T.C. TRAKYA Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ

Transkript

1 T.C. TRAKYA Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI I ISIL VERĐMLERĐ Đ TÜRKĐYE ĐKLĐM ŞARTLARI VE YAPI KO STRÜKSĐYO LARI ĐÇĐ HESAPLA MASI SEMĐHA KARTAL DOKTORA TEZĐ Danışman: Doç. Dr. Türkan GÖKSAL ÖZBALTA Mimarlık Anabilim Dalı EDĐR E-2009

2 T.C. TRAKYA Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI I ISIL VERĐMLERĐ Đ TÜRKĐYE ĐKLĐM ŞARTLARI VE YAPI KO STRÜKSĐYO LARI ĐÇĐ HESAPLA MASI Y. Mimar SEMĐHA KARTAL DOKTORA TEZĐ MĐMARLIK A ABĐLĐM DALI Danışman: Doç. Dr. TÜRKA GÖKSAL ÖZBALTA 2009 EDĐR E

3 T.C. TRAKYA Ü ĐVERSĐTESĐ FE BĐLĐMLERĐ E STĐTÜSÜ GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI I ISIL VERĐMLERĐ Đ TÜRKĐYE ĐKLĐM ŞARTLARI VE YAPI KO STRÜKSĐYO LARI ĐÇĐ HESAPLA MASI Y. Mimar SEMĐHA KARTAL DOKTORA TEZĐ MĐMARLIK A ABĐLĐM DALI Bu Tez Tarihinde Aşağıdaki Jüri Tarafından Kabul Edilmiştir. Doç.Dr. Türkan GÖKSAL ÖZBALTA Prof.Dr. Ahmet CA Doç.Dr. Şaduman SAZAK (Danışman) Prof.Dr. Sabit OYMAEL Prof.Dr. Ali GÜ GÖR

4 I ÖZET Bu çalışmada Türkiye nin farklı derece-gün bölgelerinde güneş enerjisinin mekanlarda ısıtma amaçlı kullanımına yönelik olarak, bina kabuğunda alınan önlemlerin uygulanabilirliğine dikkat çekmek amacıyla edilgen sistemlerden kış bahçesi, Trombe duvarı ve saydam yalıtım uygulamalarının enerji kazancına olan etkileri araştırılmış ve hesaplanmıştır. Birinci bölümde çalışmanın amacı ve önemi vurgulanmıştır. Ayrıca enerji tüketiminde önemli bir paya sahip olan bina sektöründe, enerji verimliliğini artırmak amaçlı önlemlerden söz edilerek, yasa ve yönetmeliklerin öngördüğü koşullara değinilmiştir. Đkinci bölümde, güneş enerjisinden mekanlarda ısıtma amaçlı kazanç sağlamayı olanaklı kılan ve güneş mimarisine ilişkin literatür çalışması yapılmıştır. Özellikle bina kabuğunu oluşturan opak ve saydam yüzeylerin optik ve termofiziksel özellikleri ile güneş enerjisinden edilgen anlamda kazanç sağlamadaki etkilerinden söz edilmiştir. Ayrıca çalışmanın özünü oluşturan kış bahçesi, Trombe duvarı ve saydam yalıtım uygulaması gibi güneş mimarisi elemanları ile ilgili teorik bilgi verilmiştir. Üçüncü bölümde, güneş mimarisi elemanlarından ısı kazançları eldesi için edilgen sistemlerin tasarımında yararlanılan Kullanılamayan Enerji Yöntemi ne ilişkin hesap adımları ve güneş ışınımı ile ilgili teorik açıklamalar yapılmıştır. Dördüncü bölümde, TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı na göre Türkiye nin farklı derece-gün bölgelerinden seçilen Antalya, Edirne, Eskişehir ve Erzurum illerine ait iklim verileri açıklanmıştır. Güneş mimarisi elemanları aracılığı ile elde edilecek kazançların hesaplanabilmesi için ele alınan örnek binaya ilişkin özellikler verilmiştir. Binanın mevcut durumundaki ısı kayıplarının tespit edilebilmesi için TS 825 e göre ısı kayıp/kazançları hesaplanmıştır.

5 II Beşinci bölümde ise, ele alınan örnek binaya kış bahçesi, Trombe duvarı ve saydam yalıtımlı duvar uygulanarak, güneşten elde edilen ısı kazançları Kullanılamayan Enerji Yöntemi ne göre hesaplanmıştır. Çalışmada güneye yönelik, masif duvar ve döşeme elemanına sahip kış bahçesi ile betonarme, tuğla ve gazbeton duvar malzemelerinden oluşan Trombe duvarı ve saydam yalıtımlı duvar kuruluşunun farklı derece-gün bölgelerindeki güneş enerjisi kazançları elde edilmiştir. Trombe duvarı uygulamasında duvar yüzey renginin koyu, doğal malzeme ve açık renkli seçenekleri ele alınmıştır. Sonuçlar bölümünde, kış bahçesi, Trombe duvarı ve saydam yalıtım uygulaması ile güneş enerjisinden elde edilen ısı kazançlarının binanın enerji etkinliğine olan katkısı irdelenmiştir. Binanın ısı enerjisi ihtiyacının incelenen güneş mimarisi elemanları ile güneş enerjisinden karşılanma oranları ve ısıl verimleri, farklı derece-gün bölgeleri için çalışmada seçilen iller bazında karşılaştırılmıştır. Anahtar kelimeler: Güneş mimarisi elemanları, Trombe duvarı, kış bahçesi, saydam yalıtım malzemesi, ısıl verim, Kullanılamayan Enerji Yöntemi

6 III ABSTRACT In this thesis study, the effects of greenhouse, Trombe wall and transparent insulation applications on energy gain were calculated by taking into consideration the prevention applications on building wall cover for heat gain from solar energy in different degree-day regions of Turkey. In the first chapter of the study, the previous studies on heat gain were examined by stressing the importance and purpose of this study. In the second chapter, the studies on solar architecture and heat gain from solar energy were examined. In addition, theoretical information about solar architecture elements such as greenhouse, Trombe wall and transparent insulation was presented, and the optical and termophysical properties of the opaque and transparent surfaces on the building cover and the effects of those on passive heat gain from solar energy were also described in this chapter. In the third chapter, theoretical information about solar radiation was presented by making calculations of Unutilizability Energy Method which have been used in the designs of passive systems for heat gain through solar architecture elements. In the fourth chapter, the climatic data of Antalya, Edirne, Eskişehir and Erzurum in different degree-day regions of Turkey in accordance with TS 825 were presented. For calculating heat gain through solar architecture elements, the characteristics of the sample building were displayed. The heat gain/loss of the building was calculated in accordance with TS 825. In the fifth chapter, heat gain from solar energy was calculated by applying greenhouse which has massive wall and floor element, Trombe wall comprising reinforced concrete, brick and autoclaved aerated concrete and transparent insulation, all south facing, on the sample building in different degree-day regions. The calculations proved that heat gain was provided from the sample building. In the application of

7 IV Trombe wall, dark coloured, natural coloured and light coloured wall surface choices were desired. In conclusion chapter, through the application of greenhouse, Trombe wall and transparent insulation, the complementary quality of heat gain from solar energy for energy efficiency of the building was discussed. The rates of the heat gain of the building from solar energy in consequence of greenhouse, Trombe wall and transparent insulation applications in different degree-day regions were compared. Key words: Solar architecture elements, Trombe wall, greenhouse, transparent insulation materials, thermal efficiency, Unutilizability Energy Method

8 V Ö SÖZ Türkiye nin farklı derece-gün bölgelerinde güneş enerjisinin ısıtma amaçlı kullanımında, bina kabuğunda alınan önlemlerin uygulanabilirliğine dikkat çekmek amacıyla GÜNEŞ MĐMARĐSĐ ELEMANLARININ ISIL VERĐMLERĐNĐN TÜRKĐYE ĐKLĐM ŞARTLARI VE YAPI KONSTRÜKSĐYONLARI ĐÇĐN HESAPLANMASI isimli çalışma konusu; ulusal ve uluslar arası kaynaklardan yararlanılarak hazırlanmıştır. Doktora tez çalışma sürecinin başlangıcında değerli görüşleri ile bana yol gösteren ve hayatımda çok önemli bir yeri olan sayın hocam Prof. Dr. Şükran DĐLMAÇ a sevgi ve saygılarımı sunarak çok teşekkür ederim. Çalışma konumun belirlenmesinde, yönlendirilmesinde, kaynak sağlanmasında değerli yardım ve desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen sayın danışman hocam Doç. Dr. Türkan GÖKSAL ÖZBALTA ya vermiş olduğu emek ve göstermiş olduğu sabırlarından dolayı sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım boyunca her türlü zorlukta yardımlarına ihtiyaç duyduğum ve her zaman büyük bir sabırla bana destek veren sayın hocam Prof. Dr. Necdet ÖZBALTA ya çok teşekkür ederim. Ayrıca, çalışma sırasında manevi desteklerini her zaman yanımda hissettiren, kaynak derlemelerimde yardımcı olan çok değerli dostlarım Yrd. Doç. Dr. Muhlise COŞGUN ÖGEYĐK e, Öğr. Gör. Filiz UMAROĞULLARI na, Yrd. Doç. Dr. Esma MIHLAYANLAR a, Öğr. Gör. Esin BENĐAN a, Y. Mimar Ülkem BUCKLEY e ve diğer tüm sevdiğim mesai arkadaşlarıma çok teşekkür ederim. Bugünlere gelmemde emeği olan başta annem, babam ve tüm aileme, özellikle çalışmalarımda beni her zaman destekleyen çok sevdiğim sevgili eşim Mak. Müh. Nadir KARTAL a ve ailesine, ayrıca küçücük kalbiyle bana her zaman destek olmaya çalışan biricik canım kızım Ülkem KARTAL a, gösterdikleri sabırdan dolayı minnettarım...

9 VI ĐÇĐ DEKĐLER ÖZET I ABSTRACT III Ö SÖZ V ĐÇĐ DEKĐLER VI TABLO LĐSTESĐ IX ŞEKĐL LĐSTESĐ X SEMBOL LĐSTESĐ XIV BÖLÜM 1. GĐRĐŞ 1 BÖLÜM 2. GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI ĐLE ĐLGĐLĐ ARAŞTIRMALAR Literatür Taraması Güneş Enerjisinin Opak ve Saydam Yüzeylere Etkisi Opak yüzeylerin termofiziksel özellikleri Saydam yüzeylerin optik özellikleri Edilgen Isıtmada Güneş Mimarisi Elemanları Kış bahçesi uygulaması Trombe duvarı uygulaması Saydam yalıtım uygulaması 28

10 VII BÖLÜM 3. GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI ĐLE ISI KAZA ÇLARI I ELDESĐ DE KULLA ILA HESAP YÖ TEMLERĐ Güneş Işınımı ve Hesaplanması Yararlanabilirlik Kavramı Kullanılamayan Enerji Yöntemi Kış bahçesi uygulaması için hesap adımları Trombe duvarı uygulaması için hesap adımları Saydam yalıtım uygulaması için hesap adımları 54 BÖLÜM 4. MODEL ÇALIŞMASI Çalışmada Seçilen Đllerin Đklimsel Özellikleri-Güneş Potansiyeli Örnek Binaya Đlişkin Veriler Mevcut Durum Isı Kayıp/Kazançları (TS 825 Hesap Yöntemi) 74 BÖLÜM 5. GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI ĐLE ISI KAZA ÇLARI I HESAPLA MASI VE BULGULAR Güneş Mimarisi Elemanlarının Örnek Binaya Uygulanması Kullanılamayan Enerji Yöntemi ile Isı Kazançlarının Hesaplanması Kış bahçesi uygulaması ile ısı kazancı Trombe duvarı uygulaması ile ısı kazancı Saydam yalıtım uygulaması ile ısı kazancı 106

