MERKEZĠ ISITMA SĠSTEMLERĠNĠN TERMODĠNAMĠK ANALĠZĠ VE YANMA HAVASI SICAKLIK DEĞĠġĠMLERĠNĠN EKSERJĠ VERĠMLĠLĠĞĠNE ETKĠSĠNĠN ĠNCELENMESĠ

Transkript

1 TESKON 2015 / TERMODĠNAMĠK SEMPOZYUMU Bu bir MMO yayınıdır MMO bu yayındaki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan, teknik bilgi ve basım hatalarından sorumlu değildir. MERKEZĠ ISITMA SĠSTEMLERĠNĠN TERMODĠNAMĠK ANALĠZĠ VE YANMA HAVASI SICAKLIK DEĞĠġĠMLERĠNĠN EKSERJĠ VERĠMLĠLĠĞĠNE ETKĠSĠNĠN ĠNCELENMESĠ ZAFER UTLU SERDAR TEKĠN ĠSTANBUL AYDIN ÜNĠVERSĠTESĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLERĠ ODASI BĠLDĠRĠ

2

3 1921 MERKEZĠ ISITMA SĠSTEMLERĠNĠN TERMODĠNAMĠK ANALĠZĠ VE YANMA HAVASI SICAKLIK DEĞĠġĠMLERĠNĠN EKSERJĠ VERĠMLĠLĠĞĠNE ETKĠSĠNĠN ĠNCELENMESĠ Zafer UTLU Serdar TEKĠN ÖZET Merkezi ısıtma sistemlerinin termodinamik analizi ve yanma havası sıcaklık değiģimlerinin eerji verimliliğine etkisinin incelenmesi isimli bu çalıģmada temel amacı enerji ve eerji verimi yüek ısıtma sistemleri kurulması ve yakıt tüketiminin minimum düzeylere indirilmesidir. ÇalıĢma içeriğinde; termodinamiğin 1. ve 2. kanunları ile enerji, eerji ve entropi kavramlarına dayanılarak, Isıtma kazanı, klima santrali, fancoil ve eģanjör gibi merkezi ısıtma bileģenlerinin enerji ve eerji hesaplamaları yapılmıģtır. Merkezi ısıtma sistemi bileģenleri incelenerek enerji ve eerji analizleri yapılmıģ ve her birinin enerji ve eerji verimleri hesaplanmıģtır. Yanma havası miktarının eerji verimliliği ve yakıt tüketimine olan etkileri incelenmiģ ve bu etkiler sayısal verilerle ifade edilmiģtir. Sistem üzerinde teorik iyileģtirmeler tanımlanmıģtır. Anahtar Kelimeler: enerji verimliliği, enerji analizi, eerji analizi, merkezi ısıtma sistemleri, yanma havası, yakıt tüketiminin azaltılması, ABSTRACT The main aim of this study, called Thermodynamic analyse of central heating systems and examination of various parameters effect on exergy and fuel conmption. Fiirst and second rules of thermodynamic, as well as energy, exergy entropy terms are described in the content of the thesis. Detail informations about energy and exergy calculations pof central heating components, like heating boiler, air conditioning plant, fancoil and heat exchanger are presented. Energy and exergy units analysed by examinating the components of central heating systems and each energy, exergy efficiency calculated. The effects of exterior temperature, amount of combustion air, combustion air temperature, hot water flowrate and return water temperature difference on exergy efficiency and fuel conmption analysed and these effects expressed by digital data. System enhanced theoretically. Keywords; energy efficiency, energy analyses, exergy analyses, central heating systems, reduction of fuel conmption 1. GĠRĠġ Dünyada ve ülkemizde enerji tüketiminin yaklaģık %35 i binalarda kullanılmaktadır. Binalarda kullanılan enerjinin ise yaklaģık %80 i ısıtma, soğutma, iklimlendirme ve sıcak temini için harcanmaktadır.

