Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi destekli ısıtma ve soğutma sistemi: Çamaşır makinesi fabrikası vaka analizi
Concentrated solar power supported solar heating and cooling system: A study case in washing machine factory
Yazar: ERDEM ADIGÜZEL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Artan nüfus ve gelişen teknoloji sebebiyle enerjiye ihtiyaç günden güne artmaktadır. Dünyada tüketilen enerjinin %54'ü sanayide kullanılmaktadır. Sanayide kullanılan enerjinin ise %60'ı proses ısısı elde etme amaçlı, %11'i mahal ısıtma %3'ü de soğutma amacıyla kullanılmaktadır. Fosil kaynakların tükeniyor olmasının yanısıra, yanma sonucu açığa çıkan sera gazlarının etkileri, dünyadaki canlıları doğrudan etkilemekte, canlı yaşamının sürdürülebilirliğini tehlikeye sokmaktadır.Bu sebeple alternatif kaynaklar, gün geçtikçe önem kazanmaktadır.
Bu çalışmada, beyaz eşya sektöründe üretim yapan bir firmanın, Romanya'nın Ulmi bölgesinde çamaşır makinesi üretimi yapan fabrikasına kurmuş olduğu yoğunlaştırılmış güneş enerjisi destekli ısıtma ve soğutma sistemi incelenmiştir. 711 kW kurulu güce sahip yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemi, parabolik oluklu kolektörlerden meydana gelmektedir. Temperli cam ayna kullanılan yansıtıcı yüzeyin toplam açıklık alanı ise 1283 m²'dir. +58° azimut açısı ile konumlandırılan sistem, doğu-batı yönünde tek eksende güneş takip sistemine sahiptir. Isı transferi akışkanı olarak %30 oranında glikol propilen-su çözeltisi kullanılmaktadır, glikol propilen çözeltisi suyun donma sıcaklığını düşürerek antifiriz görevi görmektedir. Daha yüksek işletme sıckalıklarında glikol propilenin termofiziksel özellikleri, bu talebe cevap verememektedir ancak mevcut sistemin işletme sıcaklığı 100°C olduğu için glikol propilen çözeltisi kullanımı uygundur. 100°C işletme sıcaklığı elde edilene kadar çözelti, baypas devresi üzerinden sirküle edilir. 100°C'ye ulaştığında, plakalı ısı eşanjörü üzerinden demineralize suya aktarılan ısı, 40 ton kapasiteli akümülasyon tanklarında depolanır. Depolanan ısı enerjisi, ısıtma ve soğutma için kullanılmaktadır. Isıtma sezonunda ısıtma kolektörünü destekleyerek işletme içerisinde mahal ısıtma ve sıcak kullanım suyu elde etmede kullanılmaktadır. Isıtma devresi 80/60°C çalışmaktadır, dolayısıyla akümülasyon tankı sıcaklığı 80°C'ye ulaştığında ısıtma kolektörü beslenmektedir, böylelikle kaskad doğalgaz kazanlarının yükü kısmi olarak azaltılmaktadır. Soğutma sezonunda ise, akümülasyon tankındaki sıcak su tek etkili (LiBr-Su çözeltili) absorbsiyonlu soğutma grubunu besleyerek, 15°C sıcaklığında proses soğutma suyu elde edilir. Böylelikle, santrifüj soğutma grubundan elde edilecek soğutma enerjisinin miktarı azaltılarak elektrik tasarrufu elde edilmiş olur.
Tez çalışması kapsamında mevcutta bulunan yoğunlaştırılmış güneş enerjisi destekli ısıtma soğutma sistemi, dinamik modelleme yazılımı olan TRNSYS ile modellenmiştir. Mevcut şartlar altında ve farklı ışınım değerleri altında elde edilecek soğutma ve ısıtma enerjileri hesaplanarak, önlenen sera gazı emisyonları hesaplanmıştır. Orijinal çalışma koşulları optimize edilerek alternatif kullanım senaryoları çalışılmıştır.
Birinci bölümde, dünyada enerji görünümü, artan nüfus ve talep; buna bağlı olarak artan enerji ihtiyacından bahsedilmiştir. Birincil enerji kaynaklarının tüketimi incelendiğinde, yenilenebilir enerjinin artışının yanı sıra diğer tüm fosil yakıtların tüketimleri de geçtiğimiz senelere göre rekor büyüme hızları ile artmaktadır. Tüm bunlar göz önüne alınarak tezin amacı anlatılmış, bu alanda literatüre kazandırılmış çalışmalar incelenmiştir. Literatür araştırması esnasında, ışınım seviyeleri ve güneşlenme süreleri yüksek olan özellikle Orta Doğu ve Kuzey Afrika ülkelerinden solar termal destekli iklimlendirme sistemleri ile ilgili sayıca fazla bilimsel çalışma, makale bulunduğu gözlemlenmiştir. İkinci bölümde, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemleri, teknolojileri ve diğer yardımcı ekipmanlar (pompalar, absorbsiyonlu soğutma sistemleri, ısı eşanjörleri) hakkında genel bilgiler verilmiştir. Üçüncü bölümde, kurulan sistemin ekipmanları anlatılmış; bir önceki bölümde genel anlatılan özellikler, bu bölümde detaylandırılmıştır. Ekipmanların teknik özelliklerine ve teknolojilerine değinilmiştir. Kurulan sistemin gerçek çalışma koşulları anlatılmıştır.