11 VIII 5.3. Farklı Derece-Gün Bölgeleri Đçin Güneş Mimarisi Elemanlarının Isıl Verimlerinin Karşılaştırılması 127 BÖLÜM 6. SO UÇLAR ve DEĞERLE DĐRME 130 KAY AKLAR 135 ÖZGEÇMĐŞ 141 EKLER EK I. Derece Gün Hesap Yöntemi 142 EK II. Mevcut Durum Analizi (TS 825 Hesap Yöntemi) 143

12 IX TABLO LĐSTESĐ Tablo adı Sayfa no Tablo 2.1 Edilgen/etken sistem çizelgesi 25 Tablo 4.1 Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi 64 Tablo 4.2 Bölgelere göre güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme 64 süresi Tablo 4.3 Seçilen illerin iklim verileri 67 Tablo 4.4 Örnek binaya ilişkin alan, hacim büyüklükleri 72 Tablo 4.5 Örnek bina yapı bileşenlerinin özellikleri 72 Tablo 4.6 Seçilen illerin yalıtımlı ve yalıtımsız durum için yıllık 75 ısıtma enerjisi gereksiniminin karşılaştırılması Tablo 5.1 Yapı malzemelerinin özellikleri 79 Tablo 5.2 Yutucu yüzeylerin yutma katsayıları 79 Tablo 5.3 Tablo 6.1 Tablo 6.2 Duvar kuruluşlarının termofiziksel özellikleri Güneş mimarisi elemanları aracılığı ile net referans ısı yükününün güneşten karşılanma oranları Güneş mimarisi elemanlarının ısıl verimlerinin karşılaştırılması 134

13 X ŞEKĐL LĐSTESĐ Şekil adı Sayfa no Şekil 1.1 Isıtma enerjisi tüketimindeki değişim-almanya örneği 3 Şekil 2.1 Elektromanyetik dalgaların spektrumu 15 Şekil 2.2 Bina kabuğunda opak-saydam yüzeylerdeki ısı kayıp ve 16 kazançları Şekil 2.3 Zaman Gecikmesi ve Sönüm Oranı Şematik Gösterimi 20 Şekil 2.4 Güneş ışınımının saydam yüzeylerden geçişi 23 Şekil 2.5 Kış bahçesinin çalışma ilkesi 26 Şekil 2.6 Trombe duvarı çalışma ilkesi 27 Şekil 2.7 Saydam yalıtımlı duvarın çalışma ilkesi 30 Şekil 2.8 Saydam yalıtımlı duvar yaz ve kış aylarında gerçekleşen ısı 30 akısı Şekil 3.1 Kış bahçesi içeren binalarda aylık enerji akımları 41 Şekil 3.2 Direkt kazanç sistemlerinde sıfır depolama kapasiteli durum 44 için yardımcı, yararlı, fazla enerjiler Şekil 3.3 Trombe duvarı içeren binalarda aylık enerji akımları 47 Şekil 3.4 Saydam yalıtım uygulanmış binalarda aylık enerji akımları 56 Şekil 4.1 Türkiye güneş enerjisi potansiyel atlası 65 Şekil 4.2a Antalya ili- Güneş enerjisi potansiyel atlası 68 Şekil 4.2b Antalya ili- Güneşlenme süreleri 68 Şekil 4.2c Antalya ili- Yatay yüzeye gelen güneş ışınım ve dış sıcaklık 68 Şekil 4.3a Edirne ili- Güneş enerjisi potansiyel atlası 69 Şekil 4.3b Edirne ili- Güneşlenme süreleri 69 Şekil 4.3c Edirne ili- Yatay yüzeye gelen güneş ışınım ve dış sıcaklık 69 Şekil 4.4a Eskişehir ili- Güneş enerjisi potansiyel atlası 70 Şekil 4.4b Eskişehir ili- Güneşlenme süreleri 70 Şekil 4.4c Eskişehir ili- Yatay yüzeye gelen güneş ışınım ve dış sıcaklık 70 Şekil 4.5a Erzurum ili- Güneş enerjisi potansiyel atlası 71 Şekil 4.5b Erzurum ili- Güneşlenme süreleri 71 Şekil 4.5c Erzurum ili- Yatay yüzeye gelen güneş ışınım ve dış sıcaklık 71 Şekil 4.6a Zemin kat planı-örnek bina 73 Şekil 4.6b Normal kat planı-örnek bina 73 Şekil 4.6c A-A kesiti-örnek bina 74 Şekil 5.1a Kış bahçesi planı-örnek bina 78 Şekil 5.1b Kış bahçesi kesiti-(1-1 kesiti) 78 Şekil 5.2a Trombe duvarı planı-örnek bina 78 Şekil 5.2b Trombe duvarı kesiti-(2-2 kesiti) 78 Şekil 5.3a Saydam yalıtım uygulama planı-örnek bina 78 Şekil 5.3b Saydam yalıtım uygulama kesiti-(3-3 kesiti) 78 Şekil 5.4a Antalya-Kış bahçesi ile net referans ısı yükünün güneşten 80 karşılanma oranı Şekil 5.4b Edirne-Kış bahçesi ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı 81

14 XI Şekil 5.4c Eskişehir-Kış bahçesi ile net referans ısı yükünün güneşten 81 karşılanma oranı Şekil 5.4d Erzurum-Kış bahçesi ile net referans ısı yükünün güneşten 82 karşılanma oranı Şekil 5.5a Antalya-Kış bahçesi ile güneş enerjisi kazancının aylık 82 değişimi Şekil 5.5b Edirne-Kış bahçesi ile güneş enerjisi kazancının aylık 83 değişimi Şekil 5.5c Eskişehir-Kış bahçesi ile güneş enerjisi kazancının aylık 83 değişimi Şekil 5.5d Erzurum-Kış bahçesi ile güneş enerjisi kazancının aylık 84 değişimi Şekil 5.6 Günlük ısıl kapasitenin kalınlıkla değişimi 85 Şekil 5.7a Antalya-betonarme Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 87 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.7b Antalya-tuğla Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 87 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.7c Antalya-gazbeton Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 87 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.8a Edirne-betonarme Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 89 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.8b Edirne-tuğla Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 89 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.8c Edirne-gazbeton Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 89 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.9a Eskişehir-betonarme Trombe duvarı ile net referans ısı 91 yükünün güneşten karşılanma oranı Şekil 5.9b Eskişehir-tuğla Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 91 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.9c Eskişehir-gazbeton Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 91 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.10a Erzurum-betonarme Trombe duvarı ile net referans ısı 93 yükünün güneşten karşılanma oranı Şekil 5.10b Erzurum-tuğla Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 93 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.10c Erzurum-gazbeton Trombe duvarı ile net referans ısı yükünün 93 güneşten karşılanma oranı Şekil 5.11a Antalya-betonarme Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının 94 aylık değişimi Şekil 5.11b Edirne-betonarme Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının 95 aylık değişimi Şekil 5.11c Eskişehir-betonarme Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının 96 aylık değişimi Şekil 5.11d Erzurum-betonarme Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının 97 aylık değişimi Şekil 5.12a Antalya-tuğla Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi 98

15 XII Şekil 5.12b Şekil 5.12c Şekil 5.12d Şekil 5.13a Şekil 5.13b Şekil 5.13c Şekil 5.13d Şekil 5.14 Şekil 5.15a Şekil 5.15b Şekil 5.15c Şekil 5.16a Şekil 5.16b Şekil 5.16c Şekil 5.17a Şekil 5.17b Şekil 5.17c Şekil 5.18a Şekil 5.18b Şekil 5.18c Şekil 5.19a Şekil 5.19b Şekil 5.19c Şekil 5.19d Edirne-tuğla Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Eskişehir-tuğla Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Erzurum-tuğla Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Antalya-gazbeton Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Edirne-gazbeton Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Eskişehir-gazbeton Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Erzurum-gazbeton Trombe duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Saydam yalıtımlı tuğla, betonarme ve gazbeton duvar kuruluşları Antalya-Saydam yalıtımlı betonarme duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Antalya-Saydam yalıtımlı tuğla duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Antalya-Saydam yalıtımlı gazbeton duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Edirne-Saydam yalıtımlı betonarme duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Edirne -Saydam yalıtımlı tuğla duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Edirne -Saydam yalıtımlı gazbeton duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Eskişehir-Saydam yalıtımlı betonarme duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Eskişehir -Saydam yalıtımlı tuğla duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Eskişehir -Saydam yalıtımlı gazbeton duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Erzurum-Saydam yalıtımlı betonarme duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Erzurum -Saydam yalıtımlı tuğla duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Erzurum -Saydam yalıtımlı gazbeton duvar ile net referans ısı yükünün güneşten karşılanma oranı Antalya-Saydam yalıtımlı betonarme duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Edirne-Saydam yalıtımlı betonarme duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Eskişehir-Saydam yalıtımlı betonarme duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Erzurum-Saydam yalıtımlı betonarme duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi

16 XIII Şekil 5.20a Şekil 5.20b Şekil 5.20c Şekil 5.20d Şekil 5.21a Şekil 5.21b Şekil 5.21c Şekil 5.21d Şekil 5.22 Şekil 5.23 Şekil 5.24 Şekil 5.25 Antalya-Saydam yalıtımlı tuğla duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Edirne-Saydam yalıtımlı tuğla duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Eskişehir-Saydam yalıtımlı tuğla duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Erzurum-Saydam yalıtımlı tuğla duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Antalya-Saydam yalıtımlı gazbeton duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Edirne-Saydam yalıtımlı gazbeton duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Eskişehir-Saydam yalıtımlı gazbeton duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Erzurum-Saydam yalıtımlı gazbeton duvar-güneş enerjisi kazancının aylık değişimi Farklı derece-gün bölgeleri için kış bahçesi aracılığı ile elde edilen güneş enerjisi kazancı Farklı derece-gün bölgeleri için Trombe duvarı aracılığı ile elde edilen güneş enerjisi kazancı Farklı derece-gün bölgeleri için saydam yalıtım aracılığı ile elde edilen güneş enerjisi kazancı Farklı derece-gün bölgelerinde güneş mimarisi elemanlarının ısıl verimlerinin karşılaştırılması

17 XIV SEMBOL LĐSTESĐ A c Kış bahçesi cam yüzey alanı m 2 A d Isıl kütle yüzey alanı m 2 A r Trombe duvar alanı m 2 c p Özgül ısı J/kgK d Kalınlık m f Güneşten karşılama oranı f i f z H Sonsuz ısı depolama kapasiteli durum için güneşten yararlanma oranları Sıfır ısı depolama kapasiteli durum için güneşten yararlanma oranları Yatay yüzeyde ölçülen aylık ortalama günlük toplam ışınım MJ/m 2 gün H H b d Aylık ortalama günlük direkt ışınım Aylık ortalama günlük yayılı ışınım H T Eğik bir yüzeye gelen aylık ortalama günlük toplam güneş ışınım MJ/m 2 gün h i Đç yüzeyde ısı taşınım katsayısı W/m 2 K h d Dış yüzeyde ısı taşınım katsayısı W/m 2 K I T Eğik yüzeye gelen saatlik toplam ışınım MJ/m 2 h I TC Eğik yüzey için kritik radyasyon düzeyi I t Saatlik güneş ışınım şiddeti MJ/m 2 h K T Aylık ortalama açıklık indeksi k Isı iletim katsayısı W/mK L L A Bina ısı yükü Yardımcı enerji gereksinimi L Ad Trombe duvarı hariç bina ısı yükü Ai L Trombe duvarlı binalarda sonsuz ısı depolama kapasitesi için performans sınırı

