Abs tract: Key Words: Berrin KARAÇAVUŞ

Transkript

1 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 71 Güneş Enerjili Su Isıtma Sisteminin Optimizasyonu Berrin KARAÇAVUŞ Abs tract: ÖZET Bu çalışmada güneş enerjisinin en yaygın uygulamalarından olan sıcak su ısıtma sisteminin optimizasyonu yapılmıştır İzmir, Trabzon ve Hakkâr illerinin iklim verileri referans alınarak güneş enerjili su ısıtma sistemi için optimum kollektör yüzeyi ve optimum kollektör eğim açısı belirlenmiştir Sistem tasarımı ve optimizasyonu TRNSYS17 (Transient System Simulation Program) de yapılmıştır Belirlenen optimum değerler yardımı ile sistemin analizi yapılmıştır Her üç ile ait; güneş enerjisinden faydalanma oranı, ortalama kollektör verimi, yardımcı ısıtıcı yükü ve sistemin enerji değişimleri aylara göre verilmiştir Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, Sıcak su, Optimizasyon, Güneş karşılama oranı, Yardımcı ısıtıcı 1 GİRİŞ Güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sıcak su üretme sistemleri, ülkemizde çoğunlukla Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmaktadır Ancak ülkemizin zengin güneş enerjisi potansiyeli göz önüne alındığında, diğer bölgelerde de kullanımının arttırılması gerekmektedir Halen ülkemizde kurulu olan güneş kolektörleri miktarı 12 milyon m 2 olup, yıllık üretim hacmi 750 bin m 2 dir ve bu üretimin bir miktarı ihraç edilmektedir Güneş enerjisinden ısı enerjisi yıllık üretimi 420 bin TEP civarındadır Bu hali ile ülkemiz dünyada kayda değer bir güneş kolektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır [1] Ancak bu kurulu alan ülke nüfusu ile orantılandığında, kişi başına düşen güneş enerjisi miktarı düşük değerdedir Genel olarak güneş enerjisi sistemleri yüksek ilk yatırım maliyetleri buna karşın düşük işletme maliyetleri ile karakterize edilirler Ancak günümüzün rekabetçi piyasasında, güneş enerjili su ısıtma sistemleri için çok çeşitli ve fiyat olarak uygun alternatifler bulunmaktadır In this study, an optimization of solar domestic hot water system which is the most common application of solar energy has been carried out Optimum collector area and slope of collector have been determined by reference to climate data of İzmir, Trabzon and Hakkari provinces System design and optimization have been done by using TRNSYS17 (Transient System Simulation Program) Analysis of the system has been done by using determined optimum values Solar fraction, mean efficiency of collector, load of auxiliary heater and variation of energy of the system have been given according to months for each provinces Key Words: Solar energy, Hot water, Optimization, Solar fraction, Auxiliary heater Tesisat Mühendisliği - Sayı Mart/Nisan

2 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 72 Dolayısı ile akademik çalışmaların dışında, bu konuda halkın bilinçlendirilmesi gerekmektedir Bu çalışmada, Türkiye de üç değişik iklim bölgesinde bulunan üç ilin iklim verileri referans alınarak güneş enerjili su ısıtma sistemi için optimum şartlar belirlenmiştir Sistem tasarımı ve simülasyonu TRNSYS 17 (Transient System Simulation Program) de yapılmıştır 2 SİSTEM TANIMI Evlerde, kullanım sıcak suyunu güneş enerjisinden karşılayan bir ısıtma sistemi tasarımı yapılmıştır Sistemde İzmir, Trabzon ve Hakkari illerinin iklim verileri referans alınmıştır Sistemin simülasyonu TRNSYS 17 de yapılmıştır Sisteme ait tesisat şeması Şekil 1 de verilmiştir Her üç il için güneş enerjili sıcak su ısıtma sisteminin belirtilen iklim verilerinde, kolektör alanı ve kolektör eğimine göre optimizasyonu yapılmıştır Optimum şartlarda kolektör verimi, güneş enerjisinden faydalanma oranı, yardımcı ısıtıcı yükü ve sistemin enerji değişimi aylara göre değerlendirilmiştir Sistem de düzlemsel güneş kollektörleri kullanılmıştır Genel olarak Duffie ve Beckman kolektör verimini; Q U mc pl (T o T i ) (T i T o ) h = = = F R (ta) n F R U L (1) Al T Al T l T olarak vermişlerdir [2] Kolektör ısı kayıp katsayısı U L değişkendir Bu nedenle kolektör verim ifadesi lineer olarak Q U mc pl (T o T i ) (T i T o ) h = = = F R (ta) n F R U L Al T Al T l T (T i T o ) 2 F R U L/T (2) l T ifade edilmiştir Eşitlik (2); ( T) ( T) h = a 2 0 a 1 a 2 (3) l T l T haline dönüşür Kolektöre ait parametreler Tablo 1 de verilmiştir Tablo 1 Kolektöre ait parametreler Genel olarak sistem güneş kollektörü, sıcak su depolama tankı, sirkülasyon pompası, otomatik kontrol ünitesi, hava veri dosyası, gerekli eşitlikler, online grafik çizici, yazıcı ve optimizasyon ünitesinden oluşmaktadır Şekil 1 Sistem şeması 72 Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran 2012

