Bir bölgenin ısıtma amaçlı enerji talebinin belirlenmesi ve bölge ısıtma sistemi için uygunluğunun analizi
Determining the heating demand of a region, and feasibility analysis for district heating system
Yazar: ŞABAN PUSAT
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HASAN HÜSEYİN ERDEM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Enerji = Energy ; Enerji ekonomisi = Energy economy ; Enerji etkin planlama = Energy efficient planning ; Enerji kaynakları = Energy resources ; Enerji kullanımı = Energy usage ; Enerji modelleri = Energy models ; Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Enerji performans analizi = Energy performance analysis ; Enerji planlaması = Energy planning ; Enerji talebi = Energy demand ; Enerji tasarrufu = Energy saving ; Enerji tüketimi = Energy consumption ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Enerji yönetimi = Energy management

Özet:
Artan nüfus ve teknoloji ile beraber büyüyen enerji talebinin tamamen ve güvenilir bir şekilde karşılanabilmesi açısından enerjinin verimli bir şekilde tüketilmesi ve aynı zamanda çevreye en az zarar verecek şekilde bir enerji arzının sağlanması günümüzün en önemli konularındandır. Türkiye Dünya'daki ortalamalara benzer bir şekilde, tüketilen enerjisinin önemli bir kısmını konutlarda gerçekleştirmektedir. Bu nedenle konutlarla ilgili alınacak tedbirler genel enerji görünümünü önemli ölçüde düzeltecektir. Bu husus ülkemizin önemini yeni yeni anladığı ve yasal düzenlemelerle gerçekleştirmeye çalıştığı bir konudur. Enerji verimliliği konusundaki bu gelişmelere paralel olarak özellikle konforlu, güvenli ve ekonomik bir ısınma için Dünyada uzun yıllardan beridir kullanılmakta olan bölge ısıtma sistemlerinin ülkemiz için uygun şartlarının incelenmesi gereklidir. Bölge ısıtma sistemleri ısıtmada kaynak çeşitliliği sağlaması, konforlu ve güvenilir olması, temiz bir çevre sunması ve çoğu zaman ekonomik bir ısıtma sağlaması nedeni ile dünyada tercih edilmektedir. Bölge ısıtma sistemleri sayesinde bireysel ısıtma ile ortaya çıkan kontrol edilemeyen yanma verimleri, kalitesiz yakma sistemleri ve yakıt kullanımı, çoğu zaman ölümcül olan kazalar, kötü yakıt ve yanma kaynaklı çevreye atılan emisyonlar ve büyük miktarlardaki enerji ithalatı azaltılabilecektir. Ancak iletim, dağıtım ve bina altı sistemleri ile önemli bir yatırım ve organizasyon gerektiren bölge ısıtma sistemlerinin bölgenin iklim, nüfus ve konut özelliklerine bağlı olarak yapılacak analizler ile ekonomik sınırlarının belirlenmesi gereklidir.Bu çalışma ile hedeflenen, literatürde eksikliği görülen bölge ısıtma sisteminin bölge ile ilgili temel parametreleri kullanarak ekonomiklik alanının belirlenebilmesini sağlamaktır. Bu amaçla öncelikle bir bölgenin en küçük birimi olan konutun, ısıtma ve sıcak su temini amacıyla tükettiği ısı enerjisinin hesabı için gerekli yöntemler sunuldu. Konutlar yapısal, fiziksel ve çevresel karakteristikler (konutun binadaki konumu, ısıtma periyodu, ısıtılan alan, pencere tipi, pencere oranı, yalıtım durumu, döşeme alanı, iklim bölgesi, iç kazançlar ve kat yüksekliği) açısından farklı özelliklere sahip olabilirler. Aynı zamanda bölgedeki binaların karakteristik özellikleri hakkında elde edilebilecek bilgiler de kısıtlı olabilir. Bu nedenlerle bölgedeki binalarla ilgili elde edilebilecek verilerin durumuna göre kullanılabilecek detaylı ve basit yöntemler verilerek kullanımı kolay ve hızlı sonuçlar verebilen modeller geliştirilmiştir. Konutlarla ilgili geliştirilen bu modellerle beraber bir konutun ısı enerjisi talebini etkileyen en önemli parametreler incelenerek, basit ya da detaylı yöntemlerle elde edilecek sonuçların ne kadar hassas olduğu analiz edildi. Konut ile ilgili birçok parametrenin hesaplamaları önemli ölçüde (% 1 ile % 176 arasında) etkileyebileceği görülmüştür. Sonuç olarak, herhangi bir bölgedeki binaların toplam ısı enerjisi talebini hesaplarken, binalarla ilgili elde edilebilen verilerin kapsamına bağlı olmadan kullanılabilecek modeller geliştirilmiştir.Bölge ile ilgili yapılan analizlerden sonra o bölgeye kurulabilecek olası bir bölge ısıtma sisteminin ekonomiklik alanının belirlenmesi amacıyla ekonomik model geliştirildi. Bunun için öncelikle bölgeye rastgele dağılmış olan farklı ısıl yüklere sahip binaların teknik olarak incelenmesindeki zorlukları aşmak için bir yöntem geliştirildi. Bu yöntemde bölge için temel özellikleri içeren parametreler (bina yoğunluğu ve ısıl güç yoğunluğu) kullanıldı. Bu parametreler literatürdeki diğer