18 XV L Az Trombe duvarlı binalarda sıfır ısı depolama kapasitesi için performans sınırı n Yılın n. gün sayısı Aydaki gün sayısı R t Isı geçirgenlik direnci m 2 K/W R b Güneye yönelik eğik yüzeye gelen aylık ortalama günlük direkt ışınımın, yatay yüzeye gelen ışınıma oranı S Isı depolama kapasitesi W s½/m 2 K S Eğimli bir yüzeyde yutulan aylık ortalama günlük güneş ışınımı T b Baz sıcaklık K, o C T d Dış sıcaklık K, o C T i Đç sıcaklık K, o C T w Yüzey sıcaklığı K, o C U Isı geçirme katsayısı W/m 2 K U k U L Q A Q i Q n Q D Duvar dış yüzeyi ile iç ortam arasında ısıl iletkenlik Dış ortam ısı taşınım katsayısı Ek enerji gereksinimi Isıtılan hacme duvardan olan ısı geçişi Binaya net aylık transfer edilen enerji Atılan fazla enerji Q D Trombe duvarından mekan içine olan ısı geçişi ile mekandan çevreye olan ısı kaybı arasındaki fark q Isı akısı W/m 2 X X C Güneş yük oranı Boyutsuz kritik radyasyon düzeyi

19 XVI ρ Yoğunluk kg/m 3 ρ g Yerin güneş ışınımını yansıtması γ s γ ω s θ δ ϕ β (τα) b (τα) d (τα) g φ ρ τ τ c Güneş azimut açısı Yüzey azimut açısı Güneşin doğuş-batış açısı Geliş açısı Deklinasyon açısı Enlem Eğim açısı Direkt ışınım yutma-geçirme çarpımı Yayılı ışınım yutma-geçirme çarpımı Yerden yansıyan ışınım yutma-geçirme çarpımı Yararlanabilirlik kavramı Güneş ışınım yansıtma katsayısı Güneş ışınım geçirme katsayısı Camın geçirgenliği

20 1 BÖLÜM 1. GĐRĐŞ Đnsan sağlığı ve konforunda sürekliliğin sağlanması için iklimsel konfor koşullarının gerçekleştirilmesi zorunludur. Dış iklimsel koşulların bölgelere ve zamana göre değişim göstermesi nedeniyle, mekan konforunun sağlanabilmesi için ısıtma, soğutma ve havalandırma gereklidir. Dolayısıyla enerji tüketiminin önemli bir bölümü mekan konforunun sağlanmasına yöneliktir. Kullanıcı performansı ve iş verimliği açısından konfor koşulları önemlidir. Bu nedenle iklimlendirme amaçlı enerji gereksinimi giderek artmaktadır. Konfor talepleri, nüfus artışı ve gelişen teknolojilere bağlı olarak artan enerji tüketiminin neden olduğu ekonomik ve çevresel sorunlar, enerji konusunu tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de gündemde tutmaktadır. Bilindiği gibi sınırlı rezervlere sahip fosil kaynaklar tükenmekte, çevre kirliliği hızla artmakta ve sera gazı (COx, SOx, NOx) etkisi ile ekolojik denge bozulmaktadır. Son yüzyılda atmosfer sıcaklığı ortalama 15 o C iken, sera gazı artışına bağlı olarak bu değerin 2030 lu yıllarda 1,5-4,5 o C arasında artış göstereceği öngörülmektedir (Treberspurg, 1994). Kısacası küresel ısınmaya neden olan emisyonlar, iklimsel değişiklikleri beraberinde getirirler. Dolayısıyla küresel bir çevre sorunu olan iklim değişikliği etkilerinin tüm dünyada yaşanmaya başlanması, özellikle CO 2 salımının azaltılmasına yönelik önlemlerin alınmasını gerektirmiştir. Dünya ülkelerinin enerji politikaları, arz güvenliğini sağlamak, yenilenebilir enerji kaynaklarının payını, enerji verimliliğini artırmak ve sürdürülebilir kalkınma kapsamında çevrenin korunmasına katkıda bulunmak şeklinde özetlenebilir. Enerji çevriminde tasarruf potansiyeli yüksek sektörler sanayi, bina ve ulaşım olarak sıralanmaktadır. ABD deki Enerji Bakanlığı na bağlı Enerji Bilgi Yönetimi Merkezi (Energy Information Administration / EIA) tarafından yapılan hesaplamalara göre, dünya genelinde, toplam tüketim içinde bina sektörü (ticari ve konut) %24, sanayi sektörü %49 ve ulaşım sektörü %27 lik paylara sahiptir. Yapılan projeksiyon çalışmaları sonucunda, 2025 yılı için bu payların sırasıyla %22, %55 ve %23 olması

21 2 öngörülmektedir (Onaygil, vd, 2008). Uluslar arası Enerji Ajansı (UEA) tarafından 2005 yılında yapılan bir diğer çalışmada, dünya genelinde birincil enerji kaynaklarının tüketimi incelendiğinde, yılları arasında sanayi sektörünün payının %22 oranında artması tahmin edilirken, bina sektörünün (ticari ve konut) payının %38 oranında artacağı belirtilmiştir ( 2005). Bu açıdan bina sektöründe, yüksek enerji tasarruf potansiyeli ile enerji verimliliği uygulamalarının öncelikli olarak ele alınması gerekmektedir. Enerji verimliliği uygulamalarında temel gösterge olan enerji yoğunluğu, Türkiye de 1980 yılından itibaren artış göstererek, gelişmiş ülkeler ile arasındaki farkı giderek artırmaktadır. Türkiye nin enerji yoğunluğu 0.38 olup, OECD ortalamasının 2 katı, Japonya nın ise yaklaşık 4 katıdır yılında 2004 yılına oranla, sanayide 2,8, binalarda 2,3 ve ulaşımda 2,5 kat daha fazla enerji tüketileceği tahmin edilmektedir (Altuntop, 2007). Dünyadaki tüketim ile karşılaştırıldığında, son 25 yılda kişi başına yaklaşık artış dünya genelinde % 5 iken, Türkiye deki artış oranı %100 ün üzerindedir. Enerji kaynakları temininde yaklaşık % oranında dışa bağımlı olan Türkiye de, yerli kaynaklara dayalı enerji üretimi 1990 yılında toplam gereksinimin yaklaşık % 50 sini karşılarken, günümüzde bu oran %30 dolayındadır (Đzoder, 2005, Rubacı, 2006). Türkiye de binalarda kullanılan enerjinin toplam enerji içerisinde payı ise %37 dir. Ayrıca konutlarda ısıtma amacıyla kullanılan enerjinin toplam enerji tüketimine oranı ise yaklaşık %85 olarak bilinmektedir (Ünver, 2002). Türkiye de binalarda ısıtma amaçlı enerji tüketiminin yüksek olmasının nedenlerinden biri, ısı yalıtımı uygulamalarının yetersiz olması yanı sıra, güneş enerjisinden yeterince yararlanılmamasıdır. Enerji tüketimini ve atmosfere verilen emisyonları azaltmak amacı ile öncelikle gelişmiş ülkeler olmak üzere Türkiye de de, ısı kayıplarını azaltmaya ve yenilenebilir enerji kaynaklarından kazanç sağlamaya yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu bağlamda özellikle gelişmiş ülkelerde 1970 li yıllardan bu yana yalıtım konusunda kaydedilen gelişmeler ve uygulamaya giren yeni yönetmelikler ile ısıtma amaçlı enerji tüketiminin sürekli azaldığı dikkat çekmektedir (Şekil 1.1) (Feist, 1996, Planungs-Büro Schmitz Aachen, 1996). Türkiye de yapılan istatistiklere göre; konutların sadece %14 ü merkezi ısıtma sistemine, %10 u çatı ısı

22 3 yalıtımına ve %9 u çift cam uygulamasına sahiptir. Kaynaklarda ülkemizde ısıtma amaçlı enerji tüketiminin en az 200 kwh/m 2 yıl değerine sahip olduğu belirtilmektedir. (TÜGĐAD, 2003, Dilmaç ve Kesen, 2003).. Şekil 1.1. Isıtma enerjisi tüketimindeki değişim-almanya örneği (Planungs-Büro Schmitz Aachen, 1996) Türkiye de binalarda enerjinin korunumu amacı ile uluslararası yönetmeliklerle uyum sağlayacak şekilde TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı ile Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı nın Isı Yalıtım Yönetmeliği, 14 Haziran 2000 yılında yürürlüğe girmiştir (Anon, 1998). Yürürlükte olan TS 825, TSE tarafından 09 Ekim 2008 tarihinde revize edilerek 1 Kasım 2008 tarihi itibariyle uygulanmak üzere sayılı resmi gazetede yayımlanmıştır (Anon, 2007). Yönetmelik, binalarda yıllık ısıtma enerjisi tüketimini sınırlandırarak, bölgelere göre yapı bileşenleri U-değerleri için öneriler sunmakta ve bina kabuğunun yoğuşma açısından kontrol edilmesini sağlamaktadır. Binalarda enerjinin verimli kullanımı amacı ile Avrupa Birliği, 2002/91/EC sayılı Binalarda Enerji Performansına Dair Yönetmelik yayınlamıştır. Bu yönetmelik ile binaların bütünleşik enerji performansı hesap yönteminin ana hatlarının oluşturulması, yeni ve yenileme gerektiren mevcut binaların enerji performansları ile ilgili minimum gerekliliklerin uygulanması amaçlanmaktadır. Binalarda ısı yalıtımı,

23 4 ısıtma-iklimlendirme sistemleri, yenilenebilir enerji kaynakları, binanın tasarım özellikleri ve iklim şartları gibi bütün unsurların birlikte değerlendirilmesine bütüncül bir yaklaşım geliştirilmiştir (EĐE, 2007). Türkiye de, Binalarda Enerji Performansına Dair Yönetmeliğe yönelik uyumlaştırma çalışmaları sürdürülmektedir. Bu kapsamda, 2 Mayıs 2007 tarihinde Resmi Gazete de yayınlanan 5627 nolu Enerji Verimliliği Kanunu ile de enerjinin etkin kullanılması, israfın önlenmesi, enerji maliyetlerinin ekonomi üzerindeki yükünün hafifletilmesi ve çevrenin korunması için enerji kaynaklarının ve enerjinin kullanımında verimliliğin arttırılması amaçlanmıştır. Kanunun kapsamı, enerjinin üretim, iletim, dağıtım ve tüketim aşamalarında, endüstriyel işletmelerde, binalarda, elektrik enerjisi üretim tesislerinde, iletim ve dağıtım şebekeleri ile ulaşımda enerji verimliliğinin arttırılmasına ve desteklenmesine, toplum genelinde enerji bilincinin geliştirilmesine, yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılmasına yönelik uygulanacak usul ve esaslardan oluşmaktadır (Anon, 2007, Onaygil vd, 2008). Đlgili kanunun 7/ç-d maddesine göre, Bina Enerji Performansı Açısından Mimari Proje Tasarımı ve Mimari Uygulamalar başlığı altında; pasif mimari önlemlerden doğal aydınlatma, doğal ısıtma ve soğutma, doğal havalandırma konuları ele alınmıştır. Ancak güneş mimarisi elemanları aracılığı ile güneş enerjisinden etkin olarak edilgen anlamda yararlanmaya yönelik herhangi bir konuya dikkat çekilmemiştir. Yukarıda anılan yasa ve yönetmeliklerin öngördüğü üzere mekan konfor koşullarının oluşturulmasında enerjinin etkin olarak kullanımı söz konusudur. Dolayısıyla günümüzde binalar, klasik işlevlerinin yanı sıra enerji üretimi, geri dönüşüm ve sürdürülebilir bir yaşam gibi kavramlara yaklaşımları ile yeni anlamlar kazanmaktadırlar. Bu bağlamda mimaride sürdürülebilir enerji yaklaşımı, gereksinimimiz olan enerjinin en az finansmanla, en az çevresel ve sosyal maliyetle, sürekli olarak teminine olanak sağlayan politika, teknoloji ve uygulamaları kapsamaktadır. Enerji tüketiminde önemli bir paya sahip olan mimari uygulamalarda sürdürülebilirlik bağlamında enerji korunumu, enerji verimliliği ve güneşten yararlanma

