Kara tabanlı somon üretim çifliğinde iklimlendirme sistem seçimi için optimizasyon ve termoekonomik analiz
Optimization and thermoeconomic analysis for hvac system selection in a land-based salmon farm
Yazar: HİMMET CAN YAVEZOĞLU
Danışman: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Somon = Salmon ; Termoekonomik analiz = Thermoeconomic analysis ; İklimlendirme sistemleri = Air conditioning systems

Özet:
Japonya Tsu kentinde tesis edilecek kara tabanlı somon üretim tesisi için iç ortam sıcaklık ve nem değerlerinin belirlenmesi için, proses sistemi ile ilişkisi incelenerek, optimizasyon çalışması tamamlanmıştır. 
Balık yetiştiriciliği kara tabanlı su resirkülasyonlu su ürünleri yetiştiriciliği sistemi (recirculating aquaculture system-RAS) ile yapılmaktadır. Somon balıkları, bina içerisinde, su dolu tanklar içerisinde yetiştirilmektedirler. Balıklar; yetişkinlik durumlarına göre, farklı su tankları içerisinde yetiştirilmektedirler. Balıkların, su tanklarında içerisinde gelişimleri devam ederken, içerisindeki bulundukları suya, solunum yoluyla CO2 yaymaktadırlar ve su içerisindeki CO2 konstrasyonu balık gelişimini etkilemesi sebebi ile, biyofiltre isimli ünitelerde su CO2'den arındırılır. CO2'den arındırılan su, balık gelişimini olumsuz yönde etkilemeyecek sıcaklığa tekrardan şartlandırılarak, tanklara geri gönderilmektedirler. Biyofiltre üniteleri, arındırma işlemini hava ile gerçekleştirmektedir.     
Biyofiltrelerin havalandırma sistemi için iki farklı alternatif sunulmuştur. Alternatif-1'de hava ihtiyacının mahal içerisinden çekilerek, egzoz havasının mahal içerisine verilmesi araştırılmıştır. Biyofiltreden çıkan havanın 12°C'de çıkıyor olması sebebi ile, mahale soğutma etkisi yaratacağı ve iklimlendirme sisteminin yükünü azaltacağı düşünülmüştür. Fakat biyofiltreden çıkan havanın nem ve CO2'nin seviyesinin yüksek olması sebebi ile iç ortamdaki nem ve CO2 seviyesinin kontrol edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, biyofiltre hava gereksinimin mahal şartlarındaki havadan karşılanması durumunda, mahal sıcaklığındaki havanın proses suyunun sıcaklığını değiştireceğinden dolayı ısıl gereksinimi artmaktadır. Alternatif-2'de ise, biyofiltre havalandırma sistemi tamamı ile mahal havalandırma sistemi tamamı ile ayrılmıştır. Biyofiltre ve mahal havalandırma sistemleri birbirinden bağımsız klima santralleri ile gerçekleştirilmiştir.  Biyofiltre için gerekli havalandırma debisi, proses suyu şartlarına getirilerek, biyofiltreye gönderilmiş ve proses için gerekli ısıl yükün düşürülmesi planlanmıştır. Ayrıca biyofiltreden çıkan havanın ise, mahal içerisine karışmaması sebebiyle, mahal içi nem ve CO2 dengesinin nasıl değişeceği araştırılmıştır.
Hesaplamalar öncelikle yaz mevsiminde farklı iç ortam sıcaklıkları için tamamlanmıştır. Yaz mevsimi için gerekli soğutma ihtiyacı, iklimlendirme ve proses sistemleri için belirlendikten sonra, alternatifler arasından daha az soğutma ihtiyacı olan sistem seçilmiştir. 
Yaz için belirlenen alternatif ve optimum iç ortam sıcaklık değerine göre, kış mevsimi için hesaplamalar tamamlanmıştır. Kış mevsimi için yapılan hesaplamalar sonucunda, iklimlendirme ve proses sistemleri için gerekli ısıtma ve soğutma ihtiyacı belirlenmiştir. 
Isıtma ve soğutma ihtiyaçlarının belirlenmesi sonrasında sistemler için klima santrali, hava soğutmalı su soğutma grubu (chiller) ve ısı pompası cihazlarının seçimi yapılmıştır. 
Cihaz seçimlerinin yapılması sonrasında ise, tesisin aylara göre yıllık enerji sarfiyatının belirlenmesi için, Carrier HAP ticari yazılımı ile termoekonomik analiz yapılmıştır. Yapılan termoekonomik analiz sonuçlarına göre, sistemde en çok enerji sarfiyatı gerçekletiren ekipmanlar belirlenerek, nerelerde iyileştirme yapılabileceği özetlenmiştir.

Abstract:
The heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) system's optimization and thermoeconomic analysis are carried on for the land-based water recirculating aquaculture system (RAS) at Tsu City, Japan. Optimization analysis are completed for different enclosed space temperatures. Optimization analysis consist of the HVAC and RAS systems' heating and cooling loads. Enclosed space conditions which is temperature and relative humidity are investigated for the relationship between the RAS. After that, the optimum enclosed space temperature is selected. 
