TESKON 2017 / BİNALARDA ENERJİ PERFORMANSI SEMPOZYUMU Bu bir MMO yayınıdır MMO bu yayındai ifadelerden, fiirlerden, toplantıda çıan sonuçlardan, teni bilgi ve basım hatalarından sorumlu değildir. BURSA İLİNDEKİ BİR KONUTUN ISITILMASINDA KLİMA SİSTEMLERİNİN KULLANILMASININ İNCELENMESİ MUSTAFA MUTLU ERMETAL EMRE ÇALIŞKAN DAIKIN MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ
783 BURSA İLİNDEKİ BİR KONUTUN ISITILMASINDA KLİMA SİSTEMLERİNİN KULLANILMASININ İNCELENMESİ Mustafa MUTLU Emre ÇALIŞKAN Investigation of HVAC Systems Usage During Heating Period of a Dwelling Located in Bursa ÖZET Klima sistemlerinin tasarım, üretim ve otomasyonundai gelişmeler ile birlite bu sistemlerin ısıtma ve soğutma performansları her geçen yıl artmatadır. Isıtma ve soğutma çevrimlerinin performansındai bu artış, bazı bölgelerdei ısıtma yülerinin arşılanmasında bu tarz sistemlerin ullanılmasının önünü açmıştır. Bu çalışmada, meteoroloji veriler ullanılara Bursa ili için ısıtma yülerinin zamana göre değişimi hesaplanmış; bu yülere bağlı olara bir onut içerisindei sıcalığın ontrolünü sağlayan lima sisteminin sayısal modeli oluşturulara bir yıl boyunca tüettiği enerji belirlenmiştir. Isıtma periyodu için hesaplanan eletri tüetim değerleri, aynı şartlarda doğalgaz, fuel oil ve LPG ullanılması durumunda oluşaca olan enerji maliyetleri ile arşılaştırılmıştır. Klima sistemlerinin performansındai artışla birlite ısıtma giderlerinin nasıl etileneceği hesaplanmıştır. Isıtma ve soğutma tenolojilerindei ilerlemeler ve farlı soğutucu aışanların ullanılmaya başlanması ile birlite günlü hayatta genellile soğutma amaçlı ullanılan ısı pompalarının performansları her geçen gün artmata ve bu tarz sistemlerin ısıtma uygulamalarında da ullanılması eonomi açıdan mümün olmatadır. Yaın bir gelecete lima sistemlerinin ısıtma uygulamalarında sılıla ullanılacağı öngörülmetedir. Anahtar Kelimeler: Isıtma - soğutma, Enerji sarfiyatı, Isı pompası, Enerji verimliliği. ABSTRACT Heating and cooling performance of air conditioners increases by recent developments in design, production and automation system of these ind of technology. Thus improvements lead up the usage of air conditioners in heating applications in some regions. In this study, heating loads over time in Bursa was calculated by using meteorological data and according to these loads energy consumptions of air conditioner that ensures the comfort temperature in a dwelling was evaluated by a developed numerical model. Electricity consumption value that calculated for heating period for air conditioner were compared with other heating systems which use other fuel types lie natural gas, LPG and fuel oil. It is also calculated how heating costs are affected by the increase in air conditioner heating performance. It is concluded that as the performance of heat pumps which are generally operated for cooling are increased, this ind of technology employing in heating applications becomes more feasible. It is foreseen that air conditioners will often be preferred as a heating system in near future. Key Words: Heating and cooling, Energy consumption, Heat pump, Energy efficiency.
784 1. GİRİŞ Bir ısıtma soğutma sisteminin uygulanabilir olması için yatırım ve işletme maliyetlerinin eonomi olmasının yanı sıra çevreci bir sistem de olmalıdır. Küresel ısınmanın olumsuz etilerinin artması nedeniyle 2005 yılında Kyoto protoolünün imzalanmış bunun sonucunda Avrupa Komisyonu tarafından 20/20/20 Avrupa Enerji Politiası ortaya onmuştur. 20/20/20 enerji politiasının amacı CO2 emisyonlarının düşürülmesi, yenilenebilir enerji aynalarının ullanımın arttırılması ve artan nüfusa rağmen daha az enerji ullanılmasıdır. Bu politianın 2020 yılına adari hedefi, %20 daha az CO2 emisyonu, yenilenebilir enerji payının %20 arttırılması ve %20 daha az birincil enerji aynağı tüetilmesidir. Binalardai enerji tüetiminin en önemli bölümünü, yaşam alanlarının uygun ısıl onforu sağlama amacıyla ullanılan ısıtma sistemlerinin harcadığı enerji oluşturmatadır. Bu nedenle enerji tasarrufu açısından yüse potansiyele sahiptir. Binalardai yalıtım uygulamaları tasarruf baımından ço önemli bir yer teşil etmele birlite eonomi açıdan her bölge için bir optimum yalıtım alınlığının olması enerji tüetiminin limitini belirler [1]. Günümüzde arbon temelli yaıtların ullanıldığı ısıtma sistemlerinin, yanma verimlerinin de yüse olması nedeniyle bu alanda da yapılaca olan iyileştirmeler enerji tüetimini ço fazla düşürememetedir. Binalardai ısıtma enerjisinin tasarrufu yalıtım alınlığı ile doğrudan ilgili olmala birlite ülenin mevcut eonomi durumundan da etilenmetedir. Bu çalışmada, soğutma için ullanılan lima sistemlerinin ısıtma amacıyla ullanılması durumunda elde edilebilece azanımlar incelenmiş ve bu alandai gelişmeler neticesinde bu sistemlerin binalarda ısıtma masatlı ullanılmasının daha eonomi olacağı sonucuna varılmıştır. Günümüzde yaygın olara villa, ev, otel, iş yerlerinin ısıtılması ve soğutulması için üç farlı ısı pompası sistemi ullanılmatadır. Bunlar hava aynalı, su aynalı