Bölgesel Isıtma Sistemlerinde Boru Yalıtımı Yoluyla Enerji Tasarrufu

Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi
Cilt: 9, No: 1, 2012 (1-14)
Electronic Journal of Machine Technologies
Vol: 9, No: 1, 2012 (1-14)
TEKNOLOJİK
ARAŞTIRMALAR
www.teknolojikarastirmalar.com
e-ISSN:1304-4141
Makale
(Article)
Bölgesel Isıtma Sistemlerinde Boru Yalıtımı Yoluyla Enerji Tasarrufu
için Optimum Yalıtım Kalınlığının Belirlenmesi
Ali KEÇEBAŞ
Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği, Afyonkarahisar/TÜRKİYE
[email protected]
Geliş Tarihi: 19.01.2012 Kabul Tarihi: 15.03.2012
Özet
Bir binanın ısıtılması için harcanan enerjinin azaltılmasında mekanik tesisat yalıtımı çok önemlidir. Özelikle
bölgesel ısıtma boru hatlarındaki ısı kayıpları çok büyük olmaktadır. Bu hatların yalıtıkları takdirde sağlanacak
enerji tasarrufu çok büyüktür. Bu çalışmada, Afyonkarahisar ili ve farklı ısıtma derece günlere göre bölgesel
ısıtmadaki çeşitli boru çapları ve yakacak yakıtlar için optimum yalıtım kalınlığı, enerji tasarrufu ve geri dönüş
süresi hesaplanmıştır. Bu nedenle borulardaki yalıtım ekonomisi için yaşam döngüsü maliyet (YDM) analizine
dayanan bir optimizasyon modeli geliştirilmiştir. Yalıtım malzemesi olarak ekstrüde polistiren (XPS)
kullanılmıştır. En fazla yıllık enerji tasarrufu fuel-oil yakıtından sağlanırken en az tasarruf ise jeotermal enerji
için elde edilmiştir. Küçük çaplı borulara göre büyük çaplı borulardaki yalıtım ile de daha çok enerji tasarrufu
yapılabilmektedir. Derece-gün değerlerin artması durumunda optimum yalıtım kalınlığı ve yıllık tasarruflar
artarken geri dönüş sürelerinin azaldığı görülmüştür. Sonuç olarak, bölgesel ısıtma boru hatlarında uygun boru
boyutlarının ve en uygun kalınlıkta yalıtım malzemelerinin seçimi ekonomik avantajlar sağlamaktadır.
Anahtar Kelimeler: Bölgesel ısıtma, boru yalıtımı, enerji tasarrufu, YDM, optimum yalıtım kalınlığı.
Determination of Optimum Insulation Thickness for Energy Saving
through Pipe Insulation in District Heating Systems
Abstract
The mechanical plumbing insulation is very important in reducing the energy expended for the heating of a
building. Especially the heat losses in district heating pipelines are very large. The energy savings provided is
enormous if the insulation is made in pipelines. In this study, for various pipe diameters and fuels in district
heating the optimum insulation thickness, energy saving and payback period were calculated according to the
Afyonkarahisar province and different heating degree-days. Therefore, an optimization model for insulation
economy in pipes was enhanced based on the life cycle cost (LCC) analysis. The extruded polystyrene (XPS) as
insulation material was used. The minimum annual energy savings were obtained for the geothermal energy while
the maximum saving was provided from the fuel-oil as fuel. According to a small diameter pipes, the insulation of
the large diameter pipes can be made more energy savings. It was shown that in case of an increase in the degreeday values, the payback periods decreased while the optimum insulation thickness and annual energy saving
increased. As a result, the selection of the appropriate sizes of pipes and the appropriate thicknesses of insulation
materials in district heating pipelines should provide economic advantages.
Keywords: District heating, pipe insulation, energy saving, LCC, optimum insulation thickness.
1. GİRİŞ
Enerji tüketimi; nüfus artışı, kentleşme, büyük şehirlere göç ve yaşam standartlarının iyileşmesi
nedenleriyle dünya çapında hızla artmaktadır. Enerji tüketiminin sanayileşmiş ülkelerde yaşam
Bu makaleye atıf yapmak için
Keçebaş A., “Bölgesel Isıtma Sistemlerinde Boru Yalıtımı Yoluyla Enerji Tasarrufu için Optimum Yalıtım Kalınlığının Belirlenmesi” Makine Teknolojileri
Elektronik Dergisi 2012, 9(1) 1-14
How to cite this article
Keçebaş A., “Determination of Optimum Insulation Thickness for Energy Saving thought Pipe Insulation in District Heating Systems” Electronic Journal of
Machine Technologies, 2012, 9(1) 1-14
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
standartlarının düşmesine ve gelişmekte olan ülkelerde bu durumu kurtarmada kaçınılmaz olduğunu
göstermektedir. Bu durumda hem enerjinin daha verimli hem de yenilenebilir enerji kullanılması
gereklidir. Enerji tüketimi; sanayi, inşaat, ulaştırma ve tarım gibi bazı alanlarda daha yüksektir. Bunların
arasındaki inşaat sektörü en geniş enerji tüketimine sahiptir. İnşaat sektöründe binaların ısıtma ve
soğutmaları için harcanan enerji diğer enerji tüketim kaynaklarına (su ısıtma, pişirme, gıda soğutma ve
dondurma gibi) oranla yaklaşık iki kat daha fazladır [1]. Bu nedenle, binalarda uygun yalıtım malzemeleri
kullanımı enerji tasarrufu ve fosil yakıtların istenmeyen emisyonlarını azaltılmasında oldukça önemlidir.
Yalıtım aşağıdaki işlevlerden bir veya birkaçını yaparak ısı enerjisi akışını geciktiren malzemeler veya bu
malzemelerin kombinasyonları olarak tanımlanır: (i) ısı kaybı ve kazancını azaltmak için enerjiyi
muhafaza etmesi, (ii) personel güvenliği ve konforu için yüzey sıcaklıklarını kontrol etmesi, (iii) bir
işlemin sıcaklık kontrolünü kolaylaştırması, (iv) soğuk yüzeylerde buhar akışı ve su yoğuşmasını
önlemesi, v) ticari ve endüstriyel tesislerde bulunan ısıtma/havalandırma/soğutma, sıhhi tesisat, buhar ve
güç sistemlerinin işletme verimliliğini arttırması ve (vi) ekipmanları ateş veya aşındırıcı atmosferlere
maruz kalmaktan koruması veya zararı azaltmasıdır [2]. Ayrıca, bir yalıtım malzemesinin kalınlığı
bölgenin ortalama çevre sıcaklığı, yalıtım malzemesinin ısıl iletkenliği ve onun ücreti dikkate alınarak
tercih edilir. Yalıtım malzemesinin kalınlığının arttırılması sadece hava kirliliğini azaltmasının yanında
enerji tasarrufunu arttıracaktır. Ancak, sıfır ısı kaybını sağlayan bir yalıtım kalınlığı ne pratikte ne de
ekonomik olarak mümkün değildir. Bir denge noktası elde edilir ki bu yalıtım malzemesi maliyeti ile
tasarruflar arasında tespit edilir. Bu denge noktası da optimum yalıtım kalınlığını belirtir [3].
