Toprak ısı değiştiricilerinde yeni bir ısıl tepki yöntemi ve performansın parametrik incelenmesi

Yıllık toplam enerji tüketiminin %20'sinin ısıtma için harcandığı ülkemiz ve benzeri oranların olduğu dünyanın bir çok ülkesinde enerji fiyatlarının ve enerji tüketiminin doğaya etkilerine ilişkin farkındalığın artması nedeniyle, verimli ısıtma soğutma sistemlerine artan bir ihtiyaç ve ilgi bulunmaktadır. Isıtma ve soğutma için topraktan faydalanan ve diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına da entegre olabilen toprak kaynaklı ısı pompaları şu anda hem ısıtma hem de soğutmada en ekonomik sistemlerden biridir. Toprak kaynaklı ısı pompalarının ekonomik olmasına rağmen ülkemizde yaygınlaşamamasının en önemli nedenlerinden biri ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olmasıdır. Diğer bir önemli neden ise bilgi eksikliğinden kaynaklanan yanlış uygulamalar neticesinde oluşan güven kaybıdır. Toprak kaynaklı ısı pompalarında ısıtılacak ortama aktarılan ısının büyük çoğunluğu (%70-80) topraktan geldiği için toprak tarafının planlanması önem arz etmektedir. Toprak altının yapısı çok değişkenlik gösterebilmekte; farklı toprak tabakaları, yeraltı su akışları, farklı nem içerikleri, çatlaklar veya boşluklar bulunabilmektedir. Bu nedenle toprak tarafı için ısıl tepki testleri yapılmaktadır. Isıl tepki testleri yaklaşık 20 yıllık bir geçmişe sahip olmakla beraber halen geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu tez çalışması temel olarak iki konuya odaklanmıştır: İlk olarak geleneksel sabit ısı akılı ısıl tepki testine alternatif ve belirli avantajlar içeren sabit sıcaklıklı ısıl tepki testi önerilmiş ve deneysel olarak çeşitli özellikteki toprak ısı değiştiricilerine uygulanmıştır. Önerilen sabit sıcaklıklı test metotu için bir analitik model geliştirilmiş ve sayısal modelle de doğrulanmıştır. Sabit sıcaklıkta test yapabilecek test sistemi laboratuvar ortamında kurulmuş, gerekli kalibrasyonlar, düzenlemeler yapıldıktan sonra farklı özelliklere sahip 4 kuyuda denenmiş ve toprak özellikleri belirlenmiştir. Sonuçların test sıcaklığına bağımlılığı da incelenmiştir. Uygun test suresi araştırılmış ve 24-36 saatlik testlerin yeterli olduğu görülmüştür. Geliştirilen model ile kuyuların hiç durmaksızın çalışması durumundaki performans değişimi elde edilmiştir. İkinci olarak toprakla gerçeklesen ısı transferi incelenmiş ve bunu arttırmaya yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bunun için kuyudaki U borusunun sayısı, gidiş dönüş boruları arasındaki mesafe, boru çapı, kuyu derinliği gibi parametrelerin performansa etkileri incelenmiş, U borusu sayısını arttırmanın performansı oldukça iyi bir şekilde arttırdığı bulunmuş; bir kuyuda 3U borusu kullanmanın tek U ya göre %33 iyileşme sağlayacağı hem deneysel olarak hem de sayısal modelle gösterilmiştir. U borusu sayısını daha fazla arttırmanın artan boru maliyetini karşılamayacağı görülmüş ve Türkiye fiyatları için en iyi çözümün 2U borulu kuyu olduğu kısa ve uzun zamanlı analizler ile gösterilmiştir. Ancak boru maliyetlerinin düşmesi ile U borusu sayısını arttırmak maliyet-performans acısından tercih edilebilir olacaktır. Yönetimi ve uygulaması sığ olanına göre daha zor olan derin kuyuların derinliğinin performansa etkisi 50 m ve 100 m derinlikli iki kuyu ile incelenmiştir. 100 m derinlikli kuyuda akışkan daha uzun süre kuyu içerisinde kalacağından gidiş ve dönüş boruları arasındaki sıcaklık farkının artmasına bağlı olarak ısıl kısa devrelerin de artacağı ve birim kuyu derinliği başına elde edilecek ısı transferinin 50 m derinlikli kuyuya göre biraz daha az olacağı gösterilmiştir. Fakat ısı pompasının ısıtma modunda çalışması halinde toprağa soğuk akışkan gönderildiğinden geleneksel kuyulardan (20-200 m) daha derin olan kuyularda ortalama doğal toprak sıcaklığı yükseldiğinden ısıtma modunda yüksek performans elde edilebilir. Ayrıca debinin arttırılmasının performansı kısmen arttıracağı fakat borudaki hız artışına karşılık pompa gücünün, debinin üçüncü kuvveti ile orantılı olarak artması nedeniyle toplam enerji tüketiminin hızla artması sonucu bu kısmi iyileşmenin etkinlik katsayısı (COP) üzerinde olumlu bir etkisinin gözlenemeyeceği sonucuna ulaşılmıştır. Boru çapının etkisi için Ø32 mm'lik ve Ø40 mm'lik U borularına sahip iki kuyu kullanılmış, 40'lık boruda %4 civarında önemsenmeyecek bir iyileşme olduğu görülmüştür. Buna eş olarak borular arası mesafenin de performansa olumlu katkısı olduğu görülmüştür. Dolayısıyla kuyu çapı değiştirilmeden boru çapını arttırmanın borular arasındaki mesafeyi de azaltması nedeniyle çap artışının olumlu etkisinin perdeleneceği anlaşılmıştır. Çoklu kuyu alanlarındaki performans kayıplarını araştırmak için kuyuların performans kayıpları farklı kuyu dizilimleri ve çalışma sürelerinde kuyular arası mesafelere bağlı olarak incelenmiştir. Göz önüne alınan olabilecek en kötü senaryo için kuyular arasında 6 m aralık bırakılması durumunda bile kuyuları toplam performansındaki kaybının ihmal edilebilir değerlerde olduğu bulunmuştur. Derin kuyulara alternatif olarak daha ucuza uygulanabilen sığ uygulamalar/yatay uygulamalardan en çok kullanılanları slinky, salyangoz ve helis tipi incelenmiş ve birim kanal uzunluğunda en iyi sonucu helis tipi toprak ısı değiştiricisi vermesine karşılık birim boru uzunluğunda en iyi sonucu salyangoz tipi toprak ısı değiştiricisinin, birim alanda düşey slinky tipi toprak ısı değiştiricisinin verdiği deneysel olarak gösterilmiştir.