ve topra aynalı ısı pompası sistemleridir. Isı pompası sistemlerinin en yaygın ullanımı hava aynalı ısı pompasıdır. Klima sistemleri de birer hava aynalı ısı pompalarıdır. Klima sistemleri bireysel ya da merezi sistem olara tasarlanabilir. Bir iç ünite bir dış ünite ya da bir dış ünite birden ço iç ünite bağlanabilen sistemden oluşabilmetedir. Bir dış ünite ile birden ço iç ünitenin birbirinden bağımsız olara ontrol edilebildiği diret genleşmeli lima sistemleri değişen debili soğutucu aışan hacimli ya da aış (Variable Refrigerant Volume, VRV ya da Variable Refrigerant Flow, VRF) olara adlandırılmatadır. Değişen aışan debili lima sistemlerinin (VRV/VRF) ullanımı son yıllarda yaygınlaşmata, en basit split lima cihazının ontrolü bile ciddi bir eletroni donanım ve yazılım geretirmetedir. Yazılım, sistem üzerindei belirli notalardan elde edilen verileri süreli olara işleyere, en iyi oşullarda çalışma sağlar. VRV/VRF sistemlerinde ontrol işlemi ço daha armaşı yapıdadır. Kontrol sistemi, her odanın talep ettiği ısıtma veya serinletme ihtiyacına göre o odaya gönderilmesi gereen aışan debisini belirleyere, ompresörün buna uygun oşullarda çalışmasını sağlar. Kompresörden çıan aışanın istenen debi ve fazda iç ünitelere dağıtılması; iç ve dış ünitelerde bulunan valflerle sağlanır. Kontrol sistemi, cihazların bağımsız veya birlite çalışmalarına imân tanır. Bugüne adar aışan debisini değiştirere sağlanmataydı anca sistemlerdei son gelişmeler ile hem aışan debisini değiştirere hem de aışan gazın sıcalığını değiştirilere sağlanır. Evaporasyon sıcalığının değiştirilmesi onforun artmasına ve eletri tüetiminin azalmasına imân sağlamatadır. Oda içindei ünitelerde aışan debisinin değişen olması, sonuçta ompresörlerdei aışan debisinin de değişen olması demetir. Bu da değişen devirli ompresörler ile sağlanmatadır. Küçü güç geretiren uygulamalarda te bir değişen devirli ompresör ullanılıren, büyü sistemlerde biri sabit, diğeri değişen devirli ya da iisi de değişen devirli ompresör beraberce ullanılmatadır. Bu durum tamamen üretici firmaların tercihleriyle ilgilidir. Değişi işletme oşullarına uygun devirde çalışan ompresörlerin, eletri tüetimleri sabit devirlilere göre daha az olduğu gibi dur-al sırasında oluşaca gürültü de ortadan aldırılmış olmatadır. Merezi sistemlere ihtiyaç duyulan, daha büyü ısıtma/soğutma yülerinin olduğu binalarda ise birden ço dış ünite birbirine bağlanara VRV/VRF sistemleri merezi çözüm üretilebilmetedir. Dünya genelindei sera gazı emisyonlarının düşürülmesi ve yenilenebilir enerji aynalarının ullanımı yönündei eğilim nedeniyle binalarda ullanılan ısıtma sistemlerinde önemli değişililere gidilmesi ihtiyacını ortaya çıarmıştır. Özellile gelişmiş ülelerin gelece enerji planlamalarında enerji ihtiyaçlarının tamamını yenilenebilir enerjiden arşılamala birlite ortam ısıtması için harcanan enerjinin %75 oranında azaltılması hedeflenmetedir [2]. Eletri üretimi açısından sııntı yaşamayan
785 ve eletri fazlası olan ülelerde ortam ısıtması için eletriğin ullanıldığı düşünüldüğünde %75 hedefinin olduça gerçeçi olduğu söylenebilir. Isıtma için eletri enerjisinin ullanılması yerine fosil yaıtların ullanıldığı ısıtma sistemlerinin ullanılması daha eonomi bir hal almatadır. Hedeflerden bir diğeri CO 2 emisyonlarının azaltılması olduğu göz önünde bulundurulduğunda fosil yaıtların ullanımı çevresel sorunlar açısından pe uygun olmamatadır. Bu nedenle son zamanlarda ısı pompalarının ullanımı gündeme gelmiş ve bu alanda sağlanan gelişmeler ile birlite ısı pompalarının soğutmanın yanında ısıtma uygulamaları için de önemli bir seçene haline gelmiştir. 100 birim ısıtma ihtiyacı için ısı pompaları 101 birim enerji ullanmata ien doğalgaz ullanan sistemler 119 birim, sıvı yaıt ullanan sistemler 121 birim ve eletrile ısınma durumunda ise 294 birim enerji ullanılmatadır [3]. Ço çeşitli ve değişi aynaları ullanan ısı pompaları [4] bulunmala birlite bu çalışmada en ço tercih edilen sistem olan hava aynalı ısı pompaları (lima sistemleri) incelenmiştir. Hava aynalı ısı pompalarının ısıtma uygulamalarında ullanılmasını Kelly ve Cocroft [5] sayısal bir model oluşturara incelemişlerdir. Temel ısı transferi ifadelerini ve meteoroloji verileri ullanara yaptıları çalışmada ısıtma periyodunda hava aynalı ısı pompası ullanımının, doğalgaz yaıtlı sisteme göre %12 oranında az CO 2 ürettiğini bulmuşlardır. Söz onusu çalışmada, İngiltere nin ilim ve eonomi oşulları baz alınması nedeniyle doğalgaz yaıtlı sistemlerin ullanılması daha eonomi olara bulunmuştur. Ülemizde gaz fiyatları yüse olmasından dolayı (1.089911 TL/m3 [6]) aynı çalışmanın Türiye oşullarında yapılması durumunda farlı sonuçlar çıacatır. Ülemiz için benzer bir çalışma Serpen ve Palabıyı [7] tarafından gerçeleştirilmiş ve doğalgaz ullanımının daha eonomi olduğunu bulmuşlardır. Buna arşın doğalgaz fiyatlarını gidere arttığı ve bu trendi izlemesi durumunda ısı pompalarının daha eonomi olacağı sonucuna varmışlardır. Kaya [8] tarafından yapılan bir diğer arşılaştırmada ondenser sıcalığının 60 C de olması durumunda ombi