Bina temeli altı toprak ısı değiştiricisindeki ısı transferinin incelenmesi

Abstract

Yaşam alanlarında konfor şartlarının sağlanabilmesi için enerji gereksinimi kaçınılmazdır. Isıtma, soğutma yapılacak mahallerde istenen hava sıcaklıklarının elde edilmesi için genellikle elektrik, fosil yakıtlar veya biyokütle kullanılmaktadır. Bu tip enerji kaynaklarının uzun mesafelerce taşınması gerekirken, toprak enerjisi; bunların aksine, yerleşimin bulunduğu yerde ve çok miktarda mevcuttur. Toprakta ısının yavaş yavaş transfer olması ve yüksek ısı depolama kapasitesine sahip olmasından dolayı derinliğe de bağlı olarak topraktaki sıcaklığın değişimi aylar hatta yıllar almaktadır. Toprağın bu düşük ısı iletkenliği, soğutma sezonundan ısıtma sezonuna bir miktar ısının aktarılmasına yani yaz aylarında toprak tarafından absorbe edilen ısının kışın kullanılmasına imkan vermektedir. Hava ile toprak arasındaki bu ilişki, binanın ısıtılmasına ve soğutulmasına yardımcı olmak için kullanılabilecek bir termal enerji potansiyelini göstermektedir. Isıtma sezonunda toprak havadan daha yüksek sıcaklığa sahipken, soğutma sezonunda ise bunun tersi bir durum söz konusudur. Toprağın enerjisini kullanarak mahallere bu enerjinin aktarılması için toprak kaynaklı ısı pompaları geliştirilmiştir. Toprak kaynaklı ısı pompalarının tasarımında en kritik bileşen olan toprak ısı değiştiricileri, toprağa yerleştirilen ısı değiştirici borulardan oluşmaktadır. Bu ısı değiştirici boruları kullanılarak, ısıtma sezonunda toprağın enerjisi akışkana, soğutma sezonunda ise akışkandan toprağa aktarılır. Toprak ısı değiştiricilerinin tasarımıyla ilgili önceden yapılan çalışmalar incelendiğinde temelde iki analitik çözüm yöntemi vardır; Bunlar; Kelvin Çizgisel Kaynak Yöntemi ve Silindirik Kaynak Yöntemi’dir. Analitik çözüm yöntemlerinin dışında sayısal yöntemler veya her ikisinin beraber olduğu çalışmalar mevcuttur. Ancak toprak yüzeyinde meydana gelen farklı ısı akılarının (taşınım, buharlaşma, gelen-giden uzun dalga radyasyonu ve güneş radyasyonu) yani dinamik sınır koşullarının çözüme dahil edilmesi analitik yöntemlerle yapılamazken, kısmen sayısal yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu, zamana bağlı ve gerçekçi sınır koşulları meteorolojik verilerle dikkate alınarak topraktaki sıcaklık dağılımının elde edilmesi için yeni bir numerik model geliştirilmiştir. Boru ekseni boyunca sıcaklık değişimi oldukça az olduğundan, ısı iletimi denkleminin boru eksenine dik düzlemde dinamik sınır şartları da dikkate alınarak iki boyutlu çözümü gerçekleştirilmiştir. Boru boyunca iki boyutlu çözüm bölgeleri arasında enerjinin korunum yasaları kullanılarak birbirleriyle ilişkilendirilmiştir. Dinamik sınır koşulları ve denklemlerin karmaşıklığından dolayı sayısal çözüm yöntemlerinden sonlu farklar yöntemi tercih edilmiştir. Sonlu farklar yöntemlerinden Değişken Yön Kapalı (ADI) formülasyon yöntemi kullanılmıştır. Bunun nedeni, bu yöntemin her zaman adımı ve ızgara aralığı için kararlı bir yapıya sahip olması ve daha büyük zaman adımları için daha az bilgisayar belleği ve işlemci gücü kullanma olanağı tanımasıdır. Değişken Yön Kapalı (ADI) formülasyon yöntemi kullanılarak elde edilen matris sistemi tridiagonal olup, çözümü Thomas algoritması kullanılarak kolaylıkla bulunabilir. Tezin ilk aşamasında, ısıtma-soğutma yapılacak mahallin bahçesinde veya yakınlarında, üstü atmosfere açık toprağa yerleştirilen toprak ısı değiştirici boruları için bir model geliştirilmiştir. Bu mahallin ısıtma ve soğutma sezonları süresince saatlik ısı ihtiyacı HAP programı kullanılarak belirlenmiş olup, MATLAB programında geliştirilen kod sayesinde, mahallin ısıtma ve soğutma sezonlarında her saat için gerekli ısı ihtiyacına karşılık gelen akışkan giriş sıcaklığı 10 yıllık zaman diliminde simüle edilmiştir. Simülasyon çalışmalarında, toprak ısı değiştiricisinin tasarımına etki eden birçok parametreler örneğin; gömme derinliği, borular arası mesafe, paralel boru sayısı (NPT), boru uzunluğu, boru çapı ve yüzey etkileri incelenmiştir. Akışkan giriş, çıkış sıcaklığı ve toprak sıcaklığının birim boru boyundan transfer edilen farklı ısı yüklerine göre değişimi incelenmiştir. 