II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ BİLDİRİLER KİTABI KASIM 2001 İSTANBUL Yayın No: E/2001/289

2 tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sok. No: 36/1 -A Kızılay / ANKARA Tel: (0312) Fax: (0312) ISBN : Bu kitabın yayın hakkı MMO'ya aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez, MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik fotokopi vs. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak göstermek şartıyla kitaptan alıntı yapılabilir. Baskı: Yapım Tanıtım Yayıncılık San. ve Tic. Şti. Tel: (0212)

3 TMMOB Makina Mühendisleri Odası "II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ" Kasım 2001 İSTANBUL'DA BİNALARDAKİ ISINMA AMAÇLI YAKIT TÜKETİMİNDEN KAYNAKLANAN KARBON DİOKSİT EMİSYONLARI Mikdat Kadıoğlu", Ahmet Durmayaz "İTÜ, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Meteoroloji Mühendisliği Bölümü Maslak, 80626, İstanbul, Tel: (212) , h İTÜ, Nükleer Enerji Enstitüsü, Maslak, 80626, İstanbul Tel: (212) , E-posta: Doç. Dr.Mikdat KADIOĞLU; 1984'te İTÜ Meteoroloji Müh. Bölümünden mezun oldu. 1994'te İTÜ Meteoroloji Müh. Ana Bilim Dalından doçentlik unvanını aldı. Birçok bilimsel dengide hakemlik yapmış olup, onlarca yayınlanmış uluslararası makale, bildiri, ulusal araştırma makaleleri, ulusal bildiriler, ARGE projeleri vardır. Birçok doktora ve master tezinde danışmanlık yapmış olup, 1994'ten beri İTÜ Meteoroloji Müh. Ana Bilim Dalında görev yapmaktadır. Doç. Dr. Ahmet DURMAYAZ; 1981 yılında ADMMA'dan mezun olan Ahmet DURMAYAZ 1999 yılında YÖK Nükleer Teknoloji Bilim Dalında Doçent Unvanını almıştır. Hakemli birçok ulusal ve yabancı dergide makaleleri yayınlanmış olup, birçok ulusal kongre ve sempozyumda basılmış, sunulmuş bildirileri vardır yılından beri İTÜ Nükleer Enerji Enstitüsünde görev yapmaktadır. ÖZET: Bu çalışmada, binalarda ısınma amacıyla doğal gaz yakılması halinde, bir ısıtma mevsimi süresince İstanbul'da ortaya çıkan CO 2 emisyonları Hükümetlerarası İklim Değişimi Paneli tarafından hazırlanmış dokümanlardan yararlanılarak ayrıntılı bir şekilde belirlenmiştir. Bir şehirdeki ısınma amaçlı yıllık toplam yakıt tüketimi, istatistiki verilerle stokların muhasebesi yapılarak doğrudan belirlenebilir. Alternatif bir yöntem ise, ısıtma derece-saatlerinden yararlanarak yapılan hesaplama ile tahminde bulunulmasıdır. Bu çalışmada, ısıtma derece-saatleri ile elde edilen enerji talebi ve yakıt tüketimi tahminlerinden yararlanarak bir ısıtma mevsimi süresince İstanbul'da ortaya çıkan CO 2 emisyonları hesaplanmıştır. Bu çalışma esnasında en iyi ve en kötü olarak isimlendirilen iki farklı inşaat koşulları için elde edilen sonuçların karşılaştırılması yapılarak, en kötü diye nitelendirilen inşaat koşullarında CO 2 emisyonlarının diğerinin yaklaşık olarak üç katı olduğu belirlenmiştir. Carbon dioxide emissions from the fuel consumption for heating in buildings in istanbul in this study, energy requirements and natural gas consumptions for heating purpose in apartment buildings in istanbul for a heating season are estimated parametrically by degree-hours method. Depending on these estimations, carbon dioxide emissions from natural gas combustion for heating in buildings in istanbul are estimated in detail by the aid of Revised 1996 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Guidelines for National Greenhouse Gas Inventory. it is estimated that the yearly CO 2 emissions in istanbul reaches up to 19.1 Mt considering mean number of the people living in an apartment building is 30 people, glazing area percentage is 50%, air exchange rate is 2.0 that is called, in this study, as the worst building and usage conditions. Anahtar sözcükler: Karbon dioksit emisyonu, IPCC, ısınma. 1. GİRİŞ: Bir yerleşim merkezinde binalardaki ısınma amaçlı enerji talebi hava koşullarına, binaların mimari özellikleri ile ısıl-fiziksel karakteristiklerine ve yerleşim merkezinde bulunan bina

4 sayısına dolayısıyla yerleşim merkezinin nüfusuna bağlıdır. Binalarda soğuk havalarda ısınma için ihtiyaç duyulan enerji ve yakıt miktarı hava sıcaklığı ile ters orantılıdır. Hava sıcaklığı, ölçümlemeleri ve dolayısıyla ısıtma derece-saat (IDS) değerleri dikkate alınarak, şehirdeki yıllık / ısınma amaçlı enerji talepleri belirlenebilir. ', Bu amaçla yapılan bir çalışmada hesaplarda veri olarak yıllarında Göztepe klima istasyonunda kaydedilen saatlik ortalama sıcaklık değerleri kullanılmış ve İstanbul için ısınma ' amaçlı yıllık enerji talebi ve yakıt tüketimi değerlen tahmin edilmiştir [1]. Diğer bir çalışmada, İstanbul ilinin Şile, Florya, Kumköy, Sarıyer, Göztepe, Bahçeköy ve Kartal ilçelerinde bulunan 7 adet klima istasyonunda yıllarında kaydedilen günlük ortalama sıcaklık değerleri kullanılarak elde edilen ısıtma derece-gün (IDG) indeksleri ile bu ilçelerdeki ısınma amaçlı enerji ihtiyaçları ve doğalgaz tüketimleri tahmini olarak belirlenmiş ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır [2]. Bir başka çalışmada, İstanbul, Ankara, Bursa, Adana ve Konya şehir merkezleri için ısıtma amaçlı yıllık enerji talebi ve yakıt tüketimi değerleri tahmin edilmiştir [3]. Sözkonusu çalışmalarda ısıtma amaçlı yıllık toplam enerji talebi ve yakıt tüketimi hesaplamaları, on dairelik < prototip bir apartman gözönüne alınarak gerçekleştirilmiştir. Tek-çift cam kullanımı, hava f değişim oranları, binflarda yaşayan kişi sayıları ile buna bağlı olarak toplam bina sayısı ve dış cephede yer alan pencerelerin toplam alanının toplam dış cephe alanına oranları değişken olarak kullanılarak, bir ısınma mevsimi süresince tahmini ısınma amaçlı enerji talebi ve doğal gaz tüketimi miktarları parametrik analizle ayrıntılı bir biçimde hesaplanmıştır. Bu çalışmada ise, ulusal sera gazı envanteri hazırlanmasına ilişkin olarak Hükümetlerarası İklim Değişimi Paneli (IPCC) tarafından hazırlanmış dokümanlarda [4-6] yer alan yöntemden yararlanılarak, İstanbul'da binalarda ısınma amacıyla doğal gaz yakılması halinde, bir ısıtma mevsimi süresince ortaya çıkan CO 2 emisyonları parametrik olarak, ayrıntılı bir şekilde belirlenmeye çalışılmıştır. Aşağıda, öncelikle İstanbul'da seçilen bir prototip apartmanda yıllık ısınma amacıyla gereken enerji talebi ve İstanbul'un tümü için ısınma amacıyla doğal gaz tüketimi ısıtma-derece saat yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sonra, bu yakıt tüketimi değerlerine dayalı olarak CO 2 emisyonları belirlenmiştir. j t 2. VERİLER: İstanbul gibi şehirlerde, yeterince güvenilir enerji talebi projeksiyonları elde edebilmek için mümkün olduğunca çok verinin kullanılması gereklidir. Bu çalışmada, İstanbul ili sınırları içinde bulunan ve T.C. Başbakanlık Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü'ne bağlı olan Göztepe klimatoloji istasyonunda yıllarında kaydedilen saatlik ortalama hava sıcaklıkları kullanılmıştır. 3. ISITMA DERECE-SAATLERİ: i İç ortam sıcaklığı ile dış ortam hava sıcaklığı arasındaki farkların bir ifadesi olan IDS değerleri ısıtma sektöründe binalarda ısıtma ihtiyacının tespitinde kullanılmaktadır [7]. IDS değerleri dış hava sıcaklığının belirli bir düzeyin altına inmesi halinde tanımlanır ki, bu düzeye taban sıcaklığı denir. Taban sıcaklığı, ısıtma prosesinin başlatılacağı en yüksek sıcaklıktır. Buna göre, bulunulan bölgedeki dış hava sıcaklığı taban sıcaklığının altına, düştüğünde ısıtmanın başlatılacağı kabul edilir. Taban sıcaklığı amaca, kişiye, yöreye, enlemlere ve topoğrafık özelliklere göre değişebilir. Dünya çapında yapılan çeşitli araştırmalarda insanların genel olarak 18,3 C ve altındaki sıcaklıklarda ısınma ihtiyacı duydukları saptanmıştır [8]. Türkiye'de yapılan bazı araştırmalarda Ankara ve İstanbul gibi büyük metropollerde dış ortam sıcaklığının 15 C ve altına düştüğü günlerde ısıtma ihtiyacı j duyulduğu kabul edilmiştir [1-3,9]. Hava sıcaklığının, taban sıcaklığı üzerinde olduğu ; durumlarda ise ısıtma talebinin olmadığı kabul edilir. Bir yörenin herhangi bir saatlik IDS değeri, dış hava sıcaklığının taban sıcaklığının altına inmesi durumunda, iç ortam hava sıcaklığı ile saatlik ortalama dış hava sıcaklığı arasındaki farktır. Belirli bir periyot için IDS değeri ise, iç ortam hava sıcaklığı ile saatlik ortalama i dış hava sıcaklıkları arasındaki farkların kümülatif toplamıdır. ; Genel olarak IDS değerleri İ2