Günümüzde hem organik (genişletilmiş plastik, cam yünü, mantar, kamış, kenevir) hem de inorganik
(köpüklü cam, cam ve mineral lifleri) üzerine ısı yalıtım malzemelerinin farklı türde avantajlarına sahip
çeşitli ısı yalıtım sistemleri tasarlanmakta ve test edilmektedir [4]. Ayrıca, enerji tasarrufu için büyük
potansiyeli nedeniyle çalışmaların çoğu binalarda ısı yalıtımı [5-7] ve soğuk hava depoları [8,9] üzerine
odaklanmaktadır. Bu çalışmalar, çatı ve cephe gibi geniş alanlar sunan geometrik konfigürasyon olarak
düz plaka veya levha gibi düşünülür. Öte yandan, rafineriler, kimya sanayi, bölgesel ısıtma/soğutma ve
enerji santrallerinde boru hatları ve silindirik ısı eşanjörleri geniş bir kullanım alanı olmasına rağmen
silindirik geometri için ısı yalıtımını iyileştiren çalışmalar azdır. Zaki ve El-Turki [10] boru hatları için
çok katmanlı ısı yalıtımının optimizasyonuna çalıştı. Wechsatol vd. [11] bir ısıtma alanına düzenli olarak
sıcak su dağıtımı için optimal geometrik düzeni incelenmiştir. Bu çalışmada, yalıtım malzemesi miktarı,
tüm boruların hacmi ve boru duvarı malzemesinin miktarı çalışmasındaki ana kısıtlardı. Kalyon ve Şahin
[12] kontrol teorisi yaklaşımı ve en dik iniş yöntemini kullanarak ısı kaybını en aza indiren taşınımla ısı
transferine karşı bir borudaki optimum yalıtım kalınlığını araştırdı. Şahin [13] dış termal radyasyona
maruz kalan kanalların optimum yalıtımı incelenmiştir. Isı transferini en aza indirmek amacıyla sınırlı
miktarda yalıtım malzemesi kullanarak tüp boyunca optimal yalıtım kalınlığı değişimini araştırdı. Sonraki
çalışmalarında [14] ışınım ve taşınımla ısı transferine maruz dairesel bir tüp için kritik yalıtım yarıçapını
analitik olarak incelemişlerdir. Öztürk vd. [15] sıcak su boru sistemlerinin optimum tasarımı için dört
farklı termo-ekonomik teknik sunmuşlardır. Yaptıkları çalışmada sıcak su boru segmenti düşünülmüş ve
bu yöntemlerin farklılıklarını ve yararlarını ele almışlardır. Karabay [16] sıcak su dağıtım borusu için
termo-ekonomik optimizasyon yöntemini incelenmiştir. Onun kullandığı yöntem termodinamiğin ikinci
kanununa dayanıyordu. Boru ve yalıtım maliyetleri yatırım olarak kabul etmişlerdir. Optimum boru çapı
ve yalıtım kalınlığını işletme maliyeti olarak ekserji yıkımı ve kaybını göz önüne alarak belirlediler.
Keçebaş vd. [17] yaşam döngüsü maliyet (YDM) analizine bağlı olarak beş farklı boru çapı ve dört farklı
yakıt türü için bölgesel ısıtma boru hat borulardaki optimum yalıtım kalınlığını incelemişledir.
YDM analizleri genellikle enerji teknolojileri ve bina projelerinde etkili bir biçimde uygulanmaktadır.
YDM analizi, bina veya boru sistemi yalıtımı üzerine daha başlangıçtaki harcamalar ile bina veya boru
sisteminin ömrü boyunca net tasarrufların üretebileceğini gösterir. Yani YDM yalıtım malzemeleri ve
yakıtların maliyetini doğrudan etkileyen enflasyon ve faiz oranlarındaki değişimle optimum yalıtım
kalınlığını belirlemek için kullanılır. Bu çalışmada, borularda yalıtım ekonomisi için P1-P2 yöntemi yolu
ile YDM analizine dayanan bir optimizasyon modeli geliştirilmiştir. Matlab programı kullanılarak, çeşitli
2
Keçebaş A.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
derece günlere sahip şehirlerdeki bölgesel ısıtmalar için boru sisteminin optimum yalıtım kalınlığı dört
farklı tipte yakıt, dört farklı boru çapı ve ekstrüde polistiren (XPS) yalıtım malzemesi için hesaplanmıştır.
Ayrıca bu çalışmada çeşitli derece günler için enerji tasarrufu ve geri ödeme süreleri de
değerlendirilmiştir.
2. MATERYAL ve METOD
2.1. Boru sisteminin yapısı
Bir bölgesel ısıtma sistemi, ısı kaynağından ısıtılan binalara kadar bir zincir oluşturan birçok elemandan
oluşmaktadır. Bölgesel ısıtma sisteminin tek amacı ısı tüketicilerine yeterli ısıyı temin etmektir. Tüketici
dış çevreye olan ısı kayıplarına karşı iç ortam sıcaklığını makul bir sabit seviyede tutmak için ısı kullanır.
Birçok bölgesel ısıtma sistemlerinde ısı kaynağı olarak kömür, doğal gaz, fuel-oil ve jeotermal enerji
kullanılır. Bölgesel ısıtma sistemlerinde ısı dağıtımı, sıcak suyun ısıtma sistemi ağındaki her bir tüketiciye
gönderildiği kapalı bir döngü ağı vasıtasıyla gerçekleştirilir. Burada sıcak su tüketici tarafından soğutulur.
Sonra ısı merkezine geri yollanır ve yeniden ısıtılır. Sistem bu şekilde devir daim ettirilir.
Şekil 1. Bu çalışmada ele alınan birim uzunluktaki boru sistemi.
Bölgesel ısıtma sistemlerinde ısı taşıyan boru hatlarındaki ısı kayıpları ve sıcaklık değişimleri bazı
nedenlerden dolayı önemli derecede etkilenir. Bunlar: (i) yalıtım, (ii) çevre (toprak üstü borular için çevre
hava veya toprak altı borular için toprak) ve (iii) boru yapısıdır. Bu çalışmada toprak üstünde ve galeri
içersinde uzanan bir boru sistemi ele alınmış ve birim uzunluk için boru kesiti Şekil 1’de verilmiştir. Bu
boru sistemi için uygun ortalama bir sıcaklıkta sabit çevre sıcaklığı ve sabit termodinamik özellikler de
hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca, bölgesel ısıtma sistemi için sıcak su (90/70 °C) kararlı durum kararlı
akış kontrol hacmi koşullarında sabit bir hız ile borudan pompalandığı düşünülmüştür. Borudaki akış
sürtünmesi nedeniyle oluşan basınç düşümleri ve sıcak suya moleküler difüzyon yoluyla farklı türde
moleküllerin karışması durumları bu çalışmada ihmal edilmiştir.
