Enerji tasarrufu için yer altına gömülü çelik borularda yalıtımın ekonomik faydaları

Transkript

1 206 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): Enerji asarrufu için yer alına gömülü çelik borularda yalıımın ekonomik faydaları Ali KEÇEBAŞ* Muğla Sıkı Koçman Üniversiesi, Teknoloji Fakülesi, Enerji Sisemleri Mühendisliği Bölümü, Muğla ÖZET Anahar Kelimeler: Enerji asarrufu, Toprağa gömülü borular, Boru yalıımı, Opimum yalıım kalınlığı. Bu çalışmada, bölgesel ısıma boru halarında yer alına gömülü borulardaki yalıımının ekonomik faydaları incelenmişir. Boru yalıım opimizasyonu için yaşam döngüsü maliye (YDM) analizi kullanıldı. Analizde Afyonkarahisar ili için kömür, doğal gaz, fuel-oil ve jeoermal yakıları ve çeşili çaplarda çelik borular göz önünde bulundurulmuşur. Yalıım malzemesi olarak eksrüde polisiren (XPS) kullanılmışır. Böylece çeşili durumlar için opimum yalıım kalınlığı, enerji asarrufu ve geri dönüş süreleri belirlenmişir. Ayrıca bu değerler yer alına gömülü ve galeriden geçirilen borular için karşılaşırılmışır. Sonuç olarak aynı kalınlıka yalıım ve enerji asarrufu büyük çaplı borularda bulunmuşur. Bölgesel ısıma boru halarında boruların galeri içinden geçirmek yerine yer alına gömerek ilemek daha avanajlıdır. Economic benefis of insulaion in seel pipes buried ino he ground for energy saving ABSTACT Key Words: Energy saving, Buried pipes, Pipe insulaion, Opimum insulaion hickness. In his sudy, he economic benefis of insulaion of pipes buried ino he ground in disric heaing pipelines were invesigaed. The life cycle cos (LCC) analysis was used for pipe insulaion opimizaion. In analysis, coal, naural gas, fuel-oil and geohermal energy fuels and various diameers of seel pipes for Afyonkarahisar province were aken ino consideraion. The exruded polysyrene (XPS) such as insulaion maerial was used. Thus, opimum insulaion hickness, energy saving and payback periods were deermined for various cases. Furhermore, hese values were compared for pipes which was buried ino he ground and passed from gallery. As a resul, he insulaion in same hickness and energy saving in a large diameer pipes were found. In disric heaing pipelines, he pipes buried ino he ground insead of passing i o he gallery is more advanageous. *Sorumlu Yazar (Corresponding auhor) e-posa: alikecebas@mu.edu.r

2 . Giriş 207 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): Dünya da ve ülkemizde nüfus arışı, sanayileşme, yaırımların büyümesi ve yaşam sandarlarının yükselmesi enerji alanındaki eknolojik ve bilimsel çalışmaları zorunlu kılmakadır. Enerji bugün uluslararası bir sorun haline gelmişir. Diğer arafan, enerji harcamaları önümüzdeki yıllarda da hem kamu ve özel kurum ve kuruluşlarda hem de aile büçesinde önemli bir yer umaya devam edecekir []. Enerji, 970 eki enerji krizinden sonra enerji ihiyacının büyük bir bölümünü ihala yoluyla karşılayacak olan ülkeler için en önemli konu haline gelmişir. Özellikle Türkiye için. Türkiye nin enerji ükeimi genellikle sanayi, inşaa, ulaşırma ve arım gibi dör ana sekör alında incelenmekedir. İnşaa seköründeki enerji ükeimi oplam enerji ükeiminin önemli bir parçasını oluşurur. Türkiye de konu ve icari binalarda kullanılan enerji mikarı oplam enerjinin %30 u kadardır. Buna ek olarak evlerde ükeilen enerjinin %82 si ise ısınma amaçlı kullanılmakadır. Bu mikar hemen hemen üm enerjisini ihal eden Türkiye gibi bir ülke için çok lüks olarak görülebilir [2]. Bu