www.tekolojikarastirmalar.com e-issn:134-4141 Makie Tekolojileri Elektroik Dergisi 28 (3) 41-48 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Düşük Sıcak Kayaklı Isı Pompaları Eerji Maliyet Aalizi Özet Murat KAYA Hitit Üiversitesi, Makie Mühedisliği Bölümü, Çevre Yolu Bulvarı: 8 193 Çorum/TÜRKĐYE mrtkaya@hotmail.com Bu çalışmada Adapazarı da kurulu bulua 231 MW kurulu gücüdeki doğal gaz çevrim satralıı yoğuşma üitesie ilave bir ısı pompası tasarımı düşüülmüştür. Đlave olarak düşüüle bu sistemi maliyet aalizi yapıldı ve tesiste üretilmesi düşüüle ısıl eerji maliyet ilişkisi değerledirildi. Yapıla birim maliyet aalizide; ilk öce ısı pompası birim yatırım maliyeti, işletme bakım maliyeti ve yılık işletme bakım maliyeti (c m ) olarak ele alımıştır. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı arttıkça kompresör işi (W komp ) değişimi irdelemiştir. Her üç birim maliyet toplamı (g T ) a bakıldığıda ise ısı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı artışıa bağlı olarak birim maliyet.7449 $/kwh da başlayarak.5553 $/kwh a kadar artış gösterdiği hesaplamıştır. Aahtar Kelimeler: Doğal Gaz Çevrimleri, Gaz Türbileri, Eerji Maliyet Aalizi, Isı Pompası 1. Giriş Adapazarı da kurulu bulua 231 MW kurlu gücüdeki doğal gaz çevrim satralıı yoğuşma üiteside çevreye atıla atık ısı bir ısı pompası yardımıyla yükseltilerek kullaımı ele alımıştır. Kurulumu plalaa bu ısı pompasıı maliyet aalizi odukça öem arz etmektedir. Đlave olarak düşüüle bu sistemi maliyet aalizi çıkartılmış ve tesiste üretile eerji ile maliyet ilişkisi değerledirilmiştir. Isı pompası sistemii, kout ısıtılmasıda kullaılması hem ekoomik bir kazaç hem de doğal kayakları koruması ve çevre kirliliğii azaltılması bakımıda öemlidir. Isı pompaları geleeksel sistemlere kıyasla ısı eerjisi giderii azaltmaktadır. Bütü elektrikli ısıtıcılara kıyasla ısı pompası öemli bir eerji kazacı sağlamaktadır. Atık ısıları kullaılabilirliği sıcak akışta ki ısıya ola talep, ısı pompası kullaımıı artırmaktadır. Isı pompaları, çevremizdeki hava, toprak ve su gibi doğal ısı kayaklarıda yararlaılarak edüstriyel uygulamalarda çokça kullaılmaktadır. Moder güç üretim tasarımı; sadece yüksek performas değil ayı zamada düşük maliyetli yatırımı öcede belirlemek zorudadır. Isı pompası ile ısıl eerji üretimii hesaplayabilmek içi satrale yapıla masrafları öcede bilimesi gerekir. Geellikle bu masraflar sırasıyla; satral yeri masrafları, satralı işaat masrafları, işletmeye başladıkta sora bahis kousu ola elektrik eerjisi masrafları, işletme ve bakım masraflarıdır. Belirli bir süre içide bu masrafları tamamı, ayı sürede üretile ısı yükü eerjisi miktarıa bölüerek, üretile birim eerji başıa maliyet hesaplaır [1]. Tesise ilave edile ısı pompasıı termodiamik bakımda icelemek yeterli değildir. Buları birde ekoomik yöü vardır. Isı pompasıı maliyeti, ürettiği eerji maliyetiyle birlikte değerledirilir. Üretile eerji mümkü olduğuca yüksek, maliyeti ise e azda tutarak e uygu çalışma şartları belirleir. Bir sistemi uygulaabilir olabilmesi içi ekoomik bakımda da uygu bir maliyette olması şarttır. Yapıla birim maliyet aalizide; ilk öce ısı pompası birim yatırım maliyeti ele alımıştır. Yatırım maliyeti (I c ) i belirleebilmesi içi ısı pompası kapasite birim maliyeti (I kbm ) i belirlemesi gerekir.
Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kayaklı Isı Pompaları Eerji Maliyet Aalizi Đşletme bakım maliyeti de oldukça öem arz etmektedir. Yılık işletme bakım maliyeti (c m ) ise ilk yıl hariç her yıl içi yaklaşık 5 $ alıarak, birim işletme-bakım maliyeti (g m ) belirlemiştir. Üçücü ise elektrik eerjisi birim maliyeti (g e ) dir. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklık değişimie göre kompresör işi (W komp ) değişimi irdelemiştir. Her üç birim maliyet toplamı (g T ) a bakıldığıda ise ısı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı artışıa göre birim maliyet.7449 $/kwh da başlayarak.5553 $/kwh a kadar artış gösterdiği hesaplamalar soucuda görülmüştür. Sistemi eerji deklemleri bir bilgisayar programıda değerledirilerek eerji ile maliyet arasıda grafikler elde edilmiştir. Düşük sıcaklıklı atık suları, ısı pompasıa kayak olarak ele ala ve buları maliyet aalizii yapa bir çok çalışma mevcuttur [2-3-4-5]. Bu çalışmaları maliyet aalizie göre ısı pompalarıı havaya göre daha yüksek sıcaklıklı bir kayakta beslemesii daha ekoomik olduğu görülmektedir. 2. Bir Değere Getirilmiş Maliyet Yötemi Tesise ilave edilmesi tasarlaa ısı pompasıı yatırım, bakım-oarım ve işletme maliyetii daha doğru olarak hesaplaabilmesi içi bir değere getirilmiş maliyet yötemi kullaılmıştır. Hagi kapasite aralığıda değerledirilecek olursa olsu, bir tesisi ekoomik açıda geliri gideride büyük olmalıdır. Sisteme ilave edile ısı pompasıı gider durumu; başta kompresörü çalışması ile elektrik eerji maliyeti, ısı pompası kuruluş maliyeti, bakım masrafı ayrıca ısı pompasıda koutlara aktarma elemaları ola borular ve izolasyoları, sirkülasyo pompaları başlıca giderleri oluşturmaktadır. Geliri ise koutları ısı pompasıda yararlaabilme miktarıı fiyatı oluşturmaktadır. Eerji Üretimi Maliyeti $/kwh = Yatırım Maliyeti Đşletme ve Bakım + $/kw q h Oarım Maliyeti + $/kw q h Elektrik Maliyeti $/kw q h m C BT T19 Buhar 1 Elektrik Motor T KGRŞ Kompr 2 Yoğ m B B SP1 m SP2 Koutl 4 KV 3 T KDON T2 Yoğuşturucu P Şekil 1. Tesis içi tasarlaa ısı pompasıa ait şematik gösterim 2.1. Yatırım maliyeti Isı pompası yatırım maliyeti (g c ) ise; bir değere getirilmiş maliyet metodua göre birim yatırım maliyeti (1) formülüde belirlemektedir [1]. t 1 1 I c 1 i+ (1+ 1 g = ($/kw c q h) (1) ( Eq ) (1+ HP 1 Burada I c toplam yatırım maliyeti ($), ömür 2 yıl olarak alımıştır, t geçe yıl, (1<t<) olmaktadır, r ıskoto oraı, i faiz oraı ifade etmektedir. Isı pompası yatırım maliyeti (I c ) literatür araştırmalarıa [6-7-8-9] göre ısı pompalarıı ortalama yatırım maliyeti kapasitesie göre değişmektedir. Isı pompası kompresör kapasitesi ile birim maliyet değişimii foksiyoel ilişkisi Şekil 1. de grafik olarak elde edilmiştir. Elde edile grafiği deklemi ise; I kbm =829,47x(W HPK ) 3 ($/kw) (2) 42
Kaya, M. Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 olarak belirlemiştir. Burada I kbm : kw başıa düşe maliyeti, W HPK : kompresör kapasitesi belirlemektedir. Ikbm ($/kw) 6 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 y = 829,47x -,3 R 2 = 1 25 5 75 1 125 15 175 2 225 25 275 3 WHPK (MW) Şekil 2. Isı pompası kapasite değişimide birim maliyet değişimi Şekil 3. de görüldüğü gibi ısı pompası yoğuşturucusuu farklı sıcaklıklarıda, kompresör kapasite değişimi 35 MW da başlayarak 293 MW a kadar artmaktadır. WHPK (MW) 35 3 25 2 15 1 5 6 8 1 12 14 16 18 Tkod (oc) Şekil 3. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişimide kompresör kapasite değişimi Isı pompası kompresör kapasite artışı beraberide maliyeti artırmaktadır. Şekil 4. de ısı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişimide ısı pompası toplam maliyet (I c ) değişimi görülmektedir. Ic ($xmilyo) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 6 8 1 12 14 16 18 Tkod (oc) Şekil 4. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişimide kompresör maliyet değişimi 43
Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kayaklı Isı Pompaları Eerji Maliyet Aalizi Şekil 4. de I c değerleri, Şekil 2. de kullaılarak bir değere getirilmiş birim yatırım maliyeti T ko i foksiyou olarak elde edilir. 2.2. Đşletme-Bakım Maliyeti Đşletme-bakım birim maliyeti (g m ) ise tesisi çalışma sırasıda ki giderleridir. Bu edele başlagıçta seçile yıllık işletme gideri sürekli artış gösterecektir. Bu artış göz öüe alıarak g m t ( C (1+ e ) ) m m = ( Eq) HP (1+ (1+ ($/kw q h) (3) formülüde hesaplamıştır [1]. C m işletmeye başlama tarihideki işletme bakım masraflarıı değeri 5 ($/yıl), e m ise % 5 satralı ömrü boyuca yıllık artış olarak alımıştır. 2.3. Elektrik Maliyeti Đlave edile ısı pompası ile yüksek sıcaklık ediilmek istemiş. Bu edele de R-11, R-12, R-22, R-114, R-5 R- 51, R-52, R-53, R-113, R-134a, R-123, R141B ve 152a soğutucu akışkaları seçilerek bular içi ayrı ayrı ısı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişimie bağlı olarak optimum değeriyle birlikte ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı 18 o C ye kadar alıarak hesaplamalar yapılmış, maliyet aalizi açısıda hesaplamalarda R-11 akışkaı tercih edilmiştir [1]. Isı pompası kompresörü içi gerekli elektrik eerjisi satralda karşılamaktadır. Isı pompasıı kw e h başıa düşe elektrik maliyeti (g e ) hesaplaırke, satralı TEDAŞ a sattığı elektriği birim fiyatı ola kw e h başıa 4.2 cet alımıştır. Isı pompası içi her yıl kombie güç satralıda yaklaşık ayı miktarda eerji alıdığı varsayılmıştır. Alıa bu elektrik eerjisi yıllık ısıl eerji üretimie oralaarak g e ( Ee) 1 = ( Eq) Ce(1+ e ) HP 1 e t (1+ (1+ ($/kw q h) (4) Deklem (4) gibi ısı pompasıı ömrü boyuca 1 kw q h ısı başıa bir değere getirilmiş elektrik maliyeti elde edilmiştir [1]. E e yıllık elektrik harcama maliyeti olarak alımıştır ve ısı pompası kompresörüü bir yılda harcadığı toplam elektrik eerjisii vermektedir. Kompresör sıcaklığı arttırıldıkça yıllık harcaa elektrik eerjisi artmaktadır. Hesaplamalarda, kompresör sıcaklığı 6-18 o C arasıda alıarak elektrik maliyet hesabı çıkartılmıştır. e e ; elektrik fiyat artışı %5 olarak alımış, C e ; çevrim satralıı TEDAŞ a satış fiyatı alımıştır. Her üç maliyeti toplamı ise g T = g c +g m +g e ($/kw q h) (5) (5) deklemi ısı pompasıı toplam birim yatırım maliyetii vermektedir. 44
Kaya, M. Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 Birim Maliyet ($ /kwh),6,55 gt ($/kwh),5,45,4,35,3,25,2,15,1,5, 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 T kod (oc) Şekil 5. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklık değişimide maliyet aalizi Toplam maliyet (g T ) a bakıldığıda ise ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı artışıa göre birim maliyet Şekil 5.de görüldüğü gibi.7449 $/kwh da başlayarak.5553 $/kwh a kadar artış göstermektedir. Her üç maliyete ayrı ayrı bakılırsa, Şekil 6. de görüldüğü gibi ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı artışıda başta elektrik maliyeti, işletme maliyeti, yatırım maliyeti artmakta olduğu görülmektedir. Geel toplam maliyete bakıldığıda ise ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığıı artışı ile birim yatırım maliyeti artmakta olduğu görülmekte. Bir başka ifadeyle ısı pompası performas değeri küçüldükçe kwh başıa düşe birim maliyet artmaktadır. Birim Maliyet ($/ kwh),6,55 gt ($/kwh) gc ($/kwh) ge ($/kwh),5,45,4,35,3,25,2,15,1,5, 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 Tkod (oc) Şekil 6. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklık değişimide elektrik, yatırım ve toplam birim maliyet değişimi 3. Isı Pompasıı Isıtma Amaçlı Çalıştırılması Durumuda Maliyet Isı pompası e düşük çevre sıcaklığı şartlarıa göre kurulmuştur. Isı pompası kışı ısıtma amaçlı olarak kullaıldığıda yaz mevsimide atıl kalacaktır. Ayrıca kışı bazı gülerde çevre sıcaklığıı artması ile koutları ısı ihtiyacı azalacak ve ısı pompası tam kapasite ile çalışmayacaktır. Bu edele sistemi yaz döemide işletme maliyetii azalmasıa rağme yatırım-bakım, oarım maliyetleri değişmeyecektir. Bu yüzde kwh başıa düşe toplam maliyet artacaktır. Ayı maliyete kurula ısı pompası yoğuşturucusuda yaz aylarıda kurutma amaçlı, kışı dış sıcaklığı yüksek olması durumuda koutları ısıl eerji ihtiyacı azalacağıda, kışı da dahil olmak üzere ısı pompası yoğuşturucusuda hem kurutma hem kout ısıtma olarak tam kapasite yararlaılırsa kwh başıa düşe birim maliyet azalacaktır. Isı pompası kullaım kapasitesii tam kapasite çalışma durumua oraı (R k ) olarak belirlemiştir. Isı pompası yoğuşturucusu (6-18 o C) sıcaklıkları aralığıda alıarak, kapasite kullaım oraı (R k ) değişimi ile ısı pompası birim maliyet aalizi Şekil 7. gösterilmiştir. 45
Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kayaklı Isı Pompaları Eerji Maliyet Aalizi Isı pompası birim mal ($/kwh),15,14,12,11,9,8,6,5,3,2, Tkod6 Tkod7 Tkod8 Tkod9 Tkod1 Tkod14 Tkod18,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Rk Şekil 7. Farklı ısı pompası yoğuşturucu sıcaklıklarıda ısı pompası kapasite oraı değişimide ısı pompası birim maliyet değişimi R k değişimi ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı 6 o C de birim maliyet.2696 $/kwh da.134 $/kwh arasıda değişmektedir. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklığı e yüksek değer ola 18 o C sıcaklığıda birim maliyet.27372 $/kwh da.1368 $/kwh a kadar yükselmektedir. Adapazarı bölgesi içi R k değeri.43 olarak belirlemiştir. 4. Souçlar ve Öeriler Bir sistemi uygulaabilir olabilmesi içi ekoomik bakımda da uygu bir maliyette olması şarttır. Bir sistemi tercih edilebilirliği özelikler içeriside maliyeti ilk sıraları oluşturmaktadır. Bu sebeple ısı pompasıı maliyet aalizi yapılmıştır. Yapıla birim maliyet aalizide; ilk öce ısı pompası birim yatırım maliyeti ele alımıştır. Yatırım maliyeti (I c ) i belirleebilmesi içi ısı pompası kapasite birim maliyeti (I kbm ) i belirlemesi gerekir. Elde edile kapasite birim maliyet grafiği Şekil 2.de gösterilmiştir. Şekilde ısı pompasıı kapasitesi arttıkça kwh başıa düşe maliyetii de (I kbm ) azaldığı görülmektedir. Isı pompası yoğuşturucusu sıcaklığı (6-18 o C) aralığıda değerledirildiğide, özelikle yüksek sıcaklıklarda kapasite artmaktadır. Bu artış, ısı pompası yatırım maliyeti (I c ) yi azaltmaktadır. Şekil 5.de ısı pompası yoğuşturucusu sıcaklığıı artışıda birim maliyet (g c ) çok az artmakta olduğu görülmektedir. Maliyeti etkileye faktörlerde biride ısı pompasıı çalışma şartlarıdır. Mevcut sistemi e yüksek kapasitesi dış sıcaklığı e düşük şartları içi ayarlamıştır. Dış sıcaklığı artması ile mevcut kapasite kullaımı azalacaktır. Bu da yatırımda dolayı maliyeti artıracaktır. Kapasite kullaım oraı (R k ) olarak belirlee bir ısı pompasıı birim maliyeti R k ya bağlı olarak farklı ısı pompası yoğuşturucu sıcaklılarıda farkı birim maliyetler göstermektedir. Şekil 7. bakıldığıda R k değişimide ısı pompası yoğuşturucu sıcaklığı 6 o C de birim maliyet.2696 $/kwh da.134 $/kwh arasıda değişmektedir. Isı