Dördüncü bölümde TRNSYS yazılımı tanıtılmış, kurulan modelde kullanılan TRNSYS ekipmanları ve bu ekipmanların matematiksel formülasyonlarına yer verilmiş, yapılan kabuller anlatılmıştır.
Beşinci bölümde ise, on farklı senaryonun değişkenlerine ve çıktılarına yer verilmiştir. Altıncı bölümde ise, senaryoların çıktılarına göre, enerji tasarrufları, sera gazı emisyonu azaltımları birbirleri ile karşılaştırılmış ve geliştirilen öneriler sunulmuştur. 
Simülasyon çıktılarından, Pakistan'da kurulacak bir sistemin, diğer bölgelere kurulacak (Türkiye, Romanya ve Güney Afrika) sistemlere göre daha verimli olacağı görülmektedir. Ancak tozlanma faktörü, sabit bir katsayı olarak hesaba dahil edilmiştir. Pakistan ve civarında gerçekleşen kum fırtınaları düşünüldüğünde, kirlilik yükü üzerine daha detaylı çalışma yapılmalıdır. Üreticiden alınan veriler doğrultusunda %5,3 daha düşük verime sahip olan alüminyum yansıtıcı yüzey ile cam ayna arası üretim ve enerji karşılaştırması yapılmıştır. Mevcut sistem yerine, alüminyum yansıtıcılı sistem tercih edilseydi, soğutma suyu üretiminde yaklaşık %8; sıcak su beslemesinde ise %10,25 düşük kapasiteli kullanılmış olacaktı. Her bir sistem için set sıcaklıklarının optimize edilmiş değerleri ile tekrar simüle edilerek sonuçlar incelenmiştir. Düşürülen set sıcaklıkları ile, tüm sistemlerde ısıtma enerjisinden elde edilen enerjide artış görülürken, soğutma sisteminden elde edilen enerjide düşüş görülmüştür. Absorbsiyonlu soğutma grubuna beslenmesi gereken optimum sıcak su 95ºC olduğundan, daha düşük sıcaklıklarda beslenen sular, verimin düşmesine sebep olmuştur. Romanya'ya kurulan mevcut sistem için optimum çalışma set sıcaklığı değerleri ile sistemin en verimli koşullarda işletilmesi amaçlanmıştır. Yapılan çalışma doğrultusunda, Romanya'daki sistem kış sezonunda 90°C baypas set sıcaklığı ile çalışırken, yaz döneminde bu sıcaklığın 100°C olması önerilmiştir. Bu öneri ile ısıtma enerjisinde %25,86 iyileştirme beklenirken, sera gazı emisyonlarında %14'e varan azalma öngörülmektedir.
Kurulan yoğunlaştırılmış güneş enerjisi destekli ısıtma ve soğutma sistemi, yenilenebilir enerji kaynaklı bir sistem olması sebebiyle, sera gazı emisyonlarında azalma sağlarken, yıllık elektrik ve doğalgaz tüketimlerinde düşüş sağlamaktadır. Analiz sonuçları, yapılacak fizibilite çalışmalarına yön verecek nitelikte, tüm detayları ile irdelenmiştir.

Abstract:
Demand for energy increases due to increasing in population and developing technology day by day. Fossil fuels do not provide a sustainable and environment-friendly solution for meeting the demand due to greenhouse gas emissions caused by combustion. The 54% of the global energy consumption is consumed by industrial sector and 60% of the industrial consumption is for process heat, 11% of total shared by space heating and 3% shared by electricity consumption. To decrease the GHG emissions, it is possible to implement renewable energy technologies and energy efficiency projects.
