Çanakkale için güneş destekli toprak kaynaklı düşey ısı değiştiricisi sistemi tasarımı
Solar assisted ground source vertical heat exchanger system design for Çanakkale
Yazar: ARDA CAN ÇINKILIÇ
Danışman: DOÇ. DR. ZEHİR FATİH ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Isı depolama = Heat storage ; Toprak kaynaklı ısı pompası = Ground source heat pump ; Çanakkale = Çanakkale

Özet:
Dünya genelinde harcanan enerjinin neredeyse üçte biri binalarda ve bina içlerinde kapalı alanlarda yapılan aktivitelerde harcanmaktadır. Ayrıca, binalar dünya genelindeki salınan karbon ve harcanan elektrik enerjisi değerlerinde de önemli bir paya sahiptir. Dolayısıyla, hem önemli miktarda enerji ihtiyacı olan hem de çevreyi kirleten enerji kaynaklarını kullanmakta olan binaların daha temiz enerji kaynaklarını kullanmalarının sağlanması ve kendi enerjilerini üretebilecekleri ve hatta depolayabilecekleri yenilenebilir sistemlerin teşvik edilmesi gerekmektedir. 
Isıtma ve soğutma sistemlerinde en çok kullanılan yenilenebilir enerji sistemleri yüksek performans katsayıları nedeniyle toprak kaynaklı ısı pompalarıdır. Toprak altı sıcaklığı kışın dış ortam sıcaklığından yüksek yazın ise dış ortam sıcaklığından düşüktür. Bu durum termodinamik olarak daha verimli bir ısıtma soğutma çevrimine imkânı tanır.
Yaz enerjisini kışın kullanmaya imkân tanıyan en önemli sistemlerden biri de solar termal enerjiyi yer altında depolamaya ve depolanan bu enerjiyi kışın yer altı ısı değiştiriciler ve ısı pompası sayesinde kullanmaya imkân tanıyan sistemlerdir. Bu sistemler güneş enerjisi ile şarj edilen düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompaları olarak adlandırılır. 
Geleneksel yer altı ısı pompaları sistemleri yer altı ısı değiştiricileri ve ısı pompasından meydana gelmekte iken düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompası sistemleri geleneksel yer altı ısı pompaları sistemine toprak altının yazın şarj edilebilmesi için ilave edilen solar termal panellerin eklenmesi ile inşa edilmektedirler. Bu sistemler enerjinin depolandığı tarih ile kullanıldığı tarih arasında bir zaman farkı oluşturduklarından yer altını büyük bir batarya gibi kullanmaktadırlar. 
Isıtma amaçlı kullanılan düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompaları sistemlerinin performans katsayıları geleneksel toprak altı ısı pompaları sistemlerinin performans değerlerinden daha büyüktür. Düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompası sistemlerinin hem solar termal kısmı hem de toprak altı kısmı modüler olarak tasarlanabildiğinden her ölçekte boyutlandırma mümkündür. Bu sistemlerin performans değerleri tabiki toprak altının yapısına da önemli ölçüde bağlıdır. Sistemin kurulacağı bölgenin yeraltı termofiziksel özellikleri iyi belirlenmeli ve toprağın termal difüzyon katsayısı mümkün olduğunca doğru belirlenmelidir. Ayrıca toprak altında var olabilecek yer altı akışlarının hem sistem üzerinde hem de yeraltı suları açısından olumsuzluklar yaratabileceği unutulmamalıdır. Düşey ısı değiştiricili toprak altı ısı pompaları sistemleri binalarda önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlayan yenilenebilir enerji sistemlerdir.
Bu çalışmada geleneksel toprak altı ısı pompası sistemleri arasında daha yüksek performans değerine sahip olan düşey ısı değiştiricilerinin performansının, güneş kollektörleri ile desteklenmesinin sistem performansının artış miktarı üzerindeki etkisinin gözlenmesi hedeflenmiştir. Bunun yanında farklı derinliklere sahip kuyuların depolama kapasitelerinin karşılaştırılması ve bulunulan bölgenin güneşlenme süresine göre düzenlenen bekleme döneminde gerçekleşen ısı alışverişinin etkileri incelenmesidir. Bu amaçla, Çanakkale ili meteorolojik verileri yardımıyla ve yer altının katmanlı yapısı dikkate alınarak sistemin termal performansı numerik olarak incelenmiştir.
Toprak altı ısı pompası sistemi tasarımında ve analizlerinde çeşitli fizik ve mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılan, özellikle birleştirilmiş fenomenler ve multifizik için bir sonlu eleman analizi, çözücü ve simülasyon yazılımı kullanılarak tek ısı değiştiricisinden oluşan bir güneş destekli toprak kaynaklı ısı değiştiricisi sistemi analiz edilmiştir.
