TC YÜZÜNCÜ YIL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENTİTÜSÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

Transkript

1 TC YÜZÜNCÜ YIL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENTİTÜSÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ MAHAL ISITMA SİSTEMİNİN VAN İLİNDE SAĞLADIĞI ENERJİ TASARRUFUNUN İNCELENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ HAZIRLAYAN : M.Aykut IŞIK DANIŞMAN : Doç.Dr. Tamer UÇAR VAN-2007

2 TC YÜZÜNCÜ YIL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENTİTÜSÜ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ MAHAL ISITMA SİSTEMİNİN VAN İLİNDE SAĞLADIĞI ENERJİ TASARRUFUNUN İNCELENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ HAZIRLAYAN : M.Aykut IŞIK VAN-2007

3 KABUL ve ONAY SAYFASI Doç.Dr. Tamer UÇAR danışmanlığında, Mehmet Aykut IŞIK tarafından hazırlanan Güneş Enerjisi Destekli Mahal Isıtma Sisteminin Van İlinde Sağladığı Enerji Tasarrufunun İncelenmesi isimli bu çalışma. /. / 2007 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından Makine Mühendisliği Anabilim Dalı nda Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Başkan: Prof. Dr. Hasan YUMAK İmza: Üye : Prof. Dr. Sabir RÜSTEMLİ İmza: Üye : Doç. Dr. Tamer UÇAR İmza: Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu nun../../.gün ve..sayılı kararı ile onaylanmıştır. Doç. Dr. Aşkın KOR Enstitü Müdürü

4 ÖZET GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ MAHAL ISITMA SİSTEMİNİN VAN İLİNDE SAĞLADIĞI ENERJİ TASARRUFUNUN İNCELENMESİ IŞIK, Mehmet Aykut Yüksek Lisans Tezi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Doç.Dr. Tamer UÇAR Mayıs 2007, 67 sayfa Bu çalışmada güneş enerjisinden faydalanma yolları incelenerek, bir konutun kullanma sıcak su ihtiyacının karşılanması ve kış konumunda güneş enerjisinden elde edilen sıcak su ile kalorifer kazanından yıllık tabanda sağlanabilecek enerji tasarrufu araştırılmıştır. Çalışmada ele alınan konut için ısıtma tesisatı, standartlara ve ilgili yönetmeliklere bağlı kalınarak projelendirilmiştir. Konutun ısıl ihtiyacı tespit edilerek ısıtma tesisatına ait cihaz seçimleri yapılmıştır. Daha sonra mevcut sisteme güneş enerjili sıcak su hazırlama sisteminin adaptasyonu sağlanarak geleneksel ısıtma sistemiyle ekonomik olarak karşılaştırılması yapılmıştır. Sistem tasarımı için TS 2164 Kalorifer Tesisatı Projelendirme Kuralları, TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları kullanılmıştır. Isıtma tesisatının projeye aktarılmasında yaygın olarak kullanılan AutoCAD programından faydalanılmıştır. Tesisata ait boru tasarımı ve devri daim pompalarının seçiminde MTH programından yaralanılmıştır. Söz konusu konutta güneş enerji destekli ısıtma sisteminin kurulması ve klasik ısıtma sistemiyle sağlanan enerji tasarrufunun simülasyonunu yapmak amacıyla T*SOL Pro 4.4 programı kullanılmıştır. Program sayesinde seçilen yakıttan elde edilen tasarruf ve sistem verim sonuçları grafiksel olarak elde edilmiştir. Materyal ve yöntemler ışığında bina ısıl ihtiyacı ve buna karşılık seçilen ısıtma kazanı kcal/h kapasitesindedir. Sıcak su ihtiyacını karşılaması yönünden hesaplanan gerekli kollektör yüzey alanı 3.79 m² olmuştur. Güneş enerji destekli ısıtma sisteminin bu ihtiyaca ilave edilmesiyle gerekli kollektör yüzey alanı 4.81 m² ye yükselmiştir. Simülasyon programı verileri, incelenen konutun Van ilinde yıllık tabanda lt yakıt tasarrufu sağladığını göstermiştir. Bu sonuç, kurulan sistemin dokuz yıl içerisinde ilk kurulum maliyetini karşıladığını göstermesi açısından önemlidir. i