4 1922 Avrupa da konutlardaki ortalama enerji tüketimi 100 kwh/m 2 dir. Türkiye de ise konutlarda ortalama enerji tüketimi 200 kwh/m 2 düzeylerindedir. Pasif ev bina tasarım kriterlerinde ise ortalama enerji tüketimi 15 kwh/m 2 nin altında tüketilmektedir [1]. Değerler incelendiği zaman ülkemizdeki konutlarda enerji tüketimi, Avrupa daki konutların tükettiği enerji miktarının iki katına ulaģtığı görülmektedir. Bu kısa ve çarpıcı bilgi bile konutlardaki enerji tüketim durumumuzu ve bu konularda yapılacak çalıģmalarda büyük bir enerji tasarruf potansiyeline sahip olduğumuzu göstermektedir. Bu durumda bile, ülkemizdeki binalarda kurulan HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) sistemlerinde yeterli analizler yapılmamaktadır. HVAC sistemlerini kurarken proje aģamasından baģlayıp, inģa ve iģletme sürecini de göz önüne alan ömür boyu maliyet, enerji ve eerji analizleri yapılarak minimum enerji tüketimli sistemlerin kurulmasının önü açılmalıdır. Ayrıca, enerji, eerji, termoekonomik ve egzergoekonomik analizler yapılarak kurulan, optimum yüek enerji verimli HVAC sistemlerinin, ülkemizdeki binalarda enerji kullanımını %30-40 oranında azaltabileceği öngörülmektedir. Bu tasarruf potansiyeli, enerji ithalatında %72 dıģa bağımlı olan ülkemizde, bu konuda daha çok ve fazla sayıda çalıģma ve analizler yapılması gerekliliğini ortaya koymaktadır[2]. Merkezi Isıtma Sistemlerinin Termodinamik Analizi ve ÇeĢitli Parametrelerin Eerji ve Yakıt Tüketimine Etkisinin Ġncelenmesi isimli çalıģmada; Isıtma kazanı, klima santrali, fancoil ve eģanjör gibi merkezi ısıtma bileģenlerinin enerji ve eerji hesaplamalarıyla ilgili detaylı bilgiler nulmuģtur. Merkezi ısıtma sistemi bileģenleri incelenerek enerji ve eerji analizleri yapılmıģ ve her birinin enerji ve eerji verimleri hesaplanmıģtır. 2. SĠSTEMĠN TANITILMASI Model bina, Ġstanbul Bakırköyde mevcut bir kamu binasıdır. Bina 4 katlı olup m 2 kapalı alana sahiptir. Binanın toplam ısı yükü 1750 kw dır. Isıtma sistemi merkezi sistem doğalgazla çalıģan 2 adet ısıtma kazanı ile yapılmaktadır. Isı dağıtıcı olarak 8 adet klima santrali ve 160 adet fancoil ünitesi bulunmaktadır.yaz soğutması hava soğutmalı chıller ünitesi ile yapılmaktadır. Fancoil hattı 2 borulu, klima santrali hatları ise 4 borulu sistem olarak tasarlanmıģtır. ġekil 1. Isı merkezi kat planı

5 1923 K1: Isıtma Kazanı kcal/h ; K2: Isıtma Kazanı kcal/h ; Br1: Brülör kw Br2: Brülör kw ; P1: Klima santrali soğutma pompası; P2: Fancoil soğutma pompası P3: Chıller soğutma pompası: P4: Kazan pompası; P5: Boyler pompası; P6: Klima santrali ısıtma pompası; P7: Fancoil ısıtma pompası; P8: Sıcak sirkülasyon pompası; KGD1, KGD2: Kapalı genleģme depo ; KGD3, KGD4: Kapalı genleģme depo,bt1: Büzülme tankı; BT2: Büzülme tankı; At: Akümülasyon tankı; PHE: Plakalı eģanjör, P9: Plakalı eģanjör sirkülasyon pompası 3. SĠSTEM ANALĠZĠ 3.1. Enerji Tüketimi Model bina için Ġstanbul ili 2013 yılı Aralık-Ocak-ġubat aylarına ait olan 3 aylık dönemde kullanılan toplam enerji miktarı kwh ve ödenen toplam enerji tüketim bedeli TL dir. Model binanın 3 aylık enerji kullanımı m 2 baģına 48,7 kwh/m 2 değerindedir. 3 aylık enerji ölçümlerini dikkate alırsak yıllık tüketim 194,8 kwh/m 2 değerinde olmaktadır. Isıtma için kullanılan toplam enerji miktarı kwh ve ödenen bedel TL (Doğalgaz birim fiyatı 0,10145 TL/kWh. ĠGDAġ tarihi itibariyle doğalgaz perakende satıģ tarifesi KDV dahil birim fiyatıdır.) ve aynı dönem için elektrik enerjisi toplam tüketimi kwh ve ödenen bedel TL dir.(elektrik birim fiyatı TL/kWh. Ġstanbul BEDAġ tarihi itibariyle elektrik perakende satıģ tarifesi KDV dahil birim fiyatıdır.)[3]. 3 ay içerisinde tüketilen enerjinin %84 ü ısınma amaçlı doğalgaz tüketimi,kalan %16 lık kısmı ise elektrik enerjisi tüketimi Ģeklinde gerçekleģmiģtir. ġekil 2 de model binanın Enerji Tüketimi (kwh) gösterilmiģtir. ENERJĠ TÜKETĠMĠ (kwh) 16% ELEKTRİK , ,0 84% DOĞALGA Z ġekil 2. Enerji Tüketimi (kwh) Enerjiye ödenen bedel gözönüne alındığında yaklaģık olarak %61 doğalgaz ve %39 ise elektrik tüketimi Ģeklinde gerçekleģmiģtir. ġekil 3 de model binanın Enerji Tüketimi (TL) gösterilmiģtir.