24 5 konularını ön plana çıkarmak amacı ile enerji eldesinde temiz, tükenmez ve atık bırakmayan kaynaklara yönelmek kaçınılmazdır. Đncelenen tüm çalışmalarda, bina sektörünün önemi, enerji, ekonomi ve çevre alanlarında ileriye dönük yapılan tüm projeksiyonlarda vurgulanmaktadır. Ayrıca, maliyet etkin ve çevreyi de gözeterek enerji tüketimini azaltmanın yolu enerji verimliliği olarak belirtilmektedir. Bu kapsamda, bina sektöründe enerji verimliliğini artırmak amaçlı önlemler arasında, yeni binaların tasarımının enerjiyi verimli kullanacak ve güneş enerjisinden yararlanabilecek şekilde yapılması, mevcut binalarda verimliliği artırıcı uygulamaların yaygınlaştırılması, hem yeni yapılacak hem de mevcut binalarda etkili bir enerji yönetiminin sağlanması sayılabilir. Bu çalışmanın amacı, yenilenebilir kaynaklardan güneş enerjisinin ısıtma amaçlı kullanımında, edilgen sistemlerden kış bahçesi, Trombe duvarı ve saydam yalıtım uygulamalarından yararlanmayı olanaklı kılmaktır. Bu amaçla TS 825 e göre Türkiye nin farklı derece-gün bölgelerinde bulunan 4 il için, bina enerji tüketiminin azaltılmasına katkıda bulunan, yukarıda belirtilen güneş mimarisi elemanları mevcut bir binaya uygulanmıştır. Bunun sonucunda güneş enerjisinden elde edilen ısı kazançları hesaplanmıştır. Böylece, hem mekansal açıdan farklı kullanıma olanak veren, hem de güneş enerjisinden kazanç sağlayan kış bahçesi ile Trombe duvarı ve saydam yalıtım uygulamasının binanın enerji etkinliğine olan katkısı irdelenmiştir. Ülkelerin enerjiyi değerlendirme ölçütleri, güneş enerjisinden yararlanma derecelerine, teknolojik düzeylerine, bu alandaki bilgi birikimlerine ve enerjiye olan talebin artış durumuna bağlı olarak değişim göstermektedir. Özellikle coğrafi konum açısından güneş enerjisinden ikinci derece yararlanma bölgesinde olan Türkiye de, güneş mimarisi ile ilgili uygulamaların teşvik edilebilmesi için böyle bir çalışmanın yapılması büyük önem taşımaktadır. Güneş mimarisi elemanlarının ısıtma enerjisi kazançları açısından karşılaştırılmalı olarak incelendiği bir çalışma mevcut değildir. Türkiye nin farklı iklim bölgelerinde güneş enerjisinden kazanç sağlamak amacıyla bina kabuğunda alınan önlemlerin uygulanabilirliğine dikkat çekmek, yaygınlaşmasına ve bu konularda bilincin gelişmesine katkıda bulunmak amaçlanmıştır.

25 6 BÖLÜM 2. GÜ EŞ MĐMARĐSĐ ELEMA LARI ĐLE ĐLGĐLĐ ARAŞTIRMALAR 2.1. Literatür Taraması Binalarda enerji korunumu, ısı kayıplarının azaltılması, iklim koşullarına bağlı yapı kabuğu oluşumu ve güneş enerjisinden yararlanma olanakları konusunda çok sayıda deneysel ve teorik araştırma yapılmıştır. Aşağıda bu çalışmalarla ilgili özet bilgiler sunulmuştur. Majjad (1990), güneş yük oranı yöntemi ile Trombe duvarı ve sulu duvar gibi edilgen sistemlerin Antalya, Ankara ve Kars gibi farklı iklim bölgelerindeki etkinliği üzerine çalışmıştır. Trombe duvarının yalıtımsız/gece yalıtım uygulaması sonucunda sözü edilen iller için enerji kazançları sırasıyla %65-%81, %31-%45 ve %19-%32, sulu duvarın yalıtımsız/gece yalıtım uygulaması sonucunda aynı iller için enerji kazançları sırasıyla %71-%85, %30-%46 ve %17-%31 olarak elde edilmiştir. Tan (1993), edilgen yararlanma tekniklerinden güneşe yönlenmenin etkisini incelemiştir. Çok katlı bir binanın bir dairesini modelleyen bir güneş evi yapılmış ve burada doğal dolaşımın güney sera ile kuzey sera arasında, tavana ve döşemeye yerleştirilen borular aracılığıyla gerçekleştiği gözlenmiştir. Amaç kuzey seranın (kış bahçesinin) etkinliğini artırmaktır. Dilmaç ve Eğrican (1994), çalışmalarında duvar kuruluşunu oluşturan malzemelerin ısı geçirme ve depolama özellikleri ile mekan içindeki konfor ve ısı kayıpları arasındaki ilişkiyi araştırmışlardır. Çalışmada duvardan olan ısı geçişi zamanın fonksiyonu olarak ele alınmıştır. Malzemelerin duvar içinde yerleştiriliş sıralarının etkileri, duvar dış yüzeyindeki sıcaklık değişimleri ile duvar iç yüzeyindeki sıcaklık değişimleri arasındaki ilişki faz farkı ve sönüm oranı dikkatte alınarak incelenmiştir.

26 7 Çalışma sonunda 14 ayrı duvar kuruluşunun faz farkı ve sönüm oran değerleri verilmiş ve sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Duvar kuruluşlarının seçiminde kullanılan malzemelerin termofiziksel özellikleri yanında, sıralanış biçimlerinin de etkili olduğu ifade edilmiş ve dış iklimsel koşulların da sonuç üzerinde etkili olduğu belirtilmiştir. Gedik (1995), araştırmasında ısı depolayıcı duvar yüzeyine krom, bakır, nikel gibi metal seçici yüzey uygulamalarının, sistemden dışarıya olan ısı kaybının azaltılmasında etkili olduğunu vurgulamıştır. Bu uygulamaların Trombe duvarı verimliliğini %40 oranında artırdığını belirtmiştir. Đnanıcı (1996) tezinde, farklı iklim bölgelerinde edilgen güneş ısıtmalı bina elemanlarının ısısal performansı açısından geçerli olan optimum bina en/boy oranları ve güney pencere alanlarını saptamıştır. Ayrıca yalıtım malzemesi kalınlığının arttırılması ve cam yüzeylerin gölgeleme katsayılarının değiştirilmesinin yıllık toplam ısıtma enerjisi tüketimine etkilerini incelemiştir. Durmaz (1997), güneş enerjisini etkin biçimde kullanacak tasarımın belirlenmesinde rol oynayan Trombe duvarı üzerinde bulunan hava kanalı üzerinde çalışmıştır. Kanaldan odaya olan doğal taşınım mekanizmasını incelemek için, gün içerisinde ışınımın yeterli olduğu zaman diliminde, kanaldaki ortalama hava sıcaklığının oda sıcaklığından büyük olduğu durumu dikkate alarak hesaplama yapmıştır. Buzzoni vd., (1998), yapmış oldukları çalışmada geleneksel Trombe duvarına alternatif olarak Barra-Costantini diye anılan çift tabakalı (ısı yalıtımlı) Trombe duvarı uygulamasını incelemişlerdir. Bu sistemde düşey yüzey boyunca artan sıcaklık ile elde edilen ısı, iç ortama döşemede bulunan açıklıklar aracılığı ile iletilmekte ve iç ortamdaki soğuk hava duvarın alt bölümünde bulunan menfezlerden dış ortama aktarılmaktadır. Araştırmacılar bu sistemin geleneksel Trombe duvarına göre daha etkili olduğunu ortaya koymuşlardır. Onbaşıoğlu (1998), Trombe duvarlı bir edilgen sistemdeki türbülanslı doğal taşınımı deneysel olarak incelemiştir. Çalışmada, çok odalı pasif güneş evlerinin

27 8 tasarımında, sıcak havanın binanın en uç noktalarına ulaşabilmesi, bina içindeki sıcaklık dağılımının homojenliği ve sistemin yüksek bir performansa sahip olabilmesi için gerekli tasarım kriterlerine dikkat çekmiştir. Aksoy (2002), doktora tezinde iklimsel konforu esas alarak, bina kabuk elemanındaki sıcaklık dağılımına göre opak ve saydam yüzeylerdeki ısı geçişini hesaplamış ve sonuçları bir yıllık periyod için toplam ısıtma enerjisi miktarı olarak vermiştir. Bina kabuğunun detayına bağlı olarak minimum ve maksimum yıllık ısıtma enerjisi değerlerinin gerçekleştiği yönlendiriliş durumları arasında %2,7-7,2 arasında değişen oranlarda ısıtma enerjisi maliyet farkı olduğunu tespit etmiştir. Bacos ve Tsagas (2000), çalışmalarında Yunanistan ın kuzeyinde 120 m 2 lik bir konuta, güney yönde 15 m 2 alana sahip, cam yüzeyli 50 o eğimli çatı ve duvarlardan oluşturulmuş bir kış bahçesinin ısıl ve ekonomik analizini yapmışlardır. Maliyeti 6000$ olan kış bahçesi, 55,17 GJ olarak hesaplanan yıllık ısıtma yükünün %82 sini karşılamakta olup, geri ödeme süresi 4 aydır. Isı yükleri derece-gün yöntemi, yıllık yardımcı enerji ihtiyacı Kullanılamayan Enerji Yöntemi ile hesaplanmıştır. Ekonomik analiz ise Ömür-Maliyet-Analizi ile değerlendirilmiştir. Bacos (2000) çalışmasında, edilgen ısıtma sistemlerinde yardımcı ısıtma enerjinin optimal kontrolünden söz etmiştir. Minimum maliyet için matematiksel bir model geliştirmiş ve konuta gerekli olan enerjiyi sağlayabilmek için, yardımcı enerji olarak elektrikle ısı depolama ve Trombe duvarı uygulamasını incelemiştir. Fang ve Li (2000), kafes yapıdaki güneş duvarı ile geleneksel Trombe duvarını karşılaştırmışlardır. Çalışmada güneş duvarı verimliliğini etkileyen, yüzey ve saydam örtü optik özellikleri, duvar malzemesi kalınlığı, ısıl iletkenlik, havalandırma menfezlerinin dağılımı ve boyutları gibi parametrelerden söz edilmiştir. Deneysel ve teorik çalışma sonucu ısıl verim Trombe duvarında % 22,6, güneş duvarında ise % 30,2 olarak elde edilmiştir. Demirbilek vd., (2003), Türkiye de gerçekleştirilen Trombe duvarı uygulamalarından biri olan Antalya Ulusal Gözlemevi nde binanın ısıl davranışlarını