5 - ^ # *» < 1 ' " ~ '! N IDS= (T i -T d ) j> (D şu bağıntisıyla hesaplanmaktadır. Eş.(l)'de, Tj ortalama saatlik dış ortam hava sıcaklığı, Tj bina içi konfor sıcaklığı (20 C), T t ise ısıtma için öngörülen taban sıcaklığıdır (15 C). İstanbul'da yıllarında kaydedilen günlük ortalama hava sıcaklıkları Şekil l'de sunulmaktadır.» Ölçülen sıcaklıklar Eö" uydumla ' ' ı ' ' ' ' ı ' ' ' ' ı ' ' ' r ' ı T ı» r ı Yılın günleri Şekil 1. İstanbul'da kaydedilen günlük ortalama hava sıcaklıkları [3]. Şekil 1 yardımıyla, İstanbul'da ısıtma mevsimi başlangıç ve bitim tarihleri yılın 298. günü (19 Ekim) ve 125. günü (5 Mayıs), ısıtma mevsiminin süresi ise ortalama 193 gün olarak elde edilir. Eş.(l) ısıtma günlerinin her biri için ayrı ayrı uygulanarak, ısıtma mevsimi süresince ısıtma derece-saatlerinin günlere dağılımı elde edilmiş ve sonuçlar Şekil 2'de sunulmuştur. Isıtma mevsimi boyunca ısıtma derece saatlerinin toplamı ise Eş.(l)'de N, 298. günden 125. güne olan aralığı kapsayacak şekilde alınarak IDS=51601,7 olarak elde edilmiştir n İ :.. s w A O 6> E «orta e 3 ( ^ : I I 150 -_ ; ; : c $ t/ 1 > k ' 't : ; : : c ' i o> ' Sn r^^^^^ CM ; I ( ( t 200 Yılın günleri J ı < I 250 I I i ' $S i *»! ' O). c ' ; i " M ı ı ı ı ı ı Şekil yılları verilerine göre İstanbul'a ait ısıtma derece-saat değerleri.

6 4. İSTANBUL'DA TAHMİNİ ISITMA AMAÇLI YAKIT TÜKETİMİ HESABI: Bu çalışmadaki hesaplamalar, 20x11x14 m genişlik-en-yükseklik boyutlarına sahip 5 katlı, 10 daireli prototip bir apartman dikkate alınarak yapılmıştır. Öngörülen boyutlara göre, çatı, dış duvar ve döşeme alanları sırasıyla 220, 868 ve 220 m 2 'dir, binanın toplam hacmi ise V=3080 m 3 olur. Prototip binanın temel seviyesi yer seviyesinden 1.8 m derinlikte kabul edilmiştir. Bu nedenle, binanın temel duvarı için ısıl geçirgenlik katsayısı U=0,12 W/m 2 K olarak seçilmiştir [10]. Bir binanın ısı kaybı çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu faktörlerin başlıcaları; doğal ventilasyon ve infıltrasyon değerleri, bina içi ve dışı hava sıcaklığı farkları ve yapının çeşitli kısımları için seçilen yapı malzemelerinin kalınlıkları, alanları ve ısı iletim katsayılarıdır. Prototip bina için seçilen inşaat malzemelerinin fiziksel ve ısıl özelikleri Tablo 1 'de özetlenmiştir. İstanbul'da ısıtma için dizayna esas teşkil eden koşullar (%99,6); dış hava sıcaklığı -3,2 C, dizayna esas alınan rüzgar hızı 11,8 m/s, coğrafık konum bilgileri ise enlem 40,47 kuzey, boylam 28,82 doğu, rakım 37 m olarak belirlenmiştir [10]. Ventilasyon ve infıtrasyon ile olan ısı kayıpları için Hava Dolaşım Sayıları (HDS) 1=0,5, 1,0, 1,5 ve 2,0 olarak, Pencere Alanı Yüzdeleri (PAY) ise toplam dış duvar alanlarının %20'si (173,6 m 2 ), %30'u (260,4 m 2 ), % 4O'ı (347,2 m 2 ) ve %50'si (434,0 m 2 ) olarak seçilmiş, ayrıca tek veya çift camlı pencere kullanılabileceği dikkate alınarak parametrik bir analiz gerçekleştirilmesine olanak sağlanmıştır. Binanın toplam ısı kaybı katsayısı L (W/K), =IUA+I(pc p ) ha =XUA+IV/3 av/3,6 (2) eşitliği ile hesaplanır. Burada, havanın ısıl kapasitesi (JJC j n a v a = l,2 kj/m 3 K alınmıştır. Binada tek veya çift cam kullanılması hallerinde, farklı HDS ve PAY değerleri için Eş.(2) ile hesaplanan bina toplam ısı kaybı katsayısı değerleri Tablo 2'de özetlenmiştir. Seçilen bir prototip apartman için bir ısıtma mevsimi süresince ısıtma amaçlı enerji gereksinimi Q(J), Q = LxIDSx3600 (3) ifadesi ile hesaplanmış ve sonuçlar GJ birimiyle Tablo 3'de parametrik olarak sunulmuştur. Isıtmanın tamamen doğalgaz ile yapıldığı varsayımı ile İstanbul'daki binaların tümünde bir ısıtma mevsimi boyunca toplam doğalgaz gereksinimi (veya tüketimi) B (m 3 ), Tablo 1. Prototip bina için seçilen inşaat malzemelerinin fiziksel ve ısıl özelikleri [1-3], Eleman Alan Malzeme Isı iletkenliği Kalınlık (m 2 ) (W/mK) (m) U-faktörü (ısıl geçirgenlik) (W/nrK) Çatı tavan altındaki 220 Cam yünü Kum ve çakıl agregalı beton Kum agregalı beton sıva 0,038 2,1 0,72 0,05 0,15 0,02 0,707 Dış duvarlar 868 eksi pencere alanı Kum agregalı beton sıva Tuğla Perlit Tuğla Kum agregalı beton sıva 0,72 0,405 0,0485 0,405 0,72 0,02 0,09 0,02 0,19 0,02 0,8626 Pencereler Dış duvarların %20, 30, 40, Tek cam 50'si Çift cam 5,91 3,46 Döşeme 220 0,12 14

7 Tablo 2. Çeşitli PAY (%) ve I (HDS) değerleri için bina ısı kaybı katsayıları, L, (W/K) [1-3J. PAY (%) 0,5 HDS 1,0 HDS 1,5 HDS 2,0 HDS Tek cam ,0 2983,0 3496,0 4009,0 2983,3 3496,3 4009,3 4522,3 3496,7 4009,6 4522,6 5035,6 4010,0 4523,0 5036,0 5549,0 Çift cam ,7 2345,0 2645,3 2945,7 2558,0 2858,3 3158,7 3459,0 3071,3 3371,7 3672,0 3972,3 3584,7 3885,0 4185,3 4485,7 Tablo 3. Isıtma mevsiminde IDS=51601,7 alınarak İstanbul'daki 10 daireli bir prototip apartman için elde edilen yıllık ısıtma enerjisi gereksinimi tahminleri, Q (GJ). PAY (%) 0,5 HDS 1,0 HDS 1,5 HDS 2,0 HDS Tek cam ,8 554,1 649,4 744,7 554,2 649,5 744,8 840,1 649,6 744,9 840,2 935,4 744,9 840,2 935,5 1030,8 Çift cam ,8 435,6 491,4 547,2 475,2 531,0 586,8 642,6 570,5 626,3 682,1 737,9 665,9 721,7 777,5 833,3 B = QP r]hn (4) ifadesi ile elde edilebilir. Burada İstanbul'un 1997 sayımına göre nüfusu P= kişi, apartmanlarda yaşayan insan sayısı n; 30 ile 60 arasında (ve buna bağlı olarak bina sayısı da) değişken bir parametre, kazan için yanma verimi T =0,92 [11] doğalgazın alt ısıl değeri H=8788 kcal/m 3 = J/m 3 [12] olarak alınmıştır. İstanbul'da ısıtmanın tamamen doğalgaz ile yapıldığı varsayımı ile binalarda bir ısıtma mevsimi boyunca toplam doğalgaz tüketimi hesaplama sonuçları Tablo 4'de verilmiştir. 5. KARBON DİOKSİT EMİSYONU HESABI: Ulusal ölçekte sera gazı envanteri hazırlanmasına ilişkin olarak IPCC tarafından hazırlanmış dokümanlarda [4-6] yer alan CO 2 emisyonlarının hesaplanması yöntemi, istatistiki verilere dayalı olarak 6 adımda gerçekleştirilmektedir: 1. adım; Gözüken yakıt tüketiminin orijinal birimlerle tahmin edilmesi, 2. adım; Gözüken yakıt tüketiminin ortak enerji birimine (TJ) dönüştürülmesi, 3. adım; Bulunan değeri, karbon içeriğini (miktarını) hesaplamak üzere Emisyon Faktörleri ile çarpma, 15

