Kıbrıs Koşullarında Isı Depolama (Trombe) Duvarının Performansı

Transkript

1 Doğu Akdeniz Üniversitesi Enerji Araştırma Merkezi (DAÜ-ENAR) Kıbrıs Koşullarında Isı Depolama (Trombe) Duvarının Performansı Doç. Dr. Uğur Atikol DAÜ-ENAR Başkanı Enerji Verimli Binalar Konferansı, 23 Ocak 2010, Lefkoşa

2 Sunuş un Ana Hatları Isı depolama duvarı (Trombe-Duvarı) Menfezli Trombe-Duvarı Uygulama Esasları Isı performans Örnek Çalışmalar Ekonomik fizibilite Sonuç

3 Isı Depolama (Trombe) Duvarı Đlk olarak dolu duvarlarda pasif ısıtma amaçlı ısıl depolamayı Edward Morse 1885 te tanımladı. Felix Trombe ve Jacques Michel in Fransadaki deneysel evleri sayesinde bu duvarlar yaygnlaştı (1976). Trombe Duvarı Camdan geçen güneş ışınları duvar tarafından yavaşça emilir Isı daha sonra kütle vasıtası ile iç mekanlara aktarılır Saçak Klasik biçimde yalıtılmış dış duvarlar ve çatı Isıl depolama kütlesi (dolu duvar veya su) Güney cepheye bakan cam Kaynak: F. Moore, Environmental Control Systems, heating, cooling, lighting, McGrawHill

4 Menfezli Trombe - Duvarı Duvar, güneş enerjisini gün içerisinde depolayıp geceleyin ışınım (radyasyon) yoluyla odaya veriyor. Gündüz ısıtma yapmak için üstten ve alttan hava menfezleri bırakılabilir. Bu menfezlerin gece kapalı olması gerekmektedir. Güney cepheye bakan Trombe duvarı Isıl kütle Hava boşluğu Cam Doğal konveksiyonlu ısıtma Radyan ısıtma Havalandırma kapalı KIŞ KOŞULLARI (IŞINIM ve KONVEKSĐYON YOLUYLA ISITMA) Kaynak: Chel, A. et al., International Journal of Energy and Building, 2008.

5 Menfezli (Trombe) Duvarı Menfezli Trombe-duvarında termo-hava dolaşımı kontrolu yapılmazsa ne olur? Menfezler, odanın, sabahleyin daha hızlı ısınmasını sağlar Ancak geceleyin camdan ısı kaybı olduğu için ters yöne hava dolaşımı yoluyla ısı kaybı hızlanır. Menfezler geceleyin (veya güneş olmadığı zamanlar) mutlaka kapalı olmalıdır. Kaynak: F. Moore, Environmental Control Systems, heating, cooling, lighting, McGrawHill

6 Uygulama Esasları Güneşlenme müddeti 3-4 saatin üzerinde olmazsa Trombe-duvarı işlevini yerine getiremez. Bu yüzden bu duvarın Güney cepheye yerleştirilmesi ve önünde ağaç vs olmaması gerekmektedir. Trombe-duvarının uygulaması yapılırken duvarın dış yüzeyi siyaha boyanmalıdır Duvar kalınlığı artırıldığı zaman sıcaklık sapmaları azalır ve ısıtma etkisi akşamın daha geç saatlerine yayılır. Yazın duvarın gölgede kalması sağlanmalı ve havalandırılmalıdır. Duvarın kenarları yalıtılmalıdır. Menfezli Trombe-duvarlarının menfezleri mutlaka kapaklı olmalıdır. Kışın kapaklar gece kapalı olmalıdır.

7 Uygulama Esasları ABD de ilk Trombe-duvarı uygulaması Kelbaugh evinde yapılmıştır. Uygulamada menfezler ve kuzey pencereleri kullanılarak yaz aylarında havalandırma ile soğutma düşünülmüştü. Güney Kuzey Kaynak: F. Moore, Environmental Control Systems, heating, cooling, lighting, McGrawHill

8 Isıl Performans Bu resimde ısı yalıtımlı bir binanın tipik Ocak ayı sıcaklık değişimleri görülmektedir. Bu simulasyonda iki gün boyunca havanın güneşli olduğu varsayılmıştır.