duruma karşın herhangi bir ülkenin enerji sraejisi ise enerji asarrufu seçeneklerine yönelikir. Bu nedenlerden dolayı Türkiye de binalar için enerji ükeiminin minimum değerlere düşürülmesinde ulusal düzenlemeler geirilmesi bir zorunluluk haline gelmişir. Bu nedenle Türkiye nin bu yöndeki ihiyaçları düşünülerek 999 yılında Binalarda ısı yalıım kuralları (TS 825) [3] belirlenmişir. TS 825 sandardında ülkemiz, ısıma derece-gün (IDG) sayılarına göre 4 bölgeye ayrılmışır.. bölge, ısıma için en az enerji ihiyacının olduğu, 4. bölge ise en fazla enerji ihiyacının olduğu bölgeyi emsil emekedir. Sınırlı enerji kaynakları ve fosil yakıların kullanımından kaynaklanan çevre kirliliği, enerji asarrufunu zorunlu hale geirmişir. Özellikle sanayi ve kimyasal işleme esisleri karmaşık ve pahalı boru yapıları içerir. Boru sisemleri; su emini, yangın koruma ve bölgesel soğuma-ısıma uygulamaları dahil olmak üzere birçok durumlarda kullanılır. Bu nedenle, boru sisemlerinde uygun yalıım kullanımı enerji asarrufu ve fosil yakıların isenmeyen emisyonların azalılmasında oldukça önemli hale gelir. Buna ek olarak ısı yalıımı, yakı ükeimini azalarak enerji asarrufu sağlamasının yanında yoğuşma ve küf sorunlarını da azalarak yapıların ömrünü arırmakadır. Yalıım malzemesinin seçiminde bölgenin oralama dış oram sıcaklığı, yalıım malzemesinin ısıl ilekenliği ve maliyei en önemli paramerelerdir. Yalıım malzemesinin kalınlığının armasıyla ısıma için enerji ükeimi azalacakır. Ancak bu durumda yalıım maliyei aracak ve bu durum oplam yaırım maliyeini de arıracakır. Bu nedenle yalıım uygulamalarında oplam yaırım maliyeinin minimize edildiği opimum bir yalıım kalınlığı değeri söz konusudur [4]. Bu opimum değerin espii ekonomik analiz (yaşam döngüsü maliye (YDM) analizi) için kriik önem aşımakadır. YDM analizleri genellikle enerji eknolojileri ve bina projelerinde ekili bir biçimde uygulanmakadır. YDM analizi, bina veya boru sisemi yalıımı üzerine daha başlangıçaki harcamalar ile bina veya boru siseminin ömrü boyunca ne asarruf üreebileceğini göserir. Yani YDM yalıım malzemeleri ve yakıların maliyeini doğrudan ekileyen enflasyon ve faiz oranlarındaki değişimle opimum yalıım kalınlığını belirlemek için kullanılır [5]. Lieraürde boru yalıımı üzerine çeşili çalışmalar yer almakadır: Zaki ve El-Turki [6], boru haları için çok kamanlı ısı yalıımının opimizasyonuna çalışı. Wechsaol vd. [7], bir alana boyunca düzenli olarak sıcak su dağıımı için opimal geomerik düzeni incelenmişir. Yalıım malzemesi mikarı, üm boruların hacmi ve boru duvarı malzemesinin mikarı çalışmasındaki ana kısılardı. Kalyon ve Şahin [8], konrol eorisi yaklaşımı ve en dik iniş yönemini kullanarak ısı kaybını en aza indiren aşınımla ısı ransferine karşı bir borudaki opimum yalıım kalınlığını araşırdı. Şahin [9], dış ermal radyasyona maruz kalan kanalların opimum yalıımı incelenmişir. O, ısı ransferi en aza indirmek amacıyla sınırlı mikarda yalıım malzemesi kullanarak üp boyunca opimal yalıım kalınlığı değişimini buldu. Şahin ve Kalyon [0], ışınım ve aşınımla ısı ransferine maruz dairesel bir üp için kriik yalıım yarıçapını analiik olarak incelenmişir. Özürk vd. [], sıcak su boru sisemlerinin opimum asarımı için dör farklı ermo-ekonomik eknik sundu. Yapıkları çalışmada sıcak su boru segmeni düşünülmüşür ve bu yönemlerin farklılıklarını ve yararlarını ele almışlardır. Karabay [2], sıcak su dağıım borusu için ermo-ekonomik opimizasyon yönemini