Betül BektaĢ Ekici Accepted: October ISSN : bbektas@firat.edu.tr Elazig-Turkey

Transkript

1 ISSN: e-journal of New World Scences Academy 211, Volume: 6, Number: 4, Artcle Number: 1A24 ENGINEERING SCIENCES Receed: July 211 Betül BektaĢ Ekc Accepted: October 211 U. Teoman Aksoy Seres : 1A Frat Unersty ISSN : bbektas@frat.edu.tr 21 Elazg-Turkey ELAZIĞ ĠLĠ ĠÇĠN GÜNEġ ISISI KAZANÇ FAKTÖRÜ DEĞERLERĠNĠN HESAPLANMASI ÖZET Güneş Isısı Kazanç Faktörü (SHGF), bnaların pasf olarak ısıtılması e soğutulmasında ayrıca klmlendrme ekpmanlarının boyutlandırılmasında kullanılan öneml br parametredr. Bu çalışmada Elazığ lne at SHGF değerler hesaplanmıştır. Hesaplamalarda yılları arası 1 yıllık döneme at Delet Meteoroloj İşler Genel Müdürlüğü nden temn edlen klmsel erler kullanılmıştır. SHGF hesaplamaları MATLAB ortamında hazırlanan br blgsayar programı le gerçekleştrlmştr. Farklı yönlere at hesaplanan SHGF değerler grafksel olarak sunulmuştur. Anahtar Kelmeler: Isıtma e Soğutma İhtyacı, SHGF, Güneş Işınımı CALCULATION OF SOLAR HEAT GAIN FACTORS FOR ELAZIĞ PROVINCE ABSTRACT Solar Heat Gan Factor (SHGF) s a parameter whch s used for passe heatng and coolng of buldngs and szng ar-condtonng equpments. In ths study, SHGF alues of Elazığ cty are calculated. The clmatc data of 1 year perod between years whch were taken from Turksh State Meteorologcal Serce was used. SHGF calculatons were carred out wth a computer program wrtten n MATLAB. SHGF alues of dfferent drectons are presented wth fgures. Keywords: Heatng and Coolng Requrement, SHGF, Solar Radaton

2 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), GĠRĠġ (INTRODUCTION) Bnalarda kullanılan enerj mktarını belrleyen etkenlern başında bölgesel klm koşulları gelmektedr. Bu nedenle farklı bölgelern geleneksel yapım tpolojler brbrnden farklı özellkler gösterr. Ancak geleneksel yapım sstemler günümüz yaşam alışkanlıkları e şehrleşmenn de etksyle kullanımını ytrmş durumdadır. Bu nedenle çağdaş tasarım e nşa anlayışıyla yen br yapılanma çne grlmştr. Ancak bu anlayış, yen stller e malzemelern de etksyle, farklı klm bölgelernde de aynı taşarım e yapım yöntemlern öngördüğünden, yapılardan beklenen konfor koşullarının sağlanması şle bna alt sstemlerne bırakılmıştır. Bna konfor koşulları çersnde en önemllernden br olan e bna saknlernn günlük akttelern büyük ölçüde etkleyen ısıl konfor htyacının çok öneml br kısmı bna ısıtma e soğutma sstemler tarafından karşılanmaya başlanmıştır [1]. Kullanılan ısıtma e soğutma sstemler, çoğunlukla fosl yakıtların kullanımını gerektrdğnden bu durum kullanıcılara büyük malyetler getrmektedr. Bunun yanı sıra 197 lerde yaşanan enerj darboğazı e fosl enerj kaynaklarının rezerlerndek azalma da dkkate alındığında, son yıllarda enerj etknlk e yenleneblr enerj kaynakları le lgl çalışmalar hız kazanmıştır [2 e 6]. Yenleneblr enerj kaynakları ucuz e temz enerj sağlamalarına rağmen lk yatırım malyetler ülkemz koşullarında oldukça fazladır. Bu nedenle uygulanmış proje sayısı azdır e araştırma projelernden öteye pek geçememektedr. Ülkemzn