toprak kaynaklı ısı pompası analizi

SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi
2 (1997) 159-163
TOPiı4K KAYNAKLI ISI POM�4�..ÇJ A1VALİZİ
Yrd.Doç.Dr. Fethi HALICI
1
S.A.
1)
A.Fevzi SAV AŞ
Arş.Gör.
{�: 1'1/ühendis/ik F'akültesi) lvfakina Böl. Öğretim [�;esi} SAKARYA.
2 DP. Lf
Sinıav 1'ek7ıik Eğitim .F'akültesi J\1akina Eğitim Bölümü Araştırma Görevlisi, Simav/KÜTAHYA
OZET
verildiği
••
çalı şm ad a bir binaruıı ısıtma vükünü
...
karşılayabilecek toprak kayrıaklı ısı pornpasliUlı analizi
yapılıruştır. I sıtılm a sı istenilen binarım ısı yükü en
düşük dış çevre sıcaklığına bağlı olarak hesaplanmıştır.
Isı pon1pasırun ısıtma kapasitesi ve tüketilen güç,
buharlaştıncı ve )'Oğlışturucu sıcaklığına bağlı olarak
tesbit eclılmiştir.
Bu
döşemeden ısıtma şebekesidir. Isı pornpasının
çalışmasım ve verimini etkile)ren bir çok faktör
ınevcuttur . Sisternde kullanılan akışkan türü, seçilen
tennodinamik çevrim, ısının çekildiği ve ahldığı ortaının
sıc aklıklan,
yapılınıştır.
kullamlan
L '-I"_C'ZX X/l
t \� �A/\/\./'-/Y'.L':,Y
>c 'J r�:f "' ,, ,..,. -"' A _,.,._ ,
>( .i .A.1' "�'j'w' _/'.AJ ./ ....,. /'vi')� !.
-.('..C:
y�--�
< "_ıl...
.7'<;:ıı;..�
:: �
���
ff
� (V"rı/� {
.L'/'
1\..
1<\ı!I·',-;:l"- -ı::.L' X�:o&:ll. � :< ı-
�S
i
•
)�....)�. �
.
••
...
'
.
-
��..
��:/Kt><!(��
�
���.t'v"....,
ı
.. >
':x��
: k!>ıl'v''(V'J'-�--.r'/'v'-/''-L'�-..D<K�K
� '\.A]•.-.A'X ,-.;,: <.. _'<.X'<"ı "" �
�ç� X)(Y'x:Y"':.<_'� "'ıd. f
;
�:
>ı �.
' :t"A(x"
' :ı; • \, ol\
... �!
� � :Jı:ı\�.X/-� -:
'l"J.xJ� )(>K�
, i'� :..ı:,. .., )!(,i
.E r : .i
:� ."'!:ııı;:[)
:,ll....... ı
'<. -c. �
r�tv'
;.;;;:
� ... "· \.. ·"\ lı"'i�"lıı:r-ı
'
·"
!
-
••
)..,
•
�
\
"
encıji ihtiyac� kaynakların
kullamlmasıru gerektirmektedir.
Enerji
karşılık artan
gayesiyle
sistem
yeni
önemli
geliştirilmesi
1
'
;
ve
araştırma
daha verimli
pr oblerrıini
yöntemlerin
Yo9usturucu
J
Xrsrra
-ıa
·
!
�
Buh�(lt''
1
J.
1sı poınpası tesislei kullanılınaktadlr. UZU11
yıllardan beri soğutmaya ve konfora olan ilginin giderek
pompasının ısıtma-havalandırma
artması ve
ısı
endüstrisınde önemli bir yer e clinrn esi, son yıllarda ısı
pornpası si ste m ler.i.rı.in üzerinde yoğun çahşmalar
yapılmasına yol açmıştır.
•
rrıuhatMı
i<ampres&
�-,1
-r
!
i
l
oluşhumaktadır. Dünyaıun değişik yerlerinde yıllardan
beri
-
�
�
l
p
.;J
faliyetlerini
;
�-
-iJ-ı>
8
�
•
.
