Giriş

Binaların toplam enerji tüketimindeki payının yaklaşık %40 olduğu tahmin edilmektedir. Bina sektörü giderek büyümektedir ve bu da sonuç olarak enerji tüketimini arttırmaktadır. Bu sebeple, enerji tüketiminin azaltılması ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı sera gazı emisyonlarının azaltılması anlamında önemli bir adım teşkil etmektedir. Enerji tüketimini azaltma anlamında alınan tedbirler arasında Kyoto Protokolü’ne uygun şekilde yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji kullanımının arttırılması ve global sıcaklık artışının 2ºC altında tutulması için uzun dönemli misyona bağlılık ve 2020 itibarı ile toplam sera gazı emisyonlarının %20’den az olması misyonuna bağlılık ve de EFBD 2010/31/EU gerekliliklerinin karşılanması vardır. 

 

Azalan enerji tüketimi ve artan yenilenebilir enerji kaynaklarının daha fazla kullanımı, enerji arzı güvenliği sağlanması anlamında önemli rol oynamaktadır. Isınma anlamında umut vadeden alternatiflerden birisi arasında güneş enerjisi vardır. Güneş enerjisini depolamanın en iyi yolu ısı depolama cihazı kullanmaktır. 

 

Tanklarda enerji depolama çok farklı sistemlere entegre edilebilmektedir. Bunlardan bir tanesi bir ısıtma sistemine entegre etmektir. Tank ve biokütlenin yanmasının kombinasyonu optimal performans sunmaktadır çünkü binanın ısıtılması için kullanılmayan ısı, ısı depolama tankında saklanabilmekte ve sıtma cihazının çalışmadığı zamanlarda ısıtma için kullanılmaktadır. 

 

Isıtma sistemine entegre edilmiş olan duyarlı ısı depolama cihazının boyutlandırma prensipleri Viorel Badescu tarafından geliştirilmiştir. Badescu iki model sunmuştur. Elde edilen sonuçlar daha ufak ısı depolama cihazlarının büyük olanlara kıyasla daha hızlı soğuduğunu ve her ay depolanan ısıl enerji ve ısı pompası kompresörünü çalıştırmak için kullanılan aylık enerjinin tankın boyunun artması ile arttığını göstermektedir. Tabi ki depolama cihazını binaya entegre etmek mümkündür. Bu durumda, ısı depolama cihazı iç farklı çalışma moduna sahip olacaktır: ısının toplanması, ısının boşaltılması ve anlık doldurma ve boşaltma. Termosifon içinde alkol ile çalışan bu tür bir ısı depolama cihazı en iyi sonuçları vermektedir.

 

Isı depolama cihazlarını doldurmak için kullanılan araçlar farklıdır. Isı depolama için kullanılan bir olası araç fiziksel durumu değiştiren maddeler (Faz değişim maddeleri – PCM). Bunlar hem ısıtma hem de soğutma amacıyla farklı sistemlerde kullanılabilmektedir. Bu maddeler binaların enerji gerekliliklerini azaltma anlamında çok başarılı olmaktadırlar. Maalesef, bunların yaygın şekilde kullanımından önce araştırma ve geliştirme seviyesinde pek çok problemin çözülmesi gerekmektedir. Bunların üzerinde, PCM’in ısıl özelliklerine çok dikkat edilmelidir.

(Gizli) ısı depolama cihazları giderek önemli hale gelmektedir. Binalarda gizli ısı depolamasının bazı avantajları vardır. Uygun PCM’i kullanarak ve bunu doğru şekilde kurarak, latent ısı depolama cihazları binaların ısıtılması ve soğutulması anlamında ekonomik verimliliğe sahip alternatifler olabilmektedirler. Toplu kullanım için, dayanıklılık ve pratiklik anlamında bazı problemlerin çözülmesi gereklidir. Geçtiğimiz son 20 yıl içerisinde, OCM ve enerji depolama alanlarında ciddi araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Zalba ve diğer araştırmacılar katı-sıvı faz değişimi kullanarak ısıl enerji depolaması üzerine yayınları araştırmışlardır. 