incelenmişir. Onun kullandığı yönem ermodinamiğin ikinci kanunu dayanıyordu. Boru ve yalıım maliyeleri yaırım olarak kabul edildi ise opimum boru çapı ve yalıım kalınlığını işleme maliyei olarak ekserji yıkımı ve kaybını göz önüne alarak belirledi. Keçebaş vd. [5], YDM analizine bağlı olarak beş farklı boru çapı ve dör farklı yakı ürü için bölgesel ısıma boru haı şebekelerinde kullanılan boruların opimum yalıım kalınlığını belirlemişlerdir. Yukarıdaki gibi mevcu lieraür incelendiğinde yer alına gömülü borularda yalıım kalınlığı konusu üzerine herhangi bir çalışma görülmemişir. Bu çalışmada ısıma enerji ihiyaçından harekele yer alına gömülü bölgesel ısıma borularının yalıımı için opimum yalıım kalınlığı, enerji asarrufu ve geri dönüş süresi YDM analizi kullanarak hesaplanmışır. Bunun için Türkiye nin en soğuk şehirlerinden biri olan Afyonkarahisar da çeşili çelik boru çapları ve yakılar için bir bölgesel ısıma siseminin boru haı model olarak alınmışır. Bölgesel ısıma sisemlerindeki yer alına gömülü boru yalıımının ekonomik faydaları için çalışmadan elde edilen sonuçlar şekiller ile göserilmiş ve arışılmışır. 2. Borulama sisemi ve analiz Bu çalışmada bölgesel ısıma ile yer alına gömülü olarak uzanan çelik bir boru sisemi ele alınmış ve birim uzunluk için boru kesii Şekil de verilmişir. Bölgesel ısıma sisemi için sıcak su [(90+70)/2=80 C] kararlı durum kararlı akış konrol hacmi koşullarında sabi bir hız [0,8 m/s] ile borudan pompalandığı düşünülmüşür. Sıvı akış sürünmesi nedeniyle olan basınç düşümleri de bu çalışmada ihmal edilmişir. Bölgesel ısıma sisemlerinde borulama sisemi boyunca yer alına gömülü borudan gerçekleşen ısı kaybı genellikle aşağıdaki denklem ile hesap edilmekedir. Q UA(T T ) UAT () b s Burada; A borunun oplam yüzey alanı, T oprak sıcaklığı, T s boru içersindeki sıcak suyun oralama asarım sıcaklığı ve U borulama sisemi için oplam ısı ransfer kasayısıdır. Borulama sisemi abakalarının oplam ısıl direnci, b, borunun

3 208 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): Yer alı (killi oprak) U U ysız Uy (6) b,ysız b,y Yalıım malzemesi δ r 0 r r 2 r 3 Z Yıllık enerji ükeimi ve maliye analizi genellikle asarım ısı yükü hesaplamaları ile birlike yapılır ve ısıma sisemlerinin seçiminde önemli bir rol oynar. Yıllık ısı ükeimini hesaplamak için çeşili yönemler kullanılır. Bir binanın yıllık enerji ükeimini ahmin emenin en basi ve ekili yolu saalik verileri kullanarak yıllık ısıma derece günlerin (IDG) sayısını belirlemekir. Bunun için aşağıdaki formül kullanılır. Şekil. Birim uzunlukaki borulama sisemi iç ve dış yüzeyleri arasındaki abakaların ısıl dirençleri ile bu iç yüzey üzerindeki ısı aşınım kasayısı ve oprakaki ısıl dirençelerin oplamına eşiir. Böylece borulama siseminin üm abakaları için oplam ısıl direnç aşağıdaki gibi verilebilir [3]. b r r2 rn ln 4Z ln ln ln r0 r rn rn... h A 2Lk 2Lk 2Lk 2Lk i i 2 Burada; k, k 2, k n borulama sisemi abakalarının ısıl ilekenliklerini ve r, r 2, r n onların yarıçaplarını ifade eder. Z borulama siseminin merkezinden oprak üs seviyesine olan yükseklik ve k ise oprağın ısıl ilekenlik kasayısıdır [3]. L boru sisemi boyu iken Ai 2Lr0 ise borulama siseminin boru iç yüzey alanıdır. Bu çalışmada, yalıımsız oprağa gömülü borulama sisemi abakalarının oplam ısıl direnci r ln r ln 4Z r 0 b,ysız (3) hi Ai 2Lk 2Lk ve yalıımlı oprağa gömülü borulama sisemi abakalarının oplam ısıl direnci r ln r r2 ln r r3 ln r b,y (4) hi Ai 2Lk 2Lk y 2Lk 