Düşük sıcaklıkta enerji depolama
Low temperature thermal storage
Yazar: ERTÜRK ÇAĞRIHAN GENÇ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Çeşitli geleneksel ve yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanan termal enerji depolama sistemleri, dünyanın birçok yerinde yaygındır. Sıcak su ve soğuk su depolama imkanıyla ısıtma ve soğutma uygulamalarında tercih edilen bu sistemler özellikle enerji talebinin yüksek olduğu periyotlarda mevcut sisteme destek amacıyla kullanılır. İlk olarak 1930'larda mandıra işletmecilerinin sütleri soğuk tutabilmek amacıyla kullanmış oldukları bu sistem, 1970'lerin sonunda bazı girişimci mühendislerin katkılarıyla ilk kez iklimlendirme uygulamalarında kullanılmaya başlandı. Sistem asıl tanınırlığına 1980'lerde kavuştu. Elektrik kamu şirketleri tarafından yük dengeleyici ve destekleyici bir sistem olarak görüldü. Sistem yaygınlaştıkça, mevcut ısıtma ve soğutma sistemlerinde kullanılan ekipmanlar küçüldü.
Termal buz depolama sistemleri, soğutma ve iklimlendirme sistemlerinde soğutma yükünü karşılayabilmek ve enerji tüketimini enerji talebinin az olduğu zamanlara kaydırabilmek amacıyla kullanılan sistemlerdir. Enerji talebinin yüksek olduğu periyotlar özellikle insanların en çok aktif olduğu, sıcaklığın sistem üzerinde etkisinin en çok hissedildiği zaman aralıklarını kapsar. Bu zaman aralıklarında soğutma sistemlerinde soğutma yükü fazladır. Bu yükü karşılayabilmek amacıyla özellikle kompresör tarafında ciddi anlamda enerji tüketimi meydana gelir. Bu enerji tüketimi elektrik tarifesinin yüksek olduğu pik yük zamanlarında gerçekleştiği için işletme maliyetinin artması ile sonuçlanır. 
Temelde bir soğutma ünitesi ve buz depolama tankından oluşan buz depolama sisteminde aktif rol oynayan soğutucu akışkan etilen glikol-su karışımıdır. Bu karışım soğutma ünitesinde başka bir soğutucu akışkanla soğutulur. Bu soğutma süreci, enerji tarifesinin düşük olduğu gece vakitlerinde gerçekleştirilir. Donma noktası suya göre daha düşük olan bu karışım, buz tankı içerisinde yer alan  serpantinin içinden geçerek suyun donmasını sağlar. Genelde uygulamalarda tankın %65 civarında buz, %35 civarında su ile dolu olmasına dikkat edilir. Serpantin etrafında belli miktarda kalınlığa ulaşmış olan buzdan, gündüz enerji talebinin yüksek olduğu zamanlarda faydalanılır. Böylece sistemde pik yük zamanlarında daha az enerji tüketimi meydana gelir. Gündüz karşılanması gereken soğutma yükü, dolaylı olarak gece çalışan soğutucu üniteden karşılanır. Bunun neticesinde ise daha az elektrik tüketimi gerçekleşir.
Tankta buz depolama miktarına göre soğutma yükü iki şekilde karşılanabilir. Tam depolamada sistemin soğutma yükünün tamamı buz tankı tarafından karşılanırken, kısmi depolamada ise soğutma yükünün sadece belirli bir kısmı buz tankı tarafından karşılanır. 
Piyasada yaygın şekilde kullanılan dört çeşit buz depolama teknolojisi vardır. Bunlar buz topu tipi, buz biriktirmeli kayar tip, buz kristalli ve serpantinli buz depolama teknolojileridir. Buz topu tipi buz depolamalı soğutma sisteminde, buz statik bir şekilde tank içerisinde depolanır. Bu sistemin farklılığı, bir depolama tankı içerisinde çok miktarda içi su dolu ve sızdırmaz küresel topların yer almasıdır. Donma süresince bu küresel topların içerisindeki su sızdırmaz toplar arasından geçen etilen glikol karışımıyla dondurulur. Böylece ihtiyaç duyulan buz biriktirilir.
