Bina Isıtmada Enerji Tüketiminin Optimum Kontrolü JAGA Araştırması

Transkript

1

2 Bina Isıtmada Tüketiminin Optimum Kontroü JAGA Araştırması İç mekan ısıtma ve soğutma sistemerinde enerji tüketiminin kontro edimesi ısınma ve ikimeme teorisinde daima önemi ro oynayan bir konu omuştur. Günümüzde sadece ısıtma/ikimeme işeminin kontroünden de öte enerji tüketiminin en optimum düzeyde kontroünü gerektiren geişmiş ısıtma/ikimeme teknoojisinin bir sonucu oarak bu konu daha da önem kazanmıştır. Akıı binaarda bu agoritmaya uygun bigisayar teknoojisi kuanımı ısıtma ve soğutma sürecini optimum düzeye çıkarabiir. Çoku mod ısıtma fonksiyonarı ısıtma kontroünde anamı bir öneme sahiptir. İdari bina, oku, tiyatro, sinema, yereşim aanarı ve üretim tesiseri gibi neredeyse tüm modern tesiserde ısıtmaya harcanan enerji tüketiminden tasarruf etmek için, ısıtma sistemerinin günün bei saaterinde ve hafta sonu ve tatierde norma sıcakıkarın atına düşürümesi gerekmektedir. Ayrıca tesisin düzeni işeyişi için açıdığı zamanarda da sıcakık koşuarının normara uygun oması gerekir. Sıcakığın norma değererin atına düşürüdüğü bu ısıtma şeki çoku mod ısıtma oarak adandırımaktadır. Aci durum hainde enerji kaynağı kesidiğinde de benzer bir durum meydana gemektedir. Pratik anamdaki önemi dikkate aınarak çoku mod ısıtmanın kuanımı hakkında çok şey yazımıştır. Probem binanın ısı dengesi ie igii kasik sadeeştirme varsayımarı yapıarak başangıçta L.S. Pontriagin [4] tarafından önerien yönteme çözüür. Bir binayı ısıtırken binadaki ik sıcakık ie gereki sıcakıkar arasındaki değişim zamanı minimum oduğu zaman enerji tüketimi de minimuma indirimiş our ( maksima hızı hareket yöntemi). Konut ya da sosya binaarın çoğunuğunda, ısıtma için harcanan enerjinin minimuma indirimesi aşağıdaki iki ifadenin yerine getirimesi ie sağanabiir: İfade BİR: Binanın mevcut ısıtma cihazarının maksimum gücü kuanıarak ısıtıması gerekir. İfade İKİ: Binanın ısıtıması çevreden en yüksek ısıtma kapasitesiye başatımaıdır. Bu birçok durumda bir kura oarak en çok soğuyan çevreeyen yapıarın iç yüzeyeriye igiidir (bu durumda ısıtma süresinin minimuma indirimesi örneğin konveksiyon takip jeteri aracıığıya çevreeyen yapıarın iç yüzeyerini hıza ısıtarak gerçekeştiriebiir). Güç tüketimi kontroünün optimuma uaşması için BİR ve İKİNCİ ifadeerin eş zamanı oarak yerine getirimesi gerekir. Bir binanın ısıtımasında (hava artık çevreeyen yapıar) yukarıda bahsedien ifadeerden sadece birinin yerine getirimesi geneike optimumdan çok uzak bir sonuç yaratmaktadır. Yazan: Y. A. Tabunschikov, Teknik Biim Doktoru, Muhabir üye Rusya Mimarık ve Yapı Biimeri Akademisi; Kenneth Van De Vede, Jaga N.V. Ancak, bahsedien çözümün sadece bei yönerinin uyguanması uyguamaı matematikçier arasında ciddi bir şüphe yaratmakta ve daha faza kanıtama gerektirmektedir. Önemi matematik profesörerinden U. F. Korobejnik in prof. U. A. Tabunschikov [5, 6] ie yaptığı çaışmasında sonuçarın doğruuğu saptanmıştır. Ayrıca, matematikse bir sonuç doğrudan hesapamaar kanıtanmadığı veya spesifik deneyse araştırmaarda teyit edimediği sürece biimse araştırmacıar ve uzmanar için inandırıcı oamaz. Sonuçarın doğrudan hesapamaara teyit edimesi için kompike matematikse simuasyon yazıımarının kuanıması şarttır. Ve bu da tamamen farkı özeikte bir çaışmadır. Doayısıya, geriye kaan tek seçenek spesifik bir deney yapma oanağı yaratmaktır. Deneyin amacı bizim çözümümüz ie beirenen optimum enerji tüketim kontroünün ve ortaya çıkan BİR ve İKİ ifadeerinin etkiniğini göstermektir. Bu da bei bir binayı ısıtmak için kuanıan enerjinin nice oarak karşıaştırıması youya yapıabiir. 92

