir (Şekil 4.37). Yapılan deneyde, kolektörlerden elde edilen güneş enerjisi ile kolektörlerdeki su sıcaklığının 90 C’nin üzerine çıktığı görülmektedir. Dış ortam sıcaklığının 40 C’ye yaklaştığı öğlen saatlerinde, kolektör sıcaklığı pik değerlerine ulaşmıştır. Saat 15:00 itibari ile güneş kolektörlerindeki sıcaklık değerinin düşüşe geçtiği görülmektedir. 11 7 Kolektör sistemi güney yönünden doğu yönüne doğru 40’lik sapma ile yerleştirilmiş olması nedeni ile bu saatten sonra güneş ışınları kolektör yüzeyine daha eğimli bir şekilde ulaşmaktadır. Yine bu saatten sonra kolektör giriş-çıkış sıcaklıkları arasındaki fark azalmakta, belli bir zamandan sonra, kolektör giriş sıcaklığının çıkış sıcaklığından yüksek olduğu görülmektedir. Şekil 4.37. Harici enerji depolama sistemi sıcaklık değişimleri (Deney–4) Boyler sıcaklığı, güneş kolektörlerindeki su sıcaklığının artışı ile birlikte hızla yükselmektedir. Boylerdeki su sıcaklığının artışı esnasında boylerin üst ve alt yarısı arasında sıcaklık farkının çok az olduğu görülmektedir. Kolektör hattının pik sıcaklık değerlerine ulaştığı 14:00’dan sonra, boylerin alt kısmının sıcaklığının üst kısmına göre bir miktar daha fazla olduğu görülmektedir. Bunun nedeni boylerin içerisinde yer alan ısı değiştiricilerinin yüzey alanlarının farklı olmasıdır. Boyler üst serpantininin ısı geçiş yüzey alanı 1,58 m2 alt serpantinin ise 2,97 m2’dir. Bu nedenle yüksek kolektör sıcaklıklarında, alt serpantinden olan ısı geçişi üst serpantine göre daha fazla olmuştur. Kolektör sıcaklıklarının pik değerlere ulaştığı saatlerde, boylerde depolanan suyun ulaşabildiği en yüksek sıcaklık değerinin 80 C olduğu görülmektedir. Bu zaman diliminden sonra depo içerisindeki su sıcaklığı yavaş bir şekilde azalmakta, boylerin üst 11 8 ve alt kısımları arasındaki sıcaklık farkı artmaktadır. 24 saat sonunda boyler sıcaklığı 15 C azalarak 65 C’ye kadar düşmüştür. Boylerde depolanan enerjinin, sabah saatlerinde güneş kolektörlerinden elde edilen su sıcaklığının istenilen seviyelere ulaşıncaya kadar geçen dönemde kullanılması düşünülebilir. Ancak depodaki su sıcaklığının 65C seviyesinde olması, absorbsiyonlu cihazın şarj olması için yetersiz olduğu anlamına gelmektedir. Bu durum termal enerjinin depolanmasında, harici bir depolama sisteminin, dâhili bir depolama sistemine göre daha verimsiz olduğu anlamına gelmektedir. Deney-1 için Şekil 4.2 ve Şekil 4.5; Deney-2 için Şekil 4.14 ve Şekil 4.17 incelendiğinde, kolektör sıcaklıkları ile reaktör sıcaklıklarının birbirine çok yakın olduğu görülmektedir. Bu nedenle, güneş enerjisinden elde edilen termal enerji, harici depolama sistemine göre çok daha az bir ısı kaybı ile absorbsiyonlu cihaza gönderilerek soğutma olayı gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca, güneş kolektörlerindeki sıcaklığın pik değerlere ulaştığı saatlerde reaktörde depolanan termal enerji, soğutma periyodunun sona erdiği saatlere kadar soğutma işlevini gerçekleştirmek için yeterli olmaktadır. Grafikler incelendiğinde, şarj-deşarj geçişlerinde kolektör sıcaklığındaki ani düşüşlerin kolektör verimini olumsuz olarak etkilediği görülmektedir. Bu olumsuzluğun sebebi, şarj-deşarj geçişlerinde, kolektör giriş sıcaklığının ani olarak cihazın absorber sıcaklığına düşmesi ve daha sonra güneş enerjisi aracılığıyla tekrar yükselmesidir. Bu durum dâhili enerji depolama uygulaması için bir dezavantajdır. Sistemin uzun süre şarj olmasını sağlayabilecek bir sisteminin tasarlanması, söz konusu olumsuzluğun giderilmesi için uygun olacaktır. Harici depolamalı sistemlerin diğer bir dezavantajı ilk yatırım maliyetleridir. Klasik güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemlerde, enerjinin depolanması ihtiyacı söz konusudur (Pastakkaya ve ark. 2011). Lof ve Tybout’un (1974) bildirdiğine göre, sıcak su deposu kapasitesi, metrekare güneş kolektörü başına 50 kg’dır. Buna göre harici bir enerji depolama sistemi kullanılması durumunda, mevcut sistemde yer alan 40m2 güneş kolektörü için gereken sıcak su deposu 2000 kg kapasitesinde olmalıdır. Bu noktada absorbsiyonlu sistemin dâhili enerji depolama özelliğinin, sistemin kurulum maliyeti ve kurulum için gereken alan açısından önemli faydalar sağladığı görülmektedir. Ayrıca 11 9 harici bir enerji depolama sisteminin kurulumu için gereken ekstra kurulum alanı ihtiyacı, sistemin özellikle konutsal kullanımında olumsuz sonuçlar doğurmaktadır. Güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu ısıtma-soğutma sistemlerinde, sistem performansına etki eden en önemli parametre, kaynatıcıyı besleyen ısı kaynağının kaynatıcıya giriş sıcaklığı olduğundan, deney tesisatında absorbsiyonlu sistemin reaktörü için gereken termal enerjinin yüksek sıcaklıklarda sağlanması amacıyla güneş kolektör sistemi, kolektörlerin seri ve paralel bağlama kombinasyonları ile tasarlanmıştır (bkz. Şekil 3.13). Kolektör tasarımında, kolektörlerin kurulduğu binanın statik yapısı da göz önüne alınarak, tez danışmanının görüşü doğrultusunda, her kolektör grubunda dört adet güneş kolektörü seri olarak bağlanmıştır. Güneş kolektörlerinin ısıl performanslarını incelemek amacıyla yapılan Deney–5’de, kolektör gruplarındaki giriş-çıkış sıcaklıkları ile güneş enerjisinden elde edilen termal enerjinin depolandığı boylerin sıcaklık değişimi incelenmiştir. Şekil 4.38’de dört kolektörden oluşan bir kolektör grubunun kolektör giriş-çıkış sıcaklıkları ile deneyin yapıldığı 11 Ağustos 2010 tarihinde ölçülen dış ortam sıcaklıkları yer almaktadır. Şekil 4.38. Kolektör giriş-çıkış ve dış ortam sıcaklıkları (Deney–5) 12 0 Deney günü güneş kolektörlerinden elde edilen termal enerji, Deney–4’de olduğu gibi çift serpantinli boyler içerisindeki glikol propilen-su eriyiğine depolanmıştır. Şekil 4.39’da, boyler içerisindeki su sıcaklığı ile kolektör hattının boylere giriş-çıkış hatlarındaki sıcaklık değerleri görülmektedir. Şekil 4.39. Boyler ve kolektör giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–5) Deneysel uygulamada kolektör hattını basınçlandıran pompalar, saat 07:00’da çalışmaya başlamış ve kolektörlerdeki su sıcaklıkları hızla yükselmiştir. Saat 08:44 itibari ile kolektör grubunun çıkışındaki sıcaklık 80 C’ye kadar yükselmiş sonra tekrar düşüş eğilimine girmiştir. Bu zaman diliminde boyler girişindeki kolektör giriş (dönüş) sıcaklığı 60 C’dir. Saat 09:40 itibari ile kolektör grubunun çıkış sıcaklığının hızla yükselmiş, 10:25 itibari ile sıcaklık değeri 128C olarak ölçülmüştür. Bu saatten sonra saat 12:00’a kadar sıcaklık değerinde ani yükselme ve alçalmalar görülmekte, daha sonra sıcaklık değerlerinin bir rejime girdiği anlaşılmaktadır. Aynı saatlerde boyler girişindeki kolektör dönüş hattı sıcaklığının, çok daha küçük yükselme ve düşüşlerle, sürekli bir artış eğilimi içinde olduğu görülmektedir. Kolektör gurubunun sıcaklık değerlerindeki ani değişimler, kolektör sisteminin hidrolik dengesinin yeterli seviyede sağlanamadığını ortaya koymaktadır. Kolektör gruplarına dağıtılan akışkan debisi ve basıncının eşit seviyede olmayışı, kolektörlerdeki akışkanın belli zaman dilimlerinde faz 12 1 değiştirdiğini, bunun da kolektör sistemi verimini etkilediği görülmüştür. Saat 12:00’dan sonra kolektör sistemindeki dolaşım rejime girerek, sistemde oldukça dengeli bir ısı transferi mekanizmasının oluştuğu görülmektedir. Güneş enerjisinin en yüksek değerleri ulaştığı saatlerde, kolektörlerin giriş çıkışları arasındaki sıcaklık farkının 3–4 C arasında eşit oranda değiştiği görülmüştür. Güneş kolektör sistemindeki hidrolik dengeleme sorunu, güneş kolektörlerini besleyen dolaşım hatlarının tasarımı ve sistemde yer alan kapalı genleşme tankı kapasitesinin yetersiz oluşundan kaynaklanmaktadır. Deney tesisatının oluşturulmasında kullanılan proje bütçesinin sınırlı olması nedeni ile güneş kolektör sistemi tasarımında kısıtlamalara gidilmiştir. Bu kısıtlama nedeni ile güneş kolektörü hattında, taşıyıcı akışkanın güneş kolektör grubuna eşit debide gönderilmesi ve toplanması için dağıtıcı ve toplayıcı boru kolektör sistemi bulunmamaktadır. Ayrıca 50 l hacmindeki kapalı genleşme tankının, kapasite olarak güneş kolektör hattının ihtiyacını karşılayamadığı görülmüştür. Konu ile ilgili olumsuzluğun giderilmesi amacıyla genleşme tankının hat üzerindeki konumu değiştirilse de sorunun çözümü ile ilgili önemli bir iyileştirme sağlanamamıştır. Absorbsiyonlu sistemi oluşturan hatlarda kademeli pompalar kullanılmıştır. Daha dengeli bir dolaşım ve dolayısıyla daha verimli bir çalışma sağlanması için dolaşım hatlarında frekans kontrollü pompalar kullanılabilir. Ancak frekans kontrollü pompaların fiyatlarının, kademeli pompaların fiyatlarına göre iki kat fazla olması ve proje bütçesinin kısıtlı olması nedeni ile sistemde kademeli pompalar tercih edilmiştir. Şekil 4.39’da boyler ve kolektör giriş-çıkış sıcaklıkları görülmektedir (bkz. Şekil 4.39). Deney–4’e benzer şekilde boylerde depolanan su sıcaklığı, güneş kolektör hattının devreye girmesi ile hızlı bir şekilde artarak 83 C’ye kadar yükselmiştir. Bu deneyde, güneş kolektör hattının boylere giriş sıcaklığının 95 C’ye kadar çıktığı görülmektedir. Yüksek sıcaklıklı termal enerjinin harici bir sistemde depolanması yerine absorbsiyonlu cihaza direkt olarak gönderilmesiyle daha yüksek soğutma verimleri sağlanabilir. Boyler sıcaklığı, gece saatleri boyunca azalarak, deney başlangıç sıcaklığının altına kadar gerilemiştir. Ayrıca boylerin üst ve alt hazneleri arasındaki sıcaklık farkının da 12 2 12–10 C arasında eşit oranda değiştiği görülmüştür. Harici enerji depolamalı klasik absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, depo içerisinde biriktirilen akışkandaki sıcaklık farkı, sistem verimini olumsuz etkilemektedir. Li ve Sumathy (2001) bu olumsuzluğun giderilmesi amacıyla bölüntülü depolama sistemini önermiştir. Harici depolamalı klasik absorbsiyonlu sistemlerde görülen bu sorundan ötürü dâhili enerji depolamalı sistemler, alternatiflerine göre daha avantajlı olmaktadır. 4.1.2. Isıtma uygulamasının deneysel analizi Bu bölümde, ısıtma uygulamasının deneysel olarak incelenmesi amacıyla, dış ortam sıcaklıklarının düşük olduğu ancak gündüz saatlerinde güneş enerjisinin temin edilebildiği 2011 yılının Şubat ayında gerçekleştirilen deneyler sunulmuştur. Deneysel ısıtma uygulamasının temel karakteristik özelliklerini belirlemek amacıyla, Deney–6 ve Deney–7 olmak üzere iki farklı gün boyunca elde edilen veriler sunulmuştur. Isıtma periyodunda, absorbsiyonlu cihazın doluluk oranını belirleyen load cell parçasının arızalanması ve arızanın giderilmesi sürecinde yaşanan sorunlar, deneysel çalışmaları olumsuz etkilemiştir. Kış şartlarında, kurulu deney tesisatının iş güvenliği açısından ciddi olumsuz koşullar taşıması nedeni ile ısıtma uygulaması ile ilgili daha fazla deneysel veri elde edilememiştir. Deney tesisatının, iş güvenliği konusundaki sakıncalarının giderilmesi, proje bütçesinin yetersiz olması nedeni ile sağlanamamıştır. Deney tesisatında yer alan absorbsiyonlu ısı pompası sistemi, güneş enerjisi ile hem ısıtma hem de soğutma yapabilen bir sistemdir. Absorbsiyonlu ısı pompası sistemleri, ısıtma-soğutma işlevini yerine getirmek için termal enerjiyi kullanırlar. Ancak, güneş enerjisinin doğası gereği ısıtma ihtiyacı var olduğunda, sistemin çalışması için güneş enerjisinden sağlanan termal enerji oldukça kısıtlı olarak elde edilmektedir. Klasik sistemlerde, her hangi bir enerji kaynağından elde edilen termal enerji direkt olarak ısıtma amaçlı kullanılır. Mevcut termal enerjinin, ilk yatırım maliyetleri yüksek olan absorbsiyonlu sistemlerde kullanılarak ısıtma olayının gerçekleştirilmesine göre klasik ısıtma sistemlerinin kullanımı çok daha avantajlı olmaktadır. Bu nedenle, absorbsiyonlu ısı pompaları, ısıtma uygulamalarında çoğunlukla yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılırlar. 12 3 Deney tesisatında yer alan absorbsiyonlu sistem, temelde soğutma işlemi için tasarlanmıştır. Bir ısı pompası sisteminin ısıtma olayı gerçekleştirebilmesi için, düşük sıcaklıklı bir enerji kaynağından ısı çekmesi gerekir. Düşük sıcaklıklı enerji kaynağı olarak, yeterli büyüklükteki yüzme havuzları ya da yapay göletler, yer altı ve yer üstü suları ve toprak kullanılabilir. Kurulu sistemde, ısıtma olayını gerçekleştirmek için gereken bu tip bir enerji kaynağı bulunmamaktadır. Bu nedenle deney tesisatında yer alan 1000 l hacmindeki çift serpantinli boyler içerisindeki propilen glikol-su eriyiği, düşük sıcaklıklı enerji kaynağı olarak kullanılmıştır. Deney–6, gece saatlerinde dış sıcaklık değerinin 0C’nin altına düştüğü, gündüz saatlerinde ise açık bir gökyüzünün görüldüğü 5–6 Şubat 2011 tarihinde gerçekleştirilmiştir. Deneyde, güneş kolektörlerinden elde edilen akışkan sıcaklığının, absorbsiyonlu cihazın reaktörünü beslemesi için yeterli olmaması sebebiyle, termal enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı kullanılmıştır. Elektrikli ısıtıcının çalışma sıcaklık aralığı 85–95 C olarak belirlenmiştir. Absorbsiyonlu sistemin çalışması için gereken termal enerji tamamen yardımcı enerji kaynağından sağlandığından, şarj-deşarj geçişleri ile cihazın ısıl veriminin düşmemesi amacı ile deney boyunca cihazın tek haznesi şarj işlemi için kullanılmıştır. Isıtma periyodu boyunca güneş enerjisi, düşük sıcaklıklı enerji kaynağı olarak kullanılan boyler içerisindeki akışkanın sıcaklığını arttırmak amacıyla değerlendirilmiştir. Deneyde mahalin ısıtılması amacıyla, absorbsiyonlu cihazın şarj olması esnasında absorber ve yoğuşturucusundan atılan termal eneri ile birlikte, cihazın reaktöründe depolanan termal enerji de kullanılmıştır. Bu şekilde, sistemin dâhili enerji depolama özelliği kullanılarak, depolanan termal enerji ile ısıtma olayının gerçekleştirilmesi sağlanmıştır. Uygulamada 24 saatlik ölçüm periyodu esas alınmıştır. Deney, 00:00 saatinde başlayarak, ertesi gün yine aynı saatte sonlandırılmıştır. Isıtma amacıyla fan- coillerin çalışması oda termostatı ile sağlanmıştır. Oda termostatının çalışma aralığı 19– 22 C olarak belirlenmiştir. Şekil 4.40’da deney boyunca test odası ve dış ortamın sıcaklık değerlerinin değişimi görülmektedir. Deneyde dış sıcaklık değerinin gece saatlerinde 0C’nin altına düştüğü, 12 4 güneşin doğması ile birlikte artarak 16 C’ye kadar yükseldiği görülmüştür. Deneyin başladığı 00:00 saatinde oda sıcaklığı 10 C civarındadır ve absorbsiyonlu cihazın hazneleri tamamen boştur. Bu nedenle oda sıcaklığının 18 C’ye ulaşması iki saatlik ısıtma süresi sonunda sağlanabilmiştir. Oda sıcaklığının 20 C’ye ulaşması ise altı saatlik ısıtma süresi sonrasında gerçekleşmiştir. Oda sıcaklığının yavaş bir şekilde artmasının temel sebebi, ısıtma amacıyla absorbsiyonlu sistemin şarj olması esnasında ısı atım hattında oluşan termal enerjinin kullanılıyor olmasıdır. Isı atım hattındaki sıcaklık değeri absorber-yoğuşturucu sıcaklığına (30 C) eşit olduğundan, ısıtma işlemi yavaş bir şekilde gerçekleşmiştir. 