Isıl enerji depolamalı yeni bir güneş enerjisi destekli ısı pompasının sayısal ve deneysel analizi
Numerical and experimental analysis of a new solar assisted heat pump with thermal energy storage
Yazar: MELTEM KOŞAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında, güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminin sürdürülebilir ve verimli bir şekilde ısıtma yükü sağlayabilmesi için ısı pompası sisteminin kondenseri ile entegreli yeni bir ısıl enerji depolama ünitesi tasarlanmıştır. Bu amaçla tasarlanan ısıl enerji depolama ünitesindeki faz değiştiren malzemenin ısıl davranışını karakterize etmek için Ansys-Fluent programı kullanılarak sayısal analiz gerçekleştirilmiştir. Isıl enerji depolama ünitesi öncelikle hava kaynaklı ısı pompası sisteminde deneysel olarak test edilmiştir ve sonrasında yeni bir güneş destekli ısı pompası sistemi geliştirilerek bu sistemde de deneysel analizleri gerçekleştirilmiştir. Güneş enerjisinden hem elektrik hem de ısı enerjisi elde ederek sürdürülebilir bir ısıtma sistemi için yeni bir fotovoltaik-termal destekli (güneş destekli) ısı pompası sistemi geliştirilmiştir. Isıl enerji depolamalı yeni bir güneş destekli ısı pompasının sayısal ve deneysel analizleri tamamlanıp sonuçlar sunulmuş ve karşılaştırılmıştır. Isı pompası sistemleri için önemli bir ölçüt olan performans katsayısının ortalama değerleri hava kaynaklı ısı pompası sistemi için 2,24-2,34; güneş destekli ısı pompası sistemi için 2,32-2,77 ve fotovoltaik-termal destekli ısı pompası sistemi için 2,93-3,18 arasında değişim göstermiştir. Güneş destekli ve fotovoltaik-termal destekli ısı pompası sistemleri için tasarlanan çift geçişli havalı güneş kolektörünün ve çift geçişli fotovoltaik-termal panelin ortalama ısıl verimleri meteorolojik koşullara bağlı olarak sırasıyla %56,05 ve %55,33 olarak hesaplanmıştır. Ek olarak, çift geçişli fotovoltaik-termal panelin elektriksel performansını analiz edebilmek için aynı fotovoltaik panel ile karşılaştırılmıştır. Tasarlanan çift geçişli fotovoltaik-termal panelin ortalama elektriksel verimi %16,35 olarak hesaplanmış ve fotovoltaik panele göre elektriksel verimde %1,28 oranında bir artış gösterdiği bulunmuştur. Isıl enerji depolama ünitesindeki faz değiştiren malzeme sırasıyla hava kaynaklı, güneş destekli ve fotovoltaik-termal destekli ısı pompası sistemlerinde 180, 150 ve 183 dakikada tamamen eridiği (ısı depolama) ve 348, 307 ve 343 dakikada tamamen katılaştığı (ısı salınımı) gözlemlenmiştir. Isı pompası sistemi için tasarlanan ısıl enerji depolama ünitesinin sayısal sonuçları %6,56 mutlak hata ile deneysel sonuçlarla uyumlu bulunmuştur.

Abstract:
In this thesis, a new thermal energy storage unit integrated with the condenser of the heat pump system was designed in order to provide a sustainable and efficient heating load of the solar assisted heat pump system. Numerical analysis was performed using Ansys-Fluent program to characterize the thermal behavior of the phase change material in the thermal energy storage unit designed for this purpose. The thermal energy storage unit was first tested experimentally in the air source heat pump system and then a new solar assisted heat pump system was developed and experimental analyzes were carried out in this system. A new photovoltaic-thermal assisted (solar assisted) heat pump system has been developed for a sustainable heating system by obtaining both electricity and heat energy from solar energy. Numerical and experimental analyzes of a new solar assisted heat pump with thermal energy storage were completed and the results were presented and compared. The average values of the performance coefficient, which is an important criterion for heat pump systems, are ranged from 2.24-2.34 for the air source heat pump system 2.32-2.77 for solar assisted heat pump system, and 2.93-3.18 for the photovoltaic-thermal assisted heat pump system. The average thermal efficiencies of the double-pass solar air collector and double-pass photovoltaic-thermal panel designed for solar assisted and photovoltaic-thermal assisted heat pump systems were calculated as 56.05% and 55.33%, respectively, depending on meteorological conditions. In addition, it was compared with the same photovoltaic panel to analyze the electrical performance of the double-pass photovoltaic-thermal panel. The average electrical efficiency of the designed double-pass photovoltaic-thermal panel was calculated as 16.35% and it was found that there was a 1.28% increase in electrical efficiency compared to the photovoltaic panel. It was observed that the phase change material in the thermal energy storage unit melted completely in 180, 150 and 183 minutes (charging) and solidified (discharging) in 348, 307 and 343 minutes in air source, solar assisted and photovoltaic-thermal assisted heat pump systems, respectively. The numerical results of the thermal energy storage unit designed for the heat pump system were found to be consistent with the experimental results with a 6.56% absolute error.