Fore kazıklara entegre edilen ısı pompası uygulaması ve ekonomik analizi
Heat pump application integrated to bored piles and its economic analysis
Yazar: SERTAÇ COŞMAN
Danışman: PROF. DR. OLCAY KINCAY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
En önemli enerji kaynaklarından biri olarak bilinen petrol rezervleri azalmakta, petrol kökenli çevre kirliliği ise giderek artmaktadır. Bu yüzden son yıllarda yenilenebilir enerji kaynakları konusunda yapılan çalışmalar yoğunluk kazanmıştır. Alternatifler arasında, toprak önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak görülmektedir. Dolayısıyla toprakta var olan enerjinin ısıtma ve soğutma amacıyla kullanılması için yeni teknolojiler geliştirilmiştir. Bu yeni nesil teknolojilerden biri de enerji kazığı olarak adlandırılan sistemlerdir.
Toprak kaynaklı enerjinin esasını güneş enerjisi oluşturur. Yaz dönemlerinde ve diğer güneşli havalarda toprağın üst kısımları güneşin enerjisini depolar. Böylece toprağın üst kısımları güneş enerjisi ile yüklenmiş olur. 15-20 metrelik derinliklerden itibaren ise jeotermal enerji kullanılmaya başlanmaktadır. Bu sistemin esası, temel kazıkları ile topraktaki enerjiye ulaşmak, ısı değiştirici boruları ile bu enerjiyi çekmek ve kolektörler vasıtasıyla ısı pompasına iletmektir. İşte bu sistem enerji kazığı olarak tanımlanır.
Bu çalışmada; ilk önce ısı pompasının genel çalışma prensipleri açıklanmış, enerji kaynaklarına göre sınıflandırılması yapılmıştır. Daha sonra topraktan enerji alma yöntemlerinden biri olan enerji kazık sistemleri üzerinde durulmuştur. Enerji kazıklarının çalışma prensibi ve amacı irdelenmiş, kazığı oluşturan bileşenler ve yapım aşamaları resimlerle desteklenerek gösterilmiştir. Yapım aşamalarına ek olarak uygulama esasları ve test protokolü eklenmiştir. Enerji kazıkları ile ilgili genel bilgiler verildikten sonra kazık ısı değiştirici tipleri ve seçimi ile ilgili yapılan çalışmalar araştırılmıştır. Bu ısı değiştiricileri üzerinde yapılmış olan deneysel ve nümerik çalışma sonuçlarına göre hangi tipin daha verimli olabileceği tartışılmıştır. Son olarak; yapılmış olan bir uygulama çalışmasında kazık devresinden enerji alımı ile ilgili hesap yöntemi gösterilmiştir. Bir değere getirilmiş maliyet yöntemi yapılarak sonuçlar tartışılmıştır. 
Maliyet analizi yapılırken ısı pompası sistemi ve klasik sistem için ilk yatırım maliyeti ve işletme giderleri ayrı, ayrı hesaplanmıştır. Hesaplama yöntemi olarak, bir değere getirilmiş maliyet yöntemi kullanılarak her iki sistem için de yıllık toplam enerji maliyetleri çıkarılmıştır. Bu değerler ısı pompası ve klasik sistem için sırasıyla; ilk yatırımın yıllık maliyeti 6.505-5.140 ?/yıl, bugünkü koşullarda yıllık işletme maliyeti 141.921,8-230.055,9 ?/yıl, bugünkü koşullarda toplam yıllık işletme maliyeti 3.025.371,8-4.689.064,9 ?/yıl, eşdeğer yıllık işletme maliyeti 203.304,9-315.105,1 ?/yıl ve yıllık toplam maliyet 209.810-320.245,1 ? olarak bulunmuştur. Bu değerlere bağlı olarak en son birim ısıtma enerjisi ve geri ödeme süresi bulunmuştur. Birim ısıtma enerjisi yönünden klasik sistemin diğer sisteme nazaran %35 daha pahalı olduğu görülmüş, geri ödeme süresi ise 1,1 yıl olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Petrol reserves, which are known to be one of the most important energy resources, have been decreasing and petroleum-originated environmental pollution has been increasing gradually. Hence, studies in the recent years generally focus on renewable energy resources. As an alternative, geothermal energy is recognized as an important source of renewable energy. Accordingly, new technologies are developed in order to use geothermal energy for heating and cooling. Energy pile system is one of these new generation technologies.  
Solar energy is the basis of earth's interior energy. Earth's surface stores solar energy in summer and when the weather is sunny. Hence, top section of earth is charged with solar energy. Also, geothermal energy can be used at depths over 15 to 20 meters. The principle of this system is to reach to the earth?s energy with piles, extract this energy with heat exchanger pipes and to carry it to the heat pumps over collectors. This system is defined as energy pile.
This study first explains the general operational principles of heat pump and classifies according to the energy resources. Then it focuses on energy pile systems, one of the methods used to extract energy from the ground. Working principle and goal of the energy piles are studied and components of a pile as well as the manufacturing stages are illustrated with pictorial aids. Besides the manufacturing stages, implementation principles and test protocol are added. After providing general information about energy piles, the studies on pile heat exchanger types and selection of those are researched. The discussion is focused on determining the most efficient type of heat exchangers on the basis of results got from experimental and numeric studies on heat exchangers.  Finally, the calculation method regarding energy extraction from pile circuit on an implementation works completed. The results are discussed by using the levelised cost method. 
While, the cost-analysis has been performed, the initial investment costs and the operating costs for the heat-pump system and the classic system have been calculated separately. The annual total energy costs have been obtained for both systems by using the leveled cost method as the calculation method. These values respectively for the heat pump and the classic system have been found as 6.505-5.140 ?/year for annual cost of initial investment, as 141.921,8-230.055,9 ?/year for operating costs in respect of current conditions, as 3.025.371,8-4.689.064,9 ? for total annual operating costs in respect of current conditions, as 203.304,9-315.105,1 ?/year for equivalent annual operating costs and as 209.810-320.245,1 ? for total annual costs. The final unit heating energy and payback period have been found based on these above mentioned values. It has been taken into consideration that the classic system is 35% more expensive than the other system in respect of unit heating energy and the payback period has been calculated as 1,1 year.