The use of geothermal heat exchanger piles for sustainable design

Dünyada hızla artan nüfus ve refah seviyesi enerji tüketimini yoğun olarak arttırmıştır. Enerjiye olan talep her geçen gün artarken, bu yoğun kullanım sebebiyle bu kısıtlı kaynağın maliyeti de artmaktadır. Ayrıca, mevcut enerji kaynakları tükenme tehlikesi altında olduğundan yakın gelecekte enerji tedarikinde sorunlar oluşacağı öngörülmektedir. Fosil-temelli enerji kaynaklarının kullanımı sonucu çevre kirliliği oluşmakta ve atmosfere salınan karbondioksit (CO2) ve diğer sera gazları küresel ısınmayı tetiklemektedir. Fosil-temelli enerji kaynaklarının kullanımını asgari düzeye indirebilmek için temiz, yenilenebilir ve verimli alternatif enerji kaynakları arayışı sürmektedir. İlk aşamada özellikle ulaşım ve ısıtma-soğutma sistemlerinin temiz ve yenilenebilir enerjiye dayalı olarak tasarlanması öncelikli ve acil konular olarak öne çıkmaktadır. Yenilenebilir temiz enerji kaynağı olarak başta güneş enerjisi olmak üzere; rüzgâr, su, jeotermal enerji ve enerji depolama sistemleri gibi çeşitli olanakların araştırıldığı ve geliştirildiği bu süreçte yeryüzü içinde mevcut bulunan jeotermal enerjiden daha geniş ölçekte yararlanılması gerekmektedir. Klasik ve bilinen tanımıyla jeotermal enerji, yer içindeki doğal ısı enerjisinin ulaşılabilir derinliklere çıktığı noktalarda sıvı ya da gaz ile taşınarak kullanılabilen bir enerji türüdür. Buna ek olarak, yer yüzeyinin hemen altındaki kesimler hava sıcaklığından etkilenirken, belirli bir derinliğin altındaki seviyeler mevsimsel değişimlerden en az düzeyde etkilenmektedir. Örnek olarak İstanbul şehri ele alındığında, yaklaşık olarak 5 metre derinliğin altında bu etki en aza inerken, 10 metreden sonra yer sıcaklığı neredeyse değişmemektedir. Yer sıcaklığı benzer şekilde dünyanın birçok bölgesinde 6-10 m derinlikten sonra 10~24°C olarak sabitlenmektedir. Yer sıcaklığının sığ derinliklerde sabit olması sayesinde, genel anlamda bilinen jeotermal enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulmaksızın, dünyanın her yerinde ve her mevsimde, yeraltı tabakalarından yenilenebilir bir ısıtma ve soğutma kaynağı olarak faydalanmak mümkün olmaktadır. Dolayısıyla, yer içinde bulunan bu potansiyel jeotermal enerji, jeotermal sondaj kuyuları benzeri elemanlara bağlı bir ısı pompası yardımıyla yenilenebilir ve temiz bir enerji kaynağı olarak çok büyük bir olanak sunmaktadır. Son yıllarda jeotermal enerji, sondaj kuyuları dışında binaların yapısal elemanları aracılığıyla da kullanılmaya başlanmıştır. Enerji kazıkları (veya ısı değişim kazıkları), yenilenebilir enerji alanında sürdürülebilirlik açısından yenilikçi ve geri dönüşümü olan bir teknolojidir. Bu bağlamda, enerji kazıkları, sabit yeraltı sıcaklığı ve zeminin ısı tutma kapasitesinden faydalanılarak binaların etkin olarak ısıtma ve soğutmasında kullanılabilir. Bu gelişen yeni yaklaşımda, binayı desteklemek için mevcut olarak kullanılan derin temel yapı elemanları aynı zamanda jeotermal ısıtma/soğutma elemanları olarak da kullanılmaktadır. Burada, kazıklar ısı transferini gerçekleştirmek üzere dolaşım (devridaim) boruları içermektedir. Üst yapıdaki ısı enerjisi bir ısı pompası kullanılarak, antifriz katkılı su ve bu borular vasıtasıyla zemine iletilmektedir. Böylece, yaz mevsiminde