TÜB – Enerji Sempozyumu 27 Kasım 2019 – TOPRAK-HAVA ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ

Birsen Erdoğan¹, Çağatay Akıncı²

¹Trakya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü,

Edirne, Türkiye

²Buyruk Tekstil, Çerkezköy, Tekirdağ, Türkiye

e-mail: birsenerdogan@trakya.edu.tr,  cagatayakinci@outlook.com

Özet

Teknolojinin gelişimi ve dünya nüfusunun hızla artması nedeniyle günümüzde enerji kaynakları giderek azalmaktadır. Enerji kaynaklarının azalması, enerji maliyetlerinin artması ve çevresel kaygılardan dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı sistemlere ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Toprakta yeterli derinlikte, toprak sıcaklığı dış ortam sıcaklığına göre kışın daha yüksek, yazın ise daha düşük olmaktadır. Toprak-hava ısı değiştiricileri, toprağın ısıl enerjisinden yararlanarak ısıtma ve soğutma amacıyla kullanılır. Isıtma ve soğutma giderlerini azaltır, enerji tasarrufu sağlar. Bu sistemler sera gazlarını azaltmada da çevresel açıdan yararlı ve ekonomik sistemlerdir.

Bu çalışmada, toprak-hava ısı değiştiricileri incelenmiş ve Edirne şartlarında bir toprak-hava ısı değiştiricisi dikkate alınmıştır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği  (HAD) yazılım programı kullanılarak sistem performansı incelenmiştir.

Anahtar kelimeler: toprak-hava ısı değiştiricisi, toprak enerjisi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği

Abstract

Due to the development of technology and the rapid increase of the world’s population, energy resources are gradually decreasing. Due to the decrease in energy resources, increasing energy costs and environmental concerns, interest in renewable energy systems is increasing day by day. At sufficient depth, the soil temperature is higher in winter and lower in summer than in outdoor temperature. Earth-air heat exchangers are used for heating and cooling by taking advantage of the thermal energy of the soil. Reduces heating and cooling costs and saves energy. These systems are also environmentally beneficial in reducing greenhouse gases.

In this study, earth-air heat exchangers were investigated and a earth-air heat exchanger is considered in Edirne conditions. Computational Fluid Dynamics (CFD) software was used to analyze system performance.

Keywords: earth-air heat exchanger, soil energy, computational fluid dynamics

GİRİŞ

Toprak enerjisi eskiden beri bilinen bir ısı kaynağıdır. Günümüzde toprak, daha çok ısı pompaları için kaynak veya kuyu olmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompalarında akışkan boruları dikey veya yatay olarak toprak altına döşenmektedir. İklimlendirme, sera ve havalandırma sistemleri için toprağın enerji kaynağı veya kuyu olması ise biraz göz ardı edilmiştir. Ancak iç hava kalitesinin önem kazanması ve enerji maliyetlerinin artması ile toprak-hava ısı değiştiricilerine bir yönelmenin olacağı beklenmektedir.

Toprağın yüksek ısıl kapasitesi ve ortam havasına göre sıcaklık dalgalanmalarının düşük olmasından dolayı toprak altı ısısı rahatlıkla kullanılabilir. Kışın toprak yüzeyinden derine inildikçe toprak sıcaklığı artmakta, yazın ise azalmaktadır. Yeterli bir derinlikte, toprak sıcaklığı dış ortam sıcaklığına göre yazın daha düşük ve kışın ise daha yüksektir. Bu sıcaklık farkı kullanılarak, hava, toprağa gömülmüş kanal veya borulardan geçirilerek, yazın soğutulur, kışın ise ısıtılır. Bir Toprak-Hava Isı Değiştiricisi (THID) sistemi Şekil 1’ de gösterildiği gibi borulardan ve hava hareketini sağlayan bir fandan meydana gelir.

Şekil 1. Tipik bir Toprak-Hava Isı Değiştiricisi (THID) sistemi

Toprak-hava ısı değiştiricisi (THID) teknolojileri kullanılarak ısıtma, soğutma ve havalandırma enerji maliyetleri azaltılabilir.

Teorik ve deneysel çalışmalara göre, bir THID sisteminin ısıl verim ve performansına aşağıdaki parametreler etki eder.