2.2. Boru sisteminde ısı kayıplarının hesaplanması
Bölgesel ısıtma sistemlerinde boru sistemi boyunca borudan gerçekleşen ısı kaybı genellikle aşağıdaki
denklem ile hesap edilmektedir.
Q b  UA(Tts  Td )  UAT
(1)
Burada; A borunun toplam yüzey alanı, Td dış ortam sıcaklığı, Tts boru içersindeki sıcak suyun ortalama
tasarım sıcaklığı ve U boru sistemi için toplam ısı transfer katsayısıdır.
Boru sistemi tabakalarının toplam ısıl direnci, Rb, borunun iç ve dış yüzeyleri arasındaki tabakaların ısıl
dirençleri ile bu iç ve dış yüzey üzerindeki ısı taşınım katsayıları toplamına eşittir. Böylece boru
3
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
sisteminin tüm tabakaları için toplam ısıl direnç aşağıdaki gibi verilir.
r 
r 
 r 
ln  1  ln  2 
ln  n 
r
r
r
R p  1   0    1   .....  n1   1
h i A i 2Lk1 2Lk 2
2Lk n
h dAd
(2)
Burada k1, k2, vb. boru sistemi tabakalarının ısıl iletkenliklerini ve r1, r2, vb. ise onların yarıçaplarını ifade
eder. Boru sisteminin son tabakasının dış yüzey alanı A d  2 L rn iken borunun iç yüzey alanı
A i  2 L r0 ’dır.
Bu çalışmada, yalıtımsız boru sistemi tabakalarının toplam ısıl direnci
R b ,ysız
r 
ln  1 
r
 1   0 1
h i A i 2Lk1 h d A d
(3)
iken yalıtımlı boru sistemi tabakalarının toplam ısıl direnci
R b ,y
r 
r 
ln  1  ln  2 
r
r
 1   0  1 1
h i A i 2Lk1 2Lk y h d Ad
(4)
şeklinde ifade edilebilir. Burada; ky yalıtım malzemesinin ısı transfer katsayısı ve Ad  2 L r2 boru
sisteminin son tabakasının dış yüzey alanıdır. Ayrıca, hi and hd sırasıyla boru sisteminin iç ve dış
yüzeyleri için ısı taşınım katsayılarıdır ve bu çalışmada şöyle hesaplanabilir [18]:
h iD
 0.023 Re 0.8 Pr 0.4
ki
(5)
ve
0.2
h d  11.581 d 
2 Tms  Td   546.30.181 Tms  Td 0.266 1  2.86 Vair 0.5
(6)
Burada; ki boru içersindeki sıcak suyun ısı transfer katsayısıdır. Eşitlik (6), bilgisayar hesaplamalarında
ASTM Standard C680 için genel bir eşitliktir [19]. d=D+2δ ve Tms boru sisteminin ortalama dış yüzey
sıcaklığıdır.
Yalıtımsız ve yalıtımlı boru sistemlerinin toplam ısı transfer katsayıları arasındaki fark aşağıdaki gibi
yazılabilir.
U  U ysız  U y 
1  1
R b, ysız R b, y
(7)
Isıl iletim verimi üzerine yalıtımlı boru sisteminin dış yarıçapının etkisi, Eşitlik (7)’nin r2’ye göre
türevinin alınmasıyla bulunur ve sonuçta aşağıdaki ifade elde edilmiş olur.
4
Keçebaş A.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
1
1

2Lk y r2 2Lh d r2 2
U 

r2

r 
r 

ln  1  ln  2 
 1   r0    r1   1
 h i A i 2Lk1 2Lk y h d Ad








(8)
2
2.3. Optimum yalıtım kalınlığı, enerji tasarrufu ve geri dönüş süresinin hesaplanması
Yıllık enerji tüketimi ve maliyet analizi genellikle tasarım ısı yükü hesaplamaları ile birlikte yapılır ve
ısıtma sistemlerinin seçiminde önemli bir rol oynar. Yıllık ısı tüketimini hesaplamak için çeşitli yöntemler
kullanılır. Bir binanın yıllık enerji tüketimini tahmin etmenin en basit ve etkili yolu ise saatlik verileri
kullanarak yıllık ısıtma derece günlerin (IDG) sayısını belirlemektir. Bunun için aşağıdaki formül
kullanılabilir.
365
*
IDG  1 yıl   Tb  Tsa 
(9)
1
Burada; Tb denge sıcaklık ve Tsa günlük ortalama güneş hava sıcaklığıdır. Parantez üzerindeki * işareti
sadece pozitif olan değerlerin hesaba katıldığını belirtmekte ve Tb < Tsa olduğunda sıcaklık farkları sıfır
olarak alınmaktadır. Denge sıcaklık ısıtmanın gerekli olduğu en alt dış sıcaklıktır. Bu çalışmada denge
sıcaklık 18 °C için Afyonkarahisar Meteoroloji Müdürlüğü’nden alınan saatlik veriler kullanılmıştır [20].
Afyonkarahisar ilinin IDG değeri 2828 °C-gün olarak alınmıştır.
Literatürde genellikle derece günlerin binaların ısı ihtiyaçlarının belirlenmesinde kullanıldığı
görülmektedir. Bunun sonucunda binaların dış duvarlarındaki ısı kaybı hesapları yapılarak optimum dış
duvar yalıtım kalınlıkları hesaplanabilmektedir. Fakat binaların ihtiyacı olan bu ısı ise bölgesel ısıtma
sistemlerinde borular yardımı ile taşınmaktadır. Bu ısı taşıma esnasında boru sisteminden kaynaklanan
kayıplar neticesinde borularda optimum yalıtım kalınlığı hesaplanabilmektedir [17,21,22]. Bu durumda,
bölgesel ısıtma için boru sisteminin yıllık ısı kaybı, ısıtma derece günler kullanılarak aşağıdaki eşitlikte
belirlenebilir.
Q A  86400 IDG U
(10)
Boru sistemdeki kayıplar için yıllık enerji gereksinimi, yıllık ısı kaybının ısıtma sisteminin verimine (ηıs)
bölünerek
Eg 
86400 IDG U
ıs
(11)
ve bölgesel ısıtmadaki borulardan kaynaklanan kayıplar için yıllık yakıt tüketimi ise
m yakıt 
86400 IDG U
H alt ıs
(12)
şeklinde hesaplanabilir. Burada; Halt yakıt tipine bağlı olarak yakıtın alt ısıl değeridir.
Bölgesel ısıtmadaki boru sisteminden kaynaklanan kayıplar nedeniyle oluşan yıllık toplam enerji maliyeti
5
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
(Cyakıt) aşağıdaki ifade ile bulunabilir.
C yakıt 
86400 IDG U C Y
H alt ıs
(13)
Burada; CY yakıt tipine dayanarak yakıtın birim maliyetidir.