3 Deneyi yapmak ve BİRİNCİ ifadenin (Binanın mevcut ısıtma cihazarının maksimum gücü kuanıarak ısıtıması gerekir) kontro edimesi için, iki özdeş tesisin oması ve tesiserin farkı enerji kaynakarı uyguanarak eş zamanı ısıtıması işeminin organize edimesi gerekmektedir. 8 m Aksi takdirde, sadece bir kaynak kuanıması durumunda deneyin iki aşamaya böünmesi ve iki aşama için farkı güç seviyeeri sağayan bir kaynağın kuanıması gerekir. İKİNCİ ifadenin (Binanın ısıtıması çevreden en yüksek ısıtma kapasitesiye başatımaıdır) kontro edimesi için özdeş ısıtma cihazarına sahip iki özdeş tesisin oması gerekmektedir. Birinci durumda iki özdeş ısıtma cihazı söz geimi yoğun konveksiyon jeteri youya ik oarak çevreeyen yapıarın iç yüzeyerini ısıtacak ve diğer durumda ise ik oarak tesisin iç havasını ısıtacaktır Beçikaı Jaga NV şirketi deneyi bahsedien koşuarı sağayan araştırma merkezerindeki ikim bömesinde yapmayı tekif etti. İkim bömesinde her biri 4m x 4m boyutunda ve eğimi çatısı ve 2,7-3,7m. yüksekiği oan iki özdeş tesis buduk. İkim bömesinde hava sıcakığını arasında tutmak mümkün omuştur. 2. duvarda 12,60 m²; 3. duvarda 1,56 m²; 4. duvarda 2,52 m² omak üzere pencere açıkıkarı mevcuttur. Aüminyum pencere tabanarının ve çoku cam üniteerde doduru- 15 m Şeki 1. İkim bömesi diyagramı ve deney yapıacak tesiser, ısıtma cihazarı ve sıcakık sensöreri panı. muş ve özdeş ısı transferi rezistans katsayısı Tesiser 400 mm yüksekik ve mm boyunda bakır aüminyum konvektörer şekinde JAGA 0.6m²./W e eşit omuştur. Tempo ısıtma cihazarı (tip 11) ie donatımıştır. Duvararın kaınığı 300m dir. Özdeş ısı transferi rezistans katsayısı duvarar için ise 2.7 üst-ve-üzeri paneerden ouşmaktadır. Isı Isıtma cihazı bir ısı eşanjörü (değiştirici) ve m²./w döşeme için ise 2.6 m²./w. Tesiserde herhangi bir hava aışverişi yoktur. daire şekinde bir bakır borudur. eşanjörü aüminyum paeteri oan kaynaksız Herbir tesisteki sıcakığın öçümesi için, aşağıdaki araçar kuanımıştır: siste ise 1. duvarın yanında çevreeyen yapıara 1. tesiste ısıtma tesisin ortasına, 2. te- bitişik yereştirimiştir (Şeki 1). İçerideki hava sıcakığının öçümü için tesiserin yüksekik uzantısındaki beş noktaya (I, Isıtma cihazı üzerine ısı verme kapasitesini II, III, IV, V) yereştirimiş 25 sensör; I, II, III, arttırmak ve konveksiyon jeterini çevreeyen IV sensöreri duvar yüzeyinden 27 cm uzağa yapıarın iç yüzeyine doğru yönendirmek (ısıtma yereştirimiştir; cihazının duvara bitişik oduğu yererde) için 1. Duvar iç yüzeyinin sıcakığını öçmek için 5 sensör; 2. pencere iç yüzeyini öçmek için 5 sıcakık sensörü. Tesiserdeki sıcakığı öçecek sensörer beş farkı seviyede yereştirimiştir: tabandan 0.1 m, 0.6 m, 1.1 m, 1.6 m ve 2.1 m yüksekikte (Resim2). Resim 1. JAGA araştırma merkezi ikim bömesinin gene tasağı Sıcakık sensörerinin yereşim panı resim 1 de gösterimiştedir. Çevreeyen yapıarın iç yüzeyindeki sıcakık sensöreri norma rakamara, içerideki hava sıcakık sensöreri ise Roma rakamarı ie gösterimiştir. Resim 2. Pencere düzeni iç yüzeyi üzerindeki sıcakık sensöreri. 94