İklimsel şartlar ve coğrafik konum: THID sistemleri dış ortam iklim şartlarından etkilenirler. Çok sıcak iklimli çöllerde THID sistemi, soğutma için en uygun yerler olmasına rağmen, ısıtmada ılıman ve sıcak yerlerde çok uygun değildir.

Toprak çeşidi: Yüksek ısıl iletkenliğe, yüksek yoğunluğa ve yüksek ısı kapasitesine sahip topraklar THID için uygundur. Bu toprak özelliklerinin enerji depolama üzerine katkısı sırasıyla %79, %48 ve %33’tür.

Boru özellikleri: Boru, pratik uygulama durumuna göre seçilmelidir. Örneğin suya doymuş topraklarda beton boru kullanılmamalı ve su izolasyonu yapılmalıdır. Bununla birlikte boru malzemesinin enerji depolaması üzerine etkisi çok önemli değildir. Boru malzemesi olarak metal veya PVC kullanılmaktadır. Boru uzunluğu da kapasiteyi belirler. En uygun boru uzunluğu iklim koşullarına ve istenen kapasiteye göre belirlenir.

Gömme derinliği: Gömme derinliği artıkça toprak ve hava arasındaki sıcaklık farkı artacak ve dolayısıyla enerji alışverişi de artacaktır. Toprak derinliği artıkça sistem kapasitesi de artmaktadır. Boruların derinliği bütün sistemin verimini etkilemektedir. Boruların 2 m derinlikte gömülmesinin yıl boyu sıcaklık ve kazma maliyeti açısından uygun olduğu belirtilmektedir. Fakat optimum derinliğin 3 m olduğunu ifade edenler de bulunmaktadır [1]. Gömme derinliğinin THID sıcaklık kazanımı üzerine etkisi boru uzunluğundan daha fazladır. Bununla birlikte sistem maliyeti, toprak kaya yatağı derinliği ve su kodu gibi faktörler gömme derinliğini sınırlamaktadır.

Hava debisi: Yüksek hava debileri sistem performansını azaltmaktadır. Çünkü bir THID’nin ısıl performansı toprak ve boru içinden geçen hava arasındaki ısı transferine bağlıdır. Yüksek hava hızı çekilecek ısı açısından istenmez. Yüksek hava hızı, çıkış sıcaklığını düşürür.