sisteminin daha avantajlı olmasına arşın ondenser sıcalığının 100 C ye çıartıldığında ısı pompasının ullanımının daha eonomi olacağını belirtmişlerdir. Bu çalışmaların yapıldığı zamandan beri geçen sürede ülemizin eonomi oşulları değişmiş ve yaıt fiyatları artmıştır. Bununla birlite ısı pompası tenolojisindei gelişmeler ile daha yüse verimli cihazların üretilmesi mümün olmuştur. Bu nedenle bu çalışmanın sonuçları ısıtma periyodu düşünüldüğünde ısı pompasının diğer yaıtlar arşısında onumunun belirlenmesi açısından önem taşımatadır. Isı pompası ullanımının daha eonomi bir ısıtma sistemi seçeneği olacağı yönünde yapılan çalışmalar da mevcuttur. İngiltere dei bölgelerin ele alındığı ve farlı eletri tarifelerinin ullanılmasının etisini TRANSYS yazılımı ile inceleyen bir çalışmada ısı pompası ullanımının doğalgaza oranla daha tasarruflu olduğu bulunmuştur. Ayrıca CO 2 salınımı değerleri %36 ya adar azaltılabileceği vurgulanmıştır [9]. Bu çalışmada, ülemizde ısı pompasının ısıtma amacıyla ullanımının enerji tüetimleri matematisel bir model oluşturulara hesaplanmıştır. Bu hesaplamalarda Bursa iline ait meteoroloji veriler ullanılmış ve ısı pompasının ısıtma tesir atsayısı (ITK) değerlerinin hesabı için iç ve dış ortam sıcalıları ile birlite ısıtma yüünün ele alındığı bir model oluşturulmuştur. 2008 ve 2009 yıllarına ait verilerin ullanıldığı bu çalışmada ısıtma için gereli olan enerji mitarları belirlenmiş ve ısınma maliyetleri hesaplanmıştır. Isı pompası hem ısıtma enerji ihtiyacı hem de maliyetleri açısından daha eonomi bir sistem olara bulunmuştur. Müstail onutların en önemli enerji gideri olan ısınma giderlerinin enerji piyasasındai yüselmeler nedeniyle artması sonucunda yaın bir gelecete daha verimli ve çevreci tenolojilerin ısıtmada ullanılması açınılmaz olacatır. Isı pompaları da bu sistemler arasında ciddi potansiyeli bulunmata ve soğutma uygulamalarında olduğu adar ısıtma uygulamaları için de vazgeçilmez olmaya adaydır. 2. MATERYAL ve METOD Bu çalışmada, bir ortamın ısıtılmasında lima sistemlerinin ullanılmasının eonomi ve teni açıdan inceleme amacıyla bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde, ısı transferi ifadeleri ve meteoroloji verilerden faydalanılara ısı ayıpları hesaplanmış ve iç ortam sıcalığı istenen değerde tutma için ısıtma çevrimindei ompresörün gücü ve sistemin ITK değerleri belirlenmiştir. Bir ısıtma periyodunda ihtiyaç duyulan enerji hesaplanmış ve doğalgaz, fuel oil ve LPG gibi diğer yaıtlar ile arşılaştırılmıştır. Hesaplamalar Bursa ilindei bir onut için yapılmış ve bu ile ait 5 daia aralılarla ayıt alınan
786 15.10.2008-31.03.2009 tarihleri arasındai dış ortam sıcalığı ve hava hızı verileri ullanılara anlı olara iç ortam sıcalığının değişimi hesaplanmıştır. Bir mahallin ısıtılmasında lima sistemlerinin ullanılmasının enerji sarfiyatını belirleme ve diğer yaıt türleri ile arşılaştırma amacıyla ısıtma periyodundai toplam ısıl ayıpların hesaplanması geremetedir. Buna e olara ısıtma çevrimi ullanılması nedeniyle ompresör yüü ve buna bağlı olara da ITK belirlenmelidir. Isıtılma istenen bir mahal için enerji dengesi Eş. 1 ile gösterilebilir. ( Q Q ) = mc T i (1) o p Kapalı bir oda düşünüldüğünde yüzeylerden olan net ısı transferi mitarı, oda içerisinde bulunan havanın sıcalığındai değişme eşit olacatır. Eş. 1 de Q o, yüzeylerinden dış ortama olan Watt cinsinden ısı transferini göstermetedir. Bir duvardan olan ısı transferi, te boyutlu ısı iletimi problemi olara ele alınıp direnç yalaşımı ile hesaplanabilir [10]. Bu çalışmada yapılan ısı aybı hesaplamalarında da bu yalaşım ullanılmıştır. Q i, ısıtıcı cihazın ortama verdiği ısıtma gücünü, m, apalı mahaldei havanın ütlesi, c p havanın özgül ısınını ve ΔT, havanın sıcalığındai değişimi göstermetedir. Isıtma sistemlerinin temel amacının ısıtılan ortamın istenilen ısıl onfor sıcalığında olmasını sağlama olduğu göz önünde bulundurulduğunda iç ortam sıcalığının belirlenmesi geremetedir. Bu nedenle hesaplamalarda iç ortam sıcalığı 20 C de sabit tutulaca şeilde enerji sarfiyatı belirlenmiştir. Isıtma periyodu için enerji sarfiyatının belirlenmesi için ullanılan hesaplama adımları Şeil 1 de verilmiştir. Şeil 1. Hesaplama yöntemi ve adımları Hesaplamalar T i değerinin önceden tanımlanan başlangıç değeri ile başlamata ve ilgili hesaplama zamana ait dış ortam sıcalı ve hava hızı değerleri ullanılara yüzeylerden olan ısı transferi, q o hesaplanmıştır. Bir sonrai adımda iç ortam sıcalığının (T i ) arzu edilen sıcalı olan T set değerine gelmesi için ihtiyaç duyulan ısıtma ihtiyacı PID ontrol algoritması ile belirlenmiştir. Isıtma çevriminin performansı (ITK), q i, T i ve T o verileri ullanılara ilgili ompresörün verileri ullanılara hesaplanmış ve ompresörün çetiği güç tayin edilmiştir. Kapalı bir ortam için enerji dengesi yazılara havanın tdt zamanındai sıcalığı belirlenmiş ve hesaplamalarda bir sonrai zaman adımına geçilmiştir. Bir ısıtma periyodu için beş daia aralılar ile alınan ayıtların tamamı dosyadan ounup işleme alındıtan sonra hesaplamalar da son bulmatadır (Şeil 1).