6 saatlik çalışmanın ardından elektrikli ısıtıcı kapatılmış, sağladığı termal enerji ile absorbsiyonlu cihazı %45’lik bir doluluk oranına ulaştırmıştır. Şekil 4.40. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–6) 06:00 itibari ile deneyin sonlandırıldığı saate kadar mahalin ısıtılması için, cihazın reaktöründe depolanan termal enerji kullanılmıştır. Bu şekilde absorbsiyonlu sistemin, yalnızca ısı pompası şeklinde değil, enerji depolama ünitesi olarak kullanımındaki özellikleri de tespit edilmiştir. Reaktör sıcaklığı, absorber-yoğuşturucu sıcaklığına göre 12 5 daha yüksek olduğundan, fan coillerin daha yüksek sıcaklıkta çalışmış, daha hızlı bir ısıtma gerçekleştirilmiştir. Şekil 4.41’de fan coil sıcaklıkları görülmektedir. Şekil 4.41. Fan-coil sıcaklıkları (Deney–6) Saat 08:30 itibari ile güneş enerjisinden kaynaklanan ışınım kazançlarından ötürü test odası içerisindeki sıcaklık değerinde artış görülmektedir. Güneş enerjisinden elde edilen pasif ısıtma ile oda sıcaklığı 25 C’ye kadar ısınmış, 08:30–15:15 saatleri arasında odanın ısıtma ihtiyacı tamamen pasif ısıtma ile karşılanmıştır. Saat 15:15’den sonra oda sıcaklığının 19 C’ye düşmesi ile birlikte, absorbsiyonlu cihazın reaktöründe, elektrikli ısıtıcı tarafından depolanan termal enerji kullanılarak odanın tekrar ısıtılması sağlanmıştır. Reaktörde depolanan enerjinin ısıtma işlemi için yetersiz olması ile birlikte, elektrikli ısıtıcı devreye girerek 17:00–20:00 saatleri arasında absorbsiyonlu cihazın termal enerji ihtiyacını karşılamıştır. Isıtma periyodunda 00:00–06:00 saatleri arasında absorbsiyonlu sistem, elektrikli ısıtıcıdan aldığı termal enerji ile bir ısı pompası gibi çalışarak mahalin ısıtılmasını sağlamıştır. Bu süre zarfı boyunca elektrikli ısıtıcı absorbsiyonlu sistemin reaktörü için 23,18 kWh’lik termal enerji sağlamıştır. Bu enerji ile absorbsiyonlu ısı pompası, ısı atım 12 6 hattında (yoğuşturucu ve absorber) oluşan 34,32 kWh’lik termal enerjiyi fan coiller aracılığı ile mahale göndererek, ısıtma ihtiyacını karşılamıştır. Buna göre absorbsiyonlu ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı Denklem 3.55 ile aşağıdaki şekilde hesaplanmıştır. Q ITK yoğ  Qabs 34,32   1,48 Qre 23,18 Bales ve Nordlander (2005) LiCl-Su eriyikli absorbsiyonlu sistem ile yaptıkları çalışmada, sistemin ısıtma uygulaması için ısıtma tesir katsayısını 1,41 olarak hesapladıklarını bildirmiştir. Şekil 4.42’de ısıtma periyodu boyunca, test odasına gönderilen termal enerji ve elektrikli ısıtıcı tarafından cihaza beslenen termal enerjilerin zamana göre değişimi görülmektedir. Şekil 4.42. Termal enerjilerin zamana göre değişimi (Deney–6) Absorbsiyonlu cihazın ısı pompası olarak kullanıldığı periyotta cihazın ısıl verimi, termal enerji deposu olarak kullanımına göre daha yüksek olmaktadır. Ancak bu durumda fan coil ünitelerinin menfez üfleme sıcaklıkları daha düşük olmakta, odanın ısınma süreci uzamaktadır. Bu nedenle absorbsiyonlu cihazın ısı pompası olarak kullanımı uzun süreli ısıtma periyotları için uygun olabilir. Cihazın enerji deposu olarak kullanımı, güneşten elde edilen termal enerjinin sıcaklık değerinin reaktörü besleyebilecek seviyede olması durumunda daha uygundur ve bu durum Deney–7’de 12 7 incelenmiştir. Eğer termal enerji harici bir ısıtıcı cihaz tarafından sağlanıyorsa ya da güneş kolektörü giriş sıcaklığı, cihazı besleyebilecek sıcaklık değerinden düşükse bu durumda ısıtıcı cihaz ya da güneş kolektör hattının direkt ısı dağıtım sistemine bağlanarak ısıtma amaçlı olarak kullanılması daha doğru bir yaklaşım olacaktır. Deney tesisatında, güneş kolektör hattı veya elektrikli ısıtıcının direkt olarak ısı dağıtım sistemine bağlanmasını sağlayacak bir by-pass hattı olmadığından, bu uygulama deneysel olarak incelenememiştir. Şekil 4.43’te absorbsiyonlu cihazın reaktör-absorber sıcaklıkları, Şekil 4.44’te ise yoğuşturucu-buharlaştırıcı sıcaklıkları görülmektedir. Deney boyunca güneş kolektörlerinden sağlanan enerji, boyler içerisinde depolanan 1000 l. hacmindeki propilen glikol-su eriyiğinin sıcaklığını arttırmak amacıyla değerlendirilmiştir. Deneyde güneş kolektör hattındaki su sıcaklığının, ancak güneş doğduktan uzun bir süre sonra yükselebildiği tespit edilmiştir. Bunun nedeni deneyin yapıldığı günde, gökyüzünün açık olması nedeni ile sabah saatlerinde görülen don olayıdır. Kolektör yüzeylerinin, don olayından ötürü buz tabakası ile kaplanması (Şekil 4.45) ve buz tabakasının güneşin doğuşundan uzun bir süre sonrasında çözülmesi nedeni ile güneş enerjisinden yararlanılması günün ilerleyen saatlerinde mümkün olabilmiştir. Şekil 4.43. Reaktör ve absorber giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–6) 12 8 Şekil 4.44. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–6) Şekil 4.45. Güneş kolektörlerinde buzlanma olayı (Deney–6) Şekil 3.21’den görülebileceği üzere, deney tesisatının kurulduğu bölgede kış aylarında don olayının sıklıkla görülmektedir (bkz. Şekil 3.21). Şubat ayı için don olayının görüldüğü ortalama gün sayısı 11 olarak tespit edilmiştir Don olayına bağlı olarak görülen güneş kolektör sistemi verimindeki azalma, güneş enerjisinin kış aylarında ısıtma amaçlı olarak kullanımı konusunda önemli bir dezavantajdır. 12 9 Şekil 4.46’da güneş kolektör sisteminin boylere giriş-çıkış sıcaklıkları ile boylerin üst ve alt kısımlarındaki sıcaklık değerlerinin zamana bağlı olarak değişimi görülmektedir. Güneş kolektör sisteminin boyler içerisindeki akışkanı ısıtması için gereken sıcaklığa erişmesi, kolektör yüzeyinde görülen buzlanma nedeni ile ancak saat 10:00’dan sonra mümkün olmuştur. Güneş kolektör sistemindeki sıcaklığın yükselmesi ile birlikte, boylerde depolanan akışkan sıcaklığı yükselmiş ve 37 C’ye kadar ulaşmıştır. Güneş kolektör sistemindeki sıcaklığın ulaşabildiği en yüksek değer de 42C olarak tespit edilmiştir. Bu sıcaklık değerinin, termal enerjinin absorbsiyonlu cihazın reaktöründe depolanması için yeterli olmayışından ötürü, termal enerji harici depolama sisteminde depolanmıştır. Söz konusu enerjinin, sıcak kullanım suyunun temini ya da kapalı yüzme havuzunun ısıtılması gibi düşük sıcaklıklı ısıtma işlemlerinde kullanılması mümkündür. Çünkü sıcaklık değeri bu uygulamaları gerçekleştirmek için uygundur. Ayrıca, güneş kolektör sisteminin ısı dağıtım sistemine bağlanmasının mümkün olduğu durumlarda, güneş enerjisi direkt olarak mahal ısıtma işleminde de kullanılabilir. Bu uygulamanın gerçekleştirilebilmesi için ısı dağıtım sisteminin fan-coil ya da yerden ısıtma gibi düşük sıcaklıkta çalışabilen sistemlerden oluşması gerekmektedir. Örneğin ısıtma sistemlerinde ısı dağıtım sistemi olarak sıkça tercih edilen panel radyatörler ile bu tip bir ısıtma uygulamasının verimli bir şekilde yapılması mümkün değildir. Şekil 4.46. Güneş kolektör sistemi ve boyler sıcaklıkları (Deney–6) 13 0 Şekil 4.47 ve Şekil 4.48’de sırasıyla elektrikli ısıtıcı ve absorbsiyonlu sistem bileşenlerinin enerji tüketim değerlerinin zamana göre değişimi görülmektedir. Şekil 4.47. Elektrikli ısıtıcı enerji tüketim değerleri (Deney–6) Şekil 4.48. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri (Deney–6) 13 1 Elektrikli ısıtıcı, günlük ısıtma periyodu boyunca toplam 9 saat çalışmış ve çalışma süresi boyunca 59,8 kWh elektrik tüketmiştir. Enerji tüketimi açısından değerlendirildiğinde, yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı kullanılmasının yüksek enerji sarfiyatına yol açtığı görülmektedir. Bu noktada ısıtma için yüksek ısıtma tesir katsayılarına sahip buhar sıkıştırmalı mekanik ısı pompası sistemlerinin kullanımı, enerji tüketiminin azaltılması noktasında çok daha avantajlıdır. Deney tesisatında kullanılan elektrikli ısıtıcının ısıl gücünün (9,6 kW) yetersiz olması nedeni ile termal enerjinin verimsiz bir şekilde kullanılması söz konusu olmuştur. Kapasitenin arttırılması, elektrik şebekesinin yüksek tüketim değerleri için uygun olmayışı nedeni ile mümkün olmamıştır. Aynı şebeke sorununun konutlarda da söz konusu olması ve elektrik enerjisinin birim maliyetinin diğer enerji kaynaklarına göre (doğalgaz, kömür) daha yüksek olması nedeni ile (Anonim 2012a, Anonim 2012b) ısıtma uygulamaları için alternatif enerji kaynaklarının kullanımı düşünülebilir. Termal enerji kaynağı olarak doğalgaz ya da katı yakıtlı kazanların tercih edilmesi hem enerji maliyetleri hem de yüksek ısıl güç sağlayabilmeleri açısından bu sistemleri alternatiflerine göre daha avantajlı kılmaktadır. Ancak fosil yakıtların yol açtığı çevresel sorunlar ve yakın gelecekte tükenecek olmaları bu sistemler için önemli bir dezavantajdır. Tüm bu nedenlerden ötürü ısıtma uygulamalarında, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan yüksek verimli ısıtma sistemlerinin kullanılması, absorbsiyonlu sistemlerin ise yardımcı ısıtma sistemi olarak tercih edilmesi en doğru seçim olacaktır. Absorbsiyonlu sistem enerji tüketim değerleri incelendiğinde, sistemin ısıtma periyodu boyunca toplam enerji tüketiminin 4,9 kWh olduğu görülmektedir. Deneyde, absorbsiyonlu sistemin günlük çalışma periyodu boyunca saatlik ortalama enerji tüketim değerinin 0,2 kWh olduğu tespit edilmiştir. Soğutma sezonunda yapılan deneylerde sistemin saatlik ortalama enerji tüketim değerinin 0,56–0,65 kWh olduğu hesaplanmıştır. Enerji tüketimindeki azalmanın en önemli sebebi, ısıtma uygulamalarında soğutma kulesinin kullanılmıyor olmasıdır. Absorbsiyonlu sistem bileşenleri arasında en yüksek enerji tüketim değerine sahip olan ekipman soğutma kulesidir. Bu nedenle absorbsiyonlu sistemlerde, ısı atım sisteminin doğru bir şekilde projelendirilmesi, sadece sistem verimi açısından değil, sistemin işletim maliyetleri açısından da oldukça önemlidir. 13 2 Deneyde, oda içerisindeki bağıl nemin değişimi ölçülerek Şekil 4.49’da sunulmuştur. Test odası içerisindeki sıcaklık değeri istenilen seviyelerde olduğunda, bağıl nem değerinin konfor şartlarını sağladığı söylenebilir. Ancak ısıtma periyodunun başlangıcında, fan coillerin düşük üfleme sıcaklıklarında kesintisiz çalıştığı dönemde bağıl nem değerinin düşük olduğu görülmektedir. Özellikle, mahalin güneş ışınımı kazançları sonucu pasif ısıtma ile ısıtıldığı dönemde bağıl nem değerinin %23 seviyelerine kadar düştüğü ve oda içerisindeki koşulların konfor şartlarını sağlayamadığı görülmüştür. Pasif ısıtmanın uygulanacağı ısıtma işlemlerinde, söz konusu olumsuzluğun giderilmesi açısından harici nemlendirme ekipmanlarının kullanımı sorunu ortadan kaldırabilir. Deneyde, ısıtma sisteminin tekrar devreye girmesi ile oda bağıl neminin artışa geçerek sonraki saatlerde konfor şartlarını sağlayacak seviyelere ulaşmıştır. Şekil 4.49. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–6) Deney–7, 9 Şubat 2011 tarihinde, dış ortam sıcaklığının düşük, gökyüzünün açık ve bulutsuz olduğu bir günde gerçekleştirilmiştir. Deneyin amacı, herhangi bir yardımcı enerji kaynağı kullanmaksızın, absorbsiyonlu sistemin güneşli bir günde ısıtma uygulamasındaki kullanım özelliklerinin belirlenmesidir. Deneyde test odasının ısıtılması için de herhangi bir ısıtma sistemi kullanılmamış, ısıtma olayı sadece 13 3 absorbsiyonlu ısı pompası sistemiyle gerçekleştirilmiştir. Şekil 4.50’de dış ortam ve test odası sıcaklıklarının zamana göre değişimi görülmektedir. Şekil 4.50. Test odası ve dış ortam sıcaklığının zamana bağlı değişimi (Deney–7) Güneş kolektör sistemi, deney boyunca direkt olarak absorbsiyonlu cihaza bağlanmıştır. Güneş kolektörlerindeki sıcaklık değeri saat 08:00 itibari ile yükselişe geçerek, saat 10:50 itibari ile 85 C’ye ulaşmış ve absorbsiyonlu cihazın reaktörünü beslemeye başlamıştır. Şekil 4.51’de güneş kolektör hattı sıcaklık değerleri görülmektedir. Güneş enerjisinin uygun sıcaklık değerlerine ancak öğlen saatlerine ulaşabilmesinde, kolektör yüzeyinde don olayından ötürü görülen buzlanmanın etkisi büyüktür. Deney-7’ye benzer şekilde sabah saatlerinde gökyüzünün açık olması nedeni ile görülen don olayı, kolektör yüzeyinde buzlanmaya sebep olmuştur (Şekil 4.52). Kolektör yüzeyinde oluşan buzlanma, güneş ışınlarının etkisi ile çözüldükten sonra kolektör sıcaklığı hızla yükselerek 85 C’ye kadar ulaşmıştır. Kış mevsimi şartlarında düz tip güneş kolektörlerinden yüksek sıcaklıkta termal enerji eldesinin sağlanması, güneş kolektör tasarımının doğru bir şekilde yapıldığını göstermektedir. Güneş enerjisi saat 14:20’ye kadar reaktörü besleyecek sıcaklıkta kalmıştır. 14:20’den sonra sıcaklığın düşmesi ile birlikte, reaktör girişindeki vana otomatik olarak kapanarak şarj işlemini sonlandırmıştır. Güneş enerjisi vasıtasıyla cihazın reaktörüne 9,9 kWh’lik termal enerji depolanmıştır. 13 4 Şekil 4.51 Güneş kolektör hattı sıcaklık değerleri (Deney–7) Şekil 4.52. Güneş kolektörleri üzerindeki buzlanma ve buzların çözülmesi (Deney–7) Absorbsiyonlu cihazın reaktörü şarj olurken, ısı atım hattındaki oluşan termal enerji mahalin ısıtılması için kullanılabilir. Şarj olayı esnasında yoğuşturucu sıcaklığının 45 C’ye kadar yükseldiği görülmektedir (Şekil 4.53). Ancak ısı atım hattında oluşan enerji, oda içerisindeki güneşlenme kazançları sonucu (Şekil 4.54) sağlanan pasif ısıtma nedeni ile mahalin ısıtma ihtiyacı olmadığından şarj olayı esnasında değil, depolanmış enerji olarak şarj olayından sonra kullanılmıştır. Bu enerji, şarj olayı esnasında sıcak kullanım suyunun ısıtılmasında yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılabilir. 13 5 Şekil 4.53. Hazne B reaktör ve yoğuşturucu giriş-çıkış sıcaklıkları (Deney–7) Şekil 4.54. Güneşlenme kazançları ile pasif ısıtma uygulaması (Deney–7) 14:40’da test odası sıcaklığının düşmesi ile birlikte ısıtma ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Isıtma uygulaması için öncelikle cihazın yoğuşturucusunda depolanan termal enerji kullanılmıştır. 14:40–15:45 saatleri arasında cihazın yoğuşturucusundan elde edilen 4 kWh’lik termal enerji ile odanın ısıtılması sağlanmıştır. 