 

Enerji depolaması PCM’nin erime/katılaşma özelliklerine göre gerçekleştirilebilmektedir. Baz olarak, farklı erime ısılarına sahip olan farklı parafin türleri seçilmiştir. Erime ve katılaşma üzerinde Reynolds ve Stefan sayısının etkisi belirlenmiştir. PCM’nin davranışını analiz ederken, faz değişiminin ısı aralığında meydana geldiği belirlenmiştir. Entalpi yönteminin kullanımı erime sürecinin temel olarak Stefan sayısına yani faz değişiminin meydana geldiği ısıya dayalı olduğunu göstermiştir. Gizli ısı depolama cihazları güneş kolektörleri ve ısı pompaları ile birlikte ısı sitemlerinde kullanılabilir. Simülasyon için, gizli ısı depolama cihazı kullanılmıştır ve PCM ile dolu olan gizli ısı depolama cihazının içeri giren ve dışarı çıkan ısıları ölçülmüştür. Bu tür bir sistemde, sistemin performansı açısından bazı tasarım faktörleri önem taşımaktadır. Bu tasarım faktörleri arasında ısı depolama cihazı üzerindeki paletler vardır. Düz bir ısı depolama cihazı ile üzerinde paletler bulunan bir ısı depolama cihazı arasında karşılaştırma yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, paletlere sahip olan ısı depolama cihazında, erime süresinin azaldığı tespit edilmiştir. 

 

Son on yılda emilim ve termokimyasal depolama cihazları üzerinde de ciddi ilgi ortaya çıkmıştır. Bu alanda, emilim ve emilimli ısı depolama cihazları üzerine bazı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Malzeme fiyatlarının yüksekliği sebebiyle bunların kullanımı sınırlıdır. Bu teknolojinin avantajı ise uzun dönemli ısı depolama imkanı sunmasıdır. 

 

Sistemin Tanımı

Solar radyasyon sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır. Yeryüzüne düşen güneş enerjisi bir yılda tüm dünyada birincil enerjiye olan talebin sekiz bin katından fazladır.  Yıllık toplam güneş enerjisinin yerel dağılımı fazlasıyla lokayona bağlı olan iklimsel ve meteorolojik koşullara bağlıdır.

 

Güneş enerjisinin değerlendirilebilmesi için, güneş enerjisi kolektörleri, düşük ısılı (latent) ısı depolama cihazları, ısı depolama cihazına bağlı olan bir ısı pompası ve ısıtma sistemi kullanılabilir. Bu sistem Şekil 1’de gösterilmiştir. 

 

Sistemin Çalışması

Güneş enerjisi kollektörleri güneş enerjisini emip daha sonra ısı değişim cihazları ile latent ısı depolama cihazına aktarırlar. Bu depolama aracı parafin adı verilen bir faz değiştirici malzemeye (PCM) sahiptir. Faz değişim malzemesi fiziksel durumlarını katıdan sıvıya değiştirirken enerjiyi depolarlar. Bizim çalışmamızda erime ısısı 30ºCdir. 

 

Bunun ardından ısı depolama cihazındaki ısıl enerji ısı pompası tarafından daha yüksek derecede kullanılır. Bu enerji daha sonra ısı depolama cihazında muhafaza edilir ve sonra bir ısı değişim cihazı vasıtası ile bir binanın ısıtılması için kullanılan bir ısı sistemine gönderilir. Bu sayede, 20ºC seviyesinde özel bir ısı sağlanabilmektedir. Isıtma sisteminin derecesi 40ºCdir. 

 

Matematiksel Model

Karmaşık bir ısıtma sisteminin analizinde, ısıtma sisteminin farklı iklim koşullarındaki davranışının simülasyonunu sınan bir bilgisayar programı kullanılmıştır. Simülasyonu uygulamak için kullanılan girdi verileri saatlik solar radyasyon; buna denk gelen dış ısı, güneş enerjisi kolektörünün özellikleri, parafin Rubitherm RT 31 ile dolu bir latent ısı depolama cihazı, ısı pompası özellikleri ve düşük enerjili ev özellikleridir. İklim verileri için Test Referans Yılı (TRY) kullanılmıştır. 

 

Hesaplama şeması Şekil 2’de sunulmuştur.

Aşağıdakiler sistem komponentlerin fiziksel parametreleridir. 

• Güneş enerjisi kolektörü – (SC)

 

Güneş enerjisi kollektörü güneş enerjisini ısıya çevirmek için tasarlanmıştır. Analiz edilen sistemde, iki solar kolektör kullanılmıştır. Her bir kollektörün özellikleri Tablo 1’de sunulmuştur. 

 

 

 

 

 

 

 

Güneş tarafından üretilen ısı miktarı Eşitlik 1 kullanılarak hesaplanmaktadır.