5 ii

6 ABSTRACT INVESTIGATION OF THE ENERGY ECONOMY OF A RESİDANCE HEATING SYSTEM COUPLED WITH SOLAR ENERGY SYSTEM IN VAN IŞIK, Mehmet Aykut Msc.Mechanical Engineering Supervisor: Assoc.Prof.Dr. Tamer UÇAR May 2007, 67 pages In this study, alternative ways of solar energy in a heating system was examined. For this research, first a house model was designed with solar energy system, than energy economy was calculated for this heating installation. Heating installation of this house was projected according to general rules and standarts. After establishing the thermal needs of the house, heating apparatus were selected. Finally, the solar energy system was included in the heating installation and was compared with the traditional heating system in the terms of energy savings. For desinging the system several standarts were used. Heating installation of the house was projected by AutoCAD. Pipe installation was projected by the program that name was MTH. Solar energy system that was used in this house was simulated by T*SOL Pro 4.4 software program. We could compared with the traditional heating system in the terms of energy savings by T*SOL Pro 4.4 program. Materials and process were gave us the thermal needs of the house about kcal/h. Solar energy for produce the hot water were calculated 3.79 m² collector surface area. Also, the solar energy system was included in the heating installation were calculated 4.81 m² collector surface area. Simulation program T*SOL Pro 4.4 was gave lt fuel-oil savings in a year. This reason was show the system was payed off itself in nine years. iii

7 iv

8 ÖN SÖZ Güneş Enerjisi Destekli Mahal Isıtma Sisteminin Van İlinde Sağladığı Enerji Tasarrufunun İncelenmesi isimli bu çalışmada incelenen villa tipi konutun, mekanik tesisat yönünden projelendirilmesi aşamasında birçok parametre ele alınmıştır. Bu parametrelerden bazıları için kabuller yapılmış, diğerleri için ilgili standart, yayın ve yönetmeliklerden faydalanılmıştır. Sistemin oluşturulmasından sonra, yapılan hesaplamalar sonucu elde edilen bulgular ortaya konarak bazı sonuçlara varılmıştır. Bu sonuçlardan çalışmayı direkt etkileyenler ekonomik veriler olmaktadır. Ekonomik verileri elde ederken piyasa da bu alanda çalışma yapan firmalara danışılmış ve bu yönde en doğru yönlendiren firma olarak ISISAN seçilmiştir. ISISAN firmasının bu alanda kullandığı lisanslı yazılımı ve simulasyonları sayesinde ekonomik değerlendirme yapmak mümkün olmuştur. Yine bu alanda çalışma yapan bir başka firma Viessman nın da örnek sistem şemaları ile katkı yaptığını belirtmekte yarar vardır. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğünün yaptığı güneş enerjisi çalışmaları da araştırma konusuna daha etkin bakmayı sağlamıştır. Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren danışman hocam Doç. Dr. Tamer UÇAR a, yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Y. Mak. Müh Selen IŞIK a, yardımlarından dolayı sevgili meslektaşlarım Mak. Müh. Levent YAMANTAŞ ve Olcay KAYA ile DPT Uzmanı Tarık ŞAHİN e, mimari projeye imza atan Mimar Mutlu ERENLER e ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan değerli aileme teşekkürü bir borç bilirim. v

9 vi

10 İÇİNDEKİLER sayfa ÖZET i ABSTRACT iii ÖN SÖZ v İÇİNDEKİLER vii ŞEKİLLER DİZİNİ ix ÇİZELGELER DİZİNİ xi EKLER DİZİNİ xiii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ xv 1. GİRİŞ Güneş Enerjisi Yardımıyla Konutlarda Sıcak Su Elde Edilmesi Güneş Enerjisi İle Konutların Isıtılması Tezin Amacı ve Kapsamı KAYNAK BİLDİRİŞLERİ MATERYAL ve YÖNTEM Materyal Yöntem Isı kaybına esas veriler Isı kaybı hesabı Sistem tasarımı Yakıt deposu ve brülör hesabı Kapalı genleşme deposu hesabı Baca hesabı Kullanma sıcak su ihtiyacının hesaplanması Güneş enerjisi hesapları Yapım kullanım maliyeti BULGULAR ve TARTIŞMA Isı Kayıplarına Ait Bulgular Isıtma Tesisatında Elde Edilen Bulgular Güneş Enerjisi Tesisatı Hesap Bulguları Güneş Enerji Tesisatının Ekonomik Analizi SONUÇ ve ÖNERİLER 46 KAYNAKLAR 48 vii

11 EKLER 50 ÖZ GEÇMİŞ 67 viii

12 ŞEKİLLER DİZİNİ sayfa Şekil 1.1. Türkiye de yeryüzüne düşen toplam ışınım. 3 Şekil 1.2. Türkiye nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi. 3 Şekil 1.3. Düzlemsel güneş kollektörü. 4 Şekil 1.4. Azimut açısı. 5 Şekil 1.5. Açık devreli, doğal dolaşımlı sistem. 6 Şekil 1.6. Kapalı devreli, doğal dolaşımlı sistem. 7 Şekil 1.7. Doğal dolaşımlı, açık devreli, şebeke basınçlı sistem. 8 Şekil 1.8. Pompalı açık devreli sistem. 9 Şekil 1.9. Pompalı kapalı devreli sistem. 9 Şekil Güneş enerjisi ile mahal ısıtması desteği. 11 Şekil Güneş kollektörleri ve ısı pompasından yararlanılarak sıcak hava ile ısıtma yapılması. 12 Şekil 3.1. Bir kazanda basınç kayıpları ve baca çekişinin şematik gösterimi. 31 Şekil 4.1. Güneş enerji destekli mahal ısıtma sistemi program çıktısı. 41 Şekil 4.2. Güneş enerjisi tüketim eğrisi program çıktısı. 42 Şekil 4.3. Kollektör sıcaklık eğrisi program çıktısı. 43 ix