Çalışmada kullanılan sistem, tek bir düşey ısı değiştiricisinden oluşmaktadır. Bu ısı değiştiricisinin yarıçapı 0.1 m olarak alınmıştır. Isı değiştiricisinin derinliği ise 50-75 ve 100 m olarak seçilmiştir ve sistem verimi ilk 5 yıllık çalışma dönemi için incelenmiştir.
Numerik modelde, toprak derinliği ve yarıçapı analiz sonuçlarının etkilemeyecek kadar büyük seçilmiştir. Toprak yapısı olarak çift katmanlı yapı seçilmiş olup, ilk 20 metre kilden, kalanı granitten meydana gelmektedir. Uygulama sahası olarak Çanakkale/Türkiye seçilmiştir. Yapılan numerik analizlerde toprak sıcaklığı, T∞, o bölgenin yıllık ortalama sıcaklığı olan 15 ℃ olarak alınmıştır. Bu literatürde yaygın kullanılan bir yaklaşımdır ve İstanbul Teknik Üniversitesi Enerji Enstitüsü'nde bulunan Isı Pompası Laboratuvarı'nda yapılmış olan deneylerde hata payının %4'ün altında olduğu görülmüştür. Bu değer analizlerde başlangıç koşulu olarak kullanılmıştır.
Sistem birbirini takip eden şarj ve deşarj periyotlarıyla çalıştırılmıştır. Her şarj ve deşarj periyodunun arasında bekleme süreleri uygulanmıştır. Çanakkale'nin iklimsel özelliklerine bağlı olarak 15 Mayıs-15 Eylül arasındaki 4 aylık süreç şarj periyodu ve 1 Ekim-1 Mayıs arasındaki 7 aylık süreç ise deşarj periyodu olarak belirlenmiştir. Şarj ve deşarj dönemleri arasında toprağı dinlendirmek ve ısıl karakteristiğini etkilememek adına 15'er günlük bekleme periyotları bırakılmıştır. Çanakkale'nin bulunduğu konum, paralelin ekvatora olan yakınlığı sebebiyle yaz aylarında yüksek güneş radyasyonuna sahiptir. Bu durum ısıtma ihtiyacının karşılanması için deşarj periyodundan daha kısa bir şarj periyodunun yeterli olmasını sağlamaktadır. Şarj, deşarj ve bekleme sürelerinin belirlenmesinde yararlanılan ışınım ve dış ortam sıcaklığı değerleri NASA'nın yenilenebilir enerji, bina enerji verimliliği ve tarımsal ihtiyaçları desteklemek için kullanıma açtığı veri tabanından elde edilmiştir.
Düşey ısı değiştiricili toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin ısıl enerji tranferi hesaplamaları bilgisayar destekli analiz programında 50 m, 75 m ve 100 m derinliklerde şarj edilme ve şarj edilmeme durumları için ayrı ayrı yapılmıştır. Şarj edilme durumunda analizler şarj periyodu ile başlamış olup şarj-bekleme-deşarj-bekleme döngüsü ile yapılmıştır. Şarj edilmeyen durumdaysa şarj süreci bekleme süresine dahil edilerek deşarj-bekleme periyotları şeklinde 5 yıllık analizler yapılmıştır. Kil ve granit tabakalarındaki ısı transfer karakteristiklerinin incelenmesinde 180 ısı haritası çizdirilip incelenmiştir.
Birinci ve beşinci yıllar için incelenen sıcaklık değeri sonuçlarına göre, maksimum sıcaklık ve minimum sıcaklık değerleri arasındaki farkın granit tabakada daha az olduğu gözlemlenmiştir. Şarj sonrası ve deşarj sonrası bekleme dönemleri kıyaslandığında, şarj sonrası bekleme döneminde ortalama sıcaklık değişimi kil için 7,12 ℃, granit için 6,77 ℃, deşarj sonrası bekleme döneminde ortalama sıcaklık değişimi kil için 4,56 ℃, granit için 4,35 ℃ olarak hesaplanmıştır. 
Isı değiştiricisi derinliği arttıkça beklendiği üzere hem topraktan çekilen hem de toprağa verilen enerjilerin arttığı görülmüştür. Depo edilen enerji miktarı kuyu derinliği ile arttığı gözlenmiştir.  Her üç sistemde de birim ısı değiştiricisi uzunluğunda çekilen veya alınan enerjiler çok yakın olmakla birlikte, granit tabakasında kalan derinliğin farklı olması nedeniyle küçük farklılıklar görülmektedir. Böylece kuyu derinliği arttıkça kullanılabilecek enerji miktarı da artmaktadır.