pompası yoğuşturucu sıcaklığı e yüksek değer ola 18 o C sıcaklığıda birim maliyet.27372 $/kwh da.1368 $/kwh a kadar yükselmektedir. Çalışmalar soucuda Adapazarı bölgeside optimum bir ısı pompası kapasite kullaım oraı.43 olarak belirlemiştir. Tek bir yoğuşma üitesie ilave edile ısı pompasıyla Adapazarı da bir koutu ısı ihtiyacı 2 kw olmak şartıyla 2 adet koutu ısıtılacağı belirlemiştir. Meteorolojide Adapazarı bölgesi içi beş yıllık ortalama hava sıcaklık değerleri alımıştır. Isı pompası, geleeksel ısıtma sistemlerie göre biricil eerjiyi daha az tükettikleri içi azot oksit (NO x ), sülfür dioksit (SO 2 ) ve karbodioksit (CO 2 ) gibi çevreye zararlı emisyoları öemli orada azaltmaktadır. Yapıla bu çalışmada alteratif olarak sadece kout ısıtılması değil ayı zamada bölgede üretile başta fıdık, mısır gibi bir çok tahıl ürülerii de kurutulması yapılabilir. Bölge orma arazilerie yakı olması edeiyle, ağaç kurutulması, suta imalat haelerii sıcak su ihtiyacıı karşılamak gibi bir çok edüstriyel amaçlar içi kullaılabilir. Ayrıca satralı çevresideki verimli tarım arazilerie kurulabilecek seralarda atık ısıı değerledirilmesi icelemeye değer koudur. 46
Kaya, M. Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 5. Semboller BM :Birim maliyet COP :Isı pompası performası Ce :Elektrik fiyatı Cm :Yıllık işletme gideri Eq :Toplam yıllık kout ısı yükü Ee :Isı pompası yıllık elektrik eerjisi em : Đşletme bakım maliyetii yıllık artışı ee :Elektrik fiyat yüzde artışı gc :Isı pompası birim yatırım maliyeti ge :Isı pompası birim elektrik maliyeti gm :Isı pompası birim işletme bakım maliyeti gf :Kombi birim yatırım maliyeti gt :Isı pompası toplam birim maliyeti HP :Isı pompası i :iskota oraı Ikbm :Kompresör gücüe göre birim maliyet Ic :Isı pompası yatırım maliyeti kh :Kout sayısı ö :Isı pompası ömrü b :Yıllık ısı kullaım katsayısı s :Eş zamalılık katsayısı P :Basıç Po :Çevre basıcı Pv :Kısmi basıç Q :Isı akısı Qr :Isı trasferi QH :Isıtma içi gerekli ısı yükü QW :Sıcak su içi gerekli ısı yükü qk :Kilometre başıa ısı kaybı Rk :Isı pompası kullaım kapasitesi r :Faiz oraı T :Sıcaklık To :Çevre sıcaklığı Tr :Kotrol yüzey sıcaklığı ti :Đç sıcaklık tdmi :Miimum dış sıcaklık U :Toplam ısı trasfer katsayısı Wkop :Kompresör gücü WHPK :Kompresör kapasitesi YKĐ :Yük komitasyolu devir ayarlayıcı Kayaklar 1. Aybers, N., Şahi B., Eerji Maliyeti Yıldız Tekik Üiversitesi Yayı- Đst 1995 2. Naitai Ta. Waste water-resource heat pump air coditioig techology [J]. Costructio sciece ad techology. 25 (16):62-63.(I Chiese) 3. Huag, G., Developmet ad applicatio of urba waste water-resource heat pump [J]. Fluid machiery. 25 (16):76-78. (I Chiese) 4. Li, J., Tu,G., Zhou, W., The applicatio of urba waste water-resource heat pump to residetial heatig [J]. Fluid ad machiery. 24 (9):65-68. (I Chiese) 47
Tekolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 41-48 Düşük Sıcak Kayaklı Isı Pompaları Eerji Maliyet Aalizi 5. Cui, F., Li, X., Zhou,H., Techical ad ecoomic aalysis o waste water-resource heat pump heatig ad air coditioig system [J]. Eergy efficiet techology. 25 (1):14-17. (I Chiese) 6. Yumrutaş, R., Kuduz, M., Kaoğlu, M., Exergy Aalysis of Compressio Refrigeratio systems Exergy Đteratioal Joural 2-266-272 22 Elsevier 7. Bilge, E., Takahashi, H., Exergy Aalysis ad Experimetal Study of Heat Pump Systems Exergy Đteratioal Joural 2-259-265 22 elsevier 8. http://www.eere.eergy.goc/erec/factsheret 9. http://www.matche.com/equipcost 1. Kaya M., Birleşik Çevrim Satralide Ekserji Aalizi Ve Atık Isıı Değerledirilmesi Sakarya Üiversitesi Febilimleri Estitüsü Doktora Tez Ocak-25 48