ÖZET

Yaz aylarında Akdeniz ülkelerindeki oteller, hastaneler ve birçok özel ve kamu binaları için soğutma ciddi bir ihtiyaçtır. Günümüzde soğutma uygulamalarında genellikle elektrik tüketimi fazla olan kompresörlü veya vidalı soğutma grupları kullanılmaktadır. Güneş enerjisi ile işletilen soğurmalı (absorbsiyonlu) soğutma grupları, soğutma için gerekli enerji ihtiyacını azaltarak, soğutma giderlerini düşürmesinin yanısıra, CO2 emisyonlarını da ciddi bir oranda azaltır.
Solitem firması Almanya'daki Uzay Havacılık Merkezi işbirliği ile Antalya'da bir otel için parabolik oluk tipi güneş kollektörleri ile entegre edilmiş soğurmalı soğutma sistemi geliştirmektedir. Özellikle Akdeniz Bölgesi için uygun olan bu sistemlerde, ihtiyaç duyulan enerjinin büyük kısmı Solitem tarafından üretilen güneş kollektörleri tarafından sağlanırken, geri kalan kısmı mevcut buhar kazanları tarafından karşılanacaktır. Sistemden elde edilen ısı, çift etkili soğurmalı soğutma gruplarında ve/veya çamaşırhanenin buhar ihtiyacının ve mutfaktaki sıcak su ihtiyacının temini gibi birçok uygulamalarda kullanılabilecektir.
Bu tür uygulamalarda ısıtma ve soğutma yüklerinin büyük bir kısmının güneş enerjisi ile sağlanmasına çalışılmalıdır. Akdeniz Bölgesinin güneş enerjisi yönünden uygun iklim koşulları ve Türkiye'deki düşük üretim maliyetleri dikkate alındığında, ekonomik bir yatırım olmasının yanısıra, elektrik ve LPG gibi, temel enerji kaynaklarının kullanımını ve CO2 emisyonlarını önemli oranda azaltır.

ABSTRACT

Hotels, hospitals and other public buildings in Mediterranean countries mostly need air conditioning in the summer time. Usually air conditioning is based on compressor refrigerator systems, consuming high amounts of electricity. Alternatively an absorption cooling machine driven by solar collectors not only reduces power demand, which offers a chance for reducing costs for cooling, but also reduces CO2 emissions.
In a project planned by the company Solitem in co-operation with DLR, an absorption cooling system driven by a parabolic trough collector will be installed at a hotel in Antalya, Turkey. In this concept, which might be suitable for the Mediterranean region especially, a large part of the heat is supplied by parabolic trough collectors, produced by Solitem, whereas the remaining heat is delivered by an existing steam boiler. The heat drives a double-effect absorption chiller and/or is used for various applications like laundry supply with steam and hot water for kitchen.
In operation the system has to be regulated in a way covering the greatest possible part of cooling and heating load by solar energy. On account of the very good climatic conditions in the Mediterranean and the low production costs of collectors in Turkey the system is not only promising to be economical, it also reduces the use of primary energy sources, such as electricity and LPG, and CO2 emissions.

1. GİRİŞ

Akdeniz ülkelerindeki otel, hastane, kamu binası gibi yerlerde yaz aylarında genellikle soğutma ihtiyacı vardır. Buralarda kullanılan soğutma sistemleri kompresörlü sistemler olup, yüksek miktarlarda elektrik tüketimine sebep olurlar. Diğer yandan, güneş kollektörleri ile elde edilen enerji ile çalıştırılan soğurmalı soğutma grupları ile enerji tüketimi, elektrik enerjisinden güneş enerjisi ile elde edilen ısıya kayar.

Solitem tarafından geliştirilen sistemlerle, güneş kollektörleri ile elde edilen ısı sadece soğurmalı gruplarda değil, çamaşırhane ve mutfaktaki buhar ihtiyacı ve sıcak su temini için de kullanılır. Böylece aynı yatırımla birçok uygulama yapılmasıyla, işletme giderlerindeki ciddi azalma, bu tip sistemlerin amortisman süresini kısaltarak, sistemin ekonomik uygulanabilirliğini arttırır.

2. GÜNEŞ ENERJİLİ SOĞUTMANIN TANIMI

Türkiye'deki yüksek enerji maliyetleri ve elektrik enerjisindeki düzensizlik, Solitem firmasını yenilenebilir enerji kaynakları ile çalıştırılan sistemler geliştirmeye yöneltmiştir.

Türkiye'nin güney kıyılarındaki oteller, yılda yaklaşık yedi ay gibi uzun bir süre klima ihtiyacı duyarlar. Güneş enerjisi destekli soğutma uygulamalarında bugüne kadar farklı tiplerde kollektörler kullanılmıştır. Bunlar düz ve vakum tüplü kollektörlerle çalıştırılan absorbsiyonlu (soğurmalı) ve adsorbsiyonlu soğutma makineleridir.