Şarj edilmeyen durumda, toprağın bekleme döneminde dinlendirilmesine rağmen toprak sıcaklığı giderek düşeceği için topraktan çekilen enerjiler yıllar içinde azalmaktadır. Şarj edilen durumda ise, topraktan çekilen enerjiler analizler şarj periyodu ile başladığı için neredeyse sabit kalmıştır.
Depolama verimi, toprağa verilen enerjinin ne kadarının kullanılabildiğini gösteren bir parametredir. Literatürde depolama verimi için farklı tanımlamalar ve denklemler kullanılmaktadır. Toprak kaynaklı ısı değiştiricisi sistemlerinde toprağı şarj etmek gerekmeksizin, sisteme toprak sıcaklığından daha düşük sıcaklıkla bir akışkan gönderilerek topraktan enerji çekmek mümkündür. her üç derinlikteki ısı değiştiricisi için de ilk çalışma yılında elde edilen depolama verimleri birbirine çok yakın değerlere sahiptir. Beş yıllık çalışma periyodunun sonunda 100 metre derinlikteki bir ısı değiştiricisinin depolama verimi %18'den %28,5'e, 50 metre derinlikteki bir ısı değiştiricisinin depolama verimi ise %17,5'ten %27'ye yükselmiştir.
Hesaplanan değerler göz önünde bulundurulduğunda, 100 m derinlikli kuyu 2. yıldan itibaren özellikleri tanımlanan ev örneğinden 10 adet evin tamamı için gerekli olan ısıl enerji ihtiyacını sağlayabilmektedir. 5. yıl sonunda 75 m derinlikli kuyu kullanıldığı durumda bu 10 evin ihtiyacının %77,7 kadarını, 50 m derinlikli kuyu kullanıldığında ise %49,8 kadarnı karşılayabilmektedir.

Abstract:
Long-term records show that our atmosphere is warming, especially with the consumption of fossil fuels and the effect of increasing carbon dioxide and greenhouse gases in our atmosphere, and as a result, climate change has occurred. This change affects many different areas from agriculture to economy, from architecture to our daily habits and from extreme weather events to energy production methods. Since the effects of climate change create not local but global consequences, it is imperative that the struggle be made globally. For this, it is necessary to consider two issues in detail. The first is the accurate estimation of the speed of climate change according to the existing conditions and the other is the planning of clean, renewable and sustainable energy supply in order to slow down or even completely stop this change.
Almost one third of the energy consumed worldwide is spent in buildings and indoor activities inside buildings. In addition, buildings have a significant share in the carbon emissions and electricity consumed worldwide. Therefore, it is necessary to ensure that buildings using significant amount of energy and pollute the environment use cleaner energy sources. Also systems that can produce and even store their own energy should be encouraged.
The most widely used renewable energy systems in heating and cooling systems are ground source heat pumps due to their high performance coefficients. The development of heating/cooling devices with a higher technological coefficient of performance is one of the important goals. In particular, the natural gas crisis in Europe has resulted in the restriction of natural gas and electrical energy spent on heating/cooling systems in many countries as much as possible. 
Considering that the heating season is longer than the cooling season in many parts of Europe, studies are necessary and important to store the thermal energy, which is abundant in summer, for heating purposes in winter. The underground temperature is higher than the outdoor temperature in winter and lower than the outdoor temperature in summer. This allows for a thermodynamically more efficient heating-cooling cycle.
One of the most important systems that allow the use of summer energy in winter is the systems that allow to store solar thermal energy underground and use this stored energy in winter thanks to underground heat exchangers and heat pumps. These systems are called underground heat pumps with vertical heat exchangers charged with solar energy.
While conventional underground heat pump systems consist of underground heat exchangers and heat pumps, underground heat pump systems with vertical heat exchangers are built by adding solar thermal panels to the traditional underground heat pumps system for charging the ground in summer. Since these systems create a time difference between the date the energy is stored and the date it is used, they use the underground like a battery.
The performance coefficients of underground heat pump systems with vertical heat exchangers used for heating purposes are higher than the performance values of conventional underground heat pumps systems. Since both the solar thermal part and the underground part of the underground heat pump systems with vertical heat exchangers can be designed as modular, any scale of dimensioning is possible. The performance values of these systems, of course, are significantly dependent on the structure of the subsoil. 
The underground thermophysical properties of the region where the system will be installed should be well determined and the thermal diffusion coefficient of the soil should be determined as accurately as possible. In addition, it should not be forgotten that underground flows that may exist under the ground can create negative effects both on the system and in terms of groundwater. Underground heat pump systems with vertical heat exchangers can provide significant energy savings in buildings.