Buz biriktirmeli kayar tip sistemde ise, buz tankının üzerinde yer alan ve dikey bir şekilde konumlandırılan evaporatör yer alır. Tank içerisindeki su bu evaporatörün yüzeyinden akıtılarak yüzeyde buz oluşumu sağlanmış olur. Plakalar halinde oluşmuş buz, evaporatörün içinde sıcak soğutucu akışkanın akışıyla eritilir ve tank içerisine dökülmesi sağlanarak buzlu su karışımı oluşturulmuş olur.
Buz kristalli depolama sisteminde ise suyun sıfır derecenin altında aşırı soğumuş sıvı fazından faydalanılır. Serpantinli buz depolama sisteminde, buz tankı içerisinde bakır serpantin yer alır. İhtiyaç duyulan buz bu serpantin içinden akan soğutucu akışkanla oluşturulur. Ergitme metoduna göre dıştan ve içten ergitmeli sistem olmak üzere iki farklı çeşidi vardır. Dıştan ergitmeli sistemlerde, buz oluşturma süreci serpantinde yer alan her bir bakır boru üzerinde buz kalınlığı istenen düzeye ulaştığında tamamlanmış olur. Aralıklı yerleştirilen serpantin boruları sistemden dönen sıcak suyun depo içerisinde rahat bir sirkülasyon oluşturulabilmesini sağlar. Boru çevresinde halka şeklinde oluşan buz sistemden dönen sıcak su sebebiyle erimeye başlar. İçten ergitmeli sistemlerde ise, dıştan ergitmeli sistemlere göre serpantin boruları bu sistemde birbirine daha yakındır. Böylece boruların çevresinde yer alan buzlar birbirleri arasında köprü oluşturur. Bu durum dıştan ergitmeli sistemlere göre daha çok buz üretimini sağlar. Donma süreci dıştan ergitmeli sistemle aynıdır. Ergime sürecinde ise, dönen ve eskisine göre daha sıcak olan glikol solüsyonu aynı bakır borular içerisinden geçerek boruyu çevreleyen buz tabakasının içeriden erimesini sağlar.
Tezde kurgulanan sistem dıştan ergitmeli serpantinli buz depolama sistemidir. Bu sistemde soğutucu ünite ve buz tankı dışında, bir adet antifiriz tankı yer alır. Antifiriz tankının kullanılma sebebi sistemde dolaşan etilen glikol-su karışımını gerektiğinde tek bir depoda muhafaza edebilmektir. Kullanılan etilen glikol-su karışımı kütlece %20'liktir. Bu karışım -7 °C evaporasyon sıcaklığında R 134A ile çalışan soğutucu ünite tarafından soğutulur. Elde edilen soğuk etilen glikol-su karışımı buz tankına glikol pompaları aracılığıyla gönderilir. Bu sayede buzun depolama süreci başlar. Buz tankı 3 m3 hacme sahip, cam takviyeli polimerden yapılmıştır. Tank içerisini ise 157 litrelik bakır serpantin kaplar. Soğuk etilen glikol-su karışımı bu serpantin içinde dolaşır ve tankta belirli bir miktarda buzun oluşumuna neden olur. Bu donma sürecinin neticesinde elde edilen elde edilen soğumuş su pozitif merkezi sistem üzerinde kullanılır. Pozitif merkezi sistem, -10 °C evaporasyon ile +55 °C kondenzasyon sıcaklıkları arasında çalışabilecek şekilde 2 adet kompresör ve bunlara bağlı soğutma elemanlarından oluşur. Merkezi sistemde dolaşan soğutucu akışkan R 404A'dır. Merkezi sistemin evaporatörleri ise 3 adet sütlük dolaplarıdır. Buz tankından elde edilen soğuk su, pozitif merkezi sistemde kondenser sonrasına bağlı aşırı soğutucu ısı değiştiriciye yollanır. Bu sayede kondenser çıkışı soğutucu akışkan soğuk su sebebiyle bir miktar daha soğutulur. Bu işleme aşırı soğutma denir ve bu işlem sistemin soğutma performansını artırır.