Bu tip uygulamalarda parabolik oluk tipi kollektörlerin kullanımı Avrupa'da bilinmemekte olup, Amerika'da Berquam ve arkadaşları [1] tek etkili soğurmalı soğutma grupları ile parabolik oluk tipi kollektörleri kullanmışlardır. Krüger ve arkadaşları [2] ise tek etkili soğurmalı makinelerini incelemişlerdir.

Tek etkili soğurmalı soğutma makineleri, yaygın olarak kullanılmakta olup, genelde düz kollektörlerle tahrik edilmektedir. Düz kollektörlerle ulaşılabilen sıcaklıklar 80 °C - 110 °C arasında olup, sıcaklık yükseldikçe kollektör verimi azalmaktadır. Yapılan pazar araştırmalarında 80 °C'nin altındaki sıcaklıklarda tahrik edilen tek etkili soğurmalı soğutma makinelerinin kabul edilebilir yatırım maliyetlerine sahip olmadığı görülmüştür. Bu nedenle soğutma uygulamalarında düz kollektörlerin kullanımı yaygınlaşmamıştır. Vakum tüplü kollektörler ise parabolik oluk tiplerle kıyaslandığında çok pahalı olması sebebiyle yatırım maliyetini yükseltmekte ve parabolik oluk tipi kollektörlerin ulaştığı sıcaklıklara ulaşamamaktadır.

Tasarım ve imalatta kullanılacak teknikler hakkında karar verebilmek için güneş enerjisi tekniği ve parabolik oluk tipi kollektörler ile tahrik edilen, tek ve çift etkili soğurmalı soğutma makineleri üzerinde simülasyonlar yapılmıştır.

Bu simülasyonlarda Antalya'nın meteorolojik verileri kullanılarak, 15 Nisan - 30 Eylül arasındaki soğutma sezonu için, güneş kollektörlerinden elde edilen enerji, soğurmalı soğutma grubunun çalıştırılabilmesi için gereksinim duyduğu enerji ve destek sisteminden alınması gerekli olan enerji miktarları hesaplanmıştır. Soğurmalı soğutma gruplarının Soğutma Etkinlik Katsayısı (COP) değerleri yükün bir fonksiyonu olarak modellenmiş olup, Şekil 1'de çift etkili soğurmalı soğutma makinesinin COP değeri, yükün bir fonksiyonu olarak verilmiştir.

Tek etkili soğurmalı soğutma makineleri için güneş kollektörleri giriş ve çıkış sıcaklıkları 80 °C - 110 °C olmasına karşın, bu değerler çift etkili makinelerde 155 °C - 180 °C'dir. Şekil 2 ve 3'de, tek ve çift etkili soğutma makinelerinin ihtiyaç duyduğu aylık enerji miktarları ile güneş ışınımından elde edilen ve destek sistemi ile sağlanan enerji miktarları da gösterilmiştir.

Beklendiği gibi aynı oranda soğutma yükünü karşılamak üzere kurulan, yüksek sıcaklık seviyesindeki parabolik oluk tipi kollektör alanından elde edilen yaklaşık yıllık 565 kWh/m2-yıl enerji ile tahrik edilen çift etkili soğurmalı soğutma makinesi, düşük sıcaklık seviyesindeki yaklaşık yıllık 760 kWh/m2-yıl enerji ile tahrik edilen tek etkili soğurmalı soğutma makinesinden daha düşük enerjiye ihtiyaç duyar. Yoğunlaştırıcı tip kollektörlere özgü bir özellik olan küçük emici yüzey alanı sebebiyle, yüksek emici yüzey sıcaklıklarından kaynaklanan ısı kayıpları, sistemin tüm performansındaki yükselmenin yanında çok düşük kalır. Çünkü yüksek sıcaklık uygulaması sebebiyle artan ısı kayıpları, borunun üzerine yerleştirilen düşük demirli cam kılıf sayesinde azaltılmasına rağmen, kollektör verimini yaklaşık olarak % 25 oranında düşürürken, çift etkili soğurmalı soğutma makinesinin COP değeri, tek etkili soğurmalı soğutma makinesinin COP değerine göre sağladığı performans artışı yaklaşık % 86'dir. Böylece tüm sistemin verimi yaklaşık % 47 oranında artar [3].

