GiriÅŸ

Binaların toplam enerji tüketimindeki payının yaklaşık %40 olduÄŸu 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 teÅŸkil etmektedir. Enerji tüketimini azaltma anlamında alınan tedbirler arasında Kyoto Protokolü’ne uygun ÅŸekilde yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji kullanımının arttırılması ve global sıcaklık artışının 2ºC altında tutulması için uzun dönemli misyona baÄŸlılık ve 2020 itibarı ile toplam sera gazı emisyonlarının %20’den az olması misyonuna baÄŸlılık ve de EFBD 2010/31/EU gerekliliklerinin karşılanması vardır. 

 

Azalan enerji tüketimi ve artan yenilenebilir enerji kaynaklarının daha fazla kullanımı, enerji arzı güvenliÄŸi saÄŸlanması anlamında önemli rol oynamaktadır. Isınma anlamında umut vadeden alternatiflerden birisi arasında güneÅŸ enerjisi vardır. GüneÅŸ 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 edilmiÅŸ olan duyarlı ısı depolama cihazının boyutlandırma prensipleri Viorel Badescu tarafından geliÅŸtirilmiÅŸtir. Badescu iki model sunmuÅŸtur. Elde edilen sonuçlar daha ufak ısı depolama cihazlarının büyük olanlara kıyasla daha hızlı soÄŸuduÄŸunu 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 boÅŸaltılması ve anlık doldurma ve boÅŸaltma. 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 deÄŸiÅŸtiren maddeler (Faz deÄŸiÅŸim maddeleri – PCM). Bunlar hem ısıtma hem de soÄŸutma amacıyla farklı sistemlerde kullanılabilmektedir. Bu maddeler binaların enerji gerekliliklerini azaltma anlamında çok baÅŸarılı olmaktadırlar. Maalesef, bunların yaygın ÅŸekilde kullanımından önce araÅŸtırma ve geliÅŸtirme 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 doÄŸru ÅŸekilde kurarak, latent ısı depolama cihazları binaların ısıtılması ve soÄŸutulması anlamında ekonomik verimliliÄŸe sahip alternatifler olabilmektedirler. Toplu kullanım için, dayanıklılık ve pratiklik anlamında bazı problemlerin çözülmesi gereklidir. GeçtiÄŸimiz son 20 yıl içerisinde, OCM ve enerji depolama alanlarında ciddi araÅŸtırmalar gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir. Zalba ve diÄŸer araÅŸtırmacılar katı-sıvı faz deÄŸiÅŸimi kullanarak ısıl enerji depolaması üzerine yayınları araÅŸtırmışlardır. 

 

Enerji depolaması PCM’nin erime/katılaÅŸma özelliklerine göre gerçekleÅŸtirilebilmektedir. Baz olarak, farklı erime ısılarına sahip olan farklı parafin türleri seçilmiÅŸtir. Erime ve katılaÅŸma üzerinde Reynolds ve Stefan sayısının etkisi belirlenmiÅŸtir. PCM’nin davranışını analiz ederken, faz deÄŸiÅŸiminin ısı aralığında meydana geldiÄŸi belirlenmiÅŸtir. Entalpi yönteminin kullanımı erime sürecinin temel olarak Stefan sayısına yani faz deÄŸiÅŸiminin meydana geldiÄŸi ısıya dayalı olduÄŸunu göstermiÅŸtir. Gizli ısı depolama cihazları güneÅŸ 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 ölçülmüÅŸtür. 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 karşılaÅŸtırma yapılmıştır. KarşılaÅŸtırma sonucunda, paletlere sahip olan ısı depolama cihazında, erime süresinin azaldığı tespit edilmiÅŸtir. 

 

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 gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir. Malzeme fiyatlarının yüksekliÄŸi sebebiyle bunların kullanımı sınırlıdır. Bu teknolojinin avantajı ise uzun dönemli ısı depolama imkanı sunmasıdır. 

 

Sistemin Tanımı

Solar radyasyon sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır. Yeryüzüne düÅŸen güneÅŸ enerjisi bir yılda tüm dünyada birincil enerjiye olan talebin sekiz bin katından fazladır.  Yıllık toplam güneÅŸ enerjisinin yerel dağılımı fazlasıyla lokayona baÄŸlı olan iklimsel ve meteorolojik koÅŸullara baÄŸlıdır.

