Performance Analysis of a PVT Integrated CO2 Powered Hybrid Heat Pump System

Abstract

The human population in the world and in our country is constantly increasing. As a natural consequence of this increase, consumption is increasing. At the beginning of the increasing consumption is the need for energy. Many of the limited and decreasing energy resources on earth cause harm to the planet with their use. Thanks to these preferred environmental and sustainable energy sources, a reduction in environmental pollution and a slowdown in global warming are achieved. Solar energy is one of these environmental sources. In this study, a system design and theoretical analysis have been made to meet the heating and electrical energy needs of a house designed with a hybrid heat pump with PVT and environmentally friendly CO2 fluid. In the first stage, the heating energy need of the house designed in the study was determined. Afterward, the thermal and electrical analyzes of the PVT were modeled. Finally, the thermodynamic analysis of the heat pump was carried out. As a result of these analyzes and determinations made specifically for the designed system, findings in many parameters were obtained by comparing the system with both CO2 fluid and different fluids. The obtained findings are given in the thesis in graphic and chart formats comparatively.

Keywords

• PVT
• CO2
• Heat Pump
• Solar energy

PVT Entegreli CO2 İle Çalışan Hibrit Bir Isı Pompası Sisteminin Performans Analizi

Abstract

Dünyada ve ülkemizde insan nüfusu sürekli olarak artış eğilimi göstermektedir. Bu artışın doğal bir sonucu olarak tüketim artmaktadır. Artan tüketimlerin başında ise enerji ihtiyacı gelmektedir. Yeryüzünde sınırlı ve her geçen gün azalmakta olan enerji kaynaklarının birçoğu ise gezegene kullanımlarıyla beraber zararlar vermektedirler. Tercih edilen bu çevreci ve sürdürülebilir enerji kaynakları sayesinde ise çevre kirliliğinde azalma ve küresel ısınmada yavaşlama sağlanmaktadır. Bu çevreci kaynakların başında ise güneş enerjisi gelmektedir. Bu çalışmada PVT’li ve çevreci CO2 akışkanlı hibrit bir ısı pompası ile tasarlanan bir evin ısınma ve elektrik enerjisi ihtiyacının karşılanması için bir sistem tasarımı ile teorik incelemesi yapılmıştır. İlk aşamada, çalışmada tasarlanan evin ısınma enerjisi ihtiyacı belirlenmiştir. Daha sonrasında ise PVT’nin modellenmesi ile termal ve elektriksel analizleri yapılmıştır. Son olarak da ısı pompasının termodinamik analizi gerçekleştirilmiştir. Dizayn edilen sistem özelinde yapılan bu analiz ve belirlemeler sonucunda ise gerek CO2 akışkanı gerekse farklı akışkanlar ile sistem karşılaştırmak suretiyle birçok parametrede bulgular elde edilmiştir. Elde edilen bulgular grafik ve çizelge formatında karşılaştırmalı şekilde makalede verilmiştir.

Keywords

• PVT
• CO2
• Isı Pompası
• Güneş Enerjisi

References

1. [1] Şensoy, B. 2019. Güneş enerjisi destekli ısı pompası sistemlerinin performans analizi. Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Ankara.
2. [2] Özgür, A. E., & Bayrakçı, H. C. 2010. CO2 Soğutucu Akışkanlı Isı Pompalarında Soğutucu Akışkan Çıkış Sıcaklığının Ekserji Verimine Etkisi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 73-78.
3. [3] Alessandro, M., Aste, N., Claudio, D. P., & Fabrizio, L. 2021. Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications: Integration and design methods. Energy and Built Environment, 1-18.
4. [4] Daghigh, R., Ruslan, M. H., & Sopian, K. 2011. Advances in liqiuid based photovoltaic/thermal(PV/T) collectors. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 4156-4170.
5. [5] Akova, İ. 2010. Enerji Ve Alternatif Enerji Kaynaklari. İstanbul Üniversitesi, Açık ve Uzaktan Eğitim Fakültesi, Coğrafya Ders Notları.
6. [6] Yüce, M. 2016. İki Kademeli CO2 Transkritik Çevrimli Bir Isı Pompası Sisteminin Termodinamik Analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Isparta.
7. [7] Lorenzo, C., & Narvarte, L. 2019. Performance indicators of photovoltaic heat-pumps. Heliyon, 1-16.
8. [8] Noro, M., & Lazzarin, R. M. 2018. Hybrid Photovoltaic–Thermal Heat Pump Systems: Energy And Economic Performance Evaluations In Different Climates. International Journal of Low-Carbon Technologies, 76-83.

