İçme suyu temin sistemlerinde enerji tüketiminin azaltılması ve yapay arı kolonisi algoritması ile enerji optimizasyonu
Reducing energy consumption in drinking water supply systems and energy optimization with artificial bee colony algorithm
Yazar: UFUK SEKMEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET YILMAZ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji = Energy ; Fotovoltaik = Photovoltaic ; Optimizasyon = Optimization ; Pompalar = Pumps ; Su temini sistemleri = Water supply systems ; Yapay arı kolonisi algoritması = Artificial bee colony algorithm

Özet:
Küresel ısınma, mevsimsel değişiklikler ve yağış rejiminin değişmesinin yanısıra bilinçsiz tüketim, içme suyu kaynaklarının son yıllarda ciddi ölçüde azalmasına sebep olmuştur. İçme suyu temin sistemlerinde içme suyunun kaynağından temini ve nihai kullanıcıya ulaştırılmasında en önemli unsur enerjidir. 
Bu tezde içme suyu temin sistemlerinde enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik dört ana konu ele alınmaktadır: (i) daha yüksek verimli pompalar, motorlar ve sürücülerin kullanılması, (ii) içme suyu dağıtım sistemlerindeki terfi pompalarının enerji tüketimine toplama deposu seviyesinin etkisinin belirlenmesi, (iii) Yapay Arı Koloni algoritması kullanılarak enerji verimliliği optimizasyonu ve (iv) kentsel su temin sistemlerinde dalgıç pompalarla şebekeden çekilen net gücü azaltmak için güneş fotovoltaik enerjisi kullanmanın teknik ve ekonomik fizibilitesi. Araştırma sahası olarak Kayseri Germiraltı içme suyu kaptaj alanı seçilmiştir. Kaptaj alanındaki dalgıç pompalar, 01.03.2019-29.02.2020 arasında SCADA üzerinden operatörlerce, 01.03.2020-28.02.2021 arasında ise Yapay Arı Koloni algoritması kullanılarak çalıştırılmıştır. Dalgıç pompalarla şebekeden çekilen net gücü azaltmak için yenilenebilir enerji kullanmak amacıyla "hibrit güçlü su pompalama sistemi" ve "şebeke-bağlantılı PV sistemi" olmak üzere iki farklı senaryo PVsyst v7.02 yazılımı kullanılarak modellenmiş ve simülasyonu yapılmıştır. Ayrıca toplama deposu seviyesinin içme suyu dağıtım sistemlerindeki terfi pompalarının enerji tüketimine etkisini incelemek amacıyla Kayseri'de bağımsız bir laboratuvarda model bir deney düzeneği kurulmuştur. 
Kaptaj alanında kullanılan tüm sondaj kuyularında yapılacak dalgıç pompa revizyonları ile önemli enerji tasarrufu oluşacağı belirlenmiştir. Toplama deposu seviyesinin artması birim enerji tüketimi ve birim maliyeti azaltmıştır. Pompalar yapay arı kolonisi algoritması yöntemi ile işletildiğinde enerji verimliliğinde önemli kazanımlar elde edilmiştir. Kentsel su temin sistemlerinde güneş PV enerjisi ile dalgıç pompaların enerji ihtiyacını karşılamanın ekonomik olarak rekabetçi olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In addition to global warming, seasonal changes and changes in the precipitation regime, unconscious consumption has led to a serious decrease in drinking water resources in recent years. In drinking water supply systems, the most important element in supplying drinking water from its source and delivering it to the end user is energy.
In this thesis, four main issues are addressed to reduce energy consumption in drinking water supply systems: (i) installation of higher efficiency pump motors and drives, (ii) determination of the effect of collecting tank level on the energy consumption of lift pumps in drinking water distribution systems, (iii) energy efficiency optimization using Artificial Bee Colony (ABC) algorithm, and (iv) the technical and economic feasibility of using solar photovoltaic energy to reduce the net power drawn from the grid by submersible pumps in urban water supply systems. Kayseri Germiraltı drinking water catchment area was chosen as the research area. The submersible pumps in the catchment area were operated by the operators over SCADA between 01.03.2019-29.02.2020, and by using the Artificial Bee Colony algorithm between 01.03.2020-28.02.2021. In order to use renewable energy to reduce the net power drawn from the grid with submersible pumps, two different scenarios, "hybrid powered water pumping system" and "grid connected PV system", were modeled and simulated using PVsyst v7.02 software. In addition, a model experimental setup was set up in an independent laboratory in Kayseri to examine the effect of the collecting tank level on the energy consumption of the pumps in the drinking water distribution systems.
It has been determined that significant energy savings will occur with the submersible pump revisions to be made in all boreholes used in the catchment area. The increase in the collection tank level reduced the specific energy and specific cost. Significant gains in energy efficiency have been achieved when the pumps are operated with the artificial bee colony algorithm method. It has been determined that it is economically competitive to meet the energy needs of submersible pumps in urban water supply systems with solar PV energy.