13 x

14 ÇİZELGELER DİZİNİ sayfa Çizelge 1.1. Türkiye'nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı 2 Çizelge 1.2. Türkiye'nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli 2 Çizelge 3.1. Mahal iç sıcaklıkları 22 Çizelge 3.2. Yapı bileşenlerine ait ısı geçiş katsayıları 23 Çizelge 3.3. Birleştirilmiş artırım katsayısı 23 Çizelge 3.4. Yön artırım katsayısı 24 Çizelge 3.5. Kat yükseklik artırım katsayısı 24 Çizelge 3.6. Hava sızdırmazlık değeri 25 Çizelge 3.7. Bina durum katsayısı 26 Çizelge 3.8. Isı kaybı cetveli 27 Çizelge 3.9. Isı kaybı hesap çizelgesinin doldurulması için gerekli simgeler 27 Çizelge w katsayısı 30 Çizelge Çeşitli kullanım yerleri için ani sıcak su ihtiyaç değerleri 32 Çizelge 4.1. Mahal ısı kayıpları 36 Çizelge 4.2. Isıtma yükleri 37 Çizelge 4.3. Saatlik sıcak su ihtiyacı 39 Çizelge 4.4. Güneş enerji destekli mahal ısıtma Tsol Pro 4.4 program verileri 42 Çizelge 4.5. Geleneksel ısıtma sistemi ile güneş enerji destekli ısıtma sisteminin ekonomik karşılaştırması 44 xi

15 xii

16 EKLER DİZİNİ sayfa Ek 1. Mekanik tesisat projeleri 50 Ek 2. Dış sıcaklık değerleri 54 Ek 3. Isı kaybı cetvelleri 55 Ek 4. Radyatör cetveli 60 Ek 5. Baca hesabı 61 Ek 6. İl ve ilçelerimizin aylık ortalama güneşlenme süreleri 63 Ek 7. Yatay yüzeye gelen toplam güneş ışınımı ortalama değerleri 63 Ek 8. Güneş enerjisi toplayıcıları eğim açısına göre günlük ortalama güneş ışınımı dönüşüm katsayıları 64 Ek 9. Ortalama şehir şebeke suyu sıcaklık değerleri 64 Ek 10. Bazı farklı güneş enerjisi toplayıcıları için verim faktörleri 65 Ek 11. Bazı istasyonlar için ortalama çevre sıcaklığı 65 xiii

17 xiv

18 SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler A Gerekli toplayıcı alan A kol Bir toplayıcının alanı A y Yapı bileşeninin alanı a a,b B Br B c s p ÇP d D DD DK Dö E E f E g F G GB GD h H H m H u I t Hava sızdırma katsayısı Kollektör verimi düzeltme katsayısı Batı Brülör kapasitesi Yakıt tankı kapasitesi Suyun özgül ısısı Çift camlı pencere Yapı bileşeninin kalınlığı (cm) Doğu Dış duvar Dış kapı Döşeme Enerji gideri Fuel-oilli ısıtma sistemin enerji giderlerini Güneş enerjili ısıtma sisteminin enerji giderlerini Baca kesiti (cm²) Güney Güney Batı Güney Doğu Baca etkin yüksekliği Binanın durum katsayısı Devridaim pompa basma yüksekliği Yakıtın alt ısıl değeri β eğimli toplayıcı yüzeyine gelen günlük ortalama anlık toplam ışınım xv

19 xvi

20 I K KB KD KİR L LCC f LCC g LOS M m N s N O P P a P e s P A P E P sv P H P L P w P f P g Q s Yatay yüzeye gelen toplam ışınım Kuzey Kuzey Batı Kuzey Doğu Kiriş Pencere veya kapının açılan kısmının çevresi Fuel-oil ile çalışan sistemin yapım kullanım maliyeti Güneş enerjili sisteminin yapım kullanım maliyeti Yapım kullanım tasarrufları Kütle akış sayısı Tesisin günlük sıcak su tüketimi Entropi üretim sayısı Gerekli toplayıcı sayısı Bakım onarım gideri Satın alma ve montaj giderleri Sistem ilk basıncı Sistem son basıncı Bağlantı kanallarındaki basınç kaybı Bacadaki basınç kaybı Emniyet ventili basıncı Doğal Baca Çekişi Yakma havası emilmemesi için basınç kaybı Kazandaki basınç kaybı Fuel-oil ile çalışan sistemin ilk kurulum maliyetini Güneş enerjili ısıtma sisteminin ilk kurulum maliyetini Hava Sızıntısı Isı Kaybı Q gün Tesisin günlük enerji gereksinimi Q k Q o Kazan kapasitesi Artırımsız ısı kaybı Q z Artırımlı ısı kaybı xvii

