Enerji kazıklarının uzun dönem performansı ve tasarımı
Long term performance and design of energy piles
Yazar: GÜVEN ERİŞGEN
Danışman: PROF. DR. İLKNUR BOZBEY ; DR. ÖĞR. ÜYESİ CELAL GÜNEY OLGUN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton kazıklar = Concrete piles ; Fore kazık = Bored pile ; Isı enerjisi = Heat energy ; Jeotermal enerji = Geothermal energy

Özet:
Yer kabuğunun üst kısmı güneşten aldığı enerjiyi depolar ve sıcaklık on beş metre gibi bir derinlikte yıllık ortalama sıcaklığa eşitlenerek sabitlenir. Bu enerji türünden yararlanmak için toprağın üst kısımlarına kolektörler (su boruları) döşenir ve kolektörler toprak kaynaklı ısı pompasına bağlanarak kışın buz tutan yol, köprü, tünel gibi yapıların ısıtılması veya bina, sera vb. yapıların hem ısıtılması hem de soğutulması sağlanabilir. Temel mühendisliği açısından fore kazık yapılması düşünülen temel sistemlerine bu sistemin entegre edilmesi ile enerji kazıkları oluşturulur. Bu kazıklar yardımıyla temel üzerindeki yapılar kışın ısıtılıp yazın soğutulur. Toprak kaynaklı ısı pompası bu ısıtma-soğutma çevriminde kazık içine yerleştirilmiş olan kolektörlerden sürekli zemine ısı alıp verdiği için kazıkta sıcaklık değişimleri oluşur ve bu da mesnet durumuna bağlı olarak çevrimsel deplasmanlara ve kazık ekseninde çevrimsel eksenel gerilmelere neden olur. Bu tez çalışması kapsamında ülkemiz iklim koşullarında imal edilecek termal kazıkların uzun dönem performasının incelenmesi hedeflenmiş, buna yönelik çok sayıda termal ve termomekanik analiz yapılmıştır. Ülkemizin dört iklim bölgesini temsil eden elli altı adet istasyon için tipik iklim yılı verileri hazırlanmıştır. Türkiye şartlarına uygun bir bina seçilmiş ve elli altı istasyon için ısıtma-soğutma yükü ve enerji kazığı boyları hesaplanmıştır. Analizler iki farklı toprak ısıl iletkenlik katsayısı ve iki farklı kazık boyu için yapılmıştır. Tezde asıl olarak üst ucu serbest sürtünme kazığı modellenmiştir. Uzun dönem performans değerlendirmesi otuz yıl sonrası için yapılmıştır. Sayısal analizler sonucunda uzun dönemde kazık çevresinde oluşan ısınma ve soğuma seviyeleri belirlenmiş, kazıkta termal yükleme nedeniyle oluşan çevrimsel deplasmanlar ve eksenel gerilmeler bulunmuştur. Farklı iklim bölgelerinde davranışın da farklılaştığı, özellikle üçüncü ve dördüncü iklim bölgesinde zeminde aşırı soğumalar oluşacağı görülmüştür. Bu mesnet durumu için korelasyonlar önerilmiştir. Ayrıca ülkemizde dört iklim bölgesini temsil eden dört istasyon için kazığın farklı mesnet durumlarında termal yüklere bağlı oluşan deplasman ve eksenel gerilme değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlar, kazık uçlarının tutulu olması durumunda çok yüksek çekme gerilmelerine ulaşılabileceğini ve bununda çekme çatlağı gibi probemlere yol açabileceğini göstermektedir. Tezde elde edilen sonuçlara istinaden enerji kazığının ülkemiz iklim şartlarında uzun dönemde efektif sonuç vereceği iklim bölgeleri için tavsiyelerde bulunulmuş, tasarımda dikkat edilecek hususlara değinilmiş ve ileride ülkemizde hazırlanabilecek şartnameler için yol gösterici olabilecek tavsiyelerde bulunulmuştur.

Abstract:
The upper part of the earth's crust stores the energy it receives from the sun and the temperature is stabilized by equalizing to the annual average temperature at a depth of fifteen meters. In order to benefit from this type of energy, collectors (water pipes) are laid on the upper parts of the soil and the collectors are connected to the ground source heat pump to heat structures such as roads, bridges, tunnels that freeze in winter, or to build buildings, greenhouses, etc. Buildings can be both heated and cooled. In terms of foundation engineering, energy piles are created by integrating this system into the foundation systems that are considered to be bored piles. With the help of these piles, the structures on the foundation are heated in winter and cooled in summer. As the ground source heat pump receives and transfers heat from the collectors placed in the pile to the ground continuously in this heating-cooling cycle, temperature changes occur in the pile and this causes cyclic displacements and cyclic axial stresses in the pile axis depending on the support conditions. Within the scope of this thesis, it was aimed to examine the long-term performance of the thermal piles to be constructed in the climatic conditions of our country, and many thermal and thermomechanical analyses were carried out in this context. Typical climate year data were prepared for fifty six stations representing the four climate regions of our country. A typical residential structure in Turkey was selected and heating-cooling loads and energy pile lengths were calculated for these stations. Analyses were made for two different soil thermal conductivity coefficients and two different pile lengths. In the thesis, the basic analyses were carried out pile with free head friction piles. Long-term performance evaluation is made for thirty years. As a result of numerical analysis, the level of temperature changes around the pile in the long term were determined, cyclic displacements and axial stresses due to thermal loading in the pile were calculated. It has been observed that the behavior also differs in different climatic zones, especially in the third and fourth climatic zones, where extreme cooling will occur on the ground. Correlations were proposed for this support condition. In addition, the displacement and axial stress values due to thermal loads in different pile upper and bottom support conditions were calculated for four stations representing four climatic regions in our country. The results show that very high tensile stresses can be achieved if the pile ends are restrained, which can lead to problems such as tensile cracking. Based on the results obtained in the thesis, recommendations were made for the climatic regions where the energy pile would give effective results in the long term in the climatic conditions of our country, the points to be considered in the design were mentioned and recommendations that could be used a guide for further specifications in Turkey.