Anahtar Kelimeler: Birlikte ısı ve güç üretimi, Akılcı ekserji yönetimi verimi, melez yenilenebilir enerji sistemleri

Transkript

1 _ 1673 YÜKSEK PERFORMANS BİNALARINDAKİ BİRLİKTE ISI VE GÜÇ SİSTEMLERİ İÇİN EN UYGUN KAPASİTE SEÇİMİ VE PERFORMANS DEĞERLENDİRME METRİKLERİ İÇİN GELİŞTİRİLEN EKSERJİ TABANLI YENİ BİR YÖNTEM Birol KILKIŞ ÖZET Bu çalışmanın amacı, Birlikte Üretimin öncelikle ticari yapılardaki uygulamalarında görülen tasarımsal ve işletimsel aksaklıkları gidermek ve yeni bir standardın oluşumuna yönelik performans metriklerini ve bir eniyileme algoritmasını geliştirmektir. Bildiri, enerji ve ekserji verimleri yüksek, enerji kaynaklarını akılcı kullanan, gerçek anlamda yakıt tasarrufunu, çevrenin korunmasını ve enerji emniyetini sağlayan, uluslararası norm ve yönergelere uygun uygulamalara ışık tutmak üzere yüksek performanslı bina kavramı çerçevesinde hazırlanmıştır. İçeriksel anlamda, Mega Hastane uygulamaları ön plana çıkarılmış, bu bağlamda yeni tasarım, kapasite eniyilemesi ve performans değerlendirme yöntemleri geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Birlikte ısı ve güç üretimi, Akılcı ekserji yönetimi verimi, melez yenilenebilir enerji sistemleri ABSTRACT The objective of this study is to develop performance metrics and an optimization algorithm in order to develop a new standard and eliminate certain design and operational shortcomings observed in the o- generation applications, especially in commercial buildings. With main emphasis on the highperformance building concept, this paper aims to shed light on high-energy and high-exergy efficient applications, which utilize energy resources in a rational manner, achieve actual fuel savings, provide energy security, protect the environment, and comply with international norms and guides. Its content focuses on large hospital applications and provides new design, capacity optimization, and performance evaluation methods, metrics, and algorithms. Key Words: Co-generation, Rational exergy management efficiency, hybrid renewable energy systems 1. GİRİŞ Merkezi termik güç santrallerinin performansları santral türüne göre ve değişik ölçülerde meteorolojik koşullara bağlı olabilmektedir. Örneğin, yazın sıcak havada çalışan doğal gaz türbinli bir pikleme santralinin verimi ve kapasitesi dış hava sıcaklığına ve bağıl neme bağlıdır. Sıcak günlerde verim azalmasını giderebilmek için ürettiği elektrik gücünün bir kısmının kullanılarak türbin giriş havasının ön soğutması gerekir. Genelde termik santrallerin atık ısılarından -örneğin konfor ısıtması veya soğutması şeklinde- yararlanılmadığı için hizmet sundukları talep noktalarının çevresel, mevsimsel,

2 _ 1674 iklimsel ve meteorolojik koşullarına bağlı ısı yüklerinden etkilenmezler ve bu gibi talepleri karşılamadıkları için sadece elektrik yükünü takip ederler. Bu bağlamda merkezi santrallerin denetimi ve işletimi bir anlamda daha kolaydır. Hâlbuki binalarda ve bölge enerji sistemlerinde kullanılan birlikte üretim (BÜ) sistemleri talep noktalarına yararlı ısıyı da eş zamanlı biçimde sunma durumundadırlar. Bu nedenle, bölgenin veya binanın dış çevre koşullarına, anlık fonksiyonlarına ve anlık kullandıkları enerji kaynaklarına ve sistemlere bağlı bina ısıl yüklerinin anlık değişimlerine bire-bir maruz kalırlar ve sadece güç değil ısı yüklerini de anlık olarak eş zamanlı olarak gözetmeleri gerekir. Sonuç itibarı ile BÜ sistemlerinin tasarımı, en uygun boyutlandırılmaları, ekonomik çözümlemeleri ve işletimleri daha karmaşıktır. Özellikle hastanelerde, okul ve otellerde binanın maruz kaldığı anlık dış meteorolojik koşullara, binanın zamana göre değişken taleplerine ve fonksiyonlarına bağlı olarak değişen ve farklılık gösteren ısı, soğuk ve elektrik güç talep profilleri ile birebir ilişki içersindedir. Bir biri ile zamansal olarak örtüşmeyen, hepsi de ayrı karakterde olan farklı yüklerin saatlik bir çözümleme temelinde yıl boyu hesaplanması ve takibi ön koşuldur. Ayrıca BÜ sistemlerinin en uygun, ekonomik, çevreci ve akılcı kapasitelerde seçiminin yıl boyunca saatlik hesaplar yapılarak irdelenmesi gerekir. BÜ sistemlerine yoğun ilgiye ve uygulamalara paralel olarak gelişmesi beklenen temel mühendislik bilgileri, yenilikçi sistemlerin AR&GE boyutu, sistem kapasitesinin doğru seçimi, sistemin eniyilemesi, değerlendirme ve çözümleme yöntemleri şu anda yeterli düzeyde değildir. Bu yetersizliğin altında yatan temel zorluklar aşağıda özetlenmiştir. Farklı ısı ve güç yüklerindeki dengesizlikler, Sistem güvenirliğinin ve emre amadeliğin çok yüksek olma gerekliliği, Yatırım ve işletme ekonomikliğinin ve verimin geri dönüş sürelerine doğrudan etkisi, Yüksek elektrik gücü kalitesi ihtiyacı, BÜ sistem performansının her a değişken olması, Talep tarafındaki güç ısı oranının zamana bağlı olarak BÜ sistem (arz) tarafındaki mevcut anlık güç sı oranına benzer olmayabilmesi, Güç ve enerji depolamasına olan gereksinim, Isı ve güç yüklerinin takibindeki güçlükler ve farklılıklar Binalar ve Birlikte Üretim Şekil 1-a ve Şekil 1-b, bir binanın farklı enerji ve güç gereksinimlerini göstermektedir (Kılkış, B., a, Kilkis, 2012-a). Özellikle tıp merkezleri, oteller gibi 7/24 hizmet veren yapılarda ısı gücü talepleri; buhar, kızgın su, sıcak kullanım suyu (servis suyu), soğuk su (konfor soğutması, endüstriyel soğutma, cihaz soğutması vb.) ve soğuk hava, sıcak hava şekillerinde olabilmektedir. Soğutma işlevi ise ülkemizde genellikle elektrik gücü ile soğutma gruplarında gerçekleştirildiğinden bu yükün elektrik gücü talebi içersinde yer alması daha doğrudur (Şekil 1-b). Bu durumda binanın elektrik güç yükü özellikle yaz aylarında çok artabilir. Ancak kullanımları ülkemizde nadir de olsa gaz ateşlemeli absorpsiyonlu soğutma makineleri (ESC, 2005), ısı tahrikli desikant tekeri, buharlaşmalı soğutma yöntemleri binada kullanılıyor ise soğutma yükü bu kez ısı yüklerine dâhil edilmelidir (Şekil 1-b). Her iki durumda da soğutma yükleri netice itibarı ile ya bina elektrik yükü veya bina ısı yükü içersinde gözükür. Şekil 1-c de bina sektörü toplamında farklı bina yüklerinin karşılaştırması verilmektedir (EIA, 1999). En büyük yük konfor ısıtmasıdır. Bunu klima yükleri takip etmektedir. Alışılagelen günümüz uygulamalarında bina ısı yükleri fosil yakıtla çalışan kazanlarla karşılanmaktadır. Yoğuşmalı kazanlar kullanılsa da ortalama net verim % 85 in üzerine pek çıkmaz. Ülke ortalamasında ise termik santrallerde üretilen elektrik binaya % 30 verimle gelebilmektedir. Termik santrallerin atık ısıları bölge enerji sistemi kurularak çevre yerleşim bölgelerinde değerlendirilebilir. Örneğin, TÜBİTAK TSAD Projesi ile Yatağan Santrali atık ısısının yerleşim bölgesinde değerlendirilme projesi gerçekleştirilmiştir. Üçlü üretim sisteminde ise tüketici soğutma yükleri elektrik tahrikli soğutma grupları yerine BÜ sisteminin yararlı ısısının en uygun orandaki bir bölümünü kullanan ısı tahrikli soğutma makinelerinden karşılanmaktadır. Yazın konfor ısıtma yükü genelde bulunmadığından yararlı ısının sıcak servis suyu dışındaki büyük bölümü soğutma yüklerinin karşılanmasında kullanılabilmektedir. Böylece yazın soğutmaya dayalı ek elektrik yükleri önemli ölçüde azaltılmaktadır. Diğer bir avantaj ise ısının yazın da etkin bir biçimde değerlendirilmesi ile BÜ sisteminin ekonomikliğinin artmasıdır. Eğer o yörede gündüz elektrik tarifesi uygulanıyorsa soğutma pik yükleri bu tarife dilimine denk gelmekte bazı durumlarda puant tarife dilimine de sarkabilmektedir. Hem pik soğutma yüklerinin sanal olarak gece