21 xviii

22 R Oda durum katsayısı R kol Eğimli toplayıcı yüzey dönüşüm faktörü S Hurda değeri t ist İstenilen su sıcaklığı t şeb Şebeke suyu sıcaklığı t kor Toplayıcı ortalama sıcaklığı t or Ortalama günlük dış hava sıcaklığı T Ta U Güneşlenme süresi Tavan Yapı bileşeninin ısıl geçirgenlik direnci V V e V s w Y Z A Z e Z Z D g Devridaim pompa debisi Suyun genleşme miktarı Sıcak sulu kalorifer sistemindeki su hacmi Isıtma sisteminin tipine bağlı olarak alınan katsayı Yenileme gideri Soğuk dış yüzey ısı kaybı artırımı Hava sızıntısı katsayısı Birleştirilmiş artırım katsayısı Günlük çalışma süresi Z H Yön artırım katsayısı Z Depolama gün sayısı p Z U Kesintili ısıtma rejimi artırımı Z W Kat yüksekliği artırım katsayısı ζ Yakıt yoğunluğu ( kg/m³) η k Kazan verimi η kor Toplayıcı verimi γ t α i α d Toplayıcı azimut açısı İç ve dış sıcaklık farkı (ºC) İç yüzeyin yüzeysel ısı taşınım direnci Dış yüzeyin yüzeysel ısı taşınım direnci xix

23 xx

24 Λ λ h φ Yapı bileşenin ısı geçirgenlik direnci Isıl iletkenlik değeri Baca çapı Kısaltmalar CAD DMİ DIN EİE EPDK LCC MMO MTH PKKP PV TS Computer Aided Design Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü Deutsches Institut für Normung Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu Yapım Kullanım Maliyeti Makine Mühendisleri Odası Mekanik Tesisat Hesapları Panel Kanat Kanat Panel Tip Radyatör Fotovoltaik pil Türk Standartı xxi

25 1. GİRİŞ Dünyanın en büyük enerji kaynağı güneştir. Güneş enerjisi yeni ve yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Güneş enerjisini diğer enerji kaynaklarından ayıran en temel özellik, teknolojik gelişmelerle birlikte büyüyen bir sorun olan çevreyi kirletici artıklarının bulunmayışıdır. Güneş enerjisi çevre dostudur. Araştırmacıların güneş enerjisi üstüne çalışmalarının diğer sebepleri ise karmaşık bir teknoloji gerektirmemesi ve diğer enerji kaynaklarına yapılan fiyat artışlarından etkilenmemesidir. Güneş enerjisi ışınım yoluyla iletilmektedir. Işınımı elektromagnetik dalgalarla taşınan enerji şekli olarak açıklayabiliriz. Yapılan araştırmalar ve hesaplamalar sonucunda yeryüzündeki birim yatay düzleme gelen güneş ışınımı ortalama 400 ile 800 W/m² seviyesindedir (Kılıç, 1993b). Bu rakamı önemli hale getiren, gelen güneş ışınımının yıllık tabanda dünya enerji ihtiyacının yaklaşık 1500 katı olduğudur. Bu sonuçtan yola çıkılarak söylenebilecek en doğru söz, güneşin dünyamıza enerji veren sonsuz denilebilecek güce sahip tek enerji kaynağı olduğudur. Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak Elektrik İdaresi Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü (EİE) tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7.2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kwh/m²-yıl (günlük toplam 3.6 kwh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Güneş ışınım miktarı coğrafi konum ve mevsimsel dönüşümlere bağlı olarak farklılıklar göstermektedir. Coğrafi konum göz önüne alındığında Çizelge 1.1 den görüleceği üzere Akdeniz bölgesi ve Güneydoğu Anadolu bölgesinin diğer bölgelerden daha fazla ışınım şiddetine maruz kalmaktadır. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğünden (EİE) alınan değerler ışığında Mayıs ayı ile Eylül ayı arasındaki dönemde güneşlenme süresi ve güneş enerjisi değerlerinin diğer aylara nazaran daha fazla olduğu söylenebilir. Çizelge 1.2 de güneşlenme süresi göz önüne alındığında Temmuz ayının Aralık, Ocak aylarına nazaran 3.54 kat fazla olduğu görülmektedir. Bu sonuç güneş enerji sisteminden yaz aylarında daha fazla yararlanıldığını göstermektedir.

