Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinde kuyular arası uzaklığın performansa etkisinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and computational investigation of the effect of distance between boreholes on performance in ground source heat pump systems
Yazar: AHMET GÜLTEKİN
Danışman: PROF. DR. HACI OSMAN ALTUĞ ŞİŞMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde ısınma ihtiyacı için odun-kömür kullanımından doğalgaz kullanımına büyük ölçüde geçilmiştir ve bu geçiş devam etmektedir. Ancak, başta ülkemiz olmak üzere çoğu ülke doğalgaz kullanımında büyük ölçüde dışa bağımlıdır. Bununla birlikte günümüzde petrolde olduğu gibi doğal gaz rezervlerine sahip ülkelerin bu varlıklarını zaman zaman siyasi baskı unsuru olarak kullanması, enerji ithalatı yapan ülkeler için alternatif enerji kaynaklarının önemini arttırmıştır. Enerji bağımlılığını azaltmak için büyük bir potansiyel taşıyan ısı pompası sistemleri son yıllarda araştırmacıların dikkatini çekmektedir. 
Isı kaynağı olarak toprağı kullanan ısı pompası sistemleri ilk yatırım maliyeti açısından hava ve su kaynaklı sistemlere göre daha pahalı olmakla birlikte enerji verimliliği daha yüksek sistemler olduğu için işletim maliyetleri açısından avantajlar taşımaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompalarının en önemli bileşenleri toprak ısı değiştiricileri olup toprak altına gömülü borulardan oluşur. Bu borular yardımıyla, toprağın enerjisi ısı taşıyıcı akışkana ve oradan ısıtılacak ortama veya tersine soğutulacak ortamdan ısı taşıyıcı akışkana ve oradan toprağa aktarılır.
Düşey toprak ısı değiştiricilerinin uygulandığı toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinde, kuyular arası uzaklık sistemin güvenilirliğini, ömrünü ve performansını etkileyen çok önemli bir parametredir. Büyük ölçekli toprak kaynaklı ısı pompası uygulamalarında birden fazla kuyu açılması gerekmekte ve kuyular arası optimum uzaklığın belirlenmesi önemli bir araştırma konusunu oluşturmaktadır. Bu alanda yapılan çok az sayıda sayısal ve yok denecek kadar az sayıda deneysel araştırma mevcuttur.
Bu tez kapsamında, aralarında 3 m uzaklık bulunan biri 50 m diğeri 100 m derinliğe sahip 2 adet kuyu beraber çalıştırılarak performanslarının zamanla değişimi deneysel olarak incelenmiştir. Kuyular arası uzaklığın performansa etkisini görmek için, sabit sıcaklıktaki 50 oC'lik ısı taşıyıcı akışkan vasıtasıyla 44 gün boyunca toprağa ısı atılmıştır. Kuyuların beraber çalışma zamanına bağlı olarak birim uzunluk başına atılan ısı miktarı yani performansı düşmeye başlamıştır. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda kuyular başlangıçta ısıl etkileşime girmediğinden dolayı tek başına çalışıyor gibi davranmıştır. Ancak, söz konusu uzaklık için 2. haftadan sonra kuyular ısıl etkileşime girdiğinden dolayı kuyu performansındaki düşüş sadece % 1 civarına ulaşmıştır. Öte yandan 44 günlük sürekli çalışma durumunda kuyularda performans kaybının % 5 civarına ulaştığı görülmüştür. 
COMSOL Multi-physics programında deneyde kullanılan toprak, dolgu ve borunun ısıl ve geometrik özellikleri girilerek 2 boyutlu bir model oluşturulmuştur. Model, deneydeki çalışma koşulları ile deney süresi kadar çalıştırılmıştır. Modelin doğruluğu deney verileri ile kanıtlanmıştır.
Kuyular arası farklı uzaklıklar ve süreler için deneylerin tekrar yapılması maliyet ve çok uzun süreler gerektirdiğinden sayısal model kullanımına gidilmiştir. Bu doğrultuda, farklı konfigürasyonlardaki (2, 3, 5 ve 9 kuyu konfigürasyonları) kritik kuyuların kuyular arası etkileşimden dolayı performans kayıpları farklı kuyular arası uzaklıklarda 3 ve 6 aylık dönemsel kullanım durumu için sayısal olarak incelenmiştir.
Kuyulardaki ısı taşıyıcı akışkanın, minimum çalışma değerinin altına düşmesi durumunda kuyudan istenilen performans sağlanamamaktadır. Bu yüzden periyodik bir ısı yükü bu konfigürasyonlara farklı kuyular arası uzaklıklar için 30 yıllık uygulanmıştır. Kritik kuyulardaki ısı taşıyıcı akışkanın çalışma aralığı dışına çıkması durumunda istenilen minimum performansa göre kuyu ömürleri incelenmiştir.