787 2.1. Isı Kayıplarının Hesaplanması Dış ortama olan ısı aybının hesaplanması için ısı transferinin gerçeleştiği yüzeylerin malzemeleri ve bu malzemelerin ısı iletim atsayıları tayin edilmiştir. Isı transferinin gerçeleştiği yüzeylerin duvar ve pencerelerden oluştuğu abul edilmiş ve buna göre hem duvardan hem de pencereden için gerçeleşen ısı transferi mitarları hesaplanmıştır. Duvarın 3 cm alınlığında (l s ) iç sıva ( s = 0.7 W/m 2 K), 18 cm alınlığında (l t ) tuğla ( t = 0.5 W/m 2 K), 5 cm alınlığında (l y ) cam yünü ( y = 0.04 W/m 2 K), 3 cm alınlığında (l s ) dış sıva ( s = 0.7 W/m 2 K), pencerenin ise 2 mm alınlığındai (l c ) ii cam ( c = 0.7 W/m 2 K) arasında 20 mm alınlığında (l h ) durgun hava ( h = 0.023 W/m 2 K) meydana geldiği abul edilmiştir. Bu durumda taşınım ile birim alandan gerçeleşen ısı transferi, duvar ve pencerenin yapı bileşenleri de göz önünde bulundurulara Eş. 2 yardımı ile hesaplanmıştır. q i s ( T T ) t y s d ( 1 a) i c ( T T ) i o i o c = a (2) 1 ls l l t y l l s 1 1 c lh lc 1 h h Bu eşitlitei a, duvar alanının toplam alana oranı olara tarif edilmiş ve hesaplamalarda 0.8 olara alınmıştır. İç taraftai ısı taşınım atsayısı için, TS825 standardında [11] verilen 7.69 W/m2K değeri ullanılmıştır. Duvarın dış yüzeyindei Nusselt sayısı (Nu), Reynolds sayısı (Re) ve Prandtl sayısına (Pr) bağlı olara ilgili bağıntılar ullanılara [10] dış taraftai ısı taşınım atsayısı (h d ), hesaplanmıştır (Eş. 3). h 0.8 0. 3 ( 0.037 Re 871) Pr h c h Nu = (3) Re sayısının hesaplanması için gereli olan hız ifadesi için, meteoroloji verilerdei rüzgar hızı değerleri ullanılmış ve ısı taşınım atsayısının hesabında ullanılan arateristi uzunlu 10 m olara abul edilmiştir. Isı taşınım atsayısı, arateristi uzunlutan ziyade hız ile daha ço değişim göstermete; bu nedenle yapılan bu abul sonuçları ço fazla etilememetedir. Isı aybının hesaplanmasında diate alınması gereen bir diğer meanizma ise ısı transferi yüzeylerinin dış ortam ile ışınım vasıtasıyla gerçeleştirdiği ısı geçişidir. Işınım ile gerçeleşen ısı transferi her ne adar ihmal edilebilir olsa da bazı durumlarda diate alınması geremetedir. Özellile doğal taşınım gibi ısı taşınım atsayısının düşü olduğu problemlerde ışınım ile transferi önem azanmatadır. Dış yüzeylerden olan ısı ayıplarının hesaplanmasında ışınım ile ısı transferinin önemli atısı olmatadır. TS825 standardında [11], ısı ayıp değerlerinin biraz daha emniyetli olması ve ışınım ile ısı transferinin etisini dâhil etme için dış taraftai ısı taşınım atsayısı (h d ) normalden biraz daha büyü alınara (h d = 25 W/m 2 K) hesaplamalar yapılmatadır. Bu çalışmada dış yüzeylerden ışınım ile gerçeleşen ısı transferi mitarı hesaplanmış ve yüzeylerden olan toplam ısı transferi mitarı Eş. 4 ile hesaplanmıştır. q = q q (4) o c r d Işınım ile ısı transferinin mitarı literatürdei ifadeler ullanılara Eş. 5 yardımıyla hesaplanmıştır [10]. q r 4 4 ( T T ) = σε (5) y Bu eşitlite σ, Stefan-Boltzman sabitini (5.67 10-8 W/m 2 K 4 ), ε, yüzeyin ışınım yayma oranını (ε = 0.9) ve T y, duvarın dış ortam ile temastai yüzeyinin sıcalığını belirtmetedir ve Eş. 6 ile hesaplanmıştır. q T o c y = To (6) hd