Literatürde THID sistemleri ile ilgili çeşitli çalışmalar mevcuttur. Bordoroi vd.[2], Agrawal vd.[3], Peretti vd.[4] ve Bisoniya vd.[5] THID ile ilgili derleme çalışmaları yapmışlardır. Peker vd.[6] çalışmalarında Autodesk Simulation CFD programıyla, farklı yapılardaki toprak-hava ısı değiştiricisi sistemlerinin performans analizlerini ısıtma ve soğutma durumu için analiz etmişlerdir. Simülasyon sonuçlarının, Şanlıurfa iklim koşullarında ölçülen deneysel sonuçlar ile uyum içinde olduğu görülmüştür. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımının yaz mevsimindeki soğutma durumunda ölçüm sonuçlarına daha yakın sonuçlar verdiği ve HAD yazılımı ile toprak-hava ısı değiştiricilerinin termo-akış analizlerinin her türlü çalışma durumda yapılabileceği ve kabul edilebilir sonuçlar elde edilebileceği görülmüştür. Boru dizilişinin basınç kaybında önemli bir parametre olduğu belirlenmiştir. Isı transferi açısından olumsuz bir etki yapmaması için borular arasındaki mesafenin yeterli olması gerektiği tespit edilmiştir. Toprak sıcaklığının derinlikle değiştiği gözönüne alındığında analizlerin toprağın katmanlara ayrılması ile yapılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca boru malzemesinin çok önemli olmadığı görülmüştür. Taşdelen vd.[7], çalışmalarında Elazığ’daki tipik bir konutun, sürekli çalışma koşulları altında toprak-hava ısı değiştiricisi kullanılarak termal konforunu sağlamak için pasif jeotermal soğutma teknolojisi kullanmışlardır. THID termal performansı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ANSYS Fluent12.1 programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. THID termal performansının analizi için Elazığ ilinin 2014 yılıTemmuz ayının maksimum ortalama sıcaklık değeri kullanılmıştır. THID nin termal performansı için PVC ve çelik (%0.5 C) olmak üzere iki farklı malzeme kullanılarak farklı toprak derinlikleri ( 1 m, 2 m, 3 m) için sayısal analizler yapılmıştır.  Analizler sonucunda en fazla sıcaklık düşüşü 27.67 K ile 3 m derinliğe gömülü çelik boruda, en az sıcaklık düşüşü ise 12.36 K ile 1 m derinliğe gömülü PVC boruda meydana gelmiştir. En iyi termal performansın en küçük hava giriş hızında olduğu ayrıca THID malzeme cinsinin termal performansı önemli ölçüde etkilemediği tespit edilmiştir. Farklı toprak derinliklerinde termal analizleri yapılan sayısal model için en iyi termal konfor şartı 1 m toprak derinliğinde elde edilmiştir. Demirtaş [8] çalışmasında, farklı derinliklere yerleştirilmiş, farklı kanal malzemelerinden yapılmış, farklı çaplara sahip altı adet toprak-hava ısı değiştiricisinin deneysel analizini Şanlıurfa koşullarında yapmıştır. Deneysel analizde THID sistemlerinin ısıtma ve soğutma durumları için derinlik, boru malzemesi, boru çapı, hava hızı, hava giriş sıcaklığı ve toprak sıcaklığı gibi parametreler göz önüne alınmıştır. Bu çalışmanın sonucunda bölgede toprak enerjisi potansiyelinin kullanılabileceği ve binalarda enerji tüketiminin önemli bir kısmını oluşturan soğutma yükünün topraktan sağlanabileceği görülmüştür. Ayrıca THID sistemlerinin bina ve seraların ısıtılması için uygun ve uygulanabilir olduğu tespit edilmiştir. Kurt [9] yaptığı çalışmada Ege Üniversitesi’nde kurulu olan toprak-hava ısı değiştiricisi sisteminin deneysel verilerini, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri sonuçları ile kıyaslamıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümleri için ANSYS 19.0 programı kullanmışlardır. Elde ettikleri sonuçlar, toprak-hava ısı değiştiricilerinin termal analizlerinin HAD analizleri sonuçları ile kabul edilebilir düzeyde örtüştüğünü göstermiştir. Bu tip deneysel modeller kurulmadan önce ön çalışma maksadıyla HAD analizleri gerçekleştirilebilir ve sistem buna göre tasarlanabilir. Bulut vd. [1] çalışmalarında, Şanlıurfa kış şartlarında bir toprak-hava ısı değiştiricisi sisteminin performansını deneysel olarak incelemişlerdir. 13 cm çapında ve 20 m uzunlukta galvanizli borulardan meydana gelen toprak-hava ısı değiştiricisi, serpantin şeklinde yerin 2 m altına yerleştirilmiştir. THID sisteminde çıkış ve giriş havası arasındaki sıcaklık farkı maksimum 11,6 °C ve ortalama 4,8 °C olarak bulunmuştur. Yapılan hesaplamalarla THID’nin etkinliği ortalama 0,83 ve COP değerinin ise ortalamada 1,7-5,9 arasında değiştiği tespit edilmiştir. THID sisteminin ısıtma konumunda iyi performans gösterdiği ve ısıtma ve havalandırma uygulamaları açısından enerji tasarrufu potansiyeline sahip olduğu görülmüştür. Bulut vd.[10] yaptıkları çalışmada toprak altına yerleştirilen boruların farklı dizilişlerinin THID sistemlerinin ısıl performansına etkisini Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile incelemişlerdir. Autodesk Simulation CFD programı kullanılarak THID sistemlerinde U, S ve ızgara tipi boru dizilişinin farklı hava hızlarında basınç kaybına ve hava çıkış sıcaklığına etkisini araştırmışlardır. Basınç kaybı açısından en yüksek değerin ızgara tipi boru sisteminde olduğu, boru dizilişinin çıkış sıcaklıkları üzerine çok büyük etkisi olmadığı görülmüştür. Badgaiyan ve Agrawal [11], çalışmalarında Hindistan koşullarında toprak hava ısı değiştiricisinin boru çapının, uzunluğunun, havanın giriş hızı ve gömme derinliğinin etkisini deneysel ve nümerik yolları karşılaştırarak incelemişlerdir. Boru uzunluğu arttıkça çıkış sıcaklığı ve basıncın düştüğünü gözlemlemişlerdir. Sistemin gömülü derinliğinin arttıkça çıkış sıcaklığının düştüğünü bu yüzden ne kadar derine gömülebiliyorsa o kadar iyi olduğunu ifade etmişlerdir. Sistemdeki hava hızı düştükçe sistemin içinde kalma zamanı arttığı için çıkış sıcaklığının düştüğünü ve sistemin performansının ancak hava hızı düşürülerek arttırılacağını belirtmişlerdir. Belatrache vd.[12] yaptıkları çalışmada, Cezayir’in güneyindeki iklim koşullarında kullanılan bir toprak-hava ısı değiştiricisinin modelini ve simülasyonunu sunmaktadır. Gömülü boruların uygun derinliği, incelenen bölgedeki toprağın fiziksel özellikleri dikkate alınarak ve yazarlar tarafından geliştirilen özel bir program kullanılarak hesaplanmıştır. Boru uzunluğu, yarıçapı ve borudaki havanın hızı dikkate alınarak bir parametrik analiz yapılmıştır. Khabbaz vd.[13], Marakeş’te (Fas) bulunan bir toprak-hava ısı değiştiricisinin deneysel ve sayısal çalışmasını sunmuştur. TRNSYS yazılımı kullanılarak THID’nin dinamik simülasyonları gerçekleştirilmiş, simülasyon ile deneysel sonuçlar arasında iyi bir uyum olduğu görülmüştür.