çnde bulunduğu ekonomk koşullarda göz önüne alındığında bnalarda kullanılan enerj mktarında kısıtlamaya gdlmes e yen yapılan tasarımlarda enerj etknlğn dkkate alınması gerekmektedr [7]. Br bnanın enerj etknlğ bna kabuğunun, ç ortamın konfor koşullarını değştren dış çereye at tasarım parametrelernden mnmum seyede etklenecek e bna kullanımı süresnce gerekl olan ısıtma e soğutma enerjs htyaçlarının mnmum seyede tutulablmesn sağlayacak şeklde tasarlanması le sağlanablr. Bulunulan bölgenn klm koşullarını değştrmek mümkün olmadığından, bu klm koşullarında en y ısıl performans gösterecek malzeme e yapım alternatfler tanımlanmalıdır. Bunu gerçekleştreblmek, ancak bölge klmnn doğru olarak belrlenmes le mümkün olacaktır. Güneş Isısı Kazanç Faktörü (SHGF) mmarlar e makne mühendsler tarafından kullanılablecek bölge hakm klm koşullarının tanımlanmasında faydalanılablecek kullanışlı e pratk br parametredr [8]. Bu parametreden sayesnde bnanın güneş enerjsnden ısı kazancı mktarları belrlenerek bu konuda en büyük göree sahp pencerelern, bna cephesnde uygun yerlerde konumlandırılması, klmlendrme chazlarının boyutlandırılması e bna tasarımı aşamasında ısıtma-soğutma amaçlı enerj gderlernn hesaplanması sağlanablecektr. Bu sayede aşırı mktardak enerj tüketm le kullanıcıları e ülke ekonomsn zorlayan tasarım anlayışı ortadan kaldırılarak, enerj etkn bnaların tasarlanması mümkün olacaktır. Lteratürde konu le lgl olarak, Yıldız [9]; Türkye dek cam fabrkalarında üretlen camların fzksel özellklernden olan e SHGF nn tanımlanması çn gerekl olan optk özellkler, yapmış olduğu ölçümlerden yola çıkarak hesaplamıştır. Chayapnunt e dğ. [1]; cam pencereler e flm kaplamalı cam pencerelern yerel tasarım koşulları altındak ısıl performanslarını değerlendrdkler çalışmalarında SHGF parametresnden faydalanmışlardır. Konu hakkında pek çok çalışmaları bulunan L e Lam [11]; Hong Kong blges çn, bazı güneş ışınımı tahmn modellern kullanarak br SHGF er tabanı oluşmasını sağlamış, maksmum SHGF değerlern belrleyerek ASHRAE 1328

3 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), (Amerka Isıtma, Soğutma e İklmlendrme Mühendsler Brlğ) tarafından bölge çn erlen değerlerle karşılaştırılmıştır. Dğer br çalışmalarında [12]; yatay e düşey yüzeylere at SHGF değerlernn hesaplanmasında kullanılablecek br yöntem açıklamışlardır. Hernandez e dğ.[13]; bna ç ortam ısı akışını matematksel olarak e blgsayar ortamında hazırlanmış br model le tahmn ettkler çalışmalarında SHGF parametresnden faydalanmışlardır. Bu çalışmanın amacı; Elazığ yöres e carında bna enerj etknlğn öneml ölçüde belrleyecek br parametre olan aylık SHGF değerlernn tespt edlmesdr. SHGF değerlernn hesaplanmasında kullanılan saatlk güneş ışınımı değerler Duffe e Beckman [14] tarafından öne sürülen metot le MATLAB ortamında hazırlanan br blgsayar programı le hesaplanmıştır. Hesaplamalarda kullanılan Elazığ lne at yılları arasındak 1 yıllık peryoda at gerçek klmsel erler Delet Meteoroloj İşler Genel Müdürlüğü den temn edlmştr. Hesaplamalar Elagöz ün [15] çalışmasında olduğu gb her ayın 1., 11. e 21. günler çn gerçekleştrlmş, daha sonra bu üç güne at ortalamalar alınarak lgl ay çn ortalama günlük değerler tespt edlştr. 