Güneş enerjisinin yer altında depolanması ve ısı pompası desteği ile konut ısıtma sisteminin bilgisayarda simülasyonu

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, güneş enerjisinin yeraltında bulunan silindirik bir enerji tankında mevsimlik depolanması ve ısı pompası desteğinde konutların ısıtılmasında ısıl sistemin yıllık performansının araştırılması için farklı iki matematiksel model geliştirilmiştir. Isıl sistem, güneş enerjisi toplayıcıları, ısı pompası, toprak altında bulunan silindirik enerji deposu ve ısı yükünü oluşturan bir konuttan meydana gelmektedir. Geliştirilen modelin ilkinde toprak altında bulunan enerji deposunun yatay silindirik, diğerinin ise dikey silindirik olduğu düşünülmüştür. Toprak altındaki enerji deposu çevresinde geçici rejimde ısı aktarım probleminin çözümü her iki modelin de esasını oluşturmaktadır. Yatay silindirik enerji depolu ısıtma sisteminde depo dışında geçici rejim ısı aktarım problemi ve enerji denklemi silindirik koordinatlarda, simetri varsayımı yapılarak verilmiştir. Problemin formülasyonu boyutsuz değişkenler yardımı ile boyutsuz hale getirildikten sonra bir dönüşüm yardımıyla homojen yapılmıştır. Homojen probleme sonlu Hankel transformu uygulanarak, problem koordinattan bağımsız sadece zamanın bir fonksiyonu olarak elde edilmiştir. Elde edilen problem ise sonlu kompleks Fourier dönüşümü yardımıyla çözülmüştür. Dikey silindirik enerji depolu ısıtma sisteminde ise, enerji deposu çevresinde geçici rejimde ısı aktarım problemi ve enerji denklemi silindirik koordinatlarda simetrik, sıcaklığın radyal, depo yüksekliği ve zamanın bir fonksiyonu olarak değiştiği varsayımına dayalı olarak yazılmıştır. Problemin boyutsuz formülasyonuna sonlu kompleks Fourier dönüşümü uygulayarak zamandan bağımsız hale getirilmiştir. Zamandan bağımsız problemin çözümü ise, sonlu Fourier dönüşümü tekniğinin uygulanmasıyla elde edilmiştir. Elde edilen çözüm kullanılarak Fortran 77 dilinde etkileşimli bir bilgisayar simülasyon programı hazırlanmıştır. Hazırlanan bilgisayar programı depo su sıcaklığını ve ısı pompasının yıllık performansım incelemek için kullanılmıştır. Program, ısıtma sistemine ait değişik parametreler için çalıştırılarak, elde edilen sonuçlar grafiklerle sunulmuştur.

ABSTRACT In this study, two mathematical models were developed for storage of solar energy in a cylindrical store buried in the ground and annual performance of house heating system coupled with a heat pump is investigated. The heating system consists of solar collectors, a heat pump, an underground cylindrical thermal energy store and a house to be heated as the load. A horizontal and vertical shaped cylindrical energy store were used in the analytical models. An analytical solution for the transient heat transfer problem outside an underground cylindrical energy store is based for the two models. Utilizing the cylindrical coordinate system, the annually periodic transient heat transfer problem outside the horizontal cylindrical thermal energy storage and energy equation for the storage is given. The problem formulation is transformed into dimensionless and homogeneous form using dimensionless variabless and a transform. A new problem formulation is obtained by applying Hankel transform to the homogeneous form of the problem. Analytical solution of the problem is obtained using complex finite Fourier transform. In the thermal heating system with vertical cylindrical thermal energy storage, the annually periodic transient heat transfer problem outside the store and energy equation for the store is written in cylindrical coordinate with arbitrarly time varying water temperature in the store and radial, deep and time varying ground temperature surrounding the sore. After the problem is transformed into dimensionless form, complex finite Fourier transform is applied to the formulation. An analytical solution is obtained using finite Fourier transform technique. An interactive computer simulation program was developed in Fortran 77. The computer program is utilized for estimating the annually periodic transient temperature field outside cylindrical underground thermal energy storage and annual performance of the heat pump. Results obtained from exacution of the program with different parameters for the heating system are presented in graphical form.