Jeotermal kaynaklı ısı pompasının bölgesel ısıtma sisteminde kullanımının araştırılması ve termodinamik analizi
Investigation of the usage of geothermal sourced heat pump in district heating system and its thermodynamics analysis
Yazar: HALİT ARAT
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZ ARSLAN
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Isı pompaları yüksek verime sahip alternatif bir ısıtma sistemidir. Isı pompasının kullanımı ülkemizde çok yaygın olmamasına rağmen son yıllarda toprak ve su kaynaklı ısı pompası uygulamaları artmaktadır. Bu çalışmada, jeotermal kaynaklı ısı pompasının bölgesel ısıtma sisteminde kullanımı araştırılmış ve farklı tasarım parametrelerine göre optimizasyonu yapılmıştır. Farklı soğutucu akışkanlar ve sistem parametreleri ele alınarak yapılan tasarımlarda; enerji ve ekserji analiz metodu yardımıyla kondenser, evaparatör, ısı merkezi, radyatör, pompa kapasiteleri ile ısıtma performans katsayıları (COP) ve ekserji verimleri hesaplanmıştır. Çalışmanın devamında; her bir tasarım için ayrı ayrı olmak üzere jeotermal kaynaklı ısı pompası destekli bölgesel ısıtma sisteminin maliyet analizi yapılmıştır. Önerilen sistemin faydalı ömrü 20 yıl olarak belirlenmiş olup net bugünkü değer (NBD) yöntemiyle sistemin ekonomikliği araştırılmıştır. Çalışmada son olarak; ekonomik olarak da değerlendirilen tüm tasarımlar Yapay Sinir Ağları (ANN) kullanılarak modellenmiştir. Jeotermal kaynaklı ısı pompası destekli bölgesel ısıtma sisteminin ANN modelleri, bilgisayar programı MATLAB vasıtasıyla, ileri beslemeli geri yayılımlı ağ tipi ve Levenberg-Marquardt (LM), Pola-Ribiere Conjugate Gradient (CGP) ve Scaled Conjugate Gradient (SCG) eğitim algoritmaları kullanılarak oluşturulmuştur. Oluşturulan ağ çıktılarına ait istatistiksel sonuçlar her model için değerlendirilerek en uygun ağ seçilmiştir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında belirlenen en uygun ANN modeli kullanılarak jeotermal kaynaklı ısı pompası destekli bölgesel ısıtma sistemi optimize edilmiştir. Elde edilen optimum sistem analitik olarak hesaplanan sistemle karşılaştırıldığında, istatistiki açıdan kabul edilebilir olduğu tespit edilmiştir. Son olarak, ele alınan sistem mevcut kullanım şekli olan ısı pompasının olmadığı durumla karşılaştırılmış ve sistemin ekonomik açıdan uygulanabilir olduğu ispat edilmiştir.

Abstract:
The heat pumps are alternative heating system related with their higher efficiency. Although heat pumps are not very common in Turkey, the applications of soil and water sourced heat pumps have increased recently. In this study, the usage of geothermal sourced heat pumps was investigated in district heating system and optimized taking the different designs into account. In these designs, taking different refrigerant fluids and system parameters into consideration, the capacities, COPs and exergy efficiencies of evaporator, heat center, radiator and pumps were calculated by means of energy and exergy analysis. In the next part of this study; the cost analysis of geothermal sourced heat pump in district heating system were separately performed for each design. Assuming the economic life of the geothermal sourced heat pump in district heating systems as 20 years, the economics of the system was investigated by Net Present Value analysis (NPV). Finally, all economically evaluated designs were modelled using Artificial Neural Network (ANN). The ANN models of geothermal sourced heat pump in district heating system was formed by using feed-forward back propagation network type and Levenberg-Marquardt (LM), Pola-Ribiere Conjugate Gradient (CGP) and Scaled Conjugate Gradient (SCG) training algorithms in MATLAB. The obtained results of network outputs were statistically evaluated for each model and the optimal network was determined according to best results. In the next stage of this study, the geothermal sourced heat pump in district heating system was optimized by using the determined optimal network. If analytical results compared with those of ANN, it was determined to be statistically acceptable. Finally, the proposed system was compared with the current system with no heat pump and it was found that the proposed system has been economically feasible in comparison the present one.