3 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 73 Sıcak su tüketiminin gün içindeki değişimi Şekil 2 de verilmiştir Şekil 3 Şebeke suyu sıcaklığının aylara göre değişimi Şekil 2 Günlük sıcak su tüketimi Sabit hızlı bir sirkülasyon pompası kolektör ile sıcak su depolama tankı arasındaki akışı sağlamaktadır Akışkanın debisi kolektör alanına bağlıdır ve birim kolektör alanı başına sabit bir debi sağlamaktadır Pompaya ait parametreler Tablo 2 de verilmiştir Tablo 2 Pompaya ait parametreler Sıcak su depolama tankının enerji dengesi Eşitlik (3) deki şekilde ifade edilebilir [3] du = Q i + Q aux Q L Q loss (4) dt Sıcak su depolama tankına ait teknik özellikler Tablo 3 de verilmiştir Tablo 3 Sıcak su depolama tankı teknik özellikleri Bir diferansiyel kontrol elemanı, kollektör çıkış sıcaklığı ile depolama tankı su sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı 10 C olduğunda devreye girer İki sıcaklık arasındaki fark 2 C ye düştüğünde veya depolama tankındaki su sıcaklığı 100 C olduğunda devre dışı kalır Her üç il için şebeke suyu sıcaklığının aylara göre değişimi Şekil 3 de verilmiştir Sistemde ısıl tabakalaşmalı sıcak su depolama tankı kullanılmıştır Sıcak su depolama tankı iki adet yardımcı ısıtıcı içermektedir Birinci yardımcı ısıtıcı tankın üst yarısındaki su sıcaklığını 55 C de tutmak için kullanılır kj/h ısıtma kapasitesindedir İkinci yardımcı ısıtıcı kj/h ısıtma kapasitesinde olup tankın alt yarısındaki su sıcaklığını 40 C de tutmak için kullanılır 3 YÖNTEM 31 Eğimli Yüzeye Gelen Işınım Değerlerini Hesaplama Yöntemi Bu çalışmada Perez vd tarafından geliştirilmiş eğimli yüzey ışınım modeli kullanılmıştır Eğimli yüzeye gelen toplam ışınım, eğimli yüzeye gelen direkt, difüz ve yansıyan ışınımların toplamı olmak üzere aşağıdaki eşitlikte verilmiştir l T = l bt + l dt + l gt (5) Eğimli yüzeye gelen difüz ışınım a l dt = l d [05(1 F 1 )(1 + cosb) + F 1 ( ) + F 2 sinb] (6) c Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran

4 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 74 şeklinde verilmiştir l d yatay yüzeye gelen difüz ışınımdır Eşitlik (6) da yer alan indirgenmiş parlaklık katsayıları F 1 ve F 2, gökyüzü berraklığı є ve gökyüzü parlaklığı nın fonksiyonu olarak aşağıda tanımlanmıştır F 1 = F 11(є) + F 12(є) + F 13(є) q z (7) F 2 = F 21(є) + F 22(є) + F 23(є) q z (8) Gökyüzü berraklığı, q z güneş zenit açısı olmak üzere eşitlik (9) da verilmiştir (l d + l dn ) q 3 2 l є = d (9) [ q 3 2] Gökyüzü parlaklığı, I 0 yatay yüzeye gelen atmosfer dışı ışınım olmak üzere Eşitlik (10) ile tarif edilmiştir [4] l d = (10) l 0 Güneşin etrafında dönenen bölgenin açısal konumu a/c oranı ile aşağıdaki eşitlikte verilmiştir a max(0,cosθ) = (11) c max(cos85,cosθ z ) Eşitlikte yer alan θ, direkt ışınımın yüzeye geliş açısıdır 32 Optimizasyon Yöntemi Optimizasyon ünitesi; maliyet fonksiyonunun minimizasyonu için harici bir simülasyon programı (Genopt) tarafından değerlendirilen optimizasyon programıdır Bu çalışmada Genopt Hooke-Jeeves algoritması kullanılmıştır (Şekil 4) Optimizasyon problemlerini (burada maliyet fonksiyonu) hesaplamak pahalıdır ve türevleri mevcut olmayabilir GenOpt, kullanıcı tarafından seçilen bir optimizasyon algoritması ile kullanıcı tarafından tanımlı maliyet fonksiyonunun optimizasyonunu yapar En genel halde optimizasyon problemleri aşağıdaki gibi ifade edilebilir Şekil 4 Yazılım yapısı X: Kullanıcı tarafından tanımlı kısıt kümesi f: X R kullanıcı tanımlı bir maliyet fonksiyonu Kısıt kümesi X, tüm olası tasarım seçeneklerini ve maliyet fonksiyonu f (x) sistem performansını ölçer min f(x) (12) xєx Problemin çözümü için iteratif yöntemler kullanılarak en iyi yaklaşımlarla optimal şartlarda en iyi noktalar belirlenir Bu çalışmada, maliyet fonksiyonunu minimum yapan kollektör yüzeyi ve kollektör eğim açısı belirlenmiştir Optimizasyon bir yıllık simülasyon sonuçlarına dayanmaktadır Sisteme ait optimizasyon parametreleri Tablo 4 de verilmiştir 33 Ekonomik Analiz Yöntemi Güneş enerjisi sistemlerinin maliyet analizinde kullanılan yöntem, her şeyden önce sistemin tüm yaşamı boyunca yaratacağı faydaları göz önünde bulundurmalıdır Bu tarz sistemlerinin maliyet hesabında iki faktör önemlidir Bunlardan birincisi, ilk yılda yapılan yakıt tasarrufu ile direkt orantılı olan faktör, ikincisi ise sistem için ilk yatırım, bakım ve işletim gibi artan bakiye ile direkt orantılı olan faktördür Brandemuehl ve Beckmann, güneş enerjili ısıtma sisteminin tüm yaşamı boyunca maliyeti için, bu faktörleri net şimdiki değerleriymiş gibi kullanarak aşağıdaki formülde basit bir kombinasyon yapmışlardır [2] 74 Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran 2012

5 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 75 t LCC = P 1 C FA Q AUX dt + P 2 [C A A + C E ] (13) Burada P 1, ilk yılda yakıt maliyetinde sağlanan faydanın sitemin tüm yaşamı boyunca yakıt maliyetinde sağlanan faydaya oranıdır P 2 ilk yatırımın, sistemin tüm yaşamı boyunca giderlere maruz kaldığı için ek kapital yatırımlarına oranıdır 4 SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRME Tasarlanan sistemde İzmir, Trabzon ve Hakkâri illeri olmak üzere verilen ışınım şartlarında ve belirlenen sıcak su ısıtma yükünde bulunan optimum değerler Tablo 6 da verilmiştir İzmir için örnek program çıktısı Şekil 5 de verilmiştir Tablo 6 Belirlenen optimum değerler Burada P 1 ilk yılda yakıtta sağlanan fayda ile orantılı maliyeti, P 2 ise yatırımlarla orantılı maliyeti içermektedir P 1 ve P 2 oranları sırası ile Eşitlik (14) ve Eşitlik (15) ile verilmiştir [2] P 1 = (1 Ct)PWF(N E i FCF d) (14) Tablo 4 Optimizasyon parametreleri Sistemde bir integratör yardımı ile veriler saatlik, günlük ve aylık olarak toplanmıştır Aylık kollektör verimi Şekil 6 da gösterilmiştir Tablo 5 Ekonomik analizde kullanılan parametreler En yüksek aylık kollektör verimi Ağustos ayında Hakkâri de belirlenmiştir Bu ayda kollektörde toplanan aylık enerji MJ, aylık toplam eğimli yüzeye gelen ışınım değeri ise MJ/m 2 değerindedir PWF(N min,0,d) 1 PWF(N min,0,d) P 2 = D + (1 D) (1 D)t PWF(N min,m,d) m + PWF(N L,0,m) PWF(N L,0,m) PWF(N L,0,m) CE SAL +(1 CE)M s PWF(N E,i g,d) + t(1 t)vpwf(n g,i g,d) PWF(N ḿin,0,d) (15) (1 + d) NE N D ( ) Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran

6 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 76 Şekil 5 İzmir için optimum değerler En düşük ışınım değerleri ve dış hava sıcaklığının olduğu Ocak ayında güneş enerjisinden aylık faydalanma oranı; İzmir için % 39, Trabzon için % 21 ve Hakkâri için % 16 olarak belirlenmiştir Sistemde kullanılan yardımcı ısıtıcı yükünün aylara göre değişimi Şekil 8 de verilmiştir Şekil 6 Kollektör veriminin aylara göre Sistemden aylık faydalanma oranı; QL Qaux f = QL (16) olmak üzere, Şekil 7 de verilmiştir Şekil 8 Yardımcı ısıtıcı yükünün aylara göre değişimi En düşük ışınım değerleri ve dış hava sıcaklığının olduğu Ocak ayında, kullanılan yardımcı ısıtıcı yükü; İzmir için MJ, Trabzon için MJ ve Hakkari için MJ olarak belirlenmiştir Şekil 7 Güneş enerjisinden faydalanma oranının aylara göre değişimi 76 Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran 2012 Şekil 9 da gerekli ısı yükü, kollektörden sağlanan enerji ve eğimli yüzeye gelen ışınım değerlerinin aylara göre değişimi verilmiştir