8 Tablo 4. İstanbul'da ısıtmanın tamamen doğalgaz ile yapıldığı varsayımı ile elde edilen ısıtma mevsimindeki tahmini doğalgaz tüketimi (Gm 3 ). Apartmanlard a yaşayan insan sayısı PAY (%) Tek cam 0,5HDS 1,0 HDS 1,5 HDS 2,0HDS Çift cam 0,5HDS 1,0 HDS 1,5 HDS 2.0HDS ,2 5,0 5,9 6,7 5,0 5,9 6,7 7,6 5,9 6,7 7,6 8,5 6,7 7,6 8,5 9,3 3,4 3,9 4,5 5,0 4,3 4,8 5,3 5,8 5,2 5,7 6,2 6,7 6,0 6,5 7,0 7, ,6 4,3 5,0 5,8 4,3 5,0 5,8 6,5 5,0 5,8 6,5 7,3 5,8 6,5 7,3 8,0 2,9 3,4 3,8 4,2 3,7 4,1 4,6 5,0 4,4 4,9 5,3 5,7 5,2 5,6 6,0 6, ,8 4,4 5,1 3,8 4,4 5,1 5,7 4,4 5,1 5,7 6,4 5,1 5,7 6,4 7,0 2,6 3,0 3,3 3,7 3,2 3,6 4,0 4,4 3,9 4,3 4,6 5,0 4,5 4,9 5,3 5, ,8 3,3 3,9 4,5 3,3 3,9 4,5 5,1 3,9 4,5 5,1 5,6 4,5 5,1 5,6 6,2 2,3 2,6 3,0 3,3 2,9 3,2 3,5 3,9 3,4 3,8 4,1 4,5 4,0 4,4 4,7 5, ,5 3,0 3,5 4,0 3,0 3,5 4,0 4,6 3,5 4,0 4,6 5,1 4,0 4,6 5,1 5,6 2,1 2,4 2,7 3,0 2,6 2,9 3,2 3,5 3,1 3,4 3,7 4,0 3,6 3,9 4,2 4, ,3 2,7 3,2 3,7 2,7 3,2 3,7 4,2 3,2 3,7 4,2 4,6 3,7 4,2 4,6 5,1 1,9 2,2 2,4 2,7 2,3 2,6 2,9 3,2 2,8 3,1 3,4 3,6 3,3 3,6 3,8 4, ,1 2,5 2,9 3,4 2,5 2,9 3,4 3,8 2,9 3,4 3,8 4,2 3,4 3,8 4,2 4,7 1,7 2,0 2,2 2,5 2,2 2,4 2,7 2,9 2,6 2,8 3,1 3,3 3,0 3,3 3,5 3,8 4. adım; Yakıt tüketimi esnasında atmosfere bırakılmadan depolanan (biriken) karbonun hesaplanması, 5. adım; Oksitlenmemiş karbon için düzeltme, 6.adım; Oksitlenmiş karbonu CO 2 emisyonlarına dönüştürme. Bu çalışmada, uygulanan yöntem ise şöyle özetlenebilir: 1. adım; İstanbul'da binalarda ısınma amacıyla gerekli tahmini toplam doğalgaz tüketimi miktarları olarak, yukarıda ayrıntılı olarak anlatılan IDS yöntemi ile belirlenen ve Tablo 4'de sunulan değerler kullanılmıştır. 2. adım; Tablo 4'de Gm 3 birimiyle sunulan doğalgaz tüketimi değerleri, doğalgazın alt ısıl değeri H= J/m 3 yardımıyla TJ birimine dönüştürülmüştür. 3. adım; Karbon emisyon faktörleri sıvı doğalgaz için 17,2 tc/tj, kuru doğalgaz için 15,3 tc/tj, fuel oil 21,1 tc/tj, linyit için 27,6 tc/tj olarak verilmektedir [5]. Bu çalışmada, 2. adımda elde edilen değerler 15,3 tc/tj değeri ile çarpılarak ton cinsinden karbon emisyonu hesaplanmıştır 4. adım; Bu çalışmada sadece doğrudan ısıtma amaçlı yakıt tüketimleri ile ilgilenilmekte, örneğin kok üretimi gibi amaçlarla yakıt tüketimleriyle ve dolayısıyla üretilen kokta vb.

9 biriken karbon ile ilgilenilmemekte ve bu nedenle de bu adımda herhangi bir işlem gerekmemektedir. 5. adım; Karbonun bir bölümü çeşitli nedenlerle kazanda, bacada ve diğer yanma sistemine ilişkin bileşenlerde oksitlenmeden kalır. Bu nedenle kömür, sıvı petrol ile ürünleri ve gaz yakıtları yakan sistemler için oksitlenmiş karbon kesri (çarpanı) olarak sırasıyla 0,98, 0,99 ve 0,995 değerleri tavsiye edilmektedir [5]. Bu çalışmada, 3. adımda elde edilen değerler 0,995 değeriyle çarpılarak oksitlenmiş karbon emisyonu hesaplanmıştır. 6. adım; Oksitlenmiş karbonu CO2 emisyonlarına dönüştürmek için 5. adımda bulunan değerler 44/12 ile çarpılmıştır. 6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER: İGDAŞ Doğalgaz El Kitabına göre 1998 yılında ısıtma için İstanbul'da kullanılan doğalgaz miktarı 1,86 Gm 3 değerindedir [13]. Bu değer, İstanbul'da ısıtma amaçlı olarak tüketilen yakıtın yaklaşık % 50'sidir. İstanbul'daki doğalgaz kullanan bina sayısının bu çalışmada öngörülen prototip apartman cinsinden eşdeğerinin kabaca tahmin edilmesi durumunda, bu çalışmada hesaplanan tahmini doğalgaz tüketimi miktarlarının İGDAŞ tarafından verilen doğalgaz tüketimi miktarı ile de uyumlu olacağı görülebilir. Doğalgaz tüketimi hesaplamalarına dayalı CO 2 toplu halde Tablo 5'de sunulmaktadır. emisyonu tahminlerine ilişkin sonuçlar Doğalgaz için yapılan yakıt tüketimi ve CO 2 emisyonu hesaplamaları, ısıtmanın tamamen linyit ile yapılması halinde; kazan için yanma verimi T) =0,65, alt ısıl değer H= kcal/kg = J/kg, tamamen kok ile yapılması halinde; T) =0,72, H=6000 kcal/kg = J/kg ve tamamen fuel oil ile yapılması halinde ise; T =0,82, H=10000 kcal/kg = J/kg [11] alınarak tekrar edilip, yakıt tüketimi ve CO 2 emisyonları elde edilebilir. Bu çalışma esnasında tek cam, PAY=%50, 1=2,0 HDS en kötü ve çift cam, PAY=%20, 1=0,5 HDS ise en iyi inşaat koşulları olarak isimlendirilerek karşılaştırmalar yapılmıştır. Isıtma amacıyla sadece doğalgaz kullanılması halinde binalarda yaşayan kişi sayısına (dolayısıyla toplam bina sayısına) bağlı olarak en kötü ve en iyi inşaat koşullarında bir ısıtma mevsimi süresince İstanbul'un tümünde CO 2 emisyonları parametrik olarak Şekil 3'de sunulmuştur. 9, Binalarda yaşayan insan sayısı (kişi) D En kötü B En iyi] Şekil 3. Isıtmada doğalgaz kullanılması halinde binalarda yaşayan kişi sayısına bağlı olarak en iyi ve en kötü inşaat koşullarında İstanbul'daki bir ısıtma mevsimi süresince CO 2 emisyonları. Isıtma amacıyla sadece doğalgaz kullanılması halinde farklı inşaat ve kullanım koşullarında İstanbul'da yıllık CO 2 emisyonlarının 3,5-19,1 Mt (milyon ton) aralığında değişen bir değerde olduğu Tablo 5 ve Şekil 3'ten, ayrıca en kötü inşaat koşullarındaki CO 2 emisyonlarının en iyi koşullardaki emisyonların yaklaşık olarak üç katı olduğu Şekil 3'ten görülmektedir. 17