Birim hacimdeki yalıtım malzemesinin maliyeti (CYal) için toplam yalıtım malzemesi maliyeti aşağıdaki
eşitlik kullanılarak hesaplanabilir.
(14)
C yalıtım  C Yal V
Burada; V 
 2
2
r2  r1 L yalıtımda kullanılan malzemenin hacmidir.
4


Birçok termal sistemlerde ekipmanların çalıştırılması için harcanan enerji miktarı yıldan yıla önemli
derecede değişmez. Bu durumda yaşam döngüsü maliyet (YDM) analizi, Ref. [23]’te sunulan metot
kullanılarak hesaplanılabilir. Bu referanstaki YDM analizi iki ekonomik terimin toplamı olarak
düşünülür. İlk ifade (F) ilk yılki işletim maliyeti ile orantılı ve ikinci ifade (E) ise sisteminin birinci
maliyeti ile orantılıdır.
YDM  P1 F  P2 E
(15)
Birinci terim (P1), ilk yıl için yakıt fiyatına ömür yakıt fiyatının oranıdır. P1’in en düşük değeri, ortalama
yakıt fiyatlarının yüksek olduğunu gösterir. Bu potansiyel ortalama yakıt kazancının belirlenmesi
açısından önemlidir. P1, aşağıda ifade edildiği gibi enflasyon oranı (d), faiz oranı (i) ve ömür süresi (N)
ile ilgili oranlardır.
Eğer i≠d ise P1 
N
1   1 i  
1

 
 
(d  i)   1  d  
(16)
Eğer i=d ise P1 
N
1 i
(17)
İkinci terim (P2) ise yatırım miktarına yatırımın sonucu olarak giren ömürlük masrafların oranıdır. P2’nin
en yüksek değeri, yatırım en düşük ilk maliyete sahip olduğunda elde edilir. P2, aşağıdaki gibi ifade edilir.
P2  1  P1M s 
Rv
(18)
1  d N
Burada; Ms başlangıçtaki ilk maliyete yıllık bakım ve işletme maliyetlerine oranı ve Rv ilk maliyete
perakende satış fiyatının oranıdır. Bu çalışmada bakım ve işletme maliyetlerinin olmadığı düşünülerek P2
değeri 1 olarak alınmıştır.
Bölgesel ısıtma için yalıtımlı boru sistemiyle taşınan ısının toplam maliyeti aşağıdaki eşitliklerle
hesaplanabilir.
(19)
C t  P1C yakıt  P2 C yalıtım
6
Keçebaş A.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Yalıtım malzemesi kullanılmasıyla ömür süresi üzerinden toplam enerji tasarrufu, P1-P2 metodu yoluyla
aşağıdaki gibi formüle edilebilir.
S
86400 P1 IDG U C Y
 P2 C Yal V
H alt ıs
(20)
Yalıtımlı boru sisteminin dış yarıçapı, Eşitlik (20)’nin minimize veya Eşitlik (19)’un maksimize
edilmesiyle belirlenebilir. Böylece r2’ye göre S veya Ct’nin türevi alınarak sıfıra eşitlenir. Sonra Matlab
optimization Toolbox kullanılarak optimum yalıtım kalınlığı ( ins ) elde edilir. Burada  ins  r2  r1 ’dir.
Geri dönüş süresini bulma yolunda ise Eşitlik (16) veya (17)’deki durumlardan biri için P1 seçilir. Eşitlik
(20)’de seçilen P1 yerleştirilerek sıfıra eşitlenir. Buradan geri dönüş süresi (Ngd) hesaplanmış olur
[17,21,22].
3. BULGULAR ve TARTIŞMA
Bu çalışmada, yaşam döngüsü maliyet (YDM) analizi boru yalıtım ve enerji tüketim maliyetlerini içeren
toplam maliyeti en aza indiren optimum yalıtım kalınlığı, enerji tasarrufu ve geri ödeme süresini tahmin
etmek amacıyla yapılmıştır. Bu analiz yalıtım uygulamalarında çok fazla kullanılmaktadır. Bu nedenle,
bölgesel ısıtmanın boru sisteminde farklı boru çapları için optimum yalıtım kalınlığı, Tablo 1 ve 2’de
verilen parametreler kullanılarak Afyonkarahisar ili ısı yükleri için hesaplanmıştır. Ayrıca farklı derece
günler için boru çapı ve yakıt kullanımından kaynaklanan optimum yalıtım kalınlığı, enerji tasarrufları ve
geri ödeme süreleri de araştırılmıştır.
Tablo 1. Bu çalışmada kullanılan yakacak yakıtlar ve bazı özellikleri [24].
Yakıt
Maliyet
Halt
ηıs
Kömür
Doğal gaz
Fuel-oil
Jeotermal a
0,8000 (TL/kg)
0,8299 (TL/m3)
2,8800 (TL/kg)
0,5114 (TL/m3)
29,260 x 106 J/kg
34,485 x 106 J/m3
41,278 x 106 J/kg
80,928 x 106 J/m3
%65
%93
%80
%38
a
Değerler güncellenerek Ref. [25]’ten alınmıştır.
Tablo 2. Boru sisteminde kullanılan paslanmaz çelik borunun bazı özellikleri.
Nominal boru ebadı
(mm)
(inç)
50
2
100
4
150
6
200
8
Dış çap, R1
(mm)
60,3
114,3
168,3
219,1
Et kalınlığı, t
(mm)
3,91
6,02
7,11
8,18
Ağırlık sınıfı
Sch No
STD
STD
STD
STD
40
40
40
40
Birim ağırlık
(kg/m)
5,44
16,07
28,26
42,55
Not: Paslanmaz çelik boru (ANSI B 36.10) için yoğunluk, erime noktası ve iletkenlik katsayısı sırasıyla 7,99 g/cm3, 13711399 °C ve 16.2 W/m K’dır.
Optimum yalıtım kalınlığı hesabında öncelikle incelenecek yerin ısıtma derece gün değerinin belirlenmesi
gereklidir. Afyonkarahisar Metoroloji Bölge Müdürlüğü’nden alınan günlük ortalama sıcaklık verileri ile
denge sıcaklığı 18 ºC alındığında Afyokarahisar için 2828 °C-gün olarak elde edilmiştir. Çalışmada
yalıtım malzemesi olarak 30 kg/m3 yoğunluk, 0,032 W/m K ısı iletkenlik katsayısı ve 157 TL/m3 birim
fiyatına sahip ekstrüde polistiren (XPS) kullanılmıştır. Türkiye’nin mevcut durumuna göre enflasyon ve
faiz oranları sırasıyla % 10,43 ve 12 olarak alınmıştır. Boru yalıtımı için ömür süresi 20 yıl olarak kabul
edilmiştir. Ayrıca, sabit parametreler olarak boru içi ortalama sıcak su sıcaklığı 80 °C ([90+70]/2) ve boru
sisteminin ortalama dış yüzey sıcaklığı (Tms) 93 °C’dir. Boru sistemi içindeki sıcak su ve dışındaki
havanın hızları sırasıyla 0,8 ve 0,2 m/s olarak alınmıştır.
