Life Cycle and Emissions Analysis Based on Different Degree-Day Approaches of Earth-Air Heat Exchangers Used for Heating and Cooling in Buildings

Abstract

In this study, energy saving and energy cost saving based on the life cycle analysis were examined considering the last two versions of TS 825, depending on the earth-air heat exchanger used for heating and cooling the buildings. In addition, the amounts of emissions (pollutants) emitted to the atmosphere as a result of the use of electricity as an energy source during electricity generation from power plants were investigated. For the amount of electrical energy used, the heat transfer coefficients of the building envelope covering the external wall, ceilings, floors, and windows, which are recommended in our country's insulation standard TS 825, were used. Energy-saving amounts were determined by using the building envelope heat transfer coefficients in the 2013 version and the 2008 version of TS 825. The degree-day method was used in the energy consumption calculations related to the building envelope elements. The heating degree days and cooling degree days used in the energy consumption calculations of the buildings during the heating and cooling periods were calculated depending on the outdoor dry bulb temperature, the wet bulb temperature found with the relative humidity, the solar radiation value and the solar air temperature found. As pollutants, substances affecting global warming (CO2, N2O, CH4), ozone depleting substance (CFC-11), inorganic pollutant (SO2), air polluting particulate matter (PM) were examined. By using the 2013 version of TS 825 instead of 2008, savings of up to 4.9 % are achieved for all degree-day approaches, considering all four climate zones connected to external walls and flooring. There is a savings of up to 6.0 % due to flooring. According to the energy consumption and emission values related to the window, the savings have been determined as 25 % for all climate zones.

Keywords

• Earth-air heat exchanger
• Degree-day
• Power plants
• Pollutants

Binaların Isıtılması ve Soğutulması için Kullanılan Toprak Hava Isı Değiştiricilerinin Farklı Derece-Gün Yaklaşımlarına Bağlı Yaşam Çevrimi Analizi ve Emisyon İncelemesi

Abstract

Çalışmada, binaların ısıtılması ve soğutulması için kullanılan toprak hava ısı değiştirgeci bağlı olarak TS 825 in son iki versiyonu düşünülerek yaşam çevrimi analizine bağlı hem enerji tasarrufu hem de enerji maliyeti tasarrufu incelenmiştir. Ek olarak enerji kaynağı olarak elektrik kullanımına bağlı güç santrallerinden elektrik üretimi sırasında atmosfere yayılan emisyonların (kirleticilerin) miktarları incelenmiştir. Kullanılan elektrik enerjisi miktarı için ülkemizin yalıtım standardı TS 825 de tavsiye edilen dış duvar, tavan, döşeme ve pencereleri kapsayan yapı kabuğu ısı transfer katsayıları kullanılmıştır. TS 825 in 2013 versiyonu ve 2008 yılı versiyonu yapı kabuğu ısı transfer katsayıları kullanılarak enerji tasarruf miktarları tespit edilmiştir. Yapı kabuğu elemanlarına bağlı enerji tüketimi hesaplamalarında derece gün yöntemi kullanılmıştır. Isıtma ve soğutma dönemlerinde binaların enerji tüketimi hesaplarında kullanılan ısıtma derece gün ve soğutma derece günler, dış ortam kuru termometre sıcaklığına, bağıl nem ile bulunan yaş termometre sıcaklığına ve güneş radyasyonu değeri ile bulunan güneş hava sıcaklığı bağlı olarak hesaplanmıştır. Kirletici olarak, global ısınmayı etkileyen maddeler (CO2, N2O, CH4), ozon tabakasını incelten madde (CFC-11), inorganik kirletici madde (SO2), havayı kirleten partikül madde (PM) incelenmiştir. TS 825 in 2008 yerine 2013 versiyonu kullanılması ile tüm derece gün yaklaşımları için dış duvarlara ve döşemeye bağlı dört iklim bölgesinin tümü göz önüne alındığında % 4,9 kadar tasarruf sağlanmaktadır. Döşemeye bağlı % 6,0 kadar tasarruf bulunmaktadır. Pencereye bağlı enerji tüketimi ve emisyon değerlerine göre tasarruf tüm iklim bölgeleri için % 25 olarak tespit edilmiştir.

Keywords

• Toprak hava ısı değiştirgeci
• TS 825
• Derece-gün
• Güç santralleri
• Kirleticiler
• Earth-air heat exchanger
• Degree-day
• Power plants
• Pollutants