2 2Lk n ln 4Z r şeklinde ifade edilebilir. Burada; k, k 2 ve k y sırasıyla çelik borunun, kılıf borunun ve yalıım malzemesinin ısı ransfer kasayılarıdır. Çalışmada kullanılan yer alı gömülü çelik borulara ai özellikler Tablo de verilmişir. Ayrıca, h i borulama siseminin iç yüzeyi için ısı aşınım kasayısı ve aşağıdaki gibi hesaplanabilir [4]. h i D k i Kılıf boru Boru (2) e Pr (5) Burada; k i boru içersindeki sıcak suyun ısı ransfer kasayısıdır. Yalıımsız ve yalıımlı borulama sisemlerinin oplam ısı ransfer kasayıları arasındaki fark aşağıdaki gibi yazılabilir. T b T sa 365 * IDG yıl (7) Burada; T b denge sıcaklık ve T sa günlük oralama güneş hava sıcaklığıdır. Paranez üzerindeki * işarei sadece poziif olan değerlerin hesaba kaıldığını belirmeke ve T b < T sa olduğunda sıcaklık farkları sıfır olarak alınmakadır. Temel sıcaklık ısımanın gerekli olduğu en al dış sıcaklıkır. Bu çalışmada emel sıcaklık 8 C ve Büyükalaca vd. [5] arafından verilen saalik veriler kullanılmışır. Lieraürde genellikle derece günlerin binaların ısı ihiyaçlarının belirlenmesinde kullanıldığı görülmekedir. Bunun sonucunda binaların dış duvarlarındaki ısı kaybı hesapları yapılarak opimum dış duvar yalıım kalınlıkları hesaplanabilmekedir. Faka, binaların ihiyacı olan bu ısı ise bölgesel ısıma sisemlerinde borular yardımı ile aşınmakadır. Bu ısı aşıma esnasında borulama siseminden kaynaklanan kayıplar neicesinde borularda opimum yalıım kalınlığı hesaplanabilmekedir [5, 6,7]. Bu durumda, bölgesel ısıma için borulama siseminin yıllık ısı kaybı aşağıdaki eşilike verildiği gibi ısıma derece günler kullanılarak belirlenebilir. Q A 86,400IDGU (8) Borulama sisemdeki kayıplar için yıllık enerji gereksinimi yıllık ısı kaybının ısıma siseminin verimine (η ıs ) bölünerek 86,400IDGU E g (9) ıs ve bölgesel ısımadaki borulardan kaynaklanan kayıplar için yıllık yakı ükeimi ise 86,400IDGU m yakı (0) H al ıs şeklinde hesaplanabilir. Burada; H al yakı ipine bağlı olarak yakıın al ısıl değeridir. Çalışmada kullanılan yakılara ai özellikler Tablo 2 de verilmişir. Bölgesel ısımadaki borulama siseminden kaynaklanan kayıplar nedeniyle oluşan yıllık oplam enerji maliyei (C yakı ) aşağıdaki ifade ile bulunabilir. 86,400IDGU CY C yakı () H al ıs Eşilik () de C Y yakı ipine dayanarak yakıın birim maliyeidir. Yalıım malzemesinin birim hacmi (C Yal ) için oplam yalıım malzemesi maliyei aşağıdaki eşilik kullanılarak hesaplanabilir.

4 209 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): Tablo. Çalışmada kullanılan paslanmaz çelik boruya ai özellikler Nominal boru ebadı Dış çap, E kalınlığı, Birim ağırlık Ağırlık sınıfı Sch No (mm) (inç) (mm (mm) (kg/m) ,3 3,9 STD 40 5, ,3 6,02 STD 40 6, ,3 7, STD 40 28, , 8,8 STD 40 42,55 No: Paslanmaz çelik boru (ANSI B 36.0) için yoğunluk, erime nokası ve ilekenlik kasayısı sırasıyla 7,99 g/cm 3, C ve 6.2 W/m K dır. C yalıım C Yal V (2) 2 2 Burada; V r 2 r L yalıımda kullanılan malzemenin 4 hacmidir. Birçok ermal sisemlerde ekipmanların çalışırılması için harcanan enerji mikarı yıldan yıla önemli derecede değişmez. Bu durumda yaşam döngüsü maliye (YDM) analizi, ef. [20] de sunulan meo kullanılarak hesaplanılabilir. Bu referansaki YDM analizi iki ekonomik erimin oplamı olarak düşünülür. İlk erim (F) ilk yılki işleim maliyei ile oranılı ve ikinci erim (E) ise siseminin birinci maliyei ile oranılıdır. YDM P F P2 E (3) İlk erim (P ), ilk yıl için yakı fiyaına ömür yakı fiyaının oranıdır. P in en