Farklı tasarımlara sahip düzlemsel kollektörlerin farklı enerji sistemlerinde kullanımın incelenmesi ve optimizasyonu

Abstract

Konut ısıtma, soğutma ve güç gereksinimleri, enerji yönetimi açısından temel öneme sahiptir. Artan enerji talebi, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını giderek daha önemli hale getirmiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının ve atık ısının birlikte kullanımı, konut binalarının enerji performansını optimize etmek adına oldukça verimli bir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Bu hibrit yaklaşım, hem enerji arz güvenliğinin sağlanmasına katkıda bulunmakta hem de karbon ayak izini azaltarak sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşılmasına destek olmaktadır. Çalışmada, düşük güneş ışınımı koşullarında çalışabilen güneş enerjisi destekli ısıtma, soğutma ve elektrik üretim sistemleri incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında güneş enerjisi destekli tekli soğutma (GDAS) sistemi, ikinci aşamasında hibrit ısıtma ve soğuma (GDHIS) sistemi, son aşamasında hibrit ısıtma, soğutma ve güç üretim (GDHISG) sistemi tasarlanmıştır. Sistemin güneş enerjisi tarafında farklı tipte güneş toplayıcıları kullanılmıştır. Yaz mevsiminde soğutma ihtiyacı, tek kademeli absorbsiyonlu soğutma sistemi ile karşılanırken, kış mevsiminde ısıtma ihtiyacı güneş enerjisi destekli doğal gazlı kombi ile sağlanmıştır. Ayrıca, kombi ve soğutma sistemlerinden elde edilen atık ısı, termoelektrik jeneratörler (TEG) kullanılarak güç üretiminde değerlendirilmiştir. TEG’ler faz değişim malzemesi ile doldurulmuş bir ısı değiştirici üzerine yerleştirilmiştir. İncelenen sistemlerde Net Bugünkü Değer analizi sonucunda en yüksek NBD’ye sahip tasarımlar vakum tüplü kollektöre (ETC) sahip sistemlerdir. ETC’li tasarımlarda NBD değeri GDAS için 6726.13 US$, GDHIS için 3941.49 US$ ve GDHISG için 29.84 US$ olarak hesaplanmıştır. ETC’li tasarımlar için ekserji verimi; GDAS için %2.39, GDHIS için %4 ve GDHISG için %4.93 olarak belirlenmiştir. ETC kullanan GDHIS sisteminde 209.77 m3 doğalgaz tasarrufu sağlanmıştır. TEG’de yıllık toplam 138. 53 kW’lık elektrik üretimi tespit edilmiştir. Tasarlanan sistemlerin optimal noktalarında linyit yakıt bazında GDAS sistemi için 15890.2 kg, GDHIS için 16005.6 kg ve GDHISG için 17696.82 CO₂ emisyon tasarrufu sağlayacağı hesaplanmıştır.

Heating, cooling, and power requirements of residential buildings are of fundamental importance in terms of energy management. The increasing energy demand has made the use of renewable energy sources increasingly significant. The combined use of renewable energy sources and waste heat is considered a highly efficient alternative to optimize the energy performance of residential buildings. This hybrid approach contributes to ensuring energy supply security and supports achieving sustainability goals by reducing the carbon footprint. In this study, solar energy-supported heating, cooling, and power generation systems capable of operating under low solar radiation conditions were analyzed. In the first phase of the study, a solar energy-supported single cooling system (GDAS) was designed. In the second phase, a hybrid heating and cooling system (GDHIS) was developed. In the final phase, a hybrid heating, cooling, and power generation system (GDHISG) was introduced. Cooling needs during the summer were met using a single-stage absorption cooling system, while heating requirements during the winter were provided by a solar energy-assisted natural gas boiler. Additionally, the waste heat from the boiler and cooling systems was utilized for power generation using thermoelectric generators (TEGs). The TEGs were placed on a heat exchanger filled with phase change material. As a result of the Net Present Value analysis in the examined systems, the designs with the highest NPV are the systems with vacuum tube collector (ETC). NPV value for designs with ETC was calculated as 6726.13 US$ for GDAS, 3941.49 US$ for GDHIS and 29.84 US$ for GDHISG. Exergy efficiency for designs with ETC was determined as 2.39% for GDAS, 4% for GDHIS and 4.93% for GDHISG. 209.77 m3 of natural gas was saved in the GDHIS system using ETC. A total annual electricity production of 138. 53 kW was determined in TEG. It has been calculated that the designed systems will provide 15890.2 kg CO₂ emission savings for the GDAS system, 16005.6 kg for GDHIS and 17696.82 kg for GDHISG based on lignite fuel at the optimal points.