24 Aralık 2013 | TEKNİK MAKALE 22. Sayı (Kasım-Aralık 2013)

TASARIM, HESAPLAMALAR VE AYARLAMALAR

Giriş
Bu bölüm, başta istenilen enerji talebine dayalı olarak nasıl solar termal sistemler tasarlanacağını ve seçilen sistemin oluşturan farklı bileşenlerin ölçümlerinin nasıl yürütüleceğini açıklamaktadır.
Sistem s hesaplamaları için, en yaygın olarak kullanılan basitleştirilmiş yöntemlerden biri olan Duffie ve Beckman tarafından geliştirilen (1991) ve F-Chart Yöntemi olarak bilinen yöntem kullanılacaktır. Bu yöntem, enerji talebinin kullanıcı tarafından belirlenecek kadarını karşılayan kolektör alanının ve solar termal enerji biriktirme hacminin elde edilmesine olanak vermektedir.
Genel uygulama, sistemlerin optimum finansal seviyeye yakın ve üretim fazlası olmayacak şekilde yaklaşık %60 gibi bir karşılama oranıyla tasarlamak yönündedir.
Bir kez güneşlenme alanı oluşturulduktan sonra, en uygun sistem seçimine dayalı olarak diğer bileşenlerin ölçümlerinin yapılması işlemine başlanabilir. Bu faaliyette, solar termal sistemlerin (güneş kaynaklı ısı üretim sistemleri) bileşen ölçeklerinin nasıl belirleneceğine dair açıklamalar sunulmaktadır.
Tüm solar termal sistemlerin ortak amacı, belirli bir enerji karşılama derecesi elde etmek suretiyle fosil yakıtların tüketimini azaltmaktır. Bu değer her zaman %100’ün altındadır. Her ne kadar mevsimlerarası depolamalarla sağlanan istisnalar olsa dahi bunlar finansal olarak uygulanabilir değildir. Tesisatların tüm enerji ihtiyaçlarını karşılamadığı kabulüyle, solar kaynaklı sistem tarafından karşılanmayan enerjiyi sağlayacak bir yardımcı (ek) sistem her zaman var olacaktır.
Enerji Üretim Talebi
Binalara solar kolektörleri kurmanın amacı ESS ihtiyaçlarını ve bazı durumlarda da ısıtma (iklime bağlı olarak), iklimlendirme, havuz ısıtma vb. gereksinimleri karşılamaktır. Kolektör tasarımı için unutulmaması gereken, kolektörlerin kış mevsimindeki katkısı, yazın elde edilenden daha düşük olurken, kış için güneş enerjisi karşılama oranı yükseltildiğinde yaz mevsiminde fazla üretim ihtimali doğabilmektedir; bu eğilim aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

Bir solar termal sistemi yazın daha yüksek faydalı 
enerji üretim kapasitesine sahiptir. Grafik, yardımcı 
sistemle ESS üretimi için talep eğrisini ve yıllık %30 
ve %60 enerji kapsama oranları olan iki solar termal 
sistem enerjisi için iki ayrı eğriyi göstermektedir.


ESS Talebi
Enerji talepleri günün farklı vakitlerine göre, günden güne (hafta sonları) veya aydan aya (tatil dönemleri) değişebilmektedir. Çoğu durumda, bina için oluşturulabilecek bir ESS tüketim profili mümkün değildir ve dolayısıyla saatlik bir tipik tüketim tahmini yapılmak durumundadır. Daha fazla bilgi elde edilemediği zaman Muntch tarafında geliştirilen (1974) profil kullanılabilir. Isıl güneş tesisat hesaplamalarında sıklıkla kullanılan F-Chart yönteminde aşağıdaki tabloda gösterildiği üzere kullanılan da budur.

Muntch’e göre; ESS günlük tüketimi 
ile standardize saatlik tüketim
yüzde değerleri değişimi (1974).

