Optimum design of helix ground heat exchangers for heat pump applications

Binalardaki enerji tüketimi, gelişmiş ülkelerde tüketilen toplam enerjinin büyük bir kısmını oluşturur. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri, hem ısıtma hem de soğutmadaki yüksek enerji verimlilikleri nedeniyle yaygınlaşmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerin kurulum bedelleri ve performansları, toprak ısı değiştiricilerinin optimum seviyedeki tasarımından büyük ölçüde etkilenir. Günümüzde toprak kaynaklı ısı pompası uygulamalarında düşey U borulu toprak ısı değiştiricilerin yanında yatay olarak da uygulanabilen düz, slinky ve helis tipleri de mevcuttur. Bunların en önemlilerinden biri de helis (sarmal) toprak ısı değiştiricilerdir. Bu ısı değiştiriciler diğerlerinden daha ucuz olmakla beraber, daha az yer kaplaması, uygulama kolalığı olması vb. avantajlara da sahiptirler. Sarmal şekillendirmiş toprak ısı değiştiricisinin performansını etkileyen üç etken vardır; Toprak ısı değiştiricisi borular arasındaki aralık, toprak ısı değiştiricisi nominal çapı ve borunun sarmal yapısıdır. Büyük ölçekli toprak kaynaklı ısı pompaları uygulamalarında birden çok toprak ısı değiştiricisi gereklidir, bu yüzden ısı değiştiricilerin arasındaki uzaklığı belirlemek önemli bir konudur. Bu tezde de, sarmal toprak ısı değiştiricilerin aralarındaki mesafenin ısı transfer oranına (ITO) etkileri araştırılmıştır. Toprak ısı değiştiricisi performansı belirlenmiş ve optimum uzaklık tespit edilmiştir. Buna ek olarak, saha ve sarmalların sarımları arasındaki etkinin ısı transfer oranına ve toprak isi değiştiricisi nominal çapına olan bağı sayısal olarak COMSOL'da araştırmıştır. Elde edilen deneysel veriler de bu sayısal sonuçları doğrulamakta kullanılmıştır ve uyumlu oldukları görülmüştür. Bu çalışmada yapılan sayısal model Toprak kaynaklı ısı pompaları sistemlerindeki sarmal toprak ısı değiştiricileri tasarlamak için bir yararlı bir yol gösterici olacaktır. Deneysel çalışmalarda kullanılan Helis toprak ısı değiştiricisi Toprak Kaynaklı Isı Pompası Test ve Araştırma Laboratuarının açık hava bölümünde toprak içerisine yerleştirilmiştir. Toprağa gömülmeden önce yaklaşık 1.1m uzunluğunda olan helis toprak ısı değiştiricisi açılarak ve sabit durmasını sağlayacak bir boru vasıtasıyla 3m uzunluğa getirilmiştir. Daha sonra hazırlanan Helis toprak ısı değiştiricisi açılan kuyunun içerisine alt tabanı yerden 4.5m derinlikte üst kısmı yerden 1.5m derinlikte olacak şekilde yerleştirilmiş ve boşluklar çıkan toprak ile doldurulmuştur. Uçları dışarıda kalan toprak ısı değiştiricisinin uç boruları 0.5m derinlikte toprak altında yalıtımlı borularla laboratuar içerisinde bulunan Isıl Test Sistemine bağlanmıştır. Gerekli sızdırmazlık testleri yapılarak toprak ısı değiştiricisi incelemelere hazır hale getirilmiş ve test edilmiştir. Farklı zamanlarda birden fazla testler yapılarak sonuçlar doğrulanmıştır. Sistem durumunun daha iyi anlaşılabilmesi için, toprak ısı değiştiricisinin performansı 5 gün boyunca izlenmiştir. İç ve dış devrelerdeki giriş ve çıkış sıcaklıklarının değişimi ölçülmüştür. Giriş su sıcaklığı 40 oC'de sabit olarak tutulmuştur. Toprak ısı değiştiricisine giden suyun ortalama dönüş sıcaklığı ise 39.2 oC'dir. Ayrıca toprak sıcaklığındaki artış sebebiyle, topraktan çıkış su sıcaklığının zaman boyunca daha yüksek değerlere ulaştığı gözlenmiştir. Bu sıcaklık davranışına göre, boru duvarlarındaki sıcaklığın sabit olduğu ve giriş ve çıkış sıcaklığının ortalamasına eşit olduğu söylenebilir. Isı değiştiricinin boru duvarından toprağa olan ısı transferi; sarmal sayısı, konum, malzeme ve boruların yapısına bağlıdır. Toprak ısı