Bu çalışmada, toprak-hava ısı değiştiricileri incelenmiş ve Edirne şartlarında bir toprak-hava ısı değiştiricisi dikkate alınmıştır. Dikkate alınan ısı değiştirici S tipi boru dizilişinde olup soğutma amaçlı olarak kullanılması düşünülmüştür. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği  (HAD) yazılım programı kullanılarak sistem performansı araştırılmıştır.

YÖNTEM

Edirne iklim koşullarında soğutma amaçlı kullanılacak bir toprak-hava ısı değiştiricisi dikkate alınmıştır. THID’nin boru dizilimi S tipinde olup borular 2 m toprak derinliğine yerleştirilmiştir (Şekil 2). THID malzemesi çelik olarak seçilmiştir. THID’nin yatay boru uzunluğu 2.6 m, toplam boru uzunluğu 27.34 m dir. Borular arasındaki mesafe 1 m alınmıştır. Borunun iç çapı 0.2 m, cidar kalınlığı 0.005 m dir. Dış ortam sıcaklığı 31.8^oC alınmıştır (Edirne’nin temmuz ayı maksimum ortalama sıcaklık değeri). Edirne ili için 2 m derinlikte toprak sıcaklığı 23^oC alınmıştır [14]. Havanın sisteme giriş sıcaklığı, dış ortam sıcaklığına eşit kabul edilmiş (31.8^oC) ve havanın THID’ne giriş hızı 6.1 m/s alınmıştır. Isıl performans analizinde bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)  programı (Comsol) kullanılmıştır. Sürekli çalışma koşullarında türbülanslı akış için analiz yapılmıştır.

Isı değiştiricisinin etkinliği aşağıdaki ifade kullanılarak hesaplanmıştır [1]:

                                                                                                                      (1)

Burada T_g (^oC) hava giriş sıcaklığı, T_ç (^oC) hava çıkış sıcaklığı ve T_t (^oC) toprak sıcaklığını göstermektedir.

Şekil 2. S tipli toprak-hava ısı değiştiricisinin şematik şekli

BULGULAR VE TARTIŞMA

Edirne iklim şartlarında kullanılacak olan S tipi boru dizilişine sahip THID’nin ısıl performans analizinde, bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılım programı  (Comsol) kullanılmıştır. Sürekli çalışma koşullarında türbülanslı akış için analiz yapılmıştır. Analizde kullanılan THID’nin ağ (mesh) yapısı Şekil 3’te görülmektedir.

Şekil 3. THID modelin ağ (mesh) yapısı

Analiz sonucu elde edilen THID’deki sıcaklık dağılımı Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6’da verilmiştir. THID’ne hava giriş sıcaklığı 31.8^oC (304.95 K), çıkış sıcaklığı 28.13 ^oC (301.28 K) dir. Havanın giriş ve çıkış sıcaklığı arasında 3.67 ^oC lik bir düşüş olduğu görülmektedir. THID nin etkinliği 0.417 bulunmuştur.

