Güneş bacası ve toprak-hava ısı değiştiricisi hibrit sisteminin bir bina için pasif soğutmada kullanılması
Passive cooling technology for a building by using solar chimney and earth to air heat exchanger hybrid system
Yazar: NACİ KALKAN
Danışman: PROF. DR. İHSAN DAĞTEKİN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Binalarda kullanılan enerjinin önemli bir kısmı, ısıtma, havalandırma ve soğutma amaçlı kullanılmaktadır. Pasif soğutma sistemleri, binalarda istenmeyen iç ısıyı uzaklaştırmak ve ısıl rahatlık sağlamak amacıyla kullanılan ve düşük enerji tüketimi sağlayan teknolojilerdir. Bu alanda birçok soğutma tekniği bulunmakta olup bunları geliştirmek mümkündür. Bu çalışmada, Elazığ (Türkiye) ilindeki tipik bir bina için pasif soğutma sağlamak için Güneş bacası ve toprak-hava ısı değiştirici hibrit sisteminin sayısal olarak çözümlemesi yapılmıştır.
Toprak-hava ısı değiştiricisinin ısıl performansı için PVC ve çelik (%0.5 C) olmak üzere iki farklı malzeme kullanılarak 1 metre toprak derinliği için sayısal çözümlemeler yapılmıştır. Türbülanslı akışta Reynolds sayısının farklı değerleri (Re = 5x103, 104, 15x103, 2x104, 4x104, 6x104, 105) kullanılarak, problem kararlı durum koşullarında üç boyutlu olarak çözülmüştür.
Güneş bacası soğutma performansını incelemek amacıyla farklı hava kanalı ve hava giriş hızlarında sonuçlar elde edilmiştir.
Güneş bacası ve toprak-hava ısı değiştiricisi hibrit sisteminde, farklı Güneş ışınım ve çevre sıcaklık değerleri, çeşitli soğurucu yüzey uzunlukları, baca eğim açıları, kanal ölçüleri ve açıklık boyutlarının sistem performansı üzerindeki etkileri için sonuçlar elde edilmiştir.
Sayısal çalışma için ANSYS Fluent 12.1 ve 14.5 paket programı kullanılmıştır. Geometrik model oluşturulması için SolidWorks ve ANSYS Workbench ve oluşturulan modelin elemanlara ayırma işlemi için ANSYS Workbench Mesh Metot kullanılmıştır.
Türbülans Modeli olarak standart k-ε model ve Reynolds Normalized Group (RNG) k-ε model kullanılmıştır.
Sayısal sonuçları doğrulamak için, literatürdeki deneysel, teorik ve sayısal çalışmalarla karşılaştırmalar yapılmış ve oldukça uyumlu sonuçlar elde edilmiştir.
Sonuç olarak, gün içinde Güneş bacası ve toprak-hava ısı değiştirici hibrit sistemi kullanımı ile istenilen soğutma, elektrik kullanımına ihtiyaç duyulmaksızın sağlanabileceği ortaya konulmuştur. Böyle bir hibrit sistemin binalarda kullanılacak uygun tasarımla birlikle, özellikle sıcak yaz günlerinde saatlerce ısıl konfor sağlayacağı anlaşılmıştır. Ayrıca, ihtiyaç duyulan ısıl şartlara ve soğutma kapasitesine bağlı olarak gerekli olan Güneş bacası ve toprak-hava Isı değiştiricisi sayıları ayrıca hesaplanabilir. Bu hibrit sistemlerin, özellikle yaz aylarında veya ılıman iklimli bölgelerde ısıl konforun sağlanması adına yaygın bir biçimde kullanılması beklenmektedir.
Bu teknolojilerin avantajları, sınırları ve zorlukları vurgulanmış ve bu konularla ilgili gelecekte ihtiyaç duyulabilecek sistemler önerilmiştir.

Abstract:
Heating, ventilation and cooling are main parts of the major energy consumption in a building. Passive cooling systems are used as a low energy consuming technology to provide thermal comfort and remove undesirable indoor heat from buildings in hot climate conditions. There are many passive cooling techniques in this field and it is possible to improve these technologies. In this study, solar chimney (SC) and earth to air heat exchanger (EAHE) hybrid system is introduced to provide passive cooling of a typical building in Elazig (Turkey).
Numerical analyses are performed for thermal performance of EAHE at 1 m soil depths with two different channel materials as PVC and steel (%0.5 C). Problems have been solved at steady state in three-dimensional model by using different values of the Reynolds number in turbulent flow (Re = 5x103, 104, 15x103, 2x104, 4x104, 6x104, 105).
In order to investigate cooling performance of the solar chimney, results have been obtained for various air gaps and inlet velocity.
In the solar chimney and earth to air heat exchanger hybrid system, results have been recorded for different solar radiation and ambient temperature, various absorber lengths, chimney inclination angles, channel and openings measurements to determine the effects on system performance.
For numerical analysis ANSYS Fluent 12.1 and 14.5 Software program was used. Geometric model has been created with SolidWorks and ANSYS Workbench. Furthermore, Mesh structures of the models have been created in the Workbench package program.
Standard k-ε and Reynolds Normalized Group Turbulence (RNG) k-ε have been chosen as turbulent models.
In order to validate the numerical results, comparisons were made with experimental, theoretical and numerical studies in the literature and very consistent results were obtained.
Consequently, the desired cooling with the use of the combined solar chimney and underground air channel during the daytime has been provided without any need to electricity. Additionally, the hybrid system with an appropriate design provides thermal comfort with large number of hours, especially in hot summer days for occupants. The number of required solar chimney and earth to air heat exchanger may be calculated depending on the desired thermal comfort conditions and cooling capacity.
It is expected that these hybrid systems are used extensively to provide thermal comfort, especially in summer and tropic climate regions.
Finally, the advantages, limitations and difficulties of these technologies are emphasized and possible future systems are proposed in this field.