7
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
(a) Ø50 mm
(b) Ø200 mm
Şekil 2. Farklı boru çapları için yalıtım kalınlığına bağlı yıllık toplam maliyet değişimi.
Bölgesel ısıtmada yalıtılmış bir boru sisteminde taşınan sıcak su için toplam ısıtma maliyetlerini etkileyen
iki parametre vardır. Bu parametreler yalıtım ve enerji maliyetleridir. Boru sisteminde yalıtım kalınlığının
artmasına bağlı olarak ısı kaybı azalır. Bu yüzden birim uzunluktaki boru sisteminde taşınan suyu ısıtmak
için gerekli enerji ihtiyacı azalır ve toplam maliyet düşer. Ancak yalıtım kalınlığının gereğinden fazla
arttırılması yalıtım maliyetini arttırır. Bu durumda yüksek yalıtım maliyeti nedeniyle belli bir noktadan
sonra toplam maliyet artmaya başlar. Toplam maliyetin minimum olduğu bu nokta optimum yalıtım
kalınlığı değeri olarak ifade edilmektedir. Afyonkarahisar ilinde XPS yalıtımı için yalıtım kalınlığına göre
yıllık maliyetin değişimi Şekil 2’de gösterilmiştir. Şekil 2’de görüldüğü gibi toplam maliyet belirli bir
değere kadar azalmakta ve bu değerden sonra artmaktadır. Toplam maliyetin minimum olduğu değer
optimum yalıtım kalınlığını vermektedir. Buradaki optimum yalıtım kalınlığı Ø50 ve Ø200 mm borular
için sırasıyla 0,170 ve 0,212 m olarak tespit edilmiştir. Diğer taraftan, yalıtım maliyeti düz duvar yalıtımı
uygulamalarında yalıtım kalınlığı ile doğrusal artmaktadır. Ancak bu durum Şekil 2’de görüldüğü gibi
boru yalıtımındaki silindirik geometri nedeniyle doğrusal olarak artmamaktadır.
Şekil 3. Doğal gaz yakıtı için yalıtım kalınlığına bağlı enerji tasarrufu değişimi.
Bölgesel ısıtma sistemlerindeki boru yalıtımı enerji tasarrufu için yapılmaktadır. Dünya üzerindeki enerji
sıkıntısı düşünülürse ne kadar önemli olduğu ortadadır. Boru yalıtımında yalıtım kalınlığı artarken enerji
tasarrufunun düşmeye başladığı noktada optimum yalıtım kalınlığı elde edilmiş olur. Yani enerji tasarrufu
optimum yalıtım kalınlığında maksimum değeri alır. Bu durum Afyonkarahisar ilinde çeşitli boru çapları
için Şekil 3’te gösterilmektedir. Ayrıca boru çapları büyüdükçe enerji tasarrufunun da arttığı
8
Keçebaş A.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
görülmektedir. Şekilden küçük çaplı borulara göre büyük çaplı borularda yapılan yalıtım ile daha çok
enerji tasarrufu yapılabileceği anlaşılabilir. Fakat pompalama masrafları hesaba katılmadığı için böyle bir
sonucun ortaya çıkması mümkün olmuştur. Pompalama maliyetleri; pompalama sistemi verimi, elektrik
maliyeti, sistem basınç istekleri ve pompa kapasite kontrolü gibi ana nedenler yüzünden etkilenir. Bu da
pompalama maliyetini arttırdığı için büyük çaplı borularda yalıtımın çekicililiğini azaltmaktadır.
Şekil 4. Ø100 mm boru için yalıtım kalınlığına bağlı enerji tasarrufu değişimi.
Şekil 4’te ise Afyonkarahisar ilindeki farklı yakıt türleri için Ø100 mm’lik bir boruda yalıtım kalınlığının
yıllık enerji tasarrufuna etkisi görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi en fazla yıllık enerji tasarrufu fueloil yakıtının kullanılması halinde görülürken en az tasarruf ise jeotermal enerji için elde edilmiştir. Bu
durumda yıllık enerji tasarrufu yakıtın maliyeti ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla yüksek maliyetli yakıt
kullanıldığında enerji tasarrufu daha önemli hale gelmektedir.
(a)
(b)
Şekil 5. Çeşitli yakacak yakıtlar için nominal boru ebadı ile optimum yalıtım kalınlığının değişimi.
Isıtma sektöründe bölgesel ısıtmanın kurulmasını düşündüren ana sebeplerden biri ise yüksek ilk kurulum
maliyetidir. Bu maliyetin çoğu boru hatlarının kurulumu ile ilgilidir. Buradaki maliyetin düşürülmesi
ancak iyi düşünülmüş boru tesisatı projeleri ile gerçekleştirilebilir. Bölgesel ısıtmanın boru hattının
maliyetlerini uzun vadede düşünülürse boru yalıtımı ile de maliyetler düşürülerek enerji tasarrufları
sağlanabilir. Şekil 5 (a)’da çeşitli yakıt türleri kullanıldığında nominal boru ebatları için optimum yalıtım
kalınlıklarının değerleri verilmiştir. Afyonkarahisar ilindeki bir bölgesel ısıtmada tüm boru çaplarında en
düşük optimum yalıtım kalınlığı jeotermal enerji kullanılması durumunda olmaktadır. En yüksek ise fuel9
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
oil yakıtı içindir. Şekil 5 (b)’de ise nominal boru ebatlarının optimum yalıtım kalınlığı ile değişimi
gösterilmiştir. Burada boru çapı arttıkça yalıtım kalınlığı artmaktadır. Fakat daha büyük çaplı boruların
optimum yalıtım kalınlıkları birbirlerine yaklaşmaktadır. Bu ise büyük çaplı borularda akış kapasitesi ile
karşılaştırıldığında boru dış yüzey alanının azalması gerçeği ile ilişkilidir. Bu ilişki boru sistemi üzerinden
geçen sıcak suyun ısı kayıplarını azaltır. Bu durumda bütün büyük çaplı borular için aynı optimum
kalınlıkta yalıtım malzemesi kullanılabileceği sonucu çıkarılabilir. Bu şekilde en yüksek optimum yalıtım
kalınlığı ile Ø200 mm çaplı boruya aittir. Mesela kömür yakıtı için Ø200 mm’lik borunun optimum
yalıtım kalınlığı 0,236 m’dir. Yukarıdaki durumdan dolayı Ø300 mm’lik boru içinde aynı yalıtım
kalınlığı kullanılabilir.
Şekil 6. Çeşitlik yakıtların kullanılması durumunda nominal boru çapı için enerji tasarrufu miktarları.