28 9 mevcut durum ve önerilen sistemlerin karşılaştırılması şeklinde incelemişlerdir. Bu amaçla, Trombe duvar malzemelerinin değiştirilmesi, yalıtım kalınlığının artırılması, kış bahçesi ve Trombe duvarında kullanılan saydam örtü sayısının değiştirilmesi, gece yalıtımı uygulanması, yaz aylarında gölgeleme ve havalandırma yapılması, Trombe duvarı ve kış bahçesi yerine farklı boyutlarda direkt kazanç uygulamasına yönelik seçenekleri irdelemişlerdir. Chen vd., (2006), Trombe duvarının ısıl performansını artırmak için hava boşluğunda gölgeleme elemanlarının kullanımı ile ilgili bir çalışma yapmışlardır. Dalian da bir binanın Trombe duvarına gölgeleme elemanları yerleştirerek kış ayları gece sıcaklığındaki değişimi incelemişlerdir. Gölgeleme elemanları kullanılması ile hava boşluğundaki ısı kaybının %20-40 oranında azaldığı ve Trombe duvarından dış ortama ısı akışının önlendiği görülmüştür. Ayrıca Trombe duvarı dış yüzey sıcaklığının da arttığı gözlemlenmiştir. Kartal vd., (2006), Trombe duvarı uygulamasının enerji kazancına olan katkısını araştırdıkları çalışmada, öncelikle sistemin çalışma ilkelerini ele almış ve teorik olarak Edirne ilinde bulunan mevcut bir binaya uygulanması sonucu elde edilebilecek kazançları belirlemişlerdir. Masif duvar malzemesi olarak 19 cm tuğla ve 10 cm betonarme malzemesi kullanımı sonucu, yıllık enerji tüketiminin güneşten karşılanma oranları sırasıyla % 25,6 ve % 37,3 olarak elde edilmiştir. Örnek binanın enerji tüketimini azaltmak amacıyla güney cephesinde uygulanan 24,57 m 2 Trombe duvarı ile yıllık toplam enerji gereksiniminin kwh olacağı Kullanılamayan Enerji Yöntemine göre yapılan hesaplar sonucu bulunmuştur. Jie vd., (2007), yapmış oldukları çalışmada Trombe duvarı ile PV modül uygulanmış bir diğer Trombe duvarını karşılaştırmışlardır. Sonuç olarak PV-Trombe duvarında iç ortam sıcaklığı diğerine kıyasla daha düşük değerde bulunmuştur. PV uygulanan ve uygulanmayan sistem arasındaki oda sıcaklığı farkı 3 gün boyunca 12,3 o C olarak gözlenmiştir. PV-Trombe duvarının ısıl performansı daha düşük olmasına karşın, elektrik enerjisi üretmesi ve estetik açılardan olumlu olacağı belirtilmiştir.

29 10 Yılmaz ve Kundakçı (2008), çalışmalarında Đstanbul da bir konutun güney yüzeyine Trombe duvarı uygulamasının enerji kazancına olan katkısını incelemişlerdir. Mevcut duvar ve Trombe duvar uygulamasının ısıl performansları zamana bağlı olarak ele alınmıştır. Farklı duvar malzemesi olarak tuğla ve betonun kullanıldığı 6 farklı duvar kuruluşu incelenmiştir. Duvar malzemesinin değişimi ile kış aylarında iç hava sıcaklık değişiminin fazla etkilenmediği, ancak Trombe duvarı uygulaması ile bu etkinin arttığı gözlenmiştir. Ayrıca çalışmada Trombe duvarı ve cam arası boşluk aralığının 0,05-0,10-0,15m şeklinde değişiminde, 0,05m lik aralığın enerji etkin iyileştirmede en iyi sonuç olduğunu belirtilmişlerdir. Enerjinin etkin kullanımına yönelik olarak geliştirilen saydam yalıtım malzemelerinin gelişimi ve avantajları ile ilgili birçok çalışma mevcuttur. Goetzberger vd., (1984), çalışmalarında saydam yalıtım uygulanmasının avantaj ve dezavantajlarını araştırmış, saydam yalıtım uygulanmış bir duvar kuruluşunda enerji dengesini kurmuşlardır. Enerji dengesi çözümlenerek ısıtma dönemi için aylık ortalama ısı yükleri yalıtımsız, yalıtımlı ve saydam yalıtımlı duvar kuruluşlarında doğu, batı, güney, kuzey yönleri için elde edilmiştir. Deneysel olarak gerçekleştirilen bu çalışmada dışta plastik örtü, PMMA (polimetilmetakrilat) esaslı saydam yalıtım, yutucu yüzey ve duvar malzemesinden oluşan sistem test edilmiştir. Saydam yalıtım aralarında hava boşluğu olacak şekilde iki tabaka halinde uygulanmıştır. Đki ayrı binada iki yıl sürdürülen çalışmada Ocak ayında güneşli günlerde 9 W/m 2 ısı akısı ölçülmüştür. Tüm ısıtma dönemini kapsayacak şekilde sonuçları değerlendirildiğinde ısı akısının 16 W/m 2 değerine kadar ulaştığı görülmüştür. Braun vd., (1992), saydam yalıtımlı duvarın fiziksel davranışını ve yıllık enerji kazancını araştırmışlardır. Çalışmada enerji dengesinin çözümlenmesinde kararlı hal koşullarının geçerli olduğu kabul edilmiştir. Matematiksel model çalışma ile birlikte saydam yalıtımlı ve yalıtımsız duvarlarda deneysel bir çalışma da gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla 16 mm kalınlıkta PMMA (polimetilmetakrilat) köpükten yapılmış saydam yalıtım kullanmışlardır. PMMA köpük aralarında 16 mm boşluk bırakılarak iki tabaka halinde duvara uygulanmıştır. Saydam yalıtımlı duvarın fiziksel davranışını belirlemek

30 11 üzere paket programlardan yararlanılmıştır. Optimize edilmiş saydam yalıtımlı duvar kuruluşundan yılda 200 kwh/m 2 enerji kazancı elde edilirken, tipik saydam yalıtımlı duvar uygulamasında yıllık enerji kazancı 100 kwh/m 2, gölgeleme elemanı içermeyen 5 cm kalınlıkta saydam yalıtım uygulamasında ise 40 kwh/m 2 yıl olarak elde edilmiştir. Saydam yalıtımlı duvarın etkinliğinin, duvar toplam ısı geçirgenlik katsayısındaki artışla iyileştiğini, saydam yalıtım uygulanmış güneye bakan bir duvarda güneş enerjisinin dönüştürülme oranının %30 düzeyinde gerçekleştiği ifade edilmiştir. Dilmaç vd., (1994), çalışmalarında güneş ışınım geçirgenliği 0,70-0,95 ve ısı iletim katsayısı 0,20-1,00 W/m 2 K arasında değişen saydam yalıtım malzemelerinin bina kabuğunda uygulanmaları sonucunda elde edilen ısı kazançlarını incelemişlerdir. Saydam yalıtım malzemelerini sınıflandırmışlar, ısıl iletkenliğin kalınlıkla, güneş ışınımı geçirgenliğinin ise kalınlıkla ve geliş açısı ile değişimi hakkında bilgiler vermişlerdir. Ayrıca saydam yalıtım malzemelerin kullanımı ile enerji tasarrufuna sağlanacak katkılar irdelenmiştir. Peuportier ve Michel (1995) çalışmalarında, Fransa nın doğusunda bulunan 6 model konut üzerinde saydam yalıtımın uygulanabilirliğini incelemişlerdir. Çalışmada 2 konut toplayıcı kullanılarak etken sistem, 4 konut Trombe duvarı kullanılarak edilgen sistem olarak değerlendirilmiştir. Çalışmada kapiler yapıda ve polikarbonat levha şeklinde iki saydam yalıtım malzemesi test edilmiştir. Saydam yalıtımın hava ısıtmalı toplayıcının etkinliğini diğer örtü malzemelerine göre %25 oranında, Trombe duvarı ısı kazancını ise iki kat arttırdığı belirlenmiştir. Kaushika vd., (1996), çalışmalarında saydam yalıtım malzemesi, teknolojisi ve uygulanabilme potansiyelini araştırmışlardır. Bal peteği yapısındaki saydam yalıtım malzemesinin etkinliğinin optimizasyonu için güneş ışınım geçirgenliğinin maksimum, ısıl kayıpların ise minimum olarak göz önüne alınması gerekli iki parametre olduğunu ifade etmişlerdir. Bu amaçla farklı hücre çap ve uzunluğunda saydam yalıtım malzemesinde kararlı halde enerji dengesi kurularak güneş ışınımının farklı geliş açılarında optik ve ısıl özellikleri ile toplam ısı kayıp katsayıları hesaplanmıştır.

31 12 Athienitis ve Ramadan (1999), çalışmalarında saydam yalıtımlı bir test odasının sayısal modelini oluşturmuş ve çözümlemişlerdir. Modellenen test odasının boyutları 3 m 3 m 3 m olup, güneye bakan 20 cm kalınlıkta betonarme duvarın dış yüzeyine saydam yalıtım uygulanmıştır. Doğu duvarında 2 m 2 alanı olan çift camlı pencere bulunmaktadır. Đstenen konfor koşullarına bağlı olarak farklı kontrol stratejileri uygulanmıştır. Bu kapsamda saydam yalıtımlı duvardan mekan içine hava akışı ile gölgeleme elemanlarından yararlanılmıştır. Duvar, taban, tavan ve pencere gibi mekan bileşenleri arasında ve saydam yalıtımlı duvardan ısı geçişini modelleyen diferansiyel denklem açık (explicit) sonlu farklar yöntemiyle çözümlenmiştir. Model çalışması sonucu soğuk güneşli bir günde yardımcı bir ısıtma sistemine gereksinim duyulmadığı ve sistemin önemli oranda enerji tasarrufu sağladığı belirtilmiştir. Ancak mekanın aşırı ısınmasının önüne geçilebilmesi ve konfor koşullarının sağlanabilmesi için uygun kontrol stratejilerine gereksinim duyulmuştur. Saydam yalıtımlı duvardan mekan içine hava akışı, oda yüzey sıcaklığının 31 C den daha düşük olmasını sağlamıştır. Isıl kütlede depolanan güneş enerjisi ve hava akışı yardımıyla bulutsuz günlerde yardımcı ısıtma sistemi gereksiniminin de en düşük düzeye indiği ifade edilmiştir. Gross vd., (2000) tarafından yapılan çalışmada, saydam yalıtımın ısı kazancı etkilerinden söz edilmiştir. Çalışmada mekanik gölgeleme elemanlarının maliyeti, renk uyumsuzluğu gibi sorunlara alternatif olarak inci parlaklığındaki pigmentlerle oluşturulan yalıtım malzemesi önerilmiştir. Almanya da yapılan bu model çalışmada pigmentlerle yapılmış örtünün enerji kazancının yüksek olduğu, yaz aylarında ise ısı akışının azaldığı ve aşırı ısınmanın da önlendiği görülmüştür. Yang vd., (2000), tarafından Çin in kuzeyinde edilgen sistemin uygulandığı binalarda saydam yalıtım uygulamasının verimliliğini ortaya koymak amacı ile simulasyon programı geliştirilmiştir. Bu kapsamda saydam yalıtım uygulamasıyla sağlanabilecek avantajları belirlemek için bir kapısı ve penceresi bulunan 4 m 4 m 2,4 m boyutunda bir mekan modellenmiştir. Örneklenen odanın tek ve çift cam pencereli olduğu iki durum incelenmiştir. Her pencere tipi için saydam yalıtımsız ısıl kütle, 4 cm saydam yalıtım uygulanmış ısıl kütle ve 10 cm saydam yalıtım uygulanmış ısıl kütle olmak üzere üç ayrı seçenek göz önüne alınmıştır. Đncelenen mekanın altı ayrı