10 Örnek Çalışmalar 1 30 m 2 lik bir örnek oda için hava menfezi olmayan 15 cm kalınlığında ve 24 m 2 alanı bulunan Trombe-duvarı nın ısıl performansı Ardebil ve Lefkoşa şehirleri için incelenmiştir. (Kaynak: H. Assefi, U. Atikol, R. Nowzari, 2008) Ardebil ve Lefkoşa da Trombe-duvarı aylık parametrik enerji analizi L = ( UA) ( DD) a a b L = U A ( DD) w w c r Q = U A ( T T ) tn in K c w r Winter sun Kış Güneşi Oda (30m 2 ) Room Q dump Q dump H tφ NU K Ac = U + U L ( τα) K Glazing Cam Qin H ( τα ) = U ( T T ) t+ U ( T T ) t t k w r L w a 2 ( c c) R n φ = exp A + B X + C X R Trombe Absorber Duvarı storage (24 wall m 2 ) Qaux ( )( 1 ) Q = L + L F aux a w Trombe-duvarı ve odanın, ısı alış-verişlerini gösteren şematik kesit.

11 Örnek Çalışmalar 1 30 m 2 lik bir örnek oda için hava menfezi olmayan 15 cm kalınlığında ve 24 m 2 alanı bulunan Trombe-duvarı nın ısıl performansı Ardebil ve Lefkoşa şehirleri için incelenmiştir. (Kaynak: H. Assefi, U. Atikol, R. Nowzari, 2008) Ardebil ve Lefkoşa da Trombe-duvarı aylık parametrik enerji analizi Total heating load Heat supplied by Trombe wall Heating load (GJ) Single Glazing Double Glazing Triple Glazing Heating load Lefkosa Heating load Ardebil Total heating load Heat supplied by Trombe wall Heating load (GJ) November December January February March April Heating load (GJ) Thickness (cm) Ardebil ve Lefkoşa da aylara göre toplam ısıtma yükü (Trombe duvarı kalınlığı=15 cm, tek cam) Trombe-duvarı kalınlığının etkisi

12 Örnek Çalışmalar 1 30 m 2 lik bir örnek oda için hava menfezi olmayan 15 cm kalınlığında ve 24 m 2 alanı bulunan Trombe-duvarı nın ısıl performansı Ardebil ve Lefkoşa şehirleri için incelenmiştir. (Kaynak: H. Assefi, U. Atikol, R. Nowzari, 2008) Ardebil ve Lefkoşa da Trombe-duvarı enerji analizi Ardebil de Ocak ayında ısı ihtiyacının %40 ı Trombe-duvarı ile sağlanıyor Lefkoşa da Ocak ayında ısı ihtiyacının %90 ı karşılanıyor Fraction of heat supplied by Trombe wall Ardebil için ısı ihtiyacını karşılama faktörü (F-değeri) Ardebil Malzemeler F (%) Kil 25.8 Ateş Tuğlası 29.5 Dolu Tuğla 38.2 Kireç Taşı 38.6 Beton 40.4 Lefkosa November December January February March April Ardebil ve Lefkoşa da aylık ısı ihtiyacını karşılama Faktörleri

13 Örnek Çalışmalar 2 Kalogirou ve arkadaşları Lefkoşa hava koşullarında tek katlı, dört odalı bir binanın Trombe-duvarlı ısı performansını TRNSYS programı kullanarak simule ettiler. (Kaynak: Kalogirou, S. et al., 2002) Trombe Duvarı (7 x 3 m) Lefkoşa da Trombe duvarı uygulaması için kullanılan model bina 49 m 2 Trombe-duvarı ve odanın şematik kesiti.

