1. Giriş

Gelişen teknoloji ve dünya nüfusundaki hızlı artış ile enerji ihtiyacı sürekli olarak artmaktadır. Buna karşılık ülkemiz ve dünya büyük bir enerji dar boğazı içerisindedir. Klasik enerji türlerinin sürekli artan bu ihtiyacı ileride karşılayamaz duruma geleceği açıktır. Petrol ve mevcut enerji fiyatları günden güne artmaktadır. Bu durumda yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmak oldukça önem kazanmaktadır.

 

LPG, doğalgaz, atık ısı ve yenilenebilir enerji kaynakları olarak bilinen güneş enerjisi, jeotermal enerji gibi enerji kaynakları absorpsiyonlu soğutma sistemleri için uygun ısı kaynaklarıdır.

Yaz aylarındaki klima sistemlerinin yoğun kullanılmasıyla, elektrik tüketimi aşırı derecede artmaktadır. Elektrik santrallerinin bu ihtiyaca karşılık verememesi ile birçok bölgede elektrik kesintileri ve aşırı yüklenmeden kaynaklanan arızalar gerçekleşmektedir. Yaz aylarındaki soğutma ihtiyacını karşılamak için yine bu aylarda en yüksek seviyelere ulaşan güneş enerjisinden faydalanmak bu sorunları ortadan kaldırmak için iyi bir yöntemdir.

 

2. Güneş Enerjili NH3-H2O Absorpsiyonlu Soğutma Sisteminin İzmir İli İçin Değerlendirmesi

Tek etkili NH3-H2O çalışma akışkanlı absorpsiyonlu soğutma sisteminin hesaplamaları İzmir ilindeki tek katlı bir büro için yapılmıştır. Soğutma sezonu olan Mayıs-Eylül ayları boyunca sistemin soğutma yapabilmesi için generatöre gerekli olan ısı ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanması incelenmiştir.

 

İncelemenin gerçekleştirildiği yalıtımlı büro binasının soğutma yükü hesabında Tablo 1’de verilen 1975–2008 yılları içinde gerçekleşen ortalama en yüksek sıcaklıklar dikkate alınmıştır [1]. Ofis konfor sıcaklığı 25°C alınarak soğutma yükü paket program kullanılarak hesaplanmıştır.

 

Soğutma yükünün hesaplandığı yapının zemini toprak temaslı, üstü açık teraslı, tek katlı, kullanım amacı ofis olan bir binadır. Şekil 1’de mimari kat planı gösterilen yapının soğutma yükünün aylara göre değişimi Şekil 2’de verilmektedir.

 

Şekil 3’de verilen absorpsiyonlu soğutma sisteminin termodinamik analizi aşağıda verilen kabuller dikkate alınarak İzmir ili için beş aylık soğutma sezonu boyunca değerlendirmeleri yapılmıştır.

 

Buharlaştırıcı sıcaklığı 5°C, absorber ve yoğuşturucu sıcaklıkları 35°C, generatör sıcaklığı 90°C ve zenginleştirme kolonu çıkışındaki amonyak konsantrasyonu 0,999 kabulleri yapılarak hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Ayrıca buharlaştırıcı çıkışındaki buhar kalitesi 0,975, karışım ve soğutucu akışkan ısı değiştiricilerinin etkinlikleri 0,8 ve izantropik pompa etkinliği 0,75’dir. Bu kabuller sonucu absorpsiyonlu soğutma sisteminin soğutma etki katsayısı 0,665 olarak hesaplanmıştır.

 

Çalışmada ofis binasının aylara göre soğutma ihtiyacı buharlaştırıcı kapasitesi olarak kabul edilmiştir. Bu buharlaştırıcı yüklerine göre generatöre verilmesi gereken ısı miktarları Şekil 4’te verilmiştir.

 

Kollektörlerin sadece yaz aylarında kullanılacak bir sistem için bulunulan yerin enlem derecesinden 15° eksik bir açı ile yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir [3]. Buna göre hesaplamalarda kollektörler yaz için 23°C eğimli ve güneye yönelik olarak yerleştirilmiştir.

 

İzmir ili için Tablo 1’de verilen yatay düzleme gelen aylık ortalama günlük güneş ışınımı değerleri kullanılarak, güneye yönelik 23°C’lik eğik düzleme düşen aylık ortalama günlük ışınım değerleri, aylara göre gün uzunluğu değerleri ve günlük ortalama anlık ışınım değerleri aşağıda verilen denklemler kullanılarak hesaplanmıştır. Sonuçlar Tablo 2’de verilmektedir.

Deklinasyon açısı,

 

 

 

 

güneş doğuş açısı,

 

 

 

 

 

 

 

atmosfer dışında yatay düzleme gelen aylık ortalama günlük toplam güneş ışınımı,

 

 

 

 

 

 

 

aylık ortalama günlük açıklık indeksi,

 

 

 

aylık ortalama günlük güneş ışınımının direkt ve yayılı bileşenleri,

 

 

 

 

 

 

 

 

ayın ortalama günü için eğik yüzeydeki güneş doğuş açısı,

 

 

 

 

 

 

kuzey yarım kürede güneye yönlendirilmiş düzlemler için ;

 

 

 

 

 

 

 

eğik yüzeye gelen aylık ortalama günlük ışınım yerin yansıtma oranı ortalama 0,2 alınarak,

 

bağıntıları kullanılarak belirlenmektedir [4,5].

 

Şekil 5’te aylara göre yatay düzleme gelen aylık ortalama günlük, eğik düzleme düşen aylık ortalama günlük ışınım değerleri ve günlük ortalama anlık ışınım değerleri grafik halinde verilmiştir.