32 13 durumu için aylık ortalama ısı yükleri ve güneş kazançları, yardımcı enerji gereksinimi ve ısı yükünün güneşten karşılanma oranları, yöre iklim koşullarına göre ayrı ayrı hesaplanmıştır. Duvar kuruluşunun dış yüzeyinde 4 cm ve 10 cm saydam yalıtım uygulandığı ve pencereden olan kazançların dikkate alındığı durumda güneş katkısının %38-62 arasında değiştiği tespit edilmiştir. 4 cm ve 10 cm kalınlıklardaki saydam yalıtım uygulamalarında yıllık güneş kazançları 70 kwh/m 2 ve 137 kwh/m 2 olarak hesaplanmıştır. Güney yüzeyde 4 cm kalınlığında saydam yalıtım uygulandığında bu yüzeyden olan güneş kazancı %17, 10 cm uygulandığında ise %39 arttığı belirtilmiştir. Göksal ve Özbalta (2001a) çalışmalarında Đzmir iklim koşullarında ısıtma ve soğutma dönemlerinde, Ocak ve Temmuz aylarını temsil eden günlerde 3 cm dış sıva, 19 cm tuğla, 2 cm iç sıvadan oluşan duvar kuruluşlarının güneş ışınımı etkisindeki ısıl davranışı incelemişlerdir. Çalışmada incelenen duvar kuruluşundan ısı geçişinin bir boyutlu olduğu kabul edilmiştir. Malzeme özellikleri ve sınır koşulları da dikkate alınarak duvar içindeki bir boyutlu ısı iletimi sonlu farklar yöntemiyle çözümlenmiştir. Sonlu farklar denklemlerinin yazılmasında duvar kuruluşundaki her tabaka ve yakınsama kriterleri dikkate alınmıştır. Çalışmada iç ortam ısı taşınım katsayısı 8,141 W/m2 C, sıcaklığı 20 C olarak alınmıştır. Dış ortam ısı taşınım katsayısı 5 W/m2 C, 23,26 W/m2 C, 32 W/m2 C, duvar dış yüzeyinin yutma katsayısı 0,15, 0,30, 0,45, 0,75 ve 0,90 olarak alınmıştır. Sonuç olarak Ocak ve Temmuz aylarında duvar kuruluşundaki ısı akılarının, dış ortama ait ısı taşınım katsayısı ve duvar dış yüzeyinin güneş ışınımını yutma katsayısına bağlı olarak değiştiğini göstermiştir. Göksal ve Özbalta (2001b), deneysel çalışmalarında Đzmir iklim koşullarında güneş ışınımı etkisindeki duvar kuruluşlarının ısıl davranışlarını incelemişlerdir. Deneysel çalışmada yüzey alanı 1,0 m 1,0 m olan, 24 cm kalınlıkta duvar (dış sıva 3 cm, tuğla 19 cm, iç sıva 2 cm) test edilmiştir. Örnek duvar kuruluşunun bir yüzü dış ortamla diğer yüzü ise iç ortamla temas edecek şekilde sisteme yerleştirilmiştir. Yan yüzeyleri yalıtılan duvar kuruluşunda bir boyutlu ısı iletim koşullarının geçerli olduğu kabul edilmiştir. Çalışmada duvar dış yüzey, dış sıva-tuğla, tuğla-iç sıva ara yüzey ve duvar iç yüzey sıcaklıkları ile güneş ışınım şiddeti sürekli olarak ölçülmüştür. Đncelenen duvar kuruluşuna ait zaman gecikmesi 4,28 saat, sönüm oranı ise 0,52 olarak elde

33 14 edilmiştir. Duvar kuruluşu dış yüzeyindeki salınım genliğinin duvar iç yüzeyine doğru azaldığı belirtilmiştir. Göksal ve Özbalta (2001c), çalışmalarında farklı iç ve dış sınır koşulları etkisindeki duvarlardan ısı akısını Eskişehir iklim koşullarında incelemişlerdir. Bu amaçla dış sıva, tuğla, iç sıva; dış sıva, yalıtım, tuğla, iç sıva; cam, saydam yalıtım, sıva, tuğla ve iç sıvadan oluşan üç ayrı duvar kuruluşunu ele alınmıştır. 17 Ocak ve 17 Temmuz günleri için yapılan hesaplamalarda duvar üzerine gelen güneş ışınım şiddeti de dikkate alınmıştır. Đncelenen duvar kuruluşları için zamana bağlı bir boyutlu ısı iletim denkleminin, iç ve dış yüzeyde taşınımla ısı geçişi ve dış yüzeyde ayrıca güneş ışınımının etkili olduğu varsayılarak çözümlendiği ifade edilmiştir. Sonuçlar Ocak ve Temmuz aylarında her duvar kuruluşunda iç ve dış yüzey sıcaklıkları ile iç yüzeydeki ısı akılarının saatlik değişimleri olarak verilmiş ve elde edilen bulgular detaylı olarak irdelenmiştir. Kaushika ve Sumathy (2003), çalışmalarında saydam yalıtım malzemelerinin fiziksel özellikleri, sınıflandırılmaları, uygulama şekilleri, üretim teknikleri ve maliyetleri ile ilgili genel bilgiler vererek, bu konuda yapılmış tüm çalışmaları değerlendirmişlerdir. Göksal Özbalta vd., (2008), TS 825 e göre farklı derece-gün bölgelerinde bulunan 4 ili temel alarak, saydam yalıtımlı duvar kuruluşlarından elde edilen enerji kazançlarını hesaplamışlardır. Tasarlanan mekan içinde sıcaklığın 19 C değerinde olduğu kabul edilerek yapılan hesaplamalarda, dış duvarlarda saydam yalıtım, opak yalıtım kullanıldığı ve yalıtımın kullanılmadığı durumlarda güneye yönelik olarak düzenlenen duvarın edilgen ısıtma sistemi olarak davranışları incelenmiştir. Tuğla, betonarme ve gazbeton esaslı farklı malzemelerden oluşan duvar kuruluşları ele alınmıştır. Her duvar tipi ve yalıtım malzemesi için ısıtma gereksinimi duyulan dönem boyunca dış duvarlardaki ısı kayıplarının aylık ortalama günlük değerleri hesaplanmıştır. Bu değerler kullanılarak yıl boyunca gerçekleşen ısı kayıpları elde edilmiştir. Yalıtımsız ve opak yalıtımlı duvarlardaki yıllık ısı kayıpları betonarme duvarda, 1. derece-gün bölgesi için -355 MJ/m 2, -239 MJ/m 2, 2. derece-gün bölgesi için -788 MJ/m 2, -459 MJ/m 2, 3. derece-gün bölgesi için MJ/m 2, -540 MJ/m 2 ve 4.

34 15 derece-gün bölgesi için MJ/m 2, -739 MJ/m 2 olarak hesaplanmıştır. Opak yalıtım kullanımı betonarme ve tuğla duvarda, ısı kayıplarını yalın duvardaki ısı kayıplarına göre beklendiği gibi oldukça azalttığı ve ısı kaybındaki azalmanın yaklaşık olarak %45 (betonarme), %20 (tuğla), %12 (gazbeton) düzeylerinde olduğu belirlenmiştir. Ancak saydam yalıtım kullanılması halinde ise duvarların güneş enerjili toplayıcı gibi çalıştığı görülmektedir Güneş Enerjisinin Opak ve Saydam Yüzeylere Etkisi Bina kabuğunun opak yüzeylerine ulaşan güneş enerjisi fiziksel olarak bir radyan enerji çeşididir. Radyan enerji kendisini yutan bir yüzeye çarptığı zaman ısı enerjisine dönüşebilen elektromanyetik dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar çok geniş bir spektruma sahip, değişik dalga boylarında ve değişik şiddettedir (Şekil 2.1). Isıl ışınım 0,1µm den 100µm ye kadar ( m) dalga boyları arasındaki elektromanyetik ışınımdır. Görülebilen ışınım (ışık) 0,38µm-0,76µm dalga boyu aralığındadır (Öztürk ve Yavuz, 1995). Güneş ışığının spektrumu yalnız görünen bölge ile sınırlı değildir. Görünür bölge aralığından daha küçük ve daha büyük dalga boyuna sahip olan ışınlar gözle görülemezler. Mor ötesi 10-7 m (ultraviyole) ışınlar, X ışınları gibi, enerjileri yüksek olması nedeniyle insan vücuduna zarar verebilirler. Enerjisi düşük olan kızıl ötesi (ısıl) ışınlar 10-3 m de ulaştıkları yüzeye belli bir enerji aktarırlar (Dilmaç, 1989). Dalga boyu λ, m Şekil 2.1. Elektromanyetik dalgaların spektrumu (Dilmaç, 1989, Öztürk ve Yavuz, 1995)

35 16 Güneş ışınımı bina kabuğunu iki yönde etkilemektedir. Saydam yüzeylerden iç ortama giren kısa dalga boylu güneş ışınımı, bina içindeki yüzeyler tarafından yutularak uzun dalga boylu ısıl ışınıma dönüşür. Bina kabuğunun opak yüzeylerine gelen güneş ışınımının bir bölümü yansıtılır, geriye kalanı ise yutulur. Masif kütlede depolanan bu enerji, iletim, taşınım ve ışıma yoluyla iç ortama aktarılır (Şekil 2.2). Şekil 2.2. Bina kabuğunda opak-saydam yüzeylerdeki ısı kayıp/kazançları (Zürcher ve Frank, 1998) Bina kabuğundan güneş ışınımına ilişkin yutuculuk, yansıtıcılık ve geçirgenlik gibi optik, toplam ısı geçirme katsayısı, ısı depolama kapasitesi, ısı yayınım katsayısı, faz kayması ve sönüm oranı gibi termofiziksel özellikleri güneş enerjisi kazancında belirleyici etkenlerdir.

36 Opak yüzeylerin termofiziksel özellikleri Opak bir yüzeye çarpan radyan enerjinin bir kısmı zaman gecikmesi olmaksızın yansır ve kalan enerji yüzey tarafından yutulur. Opak yüzey tarafından yutulan enerji yapı elemanının sıcaklığını artırır. Bunun sonucunda; - Opak yüzeyin sıcaklığı, dış ortam sıcaklığından fazla olduğu için, yüzeyden taşınım yoluyla ısı kaybı oluşur. - Opak yüzey sıcaklığı arttığı için, yüzey tarafından ısıl ışınım yoluyla kaybedilen enerji artar. - Dış yüzey sıcaklığının artması sonucunda, masif kütlede iletim yoluyla ısı geçişi olur. - Yapı elemanı sıcaklığının artması nedeniyle bünyesinde ısı depolanır. - Đç yüzeye ulaşabilen ısı enerjisi, taşınım ve ışınım yoluyla iç mekana aktarılır. (Kachadorian, 2006, Dilmaç, 1989) Isı depolama kapasitesi Opak yüzeyler gelen güneş ışınımının bir kısmını yansıtır, geri kalanını da yutarlar. Yutulan güneş ışınımının bir kısmı duvar kuruluşunu oluşturan katmanların termofiziksel özelliklerine bağlı olarak depolanırken kalanı da iç ortama aktarılır. Duvar kuruluşunun ısıl kapasitesi; özgül ısısı ve kütlesi dolayısıyla yoğunluğu ve toplam hacmi ile ilgilidir. Isı depolama işlevini yerine getirecek elemanın etkinliği, enerjinin yutulma hızı ve bu enerjinin iç ortama iletilme hızı ile ilişkilidir. Isı depolama özelliği yüksek olan malzemeler yüzeylerine gelen enerjinin büyük bölümünü yutarlar. Buna karşın diğer yüzeylerine de kalınlık, yoğunluk, özgül ısı ve ısı iletim katsayısı gibi termofiziksel özelliklerine bağlı olarak gelen enerjinin az bir bölümünü iletirler. Malzemenin bu özelliği ısı depolama kapasitesi (S) olarak adlandırılır (Ahlama vd, 1997, Tsilingiris 2002, Tsilingiris 2004). Isı depolama kapasitesi,

