Bir mahalin fotovoltaik ve toprak hava ısı değiştirici destekli hava kaynaklı ısı pompası ile iklimlendirilmesi
Air conditioning of a place with an air source heat pump supported by photovoltaic and earth air heat exchanger
Yazar: YUNUS DEMİRTAŞ
Danışman: PROF. DR. HÜSAMETTİN BULUT
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Hacim ısıtma = Space heating ; Hava kaynaklı ısı pompası = Air source heat pump ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Jeotermal enerji = Geothermal energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Binalarda kullanılan enerjinin önemli bir kısmı ısıtma, soğutma, havalandırma ve iklimlendirme sistemleri tarafından tüketilmektedir. Kullanılan bu enerjinin, fosil enerji kaynaklarıyla karşılanması ekonomik ve çevresel sorunları beraberinde getirmektedir. Enerjide dışa bağımlılığı ve sürekli artan enerji talebinin sebep olduğu çevresel problemleri azaltmak için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının arttırılması oldukça önemlidir. Toprak altında belli bir derinliğe yerleştirilen boru sistemi ve bir fandan meydana gelen toprak hava ısı değiştiricileri ile toprağın sahip olduğu ısıl enerji potansiyeli kullanılabilmektedir. Bu çalışmada mahal iklimlendirmesinde hava kaynaklı ısı pompası performansının ve fotovoltaik güneş panellerinde verimin artırılmasında toprak hava ısı değiştiricisinin kullanımı araştırılmıştır. Bu amaçla yapılan deneysel çalışmada, sıcaklık, basınç, hava hızı, güneş ışınımı, akım, voltaj gibi parametreler oluşturulan sistemlerde ölçülerek teorik hesaplamalar yapılmış ve sistemlerin enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen tasarım ile toprak hava ısı değiştirici kullanılarak klima dış ünitesine yaz aylarında ısı atabileceği ve kış aylarında ısı çekebileceği bir dış ortam oluşturulmuştur. Toprak hava ısı değiştirici sistemini çalıştırmak için gerekli olan enerji fotovoltaik panellerden karşılanmıştır. Ayrıca fotovoltaik panellerin yüksek sıcaklıklarda düşen performansını toprak hava ısı değiştirici kullanarak arttırılması deneysel olarak incelenmiştir. Toprak hava ısı değiştiricili hava kaynaklı ısı pompası performans katsayısının (COP), yaz döneminde %10 ile %15 arasında ve kış döneminde ise %5 ile %8 oranında arttığı tespit edilmiştir. Bu durum ısı pompasının enerji sarfiyatında yaklaşık %18'lik bir azalma sağlamıştır. Yapılan deneysel çalışmaların sonucunda, toprak hava ısı değiştirici sisteminden elde edilen havanın yaz aylarında doğrudan mahal iklimlendirmesinde kullanılabileceği ve kış döneminde ise ısıtmada kullanılacak sistemlere yardımcı olarak değerlendirilebileceği görülmüştür. Fotovoltaik panel yüzey sıcaklığının toprak hava ısı değiştiricisi kullanılarak yaklaşık %25 azaldığı ve panel tarafından üretilen gücün %5 arttığı tespit edilmiştir. Çalışmanın sonucunda toprak ve güneş enerjisinden faydalanarak yapılan tasarımın hava kaynaklı ısı pompasında doğrudan kullanımının enerji verimliliğini arttırdığı belirlenmiştir.

Abstract:
A significant part of the energy used in buildings is consumed by heating, cooling, ventilation and air conditioning systems. Meeting this energy with fossil energy sources causes economic and environmental problems. It is very important to increase the use of renewable energy sources to reduce the external dependence on energy and the environmental problems caused by the ever-increasing energy demand. The thermal energy potential of the soil can be used with earth air heat exchangers consisting of a piping system and a fan placed at a certain depth under the ground. In this study, the use of earth air heat exchanger was investigated in increasing the performance of air source heat pumps in space conditioning and efficiency in photovoltaic solar panels. For this purpose, theoretical calculations were made by measuring parameters such as temperature, pressure, air velocity, solar radiation, current, voltage, and energy and exergy analyzes of the systems were carried out. Within the scope of this thesis, an outdoor environment where the air conditioner outdoor unit can release heat in summer and absorb heat in winter has been created by using earth air heat exchanger. The energy required to operate the earth air heat exchanger system was supplied from photovoltaic panels. In addition, the decreasing performance of photovoltaic panels at high temperatures was investigated experimentally by using earth air heat exchanger. It has been determined that the coefficient of performance (COP) of the air source heat pump with earth air heat exchanger increases between 10% and 15% in the summer period and between 5% and 8% in the winter period. This resulted in a reduction of approximately 18% in the energy consumption of the heat pump. As a result of the experimental studies, it has been seen that the air obtained from the earth air heat exchanger system can be used directly for air conditioning in the summer months and can be evaluated as a support for the systems to be used in heating in the winter period. It has been determined that the surface temperature of the photovoltaic panel has decreased by approximately 25% using the earth air heat exchanger, and it has also been observed that the power produced by the panel has increased by 5%. As a result of the study, it has been determined that the use of the design made by using soil and solar energy in air source heat pump increases energy efficiency.