Afyonkarahisar ilinde bölgesel ısıtmada kullanılabilecek çeşitli yakıtlara göre optimum yalıtım
kalınlıklarda nominal boru ebatları için enerji tasarruf miktarları Şekil 6’da verilmiştir. Burada boru
çapları arttıkça tasarruflar artmaktadır. En iyi tasarruf tüm çaplarda fuel-oil kullanıldığında elde
edilmiştir. Bölgesel ısıtma sisteminde kömür yakılan bir sistem için yalıtım nedeniyle 20 yılın sonunda
enerji maliyetinden sağlanan tasarruf %43 olacaktır.
Şekil 7. Çeşitlik yakıtların kullanılması durumunda nominal boru çapı için geri dönüş süreleri.
Yapılan yatırımın geri ödeme süresi de önemli parametrelerden biridir. Şekil 7’de Afyonkarahisar ilinde
nominal boru çapları için geri dönüş süreleri verilmiştir. Bu şekilden en kısa geri dönüş süresi küçük çaplı
borularda doğal gaz iken büyük çaplı borularda fuel-oildir. Ø100 mm boruda uygulanacak yalıtımın geri
10
Keçebaş A.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
ödeme süresi doğal gaz için 0,773 yıl iken kömür için 1,334 yıl çıkmaktadır.
Bu çalışmadaki YDM analizi Türkiye’nin en soğuk şehirlerden biri olan Afyonkarahisar için
gerçekleştirilmiştir. Fakat çalışmada kullanılan nominal boru ebatları farklı iklim bölgelerine sahip diğer
şehirlerde de kullanılabilmektedir. Bu nedenle çalışma genişletilmiştir. Yapılan hesaplamalarda
Afyonkarahisar ili için IDG 2828 °C-gün olarak alınmıştı. IDG değerleri iklim koşullarına göre oldukça
değişkenlik göstermektedir. Bu durumda IDG’nin büyük değerleri çok soğuk iklim bölgelerini ifade
etmektedir. IDG değerlerinde yani enerji ihtiyacındaki bu değişim, optimum yalıtım kalınlığını da önemli
ölçüde etkilemektedir. Ele alınan çalışma sürekli rejim şartlarının dikkate alındığı derece günler ile
mukayese edilmiştir. Bunun için, farklı yakıt türleri ve nominal boru ebatlarına göre optimum yalıtım
kalınlığı, yıllık enerji tasarrufu ve geri dönüş süresi, derece-gün ve YDM analizine göre hesaplanarak elde
edilen sonuçlar Tablo 3’te verilmiştir. Tablodan görüldüğü gibi bu çalışmadaki analize göre elde edilen
sonuçların derece-gün yöntemi ile elde edilen sonuçlar ile uyumlu olduğu anlaşılmaktadır. Ancak derecegün yöntemi ile hesaplamaların yapılması durumunda, optimum yalıtım kalınlığı ve yıllık tasarruf
değerlerinde artış olurken geri ödeme sürelerinde ise azalma olmuştur. Fuel-oil yakıtından elde edilen
yıllık tasarruf kömür yakıtına göre 2 kat iken diğer iki yakıt türüne göre hemen hemen 5,5 kat daha fazla
olmuştur. En düşük geri ödeme süresi ise yine fuel-oil yakıtı için elde edilmiştir.
Tablo 3. Çeşitli yakıtlar ve boru ebatları için farklı derece günlerde optimum yalıtım kalınlığı, enerji
tasarrufu ve geri dönüş süreleri.
Nominal boru ebadı
Fuel-oil
Isıtma derece günler (IDG)
1000
2000
3000
4000
Optimum yalıtım kalınlığı (m)
0,16
0,20
0,23
0,26
Ø50 mm
0,18
0,24
0,28
0,31
Ø100 mm
0,20
0,26
0,31
0,34
Ø150 mm
0,21
0,28
0,33
0,37
Ø200 mm
Enerji tasarrufu (TL/m)
137,91
169,69
258,11
347,22
Ø50 mm
206,57
307,82
467,32
627,86
Ø100 mm
266,28
439,72
666,96
895,54
Ø150 mm
272,43
556,90
844,25 1133,21
Ø200 mm
Geri dönüş süresi (yıl)
0,68
0,82
0,73
0,67
Ø50 mm
0,72
0,74
0,64
0,58
Ø100 mm
0,76
0,70
0,61
0,55
Ø150 mm
0,91
0,69
0,59
0,53
Ø200 mm
Kömür
5000
6000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0,29
0,34
0,38
0,40
0,31
0,37
0,40
0,43
0,12
0,14
0,15
0,16
0,15
0,18
0,19
0,21
0,17
0,21
0,23
0,25
0,20
0,23
0,26
0,28
0,21
0,25
0,28
0,30
0,23
0,27
0,30
0,32
436,81
789,12
1125,03
1423,27
526,77
950,91
1355,21
1714,14
64,92
97,16
125,21
127,64
79,43
144,62
206,99
262,45
121,25
220,29
314,94
399,05
163,47
296,58
423,70
536,64
205,97
373,30
533,02
674,90
248,68
450,33
642,75
813,64
0,63
0,54
0,51
0,49
0,60
0,51
0,48
0,46
0,87
0,96
1,03
1,24
1,04
0,96
0,93
0,93
0,91
0,83
0,80
0,79
0,83
0,75
0,71
0,70
0,78
0,69
0,66
0,64
0,74
0,65
0,61
0,60
Tablo 3. Tablonun devamı.