düşük değeri, oralama yakı fiyalarının yüksek olduğunu göserir. Bu poansiyel oralama yakı kazancının belirlenmesi açısından önemlidir. P, aşağıda ifade edildiği gibi enflasyon oranı (d), faiz oranı (i) ve ömür süresi (N) ile ilgili oranlardır. N Eğer i d ise P i (4) (d i) d Eğer i=d ise P N (5) i İkinci erim (P 2 ) ise yaırım mikarına yaırımın sonucu olarak giren ömürlük masrafların oranıdır. P 2 nin en yüksek değeri, yaırım en düşük ilk maliyee sahip olduğunda elde edilir. P 2, aşağıdaki gibi ifade edilir. P2 P Ms (6) v d N Burada; M s başlangıçaki ilk maliyee yıllık bakım ve işleme maliyelerine oranı ve v ilk maliyee perakende saış fiyaının oranıdır. Bu çalışmada bakım ve işleme maliyelerinin olmadığı düşünülerek P 2 değeri olarak alınmışır. Bölgesel ısıma için yalıımlı borulama sisemiyle aşınan ısının oplam maliyei aşağıdaki eşiliklerle hesaplanabilir. C P Cyakı P2 C (7) yalıım Yalıım malzemesi kullanılmasıyla ömür süresi üzerinden oplam enerji asarruffu, P -P 2 meodu yoluyla formüle edilebilir. 86,400P IDGUCY P CYal V (8) H S 2 al ıs Yalıımlı borulama siseminin dış yarıçapı, Eşilik (8) in minimize veya Eşilik (7) nin maksimize edilmesiyle belirlenebilir. Böylece r 2 ye göre S veya C nin ürevi alınarak sıfıra eşilenir. Sonra Malab opimizaion Toolbox kullanılarak opimum yalıım kalınlığı ( ins ) elde edilir. Burada ins r2 r dir. Geri dönüş süresini bulma yolunda ise Eşilik (4) veya (5) eki durumlardan biri için P seçilir. Eşilik (8) de seçilen P yerleşirilerek sıfıra eşilenir. Buradan ise geri dönüş süresi (N gd ) hesaplanmış olur. Bu çalışmada kullanılan paramereler Tablo 3 e özelenmişir. Tablo 3. Çalışmada kullanılan paramereler ve değerleri Paramereler Değerler Afyonkarahisar ili (3. Bölge) Derece-gün 2828 C-gün Yakılar Tablo 2 ye bakınız Boru Tablo 3 e bakınız Eksrüde polisiren (XPS) Yoğunluk 30 kg/m 3 Isı aşınım kasayısı 0,032 W/m K Birim fiyaı 57 TL/m 3 Killi oprak (500 kg/m 3 ) Isı aşınım kasayısı,5 W/m K Z 0,6 m Enflasyon oranı % 0,43 Faiz oranı % 2 Ömür süresi 20 yıl 3. Bulgular ve arışma Bu çalışmada, yaşam döngüsü maliye (YDM) analizi boru yalıım ve enerji ükeim maliyelerini içeren oplam maliyei en aza indirmek için yer alı gömülü çelik borularda opimum yalıım kalınlığı, enerji asarrufu ve geri ödeme süresini ahmin emek amacıyla kullanılmışır. Yalıılmış yer alı gömülü boru siseminde aşınan sıcak su için yıllık oplam maliyeleri ekileyen iki paramere vardır. Bu paramereler yalıım ve enerji maliyeleridir. Şekil 2 de görüldüğü gibi boru siseminde yalıım kalınlığının armasına bağlı olarak enerji maliyeleri ve dolayısıyla ısı kaybı azalmakadır. Bu yüzden birim uzunlukaki boru siseminde aşınan suyu ısımak için gerekli enerji ihiyacı azalır ve oplam maliye düşer. Ancak yalıım kalınlığının gereğinden fazla arırılması yalıım maliyeini arırır. Bu durumda yüksek yalıım maliyei nedeniyle belli bir nokadan sonra oplam maliye armaya başlar. Toplam maliyein minimum olduğu bu noka opimum yalıım kalınlığı değeri olarak ifade edilmekedir. Yer alına gömülü çelik borularda yalıım yapılmasının en