3 _ 1675 tarifesine kaydırılması hem de pik yüklerin tıraşlanması için soğuk en uygun zaman dilimi içersinde üretilip depolanabilir ve depolanan soğuk (örneğin buzda enerji depolaması: BED) pik soğutma yüklerinin kısmen karşılanmasında kullanılır (Şekil 1-f). Şekil 1-e de gösterildiği üzere şebeke elektriği ve ısı kazanı yerine bir BÜ sistemi bina güç ve ısı yüklerini karşılamak üzere tesis edilmiştir. BÜ verimi genelde % 90 a çok yakındır. Şekil 1-a. Bina Enerji Talepleri. Şekil 1-b. Soğutmanın Elektrik veya Isıl Güç (Buhar/sıcak su) ile Gerçekleşmesi. Şekil 1-c. Bina Isı ve Güç Yüklerinin Tipik Karşılaştırması (EIA, 1999). Santral ısısı atık Şekil 1-d. Alışılagelen Enerji ve Güç Sistemleri ile Taleplerin Karşılanması (Santral Atık Isısının Değerlendirme Seçeneği Noktalı Çizgilerle Gösterilmiştir).

4 _ 1676 Şekil 1-g de ise bina mekanik tesisatı ile binanın ısı ve güç yüklerinin birbirinden farklı enerji depolama ve dengeleme ara yüzleri ile ayrılması gösterilmektedir. Bu ara yüz hem elektrik gücünün hem de ısının üretiminde, dağıtımında, atık ısı kazanımında denetim etkinliğini arttırmakta, ekserji verimliliğini yükselmekte, ayrıca bina ve tesisat otomasyonu birbirinden ayrılarak tesisat ve bina otomasyonunun en uygun platformlarda eşgüdümlü olarak gerçekleşmesine yardımcı olmaktadır. Şekil 1-e. Basit BÜ Sistemi: Isı ve Güç (Birleşik Isı ve Güç Sistemi). Şekil 1-f. Üçlü Üretim Sistemi ve Soğuk Depolama. Şekil 1-g. Üretim Tesisi ve Tüketici Alanı Arasında Enerji Depolaması ve Dengeleme Sistemleri. Bu yöntemle mekanik tesisat bina yerine sadece ara yüzü görmekte ara yüzün (depolar) yüklerine kendi içinde en uygun kararı vererek cevap vermekte, bina otomasyonu da mekanik tesisata komut vermek yerine daha basit düzende depolardan uygun ekserjideki ısıyı çekmektedir. Elektrik gücü ise

5 _ 1677 denge panosunda dengelenmektedir (Çakmanus, vd, 2010). Bir BÜ sisteminde üretilen güç ve ısının ilişkisi Eşitlik 1 de verilmiştir (EU 2004/8/EC). E CHP = C H CHP {E CHP ve H CHP > 0} (1) Not: EU 2004/8/EC Yönergesindeki H CHP tanımı ile bu bildiride ayrıca tanımlanan Q T terimi genelde aynı değere sahiptir. CWA çerçevesinde BÜ kapsamı dışında bırakılacak elektrik enerjisi yoksa Eşitlik 1 aşağıdaki şekilde de yazılabilir. CHPEη = C CHPHη {E CHP ve H CHP > 0} (2) Birincil Enerji Tasarruf Yüzdesi EU 2004/8/EC Birincil Enerji Tasarruf Yüzdesi, PES i, farklı sistemlerde üretilen elektrik ve yararlı ısı erans verimlerine (Çizelge 3) oranla (DG TREN, Ocak 2006) şu şekilde vermektedir: 1 PES 1 x100 CHPHη CHPEη RefHη RefEη Eşitlik 3, C cinsinden de yazılabilir: PES 1 CHPHη 1 1 RefHη x100 C RefEη (3) (4) Tablo 1. Referans Verimlerine Örnek. PES Değerinin Üst Sınırı: Sistem RefHη RefEη Buhar Süreç Isısı (4) Eşitliğinde CHPHη ve CHPEη verimlerinin toplamı 1 i geçemeyeceği için: CHPHη + CHPEη < 1; C = CHPEη/CHPHη Ayrıca elektrik güç üretimi veriminin üst sınırı teknolojinin en son noktasında 0,6 dır. Bu nedenle, CHPEη 0,6. Bu kısıta göre PES değerinin matematiksel üst sınırı (pratik olarak imkânsız) yani % 100 toplam verim koşulunda aynı erans verim değerleri için bulunabilir: 1 PES 1 x100 1 CHPE CHPE 0,90 0,52 Aynı çizge üzerinde % 100 (teorik) toplam verim, % 90 toplam verim (pratik üst sınır), % 80 toplam verim (pratik değer) üç eğri görülmektedir. Temsil ettiği toplam verime göre her eğri değişik C değerlerinde PES miktarları görülmektedir. Uygulamadaki pratik C değerleri (0,45 C 0,95) göz önünde tutulduğunda ve AB Yönergesine göre kabul edilebilir en düşük PES değerinin de % 10 olma koşulu dikkate alındığında ortadaki taralı alan bize uygulamadaki PES değerinin en fazla % 26 kadar olabileceğini göstermektedir. AB Yönergesindeki PES eşitliği aslında sadece BÜ tesisi ve tüketici alanını çevreleyen dar bir sahadaki çözümlemeyi yansıtmaktadır. Bir BÜ sisteminin ısı ve elektrik gücü çıktılarının tüketici alanında nerede ve ne tür uygulamalarda kullanıldığı, çıktı ekserjileri ile talep ekserjilerinin ne denli uyumlu ve dengeli olduğu da çözümlenmelidir. Buna ek olarak yakıt girdisi

6 _ 1678 tarafında kullanılan yakıtın da ne denli uyumlu ve ekserji kullanımı yönünden akılcı olduğu çözümlenmelidir. Bu genişletilmiş çözümleme bölgesel ve ülkesel enerji bilançosu için çok önemlidir ve toplam CO 2 salımlarının hesabında kaçınılmazdır. Bu geniş çerçevede bakıldığında ise gerçek yakıt tasarrufunun % 50 leri aştığı Termodinamiğin 2. Yasası ve REMM (Rational Energy Management Model) Modeli (Kilkis, S., 2007) çerçevesinde görülmektedir. Toplam verim: % 100 Toplam verim: % 90 PES alt sınırı Toplam verim: % 80 RefHη = 0,90 RefEη = 0,52 Şekil 2. PES Değerinin C ve Toplam Verim ile Değişimi ( B. Kılkış, 2008). 2. AB YÖNERGESİNİN EKSİKLİKLERİ İÇİN ÇÖZÜM: AB Yönergesinin PES Eşitliği bugünün koşullarında yetersiz kalmaktadır. Bunun nedenleri: PES Eşitliğinde yakıt girdisi olarak sadece fosil yakıtlar öngörülmüştür. Hâlbuki bugünün yenilikçi ve çevre dostu BÜ uygulamalarında belirli bir oranda güneş, rüzgâr, toprak ısısı gibi yenilenebilir enerji kaynakları da kısmen veya tamamen yakıt girdisi olabilmektedir. Örneğin bir güneş enerjili PVT sistemi (Photo-Voltaic Thermal) tek bir yakıttan (Güneş Enerjisi) bir evin ısı ve elektrik yükünü karşılayabilir. PVT sisteminin bizatihi kendisi de böylelikle bir BÜ sistemi olmaktadır. Bu tür sistemler tek başına kullanıldığında veya fosil yakıtlı BÜ sistemleri ile harmanlandığında (Melez BÜ) yakıt tasarrufu nasıl hesaplanacaktır? Bu günün AB Yönergesindeki PES eşitliği bu gibi uygulamalardae ortak bir payda oluşturamamaktadır. Buhar, kızgın su, sıcak su, soğuk su (üçlü üretim sistemi gibi) gibi değişik ısıl enerji çıktılarının ekserji açısından farklılığını daha da önemlisi ısı sıcaklıklarına, entalpisine ve termodinamik verilere duyarlı değildir. Örneğin PES eşitliği, BÜ tesisinde üretilen ısının 60 o C mı yoksa 90 o C mi olduğuna duyarlı değildir. Hâlbuki değişik sıcaklıktaki aynı miktar ısının ekserjisi diğer bir deyişle yararlı iş potansiyeli ve topluma katma değerleri farklıdır. Örneğin, 90 o C sıcak su ile çalıştırılan absorpsiyonlu soğutma makinesi ile soğutma yapılabilir fakat 60 o C su ile ancak kullanım (servis) suyu üretilebilir (Uygulamada sıcak servis suyunun Lejyoner Hastalığını önlemek için 65 o C ın altında olması tavsiye edilmez). Maalesef güneş toplaçlı otellerde, hatta hastanelerde ve evlerde bu konuya pek dikkat edilmemektedir (Kılkış B. ve Özgür E., 2012). Soğutma da durum aynıdır. Örneğin BÜ tesis alanında kendi ürettiği elektrik gücünün bir kısmını tesis içersinde soğutma grupları ile tüketmesi yerine atık ısı ile soğutmanın ayrıcalığını PES Eşitliği göstermemektedir. Alternatif enerji kaynaklarından da yararlanan yenilikçi BÜ sistemlerini içermemektedir. Alternatif enerji kaynaklarında birincil enerji kaynakları genelde tüketilmez ve bu durumda zaten PES Eşitliği anlamını yitirmektedir.