çalışmalarda yüzeysel olarak kullanılmıştır, ancak bu çalışmada bölgenin yüzölçümü ile beraber temel değişkenlerdir. Temel parametrelere bağlı olarak da binalar simetrik bir şekilde bölgeye dağıtılarak teknik analizler gerçekleştirildi. Ek olarak geliştirilen birim alan yaklaşımı her durumda hesap yapma olanağı sağladı. Teknik analizlerden sonra ekonomik analizlerin gerçekleştirilebilmesi için bölge ısıtma sisteminin diğer yakıt türlerine (doğalgaz, kömür, jeotermal vb.) alternatif olmasından dolayı karşılaştırma yöntemi birim ısı enerjisi maliyeti olarak belirlendi. Bütün yakıtlar binaların kapısına kadar belli bir satış fiyatı ile ulaştırılmaktadır. Bu nedenle bölge ısıtma sisteminin ekonomik analizi için bina içi sistemler dâhil edilmedi. Bölge ısıtma sistemi ile sıcak akışkanın binanın kapısına kadar getirilmesi ile oluşan maliyetler hesaplandı ve en önemli alternatiflerden birisi olan doğalgazın birim satış fiyatı ile mukayese edildi.Bölge ısıtma sisteminin maliyet parametreleri içerisinde ilk yatırım (pompa ve boru hattı), işletme-bakım (ısı enerjisi kaybı, elektrik enerjisi tüketimi, işletme ve bakım) ve ısı enerjisi (herhangi bir kaynaktan çekilen ısı enerjisi) maliyetleri vardır. Isı kaynağından çekilen ısı enerjisi maliyeti konusunda kaynağın türü ve yakıt tipi dikkate alınmadı. Sadece herhangi bir kaynaktan belli bir maliyetle ısı enerjisinin çekildiği düşünüldü. Geliştirilen ekonomik model ile bölgenin sahip olduğu temel parametrelere (bina yoğunluğu, ısıl güç yoğunluğu ve yüzölçümü) bağlı olarak herhangi bir bölgeye bölge ısıtma sisteminin kurulması durumunda oluşacak ekonomik tablonun kolay bir şekilde elde edilmesi sağlanabilmektedir.Oluşturulan bölge ısıtma modeli ile Türkiye için iki uygulama örneği gerçekleştirildi. İlk örnek Türkiye'de ki ilk ve tek olan bileşik ısı-güç santrali kaynaklı Esenkent bölge ısıtma sistemi için yapıldı. Elde edilen sonuçlar Esenkent'te ki birim ısı enerjisi satış fiyatı ile karşılaştırıldı ve modelin benzer sonuçlar verdiği görüldü. Daha sonra da Pendik ilçesindeki birkaç mahalleyi içeren bir bölgeye bölge ısıtma sisteminin kurulması sonucunda oluşabilecek ekonomik durum incelendi. Bölge ile ilgili detaylı bilgiye sahip olunmadığı için temel parametrelerin farklı değerleri için analizler gerçekleştirildi. İkinci örneğin sonucuna göre bölge ısıtma sisteminin doğalgaza göre çok daha avantajlı olduğu ortaya konuldu.Konutlar ve bölge ısıtma sistemi için geliştirilen modeller ile hem detaylı hem de basit hesaplama yapabilme imkânı oluşturulmuştur. Elde edilebilecek verilerin miktarına göre bu modeller kullanılarak bölge ısıtma sisteminin ekonomiklik analizi rahatlıkla gerçekleştirilebilir. Bu çalışma ile ülkemizde önemi anlaşılamamış ve hatta çok fazla bilgi sahibi olunmayan bir konu olan bölge ısıtma sistemlerinin ekonomik açıdan ne kadar kârlı yatırımlar olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
Today, efficient energy consumption and environmentally non-polluting energy supply to be able to meet energy demand completely and safely, with increasing population and improving technology, are one of the most important subjects. Turkey, like world?s average, consumes significant portion of energy in residential sector. Therefore precautions for residential sector will improve the energy outlook significantly. This is an issue that Turkey has just noticed and prepared regulations for it. Turkey should investigate the district heating systems, which are used for years in the world, for a comfortable, safe and economic heating. District heating systems are preferred in the world because they offer source diversity and supply comfortable, safe, clean and economic heating. District heating systems remove the negative effects of individual heating systems: uncontrollable combustion efficiency, using poor quality combustion systems and fuel, high level emissions, and energy import. But economic limits of district heating systems should be investigated with analysis of distribution and building systems, which need big investment costs and organizations, by using district?s climate, population and building characteristics data.The target of this study, that is observed a lack of this kind of analysis in the literature, is determination of the economic feasibility of district heating system by using the basic parameters of the region. For this purpose, the necessary methods for energy consumption of a dwelling, which is the smallest unit of an area, for heating and hot water supply are