10 Elde edilen bu sonuçlar, 1000 MW (megavvatt) elektrik gücüne sahip kömür yakıtlı bir elektrik enerjisi üretimi tesisinde, bir yılda yaklaşık olarak 6 milyon ton CO 2 gazının atmosfere bırakmakta olduğu [14] bilgisi ile birlikte değerlendirilip bir karşılaştırma yapmaya olanak sağlanabilir. Tablo 5. İstanbul'da ısıtmanın tamamen doğalgaz ile yapıldığı varsayımı ile ısıtma mev: mi süresince CO> emisyonu Apartmanlard a yaşayan insan sayısı 30 PAY (%) Tek cam 0,5HDS 8,5 10,3 12,1 13,9 1,0 HDS 10,3 12,1 13,9 15,6 1,5 HDS 12,1 13,9 15,6 17,4 2,0 HDS 13,9 15,6 17,4 19,1 Çift cam 0.5HDS 7,1 8,1 9,1 10,2 1,0 HDS 8,8 9,9 10,9 12,0 1,5 HDS 10,6 11,7 12,7 13,7 2,0 HDS 12,4 13,4 14,5 15, ,3 8,8 10,4 11,9 8,8 10,4 11,9 13,4 10,4 11,9 13,4 14,9 11,9 13,4 14,9 16,4 6,1 6,9 7,8 8,7 7,6 8,5 9,4 10,2 9,1 10,0 10,9 11,8 10,6 11,5 12,4 13, ,4 7,7 9,1 10,4 7,7 9,1 10,4 11,7 9,1 10,4 11,7 13,1 10,4 11,7 13,1 14,4 5,3 6,1 6,9 7,6 6,6 7,4 8,2 9,0 8,0 8,7 9,5 10,3 9,3 10,1 10,8 11, ,7 6,9 8,1 9,2 6,9 8,1 9,2 10,4 8,1 9,2 10,4 11,6 9,2 10,4 11,6 12,8 4,7 5,4 6,1 6,8 5,9 6,6 7,3 8,0 7,1 7,8 8,5 9,2 8,3 9,0 9,6 10, ,1 6,2 7,2 8,3 6,2 7,2 8,3 9,4 7,2 8,3 9,4 10,4 8,3 9,4 10,4 11,5 4,2 4,9 5,5 6,1 5,3 5,9 6,5 7,2 6,4 7,0 7,6 8,2 7,4 8,1 8,7 9, ,7 5,6 6,6 7,6 5,6 6,6 7,6 8,5 6,6 7,6 8,5 9,5 7,6 8,5 9,5 10,5 3,9 4,4 5,0 5,6 4,8 5,4 6,0 6,5 5,8 6,4 6,9 7,5 6,8 7,3 7,9 8, ,3 5,2 6,0 6,9 5,2 6,0 6,9 7,8 6,0 6,9 7,8 8,7 6,9 7,8 8,7 9,6 3,5 4,1 4,6 5,1 4,4 4,9 5,5 6,0 5,3 5,8 6,3 6,9 6,2 6,7 7,2 7,8 REFERANSLAR: [1] A. Durmayaz, M. Kadıoğlu,Z. Şen, "An application of the degree-hours method to estimate the residential heating energy requirement and fuel consumption in İstanbul", Energy, The International Journal, 25/12, Dec. 2000, [2] M. Kadıoğlu, A. Durmayaz, "İstanbul'da Konut Isıtmacilığında Doğalgaz Kullanımının Analizi", 1. Çevre ve Teknoloji Sempozyumu, Sayfa , İstanbul, 17/18 Nisan [3] A. Durmayaz, M. Kadıoğlu, "Heating energy requirements and fuel consumptions in the biggest city centers of Turkey", Energy Conversion and Management, 2001 (at press). [4] Intergovernmental Panel on Climate Change, Greenhouse Gas Inventory Reporting Instructions, Revised 1996 IPCC Guidelines for NationalGreenhouse Gas Inventories, Volume 1, Edited by J.T. Houghton, L.G. Meira Filho, B. Lim, K. Treanton, I. Mamaty, Y. Bonduki, D.J. Griggs and B.A. Callander, IPCC, OECD and IEA (International Energy Agency) [5] Intergovernmental Panel on Climate Change, Greenhouse Gas Inventory Workbook, Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Volume 2, Edited by J.T. Houghton, L.G. Meira Filho, B. Lim, K. Treanton, I. Mamaty, Y. Bonduki, D.J. Griggs and B.A. Callander, IPCC, OECD and IEA, [6] Intergovernmental Panel on Climate Change, Greenhouse Gas Inventory Manual, Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Volume 3, Edited by J.T. Houghton, L.G. Meira Filho, B. Lim, K. Tr6anton, I. Mamaty, Y. Bonduki, D.J. Griggs and B.A. Callander, IPCC, OECD and IEA,

11 [7] Kadıoğlu M, Şen Z. Degree Day Formulations and Application in Turkey. Journal of Applied Meteorology 1999; 38 (6): [8] R. G. Quayle, H. F., Diaz, "Heating Degree Day Data Applied to Residential Heating Energy Consumption", Journal of Applied Meteorology. 19, American Society of Heating and Ventilating Engineers (A.S.H.V.E.), 54, 1980, [9] M. Kadıoğlu, "İstanbul için Isıtma ve Soğutma Derece-Gün Hesaplamaları": 1994 Temiz Enerji Sempozyumu Bildirisi, İ.T.Ü. Meteoroloji Mühendisliği Bölümü, 1994, 10 s. [10] ASHRAE Handbook Fundamentals. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineers, Inc., [11] Kalorifer Tesisatı Proje Hazırlama Teknik Esasları, TMMOB, Makina Mühendisleri Odası, 13. Basım, Yayın No:84, 1999, Ankara. [12] A. Satman, N. Yalçınkaya, "Heating and Cooling Degree-Hours For Turkey". Energy, 24 (10) [13] İGDAŞ (İstanbul Gaz Dağıtım Sanayi ve Ticaret A.Ş.) "Doğalgaz El Kitabı". İstanbul Büyükşehir Belediyesi, İstanbul, [14] A. Durmayaz, M. Kadıoğlu,, "Enerji Üretiminin Atmosferik Sera Gazlarına ve Küresel Isınmaya Etkisi", TMMOB Meteoroloji Mühendisleri Odası, Meteoroloji Mühendisliği, 2001, (Baskıda).

12 TMMOB Makina Mühendisleri Odası "II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ' Kasım 2001 İSTANBUL'DA FOTOKİMYASAL KİRLİLİK SEVİYELERİ VE KAYNAKLARI ÜZERİNDE BİR DEĞERLENDİRME Sema Topçu 1 - Selahattin İncecik 2 istanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Maslak istanbul itu. edu. tr Prof. Dr. Selahattin İNCECİK; Meteoroloji Mühendisliği Bölümünde öğretim üyesi olup, hava kirliliği alanında çalışmakta ve bu alanda lisans ve yüksek lisans dersleri vermektedir. Prof. İncecik halen NATO ITM'de Türkiye'yi temsil etmektedir. Doç. Dr. Sema TOPÇU; Doç Dr. Sema Topçu İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Meteoroloji Mühendisliği Bölümü öğretim üyesidir de Atmosferde Radyasyon alanında doktorasını tamamlamıştır. Güneş radyasyonu, Troposferik ozon, Aerosoller Fiziği ve Rüzgar enerjisi konularında ulusal ve uluslararası yayınları bulunmaktadır. Halen Meteoroloji Mühendisliği Bölüm Başkan Yardımcılığı görevini sürdüren Doç.Dr.Sema Topçu atmosfer fiziği alanında çeşitli ulusal ve uluslararası araştırma projelerini yürütmektedir. ÖZET: İstanbul son yıllarda kış mevsimlerinde yaşanılan klasik hava kirliliği anlamında önemli bir değişim geçirmektedir. Kentte tüketilen kömür 1995 yılından itibaren hızla azalmış bunun yerine doğal gaz kullanımı giderek artmıştır. Buna bağlı olarak kentte gerek SO 2 ve gerekse de TSP seviyeleri hızla azalmıştır. Ancak İstanbul her büyük şehirde olduğu gibi giderek artan sayıda bir motorlu araç potansiyeline sahiptir. 1.5 milyonu aşan motorlu araç emisyonunun yanı sıra doğal gaz kullanımındaki artış kent atmosferinde NOx seviyelerinin yükselmesine yol açmaktadır. Etkin güneş radyasyonu NOx seviyeleri ile birlikte fotokimyasal reaksiyon mekanizmalarını harekete geçirmektedir. Bu suretle meydana gelen ozon, dikkatle izlenmesi gereken bir hava kirleticisidir. Yüzey ozon standardları bu amaçla Avrupa Birliği ülkelerinde sürekli denetlenmekte ve sağlık bakımından risk oluşturan kirletici seviyelerinin düşürülmesi ve kontrolü için stratejiler uygulanmaktadır. Yüzey ozon konsantrayonları İstanbul'da henüz kritik bir düzeye erişmemiştir. Ancak motorlu araç sayısındaki artış ve doğal gazın çeşitli amaçlarla yaz mevsiminde de kullanımı fotokimyasal kirlilik bakımından şehirde NOx seviyelerinin kontrol sürecinin başlatılması gerektiğini işaret etmektedir. Bu çalışmada, İstanbul'un şehir atmosferinde Şubat Aralık 1999 dönemi içerisinde ölçülen ozon konsantrasyonları incelenmiştir. Ozon konsantrasyonlarının yıllık değişimleri yanısıra meteorolojik değişkenler ile olan bağlantıları irdelenmiştir. l.giriş: Şehir çevresi, sağlığa zarar veren yüksek seviyede hava kirleticilerinin meydana geldiği ortamlardır. İstanbul son otuz yıl içerisinde önemli hava kirliliği olaylarına maruz kalmıştır. Şehirde meydana gelen hızlı büyüme ve istanbul'a göç hareketi, plansız gelişme ve şehirleşme, kontrolsuz yakıt kullanımı sonucunda Türkiye' nin bu en büyük metropolünde önemli hava kirliliği olaylarının yaşanmasına yol açmıştır. Bu süreç içerisinde en çarpıcı örnek 18 Ocak 1993 gunu meydana gelen 4000 Hg/m 3 lük SO2 ve 1400 ng/m 3 lük APM episodudur. İstanbul 1994 yılından sonra etkin bir yakıt kontrol stratejisi geliştirmiştir. Bunun sonucu olarak şehre giren yüksek kükürtlü ve düşük kalorili kömür yasaklanmış ve yüksek vasıflı ithal kömür yanısıra doğal gazın yaygınlaştırılması hızlanmıştır. İşte bu durum İstanbul'da bu yeni süreç içerisinde geleneksel kirlilik şeklinin giderek azalmasına ve yerine yeni tip kirliliğin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Bu kirletici en önemli fotokimyasak kirletici olan yer seviyesi ozonun meydana gelmesine yol açmıştır. Ozon, bir fotokimyasal kirletici olarak insan sağlığına, görme bozukluğu, akciğerler ve solunum yolları üzerinde çeşitli şekillerde olumsuz etkiler yanısıra, malzeme ve tarım ürünleri ile ormanlar üzerinde önemli kayıplara yol açmaktadır.