7 _ 1679 Çözüm: REMM Modeli (Kilkis, S.,2007-a ve 2007-b ) PES Eşitliğine ilişkin sorunları çözümlemeki REMM Modeli geliştirilmiştir. Bu modele göre PES Eşitliğine akılcı ekserji yönetimi verimi (Ψ R ) ve daha sonra da Birincil Enerji Oranı (PER) değişkenleri eklenmiştir. Uygulama konfor ısıtması ise akılcı Ψ R ın erans değeri toprak kaynaklı bir ısı pompası (Şebeke elektriği ile tahrik ediliyor) 0,10 olarak kabul edilebilir. (API, 1975) ve bir merkezi termik santral için bu değer 0,3 seçilebilir (Sugimoto, Fujii, and Ohta, 2006) PES CHPHη CHPEη RefHη RefEη 2 Ref 2 veya, (5) PES 1 CHPHη 1 RefHη 1 C RefEη 2 Ref 2 x100 (6) Ref H CHP Ref H RH CHP E E CHP CHP Ref RE Ref RH C Ref 1 C RE (7) Hmin C (1 Emin ) Hmax C Emax (8) Emax Emin T 1 T T 1 T E f (9) (10) Hmax T 1 T app T Hmin 1 Ta veya T a Hmin 1 T T f (11) {T a < T } (12) Emax T E T app Emin T a T Hmin Hmax Şekil 3. REMM Modelinin 2004/8/EC Yönergesine Uygulaması (Kilkis, S., 2009).

8 _ 1680 Bina Güç T f Dönüşüm GSHP T app Isıtma/Soğutm ü T g a Sistemi T T a Şekil 4. Rüzgâr Türbini ve Toprak Kaynaklı Isı Pompalı WPT Sistemi (Kilkis, B., 2012-a, 2012-c). Rüzgâr gücü ile çalışan ısı pompası bina konfor sıcaklığını T a değerinde sürdürmektedir. Güneş enerjili diğer bir sistemde (Şekil 5) yazın verimi düşen PV gözeleri panel arkasındaki bir ısı değiştirici tarafından su ile soğutulmakta, üretilen elektriğin bir kısmı soğutmada kullanmaktadır. TEC modülleri tarafından çekilen ısı aynı ısı değiştiriciye ek ısı kaynağı olarak aktarılmaktadır. Ayrıca TEC modüllerin ürettikleri ısı da aynı ısı değiştiriciye aktarılmaktadır. Böylelikle güneş enerjisine dayalı bir üçlü üretim sistemi oluşmaktadır (Elektrik gücü, sıcak su temini ve soğutma). Yazın üretilen sıcak suyun talebi az, soğutma yükünün daha yoğun olduğu dönemlerde fazla sıcak su bir soğutma makinesinde (Adsorpsiyonlu sistem) değerlendirilebilir. Güneş enerjisinin ışınım şiddeti, I ya bağlı eşdeğer T f değeri Eşitlik (23) den hesaplanmaktadır. T f Elektrik Power Isı Gücü PV GÖZESİ TEC GÖZESİ ggözesimodule T a Isı Değiştirgeci Sıcak Servis Suyu Konfor Soğutması veya Isıtması Isı Tahrikli Soğutma Makinesi Şekil 5. Güneş Enerjisinden Elektrik Gücü, Isı ve Soğuk Üretimi (Kılkış, B., 2010) BÜ Sistem Veriminin Değişimi ISO standardının koyduğu kapasite ve verimler için standart çevresel koşullar şu şekildedir: 15 o C dış hava sıcaklığı, 101,3 kpa dış hava basıncı, % 60 dış hava bağıl nem ve deniz seviyesi. Fosil yakıtlı, motorlu veya türbinli BÜ sistemlerinin katalog kapasite değerleri yukarıdaki standart değerlerden saptıkça her an değişmektedir. Dolayısı ile özellikle kapasite seçiminde ve ekonomik çözümlemelerde meteorolojik verilerin zamana bağlı saatlik (t) değişimleri önem kazanmaktadır. Bu bağlamda dört temel kapasite düzeltme çarpanı bulunmaktadır. Deniz seviyesinden olan yükseklik çarpanı, k a (t) Basınç çarpanı, k p (t) Nem çarpanı k rh (t) Hava sıcaklığı çarpanı k ta ve Yakıt kalorifik değeri (Alt ısıya göre) çarpanı, k f (g) dir. Bu çarpanların kullanılacağı anlık (t zamanına bağlı) kapasite değeri şu eşitlikle bulunur: K(t) = k a (t) k p (t) k rh (t) k ta (t) k f (g) K(katalog) [kwe veya MWe] (13-a) BÜ tesisi mobil değilse (Örneğin acil durumlar için araç üzeri monteli mikro BÜ tesisli seyyar mutfak, uçaktaki yakıt pilli BÜ vb) yani yerleşik bir düzende ise, k a (t) zamana bağlı olmayıp o mahadeki denizden olan yükseklik değişmediği için sabittir: K(t) = k a k p (t) k rh (t) k ta (t) k f (g) K(katalog) [kwe veya MWe] (13-b)