9. [9] Anonim, 2022a. Solar Şarj Kontrol Cihazı Nedir? Ne değildir? PWM MPPT Farkı. https://solaravm.com/gunes-enerjisi-solar-sarj-kontrol-cihazlari-hakkinda#:~:text=Solar%20%C5%9Farj%20kontrol%20cihaz%C4%B1%20veya,ve%20ak%C4%B1m%C4%B1%20dengelemeye%20yarayan%20cihazlard%C4%B1r. (Erişim tarihi: 08.11.2022)
10. [10] TSE, 2009. TS 825 Binaların Isı Yalıtım Kuralları. TSE, Ankara.
11. [11] Erten, S., Koşan, M., İşgen, F., Demirci, E., Aktaş, M. 2021. Thermodynamic Analysis of Industrial Cooling Systems with the Usage of Different Types of Evaporators: Experimental Study. Gazi University Journal of Science. 1145-1161.
12. [12] Bahadır, M. B. 2019. Güneş Enerjisi Destekli Bir Organik Rankine Çevriminin Simülasyonu Ve Analizi. Akdeniz Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Antalya.
13. [13] Kızılkan, Ö. 2004. Kompresörlü Soğutma sistemlerinde Farklı Soğutucu Akışkanlar İçin Aşırı Kızdırma Ve Aşırı Soğutma Etkisinin Termoekonomik Yönden İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Isparta.
14. [14] Anonim, 2021. Türkiye Global Güneş Radyasyonu Uzun Yıllar Ortalaması.https://www.mgm.gov.tr/kurumici/radyasyon_iller.aspx?il=antalya (Erişim tarihi 12.01.2021)
15. [15] Anonim, 2022c. Antalya. https://www.havaturkiye.com/weather/maps/city?FMM=11&FYY=2011&LMM=11&LYY=2021&WMO=17300&CONT=trtr®ION=0005&LAND=TU&ART=WST&R=0&NOREGION=0&LEVEL=162&LANG=tr&MOD=tab (Erişim tarihi: 08.01.2022)
16. [16] Anonim, 2022e. What is the EVA? https://www.eco-greenenergy.com/what-is-the-eva/#:~:text=EVA%20is%20ethylene%20vinyl%20acetate,film%20around%20the%20solar%20cells. (Erişim tarihi: 06.03.2022)
17. [17] Anonim, 2022f. Tedlar- PET-AI Foil- Tedlar. https://sinovoltaics.com/learning-center/materials/tedlar-pet-ai-foil-tedlar/#:~:text=Tedlar%20is%20the%20brand%20name,(%2D70%C2%B0C%20to%20%2B (Erişim tarihi: 07.04.2022)
18. [18] Anonim, 2022d. Siemens Solar Panels direct from Bullnet. https://www.siemen.co.uk/sp75_sp70.html (Erişim tarihi: 01.01.2022)
19. [19] Sarhaddi, F., Farahat, S., Ajam, H., Behzadmehr, M. & Adeli, M. M. 2010. An improved thermal and electrical model for a solar photovoltaic thermal (PV/T) air collector. Applied Energy. 2328-2339.
20. [20] Grozdev, M. 2010. Alternatif Enerji Kaynakları: Güneş Enerjisi Ve Güneş Pilleri. İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul.
21. [21] Mota-Babiloni, A., Joybari, M. M., Navarro-Esbrí, J., Mateu-Royo, C., Barragán-Cervera, A., Amat-Albuixecha, M. & Molés, F. 2020. Ultralow-temperature refrigeration systems: Configurations and refrigerants to reduce the environmental impactSystèmes frigorifiques à ultra-basse température : configurations et frigorigènes permettant de réduire l’impact environnemental. International Journal of Refrigeration. 147-158.
22. [22] Anonim, 2022g. https://www.arcelik.com.tr/ (Erişim tarihi: 13.05.2022) [23] Anonim, 2022h. https://www.lighting.philips.com.tr/consumer (Erişim tarihi: 13.05.2022)