5 20 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): Şekil 2. Gömülü boru yalıımı için maliye ile yalıım kalınlığı ilişkisi önemli nedeni ise enerji asarrufu yapmak içindir. Şekil 3 ve 4 e görüldüğü gibi boru yalıımında yalıım kalınlığı ararken enerji asarrufunun düşmeye başladığı nokada opimum yalıım kalınlığı elde edilmiş olur. Yani enerji asarrufu opimum yalıım kalınlığında maksimum değeri alır. Şekil 3 e çeşili yakılar için yalıım kalınlığına göre enerji asarrufunun değişimi göserilmişir. Şekilden en fazla enerji asarrufu fuel-oil yakıı kullanıldığında elde edilmekedir. Böyle olmasının en önemli nedeni yakıların birim maliyeleridir. Birim maliyei yüksek olan yakıın enerji asarrufu da o kadar fazla olmakadır. Fosil yakıların yakılmasından oluşacak hava kirliliklerinin azalılmasında ise yakıan elde edilecek asarruflar düşünülmemelidir. Bundan dolayı jeoermal enerjinin olduğu yerlerde jeoermal enerji, olmadığı yerlerde ise doğal gazın kullanılması daha uygundur. Şekil 4. Çeşili boru çapları için enerji asarrufu ile yalıım kalınlığı ilişkisi Seçilen şehir ve yalıım malzemesi için yer alına gömülü borularda farklı yakılar ve boru çapları için hesaplanan değerler Tablo 4 e verilmişir. Tablodan opimum yalıım kalınlığının boru çaplarıyla arığı görülmekedir. Ancak büyük çaplı borulardaki opimum yalıım kalınlıklarının aynı olduğu görülmekedir. Buradan büyük çaplı borularda aynı kalınlıka opimum yalıım kalınlığı kullanılabileceği anlaşılmakadır. Enerji asarruflarının da boru çapı arıkça armakadır. Büyük çaplı borularda çok geniş ısı ransfer alanı olması ve dolayısıyla yalıım ile bunun engellenmesi büyük enerji asarrufları sağlamakadır. Ayrıca doğal gaz yakıı için Ø00 ve Ø200 mm çaplarında yalıımsız gömülü boruların, yalıılmaları halinde sırasıyla %79 ve %83 e yakın asarruf sağlanabilmekedir. Jeoermal enerji için enerji asarrufu 36,72 ile 88,8 TL/m arasında değişirken fuel-oil yakıı için 209,07 ile 52,26 TL/m arasında değişmekedir. Yer alına gömülü borulardaki yalıım için boru çaplarının arması durumunda geri dönüş süreleri hakkında bir şey söylenememekedir. Faka çeşili yakılar için maliyelerin yüksek olmasıyla ers oranılı olarak geri dönüş süreleri azalmakadır. Bu durumda en düşük geri dönüş süresi fuel-oil yakıına aiir. En fazla ise jeoermal enerji kullanılması halinde olmuşur. Tablo 4. Yer alına gömülü borularda farklı yakılar ve boru çapları için hesaplanan bazı değerler Şekil 3. Çeşili yakılar için enerji asarrufu ile yalıım kalınlığı ilişkisi Şekil 4 e ise farklı boru çapları için enerji asarrufunun değişimi göserilmekedir. Boru çapları arıkça enerji asarrufları da armakadır. Bu çalışmadaki hesaplama için pompalama masrafları düşünülmediği için böyle bir sonucun çıkması doğaldır. Ayrıca şekilden enerji asarruf eğrileri büyük çaplı borularda birbirine yakınlaşığı görülmekedir. Buradan anlaşılıyor ki büyük çaplı borularda aynı mikarda enerji asarrufları elde edilebilecekir. Hesap edilen değerler Opimum yalıım kalınlığı (m) Enerji asarrufu (TL/m) Geri dönüş süresi (yıl) Yakılar Boru çapları Ø50 Ø00 Ø50 Ø200 Jeoermal 0, 0,3 0,5 0,5 Doğal gaz 0,4 0,7 0,8 0,9 Kömür 0,7 0,9 0,2 0,23 Fuel-oil 0,23 0,27 0,30 0,3 Jeoermal 36,72 57,88 75,3 88,8 Doğal gaz 58,67 92,7 20,53 42,75 Kömür 97,8 54,64 20,38 238,86 Fuel-oil 209,07 330,86 43,29 52,26 Jeoermal,4,37,63,69 Doğal gaz,30,33,38,40 Kömür,04 0,98,08,5 Fuel-oil 0,89 0,88 0,87 0,89 Praike çoğu kez bölgesel ısıma sisemlerindeki borular oprak içinde gömülü olarak veya galeri boyunca geçirilir. Bu çalışmada hangisinin daha uygun olduğu da göserilmeye çalışılmışır. Şekil 5 e çeşili yakılar için yer alına gömülü ve