15:45’ten sonra yoğuşturucu sıcaklığının azalması ile birlikte, reaktörde depolanan termal enerji ısıtma amaçlı olarak kullanılmıştır. Reaktörde depolanan 2,6 kWh’lik termal enerjinin mahale gönderilmesi 13 6 ile 15:45–18:45 saatleri arasında ısıtma olayı devam etmiştir. Reaktör sıcaklığının, ısıtma amaçlı kullanıma uygun seviyelerin altına düşmesi ile birlikte deney sonlandırılmıştır. Şekil 4.55’de ısıtma periyodu boyunca, güneş kolektörleri tarafından cihaza beslenen termal enerji ve test odasına gönderilen termal enerjinin zamana göre değişimi görülmektedir. Şekil 4.55. Termal enerjilerin zamana göre değişimi (Deney–7) Deneyde, mahalin ısıtılması için tamamen güneş enerjisinden faydalanılmıştır. Güneş kolektörlerinden elde edilen 9,9 kWh’lik termal enerji absorbsiyonlu cihazda depolanmıştır. Isıtma ihtiyacının karşılanması amacıyla, cihazın haznelerinde depolanan 6,6 kWh’lik termal enerji mahale gönderilerek, yaklaşık dört saat boyunca test odasının ısıtılması sağlanmıştır. Güneş kolektörlerinden sağlanan termal enerji ile test odasına gönderilen termal enerji arasındaki fark, enerjinin depolanmasında ve kullanımına kadar geçen süre boyunca oluşan ısıl kayıplardır. Güneş enerjisinin pasif ısıtma etkisi sayesinde test odası 10:35–14:40 saatleri arasında yaklaşık dört saat boyunca istenilen sıcaklık değerlerinde tutulmuştur. Buna göre 24 saatlik ısıtma periyodunda, pasif ısıtma ve absorbsiyonlu cihazın enerji depolama özelliği sayesinde toplam sekiz saat boyunca güneş enerjisi kullanılarak test odasının ısıtılması sağlanmıştır. Buna göre mahalin 13 7 günlük ısıtma ihtiyacının %33’lük kısmı, tamamen güneş enerjisi aracılığıyla karşılanmıştır. Deney boyunca absorbsiyonlu sistemin enerji tüketim değerleri Şekil 4.56’da görülmektedir. Buna göre sistem çalıştığı süre boyunca sadece 1,2 kWh elektrik enerjisi tüketmiştir. Absorbsiyonlu sistemin gün boyunca yaklaşık 11 saat çalıştığı düşünülürse, sistemin günlük çalışma periyodu boyunca saatlik ortalama enerji tüketim değeri 0,11 kWh’tir. Deneyde, güneş enerjisinin yeterince elde edilebildiği bir kış gününde, son derece düşük enerji sarfiyatları ile günlük ısıtma ihtiyacının %33’lük kısmının (%16,6 pasif ısıtma, %16,6 absorbsiyonlu sistem ile aktif ısıtma) güneş enerjisinden karşılanabildiği görülmüştür. Bu nedenle, mimari açıdan doğru şekilde tasarlanmış yapılarda, dâhili enerji depolamalı absorbsiyonlu ısı pompası sistemlerinin, ısıtma uygulamalarında yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılması, işletme maliyetleri açısından büyük kazançlar sağlayacaktır. Bu sistemlerin kullanımları ile birlikte enerji tüketim değerlerindeki azalma, enerji tüketimine bağlı çevresel ve ekonomik sorunların çözümünde önemli rol oynayacaktır. Şekil 4.56. Sistem bileşenleri enerji tüketim değerleri (Deney–7) 13 8 Şekil 4.57’de deney boyunca test odasındaki bağıl nemin değişimi görülmektedir. Deney-6’ya benzer şekilde, absorbsiyonlu cihazın devrede olduğu süre içerisinde, oda içerisindeki bağıl nem değerinin konfor şartlarını sağladığı görülmektedir. Ancak test odasının ısı ihtiyacının pasif ısıtma ile sağlandığı dönemde, bağıl nem değerinin %33’e kadar gerilediği tespit edilmiştir. Bu nedenle pasif ısıtma döneminde, test odasının bağıl nem değerinin arttırılması gerekmektedir. İdeal yaşam alanları, ısıl konfor şartlarının tam anlamıyla sağlandığı ve ısıl konfor gereksinimlerinin tümüyle karşılandığı alanlar olmalıdır. Günümüzde, özellikle ülkemizde, ısıl konfor parametresi olarak, genellikle sadece ortam sıcaklığı temel alınmaktadır. Konfor şartlarından yoksun yaşam alanları, yaşamsal faaliyetleri ve insan sağlığını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle doğru projelendirilmiş mimari yapıların ve iklimlendirme sistemlerinin hayata geçirilmesi ile söz konusu sorunlar ortadan kaldırılarak; daha konforlu şartlarda yaşayan ve çalışan, daha mutlu ve daha üretken insanlarla toplum refahının arttırılması mümkün olacaktır. Şekil 4.57. Test odası bağıl neminin zamana göre değişimi (Deney–7) 13 9 4.2. Sayısal Uygulama Sonuçları Bu bölümde tez çalışması ile ilgili yapılan sayısal analiz sonuçları sunularak yorumlanacaktır. Çalışmada öncelikle test odasının soğutma ve ısıtma uygulamalarının TRNSYS programında yapılan sayısal analizleri sunulacaktır. Ardından, Bursa bölgesinde yer alan örnek bir konut için absorbsiyonlu sistemin yıl boyu çalışma performansını gösteren simülasyon sonuçları verilerek, sistemin çalışma özellikleri ve çalışma performansına etki eden parametreler incelenecektir. Aynı konutun, Türkiye’nin farklı illerinde bulunması halindeki performans analizleri karşılaştırmalı olarak sunulacak ve yorumlanacaktır. 4.2.1. Soğutma ve ısıtma uygulamaları için sayısal analiz sonuçları Sayısal analiz işleminde kullanılan simülasyon programının tanıtımı ve kullanım özellikleri Bölüm 3.11’de sunulmuştur. Bu bölümde TRNSYS programında oluşturulan ClimateWell-Solar Cooling v1.1 (Anonim 2010 d) yazılımı ile matematik model tarafından elde edilen simülasyon sonuçları ve absorbsiyonlu sistem için elde edilen deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Doktora çalışması dâhilinde gerçekleştirilen soğutma ve ısıtma uygulamaları, bu uygulamaların temel karakteristik özelliklerini gösteren Ağustos ve Şubat ayları içerisinde gerçekleştirilmiş ve sistem bileşenlerinin bir günlük soğutma-ısıtma periyodu boyunca çalışma özellikleri ve sistem verimleri incelenmiştir. TRNSYS programı ile oluşturulan simülasyonda, absorbsiyonlu sistemin soğutma-ısıtma-sıcak su eldesi uygulamalarında optimum verimde çalışabilmesi için en uygun sistem bileşenleri bir araya getirilerek, sayısal çözüm için bazı kabuller yapılmıştır. Şekil 4.58’de, bu uygulamalar için absorbsiyonlu cihazın üretici firması tarafından önerilen sistem şeması yer almaktadır. 14 0 Şekil 4.58. Absorbsiyonlu cihazın üretici firması tarafından önerilen absorbsiyonlu sistem şeması (Anonim 2010d) Deney tesisatının oluşturulmasında, proje bütçesinin sınırlı olmasından ötürü, önerilen sistem şeması ile mevcut kurulu sistem şeması arasında farklılıklar söz konusudur. Sayısal çözüm için TRNSYS modelinde, Bursa ili için dış ortamın atmosferik özelliklerinin belirlenmesinde Meteonorm meteorolojik verileri (Anonim 2011e) kullanılmıştır. Simülasyon programında kontrol stratejisi olarak, güneş kolektörlerinden elde edilen termal enerjinin soğutma uygulamasında direkt olarak absorbsiyonlu cihaza verilmesi, ısıtma uygulamasında ise ısıtma ihtiyacı ve sıcak kullanım suyu eldesi için harici depolama tanklarına verilmesi öngörülmüştür. Yapılan deneysel çalışmalarda da ısıtma uygulaması için absorbsiyonlu cihazın yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılmasının daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Tüm uygulamalar için sistemde yardımcı enerji kaynakları olarak elektrik, doğalgaz, kömür ve fuel-oil kullanılabilmektedir. Deneysel ve sayısal sonuçların karşılaştırılmasında yardımcı enerji kaynağı olarak elektrik enerjisi seçilmiştir. Soğutma uygulamasında, güneş enerjisi direkt olarak absorbsiyonlu cihaza yönlendirilmiştir. Simülasyon uygulamasında, oda sıcaklığının 19C’nin altına düşmesi ile güneş enerjisinden sağlanan termal enerji 14 1 fazlasının harici depolama sistemine gönderilmesi önerilmektedir. Deneysel çalışmada güneş enerjisinden elde edilen termal enerji harici depolama sistemine aktarılacak kadar fazla olmadığından, çalışmada harici depolama sistemi kullanılmamıştır. Sayısal çözümde de harici depolama sisteminin kullanılmaması için, harici depo sıcaklık değeri oda sıcaklığına eşit olarak alınmıştır. Soğutma uygulamasında simülasyon programı tarafından dış ve iç ortam sıcaklıkları, güneş kolektör sistemi sıcaklıkları, absorbsiyonlu ısı pompası bileşenlerinin (reaktör, absorber, yoğuşturucu, buharlaştırıcı) sıcaklıkları ve soğutma tesir katsayısı değerleri elde edilerek deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ayrıca sistemin daha uzun çalışma periyotlarındaki performansının incelenmesi amacıyla, mevcut kurulu sistemin aylık çalışma periyotlarındaki çalışma özellikleri belirlenmiştir. Isıtma uygulamasında ise absorbsiyonlu cihazın bir termal enerji deposu olarak kullanılması öngörülmüştür. Yapılan deneysel çalışmalarda da absorbsiyonlu cihazın yardımcı bir sistem olarak, termal enerji depolaması amacıyla kullanılmasının daha uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Deneysel ısıtma uygulamasında, cihazın ısı pompası şeklinde çalışması durumunda ısıtma tesir katsayısı hesaplanmıştır. Ancak bu uygulamanın ısıtma periyodundaki sakıncalarına dikkat çekilmiştir. Simülasyon işleminde absorbsiyonlu cihaz ısı pompası şeklinde kullanılmadığından, bu uygulama için sistemin ısıtma tesir katsayısının sayısal analiz ile tespit edilmesi mümkün olmamıştır. Isıtma uygulamasında simülasyon programı tarafından dış ve iç ortam sıcaklıkları, güneş kolektör sistemi sıcaklıkları ve absorbsiyonlu ısı pompası bileşenlerinin sıcaklıkları elde edilerek deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Simülasyon programında, sayısal çözüm için veri girdileri, simülasyon parametreleri, güneş kolektör sistemi, bina bilgileri ve absorbsiyonlu sistem bilgileri başlığı altında toplanmıştır. Simülasyon parametrelerinde, simülasyon süresi olarak günlük, haftalık, iki haftalık, aylık ve yıllık simülasyonlar tanımlanabilmektedir. Soğutma ve ısıtma uygulamaları için sırasıyla 3 Ağustos ve 5 Şubat günlerinde günlük simülasyon işlemi uygulanmıştır. Simülasyonun gerçekleştirileceği bina tipi ofis binası, binanın bulunduğu bölge Bursa-Türkiye olarak belirlenmiştir. Sistem için yardımcı enerji kaynağı olarak elektrik enerjisi ve elektrikli ısıtıcı ortalama verimi ise 0,7 olarak seçilmiştir. 14 2 Güneş kolektör sistemi, 40 m2 toplam kolektör yüzey alanına sahip, kolektör eğim açısı 30 ve güney yönünden doğu yönünde doğru 40’lik sapma yapacak şekilde belirlenmiştir. Kolektör sistemi ile absorbsiyonlu cihaz arasındaki toplam boru uzunluğu 20 m. olarak belirlenmiştir. Deney tesisatında kullanılan Wunder Premium 2510 güneş kolektörünün simülasyonda kullanılacak sayısal verileri mevcut olmadığından, özellikleri Wunder Premium 2510 serisi ile benzer özellikleri taşıyan Vitosol 200 F serisi (Anonim 2011f ) kolektör tipi olarak belirlenmiştir. Sistemde izin verilen maksimum kolektör sıcaklığı, sistemin güvenli bir şekilde çalışması açsından 115C olarak seçilmiştir. Simülasyon işlemi için test odasının net kullanım alanı 30m2, güneye bakan dış duvar ve pencere alanları ise 9 m2 olarak programa girilmiştir. Pencere için cam geçirgenlik değeri 0,5 olarak alınmıştır. Deneysel işlemler esnasında oda içerisinde üç kişi olduğu ve kişi başına sıcak kullanım suyu ihtiyacının 30 l/dak olması öngörülmüştür. Sıcak kullanım suyu tankının sıcaklık değeri 40C olarak belirlenmiştir. Test odası için dâhili ısı kazançları 981 W olarak hesaplanmıştır (bkz. Çizelge 3.2). Simülasyon işlemi için metrekare başına ısı kazanç değeri 32,7 W olarak belirlenmiştir. Test odasının ısıl kazanç değerinin program tarafından hesaplanması için, tüm yapı bileşenlerinin ortalama ısı geçiş katsayısı (UA) değeri 280 W/K olarak tespit edilmiştir. Binaların ısıl kütle değeri metrekare başına 200-600 kj/K olarak alınır (Anonim 2010d). Test odasının tüm duvarları ekstrüde polistren yalıtım plakaları ile içten yalıtılmış olduğundan, binanın ısıl kütle değeri yüksek olan yapı elemanları dış ortam koşullarına direkt olarak maruz kalmaktadır. Bu durumda yapı elemanlarının ısıl depolama özelliği, soğutma ve ısıtma uygulaması için önemli bir dezavantaj oluşturmaktadır. Buna göre test odası için bu ısıl kütle değeri metrekare başına 600 kj/K, tüm bina için 18000 kj/K olarak belirlenmiştir. Test odasında güneş ışınımını engelleyecek herhangi bir sistem bulunmamaktadır ve bu nedenle simülasyonda direkt güneş ışınımını engellenmesi söz konusu değildir. Isı dağıtım sistemi olarak fan-coil kullanılmış ve çalışma sıcaklık aralığı soğutma uygulaması için 7–12C, ısıtma uygulaması için 50–40C olarak belirlenmiştir. 14 3 Absorbsiyonlu sistem bileşenlerinde, harici depo özellikleri programa girilerek, depo soğutma döneminde kullanılmadığından sıcaklık değeri 25 C, ısıtma dönemi için 40C olarak belirlenmiştir. Isı atım sistemi olarak soğutma kulesi seçilmiş, fan gücü 0,75 kW ve tasarım sıcaklık değeri 35 C olarak belirlenmiştir. Isıtma döneminde ısı kazancının sağlandığı ısı atım hattında çift serpantinli boyler kullanıldığından, simülasyon programında ısı atım hattında, çevre sıcaklığı 20 C olan 1 m3 hacminde kapalı yüzme havuzu modeli kullanılmıştır. Deneysel olarak gerçekleştirilen soğutma uygulamasının simülasyon programı ile yapılan sayısal analizde, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemin günlük toplam soğutma ihtiyacının %99’luk bölümünü karşıladığı ve soğutma tesir katsayısının 0,30 olduğu tespit edilmiştir. Aynı şartlar altında yapılan deneysel uygulamada STK değerinin 0,28 olduğu düşünüldüğünde, sistem veriminin deneysel ve sayısal uygulama sonucunda çok yakın değerlere sahip olduğu ve değerlerin birbirini doğruladığı görülmektedir. Deney tesisatının bulunduğu koordinatlar için Ağustos ayında dış ortam sıcaklığının ortalama değeri 23,9C, en yüksek değeri ise 28,7 C olarak hesaplanmıştır (bkz. Şekil 3.16). Simülasyon sonucunda dış ortam sıcaklığının en yüksek değeri 25 C olarak hesaplanmıştır. Deneysel uygulamada ise dış sıcaklık değerinin 36 C’nin üzerine çıktığı görülmektedir (bkz. Şekil 4.1). Bu nedenden ötürü, sistemin soğutma tesir katsayısının hesaplanmasında deneysel ve sayısal uygulamalar arasında az miktarda da olsa bir fark oluşmuştur. Deneysel uygulamada yardımcı enerji kaynağı ile birlikte çalışan absorbsiyonlu sistem test odasının soğutma periyodu boyunca günlük toplam soğutma ihtiyacının %100’lük bölümünü karşılamıştır. Deneysel uygulamada günlük sıcak kullanım suyu ihtiyacının tamamı karşılanmıştır, simülasyon sonucunda bu ihtiyacın sistem ile karşılanma oranı %96 olarak tespit edilmiştir. Şekil 4.59’da simülasyon sonucunda dış ortam ve oda sıcaklığının değişimi, Şekil 4.60’da ise kolektör giriş-çıkış sıcaklıklarının değişimi görülmektedir. 