788 2.2. Isıtma İhtiyacının ve Kompresör Gücünün Belirlenmesi Isıtılma istenen mahalin istenen ayar değerindei sıcalıta tutma için ortama verilmesi gereen enerji mitarının belirlenmesi ve sıcalığın ontrol edilmesi geremetedir. Eğer iç ortam sıcalığı istenen değerin altında ise ortam sıcalığında bir atış gözlenebilmesi için hesaplanan ısı ayıplarından daha büyü bir ısı girdisi olmalıdır. Ortam sıcalığı istenen değerin üzerinde ise ısı girdisi sıfır olmalı ve böylece ısı ayıpları ile birlite ortam sıcalığı arzu edilen sıcalığa gelebilir. Bu çalışmada ayar değeri olara 20 C olara alınmış ve ısıtma sisteminin iç ortam sıcalığı 19 C nin altında olduğunda devreye girdiği ve 21 C nin üzerinde olduğunda ise devreden çıtığı abul edilmiştir. Bununla birlite sıcalı farı yüse olduğunda ısıtma apasitesini arttıraca; sıcalı farı azaldıça ısıtma apasitesini düşürece şeilde PID ontrol algoritması ullanılmıştır [12]. Bu ontrol yöntemi günümüz limaların ompresörlerinin dolayısıyla ısıtma apasitesinin ontrolünde yaygın olara ullanılmatadır. Klima sisteminin ısıtma apasitesi belirlenditen sonra ompresörün ITK değeri ullanılara o hesaplama adımındai ompresörün çetiği güç hesaplanmıştır. Klima sistemlerinde ullanılan ompresörlerin ITK değerleri, iç ve dış ortam sıcalıları ile ısıtma apasitesine bağlı olara değişmetedir. Bu çalışmada ITK değerlerinin hesaplanması amacıyla geliştirilmiş olan Eş. 7 dei ifade ullanılmıştır. 2 2 ITK = a bqi cto dqi eto (7) Bu eşitlitei a, b, c, d ve e atsayıları iç ortam sıcalığına bağlı olara Eş. 8 ile hesaplanmıştır. a = 0.1757Ti 0.8919 (8a) b = 0.0142Ti 0.3659 (8b) c = 0.0024Ti 0.0563 (8c) 2 d = 0.00002812Ti 0.00087036Ti 0.00432 (8d) e = 0.00005392Ti 0.00455332 (8e) Eş. 7 ve 8 ile hesaplanan ITK değerleri ile atalog değerleri arasındai regresyon analizinde R2 değeri 0.91 olmatadır. Böylece bu modelin ITK değerlerinin tahmininde güvenli bir şeilde ullanılabileceğini göstermetedir. Isıtma apasitesi ve ITK değeri ullanılara ompresör gücü (W ) Eş. 9 ve o zaman adımı için gereli olan enerji (Et) Eş. 10 ile hesaplanmıştır. q W = i ITK (9) Et = Wdt (10) Bir ısıtma periyodunda harcanan enerji ise her bir adımda gereli enerjilerin toplamı olara hesaplanmıştır (Eş. 11). E = E t (11) Isıtma yüü ontrol algoritması ile belirlenditen sonra iç ortamdai sıcalı değişimi ve bir sonrai adımdai sıcalı () Eş. 12 yardımı ile rahatlıla hesaplanabilir. t dt ( q i qo ) dt t T i = Ti (12) m Ac p ρ Bu eşitlite m A, birim ısı transfer yüzey alanı için ısıtılan ortamın apladığı hacim olara tanımlanmış ve 10 10 m boyutlarında ve yüseliği 3 m olan bir ortam için 2.5 m 3 /m 2 olara hesaplanan bu değer Eş. 12 de ullanılmıştır. Havanın yoğunluğu ρ, 1007 g/m 3 olara alınmış ve sıcalıla değişmediği abul edilmiştir. Isı ayıpları dış ortam ile temastai yüzey alanı ullanılara birim alan için hesaplanmıştır. Faat ITK değerlerinin dolayısıyla ompresör gücünün belirlenebilmesi için ısıtma apasitesinin bilinmesi geremetedir. Bu nedenle hesaplama yapılan onutun 120 m 2 dış yüzey alanına sahip olduğu varsayılmıştır.
789 2.3. Diğer Yaıt Türlerinin Kullanılması Durumunda Enerji İhtiyacı Klima sistemlerinin ısıtma amaçlı ullanılması durumundai enerji ihtiyacı ile yaıt olara doğalgaz, fuel oil ve lpg ullanan diğer sistemlerinin arşılaştırılması amacıyla bu sistemlerin de ısıtma maliyetleri hesaplanmıştır. Bu sistemlerde ITK avramı söz onusu olmadığı için Eş. 7 9 hesaplanmamış bunun yerine bir hesaplama adımında gereli olan enerji (E t), yanma verimi (η) ullanılara Eş. 13 ile belirlenmiştir. q i E t = dt (13) η Isıtma periyodundai toplam enerji (E), yine aynı şeilde her bir adımdai enerji ihtiyacının toplamları olara hesaplanmıştır (Eş. 11). Isıtma için gereli olan toplam enerji, yaıtın alt ısıl değeri (Q) ve birim maliyeti (u) ullanılara TL cinsinden her bir yaıt için ısıtma gideri (U) hesaplanmıştır (Eş. 14). Bu çalışmada ullanılan yaıtların yanma verimleri ve alt ısıl değerleri Tablo 1 de verilmiştir. Eu U = (14) Q Tablo 1. Hesaplamalarda