binanın soğutulması, kış mevsiminde ise ısıtılması amacıyla ısı enerjisi sırasıyla yeraltına verilir ve yeraltından alınır. Temel sistemlerinde kullanılan kazıklar, genel olarak, jeotermal enerjiden sürekli olarak yararlanabilmek için yeterli uzunluğa sahiptir. Böylece, hâlihazırda imal edilecek olan bu kazıklı temel sistemine dolaşım boruları yerleştirilerek jeotermal enerji kullanılabilecektir. Bu şekilde, temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olan jeotermal enerjiden, her yerde ve her mevsimde yararlanmak oldukça düşük ek maliyetlerle mümkün olabilecektir. Termo-aktif elemanlar olarak enerji kazıklarının ısı değişim mekanizmasının belirlenmesi yüksek önem taşımaktadır. Zemin bünyesindeki ısı transferinin temel mekanizması kondüksiyon (ısı iletimi) olmakla beraber, yeraltı su akımı olduğu durumlarda konveksiyon (ısı döngüsü) da etkili olabilmektedir. Enerji kazıklarının ısı değişim performansı birçok parametreye bağlıdır. Bunlar; zeminin ısı iletkenliği, kazık malzemesi ve çapı, dolaşım borusu çapı, dolaşım sıvısı akış hızı ve dolaşım sıvısındaki karışım oranı, yeraltı su seviyesi gibi faktörlerdir. Bu parametrelerin etkilerini değerlendirmek için laboratuvar ve gerçek ölçekli arazi deneylerinin yanı sıra üç-boyutlu sonlu elemanlar analizleri gibi yöntemler kullanılmaktadır. Isıtma ve soğutma çevrimlerinin yük altındaki kazık davranışına olan etkileri konusundaki araştırmalar ise sınırlıdır. Özellikle de, enerji kazıklarının uzun vadeli performansıyla ilgili verilerin mevcut olmaması ve ayrıca deney ve tasarım standartlarının bulunmaması bu konudaki belirsizliklerin ana unsurlarıdır. Enerji kazıklarının veya diğer termo-aktif temel elemanlarının sürdürülebilirliği zemin sıcaklığının sabit tutulmasına bağlıdır. Zemin sıcaklığındaki değişiklikler ısı değişim kapasitesini ve verimliliği direkt olarak etkilemektedir. Bu yüzden, yapının proje ömrü boyunca enerji kazıklarının performansının nasıl etkileneceğini analiz etmek kritik tasarım noktalarından biridir. Bu durum özellikle ısıtma ve soğutma arzlarının dengesiz olduğu bölgelerde daha fazla önem kazanmaktadır. Enerji kazıklarının yaygın bir şekilde kullanılması önündeki önemli engellerden birisi de enerji kazıklarının termo-mekanik davranışlarının yeterince aydınlatılmamış olmasıdır. Kazıkların hem servis yükü, hem de ısıtma-soğutma çevrimlerine maruz kalması durumunu ifade eden termo-mekanik yükler altındaki davranışları halen araştırma konusudur. Özetle, yapılan araştırmalar sonucunda termal yüklerin kazıklarda fazladan gerilmelere neden olduğu ve kazıkların sürtünme direncini azalttığı görülmektedir. Bu tür termal etkiler, enerji kazıklarının çalışma programına göre önceden belirlenmeli ve kazık tasarımı bu bilgiler ışığında yapılmalıdır. Enerji kazıklarının ısıtma ve soğutma çevrimlerinin zemine olan doğrudan etkisi görece daha bilinen bir konudur. Zemindeki ani sıcaklık artışı drenajsız durumlarda boşluk suyu basıncının artmasına ve efektif gerilmelerin azalmasına neden olabilir. Bunun sonucunda kayma mukavemeti kaybı ve kazıklı temelde oturmalar meydana gelebilmektedir. Bu bağlamda, enerji kazıklarının ısı değişimi davranışı ve ısıtma-soğutma döngüleri sırasında oluşan zemin-kazık etkileşimi büyük önem arz etmektedir. Bu bahsedilen konuların açıklığa