14 4 Şekil 4.59. Soğutma uygulaması-test odası ve dış ortam sıcaklığı Şekil 4.60. Soğutma uygulaması-kolektör hattı gidiş-dönüş sıcaklıkları Şekil 4.2 ve Şekil 4.14, soğutma uygulamalarında güneş kolektör sıcaklıklarını göstermektedir. Her iki şekilde de kolektör sıcaklıklarının değişimi simülasyon sonucu elde edilen kolektör sıcaklık değişimine benzer olduğu görülmektedir. Özellikle, tüm soğutma yükünün absorbsiyonlu sistem ile karşılandığı Deney–1 için elde edilen kolektör sıcaklık grafiği (bkz. Şekil 4.2), Şekil 4.59’a benzer şekilde saat 07:00’dan sonra yükselişe geçmiş, şarj-deşarj geçişlerinde sıcaklık dalgalanmaları yaşamıştır. Simülasyon sonuçlarında da bu dalgalanmanın oluştuğu gözlenmektedir. Sistem, öğlen saatlerinde en yüksek sıcaklık değerine ulaşmış, daha sonra saat 15:00 itibari ile düşüşe 14 5 geçmiştir. Kolektör hattı gidiş-dönüş sıcaklıklarının saat 15:00’dan sonra aynı değerleri alarak grafik üzerinde çakışık iki eğri boyunca azaldığı görülmektedir. Simülasyon grafiğinde kolektör sıcaklıklarının 110C’ye kadar ulaştığı görülmektedir. Kolektör sisteminin verimini ifade eden Şekil 4.39’da da benzer şekilde kolektör çıkış sıcaklıklarının 110C’yi geçtiği görülmektedir. Ancak, Şekil 4.2 ve Şekil 4.14’de sıcaklık değeri ancak 90C mertebelerine yaklaşmıştır. Maksimum sıcaklıklar konusunda görülen fark, simülasyon işlemi için benzer özellikli kolektör tipinin (Vitosol 200 F) seçilmiş olması ve kolektör sistemindeki hidrolik dengenin yetersizliğinden kaynaklanmaktadır. Şekil 4.61’de simülasyon sonucunda absorbsiyonlu sistem bileşenlerinin, Şekil 4.62’de ise ısı atım hattı gidiş-dönüş sıcaklık değerlerinin grafiksel gösterimi yer almaktadır. Şekil 4.61. Soğutma uygulaması-absorbsiyonlu sistem bileşenleri sıcaklık değerleri Şekil 4.61’da reaktör, absorber, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı sıcaklıklarının; şarj-deşarj geçişleri ile değişim gösterdiği görülmektedir. Deneysel çalışmada olduğu gibi simülasyon uygulamasında da reaktör sıcaklığı şarj-deşarj geçişlerinde azalarak tekrar yükselmiştir. Deneysel çalışmada, şarj-deşarj geçişleri soğutma ihtiyacına göre manüel olarak yapılmıştır. Simülasyon uygulamasındaki kontrol stratejisinin farklı oluşu nedeni ile bu geçişlerin, sayısal analiz yönteminde daha seyrek gerçekleştiği görülmektedir. 14 6 Şekil 4.62. Soğutma uygulaması-ısı atım hattı gidiş-dönüş sıcaklık değerleri Isı atım hattındaki sıcaklık değerinin değişimi, sayısal (Şekil 4.62) ve deneysel uygulamalarda (bkz. Şekil 4.7, Şekil 4.19, Şekil 4.31) büyük benzerlik göstermektedir. Deneysel uygulamalarda olduğu gibi ısı atım hattı sıcaklık değeri 35C’nin üzerine çıkarak, soğutma verimini negatif yönde etkilemiştir. Isı atım hattı sıcaklığının, soğutma verimi üzerindeki etkisini görmek amacıyla, simülasyon programında soğutma kulesi dizayn sıcaklığı ile soğutma tesir katsayısının değişimi incelenmiştir. 3 Ağustos şartları için yapılan sayısal uygulamada, soğutma kulesi dizayn sıcaklığı, 10C ile 40C arasında alınarak sistemin soğutma verimi hesaplanmıştır. Şekil 4.63’de, sistemin soğutma tesir katsayısının, soğutma kulesi dizayn sıcaklığı ile değişimi görülmektedir. Soğutma kulesi dizayn sıcaklığı, dış ortamın yaş termometre sıcaklığına göre belirlenir. Sistemin soğutma tesir katsayısı, dizayn sıcaklığının 10C olduğu durumda 0,36 iken, dizayn sıcaklığının yükselmesi ile azalarak 40 C’de 0,27 değerine gerilemiştir. Bu durum, sistemin absorber ve yoğuşturucusunda oluşan termal enerjinin verimli bir şekilde atılmasının, sistemin soğutma verimi açısından son derece önemli olduğunu göstermektedir. Isı atım hattında farklı sistemlerin kullanılması ile sistemin soğutma verimi iyileştirilebilir. Örneğin 3 Ağustos şartları için yapılan sayısal uygulamada, ısı atım hattı olarak dış ortamda bulunan bir yüzme havuzunun, iç ortamda bulunan bir yüzme havuzunun ya da bir sondaj çukurunun kullanılması durumunda, sistemin soğutma tesir katsayısı değerleri Çizelge 4.4’de görülmektedir. 14 7 Şekil 4.63. Soğutma tesir katsayısının soğutma kulesi dizayn sıcaklığı ile değişimi Çizelge 4.4. Farklı ısı atım hattı ekipmanları ile soğutma tesir katsayısı değerleri Kullanılan ısı atım hattı Sistem özelliği Absorbsiyonlu sistem STK değeri 2 Yüzme Havuzu (Dış ortam) 5x10 = 50 m Yüzey alanı 50 m2 x2.5 m = 100m3 hacim 0,36 5x10 = 50 m2 Yüzey alanı 2 3 Yüzme Havuzu (İç ortam) 50 m x2.5 m = 100m hacim Çevre Sıcaklığı =20oC 0,33 Bağıl nem=%70 Sondaj Derinliği =150 m Sondaj Kuyusu Kuyu adedi=1 Toprak ısıl iletkenliği = 2,5 W/mK 0,35 Toprak sıcaklığı = 15oC Çizelge 4.4’den görüleceği üzere, ısı atım hattı olarak farklı sistemlerin kullanılması ile sistemin soğutma tesir katsayısı arttırılabilir. Özellikle yüzme havuzunun ısı atım sistemi olarak kullanımı hem sistem verimini iyileştirmekte, hem de havuzun harici bir sistemle ısıtılması ihtiyacını azaltmakta ya da ortadan kaldırmaktadır. Sondaj kuyusu kullanımı sistem verimini arttırsa da sondaj maliyetlerinin yüksek oluşu nedeni ile bu alternatifin değerlendirilmesi çoğu zaman ekonomik açıdan uygun olmamaktadır. 14 8 Sistem tasarımı yapılırken ısı atım hattının doğru bir şekilde projelendirilmesi hem sistem verimi açısından hem de işletme maliyetleri açısından oldukça önemlidir. Çizelge 4.5. Farklı ısı dağıtım hattı ekipmanları ile soğutma tesir katsayısı değerleri Kullanılan ısı dağıtım hattı Sistem özelliği Absorbsiyonlu sistem STK değeri Fan-coil sistemi Çalışma sıcaklığı 10–15oC 0,34 Havalandırma kanalı Çalışma sıcaklığı 12–17oC 0,35 Havalandırma kanalı Çalışma sıcaklığı 15–20oC 0,33 Tavan tipi radyant soğutma Tavana monteli borular aracılığı sistemi ile ısı dağıtımı 0,29 Taban tipi radyant soğutma Tabana monteli borular aracılığı sistemi ile ısı dağıtımı 0,16 Çizelge 4.5’te 3 Ağustos şartları için yapılan sayısal uygulamada farklı ısı dağıtım sistemleri ile elde edilen soğutma tesir katsayısı değerleri sunulmuştur. Buna göre soğutma verimi açısından alternatifleri arasında en uygun sistem, çalışma sıcaklığı 12– 17C olan ve taşıyıcı akışkan olarak havayı kullanan havalandırma kanalı sistemidir. Bu sistem aynı zamanda mahal için gerekli temiz havanın temini, nemlendirilmesi ve filtrasyonu için de kullanılabileceğinden ısıl konfor şartlarının sağlanması açısından diğer sistemlere göre daha avantajlıdır. Ancak kanalların ilk yatırım maliyeti ve yerleşimi konusunda mimari açıdan yaşanan sıkıntılar, sistem tasarımı yapılırken göz önüne alınmalıdır. Aynı sistemin çalışma sıcaklığının 15–20oC olması durumunda soğutma tesir katsayısının 0,33’e gerilediği görülmüştür. Yapılan deneysel çalışmada (Deney–1), çalışma sıcaklığı 7–12 C olan fan-coiller kullanılmış ve aynı çalışmanın sayısal olarak incelenmesinde soğutma tesir katsayısı 0,3 olarak hesaplanmıştır. Fan- coil çalışma sıcaklığının 10–15 C olması durumunda bu değerin 0,34’e yükseldiği görülmektedir. Standartlara göre 27 C ortam sıcaklığı ve %50 bağıl nem için, fan-coil gidiş-dönüş akışkan sıcaklığı 7–12 C alınır (Henning 2007). Ancak daha yüksek çalışma sıcaklıklarında kullanılan fan-coillerin, absorbsiyonlu sistemin soğutma verimini arttırdığı görülmektedir. Bu nedenle, soğutulacak mahal içerisindeki konfor şartları gözetilerek, fan-coil sıcaklıklarının daha yüksek çalışma sıcaklıklarında kullanılması ile absorbsiyonlu sistemin sistem verimi arttırılabilir. 14 9 Isı dağıtım sistemi olarak radyant soğutma sistemlerinin tercih edilmesi durumunda, sistemin monte edileceği alanın tavan ya da tabanda oluşu sistemin verimini etkilemektedir. Taban tipi radyant soğutma sisteminde, binanın tabanına döşenen borular içerisinden geçirilen soğuk taşıyıcı akışkan vasıtasıyla soğutma işlemi yapılmaktadır. Ancak, soğuk havanın yoğunluğu, mahal içerisinde bulanan sıcak havaya göre daha fazla olduğundan, soğutulan hava ağırlaşarak taban yüzeyine yakın bölgede birikir ve mahal içerisinde bir sıcaklık gradyanı oluşur. Bu durum konfor şartlarının sağlanması açısından önemli bir sorundur. Ayrıca, soğutulan taban yüzeyindeki sıcaklık değerinin çiğ noktası sıcaklığına eşit olduğu durumlarda, mahal içerisindeki su buharı yoğuşarak, taban yüzeyinde nemlenme oluşumuna sebep olur. Oluşan nem hem insan sağlığı açısından sakıncalar taşımakta hem de yapı elemanlarının ve taban üzerinde bulunan eşyaların zarar görmesine sebep olmaktadır. Özellikle sistemin konutlarda kullanılması durumunda, soğutulan taban yüzeyi üzerinde yalın ayak dolaşmak, ısıl konfor açısından uygunsuz bir durum oluşturmaktadır. Absorbsiyonlu sistemin soğutma verimine bakıldığında, en düşük soğutma tesir katsayısı değerinin taban tipi yerden soğutma sisteminde elde edildiği görülmüştür. Bu nedenle taban tipi radyant ısı dağıtım sistemi, soğutma işlemi için birçok açıdan uygun değildir. Isı dağıtımının taban yerine tavandan yapılması soğutma uygulaması için daha doğru bir seçenektir. Soğuyan havanın ağırlaşarak doğal olarak tabana doğru hareketi ile doğal sirkülasyon sağlanır ve mahal içerisindeki sıcaklık dağılımı konfor şartları açısından daha uygundur. Ayrıca soğutulan havanın sirkülasyonu için zorlanmış taşınım sistemine ihtiyaç duyulmaması, hem mahal içerisindeki gürültünün azaltılması hem de enerji tasarrufu açısından önemli bir avantajdır. Sistemin soğutma verimi açısından incelendiğinde, soğutma tesir katsayısı değerinin çalışma sıcaklığı 7–12 C olan fan-coil sistemleri ile elde edilen değere oldukça yakın olduğu gözlenmektedir. Ancak, tabana monteli radyant sistemlerin ısıtma amaçlı olarak kullanılması mümkün değildir. Isıtılan ortam havası yoğunluğu azalarak tavan yüzeyinde birikeceğinden oda içerisinde yaşamsal faaliyetlerin sürdürüldüğü bölgeler göreceli olarak soğuk kalacaktır. Sistemin sadece soğutma amaçlı olarak kullanımı ise ısıtma için ayrı bir ısı dağıtım sistemi demektir ki bu durum hem teknik hem de ekonomik açıdan önemli bir sorun teşkil eder. 15 0 Ayrıca, yoğuşma problemi tabandan soğutma sistemlerinde olduğu gibi tavandan soğutma sistemlerinde de mevcuttur. Yapılan deneysel ve sayısal çalışmalar göstermektedir ki absorbsiyonlu sistemlerde ısı atım ve ısı dağıtım sistemlerinin doğru bir şekilde projelendirilmesi; absorbsiyonlu sistemin soğutma verimi, ilk yatırım ve işletme maliyetleri ve yapıların mimari tasarımları açısından oldukça önemlidir. Deneysel olarak gerçekleştirilen ısıtma uygulamasında 5 Şubat günü için günlük simülasyon işlemi uygulanmıştır. Simülasyon programı ile yapılan sayısal analizde, güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemin günlük toplam ısıtma ihtiyacının %44’lük bölümünü karşıladığı tespit edilmiştir. Mahalin ısıtılması için gereken ek enerji ise yardımcı enerji kaynağı tarafından karşılanmıştır. Ayrıca mahalin sıcak su ihtiyacının %74’lük bölümü güneş enerjisi ile elde edilmiştir. Şekil 4.64’de oda ve dış ortam sıcaklıklarının değişimi görülmektedir. Simülasyon ve deneysel uygulamada, dış sıcaklık ve test odası sıcaklığının değişimindeki benzerlikler göze çarpmaktadır. Her iki uygulamada da güneş enerjisinin artışı ile birlikte dış sıcaklık değeri yükselmektedir. Isıtma periyodu boyunca en düşük sıcaklıklar gece saatlerinde elde edilmiştir ve sayısal uygulamada en düşük sıcaklık değeri 0C, deneysel uygulamada ise -1C civarındadır ( bkz. Şekil 4.40). Deneysel ve sayısal uygulamada iç ortam sıcaklığı gece saatlerinde daha düşük değerler alırken gündüz saatlerinde 20 C mertebelerine ulaşmıştır. Her iki uygulamada da güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistem, ısıtma uygulaması için yardımcı sistem konumunda kalmıştır. Bu nedenle ısıtma uygulaması için absorbsiyonlu sistemin birincil ısıtma sistemi olarak tercih edilmesi ve yardımcı enerji kaynakları ile birlikte kullanımı yerine, mevcut ısıtma sistemlerine yardımcı ısıtıcı sistem olarak tercih edilmeleri daha doğru olacaktır. 15 1 Şekil 4.64. Isıtma uygulaması-test odası ve dış ortam sıcaklığı Şekil 4.65’de ise simülasyon sonucunda kolektör giriş-çıkış sıcaklıkları ve termal enerjinin harici olarak depolandığı boyler sıcaklığının değişimi görülmektedir. Simülasyon uygulamasında mahalin ısıtılması için gereken enerji, güneş enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda yardımcı enerji kaynağından karşılanmakta ve bu enerji öncelikli olarak harici depolama sistemi olan boylere gönderilmektedir. Bu nedenle Şekil 4.65’de boyler sıcaklığı uygulama boyunca 40C’ye yakın değerlerde kalmıştır. Saat 09:00’dan sonra kolektör gidiş-dönüş sıcaklığı aynı değerleri alarak yükselmiş öğlen saatlerinde 60C değerine kadar ulaşmıştır. Saat 13:00’dan sonra da aynı değerleri alarak düşüşe geçmiş ve 5C’ye kadar gerilemiştir. Deneysel uygulamada kolektör sıcaklıkları sayısal uygulamaya göre daha geç saatlerde yükselmeye başlamıştır (bkz. Şekil 4.46). Bunun nedeni ise kolektörler üzerinde görülen buzlanma olayıdır (bkz. Şekil 4.45). Kolektörler daha geç ısınmaya başladığından öğlen saatlerinde ulaşabildikleri en yüksek sıcaklık değeri 41C olmuştur. Deneysel uygulamada boyler ile ısı dağıtım hattı arasında bir bağlantı bulunmadığından boyler, absorbsiyonlu sistem için düşük sıcaklıklı enerji kaynağı olarak kullanılmış ve direkt olarak güneş kolektör sistemi tarafından ısıtılmıştır. Sayısal uygulamada 40C olan boyler sıcaklığının deneysel uygulamada 37 C seviyelerine kadar ulaştığı görülmektedir. Şekil 4.66’da simülasyon sonucunda absorbsiyonlu sistem bileşenlerinin, sıcaklık değerlerinin grafiksel gösterimi yer almaktadır. Simülasyon sonucunda, kolektör sıcaklığının 15 2 yükseldiği dönemde A haznesindeki sıcaklık değerinin yükselerek reaktör sıcaklığının 48C seviyesine ulaştığı görülmektedir. Şekil 4.65. Isıtma uygulaması-kolektör hattı gidiş-dönüş ve boyler sıcaklıkları Şekil 4.66. Isıtma uygulaması- absorbsiyonlu sistem bileşenleri sıcaklık değerleri Deney-7’de, absorbsiyonlu sistemde yalnızca güneş enerjisinin kullanılması durumunda sistemin performansı incelenerek, mahalin günlük ısıtma ihtiyacının yaklaşık %33’lük kısmının güneş enerjisinden karşılandığı tespit edilmiştir. 