References

1. [1] Bulut, H., Karadağ R., Demirtaş Y., Hilali İ. 2016. Şanlıurfa Kış Şartlarında Bir Toprak-Hava Isı Değiştiricisinin Performans Analizi, Tesisat Mühendisliği, cilt, 152, s. 54-66.
2. [2] Peker, B. 2016. Toprak-Hava Isı Değiştiricisi Performansına Etki Eden Parametrelerin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile Araştırılması, Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Şanlıurfa.
3. [3] Krese, G, Prek, M., Butala, V. 2011. Incorporation of latent loads into the cooling degree days concept. Energy and Buildings, cilt. 43, s. 1757–1764. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.03.042
4. [4] Cao J., Li M., Zhang R., Wang M. 2021. An efficient climate index for reflecting cooling energy consumption: Cooling degree days based on wet bulb temperature. Meteorological Applications, cilt. 28 (3), 2005, s. 1-10. https://doi.org/10.1002/met.2005
5. [5] Sabapathy, K. A. 2020. Gedupudi, S. On the influence of concrete-straw-plaster envelope thermal mass on the cooling and heating loads for different climatic zones of India. Journal of Cleaner Production, cilt. 276, 123117. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123117
6. [6] Carpio M., L´opez-Ochoa, L. M., Las-Heras-Casas, J., Verichev, K. 2022. Influence of heating degree day calculation methods in designing the thermal envelope of buildings. Journal of Building Engineering, cilt. 46, 103604. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103604
7. [7] Taşdelen, F. 2015. Bir Binanın Termal Konforunu Sağlamak İçin Tasarlanan Toprak Hava Isı Değiştiricisinin Bilgisayar Destekli Analizi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Elazığ. 85s.
8. [8] Al-Ajmia, F., Lovedayb, D. L., Hanby, V. I. 2006. The cooling potential of earth–air heat exchangersfor domestic buildingsin a desert climate. Building and Environment, cilt. 41, s. 235–244. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.01.027

9. [9] Shukla, A., Tiwari, G. N., Sodha, M. S. 2006. Thermal modeling for greenhouse heating by using thermal curtain and an earth–air heat exchanger. Building and Environment, cilt. 41, s. 843–850. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.04.014
10. [10] Belatrache, D., Bentouba, S., Bourouis, M. Numerical analysis of earth air heat exchangers at operating conditions in arid climates. International Journal of Hydrogen Energy, 42 (2017) 8898-8904.
11. [11] Bisoniya, T. S., Kumar, A., Baredar, P. 2015. Energy metrics of earth–air heat exchanger system for hot and dryclimatic conditions of India. Energy and Buildings,cilt. 86, s. 214–221. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.10.012
12. [12] Menhoudj, S., Mokhtari, A.−M., Benzaama, M.-H., Maalouf, C., Lachi, M., Makhlouf, M. 2018. Study of the energy performance of an earth—Air heat exchanger forrefreshing buildings in Algeria. Energy and Buildings, cilt. 158, s. 1602–1612. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.11.056
13. [13] Ozel, M. 2013. Thermal, conomical and environmental analysis of insulated building walls in a cold climate. Energy Conversion and Management, cilt. 76, s. 674-684. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.08.013
14. [14] Ulaş, A. 2010. Binalarda TS 825 hesap yöntemine göre ısı kaybı, yakıt tüketimi, karbondioksit emisyonu hesabı ve maliyet analizi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. 155s.
15. [15] Kon, O. 2014. Farklı amaçlarla kullanılan binaların ısıtma ve soğutma yüklerine göre optimum yalıtım kalınlıklarının teorik ve uygulamalı olarak belirlenmesi, Doktora Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir. 288 s.
16. [16] Jraida K., Farchi A., Mounir B., Mounir İ. 2017. A study on the optimum insulation thickness of building walls respect to different zones in Morocco. International Journal of Ambient Energy, cilt, 38(6), s. 550-555. https://doi.org/10.1080/01430750.2016.1155490
17. [17] Alghoul, S. K., Gwesha, A. O, Naas A. M. 2016. The effect of electricity price on saving energy transmitted from external building walls, Energy Research Journal, cilt. 7(1), s. 1-9. https://doi.org/10.3844/erjsp.2016.1.9
18. [18] Kon, O. ˙Caner, I. 2020. Life Cycle Cost Analysis of the Buildings in Turkey Related to Energy Consumption Due to ExternalWall Insulation, ss. 123-135. Environmentally-Benign Energy Solutions, 876 s. Green Energy and Technology, Springer Nature Switzerland AG. 123-135.
19. [19] Limak Enerji Uludağ Elektrik Verileri (Erişim Tarihi: 01.11. 2021)
20. [20] Dombaycı, Ö. A. Gölcü, M. Pancar, Y. 2006. Optimization of insulation thickness for external walls using different energy-sources, Applied Energy, cilt. 83(9), s. 921-928. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2005.10.006
21. [21] TS 825, Binalarda Isı Yalıtım Kuralları, Türk Standardı, Aralık 2013.
22. [22] TS 825, Binalarda Isı Yalıtım Kuralları, Türk Standardı, Mayıs 2008.
23. [23] deLlano-Paz, F., Calvo-Silvosa, A., Antelo S. I., Soares, I. 2018. Power generation and pollutant emissions in the European Union: A mean-variance model. Journal of Cleaner Production, cilt. 181, s. 123-135. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.108
24. [24] Molenbroek, E., Smith, M., Surmeli, N., Schimschar, S. (Ecofys), Waide, P. (Waide Strategic Efficiency), Tait, J. (Tait Consulting), McAllister, C. (Sea Green Tree). 2015. European Commission, Savings and benefits of global regulations for energy efficient products A ‘cost of non-world’ study, Final report,September.