Residential Heating Application with Eco Design Approach

Year 2024, , 72 - 87, 15.03.2024

Buğra Şensoy , Mustafa Aktaş

https://doi.org/10.31466/kfbd.1349973

Abstract

In line with the prevalent concept of energy architecture, eco-design applications, and green building certifications are gaining increasing prestige day by day. To qualify for these certifications, the energy consumed in buildings must be produced on-site using renewable energy technologies, and the use of fossil fuels must be restricted. Additionally, during the certification process, thermal insulation processes take precedence concerning the effective and efficient use of energy. Furthermore, this study serves as an exemplary application for buildings to be constructed within the scope of nSEB, adhering to the above criteria. In this study, focusing on the effective energy efficiency of a villa in Ankara's climate conditions, thermal insulation was implemented according to the TS 825 "Heat Insulation Rules in Buildings" standard, and the heating load required during the villa's heating season was calculated. In the villa where a gas-burning device is typically used for space heating and domestic hot water under normal conditions, a new-generation heating system, supported by PV/T panels, was designed, and a heat pump system was employed. In the design, evaporation and condensation temperatures were set at 10°C and 50°C, respectively, with R410A refrigerant used in the system. The COP of this solar-integrated heat pump system was calculated as 4.65. The PV/T supported heat pump system alone met 39.60% of the villa's energy needs for space heating and domestic hot water, eliminating the need for a gas-burning device. The amount of natural gas saved during the heating season was calculated as 426.37 m³, with an economic equivalent estimated at 2,579.41 ₺. Moreover, it was determined that a reduction in natural gas consumption prevented 0.861 tons of CO2 emissions annually.

Keywords

Energy efficiency, Eco design, Photovoltaic thermal panel, Heat pump, Green building certification, Nearly zero-energy building

Eko Tasarım Yaklaşımıyla Mesken Isıtma Uygulaması

Abstract

Günümüzde oldukça popüler olan enerji mimarisi kavramına bağlı olarak eko tasarım uygulamaları ve yeşil bina sertifikaları günden güne prestij kazanmaktadır. Bu sertifikaların alınabilmesi için, yapılarda tüketilen enerjinin yerinde ve yenilenebilir enerji teknolojileri ile üretilerek fosil yakıtların kullanımının sınırlandırılması gerekmektedir. Bunun yanında, sertifika alım sürecinde, enerjinin etkin ve verimli kullanılabilmesi konusunda ısı yalıtımı süreçleri de ön plana çıkmaktadır. Ayrıca bu çalışma yukarıdaki kriterler dahilinde, nSEB kapsamında inşa edilecek binalar için örnek bir uygulama mahiyetini de taşımaktadır. Yapılan bu çalışmada Ankara iklim şartlarında yer alan bir villanın etkin enerji verimliliği süreci için TS 825 “Binalarda Isı Yalıtım Kuralları” standardına bağlı kalınarak ısı yalıtımı yapılmış ve villanın ısıtma sezonunda ihtiyaç duyacağı ısıtma yükü hesaplanmıştır. Normal koşullarda mahal ısıtma ve kullanım sıcak suyu için gaz yakıcı cihaz kullanılan villada, PV/T paneller desteği ile yeni nesil bir ısıtma sistemi tasarımı yapılmış ve ısı pompası sistemi kullanılmıştır. Yapılan tasarımda evaporasyon ve kondenzasyon sıcaklıkları sırasıyla 10°C ve 50°C olarak kabul edilerek sistemde R410A soğutucu akışkanı kullanılmıştır. Güneş enerjisi destekli bu ısı pompası tasarımının COP değeri 4,65 olarak hesaplanmıştır. Isıtma sezonunda villanın mahal ısıtma ve kullanım sıcak suyu için ihtiyacı olan 1.345,88 kWh enerjinin %39,60’sında gaz yakıcı cihaza gereksinim duyulmadan tek başına PV/T destekli ısı pompası sistemi enerji ihtiyacını karşılamış, ısıtma sezonu boyunca tasarruf edilen doğalgaz miktarı 426,37 m3, bu miktarın ekonomik karşılığı ise 2.579,41 ₺ olarak hesaplanmıştır. Ayrıca doğalgaz tüketiminde yaşanan azalma ile yılda 0,861 ton CO2 salınımının önüne geçildiği saptanmıştır.