Bu saatlik veriler, ancak Transol veya T-Sol tipi bir saatlik hesaplama simülasyon uygulaması ısıl güneş tesisat hesaplamalarında kullanılacaksa gereklidir. Basitleştirilmiş yöntemler için Muntch profili kullanılmaktadır.
Muntch eğrisi bir evin gün içerisindeki tipik ESS tüketim eğilimini belirtmektedir; sadece evin günlük toplam tüketim miktarı bilgisiyle, gün içerisinde bir standardize dağılım elde etmek mümkündür.
Evsel ortalama günlük ESS tüketimi 2200 evden elde edilen istatistiklerle elde edilebilir. Bu araştırma Zaragoza Üniversitesi Eneri ve Yapı Grubu tarafından (Grupo de Energía y Edificación de la Universidad de Zaragoza, GEE) şehrin farklı bölgelerindeki ev bloklarında gerçekleştirilen mevsimsel 5 yıllık ölçümlere dayanarak gerçekleştirilmiştir.
Ev başına elde edilen ortalama tüketim miktarı, kimi hükümlerde belirtilen yahut kolektör üreticilerinin ifade ettiği, binalarda kullanıcılar için pratikte herhangi bir katkı sağlamazken hem ilk yatırım hem de sistemin tüm faydalı ömrü boyunca meydana gelecek bakım sorunlarından ötürü daha yüksek maliyetler anlamına gelen daha büyük kolektör alanlı tesisatlar oluşturulmasına sebebiyet verecek büyük değerlerden kayda değer miktarda düşük bir değer olarak 85.3 l/gün olarak bulunmuştur.
İstatistiklere göre, konut doluluk oranı diğer ülke şehirlerinin istatistik verilerine benzer şekilde 3,2 kişi/ev olarak bulunmuştur. Örneğin İspanya’da doluluk oranı 3,2 kişi/ev olarak saptanmıştır.
Solar enerjisi üretiminin kapsayamadığı nüfus yüzdesinin belirli bir verili günlük tüketim için belirlenmesi de konuyla ilgilidir. Bunun için, bir birikimli tüketim yüzde eğrisi oluşturulmuştur (Aşağıdaki tabloya bakınız.)

Ortalama günlük ESS tüketimi birikimli yüzdesi
Bu grafikte, verili bir günlük tüketim –örneğin 120 l/ev/gün– için, ordinat ekseni %20’lik bir değeri işaret etmekte, bu da nüfusun %20 kadarının günlük 120 litre üzerinde konutsal sıcak su tüketimi olduğunu işaret etmektedir. Bir başka deyişle evlerin %80’i günde 120 litreden daha az sıcak su tüketmektedir.
Elde edilen ortalama günlük su tüketimi değerini (85 l/ev/gün) talep miktarı olarak aldığımızda, sonuç olarak evlerin yarısından fazlasının (%58,2) daha az kullanımı olduğu bulunur.
Ortalama mevsimlik tüketimlerin kullanılması yılın farklı ayları için ortalama günlük kullanımın değişimi eğrisini verir. Açıkça görüleceği üzere bu eğri sadece bir kılavuz görevi görmektedir Zira bir aya tamamlanmış özgül ortalama tüketimlerin birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Bunun anlamı şöyle açıklanabilir: Örneğin Ağustos’ta beklenen tüketim hesapta daha düşük olacaktır, zira bu ay genel geçer şekilde tatil ayıdır; kalan çeyrekte ise daha yüksek olacaktır. Aşağıdaki tablo, bloklarda konuşlu evlerdeki ortalama günlük sıcak su tüketiminin yıllık değişimini vermektedir.

Ev başına ortalama mevsimsel günlük 
ESS tüketiminin dağılımı

Tasarım için ev başına ortalama tüketim verisi kullanıldığı takdirde, tüketimin yazın % 31 daha düşük ve kışın % 31 daha yüksek olduğu, bu durumun bu iki uç değer arasında kayda değer bir fark (47 l/ev/gün) yarattığı göz önüne alınmalıdır. Aşağıdaki tablo Zaragoza’da 2200 evde gerçekleştirilmiş olan istatistiki çalışmadan elde edilen aylık değerleri göstermektedir.