Nominal boru ebadı
Doğal gaz
Isıtma derece günler (IDG)
1000
2000
3000
Optimum yalıtım kalınlığı (m)
Ø50 mm
0,09
0,12
0,14
Ø100 mm
0,10
0,14
0,17
Ø150 mm
0,11
0,16
0,19
Ø200 mm
0,12
0,17
0,20
Enerji tasarrufu (TL/m)
Ø50 mm
22,86
47,69
73,02
Ø100 mm
22,65
87,08
133,01
Ø150 mm
42,06
124,84
190,42
Ø200 mm
60,65
158,46
241,48
Geri dönüş süresi (yıl)
Ø50 mm
1,57
1,23
1,07
Ø100 mm
2,39
1,15
0,99
Ø150 mm
2,01
1,13
0,96
Ø200 mm
1,85
1,14
0,96
Jeotermal
4000
5000
6000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0,16
0,19
0,21
0,23
0,18
0,21
0,23
0,25
0,19
0,23
0,25
0,27
0,07
0,08
0,09
0,10
0,10
0,12
0,13
0,14
0,12
0,14
0,16
0,17
0,13
0,16
0,18
0,19
0,15
0,18
0,19
0,21
0,16
0,19
0,21
0,22
98,64
179,39
256,60
325,23
124,44
226,07
323,17
409,47
150,40
272,97
390,04
494,06
14,22
13,90
26,13
37,90
29,87
54,70
78,56
99,85
45,88
83,80
120,14
152,51
62,10
113,22
162,17
205,72
78,46
142,87
204,49
259,29
94,93
172,68
247,03
313,13
0,97
0,89
0,86
0,85
0,91
0,82
0,79
0,78
0,86
0,77
0,74
0,72
1,86
2,87
2,43
2,26
1,44
1,37
1,36
1,37
1,24
1,17
1,15
1,15
1,13
1,05
1,02
1,02
1,05
0,96
0,94
0,93
0,99
0,90
0,87
0,86
11
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
Bu çalışma ışığında farklı iklim bölgelerine sahip şehirler için de pratik uygulamalar yapılabilir. Örneğin
İstanbul (IDG=1865), Ankara (IDG=2677), Afyonkarahisar (IDG=2828) ve Erzurum (IDG=4827)’da
yapılması düşünülen bölgesel ısıtma sistemi boru hattı için optimum yalıtım kalınlığı, enerji tasarrufu ve
geri dönüş sürelerini Tablo 3 kullanılarak hesaplanabilir. Bunun için interpolasyon (ara değer bulma)
işlemi kullanılır. Ayrıca bu şehirlerin IDG değerleri Ref. [26]’dan alınmıştır. Bölgesel ısıtma sisteminde
kömür yakıtı kullanıldığını kabul ederek Ø100 mm çapındaki boru için İstanbul, Ankara, Afyonkarahisar
ve Erzurum’da sırasıyla 0,17, 0,20, 0.20 ve 0,25 m optimum yalıtım kalınlığı kullanılabilir. Enerji
tasarrufları sırasıyla 134,47, 195,77, 207,22 ve 359, 99 TL/m’dir. Geri dönüş süreleri ise 0,99, 0,86, 0,85
ve 0,70 yıl olarak bulunabilir. Burada Ankara ile Afyonkarahisar’ın tüm değerleri birbirine yakındır. Bu
iki ilde yapılan bölgesel ısıtma boru hattındaki tüm borularda aynı yalıtım kalınlıkları kullanılabilir. Bu
durum derece günün optimum yalıtım kalınlığı üzerine ne kadar etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca,
Erzurum için enerji (kömür) maliyeti önemli miktarda olduğundan yalıtımla yapılacak tasarruf da o
ölçüde büyük olmakta ve yatırımın geri ödeme süresi kısalmaktadır.
4. SONUÇ ve ÖNERİLER
Bölgesel ısıtma boru hatlarının termal performansını modelleme; boru sisteminin enerji tasarrufu, enerji
talepleri, çevre konforu ve kontrolü gibi sorunları tasarlama ve analiz etmedeki teknikleri bulmak için çok
önemlidir. Sıcak su dağıtım hatlarındaki yalıtım, boru ve tabakaları gibi yapı elemanlarından ısı
kayıplarını en aza indirmek amacıyla yapılır. Bu çalışmada, Afyonkarahisar ilindeki bölgesel ısıtma boru
hatları için farklı enerji kaynakları (kömür, doğal gaz, fuel-oil ve jeotermal enerji) kullanıldığında çeşitli
boru çaplarındaki optimum yalıtım kalınlıkları, 20 yıllık ömür süresi için enerji tasarrufları ile geri dönüş
süreleri hesaplanmıştır. Borulardaki yalıtım malzemesi olarak ekstrüde polistiren (XPS) kullanılmıştır.
Ekonomik parametreler dikkate alınarak yaşam döngüsü maliyet analizine göre hesaplamalar yapılmıştır.
Ayrıca farklı derece günler için de boru çapı ve yakıt kullanımından kaynaklanan optimum yalıtım
kalınlığı, enerji tasarrufları ve geri ödeme süreleri de araştırılmıştır. Çalışmada Afyonkarahisar ilinde
farklı yakacak yakıtlar ve boru nominal ebatlar için optimum yalıtım kalınlığı 0.122 ile 0,318 m arasında,
enerji tasarrufu 72,88 ile 639,24 TL/m arasında ve geri dönüş süresi 0,73 ile 1,33 yıl arasında değişmiştir.
Afyonkarahisar ilindeki bir bölgesel ısıtmada tüm boru çaplarında en düşük optimum yalıtım kalınlığı
jeotermal enerji iken en yüksek fuel-oil yakıtı içindir. Çalışmadaki küçük çaplı borulara göre büyük çaplı
borularda yapılan yalıtım ile daha çok enerji tasarrufu yapılabilmektedir. Ayrıca, büyük çaplı borular için
aynı optimum kalınlıkta yalıtım malzemesi kullanılabilir. En fazla yıllık enerji tasarrufu fuel-oil yakıtının
kullanılması halinde görülürken en az tasarruf ise jeotermal enerji için elde edilmiştir. En kısa geri dönüş
süresi küçük çaplı borularda doğal gaz iken büyük çaplı borularda fuel-oildir. Derece-gün yöntemi ile
hesaplamaların yapılması durumunda, optimum yalıtım kalınlığı ve yıllık tasarruf değerlerinde artış
olurken geri ödeme sürelerinde ise azalma olmuştur. Farklı yakıt türleri için yapılan optimum yalıtım
kalınlığı hesaplamalarına göre, fuel-oil ve kömür en çok tercih edilen yakıt türleridir. Ancak yakıt
artıklarının neden olduğu çevre kirliliği de göz önüne alındığında, jeotermal enerjinin kullanımı daha
uygun ve ekonomiktir. Ayrıca bu çalışmadaki gibi kısa zamanda boru çaplarına uygun optimum yalıtım
kalınlığını belirleyebilecek tablolar ve kartlar hazırlanması önerilebilir. Bu sayede ekonomi ve zamandan
da kazanç sağlanabilir. Sonuç olarak, bu çalışma Türkiye’de boru yalıtımı konusunda çalışan insanlar için
bölgesel boru hatlarında yalıtım malzemelerinin daha iyi tasarım, analiz ve seçim için etkili bir rehber
olacaktır. Birde bölgesel ısıtma boru hatlarında uygun boru boyutlarının ve en uygun kalınlıkta yalıtım
malzemelerinin seçimi ile ekonomik avantajlar sağlanacaktır.
5. SİMGELER ve KISALTMALAR
A
Ad
Ad
Ai
Borunun toplam yüzey alanı (m2)
Boru sisteminin son tabakasının dış yüzey alanı (m2)
Boru sisteminin yalıtımdan sonraki son tabakasının dış yüzey alanı (m2)
Borunun iç yüzey alanı (m2)
12
Keçebaş A.