2. ÇALIġMANIN ÖNEMĠ (RESEARCH SIGNIFICANCE) Bu çalışmada Elazığ l le carında kullanılablecek SHGF değerler hesaplanmıştır. Hesaplamalarda bölgeye at gerçek klmsel erler kullanılmıştır. Elde edlen SHGF değerler bna erken tasarım sürecnde mmar e mühendslere yol gösterc olacaktır. 3. GÜNEġ ISISI KAZANÇ FAKTÖRÜ (SOLAR HEAT GAIN FACTOR) Bnaya gren güneş ısısı, genellkle SHGF parametresyle değerlendrlmektedr. Br bna çn güneş ısısı kazancı duar, çatı e pencerelerne gelen güneş ışınımının mktarı le orantılıdır. Isıtmanın stendğ kış aylarında az güneş ışınımı, az güneş ısısı kazancına dolayısıyla da daha fazla ısıtma htyacı e fazla yakıt tüketm anlamına gelmektedr. Bunun tam ters durum sıcak yaz aylarında fazla güneş ısısı kazancı e büyük soğutma ekpmanı gereksnm e elektrk sarfyatı anlamına gelecektr. Özellkle pencerelerden olan güneş ısısı kazancı bna toplam ısıtma e soğutma yükü üzernde öneml br paya sahptr. Pencerelerden bna çersne gren güneş ısısı kazancı mktarı SHGF olarak tanımlanmaktadır. Son yıllarda, bölge hakm klm koşullarını temsl eden SHGF değerler blgsayar smülasyon programları, günışığı aydınlatması e klmlendrme ekpmanlarının boyutlandırılmasında öneml e pratk br ölçüttür. 4. GÜNEġ ISISI KAZANÇ FAKTÖRÜNÜN HESAPLANMASI (CALCULATION OF SOLAR HEAT GAIN FACTOR) Güneş ışınımı dğer klmsel parametrelern yanı sıra, yapıların pasf ısıtma e klmlendrme sstemler olarak şle görmelernde kullanılan br tür enerjy oluşturur. Güneşn bulunulan bölgede gün boyunca cephelere göre konumu değşeceğnden, bnaların güneşe göre uygun olarak yerleştrlmesyle bu enerj kaynağından optmum seyede faydalanablmek mümkün olacaktır. Dolayısıyla etks optmze edlecek güneş ışınımı değernn e enerj potansyelnn blnmes gerekmektedr. Bu amaçla Elazığ yöresne at güneş ışınımı değerler klmsel erler kullanılarak Duffe e Beckmann [14] tarafından gelştrlen metot yardımıyla sayısal olarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada yatay e doğu, batı, kuzey e güneye yönlenmş düşey yüzeylere at SHGF değerlernn hesaplanmasında kullanılan yöntem L e Lam [11 e 12] tarafından gelştrlmştr. Elazığ lnn 1329

4 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), yıları arasındak 1 yıllık dönemne at klmsel erler Delet Meteoroloj İşler Genel Müdürlüğü nden temn edlmştr. Yatay yüzeylere at SGHF y değer aşağıda erlen eştlk le hesaplanablr. SHGF h H (τ N α ) D (τ N α ) (1) h b b h d d Eştlktek b, referans camlamanın drekt ışınımı geçrme oranı, N yutulan ışınımın ç ortama geçen kısmı, b referans camlamanın drekt ışınımı yutma oranıdır. d, referans camlamanın yayılı ışınımı geçrme oranı, d referans camlamanın yayılı ışınımı yutma oranı, H h yatay camlama yüzey üzerndek drekt güneş ışınımı mktarı (W/m 2 ) e D h se yatay camlama yüzey üzerndek saatlk yayılı ışınım mktarıdır (W/m 2 ).Düşey yüzeyler çn saatlk SHGF değerler de aşağıdak eştlkte olduğu gb formüle edleblr. SHGF