I GIRIŞ
r
Isı pompalan7 tem1odinarnik çevrimiere uygun
olarak ısıyı düşük sıcaklıktaki ısı kaynağuıdan yüksek
sıcaklıktaki ısı kaynağına aktamlar. Düşük sıc aklıktaki
kaynağı
'
·
Konut
Günümüzde kısıtlı olan enerji kay:naklaıına
,.� ı
,
l
ı
•
çözrrıek
enerji türü ve çeVTe şartlan
sistemi etkileyen başlıca faktörlerdir.
u ·ygun
olarak
Sonu):
pompasının
ısı
ynğuştunıcu sıcaklığı tesbit edilirken� kompresör t ahrik
gücü, toprak ısı değiştiıicisi için gerekli toprak alanı ve
yıllık elektrik ınali�yetleri kriterleri grafikler ÜZerine
tesbiti
yağuşturucu
uygun
dökülerek
sıcaklığı
ısı
ı
toprak
,
1
,...
::<.__
· ·
_·_
��----------�
..::l
:
ı
,'
porrıpası sistemi üç ana bölümden oluşmaktadır. Birinci
bölün1 ısınuı çekildiği toprak ve toprağa yatay olarak
yerleştirilen dağıtıcı bonılaı-, 1kjnci bölün1 ısıtılan
koruının bodıum katında bulunan ısı iletiminin
gerçekleştiği
ı sı poınpası, üçüncü bölüm ise
ısının
e
.
tOPRAKTAKI
Şekil
Anahzi yapılan ı sı pompasırun çalışma şeması
Şekil<.le 1 'de görülm ektedir. Şekilde göıüldüğü gibi ısı
r
_
..
::·:
:
:::.::.:.: ::.:;:�:: ::"�j)
,
ç evre havası, yer altı ve yer üst ü
suyu ya da güneş olabilir.
_·_:: :!_:::·_;;;
:. : _:: :::::::;::: :::::: :
ısıtrrıa
1 Toprak kaynaklı
..,
OAGITICrLAA
Isı Pompası Tesisinin Şematik Gösterilişi
Btı çalışmada belirli bir boyuttaki konuh1n
toprak kaynaklı
ihtiyacını karşılayan
ısı
pomp asuu n opti.tnizasyonu yapılmıştır. Optirnizasyon
yapılırken buharlaştıncı ve )'Oğuşturucu görevi yapan
ünitelerin uygun seçilmiş ortarolara yerleştirildikleri
kablıl edilmiştir.
159
Toprak Kaynaklı Isı Pompası Analizi
II. TOPRAK KA YN4KLI ISI POMp_4Sl
OPTİMİZAS YOf\lU
Çeşitli optimizasyon rn eto dlaı1 vardır. Isı
pompalarının grafiksel ya da matematiksel yol ile
optimizasyonu yapılabilir. Burada grafiksel metod ele
alınmıştır. Grafiksel ınetodlar deney noktası yöntemine
dayanır. Buhar sıkıştınnalı ısı pompalarında, soğutma
kapasitesi ve kornpresörün tükettiği güç, y oğuşturucu
ve buharlaştıncı sıcaklıklannın hir fonksiyonudur. Şekil
2'de FR-22 ile çalışan ve dönme h1zı 1750 d/d olan bir
b ağurtısı ile� buharl aştıncıdan çekilen ısı enerjisi ise,
bağıntısı ile ve kompresöıün harcadığı
güç ise ,
bağintısı ile hesaplanır
sistemden yoğuşturucu ve buharlaştıncı sıcaklıklanna
bağlı olarak soğutn1a kapasitesi ve kompresörün
tükettiği güç arasındaki ilişki gösterilmiştir , Şekil 2'deki
grafik incelendiğinde buharlaştıncı sıcaklığı yiL"'<. seldikçe
ve yoğuştuıucu sıcaklığı azaJelıkça soğutma k a pasi tesi
artmakta ve kompresörün harcadığı güç azalınaktadır.