Ev başına ortalama günlük tüketim 
bazında her ay için ortalama günlük 
ESS tüketim yüzdeleri

Bu verilerle solar kolektör tasarımcıları önemli ölçüde büyük bina örneklerinin gerçek talebini tahmin edebilirler (2200 ev).
Öne çıkan bir başka soru, tüketimin bir haftaya nasıl dağıtılacağıdır. Ortalama günlük tüketimin değişimi Avrupa araştırma projesi Thermie kapsamında da belirtilen Zaragoza’daki Residencial Parque Goya bölgesinde 50 evlik bir blokta incelenmiştir. Bu analiz, Muntch tarafından elde edildiği gibi sabah ve öğleden sonra arasında kesin ortalama farklar belirlenmesini sağlamamasına karşın bireysel olarak tekrarlayan bir hareket tarzı ortaya koymaktadır.
Çalışma günleri ve hafta sonu günleri arasındaki farklara dair ise yine kesin sonuçlara varmak mümkün olmamaktadır. Tüm ailenin hafta sonu faaliyetlerinden dönüşüne karşılık gelen Pazar gecesi yaşanan bir dizi tüketim doruğu durumu haricinde bu iki ayrı süreç arasındaki tüketim anlamlı bir farklılık göstermemektedir.
Aşağıdaki tabloda Mart 2002’de toplanan verilerle oluşturulmuş 50 evin ortalama günlük tüketim sonuçları gösterilmektedir.
Ev başına günlük tüketime dair bir ortalama rakam olarak 88,3 litre/gün sonucu elde edilmiştir ki bu sonuç 2200 evden elde edilene oldukça yakındır. Ev başına 3,2 kişilik bir ortalama konut doluluk oranı varsayarak, kişi başı günlük tüketim miktarı 27,6 litre/gün/kişi olarak bulunmaktadır.

Residencial Parque Goya (Zaragoza) bölgesindeki 
50 evlik örnek grup üzerinden, ev başına ortalama 
günlük tüketimin hafta süresince değişimi

Gösterilen sonuçlardan ortaya çıkartılabilecek nihai netice, tipik bir blok ev için ısıl güneş tesisatı tasarlamak için ev başına yıllık ortalama tüketimin 85.3 l/ev alınabileceği, bunun da mevzu bahis aya göre düzeltilebileceğidir. Gün içerisnde saatlik tüketimsel dağılım Muntch’e benzer şekilde alınabilir ve haftanın tüm günleri için aile başı bir sabit tüketim kullanılabilir.
Diğer tip evler ve kullanımlar için ise aşağıdaki tablo İspanya ısıl güneş tesisatı yönetmeliğinde (Código Técnico de la Edificación, i.e. Technical Building Code CTE-HE4, 2006) kullanılan talep tahminî kabullerini 60º C’lik bir besleme sıcaklığını esas alarak göstermektedir. Farklı sıcaklık değerleri için, suyu besleme sıcaklığına dek ısıtacak yıllık enerji miktarı aynı miktarda enerjiye denk gelmesi üzere uygun şekilde karşılık gelen litre/gün düzeltmeleri yapılmalıdır.
Aşağıda tablo kullanılarak oteller için tasarım yapılırken “yatak” teriminin tek kişilik yatağa karşılık geldiği ve çift kişilik yatakların hesaplamalarda iki yatak olarak kabul edilmesi gerektiği unutulmamalıdır.
Suyu, şebeke sıcaklığından tüketim sıcaklığına çıkartmak için gerekli olan aylık enerji miktarı aşağıdaki denklem uygulanarak belirlenebilir:

60º C referans besleme sıcaklığında 
tahmini evsel sıcak su tüketimi
(*) Vaillant'ın Güneş Enerjisi Sistemleri Çözümleri kitabından derlenmiştir.