9 _ 1681 Yakıt Kalorifik Değer Çarpanı ise özellikle doğal gazlı BÜ sistemlerinde günlük değişimler (g) gösterebilir. Nitekim BOTAŞ yöreye göre günlük kalorifik değerleri yayınlamaktadır. Ancak ileriye dönük bir kestirim yapmak güçtür. O yöreye hizmet veren doğal gaz şirketinin geriye dönük mevsimsel verilerinin kullanılması yeterli olabilir. Düzeltme çarpanlarının bir ekonomik çözümlemede gerçekçi ve hassas bir biçimde kullanılabilmesi için meteorolojik verilerin de saatlik olarak bilinmesi gerekir (yükseklik çarpanı hariç). Bunun nedeni ekonomik çözümleme ve performans değerlerinin saatlik ortamda ve bir yıl boyunca o yıl için kestirilmiş yakıt ve diğer gider/yatırım maliyetleri (Mümkünse aylık kestirimler) ile birlikte her saat için bilgisayar ortamında yazılmış bir özel yazılım ile değerlendirilmesi zorunludur. Bu tür bir yazılımın ana hatları bu raporda yer alan bilgilerden türetilebilir. Bir de yıllara göre sistemin yıpranmasını ve hizmete amadeliğini ölçütleyen yıpranma çarpanı, y(n) bulunmaktadır. Bu çarpan da hem verimi hep kapasiteyi etkilemektedir. K(t) = k a (t) k p (t) k rh (t) k ta (t) k f (g) y(n) m K(katalog) [kwe veya MWe] (13-c) K(katalog) terimi BÜ cihazının ISO standart çevre koşulları ve en yüksek verimdeki kapasitesinin katalog değeridir. Katalogda tüm düzeltme çarpanlarının çevre koşullarına bağlı çizelge eğrilerine üretici tarafında yer verilmesinin yanı sıra o ürünün y ve m değerlerinin belirli (standart) işletme ve bakım/onarım koşulları için de belirtilmesi gerekir. Bu eşitlikte y bir ampirik değer, m ise gene ampirik bir değer olup BÜ cihazının tipine, yapım kalitesine, işletme koşullarına, çevresel etkilere, bakım ve onarım kalitesine ve düzenine bağlıdır. n sistemin işletmeye alındığı yıl ve takibeden yıllardaki toplam işletme yılıdır. Düzeltme çarpanları her BÜ ürünü için ayrı olduğundan literatürde verilen genel değerler ancak yaklaşık olmak kaydı ile değerlendirilebilir. Yıpranma çarpanı, yenilenebilir enerjiye dayalı BÜ sistemleri için de geçerlidir, örneğin toprak kaynaklı ısı pompalarında kuyuların etkinliğinin azalması, jeotermal sistemlerde kuyuların bozunması, enerji rezervinin azalması, güneş enerjili sistemlerde optik özelliklerin bozunması yüzey ışık geçirgenliğinin azalması gibi etmenler sayılabilir Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Dayalı BÜ Sistemleri Yenilenebilir enerjiye dayalı BÜ sistemlerinde ise bu çarpanlardan kf(g) doğal olarak bulunmamaktadır zira tükenebilir enerji kaynaklarına dayalı sistemlerde fosil kökenli yakıt kullanılmamaktadır. Buna karşın güneş enerjisine dayalı PVT sistemlerde yeni iki faktör etkendir. Bunlardan ilki ve daha baskını PV sıcaklığı k T (t) çarpanıdır. Her ne kadar sandviç tipi PVT sisteminde (Şekil 5) PV sıcaklığının artması önlense de bu önlem ısı talebine, mevsime ve başka etkenlere bağlı olup her zaman PV gözeleri yeterince soğutulamayabilir. İkinci çarpan k w (t) rüzgâr hızı çarpanıdır ve rüzgâr enerjisine dayalı BÜ sistemlerinde anlık rüzgâr hızı V(t) kapasiteyi doğrudan etkiler. 3. EKSERJİNİN AKILCI KULLANIMI Toplum ahı, enerji, ekonomi ve çevre ilişkilerini bina, tesis, santral gibi dar alanlar ve tek-başına kavramının dışında talep ekserjileri arasındaki dengeyi bir bütün olarak değerlendirebilen yeni REMM Modelinde Akılcı Ekserji Verimi, ψ Ri ; herhangi bir (i) uygulamasının talep ettiği en az ekserjiye (ε appi ) karşın arz edilen ekserjinin (ε max ) ne denli dengede olduklarını sorgulamaktadır. Başka bir anlatımla, akılcı ekserji verimi, ekserji talebi ile ekserji arzı arasındaki uyumun ve dengenin bir ölçütüdür. Ri appi max T 1 T T 1 T appi f {Süreçte ekserji önce yıkılıyorsa} (14) Ψ Ri yakıt tasarrufuna ve CO 2 salımlarına yansıyan bir değişkendir. Bu nedenle Yönergenin (PES) eşitliği aşağıdaki şekilde düzeltilmiştir. Burada Refψ yaklaşık 0,204 alınır.

10 _ 1682 PES 1 1 CHPHη CHPSη CHPEη RefHη RefSη RefEη PER RefPER 2 Ref 2 x100 (15-a) Eğer, BÜ sistemine tesis dışından giren başka bir destek ısısı var ise bu destek miktarı yukarıdaki denklemin paydasına eksi değer olarak girmelidir: PES 1 1 CHPHη Hsη CHPSη CHPEη RefHη RefHη RefSη RefEη PER RefPER 2 Ref 2 x100 (15-b) H s η: BÜ sistemine tesis dışından fosil yakıtlara dayalı destek ısısı (supplementary heat) giriyor ise bu ısının haricen üretildiği sistemin 1. Yasa verimi, RefH s η: Destek ısının üretimi için tanımlanmış Referans Verimi (Örneğin AB Yönergesinden). Eşitlik (15-b) de ısı ve güç kısmi verimlerinin bulunduğu paydaya buhar gücü verimi (CHPSη) de eklenmiştir, çünkü buharın ekserjisi sudan daha fazladır. Eğer sıcak su farklı sıcaklıklarda üretiliyorsa ekserji farkları yukarıdaki denklemde her farklı sıcaklıktaki sıcak su üretimi için CHPH1η, CHPH2η, gibi çeşitlendirilerek eklenmelidir. Soğutma gücü erans PER değerleri ile ayrılmıştır. Birincil enerji oranı, PER, soğutucu sistemin soğutma tesir katsayısının (COP c ) sistemi çalıştıran gücün (Örneğin şebeke elektriği) tüm kayıp ve kaçakları simgeleye güç iletim verimi η T ile çarpımından oluşur. PER = η T COP c {Tesir Katsayılı Yani GSHP, PVTC vb gibi sistemler için} (16) Eşitlik (16) daki yeni erans değerleri AB Yönergesinde bulunmamaktadır ve η T = 0,32 (Şebeke Elektriği) kabulü ile şu şekilde önerilmiştir: Isıtma için RefPER = 0,32 4 = 1,28 Soğutma için RefPER = 0,32 3 = 0,96 Buhar için RefSη = 0,75 BÜ sistemlerinin REMM çözümlemesinde iki senaryo geçerlidir. Bunlar: Senaryo I- Ekserji yıkımı yararlı uygulamadan öncedir (Örneğin sıcak su kazanı gibi), Senaryo II- Ekserji yıkımı yararlı uygulamadan sonradır (Örneğin BÜ sistemi gibi). REMM Boundary 40% Hydro-mechanical efficiency Wind T f Wind Turbine T B- Turbine Generator-Home Boundary 85% Electro-mechanical efficiency 1 kw 2 kw electric power 1 kw 4.5 kw GSHP COP=5η =0.9 5 kw heat T f 333 K T a 293 K Sustainable Home A- GSHP-Home Boundary Şekil 6. Toprak Kaynaklı Isı Pompası ve Rüzgâr Türbininden Oluşan Sistemi (Kilkis, B., 2012-a).

11 _ 1683 Ekserjinin önce yıkılması: Örneğin doğal gazlı bir kazanda doğal gazın ekserjisi sadece düşük sıcaklıklardaki uygulamalarda kullanıldığından yüksek sıcaklıklarda mevcut ekserji ilk sırada yıkılır (Şekil 7). Aynı bağlamda sadece sıcak su üreten düzlemsel toplaç elektrik gücü üretmediğinden Şekil (7) geçerlidir. Hâlbuki bu sistemde elektrik de üretilse idi (PVT) Şekil (8) geçerli olacaktı. Ekserji Yıkımı T f Ekserji Arzı T a Ekserji Kullanımı Şekil 7. Ekserji Kullanımından Önce Gelen Ekserji Yıkımı Senaryosu. Düzlemsel güneş toplacı ile konfor ısıtması yapıldığına T a iç hava sıcaklığındaki binanın ekserji talebi, ε dem ideal Karno çevrimi temelinde (17-a) Eşitliğinden hesaplanır. Konfor soğutmasında ilişkin eşitlik (17-b) dış hava sıcaklığı T o yu da içerir. (18-a) Eşitliği ise REMM verimi Ψ R yi verir (Kilkis, S., 2009). T dem T 1 T a {Isıtma} (17-a) T T dem 1 1 To T {Soğutma} (17-b) a sup dem sup R (18-a) T 1 T f {Isıtma} (18-b) sup T 1 T o T 1 T f {Soğutma} (18-c) Ekserjinin sonra yıkılması: Bu senaryoda, ekserji yıkımı uygulamadan sonra düşük ekserjilerde oluşur. (Doğal gaz motorlu bir BÜ sistemi gibi). BÜ sisteminde doğal gazın yüksek ekserjisine uyumlu olarak önce elektrik gücü üretilir, atık ısısının önemli bir bölümünü tüketici yararlı ısı olarak kullanır, geri kalan ısının düşük ekserjisi kullanılmadığından ekserji yıkılır. T f Ekserji Kullanımı Ekserji Supply Arzı Ekserji Yıkımı T E Ek ekserji kullanım olasılığı T app T R 1 Şekil 8. Ekserji Kullanımının Ardından Gelen Ekserji Yıkımı Senaryosu. dst sup (19)