7 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 77 Şekil 9 Enerjilerin aylara göre değişimi En fazla yardımcı ısıtıcı yükünün olduğu Ocak ayında, Şekil 9 dan görüldüğü üzere eğimli yüzeye gelen aylık toplam ışınım; İzmir de MJ/m 2, Trabzon da MJ/m 2 ve Hakkâri de MJ/m 2 olduğuna göre belirlenen aylık faydalanma oranları azımsanamayacak değerlerdir Yıllık güneş enerjisinden faydalanma oranı; İzmir de % 67, Trabzon da % 49 ve Hakkâri de % 56 olarak belirlenmiştir Ülkemizde, sıcak su üretimi çoğunlukla elektrik enerjisi ve birincil enerjiler ile sağlanmaktadır Artan doğal gaz talebinin en büyük bölümünü, elektrik üretimi için doğal gaz tüketimi oluşturmaktadır Ülkemiz enerji tüketiminde %73 gibi yüksek bir dışa bağımlılık yaşamaktadır Bu noktada yerli ve yenilenebilir enerjilerin kullanım oranların arttırılması gerekmektedir Dolayısı ile belirlenen yıllık faydalanma oranları, enerji tasarrufu açısından önemlidir En az ışınım değerlerinin olduğu Aralık, Ocak, Şubat ayları da dâhil olmak üzere belirlenen faydalanma oranları direkt elektrik enerjisi veya birincil enerji ile sıcak su üretimine göre çok büyük enerji tasarrufu sağlayacaktır TEŞEKKÜR Güneş enerjisinden elektrik üretimi isimli TÜBAP projesinde, TRNSYS programının lisanlı olarak alınmasını sağlayan Trakya Üniversitesi ne teşekkürlerimi sunarım SEMBOLLER A Kolektör yüzeyi, (m 2 ) a o Optik verim,(%) a 1 Isı kayıp katsayısı 1,(kJ/h m 2 K) a 2 Isı kayıp katsayısı 2,(kJ/h m 2 K 2 ) C pf Akışkanın özgül ısısı, (kj/kgk) f Güneş enerjisinden faydalanma oranı, (%) F R Kolektör ısı taşınım faktörü β Kolektör eğim açısı, ( ) I 0 Yatay yüzeye gelen atmosfer dışı ışınım, (kj/hm 2 ) I d Yatay yüzeye gelen difüz ışınım, (kj/h m 2 ) I bt Eğimli yüzeye gelen direkt ışınım, (kj/h m 2 ) I dt Eğimli yüzeye gelen difüz ışınım, (kj/h m 2 ) I gt Eğimli yüzeye gelen yansıyan ışınım, (kj/h m 2 ) I T Eğimli yüzeye gelen toplam ışınım, (kj/h m 2 ) Q L Sıcak su yükü, (kj/h) Q Loss Sıcak su depolama tankından çevreye olan ısı kaybı, (kj/h) Q i Sıcak su depolama tankına giren enerji, (kj/h) Q aux Yardımcı ısıtıcı yükü,(kj/h) Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran

8 Berrin Karacavus:Sablon :27 Page 78 T a T o T i U θ θ z Dış hava sıcaklığı, ( C) Kolektör çıkış sıcaklığı, ( C) Kolektör giriş sıcaklığı, ( C) Sıcak su depolama tankı ısı kayıp katsayısı, (kj/h m 2 K) Direkt ışınımın yüzeye geliş açısı, (radyan) Güneş zenit açısı, (radyan) KAYNAKLAR [1] wwweiegovtr [2] Duffie, J, Beckmann, W, Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley&Sons, New York, 1991 [3] Buckles, W E, Klein, S A, Analysis of Solar Domestic Hot Water Heaters, Solar Energy, 25, , 1980 [4] Perez, R, Stewart, R, Seals, R, Guertin, T, The Development and Verification of the Perez Diffuse Radiation Model, Sandia Report, SAND , 1988 [5] Hooke, R, Jeeves, T A, Direct Search solution of Numerical and Statistical Problems, Journal of the Association for Computing Machinery, 8(2), , Tesisat Mühendisliği - Sayı Mayıs/Haziran 2012