Çok düşük ısı yoğunluğuna sahip alanlar için merkezi ısı pompası ve yerel yükselticiler ile birlikte ultra düşük sıcaklıklı bölgesel ısıtma sistemi: Danimarka'da gerçek bir vaka üzerinde analiz HASRET ŞAHİN ISI EKONOMİSİ
Makale Hakkında 2018 yılında Energy dergisinde yayımlanmış. Çalışma Danimarka Teknik Üniversitesi (DTU) İnşaat Mühendisliği Departmanı tarafından yapılmıştır. Anahtar Kelimeler Ultra-low temperature district heating, ground source heat pump, exergy, distribution heat loss, renewable heat source, local boosters Düşük sıcaklıklı bölgesel sistemler, yenilenebilir enerjiyi ısı kaynağı olarak kullanılmasına izin vermekte, ısı dağıtım verimini arttırmaktadır. Ekserji açısından ise konutlarda alan ısıtma ve sıcak su kullanımında ekserji talebini karşılamaktadır. Bu çalışmada, gerçek bir vaka analizi olup, Danimarka nın Bjerringbro kasabasında gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada ultra-düşük sıcaklıklı bölgesel sistemler kullanılmıştır ve gerçekleştirilen çalışmada oluşturulan konfigürasyonda sistem ısı üretimi için merkezi ısınma sistemi ve sıcak suyun sağlanması için tüketici tarafında yer alan yükselticiler ile birleştirilmiştir. Çalışmada enerji, ekserji ve ekonomik analizler yapılmış ve 2 senaryo kurulmuş ve birbiri ile karşılaştırılmıştır. Ölçümler 1 yıl boyunca alınmıştır (Mayıs 2015- Nisan 2016).
Metodoloji Isıtman ve soğutma 21 yerleşim merkezi (konut) Legionella (bakteri) CHP (heat output capacity=15 MW) Heat boiler (heat output capacity= 29 MW) Sanayi tüketicilerinin için gerekli soğuk yeraltı suyu(6-12 o C) mevcut jeotermal enerji kullanarak yeraltından çekilmektedir. Ardından, elde edilen atık ısı merkezi ısı pompaları ile yerleşim merkezlerine dağıtılmaktadır. İşletme zamanın büyük bir çoğunluğunda ısı pompası sonrası sıcaklık değeri 47 o C gözlemleniyor. Dış sıcaklığın 5 o C altında olduğu durumlarda, dış sıcaklıktaki her 1 o Cdüşük için, bölgesel ısıtma talebi 1 o Carttığı kabul edilmiştir. ULTDH şebekesine bağlı tüm evler, kullanım sıcak suyunun sıcaklığını istenen seviyeye yükseltmek için yerel yardımcı ısıtma cihazlarına sahiptir.
Ani sıcaklık değişimlerinden kaçınmak için toprak kaynaklı ısı pompası Haziran-Eylül aylarında işletme dışı bırakılmaktadır. ULTDH sistemlerinde merkezi ısı pompaları tüm sistemin yıllık ısı talebini karşılamak için yetersiz kaldığından bölgesel yükselticiler kullanılmaktadır.
Yenilenebilir enerji olarak jeotermal enerji baz alınmıştır. Isı pompasının COP, ε r olarak tanımlanıyor. COP değerinin yüksek olması, yenilebilir enerjinin daha etkin rol oynaması anlamına gelmektedir. ULTDH şebekesinin dağıtım verimini ölçmek için aynı zamanda tüketici tarafında da ölçümler gerçekleştirilmiştir. q hl, bağıl ısı dağıtım kayıpları ; ε grid dağıtım verimliliğidir.
Ekserji analizinde ise enerji girdisi ve çıktısı arasındaki fark, ısı kaybı olarak alınmıştır. Ortalama ortam sıcaklığı 7 o C alınmış ve referans sıcaklık olarak kullanılmıştır. Elektrik bölgesel olarak tüketildiği bilindiğinden, iletim kayıpları göz ardı edilmiştir.