12 _ 1684 T dst 1 {Isıtmada T E T app } (20) TE Fosil yakıtlara dayalı bir BÜ sistemi yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı sistemlerle harmanlandığında ağırlıklı PES değeri yeniden hesaplanır: (Kilkis, B b): PES Burada, Q AH ısı ve/veya soğuğun yenilenebilir enerji kaynakları ile ε AH ekserjisinde karşılandığı ısıl güç (veya enerjidir). Güneş, rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynakları kesikli olduklarından güç yerine belirli bir zaman aralığındaki enerji birimi (kw h) kullanmak daha yerinde olacaktır. Q AE yenilenebilir enerji kaynakları ile karşılanan elektrik gücüdür (veya enerji). Birim ekserjisi 1 kabul edilmiştir (0,95 daha doğru bir değerdir). Q H ve Q E sırası ile binanın toplam ısı ve güç talepleridir. ε HH bina ısıl yüklerinin (Örneğin ısıtma ve sıcak servis suyu talepleri) ortalama ısıl yük ekserjisidir. AER (Alternatif Enerji Oranı: Alternative Energy Ratio) ise yeni bir değerlendirme metriğidir. Q AH AER R QH R n s i1 m P1 j1 T 1 T T 1 T AH HH di sj Q Q AE E Q Q di sj Rüzgâr ve güneş enerjisinin Karno çevrimi tabanındaki eşdeğer kaynak sıcaklıkları aşağıdaki eşitliklerce verilmektedir (Kilkis, S., 2010). Burada η I türbin verimi, I güneş ışınımı, 5800 K güneş yüzey sıcaklığıdır. Referans sıcaklığı, T ortalama toprak sıcaklığı, örneğin 283 K alınabilir. Sisteme farklı ekserjilerde güç girişi ve güç çıkışı varsa (Şekil 10), ortalama REMM verimi, R kullanılır. T 1 I Tf {Güneş} (23) 1366 T K T AH AH AE RA PES QH HH Q 100 E T Q f 1 I {Rüzgâr} (24) Q s i1 m P1 n j1 demi sup j Q di Q PES sj (21) (22), veya: (25) R n Q Ri i1 n i1 Q di di (26) Şekil 9. Temel Ekserji Bloğu ( Birol Kılkış ve Şiir Kılkış, 2009).

13 _ 1685 m = 1 ε güneş, Q ingüneş ε rüzgar, Q inrüzgar m =2 Enerji Kaynağı Ψ R n = 1 Isı Q ingüneş η hg ε hsup Elektrik Q ingüneş η eg ε esup n = 2 Elektrik Q rüzgar η er ε esup n = 1 Isı ε demh Q demh Elektrik ε deme Q deme Tüketici Alanı η EX Melez BÜ Şekil 10. Melez BÜ Siteminde Ekserji Akışı. Şekil 10 da güneş ve rüzgâr enerjisinden güç ve ısı elde eden ve bunu tüketiciye sunan bir melez BÜ sisteminin ekserji akışı görülmektedir. Sistemde iki adet birim bulunmaktadır: i = 1 (Rüzgâr Türbini) ve i = 2 (Güneş PVT), m = 2. Rüzgâr türbini sadece elektrik üretmekte (n = 1), PVT ise hem ısı hem elektrik üretmektedir (n = 1, 2). Bir BÜ sisteminin basit ekserji verimi, η EX, BÜ sistemini oluşturan (m) kadar değişik (i) biriminin her birisinin (n) kadar değişik türdeki enerji (j) çıktıları için 1. Yasa verimleri η j, o birimden çıkan birim ekserjiler ε jout ve her birime giren birim ekserjiler ε iin ve miktarları Q iin ile ilintilidir. Bu eşitlik her birime tek tür enerji girdisi bulunduğunu varsaymaktadır. EX m Q i1 n iin i1 j1 m iin j Q iin j sup BÜ sisteminden çıkan değişik ekserji arzları tüketici alanındaki ekserji taleplerinin her birine ideal olarak denkleşmesi koşulunda: (27) Q ingüneş η hg ε hsup = ε demh Q demh Q inggüneş η eg ε esup + Q ingrüzgar η er ε esup = ε deme Q deme (28) Eşitliği aynı zamanda Ψ R değerini verir. Bunun nedeni Ψ R veriminin sadece kaynak ve son talep noktası (Tüketici) arasındaki ekserji dengesi ile ilişkili olmasıdır. (Şekil10 da en soldaki ve en sağdaki kesik çizgili kutular). Bu koşulda yukarıdaki örnek için: Q ingüneş η hg ε hsup ε demh Q demh Q inggüneş η eg ε esup + Q inrüzgar η er ε esup ε deme Q deme koşulları nedeni ile, Ψ R η EX koşulu geçerlidir. EX R Q demh ingüneş Q demh güneş Q deme Q inrüzga r deme rüzgar (28) 3.1. Çevresel Değerlendirme Doğal gaz kazanı ile ısıtılan (i) indisli bir bina, elektrik talebinin tamamını uzaktaki bir termik santralden almaktadır. Kazanda yakılan yakıt türüne, yanma performansına, dış koşullara bağlı olarak binadan havaya belirli ölçüde zararlı salım, örneğin CO 2 salımı olmaktadır. Ancak bu binanın kısmen sorumlu olduğu ve görülmeyen ikinci, hatta daha fazla sayıda ek salımlardan sorumlu bacaları vardır. Enerji kalitesinin kullanımındaki büyük uyumsuzluğa neden olan bu bina, BÜ sistemi kullanmayıp elektrik enerjisini (j) indisli bir termik santralden almaktadır. Binanın bu elektrik yüküne karşılık, santralin toplam yükü artmakta ve bu oranda santral daha fazla CO 2 salımı yapmaktadır (ΣCO 2j ).

14 i j CO CO i CO i j i i T j CO CO i j i T c Bir binada kurulu BÜ sistemi koşulunda ise: c c Ri Ri _ 1686 (29) (30) 4. OPTİMUM KAPASİTE SEÇİMİ VE PERFORMANS DEĞERLENDİRME YÖNTEMİ Yeni bir optimum kapasite seçimi ve performans değerlendirme yöntemi geliştirilmiştir (Kılkış, B., 2013). Değişik bina yüklerinin saatlik ve günlük değişimleri birbirinden farklıdır ve profilleri de zaman ekseninde eş-zamanlı olmayıp profil şekilleri de farklıdır. Yük profillerinin şekilleri de farklıdır. Bu durum Şekil 11-a da gösterilmiştir. Örneğin pik elektrik yükü saat 14 de kw e olarak yer almaktadır. Pik ısı yükü ise saat 18 de kwh dir. En olumsuz dengesizlik saat 01 de görülmektedir. Elektrik yükü düşük olduğundan ısı yükünün BÜ tarafından karşılanması mümkün değildir. BÜ sistemi büyük seçildiğinde fazla elektrik enerjisi üretilmek durumu ortaya çıkacaktır. Bu elektriğin şebekeye satılması düşünülse dahi gece tarifesi (en ucuz tarife) üzerinden ıskontolu satılacak bu elektrik BÜ sistemine kazanç getirmeyecektir. Bir çözüm ısı yüklerinin az elektrik yüklerinin az olduğu saat dilimlerinde fazla ısıyı depolamaktır. Şekil 11-a da görünen profillere göre bu çok olası görülmemektedir. Bu nedenlerle yıl boyu her saat diliminde çözümlemelerin yapılarak elde edilecek eniyileme sonuçlarına göre BÜ seçimi yapılmalıdır. BÜ sistemi eğer elektrik yükünü takip edecek ise sistemin güç ısı oranı yaklaşık sabit olduğuna göre ısı yüklerinin çok elektrik yüklerinin az olduğu saatlerde BÜ ısı yüklerini karşılayamayacaktır. Şekil 11-b ye göre, minimum yük 2800 kw dolayındadır. Günlük toplam yükün 24 saate bölünmesi ile ortaya çıkan günlük baz yük ise 3100 kw dolayındadır. Eğer BÜ kapasitesi pik yükün (P E ) tamamını karşılamak üzere seçilirse (c =1) veya kapasite 0,9 x P E olarak (c = 2) seçilirse birçok saat diliminde üretilen elektrik gücü talebin üzerinde olacaktır. Özellikle tıp merkezlerinde elektrik gücünün şebekeye satışı da önerilmediğinden BÜ mecburen kısmi yüklerde çalışarak verimi düşecektir. Yüksek olan ilk yatırım maliyeti daha uzun sürede geri dönebilecektir. Örneğin Şekil 11-b ye göre, BÜ sistemi (c = 1 koşulunda) günde sadece iki saat tam yükte çalışabilecektir. BÜ sistemlerinin en düşük kısmi yükü de yaklaşık 0,4 olduğundan bu tür gereğinden büyük seçilmiş BÜ Sistemi eğer c = 1 seçilirse çalışma alt sınırı (cut-off) 7200 kw e olacaktır. Bu nedenle pik elektrik yükünün tamamının karşılanacağı bir BÜ seçeneğinde BÜ sistemi günün yaklaşık sekiz saatinde durdurulmak zorunluluğu doğacaktır. Görüldüğü üzere c katsayısı azaltıldıkça seçilen BÜ sisteminin kapasitesi azalmakta (Daha ucuz) ve daha uzun sürelerde tam yük veya tam yüke yakın işletime sahip olarak geri dönüş hızlanmaktadır. Doğal olarak bu trendin bir alt sınırı vardır. Çünkü c azaldıkça şebekeden alınan elektrik ve ısının büyük kısmının kazanlardan karşılanması geri dönüşü uzatacaktır. İşte kilit çözüm en uygun c katsayısını bulmaktır. Bu örnek bize BÜ elektrik güç üretim kapasitesinin c tabanında bir eniyileme çalışmasının yapılmadığı durumlarda çok yanlış sonuçlar alınabileceğini göstermektedir. Bina yükleri ise saatlik tabanda kestirilmektedir. (EnergyPlus gibi yazılımlar ve ara yüzleri: Kilkis, B., 2007).