 

GüneÅŸ enerjisinin deÄŸerlendirilebilmesi için, güneÅŸ enerjisi kolektörleri, düÅŸük ısılı (latent) ısı depolama cihazları, ısı depolama cihazına baÄŸlı olan bir ısı pompası ve ısıtma sistemi kullanılabilir. Bu sistem Åžekil 1’de gösterilmiÅŸtir. 

 

Sistemin Çalışması

GüneÅŸ enerjisi kollektörleri güneÅŸ enerjisini emip daha sonra ısı deÄŸiÅŸim cihazları ile latent ısı depolama cihazına aktarırlar. Bu depolama aracı parafin adı verilen bir faz deÄŸiÅŸtirici malzemeye (PCM) sahiptir. Faz deÄŸiÅŸim malzemesi fiziksel durumlarını katıdan sıvıya deÄŸiÅŸtirirken 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 deÄŸiÅŸim cihazı vasıtası ile bir binanın ısıtılması için kullanılan bir ısı sistemine gönderilir. Bu sayede, 20ºC seviyesinde özel bir ısı saÄŸlanabilmektedir. Isıtma sisteminin derecesi 40ºCdir. 

 

Matematiksel Model

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

 

Hesaplama ÅŸeması Åžekil 2’de sunulmuÅŸtur.

AÅŸağıdakiler sistem komponentlerin fiziksel parametreleridir. 

• GüneÅŸ enerjisi kolektörü – (SC)

 

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

 

 

 

 

 

 

 

GüneÅŸ tarafından üretilen ısı miktarı EÅŸitlik 1 kullanılarak hesaplanmaktadır.

 

 

 

 

burada: 

 

 

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

 

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

 

 

 

 

 

 

 

Parafin sahip olduÄŸu özellikler sebebiyle, Åžekil 3’te görüldüÄŸü üzere faz deÄŸiÅŸiminde (katı-sıvı ve tersi) ısısını deÄŸiÅŸtirmeden daha fazla miktarda enerji depolayabilmektedir. Bu durumda, faz deÄŸiÅŸiminin meydana geldiÄŸi ısı 31 santigrattır.

 

• Isı pompası (HP)

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

bu formülde: 

 

 

 

 

 

COPheating ısıtma için olan performans katsayısı 

QC bir ısı kaynağından gelen ısı.(kWh)

WHP ısı pompasından saÄŸlanan enerji.(kWh) 

 

• düÅŸük enerjili bina

 

Kurulan sistem, aÅŸağıdaki özelliklere sahip düÅŸük enerjili bir binanın ısıtılması için kullanılmıştır:

 

 

 

 

 

 

Kayıplar EÅŸitlik 3 kullanılarak hesaplanmıştır. 

bu formülde:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GüneÅŸin yeterli miktarda ısıl enerji saÄŸlamadığı 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 gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir. Ä°klim koÅŸulları ile ilgili bilgi ÅŸu ÅŸehirler için toplanmıştır: Roma, Ljubljana, Londra ve Stockholm.

 

Yapılan analiz, ısıtma döneminin tamamında maksimum solar kazanımların Roma’da en yüksek olduÄŸunu ve Stockholm’de en düÅŸük olduÄŸunu göstermektedir. Stockholm’de kasım, aralık ve ocak aylarında solar kazanım neredeyse sıfır seviyesinde olmuÅŸtur. Tüm ÅŸehirler için solar kazanımlar ise mart ayında toplanmıştır. (Åžekil 5)

 

Isıtma döneminde ısı kayıpları Stockholm’de en fazla, ve Roma’da en düÅŸük olmaktadır. Dikkate alınan tüm ÅŸehirler için en yüksek kayıplar ocak ayında meydana gelmiÅŸtir. (Åžekil 6)