değiştiricisinin dışındaki boruları dolduran ana akışkanda, hem taşınım hem de iletimle ısı transferi gerçekleşebilir. Bunun taşınım kısmını ölçmek oldukça zordur. Bu çalışmada 1, 2, 3 ve 5 sarmal şekillendirilmiş toprak ısı değiştiricisinin bilgisayar modellemesi açıklanmıştır. Bir toprak ısı değiştiricisindeki ısı transferini modellemek için, zemindeki toprak/kaya genellikle sonsuz homojen ortam olarak tahmin edilmiş ve ısı transferi çoğunlukla iletimle gerçekleşiyor kabul edilmiştir. Toprak ısı değiştiricisinin duvar sıcaklığı sabit ve giriş ve çıkış su sıcaklıklarının ortalama değeri olarak kabul edilmiştir. Farklı toprak ısı değiştiricisi aralıklandırmalarında ısı etkileşimlerinden oluşan performans kayıpları için 3 durum belirlenmiştir. Toprak ısı değiştiricileri arasındaki uzaklık 1 metre ve 11 metre arasında değiştirilmiştir. Ayrıca zemindeki toprağın farklı özellikleri ve sıcaklığı da toprak ısı değiştiricisinin performansında önemli bir rol oynar. Zeminin sıcaklığı toprağın ısıl özelliklerinin bir fonksiyonudur: ısıl yayınım (α), ısıl iletkenlik (k) ve ısı kapasitesi Cp. Toprağın ısıl yayınımı; ısıl iletkenlik ve ısı kapasitesine bağlıdır ve tanımlanmış bir özelliktir. Bu sebeple, toprak ısı değiştiricislerin ısıl davranışlarını tahmin edebilmek için 3 toprak özelliği: k, α ve Cp, bilinmeli veya hesaplanmalıdır. Toprağın ısıl özelliklerinin doğru değerlerini elde etmek için uygulama yapılacak bölgede ölçüm şarttır. Bu ölçüm işlemi toprağa ısı vererek toprağın buna tepkisinin izlendiği ısıl tepki testleri ile gerçekleştirilir. Toprak bileşimi yalnızca konuma bağlı olarak değil aynı zamanda toprağın yapısına göre de değişim gösterebilir. Toprağın nemlilik oranı, kil, kaya, kum vb. yapısı performansa etki eden faktörlerdendir. 3 boyutlu, tek sarmal toprak ısı değiştirici modeli COMSOL Multifizik programı kullanılarak, geometrik değişkenlere ve katı alanların (zemin, harç ve polietilen giriş ve çıkış boruları) özelliklerine bağlı olarak oluşturulmuştur. Model koşulları deneysel koşullarla aynıdır. Modelin doğruluğu deneysel verilerle kanıtlanmıştır. Tek sarmal toprak ısı değiştiricisi deneysel sonuçları modelledikten sonra, performanslarının belirlenmesi amacıyla bir, iki, üç ve beş sarmal toprak ısı değiştiricisi için modeller oluşturulmuştur. Kritik toprak ısı değiştiricisindeki ısı transferi miktarı sayısal olarak belirlenmiş ve tek sarmal toprak ısı değiştiricisi perasyonunda oluşan performans kayıpları hesaplanmıştır. Kritik toprak ısı değiştiricisi, tüm tez bölümlerinde merkezi toprak ısı değiştiricisi olarak tanımlanmıştır. Bu çalışmanın sonucu olarak, toprak ısı değiştiricislerin sarmal sayısı arttığında, bütün sistemin verimliliğinin, özellikle toprak ısı değiştiriciler arası mesafe kısa olduğunda, azaldığı görülmüştür. Örneğin, 2 toprak ısı değiştiricisinde merkezi toprak ısı değiştiricisinin performans kaybı, yarıçap 3 m olduğunda % 6'dır. Bu kayıp 3 sarmal toprak ısı değiştiricisinde % 14, 5 sarmal toprak ısı değiştiricisinde % 22'dir. Benzer şekilde, mesafe 10 metre olduğunda performans kaybı 2, 3 ve 5 sarmal toprak ısı değiştiricisi için sırasıyla % 1, % 2 ve % 3'tür. Buna ek olarak, saha mesafesinin (Lp) ve toprak ısı değiştiricisinin çapının (D) etkisi incelenmiştir. Simülasyonun sonuçları saha mesafesinin ve ısı değiştiricisi çapının toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin tasarlanmasında önemli parametreler olduğunu kanıtlamaktadır. Bu değişkenleri artırmak toprak kaynaklı ısı pompasının verimini artırsa da, aynı zamanda ilk yatırım maliyetini de artırmaktadır. Bu yüzden, tesisin ömrü boyunca toplam gideri en aza indirgeyen optimum uzaklık tespit edilmelidir.