CY
Cyakıt
CYal
Cyalıtım
Ct
d
Eg
Halt
hd
hi
i
IDG
ki
ky
L
myakıt
N
Np
P1
P2
QA
Qp
Rb
Rb,y
Rb,y-sız
S
Tb
Td
Tms
Tsa
Tts
U
V
YDM
δins
ΔT
ΔU
ηıs
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Yakıtın birim maliyeti ($/kg, $/m3, $/kW h)
Yıllık toplam enerji maliyeti ($)
Birim hacimdeki yalıtım malzemesinin maliyeti ($/m3)
Toplam yalıtım malzemesi maliyeti ($)
Toplam maliyet ($)
Enflasyon oranı (%)
Boru sistemdeki kayıplar için yıllık enerji gereksinimi (W)
Yakıtın alt ısıl değeri (J/kg, J/m3, J/kW h)
Boru sisteminin dış yüzeyi için ısı taşınım katsayısı (W/m2 K)
Boru sisteminin iç yüzeyi için ısı taşınım katsayısı (W/m2 K)
Faiz oranı (%)
Isıtma derece günler (°C-gün)
Boru içersindeki sıcak suyun ısı transfer katsayısı (W/m K)
Yalıtım malzemesinin ısı transfer katsayısı (W/m K)
Boru sisteminin birim uzunluğu (m)
Yıllık yakıt tüketimi (kg, m3, kW h)
Ömür süresi (yıl)
Geri dönüş süresi (yıl)
İlk yıl için yakıt fiyatına ömür yakıt fiyatının oranı
Yatırım miktarına yatırımın sonucu olarak giren ömürlük masrafların oranı
Bölgesel ısıtma için boru sisteminin yıllık ısı kaybı (W)
Boru sisteminden meydana gelen ısı kayıpları (W)
Boru sisteminin toplam ısıl direnci (K/W)
Yalıtımlı boru sistemi tabakalarının toplam ısıl direnci (K/W)
Yalıtımsız boru sistemi tabakalarının toplam ısıl direnci (K/W)
Enerji tasarrufu ($)
Denge sıcaklık (K)
Dış ortam sıcaklığı (K)
Boru sisteminin ortalama dış yüzey sıcaklığı (K)
Günlük ortalama güneş hava sıcaklık (K)
Boru içersindeki sıcak suyun ortalama tasarım sıcaklığı (K)
Boru sistemi için toplam ısı transfer katsayısı (W/m2 K)
Yalıtım malzemesinin hacmi (m3)
Yaşam döngüsü maliyeti ($)
Optimum yalıtım kalınlığı (m)
Boru sisteminin iç ve dış tasarım sıcaklık farkı (K)
Yalıtımsız ve yalıtımlı boru sistemlerinin toplam ısı transfer katsayıları arasındaki fark
Isıtma sisteminin verimi (%)
6. KAYNAKLAR
1.
Kaynaklı, O., 2008, “A study on residential heating energy requirement and optimum insulation
thickness”, Renewable Energy, 33, 1164-1172.
2.
Stevens,
A.
2012,
“Steam
Pipe
Insulation,
Mechanical
Engineering,
http://www.raeng.org.uk/education/diploma/maths/pdf/exemplars_engineering/2_SteamPipe.pdf
[accessed on 23/2/2012].
3.
Sisman, N., Kahya, E., Aras, N., Aras, H., 2007, “Determination of optimum insulation thicknesses
of the external walls and roof (ceiling) for Turkey’s different degree-day regions”, Energy Policy, 35,
5151-5155.
4.
Pavlik, Z., Cerny, R., 2009, “Hygrothermal performance study of an innovative interior thermal
insulation system”, Applied Thermal Engineering, 29, 1941-1946.
5.
Uygunoğlu, T., Keçebaş, A., 2011, “LCC analysis for energy-saving in residential buildings with
different types of construction masonry blocks”, Energy and Buildings, 43, 2077-2085.
13
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-14
Boru yalıtımında optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi…
6.
Kaur, J., Singh, S.P., Sawhney, R.L., Sodha, M.S., 1991, “Optimum layer distribution of a building
component”, International Journal of Energy Reserch, 15, 11-18.
7.
Al-Turki, A.M., Zaki, G.M., 1991, “Cooling load response for building walls comprising heat storage
and thermal insulation layers”, Energy Conversion and Management, 32, 235-247.
8.
Soylemez, M.S., Unsal, M., 1999, “Optimum insulation thickness for refrigeration applications”,
Energy Conversion and Management, 40, 13-21.
9.
Kecebas, A., Kayveci, M., 2010, “Effect on optimum insulation thickness, cost and saving of storage
design temperature in cold storage in Turkey”, Energy Education Science and Technology Part A
Energy Science and Research, 25, 117-127.
10. Zaki, G.M., Al-Turki, A.M., 2000, “Optimization of multi-layer thermal insulation for pipelines”,
Heat Transfer Engineering, 21, 63-70.
11. Wechsatol, W., Lorente, S., Bejan, A., 2001, “Tree-shaped insulated designs for the uniform
distribution of hot water over an area”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 44, 31113123.
12. Kalyon, M., Sahin, A.Z., 2002, “Application of optimal control theory in pipe insulation”, Numerical
Heat Transfer Part A-Applications, 41, 391-402.
13. Sahin, A.Z., 2003, “Optimal insulation of ducts in extraterrestrial applications”, International Journal
of Energy Research, 28, 195-203.
14. Sahin, A.Z., Kalyon, M., 2004, “The critical radius of insulation in thermal radiation environment”,
Heat and Mass Transfer, 40, 377-382.
15. Öztürk, İ.T., Karabay, H., Bilgen, E., 2006, “Thermo-economic optimization of hot water piping
systems: A comparison study”, Energy, 31, 2094-2107.
16. Karabay, H., 2007, “The thermo-economic optimization of hot-water piping systems: A parametric
study of the effect of the system conditions”, Strojniski Vestnik-Journal of Mechanical Engineering,
53, 548-555.
17. Keçebaş, A., Alkan, M.A., Bayhan, M. 2011, “Thermo-economic analysis of pipe insulation for
district heating piping systems”, Applied Thermal Engineering, 31, 3929-3937.
18. Holman, J.P., 1992, “Heat transfer”, Seventh Edition, McGraw-Hill Book Co., New York.
19. ASHRAE, 1989, “Heat transfer”, Ashrae Handbook-Fundamentals, chapter 22, pp. 22.1-22.21,
Atlanta.
20. Afyonkarahisar Meteoroloji Bölge Müdürlüğü, 2012, Kişisel görüşme, Afyonkarahisar.
21. Başoğul, Y., Keçebaş, A., 2011, “Economic and environmental impacts of insulation in district
heating pipelines”, Energy, 36, 6156-6164.
22. Keçebaş, A., 2012, “Determination of insulation thickness by means of exergy analysis in pipe
insulation”, Energy Conversion and Management, 58, 76-83.
23. Duffie, J.A., Beckman, W.A., 2006, “Solar Engineering of Thermal Processes”, Third Edition, Wiley
Interscience, New York.
24. Teknik Yayıncılık A.Ş., 2012, “Yakıt fiyatları”, Tesisat Enerji Teknolojileri ve Mekanik Tesisat
Dergisi, http://www.tesisat.com.tr/ [Erişim tarihi: 20/03/2012].
25. Keçebaş, A, 2011, “Performance and thermo-economic assessments of geothermal district heating
system: A case study in Afyon, Turkey”, Renewable Energy, 36, 77-83.
26. Buyukalaca, O., Bulut, H., Yilmaz, T., 2001, “Analysis of variable-base heating and cooling degreedays for Turkey”, Applied Energy, 69, 269-283.
14