kavuşturulması ve enerji kazıklarının davranışının daha iyi anlaşılması sayesinde yeni tasarım yöntemlerinin geliştirilmesi mümkün olacaktır. Yer ısısına dayalı bu tip enerji aktarım sistemlerinin giderek yaygınlaşması durumunda, komşu yapıların jeotermal temelleri arasındaki etkileşimini anlayabilmek için enerji kazık gruplarının davranışlarının incelenmesinde fayda vardır. Ayrıca, enerji kazıklarının uzun süreli termo-mekanik performansının çok iyi bilinmemesi sebebiyle, tasarım standartlarının oluşturulabilmesi açısından, bu konu da araştırılması gereken başlıklar arasında yer almaktadır. Enerji kazıklarının daha yaygın kullanılmasının önündeki engellerin kaldırılması için yukarıda özetlenen sorulara cevap aranması gerekmektedir. Enerji kazıklarının davranışına yönelik sorulara cevap aranan bu çalışma sonucunda bu son derece önemli uygulama daha yaygın kullanılabilecek ve yüksek miktarda enerji tasarrufu sağlanabilecektir. Enerji fiyatlarının son derece yüksek olduğu ülkemiz özelinde bu daha da önem taşıyan bir etkiye sahiptir. Bu tez çalışmasının amaçları şu şekilde listelenebilir: (1) zemin tabakalarının ısısal özelliklerinin hassas olarak belirlenmesi, (2) enerji kazıklarının termo-mekanik davranışlarının analizi ve (3) enerji kazıklarının ve kazık gruplarının uzun vadeli performanslarının tayin edilmesi. Tekrarlı ısıtma ve soğutma çevrimlerinin etkileri sonucunda; enerji kazıklarının uzun süreli performansı, kazıktaki eksenel yükteki değişimler (ek gerilmeler), kazıkta tekrarlı dairesel şekil değiştirme ve zemin-kazık etkileşim arayüzünde yorulma ve gerilme rahatlaması gibi konular aydınlatılmıştır. Tez çalışmasının içeriğinde ısı iletim teorisi ve jeotermal ısı değişim sistemleri hakkında literatür taraması bulunmaktadır. Yeraltı kaynaklı ısıtma/soğutma kavramı, yaygın olarak kullanılan jeotermal ısı değişimi elemanları ve arazi ısı iletkenlik deneyi ve analiz yöntemleri hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Jeotermal ısı değişim elemanlarında meydana gelen termal süreçleri modellemek amacıyla sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak üç tip nümerik model geliştirilmiştir. Bu modellerin doğrulaması analitik yöntem ve arazi deney verileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları ve karşılaştırmaları detaylı bir şekilde tartışılmıştır. Arazi ısı iletkenlik deneyinin modellenmesini ve analizini geliştirmek amacıyla çeşitli yöntemler ortaya konmuştur. Ayrıca, bu deney ile ilgili iki farklı sahada yapılan vaka analizleri sunulmuştur. Sıcaklık değişimlerine maruz kalan enerji kazıklarının termo-mekanik davranışıyla ilgili kavramlar açıklanmıştır. Geliştirilen termo-mekanik nümerik model kullanılarak, enerji kazığında oluşması beklenen eksenel gerilme değişimlerini ve kazık-zemin arayüzünün davranışını incelemek amacıyla zemin rijitliğine ve kazığın mesnetlenme koşullarına bağlı olarak parametrik bir çalışma yapılmıştır. Benzer şekilde tekil kazıkların ve kazık gruplarının uzun vadeli performansını belirlemek amacıyla nümerik analizler sunulmuştur. Bu çalışma, sıcak, orta ve soğuk iklim olmak üzere üç farklı şehirde gerçekleştirilmiştir. Son olarak, gerçekleştirilen araştırma sonucunda elde edilen sonuçlar ile birlikte araştırmanın ileri aşamaları için tavsiyeler verilmiştir.