6 2 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): galeriden geçen boruların yalıılması halinde opimum yalıım Çalışmanın sonucunda ise en asarruflu yakıın fuel-oil olduğu kalınlığının değişimi göserilmişir. bulunmuşur. Buradan yakıın maliyeinin büyük olması asarrufunda büyük olmasına neden olmakadır. Fosil yakıların hava kirliliğine neden olduğu düşünülerek Afyonkarahisar ili için jeoermal enerji uygun görülmüşür. Faka jeoermal enerjinin olmadığı şehirler için ise doğal gaz yakıı uygundur. Geri dönüş süresi ise maliyein yüksek olmasına karşın o kadar kısa olmuşur. Çalışmada doğal gaz yakıı için Ø00 ve Ø200 mm çaplarında yalıımsız gömülü boruların, yalıılmaları halinde sırasıyla %79 ve %83 e yakın asarruf sağlanmışır. Boru çapları büyüdükçe opimum yalıım kalınlığı ve enerji asarrufların arığı buna karşın geri dönüş sürelerinin azaldığı sonucu da çıkmışır. Ayrıca büyük çaplı borularda aynı kalınlıka yalıım kullanılabileceği ve asarruf yapılabileceği bulunmuşur. Sonuç olarak bölgesel ısıma boru halarında boruların galeri içinden geçirmek yerine yer alına gömürek ilemek daha avanajlıdır. Şekil 5. Çeşili yakılar için gömülü ve galeriden geçen boruların opimum yalıım kalınlığının değişimi Şekil 5 en üm yakı ve boru çaplarında yer alına gömülmesi durumunda daha küçük opimum yalıım kalınlıkları gerekiği görülmekedir. Fuel-oil yakıı için her iki durumdaki opimum yalıım kalınlığı birbirine eşi gibidir. Şekil 6 da ise enerji asarrufları değişimi verilmişir. Bu şekilden en fazla enerji asarrufu boruların galeriden geçirilmesi durumunda yapılabileceği göserilmekedir. Sonuça yalıımlı boruların galeri içinden geçirilmesi yer alına gömülmesinde daha fazla maliyelidir. Enerji asarrufu da o oranda büyük olacakır. Türkiye deki jeoermal bölgesel ısıma boru halarına bakılacak olursa bunun böyle olduğu oraya çıkmış olur. Bu durum maemaiksel olarak bu çalışmada göserilmişir. Şekil 6. Çeşili yakılar için gömülü ve galeriden geçen boruların enerji asarruflarının değişimi 4. Sonuçlar Bu çalışmada yer alına gömülü çelik borularda yalıım ile enerji asarrufu için yaşam döngüsü maliye (YDM) analizi kullanılarak opimum yalıım kalınlığı, enerji asarrufu ve geri dönüş süresi hesaplandı. Türkiye nin en soğuk şehirlerden biri Afyonkarahisar ilinde kömür, doğal gaz, fuel-oil ve jeoermal enerji gibi yakılar ve Ø50, Ø00, Ø50 ve Ø200 mm boru çapları için yalıımın ekonomik faydaları incelenmişir. Ayrıca yer alına gömülü borular ile galeriden geçirilen borular arasında bazı karşılaşırmalar yapılmışır. Semboller A :Borunun oplam yüzey alanı (m 2 ) A i :Borunun iç yüzey alanı (m 2 ) C Y :Yakıın birim maliyei (TL/kg, TL/m 3, TL/kW h) C yakı :Yıllık oplam enerji maliyei (TL) C Yal :Birim hacim yalıım malzemesinin maliyei (TL/m 3 ) C yalıım :Toplam yalıım malzemesi maliyei (TL) C :Toplam maliye (TL) d :Enflasyon oranı (%) E g :Boru sisemi kayıpları yıllık enerji gereksinimi (W) H al :Yakıın al ısıl değeri (J/kg, J/m 3, J/kW h) h i :Boru sisemi iç yüzeyi ısı aşınım kasayısı (W/m 2 K) i :Faiz oranı (%) IDG :Isıma derece günler ( C-gün) k i :Boru içi sıcak suyun ısı ransfer kasayısı (W/m K) k :Toprağın ısı ransfer kasayısı (W/m K) k y :Yalıım malzemesinin ısı ransfer kasayısı (W/m K) k :Çelik borunun ısı ransfer kasayısı (W/m K) k 2 :Kılıf borunun ısı ransfer kasayısı (W/m K) L :Boru siseminin birim uzunluğu (m) m yakı :Yıllık yakı ükeimi (kg, m 3, kw h) N :Ömür süresi (yıl) N p :Geri dönüş süresi (yıl) Pr :Pranl sayısı P :İlk yıl için yakı fiyaına ömür yakı fiyaının oranı P 2 :Yaırım sonucu ömürlük masrafların oranı Q A :Bölgesel ısımada boru siseminin yıllık ısı kaybı (W) Q b :Boru siseminden meydana gelen ısı