37 18 0,5 2 ( k *ρ * c ) ( W s / m K ) S = p (1) eşitliği ile elde edilir. Isı depolama kapasitesi malzemenin özelliği ve duvar içindeki konumu ile de ilişkilidir. Bu eşitlik duvar elemanında, iletimle ısı geçişine bağlı olarak görülen faz farkı ve sönüm oranını da karakterize eder. Isı yayınım katsayısı Malzemelerin önemli bir termofiziksel özelliği olan ısı yayınım katsayısı zamana bağlı ısı iletiminin incelenmesinde dikkate alınması gereken bir parametredir. Isı yayınım katsayısı, malzeme içinden iletimle transfer edilen enerjinin, depolanan ısı enerjisine oranı olarak tanımlanabilir. Isı yayınım katsayısı, α = ( k / ρ * c p ) ( m 2 / s) (2) şeklinde tanımlanmıştır. Dış Yüzey Rengi Dış yüzeyin güneş ışınımını yutma oranı arttıkça sistemin ısı kazancı da artar. Isıl kazanç açısından en uygun renk siyahtır; ancak mimari açıdan sık kullanılan bir renk değildir. Koyu renklerin yutma oranları büyük, yansıtma oranları ise küçüktür. Koyu renkli yüzeylerde ışınım yoluyla dış ortama ısı kaybı kullanılan boyaların uzun dalga boylu ısıl ışınım yayma özelliklerinin büyük olması nedeni ile fazladır (Givoni, 1991) Opak bileşenlerde geçirgenlik söz konusu olmayıp, yutuculuk ve yansıtıcılığın doğrudan ve yaygın ışınım için farklı olmaksızın yüzeyin rengine bağlı olarak değiştiği varsayılır. Herhangi bir renge sahip duvarın güneş ışınımından aldığı ısı,

38 19 q = α g I t 2 ( W / m ) (3) eşitliği ile elde edilir (Duffie ve Beckman, 1991). Dış duvar yüzeyinde kullanılan rengin koyuluk derecesine ve boyar maddenin özelliğine bağlı olan yutma katsayısı güneşten gelen ısı kazancının hesaplanmasında önemli bir parametredir. Bu değer gerçek siyah cisimde maksimum değer 1 e eşittir. Renk açıldıkça yutma katsayısı, dolayısıyla ısı kazancı da azalır (Oğulata, 1997). Faz Farkı ve Sönüm Oranı Bina yüzeyindeki ısı geçişi en iyi şekilde periyodik olarak tanımlanmaktadır. Periyodik ısı geçişi, bina kabuğundaki ısı geçişinin sürekli olarak değiştiği fakat bu değişikliklerin belirli bir zaman periyodu içinde, belirli bir seriye uygun olarak oluştuğu yarı-sabit-durum koşulu olarak belirtilmektedir. Binalarda bu periyod 24 saat olarak alınmaktadır (Şekil 2.3). Sıcaklığın periyodik değişimi sonucu periyodik ısı geçişinin sonuçları olan ısıl atalet, bir cismin sıcaklığının çevre sıcaklığına ulaşmasındaki yavaşlık derecesi olarak tanımlanmaktadır ve yaz koşullarında binalar için daha önemlidir (Ropelewski ve Neufeld, 1999, Kartal vd. 2005). Literatürde ısıl atalet, faz kayması ve sönüm oranı ile açıklanmıştır. Faz kayması, duvar iç yüzey sıcaklığı ile dış yüzey sıcaklığının en yüksek değerleri arasındaki zaman farkı olarak tanımlanabilir. Sönüm oranı ise, duvar iç yüzey sıcaklık değişim genliğinin, dış yüzey sıcaklık değişim genliğine oranı olarak belirlenebilir. Bina kabuğunun ısıl performansını etkileyen fiziksel özelliklerinden faz kayması ve sönüm oranı, içerisinde ısı depolayabilen malzemeler için geçerli olup, saydam bileşenlerin ısı depolama kapasiteleri ihmal edilecek düzeyde olduğundan bu bileşenler için geçerli değildir. Opak bileşenler için geçerli olan faz kayması ve sönüm oranı bileşenin ısı depolama kapasitesinin, diğer bir deyişle ısıl kütlesinin fonksiyonudur.

39 20 Dolayısıyla bu parametreler malzemenin ısı iletim katsayısı, yoğunluğu ve özgül ısısına bağlıdır (Dilmaç ve Eğrican 1994, Yılmaz, 2006). Şekil 2.3. Zaman Gecikmesi ve Sönüm Oranı Şematik Gösterimi (Koenigsberger 1974, Zürcher, 1998, Soysal, 2008) Isı Geçirme Katsayısı Sabit rejim, sabit sıcaklıklar etkisinde meydana gelen ısı iletimidir. Herhangi iki eşit zaman aralığında iletilen ısı miktarı hep aynıdır. Bu şartlarda sadece elemanın ısı iletimine karşı gösterebildiği ısıl direnç önemlidir. Bileşen veya elemanın ısıl direnci, elemanı oluşturan katmanlardaki malzemelerin ısıl iletkenlik değerleri (λ) ve kalınlıklarından (d) yararlanılarak bulunur. Her katmanın ısıl direnci d/λ ile hesaplanır. Dolayısıyla bir katmanın ısıl direncinin olabilmesi için, ısıl iletkenliğinin küçük olmasının yanında anlamlı bir kalınlığa da sahip olması gerekir. Birden fazla katmandan oluşan elemanın ısıl dirençlerinin toplamı, elemanın sıcak ve soğuk yüzeyleri arasındaki toplam ısıl direncini verir. Katmanların

40 21 sıralanmasının elemanın ısıl direnci üzerinde bir etkisi yoktur. Sabit rejim şartlarında, sadece elemandan iletilen ısı enerjisi miktarı ve kesit sıcaklıkları hesaplanır. Sabit rejim hesaplarında kullanılan temel büyüklükler aşağıda açıklanmıştır. d kalınlığında, iki yüzü arasındaki sıcaklık farkı (T i -T d ) olan homojen bir malzemeden oluşan tek tabakalı bir yapı elemanından geçen ısı akısı, k q = ( T i T d ) (4) d d kalınlığında, çok tabakalı ve ayırdığı ortamlar arasındaki sıcaklık farkı (T i -T d ) olan bir elemandan geçen ısı akısı, ( ) q = U T i T d (5) eşitlikleri ile hesaplanır. Isı geçirme katsayısı (U), herhangi bir d (m) kalınlığındaki yapı bileşeninin her iki tarafında bulunan hava sıcaklıkları arasındaki fark 1 o C olduğunda, bileşenin birim alanından birim zamanda geçen ısı miktarıdır (Anonim, 1989). Birden fazla katmandan meydana gelen elemanın toplam ısı geçirme katsayısı; U = 1 + h 1 d 1 + k i h d (W/m 2 K) (6) Isı geçirgenlik direnci ise; R t d = Σ (m 2 K/W) (7) k şeklinde tanımlanmıştır.

41 Saydam yüzeylerin optik özellikleri Bina kabuğunda yer alan saydam yüzeyler (cam yüzey, pencere, ışıklık vb.), güneş enerjisinden kazanç sağlamayı olanaklı kılan güneş mimarisi elemanlarının bir öğesidir. Saydam yüzeyler, kısa dalga boylu ışınımı geçirmekte olup, iç mekanda masif yüzeylere çarparak ısı enerjisine dönüşen uzun dalga boylu ışınıma karşı geçirimsiz davranmaktadır. Saydam yüzeylerin optik özellikleri, güneş ışınımına ilişkin yutuculuk (α), yansıtıcılık (ρ) ve geçirgenlik (τ) katsayılarıyla tanımlanır (Serra, 1998). Bu katsayılar, doğrudan ve yaygın güneş ışınımına karşı farklı değerler alır ve birim alandan güneş ışınımı ile kazanılan ısı miktarını etkiler. Saydam bileşenlerin optik özellikleri güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak değişir. Saydam yüzeyler, üzerine gelen güneş ışınımını yansıtır, yutar ve geçirirler. Yansıtma, yutma ve geçirme oranlarının toplamı 1 e eşit olup, α + ρ + τ = 1 (8) denklemi ile belirlenir. Güneş ışınımının saydam yüzeylerden geçişi Snell Kırılma Yasası ile hesaplanır (Duffie ve Beckman, 1991). θ 2 / Sinθ1 n1 / n2 (9) Sin =

42 23 Şekil 2.4. Güneş ışınımının saydam yüzeylerden geçişi (Duffie ve Beckman, 1991). Güneş ışınımı dikey ve yatay bileşenlerinin yansıtılma oranları; 2 2 r d = Sin ( θ θ1 ) / Sin ( θ2 + θ1) (10) r y = tan ( θ θ1 ) / tan ( θ2 + θ1) (11) 2 eşitlikleri ile hesaplanır. Saydam yüzeylerden geçen ışınımın bir bölümü malzeme tarafından yutulur. Işınımın yutulan oranı aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır. τ a ( K * L / Cosθ Z ) = e (12) Saydam yüzeyler üzerine gelen güneş ışınımı, malzeme içerisinde kırılarak ve yansıtılarak ilerler. Güneş ışınımının saydam cisimlerde yansıtma, geçirgenlik, yutma değerleri, eşitliklerde ışığın dikey ve yatay bileşenleri dikkate alınarak bulunur. Saydam malzemelerin geçirgenliği, ışınımın dikey bileşeni için, 2 2 τ d = [(1 rd ) τ a ]/[1 ( rd τ a) ] (13) ışınımın yatay bileşeni için, 2 2 τ y = [(1 ry ) τ a ]/[1 ( ry τ a) ] (14) eşitlikleri ile bulunur. Toplam geçirgenlik ise; τ = ( τ d + τ y ) / 2 (15) ile bulunur.

43 24 Toplam yansıtma, güneş ışınımının dikey ve yatay bileşenlerinin ortalamasıdır. Işınımın dikey bileşeni için yansıtma, ρd = r d + rd {[(1 rd ) τ a ]/[(1 ( rd τ a ) ]} (16) yatay bileşen için yansıtma ise, ρ y = r y + ry {[(1 ry ) τ a ]/[(1 ( ry τ a) ]} (17) toplam yansıtma ise, ρ = ( ρ y + ρ d ) / 2 (18) olarak tanımlanmıştır. Toplam yutma, polarizasyonun dikey ve yatay bileşenlerinin ortalamasıdır. Polarizasyonun dikey bileşeni için yutma, α d = ( 1 τ a ) * (1 rd ) / (1 rd * τ a ) (19) yatay bileşen için yutma, α y = ( 1 τ a ) * (1 ry ) / (1 ry * τ a ) (20) toplam yutma ise, α = ( α d + α y ) / 2 (21) olarak hesaplanır Edilgen Isıtmada Güneş Mimarisi Elemanları Binaların ısıtılması için güneş enerjisinin ısı enerjisine dönüştürülmesinde kullanılan uygulamalar etken (aktif) ve edilgen (pasif) sistemler olarak adlandırılır. Genel anlamda işlevsellik açısından edilgen ve etken kullanımları, güneş enerjisinin toplanması, taşınması ve dağıtılmasına ilişkin kriterleri kapsadığını söylemek olanaklıdır. Sıcak su toplaçları, hava toplaçları ve fotovoltaik teknolojisi etken sistem uygulamalarıdır. Edilgen kullanımda ise sistem binaya entegre edilmiş ve yapı

