Nano akışkan destekli toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin performans parametrelerinin araştırılması
Investigation of performance parameters of nano fluid supported ground source heat pump system
Yazar: ABDULLAH KAPICIOĞLU
Danışman: PROF. DR. HİKMET ESEN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Toprak kaynaklı ısı pompası = Ground source heat pump

Özet:
Sınırlı fosil yakıtlar ve ekonomik faktörler konut veya ticari binaların iklimlendirilmesinde insanları yenilenebilir enerji kullanımına yönlendirmiştir. Ayrıca mevcut karbon emisyonlarını azaltma ihtiyacına bağlı olarak, son yıllarda konut ısıl taleplerini karşılamak için yeni teknolojiler geliştirilmiştir. Bu gelişimlerden payını alan ve yenilebilir enerji kullanan toprak kaynaklı ısı pompaları (TKIP), getirdiği ekonomik ve çevresel avantajlar nedeniyle birçok ülkede mahal iklimlendirme uygulamaları için popüler hale gelmiştir. TKIP'lar, enerji tasarrufu sağlamak amacıyla nispeten kararlı bir yeraltı sıcaklığı kullanan sistemlerdir.
Bu çalışmada alüminyum oksit tabanlı nano parçacıklarla hazırlanmış farklı konsantrasyon değerlerine (literatürde ısıl iletkenlik artışı başarı ile uygulanmış %0,1 ve %0,2) sahip nano akışkanların (NA) toprak altı ısı transfer değişim oranları incelenmiştir. Çalışmada ilk kurulum maliyetini düşürmek ve maliyet/verim arasındaki dengeyi sağlamak amacıyla yatay toprak ısı değiştirgeçleri (TID) tercih edilmiştir. Yatay TID'lar U-tip, spiral ve slinky vb. gibi farklı tasarımlara sahiptir. Yapılan çalışmalar incelendiğinde bu tasarımlar arasında birim boyu başına ısı değişim oranında öne çıkan iki tasarım U-tip ve sprial TID'dır. Çalışmada bu tasarımların yaz ve kış şartlarına göre ayrı ayrı performansı karşılaştırılmış, enerji ve ekserji verimlilikleri hesaplanmış, toprak sıcaklık dağılımları ve TKIP sistemi COP değerlerine göre sistem verimliliği analiz edilmiştir. Deneyler için Sivas Cumhuriyet Üniversitesi yerleşkesi içinde 21 m2'lik bir test odası hazırlanmış ve bu odaya TKIP sistemi kurulmuştur.  
Isıtma ve soğutma deney sonuçlarına göre %0,1 konsantrasyona sahip nano akışkan en yüksek başarımı sağlamıştır. Bu artış TID tasarımından bağımsız olarak deneysel olarak incelenen her iki TID tasarımı için de geçerlidir. Ayrıca analiz sonuçlarına göre U-tip TID, spiral TID'dan daha başarılı sonuçlar göstermiştir. Sonuç olarak TKIP sistemi için TID'larda düşük oranlarda NA kullanımının TID tasarımdan bağımsız olarak performans artışı sağladığı belirlenmiştir.

Abstract:
Limited fossil fuels and economic factors have led people to use renewable energy in air-conditioning of residential or commercial buildings. In addition, due to the need to reduce carbon emissions, new technologies have been developed to meet residential thermal demands in recent years. The ground-source heat pumps (GSHP), which have benefited from these developments and use renewable energy, have become popular for area air conditioning applications in many countries due to their economic and environmental advantages. GSHPs are systems that use a relatively stable ground temperature to save energy.
In this study, ground heat transfer exchange rates of nanofluids (NF) having different concentration values prepared with aluminum oxide-based nanoparticles (0.1% and 0.2% applied successfully in literature) were investigated. Horizontal ground heat exchangers (GHE) were used in the study in order to reduce the initial installation cost and balance the cost / efficiency. Horizontal GHEs have different designs such as U-type, spiral and slinky etc. When the studies are examined, the two designs that stand out in the rate of heat exchange per unit length are U-type and sprial GHE. In this study, the performance of these designs according to summer and winter conditions were compared separately, energy and exergy efficiencies were calculated, ground temperature distributions and system efficiency according to GSHP system COP values were analyzed. For the experiments, a test room of 21 m2 was prepared in the campus of Sivas Cumhuriyet University and GSHP system was installed in this room.
According to the results of heating and cooling experiments, the nanofluid with a concentration of 0.1% gave the highest performance. This increase is valid for both GHE designs that are examined experimentally, independent of the GHE design. In addition, according to the analysis results, U type GHE showed more successful results than spiral GHE. As a result, it has been determined that the use of low amounts of NF in GHE for GSHP system provides performance increase independent of GHE design.