6 ENERJĠ TÜKETĠMĠ (TL) 39% ELEKTRİK 61% DOĞALGAZ ġekil 3. Enerji Tüketimi (TL) 3.2. Sistem BileĢenleri Bir sıcak sistemi genel olarak sıcak kazanı, taģıyıcı borular, ısıtıcı elemanlar, sirkülasyon pompası, genleģme kabı, otomatik kontrol cihazları ve çeģitli donatım ve ara parçalarından oluģur. Isıtıcı akıģkan olarak sıcaklığı 110 C değerinin altında bulunan sıcak kullanılır. Sıcak kazanında üretilen sıcak borularla ısıtılacak hacimlere yerleģtirilmiģ radyatör, fancoil, klima santrali ve sıcak hava apareyi gibi ısıtıcı elemanlara taģınır. Burada soğuyarak ısısını oda hacmine bırakan sıcak, kazana geri döner. Suyun dolaģımı eski sistemlerde doğal olarak (gravite ile), yeni sistemlerde ise daha ekonomik ve konforlu olduğu için sirkülasyon pompaları ile sağlanır. Sistemde mevcut yun ısınması sırasında artan hacim, genleģme kabı adı verilen bir depoda toplanır. Modern sistemlerde ise dıģ hava sıcaklığına göre çalıģan elektronik panelli sistemler kullanılır. Su sıcaklığı 90/70 C yerine 70/55 C seçilerek, düģük sıcaklık ısıtması konforu sağlanabilir Model Bina Ekipman Listesi Model binanın ısıtma, soğutma ve havalandırma sistemleriyle ilgili cihaz ve ekipmanlar Tablo 1 de miktarları ve teknik özellikleriyle birlikte listelenmiģtir. Tablo 1. Model bina ekipman listesi Ekipman Miktar (adet) Teknik özellikler Isıtma Kazanı kcal/h, Konstrüiyon basıncı 3 bar Isıtma Kazanı kcal/h, Konstrüiyon basıncı 3 bar Isıtma GenleĢme Tankı LT Kazan Bacası 2 Ø450 Paslanmaz Çelik Brülör kw Brülör kw Isıtma Boyleri LT Isıtma EĢanjörü kcal/h,plakalı EĢanjör,Test Basıncı 8 bar Klima Santrali hattı ısıtma pompası 2 12,7 m 3 /h - Motor 2,2 kw d/d - 11 mss Fancoil hattı ısıtma pompası 2 10 m 3 /h - Motor 0,75 kw d/d - 9 mss Boyler ısıtma pompası 2 5 m 3 /h - Motor 0,37 kw d/d - 7 mss Radyatör ısıtma pompası 1 3,9 m 3 /h-motor 2,2 Kw-1450 d/d-7mss Kazan Sirkülasyon Pompası 1 33,4 m 3 /h - Mot1,1 kw d/d - 5 mss EĢanjör Sirkülasyon Pompası 1 2,3 m 3 /h-motor 0,4 kw-1450 d/d-5mss Klima Santrali 1 % m 3 /h - IK123kW -SK65kW - Motor 11kW Klima Santrali 1 % m 3 /h - IK184kW -SK122kW - Motor 11kW

7 1925 Klima Santrali 1 % m 3 /h - IK66kW -SK40kW - Motor 3kW Klima Santrali 1 % m 3 /h - IK138kW -SK95kW - Motor 7,5kW Klima Santrali 2 % m 3 /h - IK74kW -SK50kW - Motor 4kW Klima Santrali 1 % m 3 /h - IK30kW -SK30kW - Motor 2,2kW Klima Santrali 1 % m 3 /h - IK39kW -SK30kW - Motor 2,2kW Vantilatör m 3 /h - Motor 2,2kW Aspiratör m 3 /h - Motor 5,5kW Aspiratör m 3 /h - Motor 1,5kW Aspiratör m 3 /h - Motor 5,5kW Aspiratör m 3 /h - Mot1,5kW Aspiratör m 3 /h - Mot1,5kW Aspiratör m 3 /h - Motor 3kW Fancoil 40 Isıtma kapasitesi 1,9 kw Fancoil 50 Isıtma kapasitesi 2,6 kw Fancoil 70 Isıtma kapasitesi 3,2 kw 4. SĠSTEMĠN BĠLEġENLERĠNĠN TERMODĠNAMĠK ANALĠZĠ 4.1. Fancoil Enerji ve Eerji Analizi Fancoil, devresinden elde ettiği ısı kazancını, hava yolu ile mahalin ısıtılıp soğutulmasında kullanmaktadır. Fancoil enerji ve eerji analizi ile verimlerinin hesaplanması aģağıdaki formüllerle açıklanmaktadır. (T O = 0 C ve C ÇalıĢma aralığında) Isıtma Kapasitesi=1,9 kw, h 80= 334,91 kj/kg; s 80 =1,0753 kj/kgk; h 70= 292,98 kj/kg;s 70 =0,9549 kj/kgk [4]. T 0 =0 C T Ġ =20 C T r =25 C Fancoil Enerji Analizi Fancoil Kütle Dengesi m m [1] giriş çıkış Fancoil Enerji Dengesi Giren Enerji = Çıkan Enerji (Üretilen(Faydalı) Enerji + Kayıp Enerji ) Ė Ė Q Ė [2] fcu.. giriş fcu.. çıkış fcu fcu Ė Ė Q Ė [3] fcu.. giriş fcu.. çıkış fcu fcu Ė Q Ė [4] fcu. fcu fcu Fancoil Su Devresinden Elde Edilen Enerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖ fcu. ) Ė m c T T [5] fcu. fcu. fcu.. giriş fcu.. çıkış ΔĖ fcu. =0, ,8 (80-70)=1570 W