Sonuçlar ULTDH şebekesinde farklı enerji kaynaklarının kullanılması Isı tedariğinde jeotermal enerji daha baskın olurken, diğer enerji kaynakları talebin yükselmesi / sistem dengesizliği durumunda kullanılmıştır. Isı pompası COP değeri 3.35-5.04 arasında değişmektedir. ULTDH şebekesine verilen toplam enerjinin % 59 u yenilenebilir enerjidir. CHP ve heat boiler, doğalgaz kullanımı %21 dir. Isı pompasının çalışmasında harcanan elektrik oranı ise %18 dir. Bölgesel yükselticilerde ise elektrik kullanımı %3 olarak hesaplanmıştır.
ULTDH şebekesinin dağıtım verimi Özellikle kış aylarında dağıtımın veriminin aynı düzeyde olduğu görülmüştür. En yüksek dağıtım verimi %75 olarak hesaplanmıştır. Yaz aylarında verimin düşmesinin nedeni toplam ısı talebinin düşmesi ile ilgilidir.
Ekserji analizi Mekânsal ısıtma ve sıcak su kullanımı için tüketilen ekserji faktörleri hesaplanmıştır. Mekânsal ısıtma için %5, sıcak su kullanımı için %7. Hesaplamalar sonucunda dağıtım veriminin ekserji performansı üzerinde önemli bir kriter olduğu bulunmuş, ekserji verimliliğinin özellikle kış aylarında en yüksek değere ulaştığı gözlemlenmiştir.
Sıcak su kullanımı ve bölgesel yükselticiler Tüketicilerin isteklerine göre bölgesel yükselticiler kullanılarak farklı kombinasyonlar denenmiştir. Sıcak su kullanım cihazlarına ve belirli sistem noktalarına termometre takılmıştır. 5 farklı sisteme sahip ev için Haziran 2015- Mart 2016 ya kadar ölçüm yapılmıştır. Sıcak su hazırlama için kullanılan ısı, ısıtma amacıyla kullanılan toplam enerjinin %5-13 harcamaktadır.
Farklı senaryoların karşılaştırılması 3 senaryo da dağıtım verimi hemen hemen aynı çıkmıştır (ULTDH ve LTDH; %66 ve %67, MTDH sadece %8 oranında daha düşük). Ekserji analizinde ise oranlar değişmektedir. LTDH daha yüksek ekserji verimine sahip olmasının nedeni öncelikle suyun ısıtılmasında kullanılmamasıdır. Sadece mekânsal ısıtma için kullanılmıştır. Bu nedenle, ekserji girdisi sadece bölgesel ısıtmadır. ULTDH sistemi geleneksel sisteme göre daha verimli olduğu görülmektedir. Düşük ısı yoğunluklu alanlar için ULTDH sisteminin daha verimli olduğunu göstermektedir.
3 senaryonun ısıtma açısından ekonomik değerlendirmesi Yenilenebilir enerjinin kullanılması sayesinde ULTDH sistemi diğer sistemler göre birim maliyet açısından avantajlıdır. GSHP için yatırım maliyeti ve geri ödeme süresi hesaplamalara dahil edilmemiştir.
Özetle Merkezi toprak kaynaklı ısı pompası ısı üretimi için kullanılmaktadır. Yapılan çalışma UTDH sisteminin farklı enerji kaynakları ve sistemlerle entegrasyonunu içermektedir. 1 yıl boyunca sadece ölçümler yapılmıştır. Yılın büyük bir çoğunluğunda ısı talebini karşılamak için ısı sıcaklık değeri 47oC tutulmuştur. Düşük ısı yoğunluklu alanlarda dağıtım kayıpları göz ardı edilmiştir. ULTDH sisteminin verimliliği %45-75 arasında değişmektedir. Farklı yerel yükselticiler ile, sıcak su kullanımı için enerji tüketimi %5-13 arasında kalmıştır. Maksimum ekserji verimliliği ULTDH sistemi için %34 olarak hesaplanmıştır. ULTDH ve LTDH sistemlerinin dağıtım verimi hemen hemen yakındır ancak ekserji analizinde LTDH sistemi daha fazla ekserji verimine sahiptir. ULTDH sistemi maliyet açısından diğer sistemlere göre daha avantajlıdır.
MAKALE X. Yang and S. Svendsen, Ultra-low temperature district heating system with central heat pump and local boosters for low-heatdensity area : Analyses on a real case in Denmark, vol. 159, pp. 243 251, 201 DOI:https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.06.068 0360-5442/ 2018 Elsevier Ltd. All rights reserved.