26 2 Çizelge 1.1. Türkiye'nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı (Anonim, 2007a) BÖLGE TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ ( kwh/m 2 -yıl ) GÜNEŞLENME SÜRESİ ( Saat/yıl ) GÜNEY DOĞU ANADOLU BÖLGESİ AKDENİZ BÖLGESİ DOĞU ANADOLU BÖLGESİ İÇ ANADOLU BÖLGESİ EGE BÖLGESİ MARMARA BÖLGESİ KARADENİZ BÖLGESİ Çizelge 1.2. Türkiye'nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli (Anonim, 2007a) AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞLENME SÜRESİ Kcal/cm 2 -ay kwh/m 2 -ay Saat/ay OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL EKİM KASIM ARALIK TOPLAM ORTALAMA 7.2 saat/gün Ülkemiz geneli ele alındığında Nisan ayı ile Eylül ayları arasında geçen dönemde gerek direkt ışınım, gerekse difüz ışınım değerlerinin ortalamanın üzerinde olduğu Şekil 1.1 den görülmektedir. Güneşlenme süresinin en yüksek olduğu ay ise Şekil 1.2 den anlaşılacağı gibi Temmuz ayıdır. Ancak güneş enerji destekli ısıtma sistemini tasarlarken genelde yıllık tabanda ortalama güneşlenme süreleri göz önüne alınır.

27 3 Şekil 1.1. Türkiye de yeryüzüne düşen toplam ışınım (Anonim, 2003). Şekil 1.2. Türkiye nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Güneşlenme Süresi (Uzunoğlu ve ark., 2001) Güneş Enerjisi Yardımıyla Konutlarda Sıcak Su Elde Edilmesi Teknolojik gelişmelerle paralel olarak günümüzde hemen her alanda güneş enerjisi uygulamalarını görmekteyiz. Güneş ışınımından ya elektrik enerjisine ya da ısıl enerjiye dönüştürülerek yararlanılmaktadır. Binaların ısıtılması, soğutulması, elektrik üretimi, bitkilerin kurutulması güneş enerjisinin yaygın olarak kullanıldığı alanlardır. Güneş enerji sistemlerinin en yaygın uygulama alanı kullanım suyu ısıtmasıdır. Yıllık tabanda konutun sıcak su ihtiyacının önemli bir bölümü güneş enerjisi vasıtasıyla karşılanabilir.

28 4 Bu amaçla kurulan sistemlerin en önemli parçası güneş kollektörleridir. Güneş enerjisinin kullanılabilmesi için öncelikle toplanması gerekir. Bu toplama işlemi ısıl ve elektriksel olmak üzere iki farklı yöntemle yapılmaktadır. Basitlik ve ucuzluk gibi nedenlerle ısıl toplama yöntemi daha çok tercih olunur (Uzunoğlu ve ark., 2001). Düzlemsel güneş kollektörleri güneş enerjisini toplayan ve bir akışkana ısı olarak aktaran çeşitli tür ve biçimlerdeki aygıtlardır. En çok evlerde sıcak su ısıtma amacıyla kullanılmaktadır. Ulaştıkları sıcaklık 70 C civarındadır. Düzlemsel güneş kollektörleri Şekil 1.3 te gösterildiği gibi üstten alta doğru, camdan yapılan üst örtü, cam ile absorban plaka arasında yeterince boşluk, metal veya plastik absorban plaka, arka ve yan yalıtım ve bu bölümleri içine alan bir kasadan oluşmuştur. Absorban plakanın yüzeyi genellikte koyu renkte olup bazen seçiciliği artıran bir madde ile kaplanır. Kollektörler, yörenin enlemine bağlı olarak güneşi maksimum alacak şekilde, sabit bir açıyla yerleştirilirler. Şekil 1.3. Düzlemsel güneş kollektörü (Anonim, 2007a). Kollektörlerin yerleşiminde ölçü olarak eğim açısı ve azimut açısı kullanılmaktadır. Eğim açısı kollektör ile yatay düzlem arasındaki açıdır. Eğimli çatılara montajda bu açı, çatı eğimi tarafından belirlenir. 30 ile 45 arası eğim açılarının ideal oldukları pratikten bilinmektedir. Azimut açısı ise; kollektör düzleminin güney yönünden olan sapmasını gösterir. Şekil 1.4 azimut açısının gösterimini ifade etmektedir. Güneye doğrultulmuş bir kollektörün azimut açısı 0 dır. Pratikte güneyden 45 ye kadar olan sapmalar kabul edilebilir.