8 1926 Fancoil Ġçerisinde Meydana Gelen Enerji Kaybının Hesaplanması (Ė fcu ) Ė Q Ė [6] fcu. fcu fcu Ė Ė Q [7] fcu fcu. fcu Ė fcu = =140 W Fancoil Enerji Veriminin Hesaplanması (η enerji ) Q fcu enerji Ė fcu enerji 0, [8] Fancoil Eerji Analizi Fancoil Eerji Dengesi Ėx Ėx Ėx Ėx [9] fcu.. giriş fcu.. çıkış fcu yıkım Ėx Ėx Ėx [10] fcu. fcu yıkım fcu. H fcu. fcu.. giriş fcu.. çıkış Ė m c T T [11] 1570 m fcu. 0,0375 kg / s 4186,8 (80 70) Fancoil Su Devresinden Elde Edilen Eerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖx fcu. ) Ėx h h T s s fcu. m fcu.. giriş. çıkış o. giriş. çıkış [12] ΔĖx fcu. =0,0375 [(334,91-292,98)-273 (1,0753-0,9549)] = 339,77 W Fancoilden Mahale Verilen Eerji Miktarının Hesaplanması (Ėx fcu ) T Ėx fcu H 1 T r Ėx fcu = 1570 (1-273/298)=131,71 W 0 [13] Fancoil Eerji Yıkımının Hesaplanması (Ėx yıkım ) Ėx Ėx Ėx [14] yıkım fcu. fcu Ėx yıkım =339,77-131,71=208,06 W Fancoil Eerji Veriminin Hesaplanması (η eerji ) Ėx fcu eerji Ėx fcu. 131, 71 eerji 0, , 77 [15]

9 1927 Bina içerisinde mevcut olan farklı kapasitelerdeki fancoillerin analizi yapılmıģ ve aģağıdaki tabloda gösterilmiģtir. Tablo 2. Fancoil üniteleri eerji ve enerji verimleri Fancoil Ünite ΔĖ fcu. = Ø H (W) Q fcu (W) ṁ fcu. (kg/s) ΔĖx fcu. (W) Ėx fcu (W) Ėx fcu.yıkım (W) Ψeerji η enerji Tip , ,77 131,71 208,06 0,388 0,91 Tip , ,52 186,66 294,86 0,388 0,90 Tip , ,24 251,68 397,56 0,388 0, EĢanjör Enerji Ve Eerji Analizi EĢanjör, sıcak devresinden elde ettiği ısı kazancını, soğuk ya aktararak kullanım sıcak talebini karģılamaktadır. EĢanjör enerji ve eerji analizi ile verimlerinin hesaplanması aģağıdaki formüllerle açıklanmaktadır. (T O = 0 C ve C / C ÇalıĢma Aralığında) Isıtma kazanından eģanjöre giren sıcaklığı 90 C,dönen yun sıcaklığı 70 C dir. EĢanjöre 10 C de giren soğuk, 60 C kullanım sıcak yu olarak binaya gönderilmektedir. h 90 =376,92 kj/kg s 90 =1,1925 kj/kgk h 70 =292,98 kj/kg s 70 =0,9549 kj/kgk h 10 =42,01 kj/kg s 10 =0,1510 kj/kgk h 60 =251,13 kj/kg s 60 =0,8312 kj/kgk [4] EĢanjör Enerji Analizi EĢanjör Enerji Dengesi Giren Enerji = Çıkan Enerji (Üretilen(Faydalı) Enerji+Kayıp Enerji) Ė1 Ė3 Ė2 + Ė4 + Ė kayıp [16] Ė1 Ė2 Ė4 Ė3 + Ė kayıp [17] E E Ė [18] sıcak soguk kayıp EĢanjör Sıcak Su Devresinden Elde Edilen Enerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖ sıcak ) sıcak sıcak 1 2 ΔĖ sıcak =0, ,8 (90-70)=29307,6 W Ė m c T T [19] EĢanjör Soğuk Su Devresine Aktarılan Enerji Miktarının Hesaplanması (ΔĖ soğuk ) 4 3 Ė m c T T [20] soguk soguk ΔĖ soğuk =0, ,8 (60-10)=26167,5 W EĢanjör Kayıp Enerji Miktarının Hesaplanması (Ė kayıp ) Ė E E [21] kayıp sıcak soguk Ė kayıp =29307, ,5=3140,10 W EĢanjör Enerji Veriminin Hesaplanması (η enerji ) enerji E E soguk sıcak [22]