In this study, it is aimed to observe the effect of supporting the performance of vertical heat exchangers, which have higher performance values among conventional underground heat pump systems, with solar collectors on the amount of increase in system performance. In addition, the storage capacities of boreholes with different depths are compared and the effects of heat exchange in the stand-by period, which is arranged according to the sunshine duration of the region, are examined. For this purpose, the thermal performance of the system was investigated numerically with the help of the meteorological data of Çanakkale and taking into account the layered structure of the underground.
A solar assisted ground source heat exchanger system consisting of a single heat exchanger was analyzed using a finite element analysis, solver and simulation software, especially used for combined phenomena and multiphysics, which is frequently used in various physics and engineering applications in the design and analysis of underground heat pump system.
The system used in the study consists of a single vertical heat exchanger. The radius of this heat exchanger is taken as 0.1 m. The depth of the heat exchanger was chosen as 50-75 and 100 m and the system efficiency was examined for the first 5 years of operation.
In the numerical model, the soil depth and radius are chosen so large that they do not affect the analysis results. A double-layered structure was chosen as the soil structure, the first 20 meters of clay and the remainder of granite. Çanakkale/Turkey was chosen as the application area. In the numerical analysis, the soil temperature, T∞, was taken as 15 ℃, which is the annual average temperature of that region. This is a widely used approach in the literature, and it was observed that the margin of error was below 4% in the experiments conducted in the Heat Pump Laboratory at the Energy Institute of Istanbul Technical University. This value was used as the initial condition in the analyses.
The system was operated with successive charge and discharge periods. Stand-by times were applied between each charge and discharge period. Depending on the climatic characteristics of Çanakkale, the 4-month period between May 15 and September 15 was determined as the charging period and the 7-month period between October 1st and May 1st as the discharge period. Between charging and discharging periods, 15-day stand-by periods were left in order to rest the soil and not to affect its thermal characteristics. 
Çanakkale's location has high solar radiation in summer due to its proximity to the equator. This ensures that a shorter charging period than the discharge period is sufficient to meet the heating requirement. The radiation and outdoor temperature values used to determine the charge, discharge and stand-by times were obtained from the database that NASA opened to support renewable energy, building energy efficiency and agricultural needs.
The thermal energy transfer calculations of the vertical heat exchanger ground source heat pump system were made separately for charging and non-charging conditions at 50 m, 75 m and 100 m depths in a computer aided analysis program. In the case of charging, the analyzes started with the charging period and were carried out with the charge-standby-discharge-standby cycle. In case of non-charged case, the charging process is included in the stand-by period and 5-year analyzes in the form of discharge-standby periods are made. In the examination of heat transfer characteristics in clay and granite layers, 180 heat maps were drawn and examined.
As expected, as the depth of the heat exchanger increased, it was observed that both the energies drawn from the soil and the energies given to the soil increased. It was observed that the amount of stored energy increased with the depth of the well. In all three systems, although the energies absorbed or received in unit heat exchanger length are very close, there are small differences due to the difference in the remaining depth in the granite layer. Thus, as the depth of the borehole increases, the amount of energy that can be used also increases.
In the non-charged state, although the soil is resting during the stand-by period, the energies drawn from the soil decrease over the years as the soil temperature will gradually decrease. In the charged state, the energies withdrawn from the soil remained almost constant as the analyzes started with the charging period.
Storage efficiency is a parameter that shows how much of the energy given to the soil can be used. Different definitions and equations are used for storage efficiency in the literature. In ground source heat exchanger systems, it is possible to draw energy from the ground by sending a fluid with a temperature lower than the ground temperature to the system, without the need to charge the soil. The storage efficiencies obtained in the first year of operation for all three depth heat exchangers are very close to each other. At the end of the five-year operating period, the storage efficiency of a heat exchanger at a depth of 100 meters increased from 18% to 28.5%, and the storage efficiency of a heat exchanger at a depth of 50 meters increased from 17.5% to 27%..
The amount of stored energy increases in direct proportion to the depth of the borehole. Thus, as the depth of the borehole increases, the amount of energy that can be used also increases. The same calculations are made for the case where the system is discharged without charging at all, just by leaving it on stand-by and using the heat of the soil. Contrary to the case with annyal charging, the amount of thermal energy that can be discharged every year decreases due to the continuous heat extraction, although the soil is rested during the stand-by period in the uncharged state.
Considering the calculated values, the borehole with a depth of 100 m can provide the thermal energy need for all 10 houses from the house sample whose properties are defined as of the 2nd year. At the end of the 5th year, when a 75 m deep well is used, it can meet 77.7% of the needs of these 10 houses, and 49.8% when a 50 m deep well is used.