By this thesis, a concentrated solar power system for heating and cooling of a household appliances company's washing macine factory is examined. System is located in Romania, Ulmi and the installed capacity is 711 kW with the technology of parabolic trough collectors. Total aperture area is 1284,23 m² for whole system. Parabolic trough collectors' reflective surface is tempered glass mirror which has higher reflective efficiency than polished aluminium surfaces. System has astronomic time clock to have precise tracking in single axis. Astronomic time clock uses the GPS' site location data to calculate the sun's angle for the CSP area. With a variable speed drive pump, heat transfer fluid is circulated through the parabolic trough collectors. Glycol propylene water solution (30%) is used as working fluid to prevent the freezing in Romania's weather conditions. System has a bypass circuit on the parabolic trough collector side to circulate the heat transfer fluid to reach the 100°C set temperature as soon as possible. After the set temperature is reached, system feeds the heat exchanger which has 900kW capacity. Demineralised water is used for the seconder side of the heat exchanger. The heated up demineralised water is stored in 40 m³ thermal energy storage tanks, which is located into CSP technical room.
Insulated tanks store the hot water for consumption points. There are two point of uses of the hot water in the related system. First one is facility heating and domestic hot water production. The facility has cascade natural gas boilers for space heating and domestic hot water. By using of the concentrated solar power supported system, not only natural gas consumption but also GHG emissions will be decreased. The working temperatures of the heating system of the facility are 80/60°C. Since the hot water temperature must be 80°C, thermal energy storage's temperature should equal to 80°C to support the heating system.
The second usage point is to have chilled water at 15°C to satisfy the cooling loads of mold and oil cooling circuits. Facility has single effect LiBr sourced absorption chiller which is invested to work coupled with concentrated solar power system. According to system design, the absorption chiller's optimum COP rates are at 95°C of hot water. Hence, the system's set temperature will be 95°C for summer season.
By using the concentrated solar power supported cooling system, not only electricity consumptions but also GHG emissions will be decreased to satisfy the cooling loads as in the heating system.
The real system has a building management system to manage the system algorithms with the feedbacks of sensors and calorimeters. System designed to have free-cooling in spring and autumn periods. In the study, it is assumed that there is not any free cooling option, system works with two scenario, heating and cooling. Cooling season starts in the mid of April and remains till mid of October (the assumptions made according to heating degree days). And the rest of the year is heating season. System is modelled in the TRNSYS software which is capable to analyse such dynamic systems. TRNSYS is set up to 6 minutes intervals to calculations. Each 8760-houred simulation took approximately 35 minutes. By decreasing the interval time, simulation times will be increased. All the equipments in real condition is modelled. And the objectives of the thesis are analysing the current system in Romania weather conditions. Have a benchmark with different locations such as Turkey, South Africa and Pakistan. As it is stated, system has tempered glass reflective surfaces. However in the investment stage, polished aluminium surfaces had offered also. According to manufacturer, the reflectivity efficiencies of tempered glass is 5,3% higher than aluminium's. The effect of polished aluminium surface is analysed. The different usecase's will be offered to increase the efficiency for current system.
In the first part of the study, global energy outlook, increase in energy demand and it is resulted by increase in carbondioxide emissions. Objectives of the thesis and the literature review can be found in section one. Second part of the study, general information is given for concentrated solar power systems and used equipments in the real system. General information of different technologies can be found. Third part of the study includes the real system equipments such as parabolic trough collectors, pumps, heat exchanger and absorption chiller with details such as parameters, characteristics, capacities with tables and pictures form real side etc. The fourth part of the study includes the TRNSYS data which are input to the system with references. System modelling details and formulas which are used in background can be found in this section. The Key Performance Indices (KPI) are defined to have benchmark with each scenario. Defined KPIs and formulations can be found in the fourth section.
In the fifth part, different scenarios and outputs of each scenario can be found with detailes and defined KPIs. In the sixth part, consolidated KPI table for analysing the outputs.
When the systems which are located Romania, South Africa, Turkey and Pakistan are compared, Pakistan has the greatest value because of duration of sunshine and DNI values. According to Pakistan's climate conditions, there will not be occured any heating demand (if heat will not use in any process), since Pakistan's system ran again in TRNSYS with only cooling scenario. With solar-only-cooling option, system efficiency increased to 45,18%. By using polished aluminium surfaces instead of tempered glass mirrors, it will be obtained at least 5,98% less energy from solar field and it will effect also heating and cooling systems by 10,4% and 8,00% respectively.
With the average seasonal collector outlet temperatures, the optimum working temperatures, which are lower than design temperature, are defined for each scenario. Each scenario reacts in improvement in heating energy however, degredation in cooling energy. Since the existing absorption chiller's optimum working temperature is 95°C, lower feed water temperatures can be lower the COP rates. For the existing system in Romania, the bypass set temperatures are defined as follows, for the summer season bypass set temperature should be 100°C and for the winter season bypass set temperature should be 90°C. With this new set temperature proposal, more than 25% increase in heating energy and 14% decrease in GHG emissions are expected. Analyses in the study have been provided with details to be a source for feasibility studies in the future.