10 ,5 enerji 0, , EĢanjör Eerji Analizi EĢanjör Eerji Dengesi Giren Eerji = Çıkan Eerji + Kayıp Eerji Ėx1 Ėx3 Ėx2 Ėx4 Ėxkayıp [23] Ėx1 Ėx2 Ėx4 Ėx3 Ėxkayıp [24] Ex Ex Ėx [25] sıcak soguk kayıp EĢanjör Sıcak Su Devresinden Elde Edilen Eerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖx sıcak ) h1 h Ėx m [ T ( s s )] [26] sıcak sıcak ΔĖx sıcak =0,35 [(376,92-292,98)-273 (1,1925-0,9549)] ΔĖx sıcak =6,67632 kw=6676,32 W EĢanjör Soğuk Su Devresine Aktarılan Eerji Miktarının Hesaplanması (ΔĖx soğuk ) h4 h Ėx m [ T ( s s )] [27] soguk soguk ΔĖx soğuk =0,125 [(251,13-42,01)-273 (0,8312-0,1510)] ΔĖx soğuk =2, kw=2928,175 W EĢanjör Kayıp Eerji Miktarının Hesaplanması (Ėx kayıp ) Ėx Ex Ex [28] kayıp sıcak soguk Ėx kayıp =6676, ,175=3748,145 W EĢanjör Eerji Veriminin Hesaplanması (η eerji ) eerji Ex Ėx soguk sıcak 2928,175 eerji 0, ,32 [29] 4.3. Klima Santrali Enerji ve Eerji Analizi Klima santrali, fancoilde olduğu gibi devresinden elde ettiği ısı kazancını, hava yolu ile mahalin ısıtılıp soğutulmasında kullanmaktadır. Klima santrali enerji ve eerji analizi ile verimlerinin hesaplanması aģağıdaki formüllerle açıklanmaktadır

11 1929 (T O = 0 C ve C ÇalıĢma aralığında ) h 90= 376,92 kj/kg s 90 =1,1925 kj/kgk ; h 70= 292,98 kj/kg s 70 =0,9549 kj/kgk T 0 =0 C ; T Ġ =20 C; T R =25 C; T..giriĢ =90 C; T..çıkıĢ =70 C Klima Santrali Enerji Analizi Klima Santrali Kütle Dengesi m m [30] giriş çıkış Klima Santrali Enerji Dengesi Giren Enerji=Çıkan Enerji.. giriş.. çıkış (+Üretilen(Faydalı) Enerji+Kayıp Enerji) Ė Ė Q Ė [31] Ė Ė Q Ė [32].. giriş.. çıkış Ė Q Ė [33]. Klima Santrali Su Devresinden Elde Edilen Enerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖ. ) Ė m c T T.... giriş.. çıkış ΔĖ. =3, ,8 (90-70)= W Klima santralinden mahale olan ısı transfer miktarının hesaplanması ( Enerji dengesi a 2 1 Klima santrali hava giriģ noktasındaki nemli havanın kısmi basıncı; P v1 1 g1 Q m ( h h ) [34] P [35] P v1 =0,30*(0,8721 kpa)=0,262 kpa Klima santrali hava giriģ noktasındaki kuru havanın kısmi basıncı; P P P [36] a1 1 v1 P a1 = 100-0,262 = 99,738 kpa Kuru hava yoğunluğu; v R T a 1 1 [37] Pa 1 3 (0, 287 kpa m / kg K 278K 3 v1 0, m / kgkuruhava Kuru hava debisi; m V 99, 738kPa 1 a [38] v1 3 V m / h a 12188, 22 kg / h 3 v1 0, m / kg m )