13 Uluslararası literatürde ozon formasyonu üzerinde atmosferik koşulların etkileri kırsal araziler için detaylı şekilde araştırılmıştır. Bununla beraber, şehir alanlarında emisyonların karmaşık mekanizması nedeniyle şehir ozon formasyonu tam olarak araştırılmamıştır. Bu nedenle şehir ortamlarında lokal çalışmaların ayrıntılı bir şekilde sürdürülmesine ihtiyaç bulunmaktadır. Genellikle şehir alanları trafik emisyonları ve kış mevsiminde konutların ısıtılmasından etkilenmektedir. Ozon, önemli bir fotokimyasal kirletici olarak troposferik kimya üzerinde önemli bir rol oynar. Ozon, güneş ışığı altında azot oksitler ve hidrokarbonlar arasındaki reaksiyonlardan ortaya çıkar. Antropojenik yüzey ozon normal olarak kirlenmiş bir atmosferde NO 2 nin fotokimyasal dekompozisyonu ile oluşur. Ayrıca, şehir alanlarında hidrokarbonların varlığı ozon formasyon sürecini şiddetlenmesine yol açar. Aşağıda ifade edildiği gibi fotokimyasal smog için kinetik mekanizmaya göre güneş enerjisinin N0 2 tarafından absorbsiyonu NO ve atomik oksijen, oluşumunu sağlar. NO, O3 ile reaksiyona girerek NO2 yi oluşturur. Daha sonra da, O, O2 ile reaksiyona girerek O3 ü oluşturur. N ) ItV * o 2 + NO * > NO Hh 0 0, H- M NO 2 H (D Ölçülen yüksek ozon konsantrasyonları ile ilgili lokal meteorolojik koşulları tanımlamak için çeşitli bölgesel çalışmalar yapılmıştır. Ozon konsantrasyonlarının lokal meteorolojik şartlar ile büyük ölçüde etkilendiği bilinmektedir [1-3]. Bununla beraber meteorolojik değişkenlerin bir kısmı ve ozon konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi açıklayan kabul edilmiş bir teori bulunmamasına rağmen ozonun NO ya da NO2 ile ilişkisi yanında atmosferik değişkenlere bağlılığı açıklanmaktadır. Ozon klimatolojisi alanındaki araştırmalar çevre hava sıcaklığı ve ozon konsantrasyonu üzerine odaklanmaktadır. Şehir yer seviyesi ozonun maksimum değerlerindeki mevsimsel değişimler ile yaz trendinin bir analizi buna en iyi örnektir. Bunun yanısıra belirli bir dönem esnasında meydana gelen episodların incelendiği çalışmalar literatürde çokça yer almaktadır [4,5]. Hava sıcaklığının ozon konsantrasyonunun en kuvvetli tek prediktörü olduğu Hubbard ve Coburn tarafından gösterilmiştir [6]. Kanbour vd., ise şehir atmosferi için ozonun saatlik değişimlerinin, güneş radyasyonu, hava sıcaklığı ve nemin ozon ile saatlik değişimlerinden etkilendiğini göstermiştir [7]. Buna göre 120 ppb yi aşan ozon konsantrasyonlarının %40 dan düşük nem, 25 C den yüksek hava sıcaklığı ve 30 calcırf" yüksek güneş radyasyonu altında meydana geldiği belirlenmiştir. Diğer yandan Xu vd., yer seviyesi ozon trendlerini bir regresyon modeli ile ve kategorik bir değişken yardımıyla araştırmıştır [3]. Buna göre 15 C üzerindeki günlük maksimum sıcaklıkların günlük maksimum ozon konsantrasyonlarıyla ilişkili olduğu gösterilmiştir. V j f Ozon üzerindeki yoğun uluslararası ilgiye rağmen Türkiye'de şehir ozon karakteristiklerinin çok sınırlı analizlerinin yapıldığı görülmektedir [8]. Yüzey ozon ve buna yol açan kimyasalların ölçme programı ilk kez Şubat 1998 de şehrin Anadolu yakasında Kadiköy Bölgesinde başlamıştır. istanbul şehirleşmede, endüstrileşmede ve araç sayısında önemli gelişmeler kaydetmiş olan bir şehirdir. Henüz kritik seviyelerin yoğun bir şekilde oluşmamasına rağmen ozon probleminin potansiyeli İstanbul'da özellikle artan araç sayısına bağlı olarak büyümektedir. j Bu çalışmanın amacı yukarıda açıklanan gerekçelere dayanarak İstanbul'un şehir atmosferinde ozon konsantrasyonu seviyelerini ve meteorolojik değişkenler arasındaki bağlantıları ve yıllık değişimlerini ortaya koymaktır. Çalışma iki fazda yapılmıştır. Birinci faz atmosferik değişkenleri gözönüne almadan yıllık değişimler incelenmesini kapsamaktadır. Bu amaçla Büyük Şehir Belediyesi Çevre Dairesi Başkanlığı tarafından gerçekleştirilen iki yıllık veri gözönüne alınmıştır. İkinci fazda ise en yüksek fotokimyasal aktivitenin meydana geldiği aylarda meteorolojik etkiler incelenmiştir. 2.BÖLGE VE VERİ: İstanbul metropolitanı <j>=41n: A,=29E de yer almaktadır. Şehir nüfusu yaklaşık olarak 10 milyon f civarındadır. Şehirde 1.5 milyonun üzerinde motorlu araç bulunmaktadır. Bu araçların her gün 1/3 ünün trafiğe çıktığı gözönüne alınmaktadır. Ayrıca şehirdeki taksilerin tamamına yakın kısmı 1998 den beri LPG kullanmaktadır. I