9 Şubat günü için yapılan simülasyon sonucunda ise günlük toplam ısıtma ihtiyacının %36’lık bölümünü 15 3 karşıladığı hesaplanmıştır. Sayısal analiz için önerilen sistem ile deneysel analizde uygulanan sistem tasarımı arasında farklılıklar bulunsa da ısıtma uygulaması için elde edilen deneysel ve sayısal sonuçların birbirine yakın olduğu görülmektedir. Soğutma ve ısıtma uygulamalarında deneysel olarak incelenemeyen aylar için sistem performansının değerlendirilmesi simülasyon programı aracılığı ile gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde tüm bir yıl için sistemin ısıtma-soğutma performansı tespit edilmiştir. Bursa ili için yıllık soğutma ve ısıtma derece-gün sayısı değerleri EK-C’de sunulmuştur. Ayrıca simülasyon uygulamasında Bursa ilinin iklimsel koşullarına ait değerlerin belirlenmesinde EK-C’de sunulan kaynaktan faydalanılmıştır. Buna göre kurulu sistem için soğutma ihtiyacının görüldüğü aylar Mart-Ekim, ısıtma ihtiyacının görüldüğü aylar ise Eylül-Mayıs aylarıdır. Soğutma ve ısıtma uygulamalarına için yapılan aylık simülasyon sonuçları sırasıyla Çizelge 4.6 ve Çizelge 4.7’de sunulmuştur. Simülasyon uygulaması sonucunda tüm bir yıl boyunca absorbsiyonlu sistem, test odasının soğutma ihtiyacının %99’luk kısmını, ısıtma ihtiyacının ise %63’lük bölümünü karşılamıştır. Ayrıca mahalin yıllık sıcak kullanım suyu ihtiyacının %99’luk bölümü de güneş enerjisinden sağlanmıştır. Buna göre kurulan sistem, mahalin soğutma ve sıcak kullanım suyu ihtiyacının tamamına yakınını, ısıtma ihtiyacının %63’lük kısmını karşılayarak, çevresel ve ekonomik açıdan önemli faydalar sağlamıştır. Soğutma periyodu için elde edilen değerler incelendiğinde, sistemin soğutma tesir katsayısının, kullanılabilir güneş enerjisi miktarı ve soğutma periyodunun uzunluğu ile doğru orantılı olarak değiştiği görülmektedir. Örneğin, Mart ayında soğutma ihtiyacının tamamı absorbsiyonlu sistem ile karşılanabilmektedir ancak sistemin soğutma tesir katsayısının 0,05 olduğu görülmüştür. Bunun nedeni Mart ayı içerisindeki soğutma periyodunun son derece kısa oluşu ve güneş enerjisinden elde edilen faydalı enerji miktarının az oluşudur. Soğutma periyotlarının uzadığı ve güneş enerjisi miktarının arttığı yaz aylarında, sistemin soğutma tesir katsayısı artarak 0,44 mertebelerine kadar ulaşmıştır. Simülasyon uygulamasında, günlük soğutma periyodu için ortalama soğutma tesir katsayısı 0,3 olarak hesaplanırken, Ağustos ayı için aylık soğutma periyodu 15 4 ortalama soğutma tesir katsayısı değeri 0,44 olarak hesaplanmıştır. Daha uzun soğutma periyotlarında sistem daha verimli çalışmakta ve soğutma tesir katsayısı artmaktadır. Çizelge 4.6. Soğutma uygulaması aylık simülasyon sonuçları İhtiyaç duyulan enerji Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile Absorbsiyonlu miktarı [kWh] edilen enerji miktarı ihtiyacın karşılanma sistem STK [kWh] oranı [%] değeri [-] Sıcak Sıcak Sıcak AYLAR Soğutma kullanım Soğutma kullanım Soğutma kullanım Soğutma suyu suyu suyu Mart 31 19 31 19 %100 %100 0,05 Nisan 85 42 84 42 %98 %100 0,12 Mayıs 271 56 268 56 %100 %99 0,21 Haziran 875 66 873 66 %100 %100 0,37 Temmuz 1318 81 1303 81 %99 %100 0,44 Ağustos 1249 94 1239 94 %99 %100 0,44 Eylül 605 85 593 85 %98 %100 0,32 Ekim 184 63 183 63 %99 %100 0,23 Çizelge 4.7. Isıtma uygulaması aylık simülasyon sonuçları İhtiyaç duyulan enerji Güneş enerjisinden elde miktarı [kWh] edilen enerji miktarı Güneş enerjisi ile ihtiyacın [kWh] karşılanma oranı [%] Sıcak Sıcak Sıcak AYLAR Isıtma kullanım Isıtma kullanım Isıtma kullanım suyu suyu suyu Eylül 124 85 124 85 %100 %100 Ekim 796 63 707 63 %89 %100 Kasım 1413 37 797 37 %56 %100 Aralık 2168 13 522 12 %24 %91 Ocak 26190 6 586 6 %22 %100 Şubat 2174 17 695 17 %32 %100 Mart 2001 31 1089 31 %54 %100 Nisan 1151 42 1045 42 %91 %100 Mayıs 405 56 405 56 %100 %100 Şekil 4.67’de test odasının yıllık soğutma enerjisi ihtiyacı ve soğutma ihtiyacının güneş enerjisi ile elde edilen miktarının grafiksel görünümü yer almaktadır. Tüm yıl boyunca test odasının soğutma ihtiyacının tamamına yakını (%99), absorbsiyonlu sistem vasıtasıyla güneş enerjisi kullanılarak karşılanabilmiştir. Mart, Mayıs ve Haziran aylarında ise soğutma ihtiyacının tamamı güneş enerjisi ile karşılanmıştır. Simülasyon sonucu göstermektedir ki soğutma uygulaması için absorbsiyonlu sistemin tercih 15 5 edilmesi durumunda ek bir soğutma sistemine ihtiyaç duyulmadan yıllık tüm soğutma ihtiyacı bu sistem ile karşılanabilmektedir. Bu nedenle güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlar için yardımcı enerji kaynağı olarak ek bir ısıtıcı sistemin kullanılması daha doğru bir yaklaşım olacaktır. Şekil 4.67. Yıllık soğutma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı Yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacı ve ısıtma ihtiyacının güneş enerjisi ile elde edilen miktarının grafiksel görünümü Şekil 4.68’de sunulmuştur. Tüm yıl boyunca test odasının ısıtma ihtiyacının %63’lük bölümü güneş enerjisi ile karşılanmıştır. Isıtma periyodu boyunca Eylül ve Mayıs aylarında ısıtma ihtiyacının tamamı, Ekim ayında %89, Nisan ayında ise %91’lik bölümü güneş enerjisi ile karşılanmıştır. Güneş enerjisinin ısıtma ihtiyacını karşılama oranı kış aylarında azalsa da, bu oranın en düşük olduğu Ocak ayında dahi ihtiyacın % 22’lik bölümünün sistem ile karşılanabildiği tespit edilmiştir. Sistemin, yıl boyunca ısıtma ihtiyacının önemli bir bölümünü karşılaması ile amortisman süresinin kısalması ve işletme giderlerinin azalması noktasında önemli faydalar sağlanmaktadır. Özellikle, kış aylarında güneşlenme oranı yüksek ve dış ortam 15 6 sıcaklığı ortalamasının göreceli olarak fazla olduğu bölgelerde, sistemin ısıtma uygulaması için kullanılması ile daha verimli ve uygulanabilir sistemlerin hayata geçirilmesi mümkün olacaktır. Şekil 4.68. Yıllık ısıtma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı Şekil 4.69’da test odasının yıllık sıcak kullanım suyu ihtiyacı ve bu ihtiyacın güneş enerjisi ile elde edilen miktarı görülmektedir. Sıcak kullanım suyu ihtiyacının %99’luk bölümü güneş enerjisi sistemi ile karşılanmıştır. Bu oran Mayıs ve Aralık aylarında sırasıyla %99 ve %91 olup diğer aylarda sıcak kullanım suyu ihtiyacın tamamı güneş enerjisi ile karşılanmıştır. Yıllık ısıtma periyodu boyunca güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistem, soğutma ve sıcak kullanım suyu ihtiyacının tamamına yakınını, ısıtma ihtiyacının ise önemli bir bölümünü karşılayarak, bu ihtiyaçların karşılanması için kullanılan enerji miktarında büyük tasarruflar sağlamıştır. Simülasyon uygulaması sonucunda, tamamen temiz, yenilenebilir ve dışa bağımlı olmayan güneş enerjisinin kullanımı ile hem çevresel hem de ekonomik açıdan önemli faydalar sağlandığı görülmektedir. 15 7 Şekil 4.69. Yıllık sıcak kullanım suyu ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı Enerji tasarrufuna bağlı olarak enerji kullanımı sonucu atmosfere salınan CO2 oranında da önemli miktarda azalma kaydedilmiştir. Yapılan simülasyon işlemi sonucunda, tüm yıl boyunca güneş enerjisinin kullanımına bağlı olarak toplam 11974 kg CO2 salınımının engellendiği tespit edilmiştir. Bu miktar 5415 l. eş değer petrol kullanımına eşittir. Güneş enerjisi kaynaklı sistemin kullanımına bağlı CO2 salınımında sağlanan azalma, enerji kullanımı ile ilintili sorunların çözümünde, kurulan sistemin sağlayacağı faydaların önemini ortaya koymaktadır. Şekil 4.70’de, ısıtma-soğutma-sıcak kullanım suyu eldesi için güneş enerjisinin kullanımına bağlı CO2 salınımındaki azalma miktarının aylık değişimi grafiksel olarak sunulmuştur. Enerji ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanması, kullanılan fosil yakıt miktarını azaltarak ekonomik açıdan da önemli faydalar sağlamıştır. Test odası için yıllık simülasyon uygulamasında, güneş enerjisinin kullanımı ile sağlanan enerji tasarrufunun ekonomik analizi yapılmıştır. Yapılan analizde enerji kaynağı olarak elektrik enerjisi seçilmiştir ve enerji maliyetlerinin hesaplanmasında güncel değerler kullanılmıştır. Buna göre konutsal kullanım için ortalama elektrik birim fiyatı 0,24 kWh/ TL (Anonim 2012a) ve ortalama doğalgaz 15 8 birim fiyatı 0,08 kWh/TL (Anonim 2012b) olarak alınmıştır. Şekil 4.71’de güneş enerjisi kullanımının ısıtma, soğutma ve sıcak kullanım suyu temininde sağladığı ekonomik tasarruf miktarının aylara göre değişimi görülmektedir. Şekil 4.70. CO2 salınımındaki azalma miktarının aylara göre değişimi Şekil 4.71. Ekonomik tasarruf miktarının aylara göre değişimi Güneş enerjisinin kullanımı, enerji kullanımına bağlı yıllık toplam 1296 TL ekonomik tasarruf sağlamıştır. Bu tasarruf miktarının 682 TL ısıtma uygulamasından, 546 TL 15 9 soğutma uygulamasından, 67 TL ise sıcak kullanım suyu eldesinden sağlanmıştır. Buna göre, absorbsiyonlu sistemin ısıtma uygulamasında yardımcı enerji kaynağı olarak da kullanılsa önemli ekonomik tasarruflar sağlayarak sistemin amortisman süresinin kısaltılmasında önemli rol oynadığı görülmektedir. Ayrıca ısıtma periyodunda kullanımı ile birlikte CO2 salınımında önemli azalmalar sağlayarak sistemin kullanımının çevresel açıdan sağladığı faydaları arttırmıştır. 4.2.2. Örnek bir konut için yıllık soğutma-ısıtma periyodu sayısal analiz sonuçları Bu bölümde örnek bir konut için, tüm yıl boyunca soğutma-ısıtma ve sıcak su eldesinin güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistem ile karşılanmasının sayısal analiz sonuçları sunulacaktır. Deneysel uygulamada, proje bütçesinin kısıtlı olmasından ötürü, sistemin konutsal uygulaması bir test odası için gerçekleştirilebilmiştir. Bu bölümde, aşağıda özellikleri verilen örnek bir konut için güneş enerjili sistem özelliklerinin tüm yıl boyunca belirlenerek, sistemin teknik ve ekonomik açıdan incelenmesi sağlanmıştır. Simülasyon çalışması, konut özelliği aynı kalmak şartıyla, sırasıyla Bursa, İstanbul, Ankara, İzmir, Antalya, Adana, Erzurum, Samsun, Gaziantep ve Diyarbakır olmak üzere ülkemizin on farklı ili için gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde, Bursa ili için elde edilen sonuçlar detaylı bir şekilde sunulmuştur. Diğer iller için elde edilen sonuçları gösteren çizelgeler EK-D’de yer almaktadır. Simülasyon çalışması için tasarlanan konut beş kişilik bir aile tarafından kullanılmaktadır ve toplam 150 m2 kullanım alanına sahiptir. Konutta enerji kaynağı olarak, deneysel çalışmada tercih edildiği gibi, elektrik enerjisi kullanılmıştır. Konutsal kullanım için ortalama enerji maliyeti, test odası için yapılan simülasyon işleminde belirlendiği şekilde hesaba dahil edilmiştir. Konutta kullanılan güneş kolektör sistemi 40 m2 toplam yüzey alanına sahip düz kolektörlerden oluşmaktadır ve kolektörler güneye bakacak şekilde yerleştirilmiştir. Güneş kolektör sistemi, hem ısıtma hem de soğutma amaçlı olarak kullanılacağından, simülasyon işlemlerinde kolektör eğim açısı 30 olarak tespit edilmiştir. Absorbsiyonlu sistemin, güneş kolektör sistemine uzaklığı 20 m olarak alınmıştır. Sistemin güvenliği açısından güneş kolektör sıcaklığının maksimum değeri 115 C olarak tespit edilmiştir. Sıcak kullanım suyu depo sıcaklığı 16 0 50C ve kullanım suyu ihtiyacı kişi başı 30 l olacak şekilde belirlenmiştir. Yapı içerisindeki iç ısıl kazançlar 3 W/m2 olarak alınmıştır. Isıtma uygulaması için iç ortam konfor sıcaklığı 20C, soğutma uygulaması için 25C olarak tespit edilmiştir. Yapının çatı alanı 150 m2 olup, kuzey ve güney yönüne bakan dış duvar alanı 37 m2, doğu ve batı yönüne bakan dış duvar alanı ise 26 m2 dir. Dış duvarların toplam ısı geçiş katsayıları, TS 825 standardının, illerin yer aldığı derece-gün bölgeleri için tavsiye ettiği değerlere göre belirlenmiştir (Anonim 2009a) ve Çizelge D.1’de sunulmuştur. Yapının pencere alanları kuzey ve güney yönünde 8 m2, doğu ve batı yönünde ise 4 m2 olarak belirlenmiştir. Pencerelerin ısı geçiş katsayısı da TS 825 standardının, illerin yer aldığı derece-gün bölgeleri için tavsiye ettiği değer olan 2,8 W/m2K olarak belirlenmiştir. Binada güneş radyasyonundan koruyucu sistemler yer almamaktadır. Absorbsiyonlu sistemde ısı dağıtım sistemi olarak çalışma sıcaklığı 7–12C olan fan-coiller, ısı atım sistemi olarak da 0,8 kW fan gücüne sahip soğutma kulesi kullanılmıştır. Her il için aylık soğutma kulesi tasarım sıcaklıkları belirlenerek, simülasyon işlemine dahil edilmiştir. Sistemde 1 m3 hacminde harici sıcak su deposu bulunmaktadır ve tasarım sıcaklık değeri yaz ve kış ayları için 80 C olacak şekilde ayarlanmıştır. Bursa ili şartlarında örnek bir konut için yıllık ısıtma, soğutma ve sıcak kullanım suyu ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanmasını inceleyen simülasyon çalışması sonucunda elde edilen değerler Çizelge 4.8’de sunulmuştur. Buna göre güneş enerjisi kaynaklı sistem binanın soğutma yükünün %92’lik bölümünü, sıcak kullanım suyu ihtiyacının %90’lık bölümünü ve ısıtma ihtiyacının %65’lik kısmını karşılamıştır. Şekil 4.72’de konutun yıllık soğutma enerjisi ihtiyacı ve soğutma ihtiyacının güneş enerjisi ile elde edilen miktarının grafiksel görünümü yer almaktadır. Buna göre soğutma periyodu boyunca güneş enerjisi kaynaklı sistem soğutma yükünün önemli bir bölümünü karşılayarak konutun iç ortam sıcaklığının belirlenen konfor şartlarında kalmasını sağlamıştır. Soğutma periyodu boyunca sistemin soğutma tesir katsayısının 0,47 değerine kadar yükseldiği, tüm soğutma periyodu boyunca ortalama değerin 0,35 olduğu tespit edilmiştir. Güneş enerjisinin daha fazla elde edildiği yaz aylarında ise soğutma tesir katsayısının ortama değeri 0,46 olarak tespit edilmiştir. 16 1 162 Çizelge 4.8. Örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları BURSA İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın Soğ.tes CO2 salınımındaki [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Petrol suyu suyu suyu suyu [kg] Eşd. [l] Ocak 3206 0 64 806 0 40 %25 %0 %63 - 92 0 5 97 1293 556 Şubat 2555 0 74 859 0 59 %34 %0 %79 - 98 0 7 105 1403 603 Mart 2212 0 101 1240 0 93 %56 %0 %92 - 142 0 11 153 2037 875 Nisan 999 115 116 940 115 112 %94 %98 %99 0,15 107 13 13 133 1673 719 Mayıs 175 459 139 173 138 459 %99 %100 %100 0,29 20 55 16 91 721 310 Haziran 0 1322 152 0 1182 152 %0 %89 %100 0,45 0 142 17 159 897 385 Temmuz 0 1832 177 0 1450 176 %0 %79 %100 0,47 0 147 20 167 1068 459 Ağustos 0 1713 196 0 1397 195 %0 %82 %100 0,46 0 168 22 190 1065 458 Eylül 15 955 181 15 910 181 %100 %95 %100 0,39 2 109 21 132 785 337 Ekim 720 204 149 656 204 147 %91 %100 %99 0,22 75 25 17 117 1337 574 Kasım 1632 0 108 1007 0 99 %62 %0 %92 - 115 0 11 126 1690 726 Aralık 2670 0 73 686 0 44 %26 %0 %60 - 78 0 5 83 1116 479 TOPLAM 14184 6600 1530 6382 5396 1757 %65 %92 %90 0,35 729 659 165 1553 15085 6481 16 2 Şekil 4.72. Örnek bir konutun yıllık soğutma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı Şekil 4.73’de ısıtma periyodu için örnek konutun ısıtma enerjisi ihtiyacı ve bu ihtiyacın güneş enerjisi ile karşılanmasının grafiksel görünümü yer almaktadır. Buna göre yapının yıllık ısıtma ihtiyacının %65’lik bölümü güneş enerjisi ile karşılanmıştır. Bu oran Nisan-Mayıs ve Eylül-Ekim dönemlerinde %90’ların üzerine çıkarak önemli tasarruflar sağlamıştır. Güneş enerjisinin en az elde edildiği Ocak ayında dahi ısıtma ihtiyacının %25’lik bölümü güneş enerjisi ile karşılanabilmiştir. Şekil 4.74’de konutun sıcak kullanım suyu için gereken enerji ihtiyacı ve bu ihtiyacın güneş enerjisi ile karşılanmasının grafiksel görünümü yer almaktadır. Yapı sakinlerinin yıllık sıcak kullanım suyu ihtiyacının %90’lık bölümünün güneş enerjisi ile karşılandığı görülmektedir. Mayıs-Eylül ayları arasında bu ihtiyacın tamamı güneş enerjisi ile karşılanırken, Nisan ve Ekim aylarında ihtiyacın karşılanma oranı %99 olarak tespit edilmiştir. Sıcak kullanım suyu ihtiyacının karşılanma oranının en düşük değeri aldığı Aralık ayında bile bu oranın %25 olduğu görülmüştür. Buna göre sistemin; ısıtma- soğutma ve sıcak kullanım suyu ihtiyacının karşılanması noktasında doğru bir şekilde tasarlandığı ve önemli tasarruflar sağladığı söylenebilir. 