4 1. Tesis Tesis Temp: 19,95 Temp: 18,48 Return: 58,00 :81,70 Return: 8,82 : 8,44 R1 R4 R1 R4 Return: 59,68 :51,00 Return: 10,56 : 11,28 22,76 22,86 23,32 23,63, 22,33 21,95 22,61 22,05 22,02 22,08 20,37 21,70 20,96 21,39 19,53 20,12 19,34 19,93 18,16 19,56 18,03 17,96 17,32 18,12 15,12 13,85 11, ,03 13,05 12,96 01:59:52 Resim 3. Isıtma cihazı üzerine kuruan JAGA DBE gerekir) Testinin sonuçarı Tabo 1 ve 2 de gösterimektedir. 1. ve 2. taboarı inceersek göreceğiz ki: Şeki 2. Deney sonuçarının ekran üzerinde gösteriişi. ayaranabiir dönüş hızına sahip fanar youya JAGA nın DBE ( Dinamik Kadırma Etkisi ) (Resim 3) kurumuştur. İkim bömesine bitişik oan tesise yereştirimiş gaz ısıtıcı ie ısıtıan su ısıtma yakıtı oarak kuanımaktadır. Isıtma cihazarına ısıtıcı yakıt aynı kaynaktan tedarik edidiği için her iki ısıtma cihazının sıcakıkarı aynı kaır. Giriş ve çıkış sıcakıkarının yanı sıra herbir ısıtma cihazındaki anık su Akışı da sensörer yardımıya kontro ediir. Tesisin ısıtıması için enerji tüketimi giriş ve çıkış sıcakıkarına ve su akış miktarına (tüketien ısıtma yakıtının) göre hesapanır. Farkı ısı enerjisi seviyeeri ve ısıtma cihazarının (konvektörer) farkı konumandırıması ie ortaya çıkan enerji tüketimi anaiz sonuçarı Tabo 1.5 de gösterimiştir. Tesiste beirenmiş bir sıcakığa uaşmak için gereken enerji tüketimi ısıtma verimiiğinin öçüsü oarak kabu ediir. Tesisin sıcakığı formü (5) ie hesapanır. Deneyin anaşıması için önemi oan iki duruma da dikkat çekmek gerekir. Bunardan birincisi zamanın kısıtı oması bu yüzden de tesiserin 13 veya 15 yerine 0 den başanarak tipik sınırar dahiinde ısıtımasıdır. Öte yandan, bu durum sadece deneyerin önemini etkiemeke kamaz anamıığına da arttırır. İkinci durum ise cihaz yüzeyi ie tesisteki hava arasındaki sıcakık diferansiyeinden doayı deney işemi süresince cihazdaki ısı çıkışının değişebimesidir. Bu deneydeki otomatiker de sıcakık ısı yakıtı tüketiminin tam kontroünü sağayacak donanımda değidir. Ancak, bu dagaanmaar 5 in üzerine çıkmayacak ve doayısıya nihai sonuçarımızı etkiemeyecektir. BİRİNCİ İfade (Binanın mevcut ısıtma cihazarının maksimum gücü kuanıarak ısıtıması Tabo 1. Isıtma Cihazının Tesisin Ortasına Yereştirimesi Durumunda Tesisin Isıtıması Için Gereken Tüketimi Anaizi Sonuçarı Cihazın ısı gücü, Sıcakık tüketimi Isınma için harcanan süre Saat:dakika dan 9 a : dan 9 a : Tabo 2. Isıtma Cihazının Çevreeyen Yapıarın Iç Yüzeyine Yereştirimesi Durumunda Deney Sonuçarı Cihazın ısı gücü, Sıcakık tüketimi I sıtma cihazının tesisin ortasına yereştirimesi ve ısı gücünü 1.5 tan 4.7 ye yüksetmemiz durumunda tesisi 0 dan 9 ye kadar ısıtarak ve ısınma süresini 3 saat 41 dakikadan 34 dakikaya düşürerek harcanan enerjiden 53 tasarruf etmek mümkün omaktadır; Isıtma cihazının tesisin dış yapıarının iç yüzeyine yereştirimesi durumunda, ısı gücünü 1.7 den 5,1 ye çıkarınca tesisi 0 dan 9 ye kadar ısıtarak ve ısınma süresini 2 saat 26 dakikadan 28 dakikaya düşürerek harcanan enerjiden 42 tasarruf etmek mümkün omaktadır. Isınma için harcanan süre Saat:dakika dan 9 a : dan 9 a :

