Isı pompası kaynaklı ısıl depolama sisteminin performansı üzerine tekstil esaslı havalı güneş kollektörünün etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of textile-based air solar collector on the performance of heat pump welded heat storage system
Yazar: ONUR VAHİP GÜLER
Danışman: DOÇ. DR. ALİ KEÇEBAŞ
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hava kaynaklı ısı pompası = Air source heat pump ; Isı depolama = Heat storage ; Isı performansı = Heat performance ; Isıtma sistemleri = Heating systems

Özet:
Bu tez çalışmasında, mekan ısıtması amacıyla Muğla İli iklim şartlarında tekstil esaslı güneş enerjisi kaynaklı ısı pompası ısıtma sistemini termodinamik performans yönünden değerlendirmek için teorik ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu amaç için havalı güneş kollektörleri, havadan suya ısı pompası, akümülasyon tankı, ısı eşanjörü, pompa ve radyatörlerden oluşan bir ısıtma sisteminin farklı işletme şartlarında çalışabilecek deney düzeneği tasarlanmış ve imalatı yapılmıştır. Literatürde güneş kollektörü destekli sudan suya ısı pompası ile ilgili yapılan sayısal çalışmaların aksine, gerçek çalışma koşulları altındaki deney düzeneği üzerinde (i) tekstil esaslı (TE) ve selektif yüzeyli (SY) havalı güneş kollektörler (HGK), (ii) TE-HGK'lı ve SY-HGK'lı ısı pompaları (IP) ve (iii) TE-IP'li, SY-IP'li ve standart havalı IP'li ısıtma sistemler enerji ve ekserji analizi yolunda değerlendirilmiş ve karşılaştırılmıştır. Bu doğrultuda çalışma sonuçları, TE-HGK, TE-IP ve TE-IP'li ısıtma sistemleri diğer sistemlere göre daha yüksek performans göstermişlerdir. TE-IP, SY-IP ve standart IP'nin ısıtma tesir katsayısı (ITK) sırasıyla 5,11, 4,93 ve 3,99 hesaplanırken toplam ekserji verimleri sırasıyla %56, %53 ve %44 olarak belirlenmiştir. Kış aylarında standart havadan suya IP evaporatöründeki (buharlaştırıcı) yüksek sıcaklık farkı (düşük dış hava sıcaklığı) ve buzlanma problemleri, kompresörde harcanan elektrik enerjisini arttırmış ve dolayısıyla ısı pompasının veriminin düşmesine yol açmıştır. Söz konusu problemler havalı güneş kollektörler kullanılarak giderilmiştir. Tez çalışmasında kullanılan yeni nesil HGK'leri havanın işlem görmemiş bir kumaş içerisinden (tekstil absorber) geçirilerek ısıtılması prensibine dayanmaktadır. TE-HGK'nin enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %70 ve %41 iken SY-HGK'nin değerleri %53 ve %31'dir. Ayrıca projede soğutkandan suya plakalı ısı eşanjör olarak kullanılan kondenser, böyle bir sistem için düşük etkinlik değerli kalmıştır. TE-IP'li, SY-IP'li ve standart IP'li ısıtma sistemlerin ITK değerleri günlük ortalama olarak sırasıyla 2,49, 2,32 ve 1,90 ve onların toplam ekserji verimleri ise %14,40, %13,37 ve %11,27'dir. Isıl depolama işlemi olarak iyi yalıtılmış ve içerisinde serpantin olmayan standart bir akümülasyon tankının güneş enerjisi destekli havadan suya ısı pompası kullanılarak ısının depolanması ve bu ısının IP'nin pasif olduğu veya gece boyunca kullanılmasının faydalı olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, theoretical and experimental studies are carried out in order to evaluate the thermal performance of heating system with a textile based solar supported air source heat pump in the climate conditions of Muğla province in terms of space heating. For this purpose, an experimental setup of a heating system that works under different operation conditions consisting of air solar collectors, air-to-water heat pump, accumulation tank, heat exchanger, pump and radiators are designed and manufactured. Unlike the numerical studies conducted in the water-to-water heat pump cycle assisted by solar collector in the literature, air based solar collectors (ASC and WSC) with textile-based (TB) and selective surface (SS), heat pumps (HP) with TB-ASC, heating systems with TB-HP, SS-HP and standard air based HP and heating systems on the experimental setup are evaluated and compared under real working conditions in the way of energy and exergy analysis. In this respect, the results of the study are shown that TB-ASC, TB-HP and heating systems with TB-HP are higher performance than other systems. The heating coefficients of performance (COPH) of TB-HP, SS-HP and standard HP are found as 5.11, 4.93 and 3.99, respectively, and their total exergy yields are 56%, 53% and 44%. In winter, the high-temperature difference (low outdoor temperature) and frosting problems in the standard air-to-water HP evaporator lead to increase the electrical energy spent in the compressor and consequently reduce the efficiency of the heat pump. These problems are solved using air based solar collectors. The air based solar collectors used in the thesis are based on the principle of heating the air by passing it through a piece of fabric (textile absorbent). While the energy and exergy efficiencies of TB-ASC are 70% and 41%, respectively, the values of SS-ASC are 53% and 31%. In addition, the condenser used as a refrigerant-to-water plate heat exchanger has low activity value for such a system. The COPH values of the heating systems with TB-HP, SS-HP and standard HP are respectively 2.49, 2.32 and 1.90, and their total exergy yields are 14.40%, 13.37% and 11.27%. It has been reported that the thermal storage of a standard accumulation tank that is well insulated and non-serpentine by using solar energy assisted air-to-water heat pump and that its heat is passive and useful for the night use.