29 5 Şekil 1.4. Azimut açısı (Anonim, 2007b). Güneş enerjisi yardımıyla konutlarda sıcak su elde edilmesi ve konutların ısıtılması amacıyla geliştirilen sistemler ve bu sistemlerin uygulamaları hususunda birçok farklı görüş bulunmaktadır. Araştırmalar güneş enerji sistemlerinin işletmeye yönelik problemlerinin aşılması durumunda kendini amorti etme sürelerinin kısalacağını işaret eder. Güneş enerjili sıcak su sistemlerinin en önemli işletme problemleri donma, korozyon, kireçlenme ve aşırı ısınmadır. Sistemin kurulduğu bölgenin özelliklerine ve seçilen sisteme göre farklı tedbirler alınabilir. Yapılan araştırmalar ışığında konutlarda sıcak su temini için harcanan enerji, konut için gerekli tüm enerjinin %12 si civarındadır (Ataş, 2001). Konut için elde edilen enerjinin büyük bir kısmı konutun ısıtılması amacıyla harcanır. Bu enerjiyi temin ederken farklı kaynaklardan istifade edilmektedir. Günümüz teknolojisinde bu kaynakların büyük bir kısmını fosil kökenli yakıtlar oluşturmaktadır. Hacim ısıtılmasında sıcak su üretici olarak merkezi sistemde, boyler, plakalı ısı değiştiricisi kullanımı göze çarpar. Müstakil ısıtma sistemine sahip konutlarda ise bağımsız su ısıtıcıları tercih edilmektedir. İşte bu noktada güneş enerjisinin önemi ortaya çıkar. Gerek müstakil gerekse merkezi ısıtmada sıcak su temininin en temiz yolu güneş enerji sistemidir. İşletme giderleri ihmal edildiğinde ilk kurulum maliyeti yönünden güneş enerji sistemi boyler, plakalı ısı değiştirici veya elektrikli termosifon gibi diğer sıcak su sağlayıcı sistemlerle yakın maliyettedir. Güneş enerji sisteminin avantajı güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştürmesidir. Çünkü bu dönüşümde kullanılan yakıt güneştir.

30 6 Güneş enerjili sıcak su sistemlerinin seçimi, sistem verimliliği ve işletmesi açısından önemlidir. Bir sistem seçilirken, meteorolojik koşullara, suyun özelliklerine, binanın konumuna ve yapının kullanım şekline uygun şekilde seçilmelidir (Kılıç, 1993a). Güneş enerji sistemleri çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir. En genel anlamda kapalı devreli ve açık devreli sistemler diye gruplandırmak mümkündür. Sistemde dolaşan akışkana göre böyle bir gruplama yapılır. Isıl depolama sistemlerinde kollektörde ısı taşıyıcı akışkan dolaştırılır. Bu akışkan su, antifrizli su, donmayan sıvı veya hava olabilir. Isı taşıyıcı akışkan çoğunlukla depolanırken, direkt kullanıldığı durumlarda söz konusudur. Buna göre sistem açık ya da kapalı sistem olarak adlandırılabilir. Şekil 1.5 te gösterilen açık devreli sistemde dolaştırılan akışkan dolaysız yoldan sıcak su ihtiyacına yönelik kullanılmaktadır. Kapalı devreli sistemde ise Şekil 1.6 teki gibi dolaştırılan akışkan ile bir depodaki su ısıtılmaktadır. Açık devreli sistemlerde, kollektörlerde genellikle su dolaştırılır kapalı sistemlerde ise su, antifrizli su veya düşük donma sıcaklığına sahip bir sıvı dolaştırılır (Kılıç, 1993a). Şekil 1.5. Açık devreli, doğal dolaşımlı sistem (Kılıç, 1993a).

