Güneş enerji destekli ısı pompasının bir villa projesine uygulanması ve termoekonomik analizi
A villa of solar powered heat pump application to the project and thermoeconomic analysis
Yazar: NİHAL KARABULUT
Danışman: PROF. DR. VEDAT SAVAŞ
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Tekniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Güneş enerjisi geçmişte olduğu kadar günümüzde de önemli bir yere sahiptir. Ülke olarak enerji alanında sürdürülebilir politikalar geliştirmek ve bu politikaları sürdürmek için fosil yakıt tüketimini azaltmak ve aynı zamanda enerji verimliliği faaliyetlerini yaygınlaştırmak, konutlarda yeşil bina tasarımlarının hayata geçirilmesi gerekmektedir. Mahal ısıtma ve soğutmaları için geçmişten günümüze birçok farklı sistem kullanılmıştır. Günümüzde iklim değişikliği sebebi ile emisyonu az ısıtma ve soğutma sistemlerinin arayışları her geçen gün artmaktadır. Artık konutlarda ısıtma ve soğutma ihtiyacı yenilenebilir enerji kaynaklarıyla karşılanmaktadır. Isı pompası teknolojisindeki gelişmeler ve avantajları göz önüne alırsak ısı pompası sistemlerinin daha çok tercih edilme sebebi olduğunu görürüz. Bu çalışmamda, Batman ilinde bulunan iki katlı bir villanın PV (Fotovoltaik) panel entegreli ısı pompası ile yerden ısıtılması incelenerek, doğalgaz ile yerden ısıtma yapılarak ısıtılmasının tercih edilmesi durumunda performans ve emisyon değerlendirmelerindeki değişimler karşılaştırılmıştır. Batman ili iklim şartlarında bulunan bir villada güneş enerji destekli ısı pompası kullanılarak ısıtma, soğutma ve kullanım sıcak suyu ihtiyacı karşılanmıştır. Bu çalışmamda; gerekli ısı kaybı hesabı, soğutma hesabı ve boyler kapasite hesabı için Daikin firmasının geliştirdiği Heating Solutions Navigator programı ile villada kullanılan yapı bileşenlerinin değerleri girilerek ısı kaybı hesabı, soğutma yükü hesabı ve boyler kapasite hesabı yapılmıştır. Doğalgaz ile yapılan hesaplamalarda ise; ısı kaybı baz alınarak villada yapılan yerden ısıtma ve gerekli kapasite ihtiyacı için doğalgazlı kombi seçimi yapılmıştır. Yapılan seçim sonucunda performans ve emisyon değerlendirmelerindeki değişimler ısı pompası ile karşılaştırılmıştır. PV (Fotovoltaik) panel tasarım ve hesabı için ise PVsyst programı kullanılmıştır. Bu program sayesinde ise gerekli çatı alanı ve villada kullanılan günlük elektrik tüketimi göz önüne alınarak panel ebatlarına göre çatıya panel yerleşimi tasarlanmıştır. Villanın fosil yakıt tüketiminin azaltılması ve villada yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı göz önünde bulundurulmuştur. Yapılan tasarımda ısı pompası sisteminin evaporatör ve kondenser sıcaklıkları sırasıyla -25°C ve 55°C olarak seçilmiş, sistemde R32 soğutucu akışkan kullanılmış ve ısı pompasının SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) değeri 3,76 olarak hesaplanmıştır. Isıtma ve soğutma sezonu boyunca ısı pompası sistemine entegre edilen 83 adet güneş panelleriyle elektrik ve doğalgaz faturası ödemeden ısıtma ve soğutma ihtiyacı çözülmüş oldu.
Villanın ısıtma sezonu olarak Ocak, Şubat, Mart, Nisan, Ekim, Kasım, Aralık ayları seçilmiş olup sıcak su elde etmek ve ısıtma ihtiyacını sağlayabilmek için gereken enerji 8281,3 kwh olarak bulunmuş, çatıya kurulmuş olan 83 adet güneş paneli ile doğalgazdan tasarruf edilmiştir. PV (Fotovoltaik) paneller sayesinde ısıtma sezonunda yılda ortalama 7532,86 TL tasarruf sağlandığı bulunmuştur. Tasarlanan sistem sayesinde yıllık CO2 emisyonu 801 kg azalmış olup ısıtma ve soğutmayı tamamıyla yenilenebilir enerji ile çözmüş olduk. Isı pompalı yerden ısıtmalı sistemin ilk yatırım maliyetindeki yüksek olmasına rağmen fiyat farkının işletme maliyetindeki azalmadan karşılanabileceği görülmektedir. Sonuç olarak ısı pompalarının yatırım maliyetleri doğalgaza kıyasla yüksek olmasına rağmen, temiz ve güvenilir olmaları, özellikle yerden ısıtma ile avantajlı bir ısıtma sistem olduğu görülmektedir.

Abstract:
Solar energy has an important place today as it did in the past. As a country, it is necessary to develop sustainable policies in the field of energy and to maintain these policies, to reduce fossil fuel consumptionand at the same time to popülarize energy efficiency activities, and to implement green building designs in residences. Many different systems have been used for space heating and cooling from past to present. Today, emissions due to climate change The search for less heating and cooling systems is increasing day by day. The heating and cooling needs in residences are now met by renewable energy sources. If we consider the developments and advantages in heat pump technology, we see that heat pump systems are more preferred. In this study, the under floor heating of a two-storey villa located in Batman province with a PV (Fotovoltaik) panel integrated heat pump was examined and the changes in performance and emission evaluations were compared if heating with under floor heating with natural gas was preferred. Heating using a solar energy supported heat pump in a villa located in the climatic conditions of Batman province. Cooling and domestic hot water needs were met. In this study; For there quired heat loss calculation, cooling calculation and boiler capacity calculation, heat loss calculation, cooling load calculation and boiler capacity calculation were made by entering the values of the building components used in the villa with the Heating Solutions Navigator program developed by Daikin company. In calculations made with natural gas; Based on heat loss, a natural gas combi boiler was chosen for the under floor heating and required capacity needs in the villa. As a result of the selection, the changes in performance and emission evaluations were compared with the heat pump. PV syst program was used for PV (Fotovoltaik) panel design and calculation. Thanks to this program, panel placement on the roof was designed according to panel sizes, taking into account the required roof area and Daily electricity consumption in the villa. Reducing the fossil fuel consumption of the villa and the use of renewable energy sources in the villa were taken into consideration. In the design, the evaporator and condenser temperatures of the heat pump system were selected as -25°C and 55°C, respectively, R32 refrigerant was used in the system and the SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) value of the heat pump was 3.76. has been calculated. With 83 solar panels integrated into the heat pump system through out the heating and cooling season, the need for heating and cooling was solved without paying electricity and natural gas bills.
The months of January, February, March, April, October, November and December were chosen as the heating season of the villa, and the energy required to obtain hot water and meet the heating needs was found to be 8281.3 kWh, and natural gas was saved with 83 solar panels installed on the roof. Thanks to PV (Fotovoltaik) panels, it was found that an average of 7532,86 TL was saved annually during the heating season. Thanks to the designed system, annual CO2 emissions have been reduced by 801 kg and we have solved heating and cooling entirely with renewable energy. Although the initial investment cost of the heat pump under floor heating system is high, it is seen that the price difference can be covered by the decrease in operating costs. As a result, although the investment costs of heat pumps are higher compared to natural gas, they are clean and reliable and appear to be an advantageous heating system, especially with under floorheating.