Hava, Su ve Toprak Kaynaklı Isı Pompalarının Farklı Soğutucu Akışkanlar için Enerji ve Ekserji Analizi

Abstract

Bu teorik çalışmada; Ankara ilinin Gölbaşı ilçesinde konut ısıtması için kullanılacak hava, su ve toprak kaynaklı ısı pompalarının enerji ve ekserji analizi yapılmıştır. Gölbaşı ilçesinde son on yıl içerisinde görülmüş olan en düşük hava ve toprak sıcaklığı Meteoroloji Genel Müdürlüğünden, son on yıl içerisinde görülmüş olan en düşük su sıcaklığı (Mogan Gölünde görülmüş olan en düşük sıcaklık) ise Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğünden temin edilmiştir. Isı pompası çevriminde iş akışkanı olarak R134a, R407a, R410a, R600a ve R1234yf soğutucu akışkanları seçilmiştir. Çalışmada; ısıtılacak ortam sıcaklığı, her bir ısı pompası için aynı seçilerek Gölbaşı şartlarında her bir ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı (ITK ≡ COP) ve ekserji verimi (ηII) hesaplanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Buna göre; bu çalışmada iş akışkanı olarak kullanılan tüm soğutucu akışkanlar için Gölbaşı şartlarında, toprak kaynaklı ısı pompasının, hava ve su kaynaklı ısı pompalarına göre daha iyi bir ITK değerine sahip olduğu görülmüştür. Diğer taraftan hava kaynaklı ısı pompasının su ve toprak kaynaklı ısı pompalarına göre daha iyi bir ηII değerine sahip olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca; tüm ısı pompası türleri için, R600a soğutucu akışkanının bu çalışmada kullanılan diğer soğutucu akışkanlara göre daha iyi bir performans sağladığı görülmüştür.

Keywords

• Isı pompası
• IP
• ITK
• R1234yf
• Ekserji analizi

Energy and Exergy Analysis of Air, Water, and Ground Source Heat Pumps for Different Refrigerants

Abstract

In this theoretical study, energy and exergy analysis of the air, water, and ground source heat pumps used for residential heating in Gölbaşı district of Ankara were carried out. The lowest air and soil temperatures seen in the last ten years in the Gölbaşı district were provided from the Turkish State Meteorological Service and the lowest water temperature (the lowest temperature seen in Mogan Lake) seen in the last ten years was provided from General Directorate of State Hydraulic Works. In the heat pump cycle, R134a, R407a, R410a, R600a, and R1234yf refrigerants were chosen as the working fluid. In the study, the coefficient of performance (COP) and exergy efficiency (ηII) of each heat pump were calculated and compared at Gölbaşı conditions by selecting the same ambient temperature for the residence to be heated for each heat pump. According to this, it was concluded that the ground source heat pump has a better COP value than the air and water source heat pumps and air source heat pump has a better ηII value than the water and ground source heat pumps for all refrigerants used as working fluid in this study at Gölbaşı conditions. In addition, it was observed that R600a refrigerant has a better performance than the other refrigerants for all type heat pumps.

Keywords

• Heat pump
• HP
• COP
• R1234yf
• Exergy analysis

References

1. Yamankaradeniz R., Horuz İ., Kaynaklı Ö., Coşkun S., Yamankaradeniz N., ''Soğutma Tekniği ve Uygulamaları'', Dora Yayıncılık, Bursa, Türkiye, 2009.
2. Demir H., ''Toprak kaynaklı ısı pompası ve toprak ısı değiştiricilerinin optimizasyonu ve geliştirilmesi'', Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2006.
3. Clean Energy Project Analysis, RETScreen® Engineering & Cases Textbook, ''Ground-source heat pump project analysis'', Minister of Natural Resources Canada, Canada, M39-110/2005E-PDF, 2005.
4. Alkan R., ''Farklı soğutucu akışkanlar için toprak kaynaklı ısı pompasının termoekonomik analizi'', Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2014.
5. Incognito Heat Co. Heat pumps. https://www.incognitoheatco.com/heat-pumps-scotland. Erişim tarihi Mart 21, 2020.
6. Kıncay O., ''Isı Pompaları'', Ders Notları (Yayımlanmamış),Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul.
7. Elbir A., ''Toprak kaynaklı ısı pompasının termodinamik analizi'', Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2010.
8. Emmi G., Zarrella A., Carli M.D., Galgaro A.,''An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates'', Elsevier, Energy Conversion and Management, 2015, 106: 660-675.