15 _ 1687 Şekil 11-a. Güç ve Isı Yüklerinin bir Gün Boyu Saatlik Değişimlerine (Profillerine) Sanal Örnek. Pik Yük P E c = 1 c = 0,9 c = 1 koşulunda işletme alt sınırı Cut-off c = 0,6 C = 0,4 Minimum Yük Baz Yük Saat Şekil 11-b. Elektrik Yük Profilinin Görünümü ve Değişik c Değerlerine göre Seçili BÜ Kapasitesi Kapasite Eniyilemesi Bu çalışmada analitik bir eniyileme algoritması geliştirilmiştir. Amaç fonksiyonu (OF), BÜ sisteminin performansını arttırmayı (Maksimize etmeyi) amaçlamaktadır. Bu fonksiyonun ana parametreleri Termodinamiğin Birinci Yasa verimi, c katsayısı, İşletme Faktörü (İF), Akılcı Ekserji Verimi, minimum CO 2 salımı ve kârlılık olarak seçilmiştir. Kârlılık ise diğer parametreler cinsinden ifade edilebileceği için denklemde yer almamaktadır: OF = f(η I, c, İF, Ψ R, CO 2 ) Maksimize edilecek l 0,6 j( İF 0,6) İF ) 0,088 OF (31) 0,9 0,9 ci 1 R I

16 _ 1688 Burada c i doğal gaz için 0,2 alınır. İF değeri c katsayısına bağlıdır: İF = f*(c). η I = 0,6 j( İF 0,6) 0,9 l olduğuna göre ve Ψ R η EX üst sınırı alınarak ve BÜ için C = 1 (Güç ısı or anı)kabulü ile η EX 0,9 η I eşitsizliğinin üst sınırı kullanılarak Ψ R, η I cinsinden, η I da İF cinsinden İF de c cinsinden yazıldığı için OF tek değişkene yani c katsayısına indirgenir: OF = f**(c) Maksimum Ön çözüm: dof dc 0. Bu eniyileme probleminin kısıtları aşağıda verilmiştir. η I 0,80, 0,4 c 0,65, 0,7 İF 1,Ψ R 0,6, CO 2 0,088 (Doğal Gaz ve Ψ R = 0,6 erans değeri ile). Optimal çözüm bu kısıtlar içersinde aranmalıdır. Pratik ve erans değerler konulduğunda optimal c katsayısı 0,6 ile 0,7 arasında çıkmaktadır. Finans değerleri zamana göre değiştiği için yakıt ve güç bedellerinin kestirimi gerekmektedir. Çizelge 2 de bu tür bir fiyat kestirimi verilmiştir. Bu çizelgede: ORT/P = GU x 11 saat + P x 5 saat + GE x 8 saat, GU/P = 0,55, GU/GE = 2,38. Dolayısı ile: GU = 1,01 ORT, GE = 0,429 ORT ve P/ORT = 1,85. P: Puant Tarifesi, GU: Gündüz Tarifesi GE: Gece Tarifesi, ORT: Günlük Ortalama Tarife Tablo 2. On Yıllık Güç ve Yakıt Fiyatları Örnek Kestirimi Yıllar TAHMİNİ DOĞAL GAZ VE ELEKTRİK FİYATLARI TL/kWh ELEKTRİK D. GAZ ORT P GE GU DG ORT/DG (a/b) ,1392 0,2578 0,0597 0,1406 0,058 2, ,1529 0,2832 0,0656 0,1545 0,061 2, ,1666 0,3086 0,0715 0,1683 0,064 2, ,1804 0,334 0,0774 0,1822 0,067 2, ,1941 0,3594 0,0833 0,1960 0,071 2, ,2078 0,3848 0,0891 0,2099 0,074 2, ,2215 0,4102 0,0950 0,2237 0,078 2, ,2352 0,4356 0,1009 0,2376 0,082 2, ,2489 0,461 0,1068 0,2514 0,086 2, ,2627 0,4864 0,1127 0,2653 0,090 2, Birlikte Üretimin Performans ve Değerlendirme Metrikleri Bu tebliğde sunulan eşitlikler aşağıda verilen ilgili metrikler için kullanılarak birleşik üretim sisteminin performansı irdelenmiş olur. 1. Birincil Enerji Tasarrufu (PES) 2. Enerji Tasarruf Oranı (PES ) 3. Güç/Toplam Isı Oranı (C)

17 _ 1689 C, BÜ sisteminin en önemli bir diğer değerlendirme parametresidir. Binanın genel güç ve ısı yüklerinin oranına (C B ) mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Ancak C oranının 1 i geçmesi pratikte sık rastlanan bir durum değildir. Eğer binada ısıl yükler çok fazla ise melez BÜ sistemleri (WHP, PVT, PVTC gibi) hatta ekonomik ve çevresel boyutlarda kalmak kaydı ile yüksek verimli pikleme ısı kazanları kullanılabilir. Öte yandan C nin 0,4 den az olması da ekserji verimliliği açısından tercih edilmez. Q C Q E H 4. Buhar/Toplam Isı oranı: C S BÜ sisteminde tasarım koşullarında üretilebilen buhar ısısının (Q S ) aynı sistemde tasarım koşullarında üretilebilen toplam yararlı ısıya (Q T ) oranıdır. Bu oran özellikle hastanelerde önem taşır, çünkü bu binalardaki buhar yükleri yadsınamaz boyutta olabilir. Gaz motorlu BÜ sistemlerinde buhar öncelikli olarak eksoz atık ısısı kullanılarak olarak üretilir. Bu orana soğuk üretimi dâhil edilmez. BÜ sisteminden ilk aşamada çıkan toplam yararlı ısı bu oranda esastır (EU/2004/8/EC deki yararlı ısı tanım ve hesap yöntemi kullanılarak). Tipik ısılar motor ceket suyundan, eksoz ısısından, jeneratör ceket suyundan, etrafa ışıyan ısıdan vb elde edilebilir. C S Q Q S H 5. Soğuk/Toplam Isı Oranı: C c Üçlü veya çoklu üretim BÜ sistemlerinde tesis alanının içinde soğuk (soğuk su, buzlu su, serin su gibi), atık ısıyı kullanarak adsorbsiyon, adsorpsiyon, metal hidrit, PVTC gibi cihazlarla veya kendi ürettiği gücün bir kısmı ile işletilen cihazlarla ürettiği soğuktur. Bu değere ek olarak ısı pompası gibi sürdürülebilir enerji kaynaklarını kullanan cihazlarla ürettiği soğuk da dâhildir. Toplam değer (Q C ) tasarım koşullarındaki toplam soğuk değeridir. Üretilen soğuğun yararlı tüketim için tüketiciye ölçerek ve eş zamanlı olarak sağlaması esastır. Tüketici alanında üretilen soğuk bu orana dâhil edilmez. Kendi ürettiği gücün bir kısmını kullanarak soğutucu gruplarda üretilen soğuk hesaba dâhil edilmez. Bu tür soğutucu gruplara verilen güç C oranı tanımına bağlıdır ve güç tanımı içersinde bırakılır. C C Q Q C H Yukarıdaki eşitliklerden genel bir ilişki de türetilebilir: C Cs Cc 1CHPH I 6. Birinci Kanun Verimi: η I 7. İkinci Kanun Verimi: η EX 8. Ekserji Gömülü Birincil Enerji Tasarruf Oranı: PES 9. Akılcı Ekserji Yönetimi Verimi (REMM): R 10. CO 2 Salımı: Tasarım koşullarında hesap edilir 11. Birim karbon dioksit salımı: CO 2 Q Y 12. Alternatif Enerji Kullanım Oranı: AER 13. Basit Geri Ödeme Süresi için EK 1 de verilen kısa yöntem ana metindeki kapsamlı hesap yönteminin alternatifi olmayıp ancak sistemin tasarımına karar verilirken ve seçeneklerin ön irdelemesinde kullanılabilir. 14. Tesisteki BÜ ve Tüketici Alanındaki Yük Paylaşımının Uygunluk Katsayısı, YDF:

18 _ 1690 C 1 C Cs Cc 1 YDF C C (32) B s B cb YDF, sistemden tüketiciye verilen değişik enerji ve gücün kendi aralarındaki paylaşımının tüketici (Bina) tarafındaki yüklerin kendi aralarındaki paylaşımı ile ne denli uyumlu olduğunun bir ölçütüdür. Örneğin bir BÜ tesisinde üretilen elektrik gücü elektrik yükü takibinde başarılı olabilir, ancak eş zamanda ürettiği yararlı ısı ve bu ısıdan ürettiği buhar, soğuk ve sıcak su o andaki binanın buhar, soğuk ve sıcak su talepleri ile uyuşmayabilir. Dolayısı ile fazla yararlı ısının mümkünse depolanması (Depo kapasitesi dolmamış ise) veya destek kazan veya çillerle takviyesi gerekir. Bu koşullarda sistemin İşletme Faktörü (İF) de düşer. Bu edenle İF nin yüksek olabilmesi (YDF) değerine bağlıdır. SONUÇ Ticari binalarda BÜ uygulamalarının önemi ve ülke ekonomisine, insan sağlığına, çevreye ve cari açıkların kapatılmasına olan potansiyel katkıları yadsınamaz. Buna karşın BÜ uygulamaların çok ciddi ve hassas-saatlik temelde, ortalama on yıl boyunca her günkü farklı koşullarda performans kestirimlerinin yapılması bir ön şarttır. Bu bildiride sağlıklı bir BÜ seçiminin yapılabilmesi için onu aşkın parametrenin incelenmesi ve çözümlemesinin gerektiği gösterilmiştir. Bina saatlik verilerinin daha projenin en başında bina benzetim (simülasyon) modelleri ile kestirilmiş olması ve bu verilerin hazır bulundurulması gerekir. BÜ uygulamalarında yıl boyunca ya bir gün ya birkaç gün karşılaşılabilecek pik yüklere çok yakın kapasiteler seçildiğinde sadece atıl kapasite yaratılmış olmayacak uzun süreler %40 ın altında kalacak kısmi yükler nedeni ile sistem o süreler zarfında kapatılmak durumu ile karşı karşıya gelebilecektir. Ara kısmi yüklerde ise verim düşecek, ekonomi ve çevre olumsuz etkilenecektir. Sonuç olarak sistemin geri ödemesi uzayacak hata imkânsız hale gelebilecektir. Doğal olarak bu olumsuzlukların her binada nasıl ve ne kadar gerçekleşeceği gene o bina temelinde baştan sona saatlik bir analizle anlaşılabilir. Öncelikle bu bilincin ve gerekliliğin çok iyi anlaşılması kaçınılmazdır. SİMGELER a (a/b) AER b c C C c C s c i CHPHη CHPEη CHPSη COP H COP C CO 2 GU GE E E CHP h H CHP Elektrik enerjisine ödenen toplam birim fiyat, TL/kW h Birim güç ve birim yakıt fiyatları oranı (Fiyat Makası) Sürdürülebilir enerji kaynaklarının kullanım oranı Yakıta ödenen birim fiyat (yakıtın alt ısıl değerine göre), TL/kW h Birlikte Üretim Tesisinin kurulu elektrik gücü üretim kapasitesinin tüketici pik elektrik güç talebine (P) oranı, K/P. BÜ tesisinde üretilen gücün üretilen yararlı ısıya oranı BÜ tesisinde üretilen yararlı soğuğun üretilen yararlı ısıya oranı BÜ tesisinde üretilen yararlı buharın üretilen toplam yararlı ısıya oranı Not: C, C c, ve C s simgelerine B alt simgesi eklendiğinde sırası ile, güç, soğuk ve buhar yüklerinin bina toplam bina ısı yüküne oranlarını temsil eder. Birim yakıtın saldığı CO 2 miktarı, kg CO 2 /kw veya kg CO 2 /kw h Yararlı ısı üretimi kısmi verimi Güç üretimi kısmi verimi Buhar üretimi kısmi verimi Isıtma Tesir Katsayısı Soğutma Tesir Katsayısı Asal karbondioksit salımı, kg CO 2 (veya Gton CO 2 /yıl) Gündüz elektrik tarifesi, TL/kW h Gece elektrik tarifesi, TL/kW h Etkinlik katsayısı Birlikte üretilen elektrik (mekanik) enerjisi, kw h Basit geri ödeme süresi Birlikte üretilen yararlı ısı, kw h

19 _ 1691 H s η BÜ sistemine tesis dışından fosil yakıtlara dayalı destek ısısı (supplementary heat) giriyor ise bu ısının haricen üretildiği sistemin 1. Yasa verimi I Güneş ışınımıi, W/m 2 IF(t) Yıllık ortalama işletme faktörü. Zamana bağlı anlık işletme faktörlerinin yıllık işletme süresi (S saat) içersinde toplamının S e bölümüdür. K Bir gün içersindeki ortalama meteorolojik koşullara göre düzeltilmiş BÜ elektrik gücü üretim kapasitesi, kw K(t) Birlikte üretimde anlık (saat ortalaması) elektrik üretim kapasitesi (tüm kapasite düzeltme çarpanları uygulandıktan sonraki gerçek kapasite), kw K(katalog) Birlikte üretimde elektrik gücü üretim kapasitesi için anma (katalog) değeri, kw KY(t) Kısmi yük oranı, anlık elektrik yüküne bağlı olarak, o anki gerçek kapasitesinin o anki kapasite düzeltme çarpanları ile düzeltilmiş K değerine oranıdır. 0,4 KY 1,1 k a Denizden yüksekliğe göre kapasite düzeltme çarpanı k f Yakıt alt ısıl değerine göre kapasite düzeltme çarpanı k p Dış hava basıncına göre kapasite düzeltme çarpanı k rh Dış hava bağıl nemine göre kapasite düzeltme çarpanı k t Güneş gözesinin (PV) sıcaklığa göre kapasite düzeltme çarpanı k ta Dış hava sıcaklığına göre kapasite düzeltme çarpanı k w Rüzgâr hızına göre türbin kapasitesi düzeltme çarpanı m Yıpranma çarpanı denkleminin üssü n BIG Aynı tesisteki BÜ (Birlikte Isı ve Güç: BIG) ünite sayısı ORT Günlük Ortalama (veya tek) elektrik tarifesi, TL/kW h P Puant elektrik tarifesi, TL/kW h P E Yıl içersindeki pik elektrik yükü, kw P H Yıl içersindeki pik toplam ısı yükü, kw PER Birincil Enerji Oranı PES 1.ci yasaya göre birincil enerji tasarrufu yüzdesi, % PES RA Melez birlikte üretim sistemlerinde birincil enerji tasarrufu PES 1.ci ve 2.ci yasalara göre toplam birincil enerji tasarrufu yüzdesi, % P i Birlikte üretimin karşıladığı birim enerji talebi, kw h PT Parasal tasarruf, TL Q AE Sürdürülebilir enerji kaynaklarınca üretilen elektrik gücü veya enerjisi, kw veya kw h Q AH Sürdürülebilir enerji kaynaklarınca üretilen ısıl güç veya ısı, kw veya kw h Q C BÜ sisteminin tesiste ürettiği soğuk güç kapasitesi (BÜ sisteminden ısıl güç olarak çıkan ancak daha sonra tüketici alanında soğuğa çevrilen güç Q T ye dâhil edilir), kw Q E Anlık tüketici elektrik talebi (Eğer YDF bire eşit ise o zaman elektrik üretim kapasitesi olarak da bu simge kullanılabilir), güç veya enerji olarak, kw veya kw h Q H Tüketici ısı talebi (sıcak su, kızgın su, buhar vb toplamı). (Veya ısı üretim kapasitesi), güç veya enerji olarak, kw veya kw h Q Y Yakıtın sisteme giren enerji miktarı (ortalama alt ısıl değere göre), kw h veya belirli debideki eşdeğer ısıl gücü, kw Q II 2.ci Yasaya göre tüketicinin ısı ve güç talebini karşılayan enerji kaynağının tasarım şartlarındaki ideal ekserjisi (Jeotermal enerji uygulamasında), kw h RefHη Yararlı ısı üretimi kısmi verimi erans değeri RefEη Güç üretimi kısmi verimi erans değeri RefPER PER oranının erans değeri RefSη Buhar üretimi kısmi verimi erans değeri RefΨ RH Isı için akılcı ekserji yönetimi modeli veriminin erans değeri RefΨ RE Elektrik için akılcı ekserji yönetimi modeli veriminin erans değeri S Birlikte üretim sisteminin bir yıl boyunca elektrik yükü takipli olarak çalışabildiği süre, h t Zaman, s veya h T a İç mekân tasarım konfor sıcaklığı, o C (K) T appi (i) uygulamasına giren yararlı ısı sıcaklığı (uygulama sıcaklığı), K T E Birlikte güç üretimini terk eden işletme akışkanının sıcaklığı, K T g Yıllık ortalama toprak sıcaklığı (3 m de), K T Çevrenin erans (denge) sıcaklığı, K T f Yakıtın yanma (alev) sıcaklığı veya enerjinin ekserji eşdeğeri sanal yanma sıcaklığı, K Dış hava sıcaklığı, K T o