Deneyler donma süreci ve ergitme sürecini kapsayacak şekilde farklı zaman aralıklarında yapılmıştır. Bu deneyler boyunca deney düzeneğinin farklı noktalarından sıcaklık ölçümleri alınmış ve bu sıcaklık ölçümlerine göre buz tankının soğutma performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. 
Buz tankı içerisinde beş farklı sıcaklık probu yer alır. Bu sıcaklık problarından üçü tank içerisindeki serpantin yüzeyine yakın noktalarda konumlandırılmış, diğer ikisi ise biri tank içindeki su yüzeyinden, diğeri tankın tabanından sıcaklık ölçümü alacak şekilde yerleştirilmiştir. Bu sıcaklık ölçümlerinde biriken buz miktarı, donma süreci ve ergitme sürecinin ne zaman tamamlandığıyla ilgili en iyi gözlem serpantin yüzeyindeki probların ölçtüğü sıcaklıklardan elde edilmiştir.
Bu ölçülen sıcaklıklar neticesinde suyun davranışıyla ilgili önemli durumlara tanıklık edilmiştir. Suyun 4 °C'de gösterdiği davranış grafiklerde incelenmiş, bunun yanı sıra suyun sıfır derecenin altında bir miktar daha sıvı halini koruyarak süper soğuma durumu gözlemlenmiştir. 
Sistem sadece deneysel olarak incelenmemiş aynı zamanda matematiksel modeli oluşturulmuştur. Bu oluşturulan modele göre çeşitli kabuller yapılmış ve buna göre ısıl dirençler ile taşınım katsayıları hesaplanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar ve teorik sonuçlar karşılaştırılmıştır. Birbirleriyle olan uyumlulukları incelenmiştir. 
Yapılan deneyler ve elde edilen teorik sonuçların uyumlu olduğu ve belirlenen tasarım parametrelerine göre ihtiyaç duyulan buz kalınlığının elde edilebilmesi için yaklaşık 16 saat gerektiği anlaşılmıştır. Suyun buz haline geçebilmesi için ise gerekli sürenin yaklaşık 20 saate çıkmış olduğu görülmüştür. 
Biriken buz miktarının tamamen erimesi ise ortalama 12 saat sürmüştür. Bu sürenin 12 saat sürmesi sadece buz miktarının tamamen tükenmiş olduğunu gösterir. Tamamen erimesi neticesinde elde edilen 10 °C'lik su ise hala sisteme aşırı soğutma için kullanılabilir.
Kurulan deney düzeneğiyle birlikte gerçekleştirilen deneyler ve yapılan teorik hesaplamalar neticesinde buz tankının kullanımının bir çok açıdan soğutma sistemine olumlu katkı sağladığı görülmüştür. Özellikle gündüz artan enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla enerji talebinin elektrik tarifesinin gündüz vakitlerine kıyasla daha düşük olduğu gece vakitlerine kaydırılması, sistemin işletme maliyetini azaltmaktadır. Değişken tarifeli ve soğutma yüklü sistemde yaklaşık %15 civarında ekonomik kazanç elde edilirken, sabit tarifeli ve sabit soğutma yüküne sahip sistemlerde bu kazanç %5'lere kadar inebilmektedir.

Abstract:
Thermal energy storage systems which takes advantage of various traditional and renewable energy sources are common to many parts of the world. These systems that have cold and hot water storage oppurtunities, are preferred in heating and cooling applications. Espacially, in high energy demanded time periods, it is used for support to available heating or cooling systems. First of all, dairy operators used this system in the 1930s in order to keep the cold milk. After that, in the late 1970s this system was used for air conditioning applications with the contribution of some enterprising engineers. The system is known in the 1980s  principally. By public electricity companies, thermal energy storage systems were seen as a load supportive and load balancing system. When the system became widespread, heating and cooling equipments became smaller.
