District heating system of IZTECH Campus and its integration to the existing system

Abstract

öz 1992 yılında kurulan İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü İzmir'in 3. devlet üniversitesidir. Gelişim içerisindeki kampüste her fakülte kendisine ait fuel-oil yakıtlı ısıtma sistemine sahiptir. Kampus aynı zamanda bir jeotermal kaynağa sahiptir. 2002 yılında 5 gradyen kuyusu açılmış ve bunların birinden 33°C sıcaklığında jeotermal akışkan elde edilmiştir fakat akışkanın gerçek debisi henüz ölçülmemiştir. Tezin ana amacı, bu kaynağın İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Kampusu için bölgesel ısıtma sistemi uygulamasında kullanılıp kullanılmayacağının araştırılmasıdır. Başlıca iki tip ısıtma sistemi düşünülmüştür;. Isı pompalı ısıtma sistemi (IPIS) (yenilenebilir bir enerji kaynağı kullanarak- jeotermal enerji).. Kazanlı ısıtma sistemi (KIS) (konvensiyonel bir enerji kaynağı kullanarak-fuel-oil). Mevcut jeotermal akışkan sıcaklığı düşük olduğundan IPIS, HPO tipinde düşünülmüştür. IPIS sadece bölgesel olarak düşünülürken. KIS bölgesel ve bağımsız olarak iki alternatif altında incelenmiştir. Her bir ısıtma sistemi saatlik dış hava sıcaklıkları kullanılarak simule edilmiştir. Simulasyonlarda ana kontrol parametresi binaların iç hava sıcaklığıdır. Matematik modeller, Matlab ve EES programlan kullanılarak oluşturulmuştur. IPIS'nde, farklı kondenser çıkış sıcaklıkları ve jeotermal akışkan debileri için, çeşitli ısıtma rejimi alternatifleri çalışılmıştır. Sonuçta, 35°C kondenser giriş. 45°C kondenser çıkış sıcaklıkları 120 kg/s jeotermal akışkan debisi ile birlikte en iyi seçenek olarak belirlenmiştir. Tezde KISleri de, değişik kazan set sıcaklıkları için simule edilmiştir. Demirdöküm tarafından önerilen kazan set sıcaklıkları, düşük fuel-oil tüketimi ve 20°C'nin etrafında en iyi iç hava sıcaklığı ile en iyi alternatiftir. Isıtma sistemi simulasyonunun yanında, boru hattı simulasyonu da Pipelab programı kullanılarak yapılmıştır. Boru hattı kampus ve jeotermal olmak üzere iki çevrimden oluşmaktadır. Besleme ve dönüş hatlarını içeren her çevrim toprak altında gömülüdür. Sistemin ekonomisi için ısı merkezinin yeri ve birim boru boyundaki basınç kaybı genel dizayn parametreleridir. Bu nedenle çeşitli alternatifler çalışılmış ve endüşük yatırım ve işletme maliyetlerinden dolayı ısı merkezi kampusun ortasında olan 3. alternatif 1 50 Pa/m basınç düşümü hedefi ile en iyi seçenek olarak düşünülmüştür. Ayrıca, her bir ısıtma sistemi alternatifi için yatırım ve işletme maliyetlerine bağlı olarak ekonomik analiz de yapılmıştır. İşletme maliyeti için, kampüsteki binaların ısıtma periyotlara bağlı olarak 3 ısıtma senaryosu düşülmüştür. Ekonomik analizlerin sonuçlarına göre, ısı pompalı bölgesel ısıtma sistemi (IPBIS) 3,040,125 US$ ile en büyük yatırım maliyetine sahipken, en düşük işletme maliyetine de sahiptir. Alternatifler, sistemlerin yatırımın karlılığını gösteren iç karlılık oranı (IKO) metoduna göre değerlendirilmiştir. Ekonomik analiz sonuçlan, IPBIS'nin 20 yıllık periyodun sonunda fuel oil kazanlı bölgesel ısıtma sistemine (FKBIS) göre en az %3.02 oranında karlı olduğunu göstermektedir. Isıtma sistemlerinin işletme periyodunun artması ile kar yükselmektedir. vı

ABSTRACT Izmir Institute of Technology (IZTECH), founded in 1992, is the third state university of İzmir. At present IZTECH Campus has individual fuel boiler heating systems for each faculty building and the Campus is still under development. But the Campus has also a geothermal source. In 2002. 5 gradient wells were drilled. Of these, one well has a geothermal fluid of 33°C is obtained but the actual flowrate of the geothermal fluid has not been measured yet. The aim of this Thesis is to investigate this source whether it can be used for district heating application for IZTECH Campus. Mainly two heating system types have been considered;. Heat pump heating system (HPHS) (using a renewable energy source, geothermal energy).. Fuel boiler heating system (FBHS) (using a conventional energy source, fuel-oil). HPHS is considered as HPO type since the existing geothermal fluid temperature is low. While HPHS is considered only as district, FBHS is considered as district and individual. Each heating system is simulated using hourly outdoor temperature data. For these heating simulations, the main control parameter is the indoor temperature of the buildings. Mathematical models are derived using Matlab [16] and EES [17] programs. Various heating regime alternatives have been studied for HPHS for the various condenser outlet temperature and geothermal fluid flowrate. Consequently, the heating regime with 35°C condenser inlet and 45°C condenser outlet temperature with 120 kg/s geothermal fluid flowrate considered to be the best option. FBHSs are also simulated for various boiler set temperatures. Boiler set temperatures have been recommended by Demirdöküm [39], is the best alternative with the least fuel consumption and best indoor temperature around 20°C. Besides heating system simulations, piping network simulation is made using the software Pipelab [1 8]. The piping network of the Campus has been considered with two loops as geothermal and Campus. Each loop contains supply and return main. The location of the heat centre and the pressure loss per unit length are common design parameters' for economy of the system. Therefore, several alternatives have been studied inand because of the lowest investment and operational cost, Alternative 3. where the heat centre is in the middle of the Campus, is considered to be the best option with target pressure loss of 150 Pa/m. For installation type of piping network, underground (buried) pipeline installation is selected. Furthermore, economic analysis has also been done for each heating system alternative depending on investment and operational costs. For operational cost. 3 heating scenarios are considered depending on the heating period of the buildings in the Campus. According to the results of economical analyses, while heat pump district heating system (HPDHS) has the biggest investment cost with 3,040,125 US$. it has minimum operational cost. The alternatives are evaluated according to internal rate of return (IRR) method, which shows the profit of the investment. The results indicate that, the HPDHS has minimum 3.02% profit according to the fuel boiler district heating system (FBDHS) at the end of the 20-year period. The profit increases with increasing operating period of the heating systems. IV