Buradaki en önemli noktalar, yüksek soğutma etkinlik katsayısına sahip çift etkili soğurmalı soğutma makinelerinin kullanımı ile, hem destek sistemi yakıt tüketiminin düşmesi, hem de kollektör alanının önemli oranda azalmasıdır (Şekil 4). Bu şekilde sistemin, hem ilk yatırım maliyeti azaltılacak, hem de işletme giderleri konvansiyonel sistemlere göre çok az olan güneş enerjili soğurmalı soğutma sisteminin amortisman süresi kısaltılarak, yaygınlaşması sağlanacaktır. Konvansiyonel sistemlerle, verim ve fiyatlar yönünden yapılan karşılaştırmalar sonucunda, parabolik oluk tipi güneş kollektörleri ile çift etkili soğurmalı soğutma gruplarının birlikte kullanıldığı güneş destekli soğutma sistemlerinin, 100 kW üzerindeki soğutma yükleri için ekonomik olabileceği beklenmektedir. Türkiye'deki düşük üretim maliyetleri ve seçici yüzeyli boru, cam kılıf, yansıtıcı yüzey gibi ilk etapta yurt dışından ithal edilecek malzemelerin, zamanla yurt içinde üretilmesi ile, sistem fiyatını belirleyen en önemli maliyetlerden, güneş kollektörünün üretim maliyeti düşecek, bu da sistemin amortisman süresini daha da kısaltacaktır. Çift etkili soğurmalı sistemlerin tüm çalışma süreci içerisinde genellikle % 50 ile % 80 kısmi yük altında çalıştığı bilindiğinden, bu sistemlerin ortalama COP'si 1,4 civarında kabul edilmektedir (Şekil 1).

3. ANTALYA'DA GÜNEŞ ENERJİLİ SOĞUTMA UYGULAMASI

Antalya'daki bir otelde TÜBİTAK TİDEB proje desteği kapsamında yapılacak uygulamada, 116 kW soğutma yükünün güneş enerjisi ile karşılanması için Şekil 5'de akış şeması verilen bir sistem kurulacaktır [3]. Burada kullanılacak parabolik oluk tipi kollektörler Almanya'daki Uzay Havacılık Merkezi (DLR) işbirliği ile tasarlanmış 5 m boyunda ve 1,8 m eninde olup, her kollektör yaklaşık 9 m2 açıklık alanına sahiptir. Bu kollektörde, toplayıcı alanının açıklık alanına oranı olan, geometrik yoğunlaştırma oranı 15 olup, her kollektörden 5-6 kWh enerji sağlanacağı hesaplanmıştır. Böylece kurulacak sistemde 20-24 adet kollektörün otelin teras çatısına montajı yapılacaktır. Bu kollektörler, özel geliştirilen bilgisayar yazılımı ve fotosellerden oluşan güneşi takip sistemi ile kontrol edilen, bir motor redüktör grubu ile gün boyu 270 ° açısal hareket yaparak güneşi takip edecektir. Böylece kollektörün siyah krom seçici yüzey kaplanmış CrNi borusunun, gün boyunca güneş ışınlarını dik olarak alması sağlanarak sistemin performansı arttırılacaktır.

Bu sistemde, ortalama 1,4 COP değerine sahip çift etkili soğurmalı soğutma grubunun çalıştırılması için gerekli olan ısı, 144 °C, 4 atm özelliklerinde buhar ile karşılanacaktır. Bu özellikte buharın üretileceği jeneratörün ısıtıcı akışkanı olarak, parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinden elde edilen 180 °C, 12 atm özelliklerindeki kızgın su kullanılacaktır. Bu nedenle parabolik oluk tipi kollektörler 12 atm, 180 °C / 155 °C giriş - çıkış sıcaklıklarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

Parabolik oluk tipi kollektörlerle toplanan direk güneş ışınımının kesintili ve geceleri hiç olmaması sebebiyle, sistem üzerine birisi kollektörde üretilen fazla kızgın suyun depolanacağı, diğeri ise soğutma makinesinde üretilen ihtiyaç fazlası soğutma suyunun depolanacağı, kızgın su ve soğuk su ısı depolama tanklarının yerleştirilmesi gerekmektedir. Bu şekilde otelin soğutma ihtiyacının olmadığı veya azaldığı saatlerde depolanan kızgın su ve soğutma suyunun desteği ile, güneş ışınımının olmadığı veya azaldığı durumlarda soğutma işlemi devam edebilecektir. Böylece sistemin gün boyu çalışma süresi uzatılarak, işletme giderlerinin azaltılması ile sistemin amortisman maliyeti ve süresi kısaltılacaktır.

Bu sistemde soğurmalı soğutma makinesinin sürekli çalışmasını sağlamak için, özellikle geceleri buhar üretimini destekleyecek bir buhar kazanına da ihtiyaç duyulmakta olup, yeni kurulacak sistemlerde buhar kazanı ile soğurmalı soğutma grubunun desteklenmesi yerine, küçük kapasitede buhar sıkıştırmalı konvansiyonel bir soğutma grubu ile de geceleri soğutma ihtiyacı desteklenebilecektir. Burada çok tarifeli elektrik sayaçlarının kullanımı, geceleri kullanılan elektrik enerjisine daha düşük bedeller ödenmesini ve işletme giderlerinden tasarruf edilmesini sağlayacaktır.