12 1930 GiriĢ noktasındaki havanın nem miktarı; 0,622 Pv 1 1 P1 Pv 1 0,622 (0,262 kpa) 1 0, , 738kPa h 1 klima santrali hava giriģ noktasındaki entalpi değeri (kj/kg) h C T h [40] 1 p 1 1 g1 h1 (1,0059 kj / kgc) (5 C) (0,00163) (2510,6 kj / kg) 9,12 kj / kg h 2 klima santrali hava çıkıģ noktasındaki entalpi değeri (kj/kg); h C T h [41] 2 p 2 2 g2 h2 (1,005 kj / kgc) (25 C) (0,00163) (2547, 2 kj / kg) 29, 28 kj / kg Klima Santralinden Mahale Olan Isı Transfer Miktarı; Q m ( h h ) [42] a 2 1 Q (12188, 22 kg / h) (29, 28 kj / kg 9,12 kj / kg) W Klima Santrali Ġçerisinde Meydana Gelen Enerji Kaybının Hesaplanması (Ė ) Ė Q Ė [43].. Ė Ė Q [44] Ė = =29289 W Klima Santrali Enerji Veriminin Hesaplanması (η enerji ) Q enerji Ė enerji 0,89 [45] [39] Klima Santrali Eerji Analizi Klima Santrali Eerji Dengesi Ėx Ėx Ėx Ėx [46].. giriş.. çıkış yıkım Ėx Ėx Ėx Ėx [47].. giriş.. çıkış yıkım Ėx Ėx Ėx [48]. yıkım.... giriş.. çıkış Ė m c T T [49] m ,28 kg / s 4186,8 (90 70) Klima Santrali Su Devresinden Elde Edilen Eerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖx. ) Ėx. m. h. giriş h. çıkış To s. giriş s. çıkış [50]

13 1931 ΔĖx. =3,28 [(376,92-292,98)-273 (1,1925-0,9549)] = 62645,46 W Klima Santralinden Mahale Verilen Eerji Miktarının Hesaplanması (Ėx ) T0 Ėx H 1 Tr 273 Ėx , W [51] Klima Santrali Eerji Yıkımının Hesaplanması (Ėx yıkım ) Ėx Ėx Ėx [52] yıkım. Ėx yıkım =62645, ,47=39574,99 W Klima Santrali Eerji Veriminin Hesaplanması (η eerji ) Ėx 23070,47 eerji eerji Ėxk s , 46 0,368 [53] Bina içerisinde mevcut olan farklı kapasitelerdeki klima santrallerinin analizi yapılmıģ ve aģağıdaki tabloda gösterilmiģtir. Tablo 3. Klima santralleri eerji ve enerji verimleri Klima Santrali ΔĖ. = Ø H (W) Q (W) ṁ. (kg/s) ΔĖx. (W) Ėx (W) Ėx.yıkım (W) η eerji η enerji KS , , , ,99 0,368 0,89 KS , , , ,26 0,368 0,89 KS , , , ,04 0,368 0,88 KS , , , ,95 0,368 0,89 KS , , , ,45 0,368 0,90 KS , , , ,45 0,368 0,90 KS , , , ,50 0,368 0,89 KS , , , ,22 0,368 0, Isıtma Kazanı Enerji Ve Eerji Analizi ġekil 4 de ısıtma kazanı Ģematik olarak gösterilmektedir. Brülör kısmında yanma sonucu reaiyona giren yakıt hava karıģımı ile elde edilen ısı enerjisi bina içerisine sıcak olarak gönderilmektedir. Mahallerdeki ısı transferi sonucu enerjisi azalan tekrar ısıtma kazanına dönmektedir. Yanma sonucunda oluģan ürünler, baca gazı olarak atmosfere salınmaktadır.

14 1932 ġekil 4. Isıtma Kazanı Ģematik Ģekli Ġncelenen ısıtma kazanında yakıt olarak doğalgaz kullanılmaktadır. Doğalgaz büyük oranda Metan (CH 4 ),daha düģük oranlarda Etan (C 2 H 6 ), Propan (C 3 H 8 ), Bütan (C 4 H 10 ), Azot (N 2 ), Karbondioit (CO 2 ), Hidrojensülfür (H 2 S) ve Helyum (He) gibi çeģitli hidrokarbonlar içermektedir. Bu bileģenlerin oranı gazın kaynağına göre farklılıklar göstermektedir [5]. Isıtma Kazanı enerji analizi için öncelikle binanın ve sistemin ısı kaybı hesapları yapılmalıdır. Yapılan ısı kaybı hesabına göre ısıtma kazanı kapasitesi tayin edilerek uygun ısıtma kazanı seçimi yapılmalıdır. Bu çalıģmada dıģ hava sıcaklığı (T 0 =0 ⁰C) için binanın ısı kaybı hesap edilmiģtir. Q ısıtma = 1750 kw olarak Enerji analizi gerçekleģtirebilmek için gerekli olan kütle dengesi ve enerji akıģı yukarıdaki kontrol hacminde gösterilmektedir. Termodinamik analizlere göre, kontrol hacmi için kütle ve enerji dengesi Ģu Ģekilde ifade edilmektedir [4]. (T O = 0 C ve C çalıģma aralığında) h 90= 376,92 kj/kg s 90 =1,1925 kj/kgk h 70= 292,98 kj/kg s 70 =0,9549 kj/kgk [4]. T 0 =0 C ; T Ġ =20 C; T R =25 C; T kazan..giriģ =70 C; T kazan..çıkıģ =90 C Isıtma Kazanı Enerji Analizi Doğalgazın tamamının metandan oluģtuğu kabul edilerek, doğalgaz yanma denklemi Ģu Ģekilde yazılabilir; CH 4 + 2(O N 2 ) CO 2 + 2H 2 O N 2 Tablo 4. Yanma reaiyonuna giren ve çıkan bileģiklerin entalpi değerleri [4]. Reaiyona giren bileģikler Reaiyondan çıkan bileģikler 0 h f h(273 K ) h(450 K) h0 (kj/ kmol) (kj/ kmol) (kj/ kmol) BileĢik (kj/ kmol) CH O N CO H 2 O N