Bu duıum gözöniine alınarak ideal çevrit11 ıçın en
uygun çalışma şaıtlaıı bulunabilir.
.1
Şekil- 3 Isı Pompası İçin Basınç Entalpi (P-h)
'llt'
.
Diyagrarnı
··- .
2.1.
Karşılayacak
Konutun
Bir
Isıtma
Yüklerini
Toprak Kaynaklı Uygtın Isı Pompası
Analizi
İle Çalışan BiJ Sistenı İçin Yoğıışturucu
Ve Buharlaştn1cı Sıcaklığına Bağlı Olarak Soğut ma
Kapasitesi Ve Kornpresör Gücü Değişimi
Isı pompası seçimi yapılırken dış çevre
sıcaklığına bağlı olarak konutun ısıtma yük:ü tesbit
edilir. Yoğuşturucu sıcaklığı ısıtma sistemine gönderilen
suyw1 gidiş sıcalığu1a bağlıdır ve gidiş sıcaklığının 5 °C
üzerinde alırur. B uharlaş1ıncı sıcaklığı ise toprak ısı
Şekil 3'de buhar sıkıştınnalı ideal bir soğutma
çevirimi görülmektedir. Bu çevrime göre çalışaı1 toprak
kaynaklı bir ısı pompası düşünülrniiştür. Şekil 3'deki
çevrime göre ideal olaiak, yoğuşturucudan ahlan ya da
değiştincisinde kullamlan salamuraya bağlı olarak tesbit
edilir. Yoğuşturucu ve buharlaştıncı sıcaklıklarnun
tesbitleri yapılırken, enerji tüketiminin az olmasını
sağlayacak sıcakhklar yanında, konfor şartlan da göz
Şelil - 2 FR- 22
.
konut ısıtılmasında kullanılan ısı enerjisi:>
160
önfuıde bulıuıdurulınalıdrr. Bu amaçla taban alaıu ı 00
rn2 olan bir konut için hesaplar yapılmıştır. Konut dış
duvarlan 20 mm. :yalıtırnlı delikli tuğla olup (sandviç
F.HALICI, A.F.SAVAŞ
'
duvar), döşe me fayansla kaplı ya pı elemanı olarak
tasarlanınış1ır. Konutun ısı yükü bilgisayar prograrnı ile
hesaplaıunıştır. Optimum değerlerin
yağuşturucu sıcaklıklan 40 °C 45 °C ,
buluruuasında
50 °C , 55 oc
ve buharlaştıncı sıcaklığı ise -13 °C alınmıştır. Si sternde
FR-22 ile çalışan hacimsel debisi 35.73 rn3/h olan
kompresör tas arlarun ı ştır Yoğuşturucu ve buharlaştıncı
sıcaklıklanna bağlı olarak kornpresör ısıtma kapasitele ri
hesaplanıp g rafikler e akt anim ıştır. Bu çalışınanın asıl
hedeflerinden biri yağuşturucu ve buharlaştıncı
sıca.k.ılığırun dış çevre sıcaklığına bağlı kalmadan
seçiınin:in yapılmasıclır. Sistemin ısıtn1a kapasitesi tesbit
edilirken ısıtılan ınahal sıcaklığı ile yoğuştuıucu ve
buharlaştıncının yerleştirildikleri ortarn sıcaklıklan esas
alırınuştır. Yukandaki bu esaslar çerçevesinde tesbit
edilen konutun ısıtma yiikü ile ısı pompasının verilen
şartlarda sağlayabileceği ısıtma kapasitesi aym grafik
üzerinde gösteıilerek konutun ısıtma yükü ile ısı
pon1pasının kapasitesinin birbirini karşılama nalrtalan
tesbit edilmiş tir t Şekil 4).