14 Ozon O34IM of Environment S.A. analizörü ile UV radiation absorbsiyonuna dayanarak ölçülmektedir. Minimum seçilme sınırı 1 ppb dir. NO X analizörü ise AC31M Environment S.A.dır [9]. Yukarıdaki ölçmelere ek olarak güneş radyasyonu, sıcaklık, rüzgar şiddeti ve yönü ile atmosferik basınç verileri Göztepe meteoroloji istasyonundan alınmıştır. Bu çalışmada, İstanbul Büyük Şehir Belediyesi Çevre Dairesi tarafından gerçekleştirilen 1998 ve 1999 yıllarına ait ölçümler kullanılmıştır.. Günlük maksimum ozon konsantrasyonlarının çalkantıları ile kuvvetlice ilgili olan meteorololik parametreleri tanımlamak ve ozon konsantrasyonlarının zamansal değişiminin patemlerini anlamak için meteorolojik parametreler ve ozon konsantrasyonları ozon mevsimini temsil etmek üzere kullanılmıştır. Ancak, kulanilan bu veriler tüm yaz mevsimini temsil etmemektedir. İki hava kirliliği istasyonunda meydana gelen teknik problemler nedeniyle 1998 yılında Ocak, Temmuz ve Ağustos aylarında, 1999 yılında ise Ağustos-Aralık arasında ölçme yapılamamıştır. En yüksek fotokimyasal aktiviteye sahip olan 1998 yılına ait Nisan, Mayıs, Haziran; 1999 yılına ait Nisan, Mayıs Haziran ve Temmuz aylarına ait ozon ve ozon öncülleri kullanılmıştır. 3. YILLIK VE GÜNLÜK DEĞİŞİMLER: Yüzey atmosferde maksimum ozon konsantrasyonu en önemli hava kirliliği göstergelerinden birisidir. Şekil 1 Saraçhane İstasyonlarında ölçülen Şubat 1998den Aralık 1999 a kadar olan döneme ait günlük maksimum ozon değerlerini göstermektedir. Nisan Temmuz arasındaki ozon seviyeleri diğer aylara göre daha yüksek seviyede meydana gelmektedir ve 1999 yılları için ortalama ve maksimum ozon ve NOx değerleri ise Tablo 1 de gösterilmiştir.yukarıda açıklandığı gibi şehir alanlarında yüzey ozon güneş ışığı altında özellikle araç egzostlarından çıkan NOx and VOCs in reaksiyonları sonucunda meydana gelir. Bu üretim mekanizması İstanbul'un şehir atmosferinde ozonun günlük değişimi ile açıkça görülebilir. Bunun yanısıra Kadiköy şehir istasyonunda ozon konsantrasyonlarını kontrol eden faktörleri incelemenin en önemli yolu ozonun günlük değişimini incelemektir. Diğer yandan herhangi bir yerde ölçülen saatli ozon konsantrasyonlarının günlük paterni ozonun formasyonu ve taşınımını açıklayabilir ve 1999 ozon mevsimi dönemine ait karakteristik ay olan Temmuz için ozonun günlük ortalama değişimleri yukarıda açıklanan paterni daha iyi açıklayabilir. Bu suretle ozon konsantrasyonların günlük değişimlerinden şehirdeki ozonun aylık çevrimine yönelik bilgiler elde etmek mümkündür. Ozonun günlük değişimine bakıldığında, ozon mevsimi esnasında öğle sonrası saatlerde meydana gelen kuvvetli konveksiyon geç öğle sonrası saatlerinde ozonun pik değerlere erişmesine yol açmaktadır. Diğer taraftan tüm aylara ait ozon konsantrasyonları 08 lokal saat civarında artmakta, öğle sonrası saatlerinde ise maksimum değere çıkmakta ve daha sonra azalmaktadır. Ozon konsantrasyonları 15:00 civarında en yüksek seviyesine erişmektedir. Gün ışığının yokluğunda ozon üretilmediği için güneşin batışını takiben minimum seviyeye yaklaşmaktadır. Ayrıca ozon sabah erken saatleri esnasındaki ozon formasyonunun gerek sınır tabakanın henüz gelişmemesi ve gerekse de NO ve NO 2 tarafından meydana gelen kayıplar nedeniyle ortaya çıkabileceği de bilinmektedir. Yüzey ozon kısmen nitrik oksit reaksiyonları ile kaldırılır ve gece boyunca birkime uğrar [8]. Beklendiği gibi de ozon konsantrasyonları öncül gazların foto oksidasyonu yoluyla artış gösterir. Bunun sonucu olarak ölçme bölgesinde yaz aylarında gündüz kış mevsimine kıyasla üç ya da dört kez yüksek değerler ortaya çıkar. Bununla beraber gece dönemi esnasında ortaya çıkan ilginç yapı sıfır güneş radyasyonunda dahi ozon seviyelerinin gorülebilmesidir. Bu durum enverziyon tabakası altında bulunan ozonun tuzaklanmasıyla açıklanabilir. 4.OZON KONSANTRASYONLARI ÜZERİNDE METEOROLOJİK ŞARTLARIN ETKİLERİ: Ozonun formasyonu ve taşınımı karmaşık bir olay olmasına rağmen, meteorolojik şartlar yüzey ozonun formasyonunda ve bozulma mekanizmasında ve ozon değişintisinde. önemli bir rol oynar. Yüzey ozon ve meteorolojik parametreler arasındaki bağlantıyı açıklayan bir teori olmamasına rağmen fiziksel mekanizmanın anlaşılması için günlük toplam güneş radyasyonu, maksimum sıcaklık ve ortalama rüzgar şiddetinin günlük maksimum ozon konsantrasyonları üzerindeki etkisini anlamak gereklidir. Bu amaçla bu çalışmada, saatlik ozon değerleri ve meteorolojik parametreler arasındaki ilişkiler incelenmişir. Ayrıca günlük maksimum ozon konsantrasyonlarının günlük ortalama sıcaklık, toplam radyasyon, günlük 23

15 ortalama rüzgar şiddeti ve ortalama yüzey basıncı ile bağlantıları araştırılmıştır. Güneş radyasyonu ile olan bağlantısı nedeniyle ozon konsantrasyonu üzerinde hava sıcaklığının etkisi bulunmaktadır. Bu etki kış aylarında son derece zayıf, ancak yaz ve ozon mevsimine ait aylarda ise açıkça görülmektedir. Kadıköy bölgesinde, ozon konsantrasyonlarının oluşum sürecini ayırmak için veri paketi aşağıda belirtildiği gibi iki zaman bölümüne ayrılmıştır. Buna dayanarak da yaz mevsimine ait saatlik ozon konsantrasyonlarının gündüz ve gece dönemi için saçılma diyagramları oluşturulmuştur. 1.Ozonun tam olarak geliştiği fotokimyasal üretimindeki periyod (10:00-16:00 lokal saatler). Bu dönem en i yüksek saatlik ozon konsantrasyonlarının oluşum zamanına karşı gelen saatleri içermektedir. ; 2. Sabah saatlerine ve gece dönemine karşı gelen periyod (17:00-09:00 lokal saatler). Şekil 2a ve 2b, Kadiköy Bölgesinde yüzey ozon konsantrasyonlarının hava sıcaklığına bağlılığını işaret etmektedir. Buna göre ozon konsantrasyonları genellikle artan sıcaklıkla artış gösterir. Beklendiği üzere ozon konsantrasyonları genellikle artan güneş radyasyonu ile artar. Bu nedenle özellikle ozon mevsimine ait aylarda maksimum ozon ve günlük toplam güneş radyasyonu arasında kuvvetli ilişki ortaya çıkmıştır. Özellikle etkin güneş radyasyonunmeydana geldiği aylarda ortaya çıkan yüksek ilişki açıkça görülmektedir. Bu sonuç artan sıcaklıkla ozon konsantrasyon kinetiğinin yapısını desteklemektedir. Burada karakteristik bir yaz ayını temsil etmek üzere Temmuz ayı için ozonun sıcaklıkla saçılma diyagramları gün ve gece saatleri için gösterilmiştir. Diğer yandan günlük maksimum sıcaklık ve maksimum ozon konsantrasyonları t arasındaki ilişki Temmuz ayı için Şekil 3 de incelenmiştir. Wakamatsu vd., [9] bu değişkenler arasındaki ^ pozitif ilişkiyi göstermiştir. Genel olarak hava kirliliği konsantrasyonlarının rüzgar şiddetiyle ters orantılı olması beklenir. Oysa ikincil kirletici olarak ozonun formasyonu ve taşınımı daha karmaşık bir olaydır ve her koşulda aynı sonucu vermesi sz konusu değildir. Bundan dolayı ozon seviyelerinin rüzgar şiddetine bağlı olarak değişimleri belirli bir meteorolojik veri seti ile birlikte değerlendirilmelidir. NOx konsantrasyonlarının ozon seviyeleri üzerindeki etkilerini daha iyi anlayabilmek için ozon ve NOx konsantrasyonları kıyaslanmıştır. O3 ün NOx e karşı saçılma diyagramları Şekil 4 de gösterilmiştir. Nisan- Temmuz dönemine ait bu saçılma değerleri 10:00-16:00 lokal saatler arasındaki değişimi işaret etmektedir. Ozon karaktersitik mevsimine karşı gelentemmuz esnasında NO and NO2 nin sabah ve akşam öncesi iş, trafik saatleri esnasında yüksekliği burada göz önüne alınmamıştır. Bunun yanısıra O 3 ün NOx ile yaz $ aylarında fotokimyasal formasyonun en şiddetli olduğu zamanlar ters ilişkili olması beklenir. Bu çalışmada "<l da O 3 ve NOx arasında negatif korelasyon belirlenmiştir. Korelasyon katsayısı gün esnasındaki dönem için bulunmuştur. Burada ortaya çıkan ozon ve NOx arasındaki negatif korelasyonun nedeni NO nun NO 2 ye oksidasyonudur. Geceleyin fotooksidasyona yol açan öncüller olmadığı için ozon seviyeleri oldukça düşüktür. 4.1.OZON KONSANTRASYON SEVİYELERİNİN AŞILMASI: İstatistik teknikler lokal ozon konsantrasyonlarına maruz kalmanın faydalı bir ölçüsünü sağlarken meteorolojik şartların etkileri ile ilgili detayları saklayabilmektedir. Burada konu edilen şehir ozon seviyeleri henüz kritik bir durum oluşturmamakla beraber şehirde giderek artan araç sayısı yakın gelecekte bu «seviyelerin yükseleceğini ve episod değerlere ulaşacağını göstermektedir. Bu çalışmada Kadıköy'de ölçülen f saatlik ozon seviyeleri gözönüne alınarak seçilen bir eşik değerin aşıldığı günlerde ozonun yükselme nedenleri incelenmiştir. Burada göz önüne alman aşılma sevisi 70 ng/m 3 dir. Tablo 2, 1999 yılındaki aşılma günlerinin listesini ve bu günlere karşı gelen meteorolojik değişkenleri göstermektedir. Nisan ayı içerisinde meydana gelen bu değişim paketi ozonun yükselme sebeplerini güneş radyasyonu, maksimum sıcaklık ve atmosfer basıncına ait değerlerin ışığında açıklamaktadır. Şekil 5, burada öne çıkarılan Nisan (7-10) periyodunu göstermektedir. Şekilde görüldüğü üzere maksimum ozon seviyesi şiddetli radyasyonun meydana geldiği öğle saatlerinde kuvvetli konveksiyon ile beraber meydana gelmektedir. Nisan 1999 esnasında aylık ortalama yüzey basıncının mb ile meydana gelmesine rağmen, 9 ve 10 Nisan günleri günlük ortalama basınçlar sırasıyla 1015 ve mb dır. Göztepe Meteoroloji istasyonunda ölçülen pik radyasyon değerleri ise 8-10 Nisan günlerine W/m 2 iken maksimum günlük sıcaklık değerleri aynı günler için 18.3 C den 21.8 C ye yükselmiştir. Diğer yandan günlük ortalama rüzgar şiddetleri 0.8 ile 1.5 m/s arasında j değişmiştir Nisan 1999 arasında satlik ortalama rüzgar şiddetlerinin %51' i 1.0 m/s den küçüktür. Bu { durum bu üç gün esnasında aşağı atmosferde meydana gelen sıcak sektör oluşumundan etkilenmektedir. 8 Nisan 1999 günlü sinoptik yer kartı İstanbul'un güney ve güneybatılı ve düşük rüzgarlarla etkilendiğini işaret 24

