Güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminin termodinamik analizi

Abstract

Bu çalışmada Güneş Enerjisi Destekli Isı Pompalı Su Isıtıcısı' nın ısıl modellemesi ve analizi için bir algoritma ve MATLAB yazılımı oluşturulmuştur. Oluşturulan yazılım ile Adana ilinde sene boyunca güneş ışınımı ve atmosferik koşullar dikkate alınarak Güneş Enerjisi Destekli Isı Pompası (GDIP) sistemindeki 150 litrelik tankın içindeki suyun bir gün boyunca zamana bağlı sıcaklığı, ısı pompasının yoğuşturucusundan atılan ve buharlaştırıcısından çekilen çıkan ısılar, kompresörünün gücü ve verimi, kolektörünün verimi, sistemin performans katsayısı (COP) hesaplanarak Isı Pompalı Su Isıtma Sisteminin analizi yapılmıştır. Isı pompasının yoğuşturucusu su tankı içine daldırılmış ve sistemde soğutucu akışkan olarak R134a, buharlaştırıcı olarak da roll-bond buharlaştırıcı kullanılmıştır.Tüm hesaplamalarda 150 L hacme sahip su deposu içerisindeki suyun başlangıç sıcaklığı 20 oC kabul edilmiş, simülasyon da her ay için o aya ait güneş vaktinden 30 dk önce ısı pompası çalıştırılmış ve tank içerisindeki su sıcaklığı 60 oC' ye ulaşıncaya kadar simülasyon çalıştırılmıştır. Gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda hava şartlarının soğuk olduğu kış aylarında (Ocak ve Aralık) suyun 20 oC' den 60 oC' ye ısınması için güneş enerjisi destekli ısı pompası sisteminin 14.5 saat çalışması gerekirken, Haziran, Temmuz ve Ağustos gibi yaz aylarında bu sürenin 9 saatin altına düştüğü tespit edilmiştir. Ayrıca tüm aylarda, ısınma başlangıcından 8 saat sonra, suya geçen ısının en yüksek değerine ulaştığı ve hemen hemen bu zamanlarda güneş ışınımının da en yüksek değerine ulaştığı gözlemlenmiş, dolayısıyla suya geçen anlık ısı miktarını belirleyen esas parametrenin, güneş ışınımının anlık değeri olduğu saptanmıştır. Sistemin yaz aylarında COP değeri 4.3 ile 2.9 arasında seyrederken, kış aylarında COP değerinin 3.7 ile 2.0 arasında seyrettiği bulunmuştur. Sıcaklıkların daha yüksek seyrettiği yaz aylarında, soğuk aylara göre gerekli kompresör gücü yüksek olsa da, suya aktarılan ısının da daha fazla olması nedeniyle, COP değerlerinin de daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.

In this study, an algorithm and MATLAB software were developed for thermal modeling and analysis of Solar Powered Assisted Heat Pump Water Heater. Using this software, time-dependent temperature of the water in the 150-liter tank of the Solar Powered Heat Pump system, the heat exited from the condenser of the heat pump and withdrawn from the evaporator, compressor power and efficiency, collector efficiency, system performance coefficient (COP) were analyzed for each day throughout a year. The analyzes were carried out for Adana during the year considering solar radiation and atmospheric conditions. The condenser of the heat pump was immersed in the water tank and R134a and roll-bond evaporator were used as refrigerant and evaporator, respectively.In all calculations, the initial temperature of the water in the water tank was assumed as 20 oC, and for each day the heat pump was run for 30 minutes before the sunrise and the simulation was run until the water temperature in the tank reached 60oC.As a result of the simulations performed, the solar powered heat pump system should run for 14.5 hours in order to heat the water from 20oC to 60oC during the winter months (December and January) whereas this period was determined to be below 9 hours in summer months (June, July and August). In addition, it has been observed that in all months, the heat passed into the water reached its highest value at 8 hours after the start of heating and the solar radiation was observed to be the highest around that time. Therefore, the main parameter that determines the instantaneous heat flow into the water is the instantaneous value of the solar radiation. While the COP value of the system was between 4.3 and 2.9 in the summer, it was found that the COP value in the winter was between 3.7 and 2.0. In summer, when the temperatures were higher, the compressor power was higher than in the winter, but COP was also higher in summer due to the higher heat transfer to the water.