5 Tabo 3. Cihazın Tesisin Ortasına (1. Tesis) Ve Çevreeyen Yapıarın Iç Yüzeyine (2. Tesis) Yereştirimesi Durumunda Isı Tüketimi ve Isınma Süreerinin Karşıaştırıması Cihazın ısı gücü, Sıcakık (1. tesis) (2. tesis) tüketimindeki azama, 1. Tesisin ısınması için harcanan süre, s:dk Süre 2. Tesisin ısınması için harcanan süre, s:dk azama, dan 9 a :34 0: dan 22 ye :07 4: İKİNCİ ifadenin (Binanın ısıtıması çevreden en yüksek ısıtma kapasitesiye başatımaıdır) test sonuçarı Tabo 3 te gösterimektedir. Tabo 3 ü inceersek çevreenen yapıarın iç yüzeyine yereştirimiş (2. tesis) özdeş ısı güçerine sahip ısıtma cihazarının tesisin ortasına yereştirien (2. tesis) cihazara kıyasa daha faza enerji tasarrufu sağadığını göreceğiz (Resim 4): Tabo 4. Isıtma Cihazının DBE Sistemi Varken ve Yokken Tüketimi ve Isınma Süreerinin Karşıaştırıması Isıtma Cihazın ısı gücü, Sıcakık Tesisin ısınması için harcanan süre, s:dk azama, DBE yokken dan 22 ye : DBE varken dan 22 ye : Tabo 5. Isıtma Cihazının Tesisin Ortasına Yereştirimesi ve DBE Sistemi Omadan Çaıştırıması ve Isıtma Cihazının Çevreeyen Yapıarın Iç Yüzeyine Yereştirimesi ve DBE Sistemiye Birikte Çaıştırıması Durumunda Tüketimi ve Isınma Süreerinin Karşıaştırıması Isıtma Cihazın ısı gücü, Sıcakık Tesisin ısınması için harcanan süre, s:dk azama, DBE yokken dan 9 a : Resim 6. Isıtma cihazı dış yapıarın iç yüzeyine yereştirimiş DBE varken dan 9 a : Tesisi 0 dan 9 ye ısıtarak 10.4 tasarruf sağayıp ısınma süresini de 34 dakikadan 28 dakikaya düşürüyoruz; Tesisi 0 dan 22 ye ısıtarak 37.9 tasarruf sağayıp ısınma süresini 8 saat 7 dakikadan 4 saat 33 dakikaya düşürüyoruz. Isıtma cihazının DBE kuruumu buunan ve buunmayan çevreeyen yapıarın iç yüzeyine yereştiridiği tesiserde yapıan deneyin sonuçarı Tabo 4 te gösterimektedir. Tabo 4 ü inceeyince ısıtma cihazına DBE kurumasının tesisi 0 dan 22 ye ısıtınca 42.5 enerji tasarrufu ve ısınma süresinde 4 saat 33 dakikadan 1 saat 54 dakikaya düşüş sağadığı görümektedir. Optimum ısıtma kontroü çözümeri ve BİR ve İKİ ifadeerininin (Binanın mevcut ısıtma cihazarının maksimum gücü kuanıarak ısıtıması gerekir ve Binanın ısıtıması çevreden en yüksek ısıtma kapasitesiye başatımaıdır) sonuçarını test etmek için yapıan deneyse çaışmaar Tabo 5 te gösterimektedir. Tabo 5 teki rakamar enerji tasarrufunun 72.7 ye yüksediğini göstermektedir. Sonuçar 1. Yapıan deneyer optimum tüketim kontroü sırasında görevi çözümemek için BİRİNCİ ve İKİNCİ ifadeerdeki kuraar uyarınca odukça yüksek enerji tasarruf değereri (50 den faza) ede edidiğini göstermiştir. 2. Deneyerden ede edien enerji tasarruf rakamarının odukça omasına rağmen tesisteki optimum enerji dağıtım akışarının derin bir inceeme ortaya çıkarmış oması şartıya bir başka spesifik örnekte daha faza enerji tasarrufu sağanabiir. 3. Optimum enerji tüketimi kontroü probemine yazarar [1, 2, 3] tarafından getirien çözüm yüksek enerji tasarrufu özeikeri oan yeni ısıtma ve soğutma sistemerinin geiştirimesi için teme teşki edebiir. 100