ullanılan yaıt türlerinin fiyatları ve bunlara ait yanma verimleri Yaıt Türü Alt Isıl Değeri Yanma Verimi Fiyat Eletri - 1 0.42 TL/Wh Doğalgaz 34524 J 0.92 1.0899 TL/m 3 LPG 45980 J 0.92 5.98 TL/g Fuel Oil 40608 J 0.84 2.66 TL/lt 3. BULGULAR Bu çalışmada 15.10.2008-31.03.2009 tarihleri arasında beş daia aralılar ile Bursa ilinde ölçülen meteoroloji veriler ullanılmıştır. Hesaplamalarda ullanılan sıcalı ve rüzgâr hızı verilerinin günlü ortalama değerleri Şeil 2 de verilmiştir. Günlü ortalama sıcalı 0 C nin altına inmemele birlite (Şeil 2a) bu dönemde ölçülen en düşü sıcalı -3.1 C, en yüse sıcalı ise 26.6 C dir. Benzer şeilde günlü ortalama rüzgar hızları da 8 m/s yi aşmamasına arşın en yüse 13.9 m/s olara ölçülmüştür. Rüzgâr hızının dış ortamdai ısı taşınım atsayısı (h d) üzerinde doğrudan etisi olması nedeniyle (Eş. 3), ısıtma yüünü de önemli ölçüde etilemetedir. Dış ortamdai ısı taşınım atsayısının sabit alınması ile rüzgâr hızına bağlı olara hesaplanması arasında gere ısıl yüler gerese ompresör yülerinde ve buna bağlı sistemin ITK üzerinde önemli değişimler olduğu hesaplanmıştır. Binalardai ısıtma yüleri belirleniren, bölgenin rüzgar durumunun da diate alınması geretiği sonucuna varılmıştır. Şeil 2. Günlü ortalama dış ortam sıcalıları (a) ve rüzgar hızları (b)
790 Bu çalışmadai hesaplamalarda dış hava sıcalığının ITK değerlerine etisi incelenmiştir. Şeil 3a da ısı taşınım atsayısı (h d) Eş. 3 ullanılara ölçülen değerlere göre hesap edilmiştir. Şeil 3b de ise TS825 standardına bağlı alınara, ısı ayıp değerlerinin biraz daha emniyetli olması ve ışınım ile ısı transferinin etisini dâhil etme için dış taraftai ısı taşınım atsayısı (h d) (h d = 25 W/m 2 K) alınmıştır. Şeil 3a ve 3b arası far incelendiğinde ITK değerinin ısı taşınım atsayısı (h d) Eş 3 e göre hesap edildiğinde ii değerinin altında aldığı görülmetedir. Bunun en önemli sebebi gerçeleştirilen simülasyonda ısı verilen mahalin ısıyı depolaması göz ardı edilmesidir. Beş daialı aralılar ile ölçülen dış hava sıcalığının rüzgârın etisi ile iç ortam için istenen değere getirmesi için ısıtma yüü artmata bu durum da ITK değerini düşürmetedir. Şeil 3a da yoğunlaşmaya baıldığında ITK nın ii değerin altında alan zamanlar ihmal edilebilir mertebededir. Kelly ve Cocroft un benzer yöntem ullanılara yaptıları çalışmada dış taraftai ısı taşınım atsayısını (h d) sabit aldıları için Şeil 3b ye yaın sonuç bulmuşlardır [5]. Şeil 3. ITK değerlerinin dış Ortam Sıcalığı ile Değişimi; (a) rüzgar hızının hesaba atılması durumu, (b) h d = 25 W/m 2 K Klima sisteminin iç ortam sıcalığını ontrol edere 20 C de tutmaya çalışmatadır. Hesaplama sonuçlarına göre iç ortam sıcalığı ve dış ortam sıcalığının zamana göre değişimi Şeil 4a da verilmiştir. Isıtma sistemi, iç ortam sıcalığı 19 C nin altına düştüğünde devreye girmete ve 21 C olduğunda devreden çımatadır. Dış ortam sıcalığı veya rüzgâr hızında (Şeil 4b) değişim olsa da onfor şartlarının sağlandığı görülmetedir. Şeil 4. İç ortam sıcalılarının (a) ve rüzgâr hızının bir gün içerisindei değişimi Kompresör yüleri incelendiğinde (Şeil 5) rüzgâr hızlarının etisi (Şeil 4b) açıça görülmetedir. Rüzgâr hızının artmasıyla ısı taşınım atsayısı artmata bunun sonucunda ısıtma yüleri artmata ve ompresör gücü de artmatadır (Şeil 5a). Rüzgâr hızı hesaplamalara atılmadığında, yani ısı taşınım atsayısının (h d) sabit 25 W/m 2 K alınması durumunda ompresör yülerinde rüzgâr hızındai değişimden aynalı pi yüler oluşmamatadır (Şeil 5b). Şeil 5 incelendiğinde rüzgâr hızının etisinin ihmal edilemeyece seviyede olduğu söylenebilir.