,
.
\
\
\
\
'·
1
\
�
'
\
\
-
\
.\\
\..
54
52
so
1
·��------�
i i i ' g � �t � T] "" f5 ' '
EKONOMİK KARŞIIAŞTlRMA
,... ..,. _
...
--
.....,...
�
__. ..._.
......
....
....., _,
Isıtma Yükünü
Karşılama Noktası
l
ı
1
(
!
1
\
1
Burada aıtan buharlaştıncı sıcaklığına bağlı
olarak ısı pompasının ısıtma kapasitesi artnıaktaclır. Isı
0.8
ponıpasının ideal çalışma şartları dış sıcaklık crd)
40 °C olarak
°C ve yoğuştunıcu sı caklı ğı (Ty)
belırleruniştir.
�2
40
...........
l
�
4 Isı i> ompasının Isıtma Kapasitesi ve
�
-
4S
c- �-�--···
-
Değiştiricileri İçin Gerekli Toprak Alanı
Mtyon
'
?1.
•
Şekil
Şekil 5 Yağuşturucu Sıcaklığına Bağlı Olarak Toprak Isı
YYM
4
ı
c
giderleri yönünden karşılaştırması yapılmıştır.
karşılaştuılması
sistemlerin
Alternatif
yapılınadan önc e ele aldığıtnız sistemin yakıtınaliyetini
yoğuşturucu sıcaklığına bağlı olarak gösteren Şekil 6'y1
incelediğimizde
s is ter nin
düşi.ik
yoğuştunıcu
sıcaklığında daha ekonomik olduğu görülmektedir.
1
\\
ı
ı
Bu bölüm d e alternatif sisteınlerin yıllık yakıt
!
� ,.
.�,
l
40 45 50 55
�·t
•
4
1
lll.
•
1
440
-430
t
420 -+1
'
410
--t--t400
•
1
1
-+--t--t
390
1
1
t
1
ı
ı
:EO
t
l
�;dl"c
-J,�t
�
�
•
•
1
•
'
Şekil 5 de yağuşturucu sıcaklığının azalnıası ile
bin anın
ısı ihtiyacını karşılamak üzere toprağa
yerleştirilecek ısı değiştiricisinin b orulan için gerekli
toprak alannun arttığı göıülmektedir. Konutun 12.000
Kcalth 'lık ısı ihtiya cı için yaklaşık 390 m2 toprak alam
gerekmektedii. Bu alaıı şehirlerdeki konutlar için henıen
bulunabilecek brr alan değildir. Bu yüzden t opr ak
kaynakh ısı pornpalan
şehir dışında bahçe içinde
yapılan konutlar için daha uygundur.
\
Q
•
1
t
-
\
1
40
\
t
45
ı
l
ı
so
1
1
t
t
!
1
1
1
ı
ı
ı
f
J
i
ı
1
55
•
iyC
=
=
Şekil 6 Yoğuşturucu SıcakhğınaBağh Sistemin Yakıt
lvialiyeti
ı 61
Toprak Kaynaklı Isı Pompası Analizi
Tablo-2 Elektrik Enerjisinin Di�er Yakıt Cinslerine Göre Pahalı h
111.1. SEÇİLEN SİSTEMI�ER
Oranı
----
Elektrik Enerjisi Elektrik Enerjisi Elektrik
Bilzar kompresörleriniıı III-L tipi
•
Buderus GE 134 LPL1' A1mosferik
bürülörlü doğalgaz kat kaloriferi
Buderus GE
115
ULT
ın otoririli
döküm villa kalariferi
Demirdöküm DK 200 Fuel-oil
kazan
Demirdöküm DK 200 Katı
yakıtlı
Tablo- 1 Ocak-1996 tarihli Yakıt Fiyatlarının 1L/1.000 Kc al Olarak
Fiyatı
8250
Doğalgaz
Konut(An
k)
k ca1/Nrn3
Fuel-oil
Q700
Kcal/kg.
