Pasif iklimlendirme sisteminde değişik tiplerde toprak-hava ısı değiştiricilerinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of different type earth-air heat exchangers in passive air conditioning system
Yazar: FATİH TAŞDELEN
Danışman: PROF. DR. İHSAN DAĞTEKİN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Enerji = Energy ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı performansı = Heat performance ; Sıcaklık = Temperature

Özet:
Bu çalışmada, Bitlis (Türkiye) ilinin yaz ve kış iklim koşulları için üç boyutlu olarak modellenen eşit boru uzunluklarına sahip farklı tipteki 8 adet toprak–hava ısı değiştirici (THID) sisteminin (4 adet yatay ve 4 adet düşey) soğutma ve ısıtma performans analizleri ANSYS Fluent 19.2 yazılım programında araştırılmıştır. THID sistemlerinin ısıl analizleri Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine (HAD) dayalı yazılım programının kararlı koşul durumunda standart k-ε türbülans modeli kullanılarak değerlendirilmiştir. Re sayısının 2x104 değeri için gerçekleştirilen ısıl analizler sonucunda en iyi ısıl performansı Y–Model III ve D–Model IV THID sistemleri sağlamıştır.
Parametrik analizler sonucunda hava giriş hızı ve boru iç çapındaki artışın THID ısıl performansını önemli derecede etkilediği bunula birlikte toprak ısıl iletkenliğinin THID ısıl performansını daha az etkilediği tespit edilmiştir. En iyi ısıl performansı sağlayan THID sistemleri (Y–model III ve D–model IV) için Re sayısının farklı değerleri (Re = 5x103, 104, 2x104, 4x104, 6x104, 8x104, 105) kullanılarak daha kapsamlı soğutma ve ısıtma performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Soğutma durumunda Re sayısının 5x103, 104, 2x104, 4x104, 6x104 ve 8x104 değerleri için en iyi ısıl performansı D–Model IV THID sistemi, Re sayısının 105 değeri için en iyi ısıl performansı Y–Model III THID sistemi sağlamıştır. Isıtma durumunda Re sayısının 5x103, 104 ve 2x104 değerleri için en iyi ısıl performansı D–Model IV THID sistemi, Re sayısının 4x104, 6x104, 8x104 ve 105 değerleri için en iyi ısıl performansı Y–Model III THID sistemi sağlamıştır.
En yüksek COP değerleri soğutma ve ısıtma durumları için sırasıyla 505.735 ve 1146.719 ile D–Model IV THID sistemi tarafından sağlanmıştır. En yüksek ekserji kaybı hızları soğutma ve ısıtma durumları için sırasıyla 32.586 W ve 52.728 W ile D–Model IV THID sisteminden elde edilmiştir. En yüksek ekserji verimlerini soğutma ve ısıtma durumları için sırasıyla %42.56 ve %45.90 ile D–Model IV THID sistemi sağlamıştır.

Abstract:
In this study, analyzes regarding the cooling and heating performance of different type 8 earth–air heat exchanger (EAHE) system (4 horizontal and 4 vertical) with 3D–modeled equal pipe lengths for the summer and winter climatic conditions of Bitlis (Turkey) were investigated in ANSYS FLUENT 19.2 software program. Thermal analyzes of EAHE systems were evaluated using the standard k-ε turbulence model at steady state condition of the Computational Fluid Dynamics (CFD) based software program. H–Model III and V–Model IV EAHE systems provided the best thermal performance as a result of the thermal analyzes performed for the 2x104 value of Re number.
As a result of the parametric analyzes, it was determined that the increase in the air inlet velocity and the pipe inner diameter significantly affected the EAHE thermal performance, while the soil thermal conductivity had less effect on the EAHE thermal performance. More comprehensive cooling and heating performance analyses were performed by using the different values of Re = 5x103, 104, 2x104, 4x104, 6x104, 8x104, 105 numbers for EAHE systems (H–model III ve V–model IV) providing the best thermal performance. In cooling condition, V–Model IV EAHE system provided the best thermal performance for Re number 5x103, 104, 2x104, 4x104, 6x104 and 8x104 values, and H–Model III EAHE system provided the best thermal performance for Re number 105 value. In heating condition, V–Model IV EAHE system provided the best thermal performance for Re number 5x103, 104 and 2x104 values, and H–Model III EAHE system provided the best thermal performance for Re number 4x104, 6x104, 8x104 and 105 values.
The highest COP values were provided by the V–Model IV EAHE system with 505.735 and 1146.719 for cooling and heating conditions, respectively. The highest exergy loss rates were obtained from D-Model IV EAHE system with 32.586 W and 52.728 W for cooling and heating conditions, respectively. The D-Model IV EAHE system was provided the highest exergy efficiencies with 42.56% and 45.90% for cooling and heating conditions, respectively.