Thermal ice storage systems are used in cooling and air conditioning systems in order to meet the cooling load and to shift energy consumption to the off peak periods. The periods in which the energy demand is high, include especially time intervals where people are most active and the effect of temperature on the system is felt most. In these time intervals, the cooling load in cooling systems is high. In order to meet this load, a significant energy consumption occurs on the compressor side. This energy consumption results in an increase in operating costs as it occurs at peak load times when the electricity tariff is high.
The refrigerant is a mixture of ethylene glycol and water, which plays an active role in the ice storage system consisting mainly of a cooling unit and an ice storage tank. This mixture is cooled by another refrigerant in the cooling unit. This cooling process is carried out at night time when the energy tariff is low. This mixture, which's freezing point is lower than the freezing point of water, passes through the copper coil inside the ice tank and allows the water to freeze. In general, it is recommended that the tank is filled with 65% ice and 35% water. The ice, which has reached a certain thickness around the serpentine, is used when the daytime energy demand is high. This results in less energy consumption during peak load times. The cooling load to be met during the day is indirectly met by the night-time cooling unit. This results in less electricity consumption.
Depending on the amount of ice storage in the tank, the cooling load can be met in two ways. In the case of full storage, the entire cooling load of the system is met by the ice tank, while in partial storage only a certain part of the cooling load is met by the ice tank.
There are four types of ice storage technology widely used in the market. These are ice-ball type, ice-accumulating sliding type, ice-crystal and serpentine ice storage technologies. In the ice ball type ice storage cooling system, the ice is stored in a static manner in the tank. The difference in this system is that there is a large amount of water-filled and sealed spherical balls in a storage tank. During freezing, the water is frozen with the ethylene glycol mixture passing through the watertight balls in these spherical balls. Therefore, the ice needed is accumulated.
In the ice accumulating sliding-type system, an evaporator is located on the ice tank and its position located vertically. The water in the tank flows through the surface of this evaporator to provide ice formation on the surface. The ice formed in the plates is melted by the flow of hot refrigerant in the evaporator and the ice water mixture is formed by pouring into the tank.
In the ice-crystalline storage system, water which has liquid phase that's temperature is below  zero degrees is used. The serpentine ice storage system has a copper coil inside the ice tank. The ice needed is created by the refrigerant flowing through this coil. According to the melting method, there are two different types; external and internal melting system. 
In external melting systems, the ice building process is completed when the ice thickness reaches the desired level on each copper pipe in the coil. Intermittent serpentine pipes provide a comfortable return of hot water to the tank. The ice formed around the pipe in the ring starts to melt because of the hot water returning from the system. 
In internal melting systems, serpentine pipes are closer to each other in this system than externally melted systems. Thus, the ice around the pipes form a bridge between each other. This provides more ice production than externally melted systems. The freezing process is the same as the external melting system. In the melting process, the glycol solution, which is returned and hotter than the old one, passes through the same copper pipes and allow to the ice layer around the pipe melts from the inside.
The system constructed in the thesis is an externally melted ice storage system with serpentine. n this system, except for the cooler unit and ice tank, there is one antifreeze tank. The reason for using the anti-freeze tank is to keep the ethylene glycol-water mixture circulating in the system in a single storage if needed. The ethylene glycol-water mixture which is used has 20% concentration by mass. This mixture is cooled by the refrigerant unit that operates with R 134A at -7 °C evaporation temperature. The obtained cold ethylene glycol-water mixture is sent to the ice tank with glycol pumps. In this way, the ice storage process begins. The ice tank is made of glass reinforced polymer. Its volume is 3 m3. There is a 157-liter copper serpentine inside the tank. The cold ethylene glycol water mixture circulates in this coil and causes a certain amount of ice in the tank. The cooled water which is obtained from the freezing process is used on the positive central system. 