Keywords

Enerji verimliliği, Eko tasarım, Fotovoltaik termal panel, Isı pompası, Yeşil bina sertifikası, Neredeyse sıfır enerjili bina

References

• Altınkaynak, M., Demirekin, R. and Yakut, A.K. (2021). Energy and exergy analysis of a PV-T collector welded heat pump system. Niğde Ömer Halisdemir University Journal of Engineering Sciences, 10(2), 753-762.
• Chen, J. and Jianlin Y. (2018). Energy and exergy analysis of a new directexpansion solar assisted vapor injection heat pump cycle with subcooler for water heater. Solar Energy, 171,613-620.
• Chow, T.T., Tiwari, G.N. and Ménézo, C. (2012). Hybrid solar technology for power polygeneration and energy saving. International Journal of Photoenergy, 2012.
• Dehwah, A. H. A., and Asif, M. (2017). Assessment of net energy contribution to buildings by rooftop photovoltaic systems in hot-humid climates. Renewable Energy, 131, 1288-1299.
• Elhuveydi, A. and Oral, F. (2022). Evaluation of structural problems that cause heat loss in buildıngs with thermal camera imaging technique. Kahramanmaras Sutcu Imam University Journal of Engineering Sciences, 25(3), 370-380.
• Ertürk, M. ve Okuyan, C. (2005). Geliştirilen bilgisayar programıyla ülkemizdeki illere göre güneş kolektörü yüzeyinin hesaplanması ve seçilmesi. 4th International Advanced Technologies Symposium (s. 157-161). Konya, Türkiye.
• Gül, M. ve Akyüz, E. (2019). Fotovoltaik-termal (PV/T) bir sistemin deneysel performansının incelenmesi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 21(1), 444-458.
• Irulegi, O., Pardo, A.R., Serra, A., Salmerón, J.M., and Vega, R. (2017). Retrofit strategies towards net zero energy educational buildings: A case study at the University of the Basque Country. Energy and Buildings, 144, 387-400.
• Jain, M. and Pathak, K. (2018). Thermal modelling of insulator for energy saving in existing residential building. Journal of Building Engineering, 19, 62–68.
• Jaysawal, K.R., Chakraborty, S., Elangovan, D., and Padmanaban S. (2022). Concept of net zero energy buildings (NZEB)- a literature review. Cleaner Engineering and Technology, 11(3), 100582.
• Lazzarin, R. (2020). Heat pumps and solar energy: A review with some insights in the future. International Journal of Refrigeration, 116(2), 146-160.
• Li, H. and Sun, Y. (2018). Operational performance study on a photovoltaic loop heat pipe/solar assisted heat pump water heating system. Energy and Buildings, 158, 861-872.
• Mermer, M. (2019). Bina ısı yalıtım sistemlerinin incelenmesi ve optimizasyonu. Yüksek lisans tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
• Öztürk, M. (2021). PV/T destekli ısı pompalı sıcak su üretim sisteminin enerji, ekserji ve ekonomik analizi. Doktora tezi, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri.
• Rüşen, S.E., Topçu, M.A., Celep, G.K., Çeltek, S.A. ve Rüşen, A. (2018). Üniversite kampüs binaları için enerji etüdü: Örnek çalışma. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 33(2), 83-92.
• Şensoy, B. (2019). Güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinin performans analizi. Yüksek lisans tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• URL-1: https://www.baskentdogalgaz.com.tr/tr/page/Satis-Tarifeleri-ve-Fiyatlari/31 , (Erişim Tarihi: 25 Ağustos 2023).
• Wang, G., Zhao, Y., Quan, Z. and Tong, J. (2018). Application of a multi-function solar-heat pump system in residential buildings. Applied Thermal Engineering, 130: 922-937.
• Wang, Z., Haung, D., Wang, P., Shen, Q., Zhang, Q. and Sun, Y. (2015). An analysis of solar heating system assisted by ground-source heat pumps in office building. Procedia Engineering, 121, 1406-1412.
• Zhang, P., Rong, X., Yang, X. and Zhang, D., (2019). Design and performance simulation of a novel hybrid PV/T-air dual source heat pump system based on a three-fluid heat exchanger. Solar Energy, 191(8), 505-517.
• Zho, J., Ma, X., Zhao, X., Yuan, Y., Yu, M., and Li, J. (2020). Numerical simulation and experimental validation of a micro-channel PV/T modules based direct-expansion solar heat pump system. Renewable Energy, 145(5), 1992-2004.