H (τ N α ) I (τ N α ) (2) b b d d H e I sırasıyla saatlk drekt güneş ışınımı e düşey camlama yüzey üzerndek saatlk yayılı e yansıyan ışınımın toplamıdır. H e I değerler aşağıdak eştlklerde olduğu gb fade edleblr. H I ( Hh sn ) x cos G H (3) (4) Burada güneş yükseklğ ( ), gelş açısı ( ), e G se düşey camlama yüzey üzerndek hesaplanan saatlk toplam ışınım mktarıdır. H e H o sırasıyla camlama yüzeynn ç e dışındak ortamın ısı taşınım katsayıları olmak üzere, yutulan ışınımın ç ortama geçen kısmı aşağıdak eştlk le elde edleblr. N h( h h ) o (5) Lteratürde ç ortam ısı taşınım katsayısı genellkle 5-8 W/m 2 K aralığında seçlr. Bu çalışmada se ç ortam koşullarının sabt olduğu arsayımı göz önünde bulundurularak ç ortam ısı taşınım katsayısı 6 W/m 2 K olarak kabul edlmştr. Dış ortam ısı taşınım katsayısı se rüzgar hızı kullanılarak Eştlk 6 da olduğu şeklde hesaplanmıştır..452 ho 16.21V s (6) Burada V s bna yüzeyndek rüzgar hızı değerdr. Bu değer kullanılarak yutulan ışınımın ç ortama geçen kısmı olan N değer aşağıdak eştlk le fade edleblr. N /8.29 (16.21 ) (7) V s 5. BULGULAR VE DEĞERLENDĠRME (FINDINGS AND EVALUATION) Br öncek bölümde açıklanan hesaplama metodu kullanılarak Elazığ yöresne at 1 yıllık klmsel erler kullanılarak, her ayın 1., 11. e 21. günler çn SHGF değerler hesaplanmıştır.bu değerlern ortalamaları alınarak yılın 12 ayı çn yatay düzlem le güney, kuzey, doğu e batı düşey düzlemler çn saatlk SHGF 133

5 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), değerler belrlenmş e yılın lk e knc yarısı çn sonuçlar sırasıyla Şekl 1 e 2 de erlmştr. Ocak ayında SHGF değerlernn maksmum olduğu cephe güneydr. Güney cephenn maksmum SHGF değer yatay cephelerden %26 daha fazladır. Kuzey, doğu e batı cephelernden se ortalama %286 daha büyük SHGF değerne sahptr. Yatay düzlem se Kuzey, doğu e batı cephelerle karşılaştırıldığında %25 daha büyük SHGF değerne sahp olmaktadır. Şubat ayında güneşn yükselerek ışınlarının yeryüzüne daha dk gelmes sonucu yatay düzlemler, güney cephelerden gün ortasında %5.9 daha fazla SHGF değerne sahp olurlar. Yatay düzlemler dğer cephelerden ortalama 2.43 kat daha fazla SHGF değerne sahptr. Maksmum SHGF değerler Ocak ayına oranla doğu e batı cephelerde ortalama %53, yatay yüzeylerde %42.8 e güney cephelerde %7.2 e kuzey cephelerde %27 artmıştır. Mart ayıyla brlkte güneşn yükselş deam ettğnden maksmum SHGF değerler br öncek aya göre yatay yüzeylerde %32.8,güney cephelerde % bu artış %32.4 olmuştur. Nsan ayında güneş ışınlarının yatay yüzeyler üzerndek etks %19.1 oranına artmaktadır. Bu artış oranı güney cepheler çn %6.24, kuzey cepheler çn %7.9 e doğu le batı cepheler çn ortalama %17.44 değerlernde olmaktadır. Bu aydan tbaren doğu e batı cephelere at maksmum SHGF değerler güney cephelerden fazladır. Mayıs ayında güneş ısısı kazançlarının maksmum değerler yatay, kuzey, doğu e batı cepheler çn sırasıyla %17.35, %9.7 e %23.78 oranlarında artmıştır. Fakat güney cephelerde %9.1 oranında azalma görülmüştür. 1331

