Soğuk İklimlerde Toprak Kaynaklı Isı Pompalarında Faz Değişimli Malzeme ile Termal Enerji Depolama Kullanılarak Yük Kaydırma ve İşletme Maliyeti Optimizasyonu
Ugur Acar1, KAMIL NEYFEL ÇERÇI2, Onder KASKA1, Rafal Andrzejczyk31Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Osmaniye, Türkiye2Tarsus Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Tarsus, Mersin, Türkiye
3Gdansk Teknoloji Üniversitesi, Enerji Enstitüsü,narutowicza, Gdańsk, Polanya
Bu çalışma, faz değişimli malzeme (PCM) ısıl depolama tankının, çok zamanlı (TOU) elektrik tarifesi altında soğuk iklim bölgesinde (Erzurum, Türkiye) konut tipi bir toprak kaynaklı ısı pompası (TKIP) sistemiyle entegrasyonunu incelemektedir. PCM tankı (ATP52) ve dengeleme tankı içeren sisyem, TRNSYS yazılımı kullanılarak modellenmiş ve düşük tarife dönemlerinde enerji depolamasının artırılması ve yüksek tarife saatlerinde şebekeye bağımlılığın azaltılması hedeflenmiştir. PCM kütle oranı (%75, %100 ve %125) ve PCM erime sıcaklığına göre belirlenen şarj set noktası sıcaklığı (T_erime, T_erime +2°C ve T_erime +5°C) değiştirilerek değiştirilerek dokuz farklı konfigürasyon analiz edilmiştir. Simülasyon sonuçları, PCM entegrasyonunun belirgin bir yük kaydırma sağladığını, zirve dönemindeki ısı pompası elektrik tüketimini %95’e kadar azalttığını ve yıllık işletme maliyetlerini %9 oranında düşürdüğünü (163.848 TL’den 149.002 TL’ye) göstermektedir; bu, toplam enerji tüketiminde %10’luk bir artış olmasına rağmen elde edilmiştir. Sonuç olarak, yıllık elektrik maliyetlerinde azalma sağlanmış, en yüksek tasarruf PCM Yüksek–2 senaryosunda gözlenmiştir. Ayrıca, geleneksel su bazlı bir sisteme kıyasla, ekonomik olarak benzer ya da daha yüksek fayda, yalnızca 15 m³’lük bir PCM tankı hacmiyle elde edilmiş; bu hacim, su depolama için gereken 50 m³’e göre çok daha küçüktür. Bu sonuçlar, soğuk iklimlerde dinamik tarife yapılarında bina ısıtma sistemlerinin optimizasyonu için PCM tabanlı depolamanın verimlilik ve ekonomik avantajlarını ortaya koymaktadır.
Anahtar Kelimeler: Isıl Enerji Depolama, Faz Değişimli Malzeme (PCM), Toprak Kaynaklı Isı Pompası (TKIP), Soğuk İklimde Isıtma, Yük Kaydırma, Optimizasyon
Load Shifting and Operational Cost Optimization in Cold-Climate Ground Source Heat Pumps Using Phase Change Material (PCM) -Based Thermal Energy Storage
Ugur Acar1, KAMIL NEYFEL ÇERÇI2, Onder KASKA1, Rafal Andrzejczyk31Osmaniye Korkut Ata University, Department Of Mechanical Engineering, Osmaniye, Türkiye2Tarsus University, Department Of Mechanical Engineering, Tarsus, Mersin, Türkiye
3Gdańsk University Of Technology, Institute Of Energy, Narutowicza, Gdańsk, Poland
This study investigates the integration of a phase change material (PCM) thermal storage tank with a ground-source heat pump (GSHP) system for residential heating in a cold-climate region (Erzurum, Türkiye) under a time-of-use (TOU) electricity pricing scheme. The configuration incorporating a PCM tank (ATP52) and a buffer tank was modeled using TRNSYS software to enhance energy storage during off-peak periods and reduce reliance on the grid during high-tariff hours. Nine different configurations were analyzed by varying the PCM mass fraction (75%, 100%, and 125%) and the charging set-point temperature, which was defined with respect to the PCM melting temperature (Tmelting, Tmelting +2°C, and Tmelting +5°C). Simulation results show that PCM integration enables significant load shifting, reducing peak-period heat pump electricity use by up to 95% and lowering annual operating costs by 9% (from 163,848 TRY to 149,002 TRY), despite a 10% increase in total energy consumption. Consequently, annual electricity costs are reduced, with the highest savings observed in the PCM High–2 scenario. In addition, compared to a conventional water-based system, similar or greater economic benefits were achieved with a PCM tank volume of only 15 m3, versus the 50 m3 required for water storage. These results highlight the efficiency and economic advantages of PCM-based storage for optimizing building heating systems in cold climates under dynamic tariff structures.
Keywords: Thermal Energy Storage, Phase Change Material (PCM), Ground Source Heat Pump (GSHP), Cold Climate Heating, Load Shifting, Optimization
Makale Dili: İngilizce