16 etmektedir. Rüzgar şiddetinin ortalama değeri 1 m/s den düşüktür. NOx ve hidrokarbonlar durgun atmosfer şartları altında seyrelme işlemine uğrayamazlar bunun sonucu olarak da tuzaklı şartlar yüksek ozon seviyelerinin birikme ile oluşmasına yol açar. Bu olayın ozon birkimi için önemi büyüktür. Bunun sonucu olarak ozon konsantrasyonları en yüksek seviyesine 8 Nisan günü erişmiştir. Maksimum değer 10 Nisan günü 99 ng/m 3 olarak ölçülmüştür. 5. SONUÇLAR Yüzey ozon insan sağlığına ve bitki örtüsüne olumsuz etki yapan ikinci dereceden bir hava kirleticisidir. Bu nedenle şehirlerde potansiyel ozon problemini tanımaya yönelik olarak fotokimyasal ozon öncüllerinin artması çevre konusunda politika yapıcılarını zorlamaktadır, istanbul'da şehirleşmede görülen önemli büyüme ile beraber motorlu araç sayısında artış görülmektedir. Bunun yanısıra istanbul henüz ozon seviyeleri bakımından kritik bir yapıda bulunmamaktadır. Ancak araç sayısındaki artışlar, şehirde yaygınlaşan LPG kullanımı İstanbul'da ozon seviyelerinin yakın gelecekte kritik seviyeleri aşacağına işaret etmektedir. Bu çalışmada ortaya çıkan sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. 1. Lokal orijinli olduğu tahmin edilen ozonun, ozon mevsim aylarında tipik bir günlük değişime sahip olduğu anlaşılmaktadır. Ozon konsantrasyonları sabah 08 saatleri civarında artmaya başlamakta, 15 civarında ise maksimum değere erişmekte ve daha sonra da güneşin batışını takiben azalmaktadır. Gündüz seviyeleri geceye göre üç ya da dört kat yüksek olabilmektedir. 2. Güneş radyasyonun pik değerleri Nisan ayında 700W/m 2 yi, Mayıs ayında 800 W/m 2 ve Haziran- Temmuz aylarında ise 900 W/m 2 yi aşmıştır. Ozon konsantrasyonları genellikle ozon mevsim aylarında artan sıcaklıkla artmaktadır. 3. NOx ve hidrokarbonlar durgun atmosferik şartlar altında seyrelemezler ve bu nedenle de ozonun birikimine yol açarlar. O 3 ve NOx arasında negatif korelasyon bulunmuştur. Bunların yanısıra İstanbul ve çevresi cephesel bir sistemin sıcak sektörü içinde yer aldığı zaman meteorolojik koşullar yüksek ozon konsantrasyonlarının oluşumuna yol açabilmektedir. 6.KAYNAKLAR: [1] Riveros H.G., J.L, Arriaga, J.Tejede, A.Julian-Sanchez, H.Riveros-Rosas, " Ozone and its precursors in the atmosphere of Mexico City". J.Air &Waste Manage. Assoc. 48,1998, [2] Cox W.M. ve S-H Chu, "Assessment of interannual ozone variation inurban areas from a climatological perspective", Atmospheric Environment, 30,1996, [3] Xu J, Y.Zhu and J.Li, "Case studies on the processes of surface ozone pollution in Shanghai," J.Air &Waste Manage. Assoc.,49, 1999, [4] Ziomas I.C, P.Tzoumaka, D.Balis, D.Melas, C.S..Zerefos, O.Klemm. "Ozone episodes in Athens, Greece", Atmospheric Environment, 32,1998, [5] Lal, S, M.Naja, B.H.Subbaraya, "Seasonal variations in surface ozone and its precursors över an urban site in lndia", Atmospheric Environment, 34, 2000, [6] Hubbard, M, W.G. Cobourn, "Development of a regression model to forecast ground- level ozone concentration in Louisville, KY", Atmospheric Environment, 32, 1998, [7] Kanbour F, S.Y.Faiq, F.A.Al-Taie, A.M.N.Kitto.N.Bader, "Variation of ozone concentrations in the ambient air of Baghdad", Atmospheric Environment, 21, 1987, [8 Topçu S, S.incecik, ''İstanbul'da Şehir Ozon Seviyeleine ait İlk Ölçümlerin Değerlendirilmesi" Hava Kirlenmesi ve Kontrolü Ulusal Sempozyumu Bildiri Kitapçığı İzmir 1999, [9] İstanbul Büyük Şehir Belediyesi Çevre Dairesi Arşivi, 2000 [10] Wakamatsu. S, T.Ohara, I.Uno, "Recent trends in precursor concentrations and oxidant distribution in ıhe Tokyo and Osaka areas". Atmospheric Environment, 30, 1996, TABLO 1. Kadıköy'de O 3 (ug/m 3 ) ve NOx ( ig/m 3 ) değerlerinin istatistiksel özeti O, (Yıllık Ort) NOx(Yıhk Ort.) Oı (Ozon Mevsimi Ort.) NOx (Ozon Mevsim Ort.)

17 TABLO 2. Kadıköy ozon istasyonunda 70 ^g/m 3 aşılma değerleri ve bunlara ait meteorolojik değerler Ozon Eşiğinin aşıldığı günler Nisan 8, 99 Nisan 9, 99 Nisan 10,99 Nisan 11,99 Nisan 13,99 Nisan 18,99 Nisan 20, 99 Nisan 22, 99 Nisan 23, 99 Haziran 21,99 Maksimum saatlik ozon kons. (Ug/m 3 ) Maksimum sıcaklık ( C) Günlük global güneş radyasyonu (MJ/m 2 ) Ortalama atmosferik basınç (mb) Saraçhane 1998 Oc Şub Mar Nis May Haz Tem Agu Ey Ek Kas Ar Şekil ve 1999 yıllarına ait İstanbul'da ölçülen günlük maksimum ozon değerleri Temm uz r= Şekil 2a. Hava sıcaklığının ozon üzerindeki etkisi (10:00-16:00) Temmuz17-09 r=0.4 9 on " 20 n İMİİ W T(C) I t 40.0 Şekil 2b. Hava sıcaklığının ozon üzerindeki etkisi (17:00-09:00) 26

18 Temmuz R-0.67 Temmuz R= Ozo C) NOx Şekil 3.Günlük maksimum sıcaklıkların günlük maksimum ozon konsantrasyonları Şekil 4. Gün esnasında saatlik ozon konsantrasyonların Nox üzerindeki etkisi ile değişimi Şekil Nisan 1999 döneminde saatlik ozon konsantrasyonları ve meteorolojik parametrelerin değişimi 27