10 yıllık simülasyon çalışmasında, ısıtma ve soğutma sezonlarının 1’inci, 5’inci ve 10’uncu yıllarının başlangıç, orta ve bitişinde topraktaki yatay ve dikey sıcaklık dağılımının değişimi elde edilmiştir. MATLAB’ta geliştirilen yeni bir kod yardımıyla, akışkan giriş, çıkış ve toprak sıcaklıkları girdi parametresi olarak verilip ısı pompası çevriminde enerji analizi yapılmıştır. Gerçekleştirilen enerji analizi neticesinde farklı simülasyon çalışmaları için on yıllık periyotta saatlik COP değerleri elde edilmiştir. Sonrasında, ekonomik analiz yapılarak bir optimizasyon parametresi olan referans fonksiyon(Fref) tanımlanmıştır. Tüm simülasyon çalışmaları için referans fonksiyon elde edilmiştir. Ülkemizde genellikle yatay TKIP uygulamalarında, yatay Toprak Isı Değiştirici (TID) borularının binaların bahçelerine veya binaların çevrelerine gömüldüğü görülmektedir. Hafriyat maliyetleri nedeniyle ilk yatırım maliyetlerinde meydana gelen artış, kullanıcılar nezdinde, bu sistemleri geleneksel sistemlere kıyasla tercih edilmemesine neden olmaktadır. Hafriyat maliyetlerini azaltmak veya önlemek için iki yöntem benimsenmiştir. Birincisi, bina inşa edilirken yatay ısı değiştirici borularını bina temelinin altındaki toprağa yerleştirilmesiyle kazı maliyetlerini düşürmek; İkincisi, inşaat yapılırken, yatay ısı değiştirici borularını, bina temeline yerleştirerek kazı maliyetlerini ortadan kaldırmaktır. Tezin ikinci aşamasında ise, Türkiye’de yenilenmekte olan binaların temellerinin altındaki toprağa ve temeline yerleştirilen yatay ısı değiştirici boruları için bir model geliştirilmiştir. İstanbul'da bir alışveriş merkezinin temelinin altındaki toprağa ve temeline yerleştirilen yatay ısı değiştirici boruları için MATLAB programında geliştirilen kod sayesinde bir optimizasyon çalışması yapılmıştır. Yatay ısı değiştirici borularının kurulum yerinin, gömme derinliklerinin ve paralel boru sayılarının TKIP’nın performansına etkileri incelenmiştir. Tüm simülasyon çalışmaları için referans fonksiyon elde edilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında Yıldız Teknik Üniversitesi Davutpaşa kampüsünde yeni inşa edilen 2400 m2 ’lik Merkez Laboratuvar binasının temeline ve temelinin altındaki toprağa yerleştirilen yatay ısı değiştirici boruları yardımıyla binanın bir bölümünün ısıtılması ve soğutulması gerçekleştirilmiştir. Bunlar bina temeline gömülü Beton hattı ve bina temelinin altındaki toprağa gömülü Toprak hattıdır. Toprak ve beton hatları bina dışında kolektörlere bağlanarak bina içerisine alınmıştır. Bina içerisine alınan hatlar ısı pompalarına bağlanmıştır. Toprak ve beton hatlarına ait ısı pompaları, eşdeğer alana sahip iki mahalli (her mahal iki odadır) beslemektedir. Bu hatlara ait akışkan gidiş ve dönüş sıcaklıkları RTD’ler kullanılarak ölçülmüştür. Hatların dönüşlerinde Türbin-tipi debimetre kullanılarak debilerinin ölçümü gerçekleştirilmiştir. RTD’ler ve Türbin-tipi debimetreler PLC sistemine entegre edilerek verilerin alınması sağlanmıştır. Bina hafriyat aşamasında, bina temeline ve altındaki toprağa gömülü Beton ve Toprak hatlarının yatayda ve dikeyde sıcaklık değişimlerinin belirlenmesi için birçok ısıl çiftler yerleştirilmiştir. Her hat için yerleştirilen ısıl çiftler, veri toplama ünitelerine bağlanarak verilerin alınması sağlanmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda, Toprak ve Beton hatları için günlük ortalama deneysel ve teorik akışkan giriş sıcaklıkları arasındaki maksimum fark sırasıyla % 8,36 ve % 7,14 elde edilirken, günlük ortalama deneysel ve teorik akışkan çıkış sıcaklıkları arasındaki maksimum fark sırasıyla % 5,58 ve % 6,38 olarak elde edilmiştir. Toprak ve Beton hatlarının düşey ve yatay eksende başlangıç zamanından 10, 100, 250, 500 ve 864 saat sonraki toprakta ve temel betonunda deneysel ve teorik sıcaklık dağılımları elde edilmiş ve birbirleriyle oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Günlük ortalama Toprak ve Beton hatlarından çekilen enerji sırasıyla 5.51 ve 4.63 kWh/gün olarak gerçekleşmiş olup, bu hatlara ait birikmiş toplam enerji de elde edilmiştir. Topraktan çekilen birikmiş toplam enerjinin, temel betonundan çekilen birikmiş toplam enerjiden yaklaşık % 15,98 oranında daha iyi sonuçlar vermiştir. Sayısal analizler kapsamında yapılan teknik ve ekonomik incelemeler sonucunda, ısı değiştirici borularının bina temelinin altındaki toprağa yerleştirildiğinde daha yüksek COP ve düşük paralel boru sayılarında daha yüksek Fref değerleri elde edilmiştir. Ancak, yüksek paralel boru sayılarında (NPT≥50), ısı değiştirici borularının bina temeline (beton) yerleştirilmesinin daha uygun olduğu elde edilmiştir.