5Nolu
Yakıt
S oma
Linyit
Körnürü
Motorin
4000
kcal
12.000
TL/m3
12.000*
14.790*
TLiLitre
1.000
9700
k cal
sırası
ı
14�4
l(callkg.
4000
10200
25.740
25740*
1524
2
TL/Litre
10200
860
4.300
4.300*
3
2523
4
yakıt
5000
.
5
I.OOO
860
fiyatıanna
bağlı
yapılaıı
kullanılan elektrik
enerjisinin diğer yakıt cinsleri ile arasında aşağıdaki
oransal ilişçkileri oluşturan Tablo-2 elde edilmiştir.
sualarnaya
162
göre,
yakıt
olarak
Fuel-Oil'e göre
Oran�
3.43
5.000
1454
5.000
�
-""8
-
:}.L
1524
2.85
5.000
1.98
5.000
2523
·-·
Tablo-3 AlternatifSistemlerin Ele Alınan Konut İçin Yıllık Yakı1
Tükefımı· ve Yak1 t Marıye ti
Yakıt
Birim
Yıllık
Fiyatı
r"akıt
Yıllık
567 m2
6.804.000 TL
5223 Litre
7.735.170 Tl.�
l"'L/Litre
.
7.000.000 1.259. Ton
8.813.000 TL
12.000
Doğalgaz
TL/Nm3
-
Fuel-oil
14.790
S.Linyit
TL/I'on
4.3000
5348 kwh
22.996.400 TL
535 Ijtre
13.770.900 TL
TL/kwh
�i otorin
Yakıt
Maliyeti
Tüketimi
25.740
TL/Litre
sıralarna'3ında
kullamlan
maliyetlerir.
verilere göre, yakıt cinsi olar
yıllık
yakıt
elektriğin yıllık maliyeti ile diğer yakıt cinslerinin yıl
maliyetleri arasnıdaki oransal ilişkiyi veren Tabio-L
Tablo-4'ü
incelediğimizde
elektr
elde
ederiz.
eneıjisinin diğer yakıtlara göre yüksek olan pahaW
oranırun,
tutarlarının
-�
Tablo-l'de
Doğalgaza göre
Tablo-3'deki
1.000
Kcal/kg.
Türü
I sı
Pompası
7.000.00 7.000.000 I750
Kcal/k\1\lh TL/Kwh
'--·
1.000 k
8250
o
TL/ton
Elektıik
TV [Tcuz/u
1.000
ı 4.790
Pahalıbk
Diğer Yakıt Tiin1 Yakıtıara Göre
Motoıine Göre
Yakıt fiyatlanrun karşlaştınlrnasında Ocak1996 tarihli fiyatlan esas alımnış ve konut ısıtılrnasında
yakıtların T L/1.000 kcal olarak karşılaştınlm asını
gösteren Tablo-I elde edilmiştir. Tablo-I incelendiğinde
ülkemizde konut ısıtUmasında ucuzluk yönünden ilk
sırada doğalgazı ve son sırada elektrik görülmektedir.
Değeri
TUI.OOO Kcal
Diğ�
1750
KARŞILAŞTIRILMASI
IsıL
Enrjisinin
S. Linyit K. Göre
111.2. YAKIT FİYATLARININ
Yakıt
yapılan yakıl
TVJ.OOO K cal
yakıtlı
kazan
S ıralarunası
Birim
TVI.OOO
Ile Kıyaslaması
III. l'de
oransal
seçilen
sistemlerin
ilşkilerine
yillık
y..a1
bakJJ.dığında� maliy
yüksekliği belirgin bir şekilde azalınaktadrr.
F.HALICI, A.F.SAVAŞ
Tablo-4 Elektrik Enerjisinin Yıllık Maliyetinin Diğer Yakıt
_
C i_ns_
ler inin Yıllık Maliyetlerine Oranı
--·-----J
r=
__
_
_
Elektrik
Enerjisinin J:"ıllık
m
Elektrik
elektrikEnerjisi Mali}•et Tutarı(TL) Enerjisinin
1'ıUık
�ıe Kıvaslaması
..