19 TMMOB Makina Mühendisleri Odası "II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ" Kasım 2001 DOĞAL GAZ YANMASI VE EMİSYON OLUŞUMU Y.Erhan BÖKE 1, A. Abdülkadir AKGÜNGÖR 2, Cihat AYDIN 3 'İT.Ü. Makina Fakültesi, Gümüşsuyu-İST. Tel: , E-Posta: erhan@mkn.itu.edu.tr 2 İGDAŞ Selimiye Hizmet Binası, Tıbbiye Cad. No:7, Üsküdar-İST. Tel: , E-Posta: abakgungor@yahoo.com 3 İGDAŞ Kağıthane Şebeke Şefliği, Merkez Mah. Uğur Sk. No:59, Kağıthane-İST. Tel: , E-Posta: cihataydin@yahoo.com Yrd. Doç. Dr. Y.Erhan BÖKE 1 ; 1962 İstanbul doğumludur yılında YTÜ Makina Fakültesi'nde lisans yılında İTÜ Fen Bil. Ens. Makina Anabilim Dalı'ında yüksek lisans, 1993 yılında İTÜ Fen Bil. Ens. Makina Anabilim Dalı'ında doktora eğitimini tamamlamıştır. Halen İTÜ Makina Fakültesinde öğretim üyesidir. Mak. Yük. Müh. A.Abdülkadir AKGÜNGÖR; 1974 Ankara doğumludur yılında İTÜ Makine Fakültesi'nden mezun olmuş ve 2000 yılında İTÜ Fen Bil. Ens. Makine Anabilim Dah'nda yüksek lisans eğitimini tamamlamıştır. Halen igdaş'ta mühendis olarak çalışmaktadır. Mak. Yük. Müh. Cihat AYDIN; 1973 Fatsa doğumludur yılında İTÜ Sakarya Müh. Fakültesi Makine Mühendisliği bölümünden mezun olmuş ve 1999 yılında SAÜ Fen Bilimleri Ens. Makine Müh. Bölümünde yüksek lisans eğitimini tamamlamıştır. Halen İGDAŞ'da teknik şef olarak çalışmaktadır. ÖZET: Bu çalışma cebri üflemeli gaz brülörlerinin işletilmesi ile ilgili genel şartları, brülörler için deney metotlarını kapsamakta ve hava kirliliğinin azaltılması, ısı tekniği ve ekonomisi açısından kazan-brülör uyumunun sağlanması gerektiğini vurgulamayı amaçlamaktadır. Çalışmada, 70 kw ısıl kapasiteli TS 11392, Pr EN 676 standardlarına uygun olarak brülör testi için tasarlanmış doğal gaz yakan bir deney kazanına cebri üflemeli brülör monte edilerek, laboratuar şartlarında doğal gaz yakılmıştır. Çeşitli parametrelerin doğal gaz yanması üzerine olan etkisi, alev özelikleri ve emisyonlar incelenerek belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaca uygun dizayn edilmiş deney kazanı, yanma hücresi küçültülüp büyültülebilen alev geri dönüşlü (karşı basınçlı), üzerinde brülör alevinin şeklini ve özeliklerini gözleme ve aynı zamanda termoeleman yerleştirilmesine imkan sağlayan belli aralıklarla yerleştirilmiş prizler ihtiva etmektedir. Araştırma ve deneyler sonunda elde edilen tespitlerin ışığında doğal gaz dağıtım şirketlerinin, merkezi ısıtma santrallerinde, sanayi yakıcılarında ve kalorifer kazanlarında brülör-kazan uyumunu da dikkate almaları ve kontrol esnasında nelere dikkat etmeleri gerektiği de belirtilmiştir. Anahtar Kelimeler: Doğal Gaz, Yanma, Brülör, Emisyon. 1. GİRİŞ: Teknolojinin gelişimi ve nüfus artışıyla birlikte karşımıza çıkan hava kirliliği, tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde ve özellikle büyük şehirlerimizde insan sağlığını tehdit edici ana unsurlardan biri haline gelmiştir. Bu nedenle, oldukça temiz ve verimli bir yakıt olan doğal gaz en çok tercih edilen yakıt durumuna gelmiştir. Diğer dünya ülkelerine göre ülkemize kullanımı oldukça geç yaygınlaşan doğal gaz. İstanbul'da 1992'den beri kullanılmaktadır. İstanbul'daki hava kirliliği sorununun çözülmesinde rolü tartışılmaz olan doğal gazın, doğru yöntemlerle ve maksimum verimlilikle kullanılmasını sağlamak için, yakma sistemlerinde brülör-kazan uyumu ve yakıcı dizaynı en önemli unsurlardan biridir. Yakma sistemlerinin doğal gaz yanmasına uyumu baca gazı analiziyle kontrol edilir. Yüksek kapasiteli sistemler başta olmak üzere özellikle merkezi sistem, sanayi ve ticari kuruluşlarda bu kontroller gaz dağıtım kurumlarınca gerek tesisler devreye alınırken, gerekse devreye alındıktan sonra düzenli olarak yapılmalı ve kayıtları tutulmalıdır. Karşılaşılan problemler, cihaz imalatçıları ve gaz dağıtım kurumlarınca incelenmeli, çözüm önerileri sunulmalı ve araştırmalar yapılmalıdır. 29

20 2. YANMA Birinci enerjinin yanma ile kullanılabilir enerjiye dönüşümü ve bunun sonucunda oluşan zararlı madde emisyonu ısıtma tekniğinin ana konulan arasındadır. Çok yalın bir ifadeyle yakıtın yanabilen kısmının oksijen ile ısı enerjisi üretecek şekilde kimyasal reaksiyona girmesi "yanma" olarak tariflenmektedir. Yanma, yakıt-hava karışımının sağlanması, tutuşma sıcaklığına getirilmesi ve reaksiyona girmeleri için gerekli sürenin sağlanması durumunda gerçekleşmektedir. Alev, tutuşma sıcaklığının altına inilmesi durumunda sönmektedir. Tam yanma sonucunda baca gazında yanabilen gazlar ve yakıt parçacıkları bulunmamaktadır. Havanın azotu, oksijen, su buharı, karbondioksit ve zararlı maddeler baca gazının içerdiği belli başlı bileşenleridir. Zararlı bileşenlerin en önemlileri; kükürtdioksit (SO2), karbonmonoksit (CO), azotoksitler (NOx) ve yanmamış hidrokarbonlardır (CxHy). Azot oksitler ve yanmamış hidrokarbonlar, çeşitli madde komponentlerinin değişik paylarıyla oluşan değişken gaz karışımlarıdır. Doğal gazın yanması sonucunda, diğer fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında daha düşük olan CO 2,r, ax değeri sebebiyle düşük CO 2 emisyonu ortaya çıkmaktadır. CO 2 emisyonu yakıta özgü olarak belirlenmiş olduğundan, azaltılması ancak enerji tasarrufu ve birinci enerjinin ekonomik olarak dönüştürülmesi ile sağlanabilmektedir. Tam yanmanın teorik olarak gerekli olan hava miktarı ile sağlanması mümkün olmadığından, uygulamadaki yakma sistemleri hava fazlalığı ile işletilmektedir. Hava fazlalığı, yanma odasına giren ve bir kısmı yanmaya katılmayan tüm hava miktarının ısıtılması gerektiğinden, mümkün olduğunca düşük tutulmalıdır. Hava fazlalığının gereğinden fazla olması halinde ocak sıcaklığı düşmekte, eksik yanma olmakta, baca gazı miktarı artmakta, verim düşmesi sonucu aynı ısıl kapasitenin eldesi için yakılması gereken yakıt miktarı artmaktadır. Düşük ocak sıcaklığı, domestik kazan veya buhar kazanının konstrüksiyon ısıl kapasitesinin altında çalışmasına sebep olmaktadır. Yüksek baca gazı kayıpları ve buna bağlı olarak oluşan çevre kirliliği nedeniyle verimsiz yanma istenmeyen durumdur. Yanma için önemli olan üç unsur; iyi karışma, sıcaklık ve gerekli zaman ile uygun hava fazlalığı gereği gibi sağlanamadığında yakıt sarfiyatı artmakta ve bunun sonucu olarak aynı oksijen bazındaki zararlı emisyon ve toplam emisyon değerleri artmaktadır. Kükürtdioksit, kükürt içeren yakıtların, örneğin kömür veya sıvı yakıt yanmasında yakıtta bulunan kükürtün oksijenle reaksiyonu sonucu açığa çıkmaktadır. Yanmada ürünlerinde biri olan su buharıyla kükürtdioksid düşük sıcaklıklarda cihaz içinde asit meydana getirmektedir. Ayrıca kükürtdioksit atmosferde asit yağmurlarını oluşturan ana etken olarak görülmektedir. Kükürtdioksit emisyonu sadece yakıtta bulunan kükürt miktarının ve yakıt sarfiyatının azaltılması ile düşürülebilmektedir. Doğal gaz bileşiminde kükürt içermediğinden, yanma sonucunda kükürtoksit emisyonları meydana gelmemektedir. Karbonmonoksit (CO); yetersiz hava, hava ve yakıt karışımının kötü olması veya yeterli büyüklükte boyutlandırılmamış yanma odası nedeniyle oluşan eksik yanma neticesinde meydana gelmektedir. Karbonmonoksit emisyonunun artması, genellikle yakıcının yanlış ayarlanmasından veya kazan dairesine yeterince hava girişi olmamasından kaynaklanmaktadır. Emisyonların kontrol altında tutulabilmesi için bazı atmosferik brülörlü kazanlarda yanma odasının yüksek yapılması bu amaca yönelik güzel bir örnektir. CO değerlerini azaltmaya yönelik önlemler esasen NOx değerlerinin artmasına neden olabilir. Yanma sonucu açığa çıkan diğer zararlı emisyonlar azot oksitlerdir (NOx). NOx konsantrasyonunda artış zehirli ozon oluşumunun kuvvetlenmesini sağlamakta ve ayrıca "asit yağmuruna" sebep olmaktadır. Azot oksitler, azot (N) ve oksijen (O) elementlerinin kimyasal bileşimleridir. Emisyon grubu kavramı olan azotoksitler veya NOx, genelde azotmonoksit (NO) ve azotdioksit (NO 2 ) bileşenlerini içermektedir. Yanma işleminde, yanmada hemen hemen tamamına yakın NO oluşmaktadır. Bunun sadece düşük bir miktarı (< % 10 hacimsel) kazan içerisinde NOj'ye okside olmaktadır. NO'nun kalan miktarı ilk başta atmosfer içerisinde oksijen ile reaksiyona girerek NO 2 'ye dönüşmekte ve NO 2 de nitrik asit oluşturmaktadır. Bu da orman ölümlerine neden olmaktadır [1,5]. 3. DENEY TESİSATI Deney tesisatının şematik görünüşü Şekil l'de verilmiştir. Deneylerde, doğal gaz yakmaya uygun cebri üflemeli bir brülör ve TS Pr EN 676/Nisan 1996 "Brülörler-Vantilatörlü-Gaz Yakıtlar İçin" standardında yer alan deney kazanı kullanılmıştır. Deney kazanı yanma odası hacmi değiştirilebilen, ocak iç çapı 40 cm olan, 12 adet 36.5 mm iç çaplı 30