31 7 Şekil 1.6. Kapalı devreli, doğal dolaşımlı sistem (Kılıç, 1993a). Güneş enerjili sıcak su sistemleri, toplayıcıda dolaştırılan akışkan hareketine göre; hareket dışarıdan veriliyorsa zorlanmış dolaşımlı (sirkülasyonlu) veya pompalı, hareket kendiliğinden (yoğunluk farkı sebebiyle) meydana geliyorsa doğal dolaşımlı (sirkülasyonlu) veya pompasız sistemler olarak isimlendirilir. Pompalı veya pompasız sistemlerin her ikisi de açık devreli veya kapalı devreli yapılabilir. Doğal dolaşımlı sistem (pompasız sistem) en yaygın kullanılan güneş enerjili sıcak su sistemidir. Bu sistem Şekil 1.7 da gösterildiği üzere kollektör ve yalıtımlı bir depodan ibarettir. Çalışma prensibi kollektörde ısınan suyun genleşerek deponun üst kısmından depoya akması ve deponun altındaki soğuk su ile yer değiştirmesidir. Kollektör sıcaklığı depo sıcaklığından büyük olduğu sürece dolaşım devam eder. Bu sistemde bir diğer önemli nokta da kollektör üst noktası ile depo alt noktası arasındaki kot farkıdır. Genel olarak dolaşım olabilmesi için deponun kollektörden daha yüksekte olması gerekir. Dolaşım olabilmesi için tarif edilen kot farkının en az 40 cm. olması gereklidir. Ayrıca sürtünme kayıplarını asgariye indirmek için vana, dirsek gibi branşmanların sayısı önem teşkil eder. Sürtünme ve yerel kayıpları önlemek amacıyla kollektör ile depo arasındaki boruların çapı 1 den büyük seçilir. Doğal dolaşımlı sistemlerde pompa kullanılmadığından kontrol elemanlarına ve elektrik enerjisine ihtiyaç yoktur, dolayısıyla da işletme masrafları çok az ve bakımı çok kolaydır. Elektriğin kesilme problemi, pompanın veya otomatik kontrol elemanlarının sık arızalandıkları göz önüne alınırsa, doğal dolaşımlı sistemlerin daha güvenilir olduğu düşünülebilir. Ayrıca, pompalı sistemlere göre, pompa, genleşme tankı, sezici, diferansiyel termostat gibi elemanlar olmadığından daha ucuzdur.

32 8 Boru çapları büyük olması gerektiğinden pompalı sisteme göre boruların maliyeti daha fazladır. Depo ile toplayıcılar arasındaki mesafe uzun olursa sürtünme kayıpları sebebiyle dolaşım azalacağından bir depoya çok sayıda toplayıcının bağlanması mümkün değildir. Ayrıca, depoların atmosfere açık olmaları, toplayıcıların üst kısmında görülen depoların çevre güzelliğini bozması doğal dolaşımlı sistemlerin dezavantajlarındandır. Şekil 1.7. Doğal dolaşımlı-açık devreli şebeke basınçlı sistem (Kılıç, 1993a). Zorlanmış dolaşımlı (pompalı sistem) bir sıcak su sisteminde, Şekil 1.8 deki gibi genel olarak pompa, termostat, sıcak su deposu, genişleme tankı ve geri tepme ventili bulunur. Doğal dolaşımlı sistemlerde olduğu gibi açık devreli veya kapalı devreli yapılabilir. Pompalı sistemlerde otomatik kontrol elemanları şarttır. Daha ziyade büyük sistemlerde tercih edilir. Özellikle sıcak su deposunun toplayıcıdan uzak, kapalı bir yere konulabilmesi ve çok sayıda toplayıcı için bir deponun kullanılabilmesi pompalı sistemlerin en büyük avantajlarıdır(kılıç, 1993a). Pompalı açık devreli sistemde diferansiyel termostat ile toplayıcı yüzey sıcaklığı ile depo suyu sıcaklığı arasındaki fark yaklaşık 10 ºC olduğu zaman pompa çalışır ve 2 ºC ye düştüğü zaman pompa durur. Açık devreli olduğundan donma ve kireçlenme problemleri mevcuttur.

33 9 Şekil 1.8. Pompalı açık devreli sistem (Kılıç, 1993a). Pompalı- kapalı devreli sistemlerde ısı değiştiricisi toplayıcı devresine veya tesisat devresine konulabilir. Şekil 1.9 da böyle bir sistem gösterilmektedir. Toplayıcı devresinde su, etilen-glikol veya propilenglikol gibi sıvılar kullanılabilir. Genişleme tankına ve otomatik kontrol elemanlarına ihtiyaç olan bu sistemde, kapalı devredeki eksilen sıvı yerine yenisini doldurmak gerekir (Kılıç, 1993a). Şekil 1.9. Pompalı kapalı devreli sistem (Kılıç, 1993a).