presented firstly. In terms of the characteristics, buildings may have different structural, physical and environmental characteristics (location of the dwelling in the building, the heating period, heating area, window type, window rate, insulation level, floor area, climate zones, internal gains and floor height). At the same time, the data obtained about the characteristics of the buildings in the area also may be limited. For these reasons, related to the availability of the data obtained from the buildings in the area, the models, which can provide quick results and easy to use, have been developed by the detailed and easy to use methods given. In addition to the developed models for residential buildings, the sensitivity of the results of the detailed and easy methods is analyzed by examining the most significant parameters that affect the energy demand of a dwelling. Analysis of the many parameters showed that they have significant influences (from 1% to 176%). As a result, the total heat energy demand of all buildings in any region, not depending on the scope of the data obtained about buildings, can be determined with the developed models.After the analysis about the region and buildings, an economic model was developed with the aim of determination of the economic feasibility of a potential district heating system that can be installed to the same region. For this, firstly a method was developed to overcome the difficulties about modeling of the region in which buildings with different thermal loads are scattered randomly. In this method, the parameters for the region including key features (building density and power density) were used. These parameters in other studies in the literature are used as superficial, but these parameters with region?s total area are main variables in this study. Technical analyses were performed depending on the basic parameters by distributing the buildings symmetrically to the region. In addition, the unit area approach was developed, which enabled the model to make calculations in all situations. After technical analysis, to be able to compare the results with the other alternative fuel types (natural gas, coal, geothermal, etc...) unit energy price method was defined for economical analysis. All fuel types are delivered to the buildings with a specific sales price. Therefore in the economic analysis of district heating systems, systems inside the buildings were not included in the calculations. The unit cost was calculated for the district heating system, which was brought up to the door of the buildings, and it was compared with unit sales price of one of the most important alternative fuel, natural gas.The initial investment (pumps and pipelines), operating and maintenance (heat energy loss, electrical energy consumption, operation and maintenance), and heat energy (the captured heat energy from any source) costs are the district heating system cost parameters. The heat energy source and fuel type were not considered in this study. With only some costs from any source of heat energy was considered. The economic model developed in this study can be used to determine the economical feasibility of a district heating system easily by using the basic parameters of the region (building density, power density and area of the region).Two application examples were done with generated district heating model for Turkey. The first example was done for Esenkent district heating system which is the first and only CHP powered district heating system of Turkey. The obtained results were compared with the exact unit price of heat, and the similarity of result was seen. After that, the economic situation of a possible district heating system in Pendik that may be built has been examined. The analyses were done for different values of basic parameters because of the inadequate data about the region. The results of the second example were put forward that district heating system is more advantageous than natural gas.The models developed for residential buildings and district heating systems created the opportunity to make both detailed and simple calculations. By using these models, not depending on the amount of data can be obtained, economic analysis of district heating systems can be carried out easily. With this study, district heating systems? economical profitability has been put forward while the importance of it has not been understood well and not much information has been known about it.