Experimental investigation of performance of solar assisted heat pump space heating system with an energy storage

Abstract

ÖZET GÜNEŞ ENERJİSİ DEPOLAMALI VE ISI POMPALI MAHAL ISITMA SİSTEMİ VERİMİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ Önder KAŞKA Yüksek Lisans Tezi, Mak.Müh.Böl. Tez Yöneticisi: Assist. Prof. Dr. Recep YUMRUTAŞ Ağustos 2002, 138 sayfa Bu çalışmada, güneş enerjisinin Ekim, Kasım, Aralık, Mart ve Nisan aylarını içeren ısıtma sezonunda günlük olarak silindirik bir enerji deposunda depolanması ve ısı pompası desteği ile bir mahalın ısıtılmasından oluşan ısıtma sisteminin ısıl verimi deneysel olarak incelenmiştir. İncelenen ısıtma sistemi temel olarak düz plakalı güneş kollektörieri, buhar sıkıştırmalı bir ısı pompası, günlük silindirik enerji deposu, yer kaloriferi ile ısıtılan bir oda, yardımcı elektrik ısıtıcısı, devirdaim pompaları, kontrol ekipmanları, veri toplayıcı ve bir bilgisayardan oluşmaktadır. Isıtma sistemi, 37.1° kuzey enleminde olan Gaziantep Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü Enerji Labaratuvarında kurulmuştur. Sistemin performansını elde etmek için, yatay yüzeye gelen saatlik güneş radyasyonu, ısı pompası çevriminde dolaşan akışkanın, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı giriş ve çıkış sıcaklıkları, oda ve dış hava sıcaklıkları, yer kaloriferindeki suyun odaya giriş ve çıkış sıcaklıkları, güneş enerjisi kollektörlerinde dolaşan su-glikoi karışımının sıcaklıkları, kompresör, devirdaim pompaları ve yardımcı ısıtıcının enerji tüketimi, su ve su-glikol karışımı debileri ölçülmüştür. Yatay yüzeye gelen saatlik güneş radyasyonu Gaziantep Meteoroloji istasyonundan alınmıştır. Bütün sıcaklıklar data toplayıcı vasıtasıyla eşit zaman aralıklarında otomatik olarak bilgisayara aktarılarak kaydedilmiştir. Enlem açısından 15° fazla bir açıyla güneye doğru döndürülen kollektörlerin üzerine düşen saatlik güneş radyasyonu miktarı vhesaplanmış, sonuçlar kollektör verimi ve enerji deposuna aktarılan faydalı güneş enerjisi miktarının elde edilmesinde kullanılmıştır. Sistemin performansını belirlemek için anlık, saatlik ve günlük güneş radyasyonu miktarı ve dış hava sıcaklığı, güneş kollektörlerinin verimleri, ısı pompası ve sistemin performans katsayıları (COPHp ve COPs) hesaplanmıştır. Bütün bu hesaplamalar termodinamik fonksiyonları içeren EES ve Excel isimli bilgisayar programları kullanılarak yapılmıştır. Deneysel çalışma sonunda, ısı pompası ve sistem performans katsayıları depodaki su sıcaklığının artmasına bağlı olarak yükseldiği gözlenmiştir. Isı pompasının performans katsayısı en yüksek 3.9'a ulaşırken, aynı değer sistem için 3.23 olarak elde edilmiştir. Bu durumda ortalama depo sıcaklığı 30°C olarak gözlenmiştir. Performans katsayılarının en düşük değerleri ise ısı pompası için 2.5, sistem için 2.0 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca enerji deposunda depolanan ısı enerjisinin güneş enerjisi şiddeti ile direk ilişkili olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar tartışılarak, daha önce yapılan benzer çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Isı pompası sistemleri, güneş enerjisi, konut ısıtma sistemi, günlük enerji depolama vı

ABSTRACT EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF PERFORMANCE OF SOLAR ASSISTED HEAT PUMP SPACE HEATING SYSTEM WITH AN ENERGY STORAGE Önder KAŞKA M. Sc. in Mechanical Engineering Supervisor : Assist. Prof. Dr. Recep YUMRUTAŞ August 2002, 138 pages This thesis presents the experimental investigation of performance of a solar assisted heat pump system with a cylindrical daily energy storage tank used for space heating during the heating months of October, November, December, March and April. The heating system under investigation basically consists of flat plate solar collectors, a vapor compression heat pump, a daily cylindrical thermal energy storage tank, a room to be heated from the floor, an auxiliary heater, circulation pumps, controllers, data logger, and a computer. This system is designed and constructed in thermal engineering laboratory in Mechanical Engineering Department of University of Gaziantep, Turkey with latitude of 37.1°N. The parameters measured or obtained for the performance evaluation of the system are solar radiation on a horizontal surface, room and outside air temperatures, temperatures of the heating water, water-glycol solution, and refrigerant (R22) at the main locations in the heating system, power consumption of auxiliary heater, work consumption of the pumps and the compressor, flow rates of water, water-glycol solution, and the refrigerant. The hourly solar radiation data on a horizontal surface for the city of Gaziantep is obtained from local Meteorological Station. All nodal temperatures are automatically collected as a function of time by means of a measurement chain feeding to a data logger in combination with a PC. inHourly solar radiation values on the collector surface oriented due to south and at an angle of latitude plus 15° are computed from the measured data to obtain collector performance and useful solar energy collection rate to the energy storage tank. The instantly, hourly and daily variation of solar radiation, ambient air temperature, collector performance, coefficient of performance the heat pump (COPHp) and that of the overall system (COPs) are calculated to assess the performance of the system. An equation solver with built-in thermodynamical functions, namely Engineering Equation Solver (EES) and Excel softwares are used to carry out the calculations and present the results. It is observed that COPHp and COPs increase with the increasing thermal energy storage temperature. COPHp and COPs reach their maximum values of 3.9 and 3.23, respectively when the temperature of the storage is at an average value of 30°C. The minimum values of COPhp and COPs are calculated to be 2.5 and 2.0, respectively. It is also observed that rate of heat stored in the storage medium is directly proportional to the solar radiation.The results are discussed and compared with the results from similar studies available in the literature. Key Words: Heat pump system, solar energy, space heating system, daily energy storage IV