The positive central system consists of two compressors and their associated cooling elements, which can operate between -10 ° C evaporation and +55 ° C condensation temperatures. The refrigerant circulating in the central system is R 404A. The evaporators of the central system are 3 cabinets that are used for dairy milk products. The cold water from the ice tank is sent to the subcooler which is connected after the condenser in positive central system. In this way, the refrigerant which exits from the condenser is cooled slightly by the cold water. This process is called subcooling and this improves the cooling performance of the system. The experiments which comprises the freezing process and melting process.were carried out at different time intervals. During these experiments, temperature measurements were taken from different points of the experimental setup and the effect of the ice tank on the cooling performance was examined according to these temperature measurements.
There are five different temperature probes in the ice tank. Three of these temperature probes are located at points close to the serpentine surface in the tank, while the other two are positioned to receive a temperature measurement from the water surface in the tank and the other from the bottom of the tank. In these temperature measurements the best observation about the amount of ice accumulated, when the freezing process and the melting process were completed was obtained, from the temperatures measured by the probes on the serpentine surface. 
As a result of these measured temperatures, it has been seen that important conditions related to the behavior of water have been observed. The behavior of the water at 4 ° C was examined in the graphs and the water that has supercooled condition was observed. Supercooling is the situation that the water which can preserve its liquid phase below the 0 °C.
The system is not only experimentally studied but also it has a mathematical model. Various assumptions were made according to this model and thermal resistances and convection coefficients were calculated. The experimental results and theoretical results were compared. Their compatibility with each other is examined.
It is understood that the experiments and the theoretical results are obtained compatible and about 16 hours are required to obtain the required ice thickness according to the determined design parameters. The time required for the water to pass into the ice was found to be approximately 20 hours. It took an average of 12 hours to melt the amount of ice accumulated. This period of 12 hours only shows that the amount of ice is completely exhausted. 10 ° C water which obtained as a result of complete melting can still be used for subcooling the system.
As a result of the experiments carried out with the experimental setup and the theoretical calculations, it has been seen that the use of the ice tank contributed positively to the cooling system in many respects. In order to meet the increasing energy demand especially during the day, shifting the electricity demand to night time when the electricity tariff is lower than the day time decreases the operating cost of the system. While an economic gain of around 15% is achieved in the variable-rate and cooling-loaded system, this gain can be reduced to 5% in systems with fixed tariff and constant cooling load.
In experiments, it was seen that the ambient temperature and the working mixture pumps had a direct effect on the operating performance of the system.
The evaporators used in the cabinets must be selected to be suitable for overcooling. As a result of the overcooling, before the expansion valve, a temperature drop of 20-25 K occurs in the refrigerant. Due to this temperature difference, the refrigerant fluid approaching the saturated liquid point at the valve outlet causes the compressor to enter a certain amount of liquid phase in the liquid phase if not overheated. Therefore, the selection of suitable compressor and evaporator should be done in subcooled systems.
Natural convection in the tank is the heat transfer mechanism which is the dominant in both solidification and melting. Air bubbles sent to the tank shorten solidification and melting times. The lowest energy consumption is achieved by the low mass flow and low temperatures of the refrigerant used for ice formation in the tank. Low mass flow leads to a decrease in the temperature of the refrigerant entering the tank, but leads to a reduction in the heat transfer capacity and prolongation of the solidification process. The cooling load of the showcases during the day varies naturally according to the market conditions. The sum of the variable cooling load depends on the distribution of the daily change and corresponds to 40% of the constant maximum cooling load throughout the day. The amount of ice to be stored for the same degree of cooling in the variable cooling load is reduced by approximately 30%.
According to the economic analysis made through the experimental installation, the fixed electricity tariff, the maximum constant display cooling load during the day and the gain in energy and energy cost in the case of the given outdoor temperature distribution is 5,15%; 23 and the energy cost is calculated as 14,62%.