6 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), Ocak 4 ġubat 5 Mart 6 Nsan Mayıs Hazran Şekl 1. Yılın lk yarısına at aylık ortalama günlük SHGF değerler (Fgure 1. Monthly aerage daly SHGF alues of the frst half of the year) Hazran ayında yüzeylere göre SHGF değerler mayıs ayına göre yatay cepheler çn %1.6, kuzey cepheler çn %2.65, doğu e batı cepheler çn %8.47 artarken, güney cepheler çn %6.72 azalmıştır. Yatay cepheler güneye bakan cephelere oranla %136 daha büyük SHGF değerne sahptr. Batı e doğu cephelern maksmum SHGF değerler güney cephelern %73 fazlasıdır. Yatay yüzeyler çn temmuz ayında br öncek aya göre %2.5 artan SHGF değerler, yıl çersndek maksmum seyeye ulaşır. Böylece yatay yüzeylerdek maksmum SHGF değerler, güney, kuzey, doğu e batı yönlerne oranla % 29, %376 e %34.6 daha fazla olurlar. Ağustos ayı le brlkte doğu e batı yönlerne bakan yüzeyler yıl çndek en yüksek SHGF değer olan ortalama 54.7 W/m2 ye ulaşmıştır. Bu durum, doğu e batı yönlerne bakan bnalar çn maksmum soğutma yükü anlamına gelmektedr. Güneşn alçalmaya başladığı bu ay güney cephelerdek SHGF değer de br öncek aya nazaran %22.11 artmıştır. Doğu e batı cepheler yatay yüzeylere göre %23.17 daha az, kuzey e güneye bakan yüzeylere göre se sırasıyla %271 e %41.7 daha yüksek SHGF değerlerne sahptrler. 1332

7 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), Eylül ayında güney cephe SHGF değerler harcnde dğer yönlere at olan SHGF değerlernde düşüş görülmektedr. Güney cepheye at maksmum SHGF değer Ağustos ayına göre %21.14 artarken, yatay yüzeylerde %1.66, kuzeye bakan yüzeylere %8.69, doğu e batıya bakan yüzeylerde se ortalama %9.92 oranlarında düşüş göstermştr Temmuz Ağustos 7 Eylül 5 Ekm Kasım 4 Aralık 4 Şekl 2. Yılın knc yarısına at aylık ortalama günlük SHGF değerler (Fgure 2. Monthly aerage daly SHGF alues of the second half of the year) Ekm ayı tbaryle yatay e güneye bakan yüzeyler arasında SHGF değer farkı gderek azalmış e 13 W/m 2 olmuştur. Eylül ayına oranla doğu e batı cephelern SHGF değerlernde ortalama %27.22, güney cephelerde %7.9 e kuzey cephelerde %17 lk düşüşler gözlemlenmştr. Kasım ayında yatay, kuzey, doğu e batı yönlerne bakan cephelerde SHGF değer br öncek aya göre sırasıyla %24.7, %19.85 e %21.82 oranlarında düşerken, güneş ışınlarının yerküreye daha eğk açılarla gelmes sonucu güney cephe çn bu düşüş sadece %2 sınırında kalmıştır. Güneye bakan yüzeyler çn maksmum SHGF değer, yatay yüzeylern maksmum SHGF değerlernden %25 daha fazla olmuştur. 1333

8 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), Aralık ayında se kuzey, doğu e batı yönlerne bakan cephelern SHGF değerlernde kasım ayına oranla sırasıyla %18 e %36lık düşüşler olmuştur. Güney cephelern SHGF değerler, yatay cephelere oranla %342, doğu e batı cephelere oranla da %77.75 daha fazladır. 