16 3 Şekil 4.73. Örnek bir konutun yıllık ısıtma ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı Şekil 4.74. Örnek bir konutun yıllık sıcak su ihtiyacı ve güneş enerjisi ile karşılanma miktarı 16 4 Simülasyon çalışmasında, enerji tasarrufuna bağlı CO2 salınımdaki azalma miktarının aylara göre değişimi hesaplanmıştır. Buna göre tüm yıl boyunca güneş enerjisinin kullanımına bağlı olarak toplam 15085 kg CO2 salınımının engellendiği tespit edilmiştir. Bu miktar, 6481 l. eş değer petrol kullanımına eşittir. Şekil 4.75’de, güneş enerjisinin kullanımına bağlı CO2 salınımındaki azalma miktarının aylık değişimi grafiksel olarak sunulmuştur. CO2 salınımındaki azalma miktarı; güneş enerjisinin enerji ihtiyacını karşılama oranının yükselmesi ile birlikte artmaktadır. Bu nedenle güneş enerjisinden maksimum şekilde faydalanmak CO2 salınımının önemli oranda azalmasını sağlayacaktır. Fosil yakıtların kullanımına bağlı CO2 salınımı, geleceğimizi tehdit eden küresel ısınmanın oluşumunda en büyük faktörlerdendir. Dünya üzerinde enerji tüketiminin önemli bir bölümünün konutların ısıtılması ve soğutulması amacı ile kullanıldığı düşünüldüğünde, temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışan ısıtma- soğutma sistemlerin yaygınlaşmasının CO2 salınımın azaltılması noktasında önemli faydalar sağlayacağı ortadadır. Güneş enerjisinin kullanımına bağlı enerji tasarrufunun, ekonomik açıdan da önemli faydalar sağladığı görülmektedir. Buna göre tüm yıl boyunca sağlanan ekonomik tasarruf miktarının 1553 TL olduğu görülmektedir. Bu değerin yaklaşık %47’si ısıtma, %42’si soğutma, %11’i ise sıcak kulanım suyu için harcanan enerjiden elde edilen tasarruf sonucunda sağlanmıştır. Bu tasarruf ile işletme maliyetlerinin azalması ve sistemin geri ödeme süresinin kısalması sağlanabilir. Şekil 4.76’da simülasyon uygulaması sonucunda güneş enerjisi kullanımının ısıtma, soğutma ve sıcak kullanım suyu temininde sağladığı ekonomik tasarruf miktarının aylara göre değişimi görülmektedir. Güneş enerjisi kaynaklı sistemin kullanımın yaygınlaşmasının önündeki en büyük engel sistemin ilk yatırım maliyetidir. Sistemin kullanımı ile birlikte sağlanacak ekonomik tasarrufların artışı, bu engelin aşılması noktasında büyük önem arz etmektedir. Ekonomik tasarrufların arttırılması; doğru sistem tasarımı ve doğru ekipmanların kullanımı ile mümkün olacağı gibi, sistem kullanıcıları için sağlanacak devlet teşviki ve enerji maliyetlerinin iyileştirilmesi için tarifelerin yeniden düzenlenmesi ile de mümkün kılınabilir. 16 5 Şekil 4.75. Örnek bir konut için CO2 salınımındaki azalma miktarının aylara göre değişimi Şekil 4.76. Örnek bir konut için ekonomik tasarruf miktarının aylara göre değişimi Diğer iller için yapılan simülasyon sonuçları incelendiğinde, konutun yıl boyu ısıl konforunun ve sıcak kullanım suyu ihtiyacını sağlanmasında önemli tasarruflar sağlandığı görülmektedir. Özellikle yıl boyunca kullanılabilir güneş enerjisini değeri 16 6 yüksek olan Antalya, Adana ve İzmir’de, güneş enerjili sistemin yapının söz konusu enerji ihtiyaçlarının büyük bir kısmını karşıladığı görülmektedir. Örneğin ısıtma- soğutma- sıcak kullanım suyu ihtiyacının Antalya ili için yıl boyunca güneş enerjisi ile karşılanma oranları sırasıyla %84, %82 ve % 95 olarak tespit edilmiştir. Buna göre söz konusu işlemler için gereken toplam enerji ihtiyacının yıl boyu güneş enerjisi ile karşılanma oranının ortalama değeri %87’dir. Bu şekilde sistem, sağladığı enerji tasarrufuna bağlı olarak hem ekonomik hem de çevresel açıdan önemli tasarruflar sağlamıştır. Yaz aylarında güneşlenme miktarının yüksek olduğu illerde sistemin soğutma katsayısının 0,5 değerine yaklaştığı ve sistemin soğutma veriminin arttığı görülmüştür. Aynı durumda güneş enerjili absorbsiyonlu sistemin soğutma ihtiyacını karşılama oranının azaldığı görülmektedir. Bunun nedeni, simülasyon uygulaması için standart bir konut tipinin seçilmesi ve soğutma yükünün azaltılması noktasında yapı elemanlarının ısıl özellikleri ile ilgili bir iyileştirme yapılmamasıdır. Bu konuda uygulamada herhangi bir standardın olmayışı önemli bir eksikliktir. Soğutma ihtiyacının ısıtma ihtiyacından yüksek olduğu bölgeler için ısıl kazançları azaltıcı yönde belirlenecek standartların hazırlanması ve yürürlülüğe konulması ile birlikte, enerji kullanımında tasarruflar sağlanacaktır. Simülasyon işleminde tüm iller için sistemin en yüksek soğutma tesir katsayısı değerinin Temmuz ayında elde edildiği görülmektedir. Güneş enerjisinden sağlanan termal enerji miktarının artışı ile birlikte sistemin soğutma verimi de artmaktadır. Soğutma tesir katsayısını etkileyen bir diğer parametre de sistemin ısı atım hattının tasarım sıcaklığıdır. İklimlendirme sistemlerinin tasarımı için referans kaynak tarafından (Anonim 2009b) sunulan aylık ortalama yaş termometre sıcaklığının daha düşük değerler aldığı illerde sistemin soğutma tesir katsayısının daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu nedenle sistemin soğutma verimi açısından ısı atım hattının doğru şekilde tasarlanması oldukça önemlidir. Güneş enerjisi kullanımı ile ısıtma ve sıcak kullanım suyu ihtiyacının karşılanmasında önemli enerji tasarrufları elde edilmiştir. Güneşlenme değerinin yüksek olduğu güney 16 7 illerinde ısıtma ihtiyacı diğer illere göre daha azdır. Bu nedenle yıl boyu ısıtma ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanma oranları güney illerinde daha yüksektir. Örneğin ısıtma periyodu boyunca ısıtma için gereken enerjinin güneş enerjisinden karşılanma oranı Antalya için %84, Adana için %81 olarak tespit edilmiştir. TS 825 standardına 4. Derece-gün bölgesinde yer alan ve yıllık ısıtma ihtiyacı diğer illere göre en fazla olan Erzurum ilinde bile bu oran %59’dur. Ayrıca sistemin ısıtma amaçlı olarak kullanılmasının, ekonomik ve çevresel açıdan sağladığı tasarruflar ile önemli faydalar sağladığı görülmüştür. Bu nedenle güneş enerjili sistem tasarlanırken, yapının tüm enerji ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanma oranının optimum şekilde belirlenmesi, sistemin kullanımı ile birlikte sağlayacağı faydaları önemli ölçüde arttıracaktır. Sisteme fotovoltaik ünitelerin dahil edilmesi ile yapının elektrik enerjisi ihtiyacının da karşılanarak, güneş enerjisinden faydalanma oranı arttırılabilir. Bu sayede enerji kullanımına bağlı ekonomik ve çevresel açıdan sağlanan tasarruflar da arttırılacaktır. Simülasyon çalışmasında, tüm iller için güneş enerjisi kullanımına bağlı CO2 salınım değerlerindeki yıllık toplam azalma miktarının 12405–18059 kg arasında değiştiği görülmüştür. Enerji ihtiyacının çoğunlukla yanma reaksiyonları sonucunda karşılandığı ısıtma periyodunda enerji kullanımına bağlı CO2 salınımı artmaktadır. Bu nedenle güneş enerjisinin ısıtma ihtiyacını karşılama oranının artmasıyla birlikte CO2 salınımından sağlanan tasarruf miktarı da artacaktır. Küresel ısınmaya bağlı iklim değişiklikleri geleceğimizi tehdit etmektedir. Bu nedenle enerji kullanımından kaynaklanan CO2 salınımının azaltılması gelecekte konu ile ilgili daha radikal tedbirlerin alınmasını beraberinde getirecektir. Ayrıca gelecekte, çevre dostu iklimlendirme sistemlerinin kullanımının yaygınlaşması için sağlanacak teşviklerin artması beklenmektedir. Dolayısıyla güneş enerjili ısıtma-soğutma sistemlerinin önemi bir kat daha artacaktır. Simülasyon çalışmasında; örnek yapının kurulduğu bölgenin çok farklı iklimsel koşullarda dahi olsa güneşi enerjisini kullanması ile birlikte yapının karbon ayak izinin önemli oranda azaldığı görülmüştür. Sistemin kullanımın yaygınlaşması ile çevresel açıdan sağlayacağı faydaların artacağı aşikârdır. Yenilenebilir enerji kaynaklı ısıtma-soğutma sistemlerinin en önemli dezavantajı, sistemin ilk yatırım maliyetinin günümüz şartlarında alternatiflerine göre yüksek 16 8 olmasıdır. Bu nedenle sistemin işletme giderleri açısından sağlayacağı tasarruflar, geri ödeme süresinin azalması noktasında oldukça önemlidir. Simülasyon işlemi sonucunda güneş enerjisi kullanımı ile sağlanan yıllık ekonomik tasarruf miktarının 1244 -1977 TL arasında değiştiği tespit edilmiştir. Örnek bir konut için sistemin kurulum maliyeti, yapının kurulduğu alanın iklimsel ve coğrafi koşulları ve yapının mimari özelliklerine göre değişmektedir. Ayrıca güneş enerjili sistemin yeni inşa edilen bir bina için maliyeti ile mevcut bir binaya dahil edilmesi durumunda oluşan maliyeti arasında önemli farklar oluşmaktadır. Bu nedenle sistem tasarımı yapılırken, bu koşulların detaylı bir şekilde incelenmesi, sistemin ekonomik analizi açısından önemlidir. Yeni inşa edilecek örnek bir konut için, güneş enerjili sistemin ilk yatırım maliyeti 45000TL ve sistemin işletme giderleri açısından klasik sistemlere göre sağlayacağı tasarrufun yıllık ortalama 1500 TL olarak düşünülebilir. Aynı şartlar altında alternatif sistemin, ısınma ve sıcak su ihtiyacının gaz yakıtlı yoğuşmalı kombi ile soğutma ihtiyacının ise konutun soğutma ihtiyacı bulunan her yaşam alanına yerleştirilen duvar tipi klimalar ile sağlandığı düşünüldüğünde, ilk yatırım maliyeti yaklaşık 15000TL olmaktadır. Buna göre güneş enerjili sistem ile klasik sistem arasındaki ilk yatırım maliyeti farkı 30000 TL’ dır ve bu durumda güneş enerjili sistemin geri ödeme süresi 20 yıl olmaktadır. Güneş kolektörlerinin kullanım ömrünün yaklaşık 25 yıl olduğu göz önüne alındığında, sistem için hesaplanan geri ödeme süresinin, sistemin kullanım ömründen daha kısa olduğu ve sistemin uygulanabilir nitelikte olduğu sonucuna varılır. Ancak geri ödeme süresinin uzun oluşu, sistemin alternatifleri ile olan rekabetini azaltacaktır. Bu noktada sistemin kurulum maliyetini azaltmak, sistemin uygulanabilir niteliğini arttırmak açısından önemlidir. Örneğin, sistemi oluşturan bileşenlerin devlet tarafından alınan %18 oranındaki vergiden muaf tutulması ile birlikte sistem maliyeti %15 oranında azalacak ve sistemin geri ödeme süresi 15 yıla gerileyecektir. Bu sayede devletin tüketiciye sağlamak zorunda olduğu enerji arzı da azalacaktır. Sistem kendisini amorti ettikten sonra, her yıl tüketici için 1500TL kâr sağlayacaktır. Güneş enerjisinden maksimum şekilde faydalanmak, sistemin geri ödeme süresinin azaltılması noktasında büyük önem taşımaktadır. Örneğin, güneş enerjili sistemin kurulduğu yapı dahilinde bir yüzme havuzunun bulunması halinde, havuz suyunun 16 9 ısıtılması için ısı atım hattındaki termal enerjinin kullanılması ile hem sistemin soğutma verimi artacak hem de havuzun ısıtılması sağlanacaktır. Eğer havuzun kış aylarında da kullanılması söz konusu ise, güneş kolektörlerinden sağlanan termal enerji ile havuzun ısıtılması ve sistemin sağladığı enerji tasarrufunun önemli miktarda artışı mümkün olacaktır. Bu sayede sistemin sağladığı yıllık ekonomik tasarruf değeri artarak sistemin geri ödeme süresi azalacaktır. Şüphesiz güneş enerjisi kaynaklı sistemlerin hayata geçirilmesi için yapılacak yatırımın kredilendirilmesi gerekmektedir. Günümüzde, yenilenebilir enerji sistemlerinin kredilendirilmesi için farklı kurum ve kuruluşlar tarafından hazırlanan, faiz oranı düşük ya da uzun vadeli kredi hizmetleri ve hibe olanakları sunulmaktadır (Anonim 2012c, Anonim 2012d, Anonim 2012e). Bu olanakların cazip koşullar altında kullanımının yaygınlaşması ile birlikte sistem çok daha uygulanabilir bir nitelik kazanacaktır. Yakın gelecekte, enerji kullanımına bağlı çevresel ve ekonomik sorunların artmasına kesin gözü ile bakılmaktadır. Söz konusu sorunların giderilmesi noktasında yenilenebilir enerji sistemlerinin kullanımının yaygınlaşması için alınacak önlemler, bu sistemlerin daha uygun ekonomik şartlar altında hayata geçirilmesine yardımcı olacaktır. Yenilenebilir enerji sistemlerinin tanıtılması ve öneminin anlatılması, sistem veriminin arttırılması ve sistem maliyetlerinin azaltılması, sistemin kullanılmasının yaygınlaştırılması, dünya üzerindeki her canlı için önem taşımaktadır. Bu nedenle, akademisyenleri, öğretmenleri, ebeveynleri; mimar ve mühendisleri, devlet ve özel sektör yöneticilerini ve nihayet son tüketicileri kapsayan geniş bir kitlenin, sağduyulu ve bilinçli bir şekilde ortaklaşa hareket etmesi, enerji ile ilintili sorunların ivedilikle çözülmesi için atılacak ilk ve en önemli adımdır. Unutulmamalıdır ki gelecek; dünü ile övünenlerin değil, yarını bugünden planlayanların olacaktır. 17 0 5. SONUÇ Bir konutun güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemlerle ısıtılması ve soğutulmasının deneysel ve sayısal olarak incelendiği bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda görüldüğü şekilde özetlenebilir. Çalışma dahilinde oluşturulan test odasının soğutulması, örnek Ağustos günleri için deneysel olarak incelendiğinde, sistemin günlük ortalama soğutma tesir katsayısının 0,28 olduğu görülmüştür. Aynı tasarım şartları altında yapılan sayısal analizde soğutma tesir katsayısı 0,3 olarak tespit edilmiştir. Ağustos ayı için yapılan aylık simülasyon çalışmasında sistemin aylık ortalama soğutma tesir katsayısı değeri 0,44 olarak hesaplanmıştır. Buna göre daha uzun soğutma periyotlarında sistem daha verimli çalışmakta ve sistemin ortalama soğutma tesir katsayısı daha yüksek değerler almaktadır. Absorbsiyonlu sistemin soğutma verimi, ısı atım ve ısı dağıtım hatlarının çalışma özelliklerinden etkilenmektedir. Isı atım sisteminin ısı transferini verimli şekilde gerçekleştirememesi durumunda, sistemin absorber-yoğuşturucu sıcaklıkları artmakta ve sistemin soğutma verimi azalmaktadır. Sistemde ısı atım hattı olarak bir yüzme havuzunun kullanılması, sistemin soğutma verimini arttırmakta ve amortisman süresini kısaltmaktadır. Isı dağıtım sisteminin çalışma özellikleri nedeni ile buharlaştırıcı sıcaklığının düşük seçilmesi, sistemin soğutma verimini azaltmaktadır. Mevcut tasarım koşulları altında ısı dağıtım sistemi için en uygun bileşenin, çalışma sıcaklığı 12–17C olan hava kanalları olduğu tespit edilmiştir. Absorbsiyonlu sistemin dâhili enerji depolama özelliği sayesinde, güneş enerjisinden elde edilen termal enerji direkt olarak sistemin reaktörüne gönderilerek daha yüksek reaktör sıcaklıkları dolayısıyla daha yüksek sistem verimleri elde edilmektedir. Bu şekilde harici bir depolama sistemine ihtiyaç duyulmamakta; sistemin ilk yatırım maliyeti, dolayısıyla amortisman süresi azalmaktadır. Ayrıca harici bir enerji depolama sisteminin kurulumu için gereken ekstra kurulum alanı ihtiyacı da ortadan kalkmaktadır. 