34 Güneş Enerjisi İle Konutların Isıtılması Konutların güneş enerjisi kullanılarak ısıtılmasında iki çeşit uygulama yaklaşımı vardır. Bunlar pasif ve aktif ısıtmadır. Pasif ısıtmadan kasıt, güneşle ilgili mimari bir kavramdır. Binalar için gerekli güneş enerjisi kullanımının yöntemini pasif ısıtma açıklamaktadır. Pasif ısıtmada, konutun enerji giderleri yalıtım, pencere yerleşimi ve tasarımla azaltılır (Güngör, 1993). Bu amaçla, pencereler mümkün olduğu kadar güneş güneyine yönlendirilmelidir. Kışın maksimum güneş kazancı sağlamak amacıyla binanın uzun aksı güneş güneyine dönük olacak şekilde yerleştirilmelidir. Ayrıca bina, kışın ısıtma ihtiyacını azaltmak amacıyla düşük ısıtma ve aydınlatma gerektirecek şekilde tasarlanmalı, güneş ışınlarını soğurmak için termal kütleler kullanılmalıdır (Çakmanus ve ark., 2001). Aktif sistemde güneş enerjisi toplayıcıları depolama birimleri, enerji transfer mekanizmaları ve enerji dağıtım sistemleri (pompa, fan) kullanılır. Bu tip bir sistemde genelde bir veya daha çok çalışma akışkanı, toplanan güneş enerjisinin transfer, depolama veya dağıtımında kullanılır. Çalışma akışkanları fan ve/veya pompaların yardımıyla dolaştırılır (Güngör, 1993). Bu tip bir uygulamada güneş enerji sistemi yalnızca; ısıtma sistemi dönüş suyu sıcaklığı, güneş enerjisi sıcaklığından daha düşük olduğu zaman ısı verir. Bu sebeple, düşük işletme sıcaklıklarına göre tasarlanmış, geniş ısıtma yüzeyli radyatör tesisatlarında kullanımı idealdir. Güneş enerjisi sistemleriyle, kullanım suyu ısıtması ve ısıtma desteği için gerekli olan toplam yıllık ısı ihtiyacının %30 u karşılanabilmektedir (Anonim, 2003). Güneş enerjisi sistemleri ile mahal ısıtması desteğini sağlanabilmek amacıyla kombi boyler veya ısı pompası kullanılabilmektedir. Şekil da kombi boyler kullanılarak yapılmış bir tesisat örneği görülmektedir. Burada, kombi boyler içerisinden geçen tesisat suyunun güneş kollektörleri ile ön ısıtması gerçekleşir. Ön ısıtmadan sonra tesisat suyu kazana gönderilir. Güneş enerji destekli ısıtma sisteminde senaryo şu şekilde cereyan etmektedir. Güneş enerji sistemi öncelikli olarak kombi boyleri üzerinden su hacmini ısıtmaktadır. Boyler yapısı itibariyle öncelikle kullanma suyu olmakla beraber aynı zamanda ısıtma desteği sağlamak amacıyla da sıcak su hazırlamaktadır. Soğuk su şebeke suyu kombi boylere bağlanmıştır. Isıtma sisteminde tesisat dönüş suyu sıcaklığına göre dönüş suyunun kombi boyler üzerinden veya doğrudan kazana gidişi kumanda modülünün üç yollu vanaya verdiği komut ile yapılır. Tesisat dönüş suyu sıcaklığının kombi boyler suyu sıcaklığının üzerinde olması durumunda

35 11 üç yollu vana üzerinden doğrudan kazana dönüş yapılırken, kombi boyler suyu sıcaklığının yüksek olması durumunda tesisat suyu boyler üzerinden kazana döner (Anonim,2003). Şekil Güneş enerjisi ile mahal ısıtması desteği (Anonim, 2007b). Isı pompası ve güneş kollektörlü bir sistem de ise mahal ısıtması ısı pompası tarafından yapılmakta ve güneş kollektörleri ile desteklenmektedir. Kullanma suyu ısıtması da yine yaz aylarında kollektörler ile, kış aylarında ve geçiş dönemlerinde ise ısı pompası ile yapılmaktadır. Şekil 1.11 bu tarz bir sisteme örnek teşkil etmektedir.

36 12 Şekil Güneş kollektörleri ve ısı pompasından yararlanılarak sıcak hava ile ısıtma Yapılması (Dağsöz, 1993) Tezin Amacı ve Kapsamı Bu çalışmada mimari olarak tasarımı yapılmış bir konutun Van ilinde güneş enerjisinden yararlanarak ısıtılması ve sıcak su elde edilmesi hususu ayrıntılı bir biçimde incelenmiştir. Konutun ısıl ihtiyaçları için ısı kayıplarına esas veriler toplanmış, ısıl ihtiyaç ilgili standartlar doğrultusunda hesaplanmıştır. Isıl ihtiyaçların ortaya çıkmasıyla ısıtma tesisatı projelendirilip, söz konusu konut için güneş enerjisinden faydalanılarak sıcak su temin edilmesi ile konutun ısıtılmasında hangi tip sistemin kullanılması gerektiği tespit edilmiştir. Buna göre oluşturulacak sistemin işleyişi ve sağladığı ekonomi, karşılaştırmalı fayda maliyet analizi çerçevesinde değerlendirilmiştir. Yapılan çalışmada asıl amaç yenilenebilir enerji kaynaklarının etkin kullanılması ve bu yolla sağlanan enerji tasarrufunun ne boyutta olduğunun tespitidir. Güneş enerjisinin desteklediği ısıtma sistemi ile geleneksel tarzda kurulan ısıtma sisteminin ekonomik karşılaştırılması yapılmış ve yorumlanmıştır.