15 1933 [54] 0 0 qyanma nr ( h f h ho ) reaiyon _ nü ( h f h ho ) üretilen reaiyon üretilen n r : Reaiyona giren kimyasal bileģiğin mol sayısı n ü : Reaiyondan çıkan kimyasal bileģiğin mol sayısı q yanma =[1(-74850)+2( )+7,52( )]-[1( )+2( )+7,52( )] q yanma = ,64 kj/kmol CH 4 M CH4 = 16,043 kg/kmol (1 kmol metanın kütlesi) q Q yanma q M yanma yakıt ,64 qyanma yanma 16,043 q = 46469,09 kj/kg [55] yanma :Yanma sırasında açığa çıkan ısı enerjisi değeri(kw); Q ısıtma :1750 kw(t 0 =0 C için binanın ısı kaybı) η = 0.90 (Isıtma kazanı üretici firma katalog bilgilerine göre, kazanın yanma verimi) Q kg/h yanma Qısıtma 1750 =1944,44 kw 0, Isıtma Kazanı Eerji Analizi m yakıt Qyanma 1944, 44 =0,04184 kg/s=150,64 q 4646,09 yanma Ėx Ėx Ėx Ėx Ėx Ėx [56] yakıt. çıkış.giriş kaz.yüzey baca yıkım Ėx Ėx Ėx Ėx Ėx [57] yakıt kaz.yüzey baca Ėx Ėx İ [58] yakıt tersinmezlik Ėx Ėx Ėx [59]. çıkış.giriş Isıtma Kazanında oluģan toplam Tersinmezlik; İ Ėx Ėx Ėx [60] tersinmezlik kaz.yüzey baca tersinmezlik yakıt yıkım İ Ėx Ėx [61] Isıtma Kazanı Su Devresinden Elde Edilen Eerji Kazancının Hesaplanması (ΔĖx ) Ėx Ėx Ėx [62]. çıkış.giriş Ėx m h. çıkış h.giriş T 0 (s. çıkış s.giriş ) [63] yıkım ΔĖ x : Su devresinden elde edilen eerji kazancı (kw) h 90 =376,92 kj/kg h 70 =292,98 kj/kg s 90 =1,1925 kj/kgk s 70 =0,9549 kj/kgk m Qısıtma 1750 ( h h ) (376,92 292,98) [64] ṁ =20,848 kg/s=75053,61 kg/h T 0 : 273 K ΔĖx =(20,848) [(376,92-292,98)-273 (1,1925-0,9549)] ΔĖx = 397,684 kw