17 1 Klasik absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde görülen kristalizasyon sorunu, dâhili depolamalı sisteme özgü çalışma şekli ile ortadan kalkmıştır. Bu sayede sistemin daha yüksek reaktör sıcaklıklarında çalışması mümkün olmaktadır. Ancak absorbsiyonlu sistemin şarj-deşarj geçişleri nedeniyle cihazın haznelerinde oluşan sıcaklık değişimleri sistem verimini olumsuz etkilemektedir. Isıtma uygulamasında harici bir enerji depolama sisteminde depolanan güneş enerjisinin direkt olarak ısı dağıtım sistemine gönderilmesi, elde edilen fazla enerji miktarının absorbsiyonlu sistemde değerlendirilmesi en uygun tasarım seçeneğidir. Deneysel uygulamada, absorbsiyonlu sistemin ısıtma amaçlı olarak bir ısı pompası şeklinde kullanılması durumunda sistemin ısıtma tesir katsayısının 1, 48 olduğu tespit edilmiştir. Absorbsiyonlu cihazın ısı pompası olarak kullanıldığı periyotta cihazın ısıl verimi, termal enerji deposu olarak kullanımına göre daha yüksek olsa da bu uygulamada fan coil ünitelerinin menfez üfleme sıcaklıkları daha düşük değerler almakta ve ısıtma süreci uzamaktadır. Isıtma amaçlı kullanılan termal enerji, harici bir enerji kaynağından sağlanıyorsa ya da güneş kolektörü giriş sıcaklığı cihazı besleyebilecek sıcaklık değerinden düşükse bu durumda ısıtıcı cihaz ya da güneş kolektör hattının direkt ısı dağıtım sistemine bağlanarak ısıtma amaçlı olarak kullanılması daha doğru bir yaklaşımdır. Bu nedenle ısıtma uygulamasında absorbsiyonlu sistemin, mevcut bir ısıtma sistemine yardımcı sistem olarak kullanılması daha uygundur. Çalışmada yardımcı enerji kaynağı olarak elektrikli ısıtıcı ve hava kaynaklı ısı pompası kullanılmıştır. Her iki enerji kaynağı da elektrik enerjisi ile çalıştığından, absorbsiyonlu sistem, enerji kullanımına bağlı çevresel sorunların iyileştirilmesi noktasında avantajlar sağlamıştır. Simülasyon sonuçları incelendiğinde güneş enerjisi kaynaklı sistemin soğutma ihtiyacının önemli bölümünü karşıladığı tespit edilmiştir. Bu nedenle yardımcı enerji kaynağı olarak ek bir soğutma sistemi yerine absorbsiyonlu sisteme termal enerji desteği sağlayacak bir ısıtıcı sistemin kullanılması ilk yatırım maliyetinin azaltılması noktasında daha doğru bir yaklaşımdır. Bu sayede absorbsiyonlu sistemden yıl boyu faydalanma oranı da artacaktır. Ayrıca ısıtıcı sistem, yapının ısınma ve sıcak kullanım suyu ihtiyacını da karşılayabilmekte, bu işlevi yerine getirmek için ek bir ısı dağıtım sistemine ihtiyaç duymamaktadır. 17 2 Yapılan deneysel çalışmalarda, test odasının yalıtım plakaları ile içten yalıtılması ısıtma ve soğutma uygulamalarında sistem verimini olumsuz yönde etkilemiştir. Test odasını oluşturan yapı elemanları, mahal içerisine gönderilen enerjiyi absorbe edemeyerek bir ısıl kütle oluşturamamakta, dolayısıyla oda içerisindeki sıcaklık artışı ya da düşüşü daha hızlı gerçekleşmektedir. Bu durum, soğutucu ve ısıtıcı cihazların çok sık devreye girip çıkarak cihaz verimlerinin azalmasına neden olmuştur. Güneş enerjisi kaynaklı sistemler birbirinden farklı birçok bileşenin bir araya gelmesinden oluşmaktadır ve tüm sistem bileşenlerinin uyum içerisinde çalışması sistem verimi açısından oldukça önemlidir. Deney tesisatı kapsamında oluşturulan otomasyon sistemi ile sistem bileşenlerinin çalışma özellikleri istenilen şekilde kontrol edilmiştir. Daha gelişmiş otomasyon sistemleri ile sistem veriminin arttırılması mümkün olsa da sistem tasarımı yapılırken, otomasyon uygulamasının ilk yatırım maliyeti içerisindeki oranı dikkate alınmalıdır. Test odası için yapılan yıllık simülasyon uygulaması sonucunda, soğutma dönemi için absorbsiyonlu sistemin ortalama soğutma tesir katsayısı değerinin 0,35 olduğu tespit edilmiştir. Tüm yıl boyunca test odasının soğutma ihtiyacının %99’u, ısıtma ihtiyacının %63’ü ve sıcak kullanım suyu ihtiyacının %99’u güneş enerjili sistem ile karşılanmıştır. Ayrıca güneş enerjili sisteminin ekonomik ve çevresel açıdan önemli faydalar sağladığı tespit edilmiştir. Buna göre tüm yıl boyunca güneş enerjisinin kullanımına bağlı olarak sağlanan enerji tasarrufu sonucu yıllık toplam 11974 kg CO2 salınımının engellendiği, 1296 TL’lık ekonomik tasarruf sağlandığı görülmüştür. Simülasyon programı aracılığıyla, örnek bir konut tasarımı esas alınarak, Türkiye’de farklı iklimsel ve coğrafi şartlara sahip on farklı il için yapılan yıllık simülasyon uygulaması sonucunda, güneşlenme oranı daha yüksek olan bölgelerde, güneş enerjisi kullanımının, ekonomik ve çevresel açıdan sağladığı faydanın daha fazla olduğu görülmüştür. Yapılan sayısal analiz sonucunda örnek bina tasarımı için güneş enerjisinin kullanımı ile sağlanan CO2 salınımındaki yıllık toplam azalma miktarının 12405–18059 kg arasında değiştiği, yıllık ekonomik tasarruf miktarının 1244–1977 TL aralığında olduğu hesaplanmıştır. Yaz aylarında güneşlenme miktarının yüksek olduğu 17 3 illerde sistemin soğutma katsayısının 0,5 değerine yaklaştığı ve sistemin soğutma veriminin arttığı görülmüştür. Simülasyon sonucunda tüm iller için en yüksek soğutma tesir katsayısının Temmuz ayında elde edildiği ve 0,39–0,49 arasında değerler aldığı tespit edilmiştir. Tüm iller için absorbsiyonlu sistemin yıllık soğutma periyodu boyunca ortalama soğutma tesir katsayısı değerinin 0,29–0,39 aralığında değiştiği görülmüştür. Örnek bir konut için yapılan ekonomik analizde, güneş enerjili sistemin geri ödeme süresi yaklaşık 20 yıl olarak hesaplanmıştır. Sistem bileşenleri ve sistem tasarımında yapılacak iyileştirmelerle güneş enerjisinden faydalanma oranının arttırılabileceği ve geri ödeme süresinin önemli miktarda azalabileceği sonucuna varılmıştır. Ayrıca sistemin kullanımın yaygınlaşması ve uygulanabilir niteliğinin arttırılması açısından konu ile ilgi sağlanacak devlet desteği bu noktada büyük önem taşımaktadır. Yenilenebilir enerji sistemlerinin verimlerinin arttırılması ve maliyetlerinin azaltılarak sistemin kullanılmasının yaygınlaştırılması enerji ile ilintili sorunların çözümünde büyük faydalar sağlayacaktır. Bu nedenle üniversite–sanayi işbirliği ile yapılacak ulusal ve uluslar arası çalışmalar, düzenlenecek eğitim faaliyetleri ve konu ile ilgili sağlanacak teşvikler, bu faydanın hayata geçirilmesinde önemli bir rol oynayacaktır. 17 4 KAYNAKLAR Agyenim, F., Knight I., Rhodes, M. 2010. Design and experimental testing of the performance of an outdoor LiBr/H2O solar thermal absorption cooling system with a cold store Solar Energy, 84(5): 735–744. Ali A.H.A., Noeres P., Pollerberg C. 2008. Performance assessment of an integrated free cooling and solar powered single-effect lithium bromide-water absorption chiller, Solar Energy, 82(11): 1021–1030. Anonim, 1972. ASHRAE American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Hand Book, ASHRAE Inc, 1972, USA. Anonim, 1999. International Energy Agency, Task 25 - Solar assisted air conditioning of buildings. http://www.iea-shc.org/task25/index.html-(Erişim tarihi: 31.07.2011). Anonim, 2003. Isısan Yayınları- Güneş enerjisi tesisatı, Isısan çalışmaları No:325, İstanbul. Anonim, 2005a. Solar heating and cooling of residential buildings: Design of systems, Solar Energy Applications Laboratory Colorado State University, University Press of the Pacific, Hawaii, 632 pp. Anonim, 2005b. Solar heating and cooling of residential buildings: Sizing, installation and operation of systems, Solar Energy Applications Laboratory Colorado State University, University Press of the Pacific, Hawaii, 744 pp. Anonim, 2006. International Energy Agency, Task 38 - Solar air-conditioning and refrigeration. http://www.iea-shc.org/task38/index.html-(Erişim tarihi: 31.07.2011). Anonim, 2008. TMMOB Makine Mühendisleri Odası, Sıhhi tesisat proje hazırlama esasları, Yayın No: MMO/260/6, İstanbul. Anonim, 2009a. Türkiye Gaz Beton Üreticileri Birliği, Isı yalıtım hesaplama programı v4.0, 2009,Türkiye. Anonim, 2009b. ASHRAE American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Hand Book, ASHRAE Inc, 2009, USA. Anonim, 2009c. TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası, Tasarımcılar için güneş evi, Elektrik Mühendisleri Odası Yayın No: EG/2008/5, Ankara. Anonim, 2010a. ClimateWell- Design_guidelines_cw10_cw20_v9_32_1_EN, http://www.climatewell.com- (Erişim tarihi:14.06.2010). Anonim, 2010b. ClimateWell, Installation manual CW20 093_2, 2010, Sweden, http://www.climatewell.com- (Erişim tarihi:14.06.2010). 17 5 Anonim, 2010c. ClimateWell, Control system manual CW20,2010, Sweden, http://www.climatewell.com- (Erişim tarihi:14.06.2010). Anonim, 2010d. ClimateWell-Solar Cooling Version 1.1, 2010 Sweden, Anonim, 2011a. Einsteinrefrigerator.http://en.wikipedia.org/wiki/Einstein_refrigerator- (Erişim tarihi: 03.02.2011) Anonim, 2011b. TRNSYS – Transient systems simulation program, http://www.trnsys.com/-(Erişim tarihi: 01.09.2011). Anonim, 2011c. NASA Atmospheric Science Data Center, Surface meteorology and Solar Energy, A renewable energy resource web site, http://eosweb.larc.nasa.gov/- (Erişim tarihi: 20.08.2010) Anonim, 2011d. Goodman genel katalog, http://213.155.100.140/bayi/uploaded_files// Goodman/200812301408450.Goodman_Genel_Katalog.pdf-(Erişim tarihi: 20.08.2011) Anonim, 2011e. Meteonorm meteorolojik verileri, http://meteonorm.com/ (Erişim tarihi: 01.09.2011) Anonim, 2011f. Viessmann Vitosol 200 F, http://www.viessmann.de/de/ein- _zweifamilienhaus/produkte/Solarthermie/Vitosol_200-F.html- (Erişim tarihi: 01.09.2011) Anonim, 2012a. TEDAŞ (Türkiye Elektrik Dağıtım Anonim Şirketi) 2012 tarifeleri, http://www.tedas.gov.tr/tarifeler_xls/2012_trf/ocak%202012.xls – (Erişim tarihi 22.01.2012) Anonim, 2012b. İGDAŞ (İstanbul Gaz Dağ. San.ve Tic. A.Ş.) abone grubu satış tarifesi, http://www.igdas.com.tr/Dynamic/Individual_Natural_Gas_Price_List.aspx?MI=2&CM I=228&MCI=150 – (Erişim tarihi 22.01.2012) Anonim, 2012c. Vakıfbank ticari bankacılık hizmetleri- Çevre bankacılığı, http://www.vakifbank.com.tr/cevrebankaciligi.aspx – (Erişim tarihi 25.01.2012) Anonim, 2012d. Halk Bankası- Fransız kalkınma ajansı yenilenebilir enerji kredisi- http://www.halkbank.com.tr/channels/1.asp?id=2210 – (Erişim tarihi 25.01.2012) Anonim, 2012e. TURSEFF- Türkiye sürdürülebilir enerji finansman programı- http://www.turseff.org/– (Erişim tarihi 25.01.2012) Atmaca İ., Yiğit A. 2003. Simulation of solar-powered absorption cooling system, Renewable Energy, 28(8): 1277–1293. Ayyash, S. 1981. An assessment of the feasibility of solar absorption and vapor compression cooling systems, Energy Conversion and Management, 21(2): 163–169. 17 6 Bales, C., Nordlander, S. 2005. TCA Evaluation lab measurements, modelling and system simulations, Solar energy research center, Borlänge, Sweden. Bales, C., Hallström, O. 2010. Type 825 – Climatewell 10 barrel model description, Version: 3.04 2010-05-23, Sweden. Chinnappa J.C.V., Creesa M.R., Murthy S., Srinivasan K. 1993. Solar-assisted vapor compression/absorption cascaded air-conditioning systems, Solar Energy, 50(5): 453–458. Conde, M.R. 2004. Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides: formulations for use in air conditioning equipment design, International Journal of Thermal Sciences 43(4): 367–382. Corbella, O.D., Garibotti C.R. 1989. Comments about the comparison between a conventional and solar powered absorption refrigeration system, Solar & Wind Technology, 6(1), 71–74. Eicker, U., Pietruschka, D. 2009. Design and performance of solar powered absorption cooling systems in office buildings, Energy and Buildings, 41(1): 81–91. Granryd, E., Palm, B. 2005. Refrigerating engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm, Chapter: 4-3. Hammad, M.A., Audi, M.S. 1992. Performance of a solar LiBr-water absorption refrigeration system, Renewable Energy, 2(3); 275–282. Henning, H.M. 2007. Solar-assisted air-conditioning in buildings – A handbook for planners, Springer Wien New York, 136 pp. Hidalgo, M.C.R., Aumente, P.R., Izquierdo M., Neumann, A., Mangual, R. 2008. Energy and carbon emission savings in Spanish housing air-conditioning using solar driven absorption system, Applied Thermal Engineering, 28(14): 1734–1744 Izquierdo, M., Lizarte, R., Marcos, J.D., Gutiérrez G. 2008. Air conditioning using an air-cooled single effect lithium bromide absorption chiller: Results of a trial conducted in Madrid in August 2005, Applied Thermal Engineering, 28: 1074–1081. Kreider J.F., Kreith F. 1981. Solar energy handbook., McGraw-Hill, New York, 1100 pp. Lecuona, A., Ventas, R., Venegas, M., Zacarias, A., Salgado, R. 2008. Optimum hot water temperature for absorption solar cooling, Solar Energy, 83(10): 1806–1814. Li Z. F., Sumathy K. 2000. Technology development in the solar absorption air- conditioning systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 4(3): 267–293 17 7 Li Z. F., Sumathy K. 2001. Experimental studies on a solar powered air conditioning system with partitioned hot water storage tank, Solar Energy, 71(5): 285–297. Lof G.O.G, Tybout R.A. 1974. The design and cost of optimized systems for residential heating and cooling by solar energy, Solar Energy 16(1): 9–18. Mateus, T., Oliveira, A.C. 2009. Energy and economic analysis of an integrated solar absorption cooling and heating system in different building types and climates, Applied Energy, 86(6): 949–957. Mendes, L. F., Pereira, M. C., Ziegler F. 1998. Supply of cooling and heating with solar assisted absorption heat pumps: an energetic approach, International Journal of Refrigeration, 21(2): 116–125. Millán, M. I., Hernández, F., Martín E. 1997. Solar cooling in Madrid: Energetic efficiencies, Solar Energy, 60(6): 367–377. Moffat, R.J. 1988. Describing the uncertainties in experimental results. Experimental Thermal and Fluid Science, 1: 3–17. Monné, C., Alonso, S., Palacín, F., Serra, L. 2011. Monitoring and simulation of an existing solar powered absorption cooling system in Zaragoza (Spain), Applied Thermal Engineering, 31(1): 28–35. Muneer, T., Uppal, A.H. 1985. Modelling and simulation of a solar absorption cooling system. Applied Energy, 19(3): 209–229. Pastakkaya, B., Ünlü, K., Yamankaradeniz, R. 2008. Isıtma ve soğutma uygulamalarında güneş enerjisi kaynaklı absorbsiyonlu sistemler. Türk Tesisat Mühendisleri Derneği Dergisi, 57: 25-32. Pastakkaya, B., Yamankaradeniz, N., Coşkun, S. 2011. Binaların Soğutulmasında Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorbsiyonlu Isı Pompasının Deneysel İncelenmesi. İklim 2011 Ulusal İklimlendirme Kongresi ve Fuarı, Antalya, Pinel, P., Cruickshank, C.A., Morrison, I.B., Wills A. 2011. Review of available methods for seasonal storage of solar thermal energy in residential applications, Applied Thermal Engineering, 23(3): 251–283. Pongtornkulpanich, A., Thepa, S., Amornkitbamrung, M., Butcher, C. 2008. Experience with fully operational solar-driven 10-ton LiBr/H2O single-effect absorption cooling system in Thailand, Renewable Energy, 33(5): 943–949. Sanjuan, C., Soutullo, S., Heras, M.R. 2010. Optimization of a solar cooling system with interior energy storage, Solar Energy, 84(7): 1244–1254. 