20 _ 1692 V(t) x Y Y(n) YB YBCHP YD YDF YF η EX η I η i η CHP η T ε app ε dem ε dst ε max ε sup f ψ Ri ψ ΔT ΔCO 2 ΣCO 2 Anlık rüzgâr hızı, m/s Saatlik parasal tasarruf cinsinden bakım ve onarım maliyeti, TL Yıl Yıpranmaya göre kapasite düzeltme çarpanı BÜ kapasitelerine göre aynı miktar ve aynı sıcaklıkta fakat ayrı bir cihazda ısıl güç üretiminin ve aynı miktar elektrik güç üretiminin gene ayrı bir sistemde örneğin şebekeden teminindeki maliyetlerinin belli bir süre (h) içindeki toplamı BÜ sisteminin işletme maliyetlerinin belli bir süre (h) içindeki toplamı Enerji kaynağından yararlanma düzeyi İşletim-Yük Denge Faktörü Yük faktörü. Tüketici alanındaki her hangi bir yükün (örneğin elektrik yükü) yıllık toplamının o yükün tasarım değerine olan oranıdır. 2. ci yasaya göre verim 1. ci Yasaya göre verim Her hangi bir (i) uygulamasının verimi Birleşik Isı ve Güç (CHP) sisteminin verimi Merkezi santraldeki ilk enerji dönüşümünden sonra, tüketiciye kadar olan çevrim, iletim, dağıtım ve koşullandırma (transformatör gibi) aşamalarını kapsayan toplam verim (i) uygulamasının birim yükünü gerçekleştirebilecek en düşük ekserji Tüketici ekserji talebi, kw veya kw h Yıkılan ekserji, kw veya kw h (i) uygulamasının birim yükü için harcanan ve bir kısmı yok edilen ekserji Tesisin (ünitenin) sağladığı ekserji, kw veya kw h Fonksiyon (i) uygulamasına ilişkin Akılcı Ekserji Verimi Ortalama ekserji verimi BÜ (CHP) Sisteminin Akılcı Ekserji Verimi Sıcaklık Farkı, K Ekserji verimsizliğine bağlı (önlenebilir) CO 2 salımı, kg CO 2 (veya Gton CO 2 /yıl) Toplam CO 2 salımı, kg CO 2 (veya Gton CO 2 /yıl) Alt Simgeler B i j Bina Tüketici alanındaki her hangi bir uygulamanın indisi Güç Santralinin indisi Kısaltmalar AB (EU) Avrupa Birliği API American Petroleum Institute ASHRAE American Society for Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc. BÜ Birlikte Üretim (Cogeneration) CEN Comité Européen de Normalisation CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization CHP Birleşik Isı ve Güç (Combined Heat and Power) CWA CEN Workshop Agreement DG Doğal Gaz DG TREN Directorate General Transport and Energy EC European Council EIA Energy Information Administration GSHP Ground Source Heat Pump OF Amaç Fonksiyonu PV Photo-Voltaic PVT Photo-Voltaic and Thermal

21 _ 1693 PVTC REMM TEC TÜBİTAK TTMD ÜÜ WPT Photo-Voltaic, Thermal and Cooling Rational Exergy Management Model Thermo-electric Cooling Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu Türk Tesisat Mühendisleri Derneği Üçlü Üretim Wind Power and Thermal KAYNAKLAR [1] ASHRAE, 2012-a. ASHRAE Handbook- HVAC Systems and Equipment, Chapter 7, Cogeneration Systems and Engine and Turbine Drives, Atlanta. [2] ASHRAE, 2012-b. ASHRAE Handbook-Systems and Equipment, Chapter 11: District Heating and Cooling, ASHRAE: Atlanta [3] ASTM Standard Guide for Specifying Thermal Performance of Geothermal Power Systems, Standard E [4] Bingöl, E., Kilkis, B. and Eralp, C Exergy Based Performance Analysis of High Efficiency Poly-Generation Systems for Sustainable Building Applications, Energy and Buildings, Vol. 43, Issue: 11, pp [5] Cakmanus, I, Kunar, A., Kilkis, B., Torak, G. A., Gülbeden, A., A Case Study in Ankara for Sustainable Office Buildings, CLIMA 2010 International Conference, Proceedings on CD, ISBN: , 9-14 May, Antalya, [6] CEN/CENELEC Workshop Agreement. Manual for Determination of Combined Heat and Power (CHP), CWA [7] EEA/ICF. Combined Heat and Power Installation Database, Energy and Environmental Analysis, Inc. (EEA)/ICF International, Washington DC. [8] EIA Commercial Buildings Energy Consumption Survey, Energy Information Administration. [9] ESC Gas, a Cool Solution to the High Cost of Cooling, Energy Solutions Center. [10] EU Directive 2004/8/EC, on the Promotion of Cogeneration Based on Useful Heat Demand in the Internal Energy Market and Amending Directive 92/42/EEC. EU Official Journal, L52/50, Vol. 47, pp [11] Kilkis, S a. Development of a Rational Exergy Management Model to Reduce CO 2 Emissions with Global Exergy Matches, Honors Thesis, Georgetown U., 107 pages. [12] Kilkis, S b, A Rational Exergy Management Model for Curbing CO 2 Emissions, ASHRAE Transactions, ASHRAE: Atlanta. [13] Kilkis, S A Rational Exergy Management Model for Sustainable Buildings to Reduce Compound CO 2 Emissions Proc/e 40th Congress on HVAC&R KGH, pp [14] Kilkis, S A new Rational Exergy Management Model Guided Metric for Evaluating Sustainable Cooling Strategies for Low-Exergy Green Buildings and Cities, CLIMA 2010 Conference Papers on CD, ISBN: , TTMD: Ankara, [15] Kilkis, B Environmental Economy of Low-Enthalpy Energy Resources in District Energy Systems, ASHRAE Transactions, Vol. 108, Part 2, pp [16] Kilkis, B Sustainable Building Simulation, Encyclopedia of Energy Engineering and Technology, pp , Taylor and Francis: New York. [17] Kilkis, B. and Kilkis, S Upgrading Directive 2004/8/EC with Rational Exergy Model, ASHRAE Transactions, ASHRAE: Atlanta. [18] Kılkış, B Birlikte Üretim Sistemlerinin Analizi ve Çevresel Yararları, TTMD Dergisi, Temel Bilgiler, Tasarım ve Uygulama Eki, No: 26, 15 sayfa, No: 48, Mart-Nisan 2007, TTMD: Ankara. [19] Kılkış, S., Kılkış, B Rational Exergy Management Guided Benefits of Cogeneration in High Performance Buildings, Proceedings, Vol. I, pp: , The 13th International Conference on Machine Design and Production, September, İstanbul. [20] Kılkış, B Solar Tri-Generation Module for Heating, Cooling, and Power, Conference Proceedings on CD, Solar Future 2010 Conference, February, İstanbul, [21] Kilkis, B Net-zero Energy Cities: A Hub for Decentralized Energy for Better Environment, Int. J. Energy Res. DOI: /er