791 Şeil 5. Kompresör yülerinin değişimi; (a) rüzgar hızının hesaba atılması durumu, (b) h d = 25 W/m 2 K Bursa ilinde yapılan bu çalışmada, güncel eletri ve doğalgaz fiyatları göz önünde bulundurulara 20 C iç ortam sıcalığı için lima sistemi ullanılması durumunda 1240.60 TL, doğalgaz ullanılması durumunda ise 1311.80 TL ısıtma gideri hesaplanmıştır. Bursa ilinde hava soğutmalı ısı pompası ile onut ısıtması diğer yaıt türlerine göre daha ucuz çımıştır (Şeil 6a). En düşü maliyetli ısıtma seçeneği olan lima sisteminin 19 C iç ortam sıcalığında çalıştırılması durumundai enerji maliyeti 100 birim olara abul edildiğinde aynı şartlardai doğalgaz ullanan sistemde 106, fuel oilde 240 ve LPG de 436 birim enerji maliyeti olduğu görülmetedir. Enerji tüetimleri açısından değerlendirildiğinde lima sisteminin diğer ısıtma sistemlerine göre daha az enerji tüettileri görülmüştür. Bu çalışmada diğer yaıtların ullanıldığı ısıtma sistemleri lima sistemine göre 3.74 at daha fazla enerji tüetmetedir. Kelly ve Cocroft un çalışmasında, doğalgaz ullanımı ısı pompası ullanımına göre 3.2 at daha fazla enerji harcamatadır. Buna arşın doğalgaz fiyatları çalışmanın yapıldığı ülede ucuz olmasından dolayı yıllı ısınma giderleri doğalgaz ullanan sistemde daha düşü olmatadır [5]. Klima sistemlerinin ısıtma uygulamalarında ullanılması enerji tüetimi açısından avantaj sağlamata faat maliyetler incelendiğinde yaıt fiyatlarının etisiyle bazı ülelerde doğalgaz ile çalışan sistemlerin daha eonomi olduğu görülmetedir. 1 C iç ortam sıcalığındai artış incelendiğinde, lima sisteminin enerji maliyetindei artış diğer yaıt türlerine göre daha düşü olmatadır. 19 C iç ortam sıcalığındai lima sisteminin ısınma maliyeti referans alındığında 20 C iç ortam istendiği tadirde ısıtma giderinde %5.2, 21 C iç ortam istendiği tadirde %10.2 artış görülmete ien doğalgaz için sırasıyla %6, %16 ve %26 artış olmatadır. Klima sisteminde, iç ortam onforunda 1 C artış istenmesi halinde enerji maliyetlerindei artışın oranı doğalgaza göre daha az olduğu görülmetedir (Şeil 6b). Şeil 6. Farlı yaıt türleri için hesaplanan ısıtma giderleri (a) ve Ti = 19 C referans alınara doğalgaz ve lima sistemlerindei ısıtma giderlerinin iç ortam sıcalığına göre değişimi (b)
792 Klima sistemlerinin ITK değerleri, tenolojidei gelişmeler ile birlite süreli artmatadır (Şeil 7a). ITK, 2006 yılında 4 ün altında ien günümüzde 4.6 seviyesindedir. Bu çalışmada, ısınma sürecinin tamamında ortalama ITK değeri 4.66 olara bulunduğu düşünüldüğünde lima sistemlerinin atalog değerleri ile uygun sonuçlar elde edilmiştir. Teori olara elde edilebilece masimum ITK değeri sıca (T H) ve soğu aynaların sıcalıları (T C) ile Carnot mainesine göre şu şeilde hesaplanabilir [13]: TH ITK Carnot = (15) TH TC Sıca ve soğu sıcalı aynalarının sırasıyla 20 C ve -5 C olduğu bir durumda elde edilebilece masimum ITK değeri Carnot mainesine göre 11.72 olmatadır. Mevcut sistemlerin ITK değerleri değerlendirildiğinde, bu tarz sistemlerinin performanslarının geliştirilmeye açı olduğu görülmetedir. ITK da sağlanan iyileşme ile ısıtma süreci için gereli olan enerjiden de önemli ölçüde tasarruf edilebilir (Şeil 7b). 2008 yılından günümüze adar olan eletri ve doğalgaz fiyatlarındai artış Şeil 8a da verilmiştir. Bu artış oranı ve lima sistemlerinin ITK değerlerindei artış (Şeil 7a) temel alınara yapılan hesaplamalarda ısınma bedellerinin artacağı öngörülmetedir. Enerji fiyatlarındai artış ve ITK değerlerindei iyileşmeler aynı eğim ile devam etmesi durumunda lima sistemi ile doğalgaz ullanan ısıtma sistemi arasındai enerji maliyetleri gidere artacağı söylenebilir (Şeil 8b). Serpen ve Balabıyı tarafından yapılan çalışmada [7] doğalgaz daha eonomi bir çözüm olara bulunmasına arşın uzun dönem ele alındığında ısı pompasının daha eonomi olacağı vurgulanmıştı. Bu çalışmada yapılan öngörüde de farın gidere açılacağı sonucuna varılmıştır. Şeil 7. Klima sistemlerinin ITK değerlerinin yıllara göre değişimi (a) ve ısıtma için ihtiyaç duyulan enerjinin lima sistemlerinin ITK değerlerine göre değişimi (b) Şeil 8. Yıllara göre Eletri ve doğalgaz fiyatlarındai (a) hesaplanan ısıtma giderlerindei (b) değişim
793 SONUÇ Evlerde tüetilen enerjini büyü bir ısmı yaşam alanlarının ısıtılması amacıyla ullanılmatadır. Bu nedenle ısıtma sistemi, onutlarda enerji giderleri açısından önemli yer tutmatadır. Klima sistemlerindei gelişmeler, bu tarz sistemlerin soğutma uygulamalarının yanı sıra ısıtma amacıyla da ullanılabilmesinin önünü açmıştır. Özellile CO 2 salınımını azaltma hedefi doğrultusunda lima sistemleri, mevcut yaıtların en önemli alternatifi onumundadır. Bu çalışmada, Bursa ilinde bulunan bir onutun 15.10.2008-31.03.2009 tarihleri arasındai beş daia aralılar ile ölçümü yapılan sıcalı ve rüzgâr hızı veriler ullanılara ısıtma ihtiyacı hesaplanmış ve farlı ısıtma sistemleri ullanılması durumunda ısıtma giderleri belirlenmiştir. İç ve dış ortam sıcalıları ve ısıtma apasitesi ullanara lima sisteminin ITK değerleri belirlenebileceği bir model oluşturulmuş ve ompresör