17 8 Saravanan, R., Maiya, M.P. 1998. Thermodynamic comparison of water-based working fluid combinations for a vapour absorption refrigeration system, Applied Thermal Engineering, 18(7): 553–568 Sayigh, A.A.M., Mc Veigh J.C. 1992. Solar air conditioning and refrigeration, Pergamon Pres, Oxford UK. Siddiqui, M.A. 1994. Economic analyses of the operating costs in four absorption cycles for optimizing the generator and condensing temperatures, Energy Conversion and Management, 35(6): 517–534. Soutullo, S., Sanjuan, C., Heras, M.R. 2011. Comparative study of internal storage and external storage absorption cooling systems, Renewable Energy, 36(5): 1645–1651 Suri, R.K., Al-Madani, K., Ayyash S. 1984. Choice of thermal energy system for solar absorption cooling, Solar Energy, 32(2): 181–187. Syed A., Izquierdo M., Rodríguez P., Maidment G., Missenden J., Lecuona A., Tozer R. 2005. A novel experimental investigation of a solar cooling system in Madrid, International Journal of Refrigeration, 28(6): 859–871. Uyarel A.Y., Öz, S. 1987. Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen Yayınevi, Ankara, 239 s. Ward, S. 1979. Solar absorption cooling feasibility, Solar Energy, 22(3): 285–287. Wilbur, P., Manchini,T. 1975. A comparison of solar absorption air conditioning systems. Solar Energy, 18(6): 569–576. Yamankaradeniz R., Horuz İ., Coşkun S., Kaynaklı Ö., Yamankaradeniz N. 2008. İklimlendirme Esasları ve Uygulamaları, Vipaş, Bursa, 607 s. Yamankaradeniz R., Horuz İ., Kaynaklı Ö., Coşkun S., Yamankaradeniz N. 2009. Soğutma Tekniği ve Isı Pompası Uygulamaları, Dora Yayıncılık, Bursa, 726 s. 17 9 EKLER EK-A. Test odası yapı bileşenleri ve özellikleri EK-B. Aylara göre günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değerleri EK-C. Bursa ili meteorolojik tasarım parametreleri EK-D. Örnek bir konut uygulamasının farklı iller için yıllık simülasyon sonuçları 18 0 EK-A. Test odası yapı bileşenleri ve özellikleri Şekil A.1. Test odası duvar bileşenleri ve özellikleri 18 1 Şekil A.2. Test odası tavan ve taban bileşenleri ve özellikleri 18 2 EK-B. Aylara göre günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değerleri Şekil B.1. Ocak-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.2. Şubat-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.3. Mart-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri 18 3 Şekil B.4. Nisan-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.5. Mayıs-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.6. Haziran-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri 18 4 Şekil B.7. Temmuz-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.8. Ağustos-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.9. Eylül-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri 18 5 Şekil B.10. Ekim-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.11. Kasım-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri Şekil B.12. Aralık-günlük güneş enerjisi miktarının aylık ortalama değeri 18 6 EK-C. Bursa ili meteorolojik tasarım parametreleri (Anonim 2009b) 18 7 EK-D. Örnek bir konut uygulamasının farklı iller için yıllık simülasyon sonuçları Çizelge D.1. İllerin coğrafik ve iklimsel özellikleri Yapı elemanlarının TS 825'e göre TS 825'e göre tavsiye edilen ısı geçiş katsayıları İL Enlem derece gün [W/m2K] bölgesi Dış duvar Pencere Bursa 40.18 K 2. Bölge 0.6 2.8 İstanbul 40.97 K 2. Bölge 0.6 2.8 Ankara 40.12 K 3. Bölge 0.5 2.8 İzmir 38.52 K 1. Bölge 0.8 2.8 Antalya 36.87 K 1. Bölge 0.8 2.8 Adana 37.00 K 1. Bölge 0.8 2.8 Erzurum 39.95 K 4. Bölge 0.4 2.8 Samsun 41.28 K 2. Bölge 0.6 2.8 Gaziantep 37.08 K 2. Bölge 0.6 2.8 Diyarbakır 37.88 K 2. Bölge 0.6 2.8 18 8 189 Çizelge D.2. İstanbul ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın İSTANBUL kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 3061 0 64 565 0 30 %18 %0 %47 - 65 0 3 68 910 391 Şubat 2680 0 74 763 0 56 %28 %0 %75 - 87 0 6 93 1251 538 Mart 2471 0 101 1035 0 86 %42 %0 %85 - 118 0 10 128 1713 736 Nisan 1191 0 116 1022 0 112 %86 %0 %97 - 117 0 13 130 1734 745 Mayıs 318 403 139 314 403 138 %99 %100 %100 0,28 36 48 16 100 906 389 Haziran 0 1044 152 0 938 152 %0 %90 %100 0,44 0 113 17 130 770 331 Temmuz 0 1462 177 0 1051 174 %0 %72 %99 0,45 0 126 20 146 850 365 Ağustos 0 1387 196 0 959 192 %0 %69 %98 0,43 0 115 22 137 825 355 Eylül 14 675 181 14 616 178 %100 %91 %98 0,41 2 74 20 96 623 268 Ekim 544 169 149 365 169 141 %67 %100 %94 0,27 42 20 16 78 863 371 Kasım 1531 0 108 608 0 80 %40 %0 %74 - 70 0 9 79 1052 452 Aralık 2411 0 73 549 0 45 %23 %0 %61 - 63 0 5 68 908 390 YILLIK 14221 5140 1530 5235 4136 1384 %56 %87 %86 0,38 600 496 157 1253 12405 5331 18 9 190 Çizelge D.3. Ankara ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın ANKARA kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 4331 0 64 761 0 33 %18 %0 %51 - 87 0 4 91 1213 521 Şubat 3131 0 74 862 0 52 %28 %0 %70 - 98 0 6 104 1396 600 Mart 2318 0 101 1044 0 91 %45 %0 %91 - 119 0 10 129 1735 746 Nisan 1115 0 116 955 0 112 %86 %0 %97 - 109 0 13 122 1631 701 Mayıs 307 384 139 299 379 138 %97 %99 %100 0,27 34 46 16 96 870 374 Haziran 77 1079 152 77 1062 152 %100 %98 %100 0,4 17 127 9 153 918 394 Temmuz 0 1737 177 0 1470 176 %0 %85 %100 0,45 0 176 20 196 1086 467 Ağustos 0 1539 196 0 1369 195 %0 %89 %100 0,43 0 164 22 186 1058 454 Eylül 85 747 181 85 738 181 %100 %99 %100 0,34 10 89 21 120 800 344 Ekim 919 126 149 863 121 149 %94 %96 %100 0,17 99 15 17 131 1611 692 Kasım 2196 0 108 1246 0 97 %57 %0 %90 - 142 0 11 153 2053 822 Aralık 3654 0 73 510 0 40 %14 %0 %54 - 58 0 5 63 841 361 YILLIK 18133 5612 1530 6702 5139 1416 %64 %94 %88 0,34 773 617 154 1544 15212 6476 19 0 191 Çizelge D.4. İzmir ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın İZMİR kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 2774 0 64 1061 0 51 %38 %0 %80 - 121 0 6 127 1700 730 Şubat 2308 0 74 1110 0 66 %48 %0 %89 - 127 0 8 135 1798 733 Mart 1803 0 101 1167 0 93 %65 %0 %93 - 133 0 11 144 1926 828 Nisan 633 241 116 603 238 115 %95 %99 %99 0,2 69 29 13 111 1225 526 Mayıs 35 964 139 35 922 138 %100 %96 %99 0,4 4 111 16 131 756 325 Haziran 0 1875 152 0 1238 152 %0 %66 %100 0,47 0 149 17 166 921 396 Temmuz 0 2812 177 0 1502 176 %0 %53 %100 0,49 0 180 20 200 1079 464 Ağustos 0 2541 196 0 1417 195 %0 %56 %100 0,48 0 170 22 192 1064 457 Eylül 9 1422 181 9 1217 180 %100 %86 %99 0,47 1 146 21 168 940 404 Ekim 333 494 149 327 488 149 %98 %99 %100 0,35 37 59 17 113 988 424 Kasım 1245 0 108 861 0 104 %69 %0 %96 - 98 0 12 110 1474 633 Aralık 2195 0 73 1027 0 59 %47 %0 %81 - 117 0 7 124 1661 714 YILLIK 11335 10349 1530 6200 7022 1478 %73 %79 %95 0,41 707 844 170 1721 15532 6634 19 1 192 Çizelge D.5. Antalya ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın ANTALYA kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 2004 0 64 1136 0 52 %57 %0 %81 - 130 0 6 136 1816 780 Şubat 1739 0 74 1164 0 69 %67 %0 %94 - 133 0 8 141 1886 810 Mart 1418 0 101 1121 0 98 %79 %0 %98 - 128 0 11 139 1863 801 Nisan 548 174 116 544 174 115 %99 %100 %99 0,15 62 21 13 96 1100 473 Mayıs 38 895 139 38 884 138 %100 %99 %100 0,39 4 106 16 126 741 318 Haziran 0 1733 152 0 1221 152 %0 %70 %100 0,47 0 147 17 164 904 388 Temmuz 0 2925 177 0 1401 176 %0 %48 %100 0,48 0 168 20 188 1029 422 Ağustos 0 2831 196 0 1456 195 %0 %51 %100 0,48 0 175 22 197 1077 463 Eylül 5 1829 181 5 1335 181 %100 %100 %73 0,47 1 160 21 182 997 429 Ekim 113 863 149 111 822 149 %98 %95 %100 0,41 13 99 17 129 836 359 Kasım 826 56 108 773 50 107 %94 %89 %99 0,1 88 6 12 106 1372 589 Aralık 1621 0 73 1076 0 67 %66 %0 %91 - 123 0 8 131 1747 750 YILLIK 8312 11306 1530 5968 7343 1499 %84 %82 %95 0,37 682 882 171 1735 15368 6582 19 2 193 Çizelge D.6. Adana ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın ADANA kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 2412 0 64 969 0 47 %40 %0 %73 - 111 0 5 116 1553 667 Şubat 1850 0 74 1240 0 69 %67 %0 %93 - 142 0 8 150 2001 860 Mart 1216 0 101 1024 0 99 %84 %0 %99 - 117 0 11 128 1716 737 Nisan 350 293 116 346 287 115 %99 %98 %100 0,24 40 34 13 87 859 369 Mayıs 34 1204 139 34 1079 138 %100 %90 %100 0,44 4 129 16 149 839 361 Haziran 0 1848 152 0 1208 152 %0 %65 %100 0,47 0 145 17 162 896 385 Temmuz 0 2894 177 0 1299 176 %0 %45 %100 0,48 0 156 20 176 964 414 Ağustos 0 2902 196 0 1403 196 %0 %48 %100 0,48 0 168 22 190 1049 451 Eylül 5 1949 181 5 1225 181 %100 %63 %100 0,46 1 147 21 169 939 403 Ekim 19 1015 149 19 870 149 %100 %86 %100 0,41 2 104 17 123 721 310 Kasım 820 97 108 718 97 107 %88 %100 %99 0,13 82 12 12 106 1313 564 Aralık 1921 70 73 964 0 62 %50 %0 %85 - 110 0 7 117 1570 674 YILLIK 8627 12272 1530 5319 7468 1491 %81 %74 %96 0,39 609 895 169 1673 14420 6195 19 3 194 Çizelge D.7. Erzurum ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın ERZURUM kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 5868 0 64 493 0 29 %8 %0 %46 - 56 0 3 59 799 343 Şubat 4981 0 74 780 0 45 %16 %0 %61 - 89 0 5 94 1261 542 Mart 4083 0 101 1028 0 79 %25 %0 %78 - 118 0 9 127 1692 727 Nisan 2050 0 116 1376 0 106 %67 %0 %91 - 157 0 12 169 2265 973 Mayıs 1026 0 139 983 0 138 %96 %0 %99 - 112 0 16 128 1713 736 Haziran 314 297 152 314 297 152 %100 %100 %100 0,23 36 36 17 89 871 374 Temmuz 36 944 177 36 929 175 %100 %99 %99 0,39 4 112 20 136 820 352 Ağustos 28 1050 196 28 1027 196 %100 %98 %100 0,39 3 123 22 148 890 382 Eylül 490 155 181 416 150 179 %85 %97 %99 0,15 48 18 20 86 990 426 Ekim 1661 0 149 1281 0 142 %77 %0 %95 - 146 0 16 162 2176 935 Kasım 3315 0 108 839 0 84 %25 %0 %78 - 96 0 10 106 1410 606 Aralık 5126 0 73 476 0 32 %9 %0 %43 - 54 0 4 58 776 334 YILLIK 28978 2446 1530 8050 2403 1357 %59 %99 %82 0,29 919 289 154 1362 15663 6730 19 4 195 Çizelge D.8. Samsun ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın SAMSUN kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 2683 0 64 576 0 36 %21 %0 %56 - 66 0 4 70 936 402 Şubat 2484 0 74 793 0 52 %32 %0 %70 - 91 0 6 97 1292 555 Mart 2494 0 101 957 0 80 %38 %0 %80 - 109 0 9 118 1585 681 Nisan 1455 0 116 1122 0 114 %77 %0 %99 - 128 0 13 141 1889 812 Mayıs 587 159 139 496 158 135 %84 %100 %98 0,18 57 19 15 91 1050 451 Haziran 36 764 152 36 702 152 %100 %92 %100 0,38 4 84 17 105 663 285 Temmuz 0 1445 177 0 893 175 %0 %62 %99 0,44 0 107 20 127 767 329 Ağustos 0 1470 196 0 973 194 %0 %66 %99 0,44 0 117 22 139 843 362 Eylül 16 661 181 16 587 179 %100 %89 %99 0,41 2 70 20 92 612 263 Ekim 549 171 149 400 147 142 %73 %86 %95 0,29 46 18 16 80 907 390 Kasım 1396 0 108 829 0 95 %59 %0 %88 - 95 0 11 106 1413 607 Aralık 2208 0 73 629 0 49 %29 %0 %66 - 72 0 6 78 1036 455 YILLIK 13908 4607 1530 5854 3460 1403 %61 %83 %87 0,36 670 415 159 1244 12993 5592 19 5 196 Çizelge D.8. Gaziantep ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın GAZİANTEP kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 3729 0 64 819 0 40 %22 %0 %63 - 94 0 5 99 1312 564 Şubat 2982 0 74 1165 0 54 %39 %0 %73 - 133 0 6 139 1863 801 Mart 2250 0 101 1266 0 92 %56 %0 %92 - 145 0 11 156 2077 892 Nisan 868 70 116 751 66 113 %87 %94 %98 0,08 86 8 13 107 1357 583 Mayıs 203 739 139 203 729 137 %100 %99 %99 0,36 23 87 16 126 909 391 Haziran 0 1660 152 0 1288 152 %0 %78 %100 0,47 0 155 17 172 951 408 Temmuz 0 2719 177 0 1472 176 %0 %54 %100 0,47 0 177 20 197 1071 460 Ağustos 0 2619 196 0 1520 196 %0 %58 %100 0,47 0 182 22 204 1124 483 Eylül 0 1439 181 0 1282 181 %0 %100 %89 0,46 0 154 21 175 973 418 Ekim 429 375 149 420 371 149 %98 %99 %100 0,26 48 44 17 109 1068 459 Kasım 1905 0 108 1261 0 97 %66 %0 %90 - 144 0 11 155 2077 892 Aralık 3193 0 73 981 0 54 %31 %0 %74 - 112 0 6 118 1583 680 YILLIK 15559 9621 1530 6866 6728 1441 %62 %83 %90 0,37 785 807 165 1757 16365 7031 19 6 197 Çizelge D.9. Diyarbakır ili şartlarında örnek bir konut için bir yıllık simülasyon sonuçları Soğ.tes CO2 salınımındaki İhtiyaç duyulan enerji miktarı Güneş enerjisinden elde Güneş enerjisi ile ihtiyacın DİYARBAKIR kat. Tasarruf miktarı [TL] azalma miktarı ve [kWh] edilen enerji miktarı [kWh] karşılanma oranı [%] [-] petrol eşdeğeri Sıcak Sıcak Sıcak Sıcak CO2 Petrol AYLAR Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım Isıtma Soğutma kullanım STK Isıtma Soğutma kullanım Toplam sal.azal. Eşd. [l] suyu suyu suyu suyu [kg] Ocak 4059 0 64 1072 0 44 %26 %0 %69 - 122 0 5 127 1705 733 Şubat 3065 0 74 1302 0 63 %42 %0 %85 - 149 0 7 156 2087 897 Mart 1960 0 101 1480 0 96 %75 %0 %96 - 169 0 11 180 2409 1035 Nisan 715 160 116 697 159 115 %97 %100 %99 0,15 80 19 13 112 1326 570 Mayıs 97 959 139 95 915 138 %98 %95 %100 0,37 11 110 16 137 846 364 Haziran 0 2217 152 0 1394 152 %0 %63 %100 0,47 0 167 17 184 1007 432 Temmuz 0 3728 177 0 1645 176 %0 %44 %100 0,49 0 197 20 217 1156 497 Ağustos 0 3495 196 0 1773 196 %0 %51 %100 0,49 0 213 22 235 1247 536 Eylül 0 1890 181 0 1419 181 %0 %75 %100 0,45 0 170 21 191 1047 450 Ekim 334 595 149 320 578 149 %96 %97 %100 0,31 37 69 17 123 1026 441 Kasım 1872 0 108 1354 0 101 %94 %0 %72 - 155 0 12 167 2224 956 Aralık 3213 0 73 1237 0 58 %38 %0 %79 - 141 0 7 148 1979 850 YILLIK 15315 13044 1530 7557 7883 1469 %71 %75 %92 0,39 864 945 168 1977 18059 7761 19 7 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Bilsay PASTAKKAYA Doğum Yeri ve Tarihi : Bursa, 03.02.1982 Yabancı Dil : İngilizce Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl) Lise : Yalova (Y.D.A.L) Lisesi, 1999 Lisans : U.Ü. Müh. Mim. Fakültesi, Makine Müh. Bölümü, 2003 Yüksek Lisans : U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Müh. A.B.D., 2005 Çalıştığı Kurum ve Yıl :U.Ü.Orhangazi Meslek Yüksekokulu, Öğr. Gör., (2008- ) İletişim (e-posta) : bilsay@uludag.edu.tr Yayınlar: Pastakkaya B., Yamankaradeniz N., Coşkun S., Kaynaklı Ö., Yamankaradeniz R. 2012. Experimental Analysis of a Solar Absorption System with Interior Energy Storage. Journal of Energy in Southern Africa 23: 39-49. Pastakkaya B., Yamankaradeniz N., Coşkun S., Kaynaklı Ö., Yamankaradeniz R. 2011. Bursa İli İçin Güneş Enerjisi Kaynaklı Soğutma Sisteminin Deneysel Analizi. Uludağ Üniversitesi Ar-Ge Günleri Poster Bildiri, Bursa Pastakkaya B., Yamankaradeniz N., Coşkun S. 2011. Binaların Soğutulmasında Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorbsiyonlu Isı Pompasının Deneysel İncelenmesi. İklim 2011 Ulusal İklimlendirme Kongresi ve Fuarı, Antalya. Yamankaradeniz R., Pastakkaya B., Yamankaradeniz N., Coşkun S., Kaynaklı Ö., 2011. Güneş Enerjisi Kaynaklı Soğutma-Isıtma Teknolojileri Laboratuarı, Uludağ Üniversitesi Ar-Ge Günleri Poster Bildiri, Bursa. Pastakkaya B., Ünlü K., Yamankaradeniz R. 2008. Isıtma ve Soğutma Uygulamalarında Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorbsiyonlu Sistemler. Türk Tesisat Mühendisleri Derneği Dergisi, 57: 25-32. Pastakkaya B., Ünlü K., Horuz İ. 2007. Deneysel Toprak Kaynaklı Isı Pompası Sistemi İçin Toprak Isı Değiştiricisi Hesabı. İklim 2007 Ulusal İklimlendirme Kongresi ve Fuarı, Antalya, 405-411. 19 8