Yapılan Yakıt
fürü
Diğer Yakıt
1\laliyetinin
Türlerinin Yıllık
Diğer Yakıt
Ne
QB
Qh
Qk
Maliyet Tutarı(TL) Tarlerine Göre
)oğalgaza göre
Pahahhk Oranı
22.996.4000
Qy
3.37
Ta
TB
6.804.000
---------�---- -----4---�
2.97
22.996.400
�uel-oil'e göre
).Linyite göre
------
Td
r
f
t
7.735.170
�------�---· �----�
2.60
22.996.400
Z1
8.813.000
�!otorine göre
Yet
Yyrn
1 .66
22.996.400
13.770.900
Soğutucu akışkanın kütle debisi
(kg /s)
==
Kompresöıiin t aluik gücü (kw)
= Buharlaştıncı ısı yükü (kw)
==
==
==
Malıalın ısı ihtiyacı (k�r)
Kompresörden verilen faydalı ısı
(kw)
= Yoğuşturucu ısı
ı,wru (kw)
=Toprak alaru (m )
= Buharlaştıncı sıcaklığı °C
==
Dış sıcaklık °C
=Toprak sıcaklığı °C
= Yoğuşturucu sıcaklığı °C
= Soğutucu alaşkanın hacimsel debisi
(n1 3/h)
= Yıllık elektrik tüketimi (kwh)
Yıllık yakıt maliyeti (TL)
==
KAYNAKÇA
Sonuç;
Bu
1)
kaynaklı herhangi hir ısı
ıomopasının ısıtrn a durumunda optirnum noktasının
ve
diğer
ısı1ma
ıelirlenrrıesi
sistemleri
ile
.arşılaştınlması yapılmıştır. Bu çalışmada örnek alınan
n pompasının -13 °C sabit buharlaştıncı sıcaklığında
40 °C d ış
n uygun yoğuşttuucu sıcaklığı (Ty)
çalışmada toprak
Makina
2)
0.8 °C� olarak belirlenmiştir. Bu şartlarda
isternin oluml u ve olumsuz yönlerini kısaca şö:yle
ıralayabiliriz:
==
Fakültesi,
İstanbul, 1984.
PIHTILI, K., YILDIZ, C., BİÇER, Y., "Isı
Pompasaı Optimizasyonu", 9. "Lnusal Isı Bilim ve
Tekniği
==
ıcaklık (Td)
DAGSÖZ, i\..K., Soğutma Tekniği, İTÜ
3)
Kongres�
F.Ü. Elazığ,
SA\lAŞ, A.Fevzi,
1993.
Toprak Kaynakh Isı
Pompası lle Konut Isltıbnası, (Y ayınlanmamış Yüksek
•
Lisans Tezi)� D.P.Ü., Kütahya� 1996.
Sistemin oluınsuz yönleri;
Yeterli toprak alanının temini
Günümüz Türkiye'si şartlan içerisinde elektrik
)
nerjisınin pahalı olması, ısı pompası sisternirıin işletme
ıasraflanıu arttınışıı tır.
)
Toprağa yerleştirilecek ısı değişitiricilerinin ilk
)
atınm ınaliye tlerinin yüksek oln1ası,
Sistemin ol um lu yönleri;
)
Ulkemizde Petrol ve Doğalgazlı
istemlerinde kullanılan yakıtlarda dışanya
lmamız.
)
ıl
\
Isıtma
bağınllı
Isı pompas1 sisteminin diğer sistemlere oranla
bakundan daha verimli olması ve
çevreyi
irletmemesidir.
)
Isı pompasırun özellikle projelendirme yapılan
üşük kapasiteli mahallerde (villa tipi evlerde) kon fo ra
ıhip olması.
161