9. Sagia Z., Rakopoulos C., ''Alternative refrigerants for the heat pump of a ground source heat pump system'', Elsevier, Applied Thermal Engineering, 2016, 100: 768-774.
10. Menberg K., Heo Y., Choi W., Ooka R., Choudhary R., Shukuya M., ''Exergy analysis of a hybrid ground-source heat pump system'', Elsevier, Applied Energy, 2017, 204: 31-46.
11. Al‐Khalıdı M.M.H., ''Toprak kaynaklı ısı pompası ile ısparta şartlarında bir ısıtma uygulaması'', Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2018.
12. Toksöz S., Soyhan H.S., Topaçoğlu Y., Taymaz İ., Büyükkaya E., ''Toprak kaynaklı ısı pompasında ikinci yasa verimi'', Ulusal İklimlendirme Kongresi ve Fuarı, İklim 2011, Antalya, 2011.www1.mmo.org.tr Erişim tarihi Ocak 12, 2020.
13. Wu W., Skye H.M., ''Progress in ground-source heat pumps using natural refrigerants'', Elsevier, International Journal of Refrigeration, 2018, 92: 70-85.
14. Wang Z., Wang F., Ma Z., Song M., ''Numerical study on the operating performances of a novel frost-free air-source heat pump unit using three different types of refrigerant'', Elsevier, Applied Thermal Engineering, 2017, 112: 248-258.
15. Liu S., Li Z., Dai B., Zhong Z., Li H., Song M., Sun Z., ''Energetic, economic and environmental analysis of air source transcritical CO2 heat pump system for residential heating in China'', Elsevier, Applied Thermal Engineering, 2019, 148:1425-1439.
16. Fei L., Pingfang H., ''Energy and exergy analysis of a ground water heat pump system'', Elsevier, Physics Procedia, 2012, 24: 169-175.
17. Saçkan Ö., ''Deniz suyu kaynaklı ısı pompası sisteminin termodinamik analizi: bir otel uygulaması'', Yüksek Lisans Tezi, Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Muğla, 2018.
18. Chata F.B., Chaturvedi S.K., Almogbel A., ''Analysis of a direct expansion solar assisted heat pump using different refrigerants'', Elsevier, Energy Conservation and Management, 2005, 46: 2614-2624.
19. Afshari F., Çomaklı Ö., Karagöz Ş., Zavaragh H.G., ''A thermodynamic comparison between heat pump and refrigeration device using several refrigerants'', Elsevier, Energy&Buildings, 2018, 168: 272-283.
20. Çengel Y.A., Boles M.A., ''Termodinamik: Mühendislik Yaklaşımıyla'', Palme Yayıncılık, İzmir, Türkiye, 2008.
21. Turgut O.E., ''Soğutucular için kaynama ısı transferi denklemlerinin irdelenmesi'', Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 2011.
22. Rohsenow W.M., Hartnett J.P., Cho Y.I., ''Handbook of Heat Transfer'', Third Edition, McGraw-Hill, USA, 1998.
23. Incropera F.P., Dewitt D.P., Bergman T.L., Lavine A.S., ''Fundamentals of Heat and Mass Transfer'', Sixth Edition, Wiley, USA, 2007.
24. Kotas T.J., ''The Exergy Method of Thermal Plant Analysis'', Butterworths, Britain, 1985.
25. Dincer İ., Rosen M.A., ''Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development'', Elsevier, USA, 2007.