6. SONUÇLAR (CONCLUSION) Konutlarda tüketlen enerjnn öneml br bölümü ısıtma e soğutma amaçlı kullanılmaktadır. Enerj açısından büyük ölçüde dışa bağımlı olan Türkye de bu alanda sarf edlen enerjden tasarruf edlmes br zorunluluktur. Bu çalışmada bna ısıtma e soğutma htyaçlarının henüz tasarım aşamasında azaltılablmesnde tasarımcı e mühendslere yol gösterecek olan SHGF değer hesaplanmıştır. Bu değerler dkkate alındığında Elazığ yöres e carında yen mara açılacak bölgelerde e yapılacak mmar tasarımlarda yapıların güneş enerjsnden optmum seyede yararlanması sağlanacaktır. NOT (NOTICE) Bu makale, 28-3 Eylül 211 tarhler arasında Elazg Frat Ünerstesnde Inetnatonal Partcpated Constructon Congress IPCC11 de sözlü sunum olarak sunulmuştur. KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Bektaş Ekc, B. e Aksoy, U.T., (211.) Predcton of buldng energy needs n early stage of desgn by usng ANFIS. Expert Systems wth Applcatons, Volume 38, Number:5, pp Sngh, M.K., Mahopatra, S., and Atreya, S.K., (9). Boclmatsm and ernacular archtecture of north east Inda. Buldng and Enronment, Volume:44, pp Ochoa, C.E. and Capeluto, I.G., (9). Adce tool for early desgn stages of ntellgent facades based on energy and sual comfort approach. Energy and Buldngs, Volume: 41, Number:5, pp Han, J., Yang, W., Zhou, J., Zhang, G., and Moschandreas, D.J., (9). A comparate analyss of urban and rural resdental thermal comfort under natural entlaton enronment. Energy and Buldngs, Volume: 41, pp Farhaneh, B. and Sattar, S., (6). Smulaton of energy sang n Iranan buldngs usng ntegrate modelng for nsulaton. Renewable Energy, Volume: 31, pp Yang, Z., L, X.H., and Hu, Y.F., (6). Study on solar radaton and energy effcency of buldng glass system. Appled Thermal Engneerng, Volume:26, pp Bektaş Ekc, B. e Aksoy, U.T., (9). Predcton of buldng energy consumpton by usng artfcal neural networks. Adances n Engneerng Software, Volume: 4, Number: 5, pp L, D.H.W. and lam, J.C., (). Solar heat gan factors and the mplcatons to buldng desgn n subtropcal regons. Energy and Buldngs, 32, Yıldız, M., (199). Determnaton of solar heat gan factors through glasses n Turkey, Doktora Tez, Mddle East Techncal Unersty Natural Scences Insttute, Ankara. 1. Chayapnunt, S., Phueakphongsurya, B., Mongkornsakst, K., and Khomporn, N., (5). Performance ratng of glass wndows and glass wndows wth flms n aspect of thermal comfort and heat transmsson. Energy and Buldngs, 37(7), L, D.H.W. and lam, J.C., (1). Deelopment of solar heat gan factor database usng meteorologcal data. Buldng and Enronment, Volume: 36, pp

9 Engneerng Scences, 1A24, 6, (4), L, D.H.W. and lam, J.C., (1). Analyss of solar heat gan factors usng sky clearness ndex and energy mplcatons. Energy Conerson and Management, Volume: 42, pp Hernandez, M., Medna, M.A., and Schruben, D.L., (3). Verfcaton of an energy balance approach to estmate ndoor wall heat fluxes usng tranfer functons and smplfed solar heat gan calculatons. Mathematcal and Computer Modellng, Volume:37, pp Duffe, J.A. and Beckman, W.A., (1991). Solar engneerng of thermal processes. John Wley and Sons INC, New York. 15. Elagöz, A., (1989). A new method for the orentaton and desgn of a buldng of mnmal energy consumpton, Doktora Tez, Istanbul Techncal Unersty Natural Scences Insttute, İstanbul. 1335