Balıkesir ili jeotermal ısıtma sistemlerinin enerjetik ve ekserjetik analizi

Abstract

Son yıllarda jeotermal enerji kaynaklarının merkezi ısıtma uygulamalarında kullanımı üzerine ilgi artmaktadır. Bu çalışmada, Balıkesir ilinde bulunan Edremit ve Bigadiç merkezi ısıtma sistemlerinin performans değerlendirmesi oluşturulmaya çalışılmıştır. Alınan termal veriler doğrultusunda sistemin tüm elemanlarının ve genel olarak sistemin enerji ve ekserji analizleri yapıldı. Bu analizlere boru iletim hattı ve sistemin diğer elemanları da katılarak değerlendirme yapıldı. Verilerin alındığı gün için enerji ve ekserji verimleri bulunarak karşılaştırmalar yapıldı. Farklı referans sıcaklıklarında sistemde neler olduğunun daha iyi anlaşılabilmesi için enerji ve ekserji akış grafikleri çizildi. Bunlara ek olarak çalışmada, kapsamlı bir şekilde Bigadiç ve Edremit için enerji ve ekserji açısından yıllık performans analizi oluşturuldu. Enerji ve ekserji akışının referans sıcaklığının değişimiyle nasıl değiştiği de bu çalışmada verilmiştir. Ayrıca ortalama dış sıcaklığa bağlı olarak günlük ve aylık enerji talebi belirlendi. Belirlenen sistem işletme sıcaklık değerlerinde bu enerji ihtiyacını karşılayacak jeotermal akışkan ve network su debileri yıllık periyotta belirlendi. Değişen referans sıcaklığa bağlı olarak enerji ve ekserji verimlerinin nasıl değiştiğini gösteren grafikler oluşturuldu. Tüm sistem elemanları için farklı referans sıcaklıklarına ait ekserji yıkımı / kaybı oranları belirlendi. Bu çalışmada, jeotermal sistemler için dört yeni parametre de ortaya konmuştur. Bu parametreler sırasıyla; enerjetik yenilenebilirlik oranı, ekserjetik yenilenebilirlik oranı, enerjetik reenjeksiyon oranı ve ekserjetik reenjeksiyon oranı olarak ortaya konabilir. Bu kavramlar daha sonra Edremit ve Bigadiç jeotermal merkezi ısıtma sistemi için uygulandı. Tez çalışmasının ilk bölümünde, genel bir giriş yapılarak çalışmanın amacı ve kapsamı hakkında bilgi verilmiştir. Tez çalışmasının ikinci bölümünde, literatür'den bu konuda yapılmış çalışmalar ifade edilmiştir. Tez çalışmasının üçüncü bölümünde, Dünya ve Türkiye genel jeotermal enerji statüsü ifade edilmiştir. Ayrıca bu başlık altında jeotermal enerji sistemlerine de değinilmiştir. Tez çalışmasının dördüncü bölümünde üzerinde çalışılan jeotermal merkezi ısıtma sistemlerin modellenmesi ve sitemin genel tanımlanması yapılmıştır. Tezin ana çatısının oluşturulduğu son bölümünde ise Bigadiç ve Edremit jeotermal merkezi ısıtma sisleri için enerji ve ekserji analizi sonuçları verilmiş ve sistemlerin yıllık enerji ve ekserji performans analizi üzerinde kapsamlı bir çalışmada bu bölümde ifade edilmiştir. Ayrıca bu bölümde sonuçlar hakkında genel yorumlar da verilmiştir. Türkiye'deki diğer jeotermal merkezi ısıtma sistemlerle de karşılaştırmalar bu kısımda verilmiştir. Bu çalışmanın ve sonucunda ulaşılan değerlerin araştırma ve mühendislik alanında katkı sağlayabileceği umulmaktadır.

During the past decade there has been an increasing interest in using geothermal energy resources for district heating applications. In this study, comprehensive energy and exergy analyses are conducted for performance evaluation of the Bigadic and Edremit Geothermal District Heating Systems (GDHSs) in Balikesir, Turkey. The actual thermal data taken from the Technical Department of the GDHSs are utilized in the analysis to determine the exergy destructions in each component of the system, and the overall energy and exergy efficiencies of the system. In the analyses the pipeline and the system components (e.g., heat exchangers, pumps) are included. Energy and exergy efficiencies are determined and compared for various cases, and the total irreversibilities are investigated for performance improvement purposes since their reductions will make the system and its components more efficient. Energy and exergy flow diagrams are drawn for better illustration of what is going on in the system at different reference temperatures. In addition, in this study a comprehensive annually performance analysis of the Bigadic and Edremit Geothermal District Heating Systems (GDHS) in Balikesir, Turkey is performed through thermodynamic assessment in terms of energy and exergy efficiencies. A parametric study is also conducted to show how energy and exergy flows change with the reference environment temperature. Both daily and monthly energy requirements are calculated according to average temperatures. Then it is found that both geothermal mass flow rates and fresh water mass flow rates are needed to be adjusted according to system design temperatures for annually period. Energy and exergy efficiency diagrams are drawn for better illustration of how to chance both energy and exergy efficiency by chancing the ambient temperature. Farther more, change of exergy loss/destruction for each part was determined for different ambient temperatures. In this study, four new parameters, namely energetic renewability ratio, exergetic renewability ratio, energetic reinjection ratio, and exergetic reinjection ratio for the geothermal systems are introduced and applied to the Edremit and Bigadic systems. The results are expected to be helpful to researchers and engineers in the area. The first part of the thesis, after giving the general introduction, gives information about the scope and objectives of the thesis. The second part is a review of previous literature studies. The third part discusses world's and Turkey's general energy status, particularly about the geothermal energy systems. The fourth part is about the modeling of the geothermal district heating systems and descriptions of the studied geothermal district heating systems. The last section gives information about the modeling of the Bigadic and Edremit geothermal district heating systems, energy and exergy analyses of the systems as well as annual energy and exergy performance analyses, and discusses the results. Then the studied systems are compared to other geothermal district heating systems in Turkey for their performance comparisons.