yülerinin belirlenmiştir. Hesaplamalar neticesinde, rüzgar hızının etisinin ihmal edilemeyece mertebelerde olduğu ve ısıtma yülerini etilediği görülmüştür. Özellile rüzgarlı olan bölgelerde yapılaca hesaplamalarda bu durumun mutlaa göz önünde bulundurulması geremete ve ısıtma sistemlerinin boyutlandırılmasında diat edilmelidir. Klima sisteminin ullanılması, enerji tüetimi açısından büyü avantaj sağlamata ve bu çalışmada ele alınan diğer yaıt türleri arasında en az enerji tüeten sistem olduğu bulunmuştur. Aynı ortamın ısıtılmasında lima sistemi yerine doğalgaz ullanılması durumunda maliyetler %10, fuel oil ullanılması durumunda 2.5 at, LPG ullanılması durumunda ise 4.5 at fazla olmatadır. Klima sisteminin tüettiği enerji mitarı diğer sistemlere göre ço düşü almata faat eletri fiyatlarının yüse olması nedeniyle doğalgaz ullanımına göre avantajı %10 seviyelerinde almatadır. Yaıt fiyatları her geçen gün artmala birlite lima sistemlerinin ITK değerleri de iyileştirilmetedir. Bu artış göz önünde bulundurulara bir projesiyon oluşturulduğunda gelecete lima sistemlerinin doğalgaza göre avantajının artara devam edeceği öngörülmüştür. Buna e olara iç ortam sıcalığını 1 C arttırma doğalgaz ullanan ısıtma sisteminde %10 lu bir maliyet artışı getiriren lima sistemi ullanılması durumunda ise %5 li bir artış söz onusu olmatadır. Sonuç olara, onutlarda ısıtma ihtiyacını daha eonomi ve çevreci bir yolla arşılama amacıyla lima sistemlerinin ön plana çıtığı söylenebilir. Yaın gelecete de bu farın gidere artacağı ve gere CO 2 emisyonlarındai ısıtlamalar gerese maliyetler değerlendirildiğinde lima sistemlerin daha yaygın bir şeilde ısıtma uygulamalarında ullanılacağı söylenebilir. Özellile lima sistemlerinde farlı ısı aynalarının ullanımının yaygınlaşması ile birlite eonomi açıdan avantajlı onuma gelece ve diğer sistemlere göre daha çevreci olan bu sistemlerin önemi gidere artacatır. KAYNAKLAR [1] KAYNAKLI, Ö., MUTLU, M. ve KILIÇ, M. Bina duvarlarına uygulanan ısıl yalıtım alınlığının enerji maliyeti odalı optimizasyonu. Tesisat Mühendisliği, 126, 48-54, 2012. [2] LUND, H., MÖLLER, B., MATHİESEN, B. V. ve DYRELUND, A. The role of district heating in future renewable energy systems. Energy, 35(3), 1381-1390, 2010. [3] GUPTA, R. ve IRVİNG, R. Development and application of a domestic heat pump model for estimating CO2 emissions reductions from domestic space heating, hot water and potential cooling demand in the future. Energy and Buildings, 60, 60-74, 2013. [4] CHUA, K. J., CHOU, S. ve YANG, W. M. Advances in heat pump systems: A review. Applied energy, 87(12), 3611-3624, 2010. [5] KELLY, N. J. ve COCKROFT, J. Analysis of retrofit air source heat pump performance: Results from detailed simulations and comparison to field trial data. Energy and Buildings, 43(1), 239-245, 2011. [6] http://www.bursagaz.com/onut-fiyat-bilgileri, Erişim Tarihi: 15.01.2017. [7] SERPEN, U. ve PALABIYIK, Y. Konutlarda ısı pompası ve güneş enerjisi seçeneleri ile ısıtmanın eonomi analizi. VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, 25-27 Mayıs 2006, Isparta.
794 [8] KAYA, M. Isı Pompası Ve Kombi Isıtma Sistemleri Maliyet Analizlerinin Karşılaştırılması. Maine Tenolojileri Eletroni Dergisi, 6(2), 39-47, 2009. [9] CABROL, L. ve ROWLEY, P. Towards low carbon homes A simulation analysis of buildingintegrated air-source heat pump systems. Energy and Buildings, 48, 127-136, 2012. [10] KILIÇ, M. ve YİĞİT, A. Isı Transferi, Alfa Atüel Yayınları, 2008. [11] TSE 825, Binalarda Isı Yalıtım Kuralları, 2009. [12] YÜKSEL, İ. Otomati Kontrol, Dora Yayıncılı, 2016. [13] ÇENGEL, Y. A. ve BOLES, M. A. Mühendisli Yalaşımı ile Termodinami, Literatür Yayınevi, 1996. ÖZGEÇMİŞ Mustafa MUTLU 1984 yılı Bulgaristan doğumludur. 2007 yılında UÜ. Mühendisli Mimarlı Faültesi Maine Mühendisliği Bölümünü bitirmiştir. UÜ. Fen Bilimleri Enstitüsü Maine Mühendisliği Anabilim Dalında 2009 yılında yüse lisans eğitimini tamamlamış ve aynı anabilim dalında 2015 yılında dotora derecesi almıştır. 2009 2015 yılları arasında UÜ. Mühendisli Faültesi Maine Mühendisliği Bölümü Enerji Anabilim Dalında Araştırma Görevlisi olara görev yapmıştır. Halen Ermetal Otomotiv ve Eşya San. Tic. A.Ş. de Ar-Ge Mühendisi olara görev yapan Mustafa MUTLU, ısı transferi, enerji sistemleri, hesaplamalı aışanlar dinamiği ve ısıl sistemlerin sayısal modellenmesi onusunda çalışmalarını sürdürmetedir. Emre ÇALIŞKAN 1984 yılı Esişehir doğumludur. 2007 yılında UÜ. Mühendisli Mimarlı Faültesi Maina Mühendisliği Bölümünü bitirmiştir. 2007-2014 yılları arasında TMMOB Maina Mühendisleri Odası Bursa Şubesi nde Teni görevli olara çalışmıştır. Meani Tesisat proje ontrollerini gerçeleştirmiştir. Bursa Aademi Odalar Birliği Yerleşesi Meani Tesisat Uygulama ve Denetleme Kurulunda yer almıştır. Aynı zamanda satınalma omisyonunda görev yapmıştır. Halen DAIKIN Isıtma Soğutma Sistemleri A.Ş. de Supervisor olara görev yapan Emre ÇALIŞKAN, Isı Transferi, Enerji Sistemleri, Enerji Verimliliği onusunda çalışmalarına devam etmetedir.