Abstract:
Nowadays, for heating requirements from the use of solid fuel such as wood and coal was replaced to a large extent on the use of natural gas and this replacing is continuing. However, many countries including our country, in the use of natural gas is largely dependent on outside. Nevertheless, the countries, which have natural gas and petroleum reserves, are using these assets as a political threat has increased the importance of alternative energy sources for the countries, which are importing energy. To reduce energy dependence, heat pump systems are carrying great potential so they have attracted the attention of researchers in recent years. Furthermore, these systems is also considered as a kind of renewable energy sources.
Heat pump system that is using the ground as a heat source, in terms of initial investment cost, is more expensive than air and water source systems. But, below a certain depth, the temperature of the ground remains almost unchanged throughout the year. This phenomenon can be exploited by placing a heat exchanger in the ground and coupling it to a heat pump to store heat in the ground during summer for use in winter. The ground provides a better source/sink of heat than the outside air in regards to heat pump efficiency, being cooler than the outside air in the summer and warmer in the winter. Borehole heat exchangers that consist of pipes buried under ground are the most important components of the ground source heat pumps. By means of these pipes, the heat is extracted from ground or injected to the ground.
In ground source heat pump systems, applied in the vertical ground heat exchangers, distance between boreholes is a very important parameter for reliability, long lifetime and performance of the whole system. In large-scale applications of ground source heat pump systems, more than one borehole is needed and determination of the optimal distance between boreholes becomes an important issue. In this area, limited numerical and experimental studies exist.
In this thesis, running two boreholes together has been experimentally investigated in Istanbul, Turkey. Boreholes have 3 m distance between them and they are 50 and 100 m deep. To investigate the effect of the distance between boreholes on heat transfer rate per unit borehole length, heat was injected to the ground for 44 days, by means of heat carrier fluid, at a constant temperature (50oC). Depending on the time of working boreholes together, heat transfer rate per unit borehole length, namely performance of boreholes started to decrease. Initially boreholes behave like a single borehole that is running alone. However, after 2 weeks, boreholes performance are declined around 1 % because of thermal interference between boreholes. In case of 44-day continuous operation at same conditions, the  performance loss of  boreholes  reached around 5 %.
A single U-tube borehole 2-D model was formed using COMSOL Multi-physics program based on the geometrical parameter and the thermal properties of solid domains (ground, grout, and polyethylene inlet and outlet pipes). Model was run with operating conditions in the experiment. The validity of the model is proved by experimental data. Subsequently, the computational investigations have been made.
First, the temperature of the soil surrounding the critical borehole is important parameter for determining environmental impacts and their potential thermal interaction. The temperature of the soil surrounding the critical borehole when approaching the temperature of heat carrier fluid, performance of boreholes decrease. The effects of some parameters on the temperature of the soil surrounding the critical boreholes are examined. The studies showed that if borehole usage times increase, performance of borehole decreases. If more boreholes around the critical borehole are used, performance of the critical borehole decreases. And if the distance between boreholes keeping shorter, performance of the critical borehole decreases. Thus, the effect of possible thermal interaction between these systems on their coupling heat pump as well as their environmental impacts can be studied. 
Second, for determining the performance loss, some multi borehole heat exchangers (BHEs) configurations are considered as 2, 3, 5 and 9 BHEs. Critical boreholes are determined as one of two in 2 BHEs configuration and in the midst of 3, 5 and 9 borehole heat exchangers configurations. Heat transfer rate per unit borehole length of the most critical borehole in each configuration is compared with that of single borehole to determine the performance loss. Variations of performance loss due to thermal interactions of boreholes with both time and distance are analyzed.
Variation of instant performance loss of the critical boreholes with time are examined for different distance between boreholes. When the distance is 3 m, the instant performance loss of the critical borehole reaches around 10 % in 2 BHEs configuration at 4300 hours whereas around 55% in 9 BHE configuration. Similarly, when the distance is 6 m, the instant performance loss of the critical borehole reaches around 5 % in 2 BHEs configuration at 4300 hours whereas around 25% in 9 BHE configuration. When the distance is 10 m, the instant performance loss of the critical borehole less than 2 % in all configurations first 2500 hours and the instant performance loss of critical borehole around 6 % at 4300 hours in 9 BHE configuration.
Also calculations are made for average performance loss of the critical boreholes in some periods with distance between boreholes from 0.5 m to 15 m. The calculations for both 3 and 6 months non-stop operation period, which are the possible worst cases, are made. When the distance is 3 m, the average performance loss of the critical borehole reaches around 4 % in 2 BHEs configuration in case of 3 month non-stop period whereas it is 8 %, 16 % and 22 % for 3, 5 and 9 BHE configuration. After 9 m distance, the performance loss in all configurations is nearly less than 1%. It means that thermal interactions are totally insignificant after 9 m. Similarly, in case of 6 month-period, after 12 m distance, the performance loss in all configurations is nearly less than 1%.
Heat carrier fluid in boreholes works in an operating temperature interval. -5oC is prescribed as the lowest allowed temperature for the heat carrier fluid. If the value falls below the minimum operating temperature, critical borehole can not be provided the desired minimum performance. A periodic heat load is performed for 30 years to all configurations with several distance between boreholes.