44 25 elemanları durumundadır. Burada tasarımda alınacak önlemler öncelikli olup, olabildiğince az tesisat kullanımı söz konusudur (Tablo 2.1). Edilgen sistem öğelerinden olan kış bahçesi, Trombe duvarı ve saydam yalıtımlı duvar kuruluşu bina kabuğuna uygulanan güneş mimarisi elemanlarıdır. Tablo 2.1. Edilgen/Etken Sistem Çizelgesi (Gonzalo, 1994). [1] Güney penceresi [2] Kış bahçesi EDĐLGEN (PASĐF) [3] Güneş duvarı/çatısı [4] Trombe duvarı [5] Camlı ek bina [1-5] Uygulamalarının mekanik donanımla desteklenmesi ETKEN (AKTĐF) [1-5] Uygulamalarının ek ısı depolayıcı önlemlerle desteklenmesi [1-7] Uygulamalarında ısı dağılımının otomatik olarak kontrol edilmesi Su / Hava Toplayıcıları Uygulaması Yüksek verimli Toplayıcılar/ Fotovoltaik Modül Kullanımı Kış bahçesi uygulaması Kış bahçeleri içinde yaşanabilen sıcak hava toplaçları şeklinde tanımlanabilen, ısıtılmayan, genelde güneye yönlendirilmiş, camın yoğun olarak kullanıldığı mekanlardır. Đç ve dış ortam arasında tampon bir bölge oluşturan kış bahçesi, ısıtma

45 26 döneminde yalıtım işlevi görerek bina dış duvarlarından olan ısı kayıplarını azaltmaktadır. Ayrıca kış bahçesi aracılığı ile yapılan havalandırma da enerjiden kazanç sağlamaktadır. Kış bahçelerinin temel özelliği saydam yüzeylere sahip olmasıdır (Weber, 1983). Saydam yüzeylerden geçerek iç mekana ulaşan güneş ışınlarının masif yüzeylerde yutularak ısı enerjisine dönüşmesi ile oluşan sera etkisi güneşten edilgen yararlanmanın temelini oluşturur (Şekil 2.5). Kış bahçelerinin döşemeleri ile ilişkili oldukları mekan arasında düzenlenen duvar elemanları, enerjinin depolanabilmesi için masif ve yoğunluğu yüksek olan malzemelerden seçilir (Ragonasi, 1993). Böylece depolanan güneş enerjisi belli bir zaman gecikmesi ile iç ortam sıcaklığına bağlı olarak iletim yoluyla, kanallar aracılığı ile de taşınım yoluyla da iç mekana iletilir. Şekil 2.5. Kış bahçesinin çalışma ilkesi (Weber, 1983) Kış bahçesinde ısınan havadan daha etkin yararlanmak için komşu mekan duvarlarında açılabilir kanat veya menfez düzenlenebilir. Ayrıca sıcak dönemlerde aşırı ısınma sorunlarına karşı gölgeleme elemanları kullanılır veya düzenlenen açılabilir bölüm ve/ya menfezler aracılığı ile sıcak havanın dış ortama atılması sağlanır. Sistemi daha etkili kılmak için kanallar yardımı ile sıcak havanın farklı mekanlara taşınması da olanaklıdır. Kısacası, kış bahçeleri mekansal ve enerjik açılardan bağımsız mekanlar olup, kendileri ile ilişkili mekanların iklimini kontrol edebilirler. Mimari açıdan farklı amaçlar için kullanımlarının yanı sıra, cephede sağladığı hareketlilik ile estetik kaygılara da yanıt verebilen kış bahçeleri, birden fazla mekana ve katlara ilave tesisat olmaksızın enerji kazanımını olanaklı kılabilmektedir (Gonzalo, 1994, Göksal, 2000, Kartal vd, 2007).

46 Trombe duvarı uygulaması Trombe duvar uygulaması, masif duvarın ısıl kütle olarak kullanıldığı edilgen ısıtma tekniğidir. Bu uygulama, güneşten direkt yararlanabilecek şekilde güney yönde düzenlenen, yüzeyi koyu renkli masif duvar ve mm hava boşluğu bırakılarak önünde yer alan cam tabakasından oluşur (Awbi, 1998) (Şekil 2.6). Cam tabakasını geçen kısa dalga boylu güneş ışınımı masif duvarda yutularak duvarın ve boşluktaki havanın ısınmasını olanaklı kılar. Sistemden daha etkin yararlanabilmek için, masif duvarın alt ve üst bölümünde menfezler düzenlenir. Böylece boşlukta ısınan hava iç mekana taşınır ve ısınan havanın dolaşımı sağlanır. Givoni bir çalışmasında 30 cm betonarme ile oluşturulmuş Trombe duvarında hava kanalındaki sıcak havanın menfez aracılığı ile iç mekana aktarılması durumunda, ısı geçişinin yaklaşık %30 unun taşınım, %70 inin iletim yoluyla gerçekleştiğini belirtmektedir. Hava kanalındaki sıcak havanın menfezler aracılığı ile iç mekana aktarılması durumunda sistem yaklaşık % 10 daha etkilidir (Givoni, 1991). Şekil 2.6. Trombe duvarı çalışma ilkesi (Gosvami, vd. 1999)

47 28 Menfezler, güneş enerjisi olmadığı durumlarda kapatılarak depolanan ısı enerjinin kaybolması engellenir. Masif duvarda yutulan enerjinin bir kısmı da iletim ile duvarın iç yüzeyine, buradan da taşınım ve ışınım yoluyla iç mekana aktarılır. Ayrıca menfezlerin açılır kapanır olması, iç mekandaki sıcaklık değişimlerinin ayarlanabilmesine olanak sağlar. Özellikle sıcak dönemlerde aşırı ısınma sorununun yaşanmaması için camlı yüzeyde havalandırmayı olanaklı kılacak açılabilir kanatların düzenlenmesi gerekir. Havalandırmayı daha etkili kılmak için kuzey duvarında düzenlenen açılabilir kanat ile çapraz havalandırma sağlanabilir (Weber,1983). Trombe duvar uygulamasında, güneş ışınları iç mekana direkt olarak ulaşmadığı için iç mekan sıcaklıkları dengede tutulabilir. Ayrıca, maliyeti diğer edilgen sistemlere oranla daha uygun ve mevcut bina kabuğuna uygulanması daha kolaydır. Trombe duvarı uygulamalarının olumlu sayılabilecek bu özelliklerin yanı sıra; etkili gölgeleme sağlanmadığı durumlarda, yaz aylarında aşırı ısınma sorunları ortaya çıkabilir. Soğuk, bulutlu dönemlerde yeterli yalıtım olmadığı durumlarda, ısı kaybı da olabilir. Bu durum, hareketli yalıtım ya da saydam yalıtım malzemeleri kullanılarak en aza indirilebilir. Çok katlı yapılarda saydam yüzeylerin bakımı için erişim balkonları yapılabilir (Givoni, 1991) Saydam yalıtım uygulaması Literatürde genel olarak, güneş ışınımı geçirgenlik katsayısı yüksek olan her malzeme saydam yalıtım olarak adlandırılmaktadır (Ragonasi, 1993). Optik olarak yarı saydam olan, ancak saydam yalıtım olarak anılan gerecin en önemli özelliklerinden biri, ısı yalıtımı yanı sıra güneş ışınımı geçirgenliğidir. Saydam yalıtım malzemesinin güneş ışınım geçirgenliği, ışınımın geliş açısına bağlı olarak 0,70 ile 0,90, ısı iletkenliği ise 0,20-1,00 W/m2K arasında değişir (Platzer, 1992a, Platzer, 1992b, Kerschberger, 1994). Yalıtım özelliğinin yanı sıra malzemenin yapısına bağlı olarak güneş ışınlarının duvar yüzeyine iletilmesi en önemli avantajlarından biridir. Duvar yüzeyinde yutulan güneş ışınları duvar bünyesinde ısı enerjisine dönüşerek iç mekana aktarılmaktadır. Bu

48 29 uygulamanın bir diğer avantajı da, hem yeni hem eski binalar da uygulanabilmesidir. Bu sebeple enerji kazanç potansiyelleri oldukça yüksektir. Saydam yalıtımlı duvar kuruluşlarında sistemin etkinliği yalıtım malzemesinin strüktürel yapısına ve düzenlenme yönüne bağlı olarak değişir. Strüktürel nitelikleri ve güneşten sağladığı ısı kazancına yönelik performansları bağlamında saydam yalıtım: katmanları emici yüzeye paralel düzenlenen malzemeler, petek dokulu ve/ya kapiler tüpler, homojen (aerojel ve jel) yapılı malzemeler şeklinde gruplandırılabilir Petek dokulu veya kapiler tüplü uygulamalarda, saydam yalıtım malzemesi emici yüzeye dik olarak yerleştirilir ve güneş ışınlarının geri yansımadan duvar yüzeyine ulaşması sağlanır. Günümüzde yoğun olarak uygulanan cam veya plastik esaslı tüplerde hücrelerin çapı 3-8 mm dir. Güneşin konumuna bağlı olarak yaz aylarında düşeyle dar açı yaparak gelen ışınlar borucukların içine girememekte, kış aylarında ise ışınların yataya yakın bir konumda gelmeleri sonucu borucukların çeperlerinde yansıyarak emici yüzey ve depolayıcı duvara ulaşmaktadır (Şekil 2.7) (Şekil 2.8) (Göksal, 2000). Polycarbonat (PC) ve/veya polymetilmetakrilat (PMMA) esaslı olan saydam yalıtım malzemeleri kısa dalga boylu güneş ışınımını geçirmekte, uzun dalga boylu ışınımı ise geçirmemektedir (Göksal Özbalta ve Özbalta, 2004). Saydam yalıtım uygulanmış binaların dış duvarları güneş toplacı gibi çalışır. Bilindiği gibi dış hava sıcaklığının düşmesi ile ısıl kütle olarak çalışan masif duvardan olan ısı kaybı artmaktadır. Buna karşın geliştirilen saydam yalıtımlı duvarda malzemenin yalıtım özelliği nedeniyle ısı geçiş direnci artmakta ve ısı kaybı azalmaktadır. Yalıtım malzemesi içinden geçen kısa dalga boylu güneş ışınımı, masif kütlede ısı enerjisi olarak depolanır. Masif kütlenin ön yüzeyinde bulunan saydam yalıtım, depolanan enerjinin dış ortama geçişinde ek bir direnç oluşturur. Saydam yalıtım kullanımı sonucunda hem güneş ışınımı geçirgenliği hem de ısı yalıtım özelliği birlikte sağlanabilmektedir. Ancak bu tür duvar kuruluşlarında yaz döneminde ısıl kütlenin aşırı ısınma sorununa neden olabilmektedir. Buna çözüm olarak doğal havalandırma, güneş kırıcı elemanların kullanımı veya ısıl kütlenin artırılması önerilebilir (Athienitis ve Ramadan, 2000).

49 30 Duvar yüzey sıcaklığı Cam Saydam Yalıtım Masif kütle Dış ortam Đç ortam Şekil 2.7. Saydam yalıtımlı duvarın çalışma ilkesi (Kapilux-H, Prospektüs) Şekil 2.8. Saydam yalıtımlı duvarda yaz ve kış aylarında gerçekleşen ısı akısı (Kapilux- H, Prospektüs) Saydam yalıtımlı duvar kuruluşları, genelde soğuk iklimli ve güneş ışınım şiddeti yüksek bölgelerde ısıtma gereksinimini daha verimli şekilde karşılarlar. Duvar dış yüzey sıcaklığı günün önemli bir bölümünde iç yüzey sıcaklığından daha yüksektir. Masif kütlede depolanan enerji iç mekana belli bir faz farkı ve sönüm oranı ile aktarılır. Ayrıca yüksek iç yüzey sıcaklığı dış duvarlarda oluşabilecek yoğuşma sorunlarını da ortadan kaldırmaktadır (Dilmaç, vd., 1994).