Güneş enerjisi destekli hava kaynaklı sıcak su ısı pompasının enerji-ekonomik analizinin deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of energy-economic analysis of solar assisted air source heat pump for domestic hot water
Yazar: RIZA BÜYÜKZEREN
Danışman: PROF. DR. ALİ KAHRAMAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Doğrulama = Verification ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Hava kaynaklı ısı pompası = Air source heat pump ; Sıcak su sistemi = Hot water system

Özet:
Evsel sıcak su ihtiyacının karşılanması için kullanılan enerji, günümüzde konutlarda tüketilen toplam enerji içerisinde önemli bir paya sahiptir. Bu ihtiyacın karşılanması için kullanılan sistemlerin verimliliği, enerji fiyatlarında artışların yaşandığı günümüz şartlarında yadsınamaz bir öneme sahiptir. Depolanan evsel sıcak su sistemleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı için oldukça elverişlidir ve bu amaçla kullanılan en yaygın sistemler termal güneş enerjisi ve ısı pompası ile desteklenen sistemlerdir. Bu çalışmada ilk olarak, hava kaynaklı bir ısı pompası ile desteklenmiş bir evsel sıcak su sisteminin TRNSYS yazılımı kullanılarak oluşturulan modeli, klimatik bir test odasında aynı sistemin ve şartların sağlanmasıyla gerçekleştirilen deneyler neticesinde elde edilen sonuçlar ile doğrulanmıştır. Isı pompası performans katsayısı, ortalama tank sıcaklığı, ısı pompası giriş ve çıkış su sıcaklığı olmak üzere dört farklı parametre ile doğrulama yapılarak, bu parametreler içerisindeki en yüksek ortalama sapma yüzdesi % 4,5 olarak hesaplanmıştır. Daha sonra, sınırlı bir çatı alanını güneş kolektörleri için kullanarak, farklı sayıda ve çeşitte güneş kolektörleriyle desteklenmiş sıcak su ısı pompası sistemlerinin simülasyonlarını yapmak amacıyla bir model oluşturulmuştur. En fazla üç kolektör olmak şartıyla farklı kombinasyonlarda termal ve fotovoltaik güneş kolektörleri eklenerek simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Buradan sağlanan sonuçlar ile tüm sistemlerin enerji ve ekonomik analizleri yapılarak, birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Oluşturulan dört farklı senaryonun ilkinde, bir ailenin kullanım sıcak su ihtiyacını karşılamak için hava kaynaklı ısı pompası ve boylerden oluşan bir sistem kullanılarak yıllık 1431,44 kWh-e enerji tüketilmiştir. İkincisinde, ilk senaryodaki sisteme bir güneş kolektörü eklenerek simülasyonlar yapılmış ve termal kolektör ile desteklenen sistem 866,73 kWh-e enerji tüketerek bu senaryoda yer alan en verimli sistem ve 3,9 yıl olan geri ödeme süresiyle en ekonomik sistem olmuştur. Üçüncü senaryoda, ilk senaryodaki sisteme iki güneş kolektörü eklenerek simülasyonlar yapılmıştır. İki termal kolektör ile desteklenen sistem 613,46 kWh-e enerji tüketerek bu senaryoda yer alan en verimli sistem ve 4,3 yıl olan geri ödeme süresiyle en ekonomik sistem olmuştur. Dördüncü ve son senaryoda ise, ilk senaryodaki sisteme üç güneş kolektörü eklenerek simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bir termal ve iki fotovoltaik kolektör ile desteklenen sistem 107,39 kWh-e üreterek son senaryodaki en verimli sistem olmasına rağmen üç fotovoltaik kolektör ile desteklenen sistem 4,6 yıl olan geri ödeme süresiyle en ekonomik sistem olmuştur. Elde edilen sonuçlar, termal ve fotovoltaik güneş kolektörlerinin doğru kombinasyonu ile ısı pompasını desteklemenin, evsel sıcak su ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılan sistemler için enerji tüketimini önemli ölçüde azalttığını açıkça göstermiştir.

Abstract:
The energy used to supply the domestic hot water need has an important share in the total energy consumed in the houses today. The efficiency of the systems used to meet this need has an undeniable importance in today's conditions where rapid increases in energy prices are experienced. Stored domestic hot water systems are very convenient for the use of renewable energy sources, and the most common systems used for this purpose are systems supported by thermal solar energy and heat pumps. In this study, firstly, the model of a domestic hot water system supported by an air source heat pump, using TRNSYS software, was validated with experimental results carried out by providing the same system and conditions in a climatic test room. By validating with four different parameters: heat pump performance coefficient, average tank temperature, heat pump inlet water temperature and heat pump outlet water temperature, the highest average deviation percentage within these parameters was calculated as 4.5%. Then, simulations were carried out by adding thermal and photovoltaic solar collectors in different combinations to the model, which was created to analyse the heat pump systems supported by different numbers and types of solar collectors and using a limited roof area for solar collectors in residences. With the results obtained from here, energy and economic analysis of all systems were made and compared with each other. In the first of four different scenarios, an annual energy consumption of 1431.44 kWh-e was used by using a system consisting of an air source heat pump and a boiler to meet the domestic hot water need of a family. In the second scenario, analysis were made by adding a solar collector to the system in the first scenario, and the system supported by a thermal collector consumed 866.73 kWh-e, making it the most energy efficient system in this scenario and the most economical with a payback period of 3.9 years. In the third scenario, simulations were made by adding two solar collectors to the system in the first scenario, and the system supported by two thermal collectors consumed 613.46 kWh-e, making it the most energy efficient system in this scenario and the most economical system with a payback period of 4.3 years. In the fourth and last scenario, analysis were carried out by adding three solar collectors to the system in the first scenario. Although the system supported by one thermal and two photovoltaic collectors was the most energy efficient system in the last scenario by producing 107.39 kWh-e, the system supported by three photovoltaic collectors was the most economical system with a payback period of 4.6 years. The results clearly show that supplementing the heat pump with the right combination of thermal and photovoltaic solar collectors significantly reduces energy consumption for systems used to meet domestic hot water needs.