Theoretical Energy and Exergy Analysis for the Use of Air and Ground Source Heat Pump: The Case of Kastamonu Province

Year 2023, Volume: 28 Issue: 1, 140 - 153, 30.04.2023

Mehmet Gürdal

https://doi.org/10.53433/yyufbed.1112972

Abstract

This study includes energy and exergy analysis when air and ground source heat pumps are used for residential heating in Kastamonu province. The lowest air and soil temperatures measured in Kastamonu between December and March between 2000-2021 were taken into account. R134a, R407c, R410a and R500 are used as refrigerants for the heating process that will benefit from residential heating. In the study discussed, the ambient temperature to be heated was chosen the same for each heat pump, the heating performance coefficient (COP) and the second law efficiency were calculated and the results were compared. As a result, it has been observed that air source heat pump provides better performance than ground source heat pumps for all refrigerants in Kastamonu conditions. On the other hand, it was concluded that air source heat pump has higher second law efficiency than ground source heat pumps. In addition, it has been determined that the R500 refrigerant provides better performance than other refrigerants.

Keywords

COP, Energy analysis, Exergy analysis, Heat pump, Second law efficiency

Hava ve Toprak Kaynaklı Isı Pompası Kullanımı için Teorik Enerji ve Ekserji Analizi: Kastamonu İli Örneği

Abstract

Bu çalışma Kastamonu ilinde hava ve toprak kaynaklı ısı pompalarının konut ısıtması için kullanılması halinde enerji ve ekserji analizini içermektedir. Kastamonu’nun 2000-2021 tarihleri arasında Aralık-Mart dönem aralığında ölçülmüş en düşük hava ve toprak sıcaklıkları dikkate alınmıştır. Konut ısıtmasında yararlanılacak ısıtma işlemi için soğutucu akışkan olarak R134a, R407c, R410a ve R500 kullanılmıştır. Ele alınan çalışmada ısıtılacak ortam sıcaklığı, her bir ısı pompası için aynı seçilerek ısıtma performans katsayısı (COP) ve ikinci yasa verimi hesaplanmış ve sonuçlar kıyaslanmıştır. Sonuç olarak tüm soğutucu akışkanlar için Kastamonu şartlarında, toprak kaynaklı ısı pompasının, hava kaynaklı ısı pompalarına göre daha iyi performans sağladığı gözlemlenmiştir. Öte yandan toprak kaynaklı ısı pompasının hava kaynaklı ısı pompalarına göre daha yüksek ikinci yasa verimine sahip olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca R500 soğutucu akışkanının diğer soğutucu akışkanlara göre daha iyi bir performans sağladığı belirlenmiştir.

Keywords

COP, Ekserji analizi, Enerji analizi, Isı pompası, İkinci yasa verimi

References

• Alkan, R., Kabul, A., & Kızılkan, Ö. (2014). Toprak kaynaklı bir ısı pompasının farklı soğutucu akışkanlar için termodinamik analizi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 34(1), 27-34.
• Bilen, K., & Demir, O. (2021). Hava, su ve toprak kaynaklı ısı pompalarının farklı soğutucu akışkanlar için enerji ve ekserji analizi. El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2), 688–705. doi:10.31202/ecjse.865741
• Caner, M., Duman, N., Buyruk, E., & Kılınç, F. (2019). Yatay toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin Sivas şartlarında performans analizi. Journal of Science and Technology of Dumlupınar University, 042, 47–53.
• Çakır U., & Çomaklı, K. (2011, Nisan). Hava kaynaklı bir ısı pompasının farklı çalışma şartları altında termodinamik performans analizi. X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir.
• Çengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2011). Heat and Mass Transfer-Fundamentals and Applications (4th ed.). New York, USA: Mc Graw Hill.
• Erdoğan, S., Yılmaz, M., Şahin, B., & Özyurt, Ö. (2006). Isı pompası sistemlerinin seçimi. Tesisat Mühendisliği Dergisi, 92, 40-49.
• Gomri, R., Karoune, N., & Khellaf, N. (2018). Energy and exergy analyses of different transcritical CO refrigeration cycles. El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 5(2), 425-436. doi:10.31202/ecjse.402904
• Hepbasli, A., & Akdemir, O. (2004). Energy and exergy analysis of a ground source (geothermal) heat pump system. Energy Conversion and Management, 45(5), 737-753. doi:10.1016/S0196-8904(03)00185-7
• Koyun, T., Koyun, A., & Acar, M. (2005). Soğutma sistemlerinde kullanılan soğutucu akışkanlar ve bu akışkanların ozon tabakası üzerine etkileri. Tesisat Mühendisliği Dergisi, 88, 46-53.
• Klein, S. A., & Alvarado, F. L. (2002). Engineering equation solver. F-Chart Software, Madison, WI, 1.
• Liu, S., Li, Z., Dai, B., Zhong, Z., Li, H., Song, M., & Sun, Z. (2019). Energetic, economic and environmental analysis of air source transcritical CO2 heat pump system for residential heating in China. Applied Thermal Engineering, 148, 1425-1439. doi:10.1016/j.applthermaleng.2018.08.061
• Mao, Q., & Chen, Y. (2017). Experimental investigation of thermal performance of a ground source heat pump system for spring season. Energy and Buildings, 152, 336-340. doi:10.1016/j.enbuild.2017.07.067
• Michineau, T., Cavalier, G., & Devin, E. (2014, June). F-gases in refrigerated transport. http://tecnea-italia.it/documents/F-gases-in-Refrigerated-Transport.pdf Erişim tarihi: 02.04.2023.
• Naili, N., Hazami, M., Kooli, S., & Farhat, A. (2015). Energy and exergy analysis of horizontal ground heat exchanger for hot climatic condition of northern Tunisia. Geothermics, 53, 270-280. doi:10.1016/j.geothermics.2014.07.004
• Özgür, A. E., & Manır, M. (2020). R32 Soğutkanlı bir ısı pompasının termodinamik analizi. Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 12(2), 77-83.
• Staffell, I., Brett, D., Brandon, N., & Hawkes, A. (2012). A review of domestic heat pumps. Energy & Environmental Science, 5(11), 9291-9306. doi:10.1039/C2EE22653G
• Toksöz, S., Soyhan, H. S., Topaçoğlu, Y., Taymaz, İ., & Büyükkaya, E. (2011, Kasım). Toprak kaynaklı ısı pompasında ikinci yasa verimi. Ulusal İklimlendirme Kongresi ve Fuarı, Antalya.
• Ünlü, K. (2005). Hava ve toprak kaynaklı ısı pompalarına etki eden parametrelerin incelenmesi. (PhD), Bursa Uludağ University, Institute of Science Bursa, Türkiye.
• Wang, Z., Wang, F., Ma, Z., & Song, M. (2017). Numerical study on the operating performances of a novel frost-free air-source heat pump unit using three different types of refrigerant. Applied Thermal Engineering, 112, 248-258. doi:10.1016/j.applthermaleng.2016.10.040
• Wu, W., & Skye, H. M. (2018). Progress in ground-source heat pumps using natural refrigerants. International Journal of Refrigeration, 92, 70-85. doi:10.1016/j.ijrefrig.2018.05.028
• Yamankaradeniz, R., Horuz, I., & Coskun, S. (2002). Soğutma Tekniği ve Uygulamaları. Bursa, Turkey: Vipaş AŞ Yayınları.
• Yakut, A. (2014). Yeni nesil soğutucu akışkan: R32. https://cloud.essiad.org.tr/sogutma_dunyasi/64.pdf Erişim tarihi:02.04.2023