Åžekil 7 ısıtma sezonunda bir ayda ısı pompası ile elde edilmiÅŸ olan ısı verilerini göstermektedir. Bu ÅŸemadan, mart ayında daha fazla ısı elde etmenin mümkün olduÄŸu görülmekte. Bu gerçek, bu ayda görülen yeterli güneÅŸ miktarı ile baÄŸlantılıdır. Belirli bir lokasyonda ısıtma için maksimum ortalama ısı kazanımı Roma’da meydana gelmiÅŸtir. Maksimum ısı kazanımı mart ayında Ljubljana’da elde edilirken, en düÅŸük sonuçlar kasım, aralık ve ocak aylarında Stockholm’de elde edilmiÅŸtir. Isı pompası verimliliÄŸi ve performans katsayısı (COP) üretilen ısı ve giren enerji (elektrik) arasındaki oranı vermektedir. Sunulan sistemde, ısıtma sezonunda COP 0 ila 5.69 arasında deÄŸerlere ulaÅŸmıştır. 0 deÄŸeri, ısı pompasının ısı alabileceÄŸi hiç bir ısı kaynağı olmadığı anlamına gelmektedir.

 

Åžekil 8’de gösterilen ÅŸekilde, sıfır deÄŸerine aralık ve ocak ayında Stockholm’de ulaşılmıştır. Maksimum COP deÄŸeri 5.69’dur ve Roma, Ljubljana ve Londra’da elde edilmiÅŸtir. Roma’da bu deÄŸere Ekim, kasım, ÅŸubat ve mart aylarında, Ljubljana’da ekim ve mart aylarında ve Londra’da ekim ve Mart aylarında ulaşılmıştır. Stockholm’de maksimum COP deÄŸeri 5.12 olmuÅŸtur.  Isınma sezonunun tamamında ısınma için yeterince güneÅŸ olmadığı için yeniden ısıtmaya ihtiyaç olmuÅŸtur.  Bir ikincil ısı biyo kütle kaynağı  seçilmiÅŸtir.

Åžekil 9’da gösterildiÄŸi üzere, buna en fazla ihtiyaç Stockholm’de olmuÅŸtur. Bu, ısıtma sezonunun tamamında gereklidir. Ljubljana’da, Ekim ayında yeniden ısıtmaya gerek olmamıştır ve en yüksek deÄŸere ocak ayında Stockholm’de ulaşılmıştır. Isınma sezonu boyunca, yeniden ısıtma, Roma’da daha düÅŸük ısılarda gerekli olmuÅŸtur. 

 

Sonuç

Ä°nsanların birincil enerji kaynağı olan organik fosil yakıtların sürdürülemez kullanımı sebebiyle, ısınma için ileri teknolojilerin kullanılmaya baÅŸlanması gereklidir. Isınma için kullanılan çevre dostu teknolojiler arasında güneÅŸ enerjisi de vardır. Bir ısı pompası ile birlikte gizli ısı depolama cihazından oluÅŸan bir güneÅŸ enerjisi sistemi verimli ve ekonomik bir ısıtma sistemi temsil etmektedir.Bu sistemin ekonomik avantajlarına, aÅŸağıdaki sebeplerden ötürü coÄŸrafi pozisyonu da katkıda bulunmaktadır: Ekvatora yaklaÅŸtıkça daha fazla güneÅŸ enerjisi mevcut olmaktadır ve bunun tersi de doÄŸrudur. GüneÅŸ enerjisinin, yeniden ısıtma gereken binanın kayıplarını kapatmak için yeterli enerji saÄŸlamadığı zamanlarda yeniden ısıtmaya ihtiyaç duyarız. Bu durumda, yeniden ısıtmanın maliyeti olduÄŸu ve güneÅŸ enerjisi ücretsiz olduÄŸu için, ısıtma sistemi daha ekonomik olmaktadır. Bu tür sistemde, düÅŸük enerji gerektiren bir ev için olan yıllık ısı gereksiniminin %50’sini saÄŸlamak için güneÅŸ enerjisi kullanılabilir. GüneÅŸ miktarının aynı zamanda ısı pompasının performans katsayısı üzerinde de etkisi vardır. CoÄŸrafi konuma baÄŸlı olarak, bu katsayı yaklaşık 6 gibi bir deÄŸere ulaÅŸabilmektedir. 

 

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.