 

 

 

 

burada: 

 

 

• Parafin Rubitherm RT 31’e sahip gizli ısı depolama cihazı (LHS) 

 

Düşük ısıda enerji depolaması için, aşağıdaki özelliklere sahip parafin Rubitherm RT 31’e sahip gizli ısı depolama cihazı kullandık:

 

 

 

 

 

 

 

Parafin sahip olduğu özellikler sebebiyle, Şekil 3’te görüldüğü üzere faz değişiminde (katı-sıvı ve tersi) ısısını değiştirmeden daha fazla miktarda enerji depolayabilmektedir. Bu durumda, faz değişiminin meydana geldiği ısı 31 santigrattır.

 

• Isı pompası (HP)

Isıtma pompasının ısıtma sistemi içindeki rolü ısıl enerjiyi düşük ısıdan daha yüksek bir ısı seviyesine yükseltmektir. Isı pompalarının performans katsayısı (COP), 40 santigratlık ısıtma sistemi (su akışı) çıkış ısısı için Şekil 4’te gösterilen şekilde her bir kaynak ısısı için Eşitlik 2 kullanılarak hesaplanmıştır. Bir latent ısı depolama cihazı içinde depolanmış ısı kaynağının ısısı solar kazanımlara göre değişmektedir.

bu formülde: 

 

 

 

 

 

COPheating ısıtma için olan performans katsayısı 

QC bir ısı kaynağından gelen ısı.(kWh)

WHP ısı pompasından sağlanan enerji.(kWh) 

 

• düşük enerjili bina

 

Kurulan sistem, aşağıdaki özelliklere sahip düşük enerjili bir binanın ısıtılması için kullanılmıştır:

 

 

 

 

 

 

Kayıplar Eşitlik 3 kullanılarak hesaplanmıştır. 

bu formülde:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Güneşin yeterli miktarda ısıl enerji sağlamadığı zamanlarda ikincil ısıtma sistemi devreye girmektedir. Bu durumda kullanılan ikincil ısıtma sistemi ise biyo-kütle kazanıdır. 

 

Sonuçlar ve Analiz

Bir karmaşık ısıtma sisteminin analizi, Ekim ila Mart ayları arasındaki dönem olarak tanımladığımız ısıtma dönemli için gerçekleştirilmiştir. İklim koşulları ile ilgili bilgi şu şehirler için toplanmıştır: Roma, Ljubljana, Londra ve Stockholm.

 

Yapılan analiz, ısıtma döneminin tamamında maksimum solar kazanımların Roma’da en yüksek olduğunu ve Stockholm’de en düşük olduğunu göstermektedir. Stockholm’de kasım, aralık ve ocak aylarında solar kazanım neredeyse sıfır seviyesinde olmuştur. Tüm şehirler için solar kazanımlar ise mart ayında toplanmıştır. (Şekil 5)

 

Isıtma döneminde ısı kayıpları Stockholm’de en fazla, ve Roma’da en düşük olmaktadır. Dikkate alınan tüm şehirler için en yüksek kayıplar ocak ayında meydana gelmiştir. (Şekil 6)

Şekil 7 ısıtma sezonunda bir ayda ısı pompası ile elde edilmiş olan ısı verilerini göstermektedir. Bu şemadan, mart ayında daha fazla ısı elde etmenin mümkün olduğu görülmekte. Bu gerçek, bu ayda görülen yeterli güneş miktarı ile bağlantılıdır. Belirli bir lokasyonda ısıtma için maksimum ortalama ısı kazanımı Roma’da meydana gelmiştir. Maksimum ısı kazanımı mart ayında Ljubljana’da elde edilirken, en düşük sonuçlar kasım, aralık ve ocak aylarında Stockholm’de elde edilmiştir. Isı pompası verimliliği ve performans katsayısı (COP) üretilen ısı ve giren enerji (elektrik) arasındaki oranı vermektedir. Sunulan sistemde, ısıtma sezonunda COP 0 ila 5.69 arasında değerlere ulaşmıştır. 0 değeri, ısı pompasının ısı alabileceği hiç bir ısı kaynağı olmadığı anlamına gelmektedir.

 

Şekil 8’de gösterilen şekilde, sıfır değerine aralık ve ocak ayında Stockholm’de ulaşılmıştır. Maksimum COP değeri 5.69’dur ve Roma, Ljubljana ve Londra’da elde edilmiştir. Roma’da bu değere Ekim, kasım, şubat ve mart aylarında, Ljubljana’da ekim ve mart aylarında ve Londra’da ekim ve Mart aylarında ulaşılmıştır. Stockholm’de maksimum COP değeri 5.12 olmuştur.  Isınma sezonunun tamamında ısınma için yeterince güneş olmadığı için yeniden ısıtmaya ihtiyaç olmuştur.  Bir ikincil ısı biyo kütle kaynağı  seçilmiştir.

