Değişken dış hava sıcaklıklarında dört farklı klima santralinin enerji ve ekserji analizi
Energy and exergy analysis of four different air handling units with variable outdoor temperatures
Yazar: MERT AKBIYIK
Danışman: PROF. DR. İLHAN TEKİN ÖZTÜRK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji analizi = Exergy analysis ; Enerji geri kazanımı = Energy recovery ; Klima sistemleri = Climate systems

Özet:
Bu tezin amacı, değişken dış hava sıcaklıklarında iklimlendirme sektöründe kullanılan, 4 tane farklı Klima santralinin enerji, ekseri ve maliyet analizlerini yaparak en iyi performansa sahip santralin belirlenmesidir. Çalışma kapsamında yaz ve kış çalışabilecek klima santrallerinden klasik Sudan Havaya Isıtıcı bataryalı (IB), Enerji Geri Kazanım cihazlı (EGK) ve Isı Pompası (IP) gibi cihazları içeren dört farklı klima santrali incelendi. Klima Santrallerini karşılaştırmak için kış şartları −12 ° C'den + 10 ° C'ye,  yaz şartları + 30 ° C'den + 38 ° C'ye kadar değişken dış hava sıcaklığında ayrıca yaz şartları için bağıl nemi %50 ve %65 olarak iki farklı değer kullanılarak, santrallerin performans katsayıları (COP), ekserji verimi, ekserji yıkımı ve işletme maliyetleri hesaplanmıştır. Santraller için oluşturulan modellerin hesaplamaları hazırlanan bir program yardımıyla yapılmış olup sonuçlar; Enerji geri kazanım cihaz kullanan santrallerin, enerji geri kazanım cihazı kullanmayan klima santrallerine göre hem ısıtma hem de soğutmada COP ve Ekserji veriminin daha iyi olduğu elde edilmiştir. Ayrıca enerji geri kazanımlı Soğutma/ısı pompalı sistemin enerji geri kazanımsıza göre işletme maliyetlerinde, soğutma sezonu boyunca bağıl nem φ=%50 iken ortalama %13, bağıl nem φ=%65 iken ortalama %10 azaldığı, ısıtma sezonu boyunca ortalama işletme maliyetlerinin %27, daha düşük olduğu elde edilmiştir.  Günümüzde enerji geri kazanım cihazı kullanmanın artık zorunlu bir hale geldiği görülmektedir. Ayrıca ısı pompalı sistemlerin COP'si yüksek olsa da ekserji verimi çok düşüktür. Eğer ısı pompalı bir sistem kullanılmak istenirse mutlaka enerji geri kazanımı ve dış ortam şartlarına göre evaporasyon ve kondenzasyon sıcaklıklarını optimizasyon edebilen kontrol üniteleri kullanılmalıdır. Bu iki klima santrali (KS-4A, KS-4) kıyaslandığında ısıtma sezonunda COP değerinde %41 artış, ekserji yıkımında  %33 düşüş, ekserji veriminde %60 artış ve işletme maliyetinde de %32 azalma olduğu görülmektedir. KS-4A ve KS-4 santralleri için soğutma sezonunda COP değerinde bağıl nem φ=%50 iken %10, bağıl nem φ=%65 iken %11 daha yüksek, ekserji veriminde bağıl nem φ=%50 ve φ=%65 iken %10 daha yüksek olduğu hesaplanmıştır. Aynı santrallerin işletme maliyetleri bağıl nem φ=%50 iken %13, bağıl nem φ=%65 iken  %10 daha düşük olduğu hesaplanmıştır. Kış ve yaz çalışma şartlarında en iyi performansa sahip (KS-4A) santralinin alternatif kullanılabilecek (KS-3) santraline göre basit geri ödeme süresi 35 yıl olarak hesaplanmıştır. Bundan sonraki bu kapsamda yapılan çalışmalara, termoekonomik optimizasyon yöntemi kullanılarak tasarım yapılması önerilebilir

Abstract:
The aim of this thesis is to determine the best performance of four different Air Handling Units used in the air-conditioning sector at variable outdoor temperatures by making energy and exergy analysis. Firstly, four different air handling units including energy transfer devices such as Water-to-Air Heater, Heat Recovery and Heat Pump were examined. In order to compare Air Handling Units, the Coefficient of Performance, exergy efficiencies and exergy destruction of the parts in the Air Handling Units have been calculated in outdoor temperatures varying between -12 °C and +10 °C in winter, 30 °C and +38 °C in summer, and 50% and 65% relative humidity. It has been observed that devices with energy recovery give higher COP values than those without energy recovery. The calculations of the created models of the system were made with the help of a prepared program and the results were; It has been shown that the use of heat recovery device has better COP and Exergy efficiency in both heating and cooling than air handling units without heat recovery device. In addition, the operating costs of the heat pump system with heat recovery are reduced by 13% on average when the relative humidity is φ=50% during the cooling season, 10% on average when the relative humidity is φ=65%, the average operating costs during the heating season are 27%, lower than those without energy recovery has been calculated. One of the aims of this study is to develop methods that will enable the air handling unit systems used in the air-conditioning industry to produce energy and exergy with seasonal temperature changes. Nowadays, it turns out that using heat recovery device is a necessity. In addition, although the COP of heat pump systems is high, the exergy efficiency is very low. If a heat pump system is desired, control units that can optimize evaporation and condensation temperatures according to energy recovery and outdoor conditions must be used. When these two air handling units are compared, the COP value increased by 41%, the exergy destruction decreased by 33%, the exergy efficiency increased by 60% and the operating cost decreased by 32%. For KS-4A and KS-4 air handling unit, it has been calculated that the COP value is 10% higher when the relative humidity is φ=50%, 11% higher when relative humidity is φ=65%, 10% higher in exergy efficiency when relative humidity is φ=50% and φ=65% during the cooling season. It has been calculated that the operating costs of the same air handling units are 13% lower when the relative humidity is φ=50%, and 10% lower when the relative humidity is φ=65%. The simple payback period of the air handling unit with the best performance in winter and summer operating conditions (KS-4A) compared to the air handling unit that can be used as an alternative (KS-3) is calculated as 35 years. In the future studies carried out in this context, the state of designing using the thermoeconomic optimization method can be examined.