Şekil 4. THID’nde sıcaklık dağılımı

Şekil 5. x ekseninde boruların orta hattından geçen kesitteki sıcaklık dağılımı

Şekil 6. z ekseninde yatay boruların orta hattından geçen kesitte sıcaklık dağılımı

SONUÇ

Toprak-hava ısı değiştiricileri kullanılarak ısıtma, soğutma ve havalandırma enerji maliyetleri azaltılabilir. Edirne şartlarında soğutma amaçlı kullanılacak S tipi boru dizilişine sahip bir THID dikkate alınmıştır. Borular 2 m derinliğe yerleştirilmiştir. THID’ne 31.8^oC sıcaklıkta giren hava, toprak içindeki ısı transferi nedeniyle 28.13 ^oC de çıkmış ve hava sıcaklığında 3.67 ^oC lik bir düşüş olduğu görülmüştür. THID’nin etkinliği 0.417 bulunmuştur. İç hava kalitesinin önem kazanması ve enerji maliyetlerinin artması ile toprak-hava ısı değiştiricilerine olan ilginin artacağı düşünülmektedir.

KAYNAKLAR

1. Bulut H., Karadağ R., Demirtaş Y. ve Hilali İ., (2016), Şanlıurfa kış şartlarında bir toprak-hava ısı değiştiricisinin performans analizi, Tesisat Mühendisliği, 152, s.54-66.

2. Bordoroli N., Sharma A., Nautiyal H., Goel CV., (2018), An intense review on the latest advancements of earth air heat exchangers, Renewable and Sustainable Energy Reviews 89, pp. 261-280.

3. Agrawal K.K., Agrawal G.D., Misra R., Bhardwaj M., (2018), A review on effect of geometrical, flow and soil properties on the performance of earth air tunnel heat exchanger, Energy&Buildings 176, pp.120-136.

4. Peretti C., Zarella A., De Carli M., Zecchin R., (2013), The design and environmental evaluation of earth-to-air heat exchangers (EAHE). A literature review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 28, pp.107-116.

5. Bisoniya T.S., Kumar A., Baredar P., (2013), Experimental and analytical studies of earth-air heat exchanger (EAHE) systems in India: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 19, pp.238-246.

6. Peker  B., (2016), Toprak-hava ısı değiştiricisi performansına etki eden parametrelerin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile araştırılması, Yüksek lisans tezi,Harran Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.

7. Taşdelen F., (2015), Bir binanın termal konforunu sağlamak için tasarlanan toprak hava ısı değiştiricisinin bilgisayar destekli analizi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.

8. Demirtaş Y., (2016), Toprak hava ısı değiştiricisi performansına etki eden parametrelerin deneysel olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Harran Üniversitesi, Fen bilimleri Enstitüsü.

9. Kurt M., (2019), Toprak-hava ısı değiştiricisi sisteminin hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi, Yüksek Lisans Tezi, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.

10. Bulut H., Demirtaş Y., Beyazıt İlgin N. ve Peker B., (2017), Hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile farklı boru dizilişlerine sahip toprak-hava ısı değiştiricisi sistemlerinin ısıl performans analizi, 2nd International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2017), pp.713, October 25-27, Adana, Turkey.

11. Badgaiyan P.and Agrawal S., (2016), CFD base performance evaluation of earth-air tube heat exchanger for natural air conditioning, Int.J.of Research Technology in Engineering Management (IJRTEM) 1,1, pp.01-05.

12. Belatrache D., Bentouba S., Bourois M., (2017), Numerical analysis of earth air heat exchangers at operating conditions in arid climates, Int.J.of Hydrogen Energy 42, pp.8893-8904.

13. Khabbaz M., Benhamou B., Limam K., Hollmuller P., (2016), Experimental and numerical study of an earth-to-air heat exchanger for air cooling in a residental building in hot semi-arid climate, Energy&Buildings 125, pp. 109-121.

14. Karaçavuş B., (2007), Mevsimlik depolamalı güneş enerjili ısıtma sistemi ile deneysel çalışmalar, Tesisat Mühendisliği Dergisi, Sayı: 97, s. 30-37.