16 Isıtma Kazanında Meydana Gelen Tersinmezliğin Hesaplanması (Ġ tersinmezlik ); İ Ėx Ėx [65] tersinmezlik yakıt Ġ tersinmezlik = 2481,80-397,684 Ġ tersinmezlik = 2084,11 kw Isıtma Kazanı Eerji Veriminin Hesaplanması (η eerji ) eerji Ex Ex yakıt eeri j Ex 397, 684 η eerji = 0,16 Ex 2481,80 yakıt 4.5.Isıtma Kazanı T o =-6,-3, 0, 3, 6, 9, 12, 15 C ve C ÇalıĢma Aralığındaki Termodinamik Verilerin Analizi Isıtma kazanı için, T O =0 C ve C aralığındaki hesaplamalar yukarıda detaylı Ģekilde gösterilmiģtir. T O =-6,-3,3,6,9,12,15 C ve C aralığındaki hesaplamalarda benzer Ģekilde yapılarak Tablo 5 de gösterilmiģtir. Tablo 5. T O = -6,-3, 0, 3, 6, 9, 12,15 C ve C çalıģma koģullarındaki termodinamik analizler Q ısıtma (kw) Q yanma (kw) q yanma (kj/kmol) T 0 ( C) Ėxyakıt (kw) E x (kw) ṁ yakıt (kg/h) Ėxters. (kw) η eerji % , , ,55 427, , ,14 0, , , ,40 412, , ,86 0, , , ,80 397, , ,11 0, , , ,76 382, , ,94 0, , , ,24 367, , ,27 0, , , ,26 353, , ,16 0, , , ,80 338,242 90, ,56 0, , , ,89 323,381 75,97 928,51 0, SONUÇ Merkezi ısıtma sistemlerinin termodinamik analizi ve yanma havası sıcaklık değiģimlerinin eerji verimliliğine etkisinin incelenmesi isimli çalıģmanın içeriğinde; Isıtma kazanı, klima santrali, fancoil ve eģanjör gibi merkezi ısıtma bileģenlerinin enerji ve eerji hesaplamalarıyla ilgili detaylı bilgiler nulmuģtur. Ġstanbul Bakırköy de bulunan bir kamu binasının Merkezi ısıtma sistemi bileģenleri incelenerek enerji ve eerji analizleri yapılmıģ ve her birinin enerji ve eerji verimleri hesaplanmıģtır. DıĢ hava sıcaklığı, yanma havası sıcaklığı ve gidiģ-dönüģ yu sıcaklık farkının eerji verimliliği ve yakıt tüketimine olan etkileri incelenmiģ ve bu etkiler sayısal verilerle ifade edilmiģ ve sistem üzerinde teorik iyileģtirmeler yapılmıģtır. Fancoil ünitesi tip1 için enerji verimi 0,91 eerji verimi 0,388; Klima santrali 01 için enerji verimi 0,89 eerji verimi 0,368; Isıtma kazanı enerji verimi 0,90 eerji verimi 0,16; EĢanjör ünitesi enerji verimi 0,893 eerji verimi 0,438 olarak hesaplanmıģtır. ÇeĢitli değiģkenler incelenerek; dıģ hava sıcaklığı arttıkça tersinmezlik miktarının azaldığı, eerji veriminin arttığı ve tüketilen yakıt miktarının azaldığı görülmüģtür. -6 C dıģ hava koģullarındaki eerji verimi 0,144 yakıt tüketimi 180,74 kg/h; -3 C dıģ hava koģullarındaki eerji verimi 0,151 yakıt tüketimi 165,67 kg/h kg/h ve 0 C dıģ hava koģullarındaki eerji veriminin 0,160 yakıt tüketiminin 150,64 kg/h olduğu ve dıģ hava sıcaklığı arttıkça eerji veriminin arttığı görülmüģtür.

17 1935 Model binanın yakıt tüketim miktarı; ısıtma kazanı 0 C ve C aralığında çalıģtığı kabul edilerek bir aylık ısıtma sezonu için hesaplanarak Toplam Tüketilen Yakıt Miktarı ,48 kwh olarak bulunmuģtur. Bir sezon için tüketilen toplam yakıt bedeli ,09 TL olarak hesaplanmıģtır. T O = 0 C ve C çalıģma aralığında 1 m 3 doğalgaz %100 taze hava ile yanma gerçekleģtirdiğinde eerji verimi olarak gerçekleģmektedir.%90 taze hava ile yanma gerçekleģtiğinde eerji verimi ve %80 taze hava ile yanma gerçekleģtiğinde eerji verimi olmaktadır. Yanma havası miktarı azaldıkça eerji verimi de azalmaktadır. KAYNAKLAR [1] S.Tekin., DanıĢman. Doç.Dr.Zafer UTLU., Merkezi isitma sistemlerinin termodinamik analizi ve çeģitli parametre değiģimlerinin eerji verimliliği ve yakit tüketimine etkisinin incelenmesi Tez DanıĢman: Doç. Dr. Zafer Utlu.,Ġstanbul Aydın Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı.,Bilim Dalı Kodu: SunuĢ Tarihi: [2] T.C Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı, alanından [3], alanından [4] Utlu, Z. ve A. HepbaĢlı, Parametrical Investigation of the Effect of Dead (Reference) State on Energy and Exergy Utilization Efficiencies of Residential Commercial Sectors: A Review and An Application, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(4), (2007). [5] ĠGDAġ, Gaz&Teknoloji / Doğalgaz / Kimyasal ve Fiziel Özellikleri ÖZGEÇMĠġ Zafer UTLU 1966 Isparta doğumludur. Ege Üniversitesinden 1999 yılında Yüek Lisans ve 2003 yılında Doktora çalıģmalarını tamamlamıģtır Yılında Makine Mühendisliği alanında Doçent olmuģtur yılından beri Ġstanbul Aydın Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde Öğretim Üyesi olarak çalıģmaktadır. ÇalıĢma alanlarının bir bölümü; Termodinamik, Isıl Sistemler, Yenilebilir Enerji Uygulamaları, Termodinamik analiz, Isıl sistemlerin enerji, eerji ve eergoekonomik analizi, Biyodizel yakıt üretim sistemleri, Sıfır enerjili bina sistemleri ve Yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Serdar TEKĠN Lisans Eğitimini Fırat Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünde tamamlamıģtır yılında Yüek Lisans eğitimini tamamlamıģtır. Bir kamu kuruluģunda yüek mühendis olarak görev yapmaktadır..

18