Salmon farming is made with land-based RAS. Salmon fishes are farmed inside the water-filled tanks in the building. Salmon fishes are located in different tanks according to the their life stage except the incubation. There is five different enclosed space for the different life stages. The life stages are incubation, fry, parr, smolt, post smolt. RAS has a lot of challenges which are CO2 level and water temperature for the HVAC systems. CO2 level increases inside the water because of the respiration of the salmon fishes. CO2 level is controlled because its high values have negative effect on the salmon fishes' biological growth. Biofilter units used to remove the dissolved CO2 inside the water. After the dissolving process, the water temperature is regulated and the water is send back to fish tanks. Removing the dissolved CO2 inside the water is done with the fresh air that lower CO2 level from the water. So that, biofilter units need the fresh air to remove the dissolved CO2 inside the water.
There are two options for the biofilter units' ventilation systems. The basic difference between the two alternatives that is how to supply required air flow to the biofilter units. Exhaust air from the biofilter units is cold and also wet so could decrease the enclosed space temperature and increase the humidity inside the enclosed space. There is a another effect to increase humidity inside the enclosed space that is evaporation from the tanks. The evaporated water from the tanks should be filled as the evaporation amount. The water should be conditioned as 12°C before the suppling inside the tanks. Because temperature difference inside the tanks has a negative effect on the salmon biological growth.  The Alternative-1 is that the ventilation system for the enclosed space and biofilter units is the same  and also the required air flow for the biofilter units, is supplied from the enclosed space air. There is a advantage for the decrease the HVAC cooling load at the first sight because exhaust air from the biofilter units is 12°C, wet and also, it contents high level CO2 inside the air. There are another challenges to controlled the relative humidity and CO2 levels inside the enclosed space. When the fresh air requirement for the biofilter units is supplied from the enclosed space air, it would be higher or colder than the water temperature and water temperature is increased or decreased. It has a negative effect on the process cooling or heating load. There is an another option is called the Alternative-2. The Alternative-2 is that totally seperated ventilation systems for the enclosed space and the biofilter units. Exhaust air from the biofilter units is collected with the hoods where above the biofilters unit and is not mixed inside the enclosed space. There are some advantages to controlled CO2 and relative humidity levels inside the enclosed space. And also, the fresh air for the biofilter units, could be conditioned until the process water temperature and it would be positive effect to decrease for the process heating and cooling loads. The both alternatives are investigated for the different enclosed space temperatures as 18, 20, 22, 24, 26 and 28°C.  
The evaporation rate is related to supply air absolute humidity and mixing air absolute humidity from the biofilter units to the enclosed space. Supply air temperature is selected 13°C and 90% relative humidity for the summer season to reduce the evaporation rate from the tanks. The effect of the mixing air is investigated for the evaporation rates at the different temperatures. Supply air temperature is selected 13°C and 90% relative humidity for the summer season to reduce the evaporation rate from the tanks.
Firstly, the effect of the colours of the exterior surfaces of the building on the heating and cooling loads are investigated. Light, medium and dark colours are investigated and light colour is less effects the cooling load than the others as expected. The colours of the exterior surfaces of the building do not effect the heating load. After the optimization analysis is done for the summer season. 
The alternatives are compared for the HVAC, process and also total cooling loads. The cooling load for the 28°C at Alternative-2 is less than the other conditions. So, the  28°C at Alternative-2 is selected as optimum enclosed space temperature for the summer season. After that, winter conditions are investigated the different enclosed space temperatures as 10, 12, 14, 16, 18 and 20°C. The main criteria of the selection is the indoor relative humidity for the winter season. Because, the relative humidity above the 80% has a risk of the microbial growth inside the enclosed space. If any kind of microbe is mixed into the water from the air, the salmons could be died or got illness. So, enclosed space relative humidity should be less than the 80%. According to calculations, the relative humitiy is not limited below the 80% for the 10, 12, 14, 16 and 18°C. According the relative humidity criteria, enclosed space temperature is selected as 20°C. 
The system selections are completed for the HVAC and process systems after the optimum temperatures are calculated. Air handling units are selected for the ventilation system. Air handling units have the heating and cooling coils. The rotary type heat exchanger is installed inside the air handling units to reduce the heating and cooling load. The usage of fossil fuels to achieve the required heating capacity is prohibited for the project area. So, the required heating capacity is supplied by the heat pump units. The heat pump units transfer the heat from air to water. The heat pump units could be use during the winter and summer seasons. The selected heat pump units have the cooling load for the summer season. So, the air cooled chiller units are selected to meet the remaining cooling load from the heat pump units. 
After the selection of the equipments, the thermoeconomic analysis is completed with the Carrier Hourly Analysis Program 5.10 commercial software to determine the annual energy consumption and cost of the facility by months. The chiller units are belong to process water conditioning system are not involved the thermoeconomic analysis because of the no available data about the heat release from salmon to water respected to hours. The thermoeconomic analysis results are shown which system has more energy demand. The lighting system has more energy demand than the others.  Reducing the lighting system energy demand effects the HVAC system loads. In this thesis process system and lighting system type are not investigated. The suggestions are made to reduce the energy consumption.