Şekil 9’da gösterildiği üzere, buna en fazla ihtiyaç Stockholm’de olmuştur. Bu, ısıtma sezonunun tamamında gereklidir. Ljubljana’da, Ekim ayında yeniden ısıtmaya gerek olmamıştır ve en yüksek değere ocak ayında Stockholm’de ulaşılmıştır. Isınma sezonu boyunca, yeniden ısıtma, Roma’da daha düşük ısılarda gerekli olmuştur. 

 

Sonuç

İnsanların birincil enerji kaynağı olan organik fosil yakıtların sürdürülemez kullanımı sebebiyle, ısınma için ileri teknolojilerin kullanılmaya başlanması gereklidir. Isınma için kullanılan çevre dostu teknolojiler arasında güneş enerjisi de vardır. Bir ısı pompası ile birlikte gizli ısı depolama cihazından oluşan bir güneş enerjisi sistemi verimli ve ekonomik bir ısıtma sistemi temsil etmektedir.Bu sistemin ekonomik avantajlarına, aşağıdaki sebeplerden ötürü coğrafi pozisyonu da katkıda bulunmaktadır: Ekvatora yaklaştıkça daha fazla güneş enerjisi mevcut olmaktadır ve bunun tersi de doğrudur. Güneş enerjisinin, yeniden ısıtma gereken binanın kayıplarını kapatmak için yeterli enerji sağlamadığı zamanlarda yeniden ısıtmaya ihtiyaç duyarız. Bu durumda, yeniden ısıtmanın maliyeti olduğu ve güneş enerjisi ücretsiz olduğu için, ısıtma sistemi daha ekonomik olmaktadır. Bu tür sistemde, düşük enerji gerektiren bir ev için olan yıllık ısı gereksiniminin %50’sini sağlamak için güneş enerjisi kullanılabilir. Güneş miktarının aynı zamanda ısı pompasının performans katsayısı üzerinde de etkisi vardır. Coğrafi konuma bağlı olarak, bu katsayı yaklaşık 6 gibi bir değere ulaşabilmektedir. 

 

References

[1] Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (http://eur-lex.europa. eu/).

[2] U. Stritih, V.Butala, Optimization of a thermal storage unit combined with a biomass boiler for heating buildings, Renewable Energy 29 (2004) 2011-2022.

[3] Viorel Badescu, Model of a thermal energy storage device integrated into a solar assisted heat pump system for heating, Energy Conversion and Management 44 (2003) 1589-1604.

[4] Mao-Ching Lin, Lin-jye Chun, Wen-Shing Lee, Sih-Li Chen, Thermal performance of a twophase thermo syphon energy storage system, Solar energy 75 (2003) 295-306.

[5] Vincent Veer Tyagi, D. Buddhi, PCM thermal storage in buildings: A state of art, Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1146-1166.

[6] Murat Kenisarin, Khamid Mahkamov, Solar energy storage using phase change materials, Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1913-1965. [7] Yinping Zhang, Goubing Zhou, Kunping Lin, Qunli Zhang, Hongfa Di, Application of latent heat thermal energy storage in buildings: State-ofart and outlook, Building and Environment 42 (2006) 2197-2209. 

[8] Belen Zalba, Jose M. Martin, Luisa F. Cabeza, Herald Mehling, Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and application, Applied Thermal Engineering 23 (2003) 251-283. 

[9] Mithat Akgun, Orhan Aydin, Kamil Kajgusuz, Thermal energy storage performance of paraffin in a novel tube–in-shell system, Applied Thermal Engineering 28 (2008) 405-413.

[10] A. Felix Regin, S. C. Solanki, J. S. Sami, Latent heat thermal energy storage using cylindrical capsule: Numerical and experimental investigations, Renewable Energy 31 (2006) 2025-2041.

[11] M. Esen, Thermal performance of a solar-aided latent heat store used for space heating by heat pump, Solar Energy 69 (2000) 15-25.

[12] Omer Comakli, Mahmut Bayramoslu, Kamil Kajgusuz, A thermodynamic model of a solar assisted heat pump system with energy storage, Solar Energy 56 (1996) 485-492.

[13] U. Stritih, An experimental study of enhanced heat transfer in rectangular PCM thermal storage, International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 2841-2847. 

[14] K. Edem N’Tsoukpoc, Hui Liu, Nolwenn Le Pierres in Lingai Luo, A review on long-term sorption solar energy storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 2385-2396.