Toprak kaynaklı ısı pompalı mahal ısıtma ve soğutma sisteminin scada ile kontrolü ve ısıl performansının incelenmesi

Abstract

Dünyada ve ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına olan yoğun ilgi, konut ve ticari mahallerin ısıtılması ve soğutulması işlemlerinde Toprak Kaynaklı Isı Pompası (TKIP) sistemlerine olan ilgiyi artırmıştır. TKIP sistemlerinin yaygın kullanımını kısıtlayan nedenlerin başında; yüksek kurulum maliyetleri, sistem tasarımındaki zorluklar ve kontrolü gelmektedir. Bu tezin amacı, bir ofis mahalinin SCADA'lı (Merkezi Denetim ve Veri Toplama) TKIP sistemi kullanılarak ısıtılması ve soğutulması ile ilgili tasarım, kurulum ve kontrol optimizasyonu gerçekleştirilerek, kullanımını kısıtlayan nedenlerin çözümüne katkı sağlamaktır. Ayrıca bu ısıl sistemin sayısal simülasyonu ve analizi TRNSYS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında tasarım, kurulum ve kontrol optimizasyonu için geliştirilen yöntemlerin uygulanabilirliği ve doğruluğu sayısal TRNSYS simülasyonu ve deneysel uygulamalar ile incelenmiştir. SCADA'lı TKIP sistemi ile aktif ısıtma, aktif soğutma ve pasif soğutma işlemleri deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Isıl sistemin aktif ısıtma, aktif soğutma ve pasif soğutma işlemleri için ortalama ısıl performans katsayıları deneysel veriler kullanılarak sırasıyla 3.5, 2.5 ve 1.5 olarak hesaplanmıştır.Isı değiştiricisinin gömüldüğü toprakta iki boyutlu geçici rejim ısı transfer problemi, CFFT (Complex Finite Fourier Transform) yöntemi kullanılarak analitik olarak çözülmüş ve yıllık periyodik sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Analitik modelden elde edilen sonuçların literatürdeki sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüştür.Bu tez çalışmasında, optimize edilmiş tasarım parametreleri ve kontrol optimizasyonu ile TKIP sisteminin elektrik tüketiminin önemli oranda azaldığı gözlenmiştir. Bu nedenle, bina mahallerinin ısıtılması ve soğutulması için SCADA'lı TKIP sistemi gelecekte daha yaygın kullanılacak ve enerji tasarrufuna katkı sağlayacaktır.

The intense interest in the use of renewable energy sources in the world and in our country has been increased the preference of Ground Source Heat Pump (GSHP) systems for heating and cooling of residential and commercial spaces. Among the reasons that restrict the widespread use of GSHP systems are; high installation costs, difficulties in system design and control. The purpose of this thesis is to contribute to the solution of these restricting factors by optimizing the design, installation and control of heating and cooling for an office by using the GHSP system with SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). In addition, numerical simulation and analysis of this thermal system was carried out using the TRNSYS program. Within the scope of the thesis, the feasibility and accuracy of the methods developed for design, installation and control optimization were investigated by TRNSYS simulation program and experimental studies. Active heating, active cooling and passive cooling processes were carried out experimentally using the GSHP system with SCADA. The mean thermal performance coefficients of this thermal system were calculated as 3.5, 2.5 and 1.5, by using experimental data respectively, for active heating, active cooling and passive cooling applications.In the ground where the heat exchanger is buried, two-dimensional transient heat transfer problem is solved analytically by using CFFT (Complex Finite Fourier Transform) method, and annual periodic temperature distribution is obtained. The results obtained from the analytical study were found to be compatible with the results present in the literature.It is observed from this study that consumption of electiricity for the GSHP system with optimizing design parameters and control optimization reduces significantly. In this regard, it is thought that GSHP systems with SCADA control unit will be used widely in future in heating and cooling operations of buildings.