 

Tablo 3’te incelenen kollektörlerin, ısı kazanç faktörü ile efektif yutma geçirme katsayısının çarpımı ve ısı kazanç faktörü ile toplam ısı kayıp katsayısı çarpımları verilmiştir [5,6,7].

Aylara göre generatöre verilmesi gereken ısının tamamını karşılayacak kollektör alanları Şekil 6’da, kollektör verimleri ise Şekil 7’de verilmiştir. İncelenen kolektörler arasında en yüksek verime sahip olan D kollektörü sistem için seçilerek hesaplamalar bu kollektör için yapılmıştır.

45 m², 55 m², 65 m², 75 m² ve 85 m² kollektör kullanılması durumunda Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos ve Eylül aylarında sağlanacak faydalı enerji miktarları (Qf), absorpsiyonlu soğutma sisteminin soğutma yükünün tamamını karşılayabilmesi için generatöre verilmesi gereken ısı miktarları (Qgen) ve güneş enerjisinden yararlanma oranları (SF) Şekil 7. 

 

Kollektörlerden elde edilen faydalı ısı,

 

güneş enerjisinden yararlanma oranı,

 

bağıntılarından hesaplanmaktadır.

 

Güneş enerjili soğutma sistemi için kollektör alanı belirlenmesinde, soğutma ihtiyacının olduğu aylar esas alınarak, soğutma ihtiyacının %70-80’nin güneş enerjisiyle karşılanması ekonomik olmaktadır [7]. Buna bağlı olarak farklı kollektör alanlarıyla yapılan hesaplamalar sonucu en uygun kollektör alanı olarak soğutma yapılan beş aylık güneşten yararlanama oranı ortalaması 0,749 olan 55m²’lik kollektör alanı seçilmiştir. A,B ve C kollektör tipleri için güneşten faydalanma oranının 0,7-0,8 olduğu alanlar ve SF değerleri Tablo 4’te verilmedir. 0,7-0,8 güneşten yararlanma oranlarını sağlamak için diğer kollektörde çok daha büyük alanlar gerekmektedir. Alan kısıtlaması bulunan yerlerde yüksek verimli vakum tüplü kollektörlerin kullanılması uygun olmaktadır. Sistem tasarımında maliyet değerlendirmeleri de göz önünde bulundurularak tasarımlar gerçekleştirilmelidir.

 

Sonuç

COP’si 0,665 olan tek kademeli NH3-H2O çalışma akışkanlı absorpsiyonlu soğutma sisteminin 5 aylık soğutma sezonu boyunca generatöre verilmesi gereken ısının ekonomik olacak şekilde güneş enerjisiyle karşılanması için gerekli hesaplamalar yapılmış ve sistemin SF’sinin 0,749 olduğu 55m²’lik alan vakum tüplü kollektör için uygun bulunmuştur. Yaz aylarındaki soğutma ihtiyacını karşılamak için yine bu aylarda en yüksek seviyelere ulaşan güneş enerjisinden faydalanmak konveksiyonel soğutma sistemlerindeki aşırı elektirik tüketimini ortadan kaldırmak için iyi bir yöntemdir. Soğutma yükününün tamamını karşılaması için generatöre verilmesi gereken ısının kalanı ise elektrik, doğal gaz ve LPG gibi diğer enerji kaynaklarından sağlanabilmektedir.

 

Kaynaklar

[1] Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü, “İl ve İlçelerimize Ait İstatistiki Veriler”, http://www.meteor.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=IZMIR (Erişim tarihi 5 Ağustos 2010).

[2] Isısan, “Güneş Enerjisi Tesisatı”, 2003.

[3] Bulut, H., “Bina Enerji Analizi ve Güneş Enerji Sistemleri için Eğimli Yüzeylere Gelen Toplam Güneş Işınım Şiddeti Değerlerinin Hesaplanması”, IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi Bildirileri, 435-445, 2009.

[4] Duffie, J.A., Beckman, W. A., “Solar Engineering of Thermal Processes”, John Wiley & Sons Inc., 2006.

[5] Goswami, D.Y., Kreith, F., Kreider, J.F., “Principles of Solar Engineering”, Taylor&Francis, USA, 1999.

[6] Atmaca, İ., Yiğit, A., “Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorpsiyonlu Soğutma Sisteminin Simülasyonu”, DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 4:125-136, 2002.

[7] Goralı, E., “Güneş Enerjili Absorpsiyonlu Soğutma Sistemi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü, 2007.

 

Semboller

A Alan (m²)

COP Soğutma etki katsayısı

H Aylık ortalama günlük ışınım değeri (MJ/ m²gün)

i Günlük ortalama anlık ışınım değeri (W/ m²)

n Ayı temsil eden ortalama gün

T Sıcaklık (°C)

to Gün uzunluğu 

Q Birim zamanda ısı geçişi (kW)

SF Güneş enerjisinden yararlanma oranı

Ws Güneş doğuş açısı

W’s Eğik yüzeydeki güneş doğuş açısı

x Konsantrasyon (kg/kg)

δ Deklinasyon açısı

η Verim

? Enlem açısı

 

Altsimgeler

abs Absorber

buh Buharlaştırıcı

f Faydalı

gen Generatör

k Kollektör

o Atmosfer dışında yatay düzleme düşen

t Eğik düzleme düşen

y Yatay düzleme düşen

yoğ Yoğuşturucu

 

Bu makale, 13-16 Nisan 2011 tarihleri arasında düzenlenen X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi’nde bildiri olarak sunulmuştur.