kayıpları (W) r 0 :Boru iç yarıçapı (m) r :Boru dış yarıçapı (m) r 2 :Kılıf boru iç yarıçapı (m) r 3 : Kılıf boru dış yarıçapı (m) e :eynould sayısı b :Boru siseminin oplam ısıl direnci (K/W) b,y :Yalıımlı boru abakaları oplam ısıl direnci (K/W) b,y-sız :Yalıımsız boru abakaları oplam ısıl direnci (K/W) S :Enerji asarrufu (TL) T b :Denge sıcaklık (K) T sa :Günlük oralama güneş hava sıcaklık (K) :Toprak sıcaklığı (K) T T s :Boru içi sıcak suyun oralama asarım sıcaklığı (K) U :Boru sisemi oplam ısı ransfer kasayısı (W/m 2 K) V :Yalıım malzemesinin hacmi (m 3 ) YDM :Yaşam döngüsü maliyei (TL) δ ins :Opimum yalıım kalınlığı (m) ΔT :Boru siseminin iç ve dış asarım sıcaklık farkı (K) Z :Boru merkezinden oprak üsü yükseklik (m) η ıs :Isıma siseminin verimi (%)

7 Kaynaklar 22 Keçebaş, Erciyes Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Dergisi, 29(3): Eemoğlu, A.B., İşman, M.K., Can, M., Bursa ve çevresinde jeoermal enerjinin kullanılabilirliğinin incelenmesi, U.Ü. Mühendislik-Mimarlık Fakülesi Dergisi,, 55-64, Dombayci, Ö.A., Gölcü, M., Pancar, Y., Opimizaion of insulaion hickness for exernal walls using differen energy-sources, Applied Energy, 83, , TS 825, Binalarda ısı yalıım kuralları, Özkan, D.B., Onan, C., Opimizaion of insulaion hickness for differen glazing areas in buildings for various climaic regions in Turkey, Applied Energy, 8, , Keçebaş, A., Alkan, M.A., Bayhan, M., Thermo-economic analysis of pipe insulaion for disric heaing piping sysems, Applied Thermal Engineering, 3, , Zaki, G.M., Al-Turki, A.M., Opimizaion of muli-layer hermal insulaion for pipelines, Hea Transfer Engineering, 2, 63-70, Wechsaol, W., Lorene, S., Bejan, A., Tree-shaped insulaed designs for he uniform disribuion of ho waer over an area, Inernaional Journal of Hea and Mass Transfer, 44, 3-323, Kalyon, M., Sahin, A.Z., Applicaion of opimal conrol heory in pipe insulaion, Numerical Hea Transfer Par A- Applicaions, 4, , Sahin, A.Z., Opimal insulaion of ducs in exraerresrial applicaions, Inernaional Journal of Energy esearch, 28, , Sahin, A.Z., Kalyon, M., The criical radius of insulaion in hermal radiaion environmen, Hea and Mass Transfer, 40, , Özürk, İ.T., Karabay, H., Bilgen, E., Thermo-economic opimizaion of ho waer piping sysems: A comparison sudy, Energy, 3, , Karabay, H., The hermo-economic opimizaion of ho-waer piping sysems: A parameric sudy of he effec of he sysem condiions, Srojniski Vesnik-Journal of Mechanical Engineering, 53, , Dağsöz, A.K., Yüksel, H.M., Borulardaki ısı kayıpları ve yalıım örnekleri, 4. Ulusal Tesisa Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, İzmir, 68-69, 4-7 Kasım Holman, J.P., Hea ransfer, McGraw-Hill Book Co., New York, Büyükalaca, O., Bulu, H., Yılmaz, T., Analysis of variablebase heaing and cooling degree-days for Turkey, Applied Energy, 69, , Başoğul, Y., Keçebaş, A., Economic and environmenal impacs of insulaion in disric heaing pipelines, Energy, 36, , Keçebaş, A., Deerminaion of insulaion hickness by means of exergy analysis in pipe insulaion, Energy Conversion and Managemen, 58, 76-83, Teknik Yayıncılık A.Ş., Yakı fiyaları, Tesisa Enerji Teknolojileri ve Mekanik Tesisa Dergisi, hp:// [Erişim arihi: 20/03/202]. 9. Keçebaş, A., Performance and hermo-economic assessmens of geohermal disric heaing sysem: A case sudy in Afyon, Turkey, enewable Energy, 36, 77-83, Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley Inerscience, New York, 2006.