14 Örnek Çalışmalar 2 Kalogirou ve arkadaşları Lefkoşa hava koşullarında tek katlı, dört odalı bir binanın Trombe-duvarlı ısı performansını TRNSYS programı kullanarak simule ettiler. (Kaynak: Kalogirou, S. et al., 2002) Lefkoşa şartlarında çeşitli Trombe-Duvarı Kalınlıklarının oda sıcaklığı üzerinde etkileri Ocak 13 ve 14 için yapılan simulasyonlarda elde edilen oda sıcaklıkları (Kaynak: Kalogirou, S. et al., 2002)

15 Örnek Çalışmalar 2 Kalogirou ve arkadaşları Lefkoşa hava koşullarında tek katlı, dört odalı bir binanın Trombe-duvarlı ısı performansını TRNSYS programı kullanarak simule ettiler. (Kaynak: Kalogirou, S. et al., 2002) Isı depolama duvarı kullanmanın sıtma ve soğutma yüklerine etkisi Yapı Isıtma Yükü (kwh) Soğutma Yükü (kwh) Standart yapı Isı depolama duvarı (Yazın gölgelendirme yok) Isı depolama duvarı (Yazın gölgelendirme var) 716 (-47%) 6767 (+41.9%) 716 (-47%) 4985 (+4.5%) Notlar: 1. Tüm durumlarda saçak uzunluğu 1 m olarak alınmıştır. 2. Standart yapı, 25 cm toplam kalınlığı olan tuğlalardan duvarları olan yapılardır. 3. Tüm durumlarda 15 cm kalınlığında yalıtılmış çatı kullanılmıştır. 4. Parantez içinde yazılan rakamlar standart yapıya göre ortaya çıkan farklılıkları ifade ederler.

16 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Model binanın tanımı Güneye bakan pencere Yükseklik: 1.3 m Genişlik: 4 6 m arası Üst katta üç adet 2.6 m 2 büyüklüğünde pencere Kuzeye bakan 2.6 m 2 büyüklüğünde pencere Zemin katta iki adet 3.9 m 2 büyüklüğünde doğuya ve batıya bakan pencere Yer döşeme alanı: 60 m 2 Isıl depolama (Trombe) duvarı genişliği 4 7 m arası

17 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) a) Trombe-duvarı kalınlığı: 0.17m 7.5 m b) 8m Đki çift menfez (Herbirinin alanı: 0.03 m 2 ) Cam kaplama (Cam ile duvar arası: 0.1 m) 8m S Plan görünüşler: a) Zemin kat b) Üst kat

18 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Zemin Kat Malzeme Özellikleri (Alan = 60 m 2 ) Uzunluk Genişlik Yükseklik = 8m 7.5m 3m Bina Elemanı Alan (m 2 ) Đnşaat Malzemesi (içten dışa) Kalınlık (cm) Kuzey Duvarı 24 Doğu ve Batı Duvarları (her biri) 22.5 Güney Duvarı 24 Zemin 60 Tavan 60 Sıva Tuğla Sıva Ekstrude polistren Sıva Tuğla Sıva Ekstrude polistren Diğer duvarlar gibi + Trombe duvarı. (Trombe duvarı ağır betonarmeden imal edilmiştir.) Döşeme Çakıl taşı Ses yutucu Beton Ekstrude polistren Beton Kumtaşı fayans Trombe duvarı kalınlık:

19 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Birinci Kat Malzeme Özellikleri (Alan = 60 m 2 ) Uzunluk Genişlik Yükseklik = 8m 7.5m 3m Bina Elemanı Alan (m 2 ) Đnşaat Malzemesi (Đçten dışa) Kalınlık (cm) Kuzey ve Güney duvarları (her biri) 24 Sıva Tuğla Sıva Ekstrude polistren Doğu ve Batı duvarları (her biri) 22.5 Sıva Tuğla Sıva Ekstrude polistren Yer döşeme 60 Çatı 60 Kumtaşı fayans Beton Sıva Beton Ekstrude polistren

20 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Isıl Depolama (Trombe) Duvarı Özellikleri Yükseklik 3 m Genişlik 4 7 m Kalınlık 0.17 m Trombe duvarının optimum kalınluğı 0.15 ile 0.25 m arasındadır. (Kaynak: Kalogirou, S. et al., 2002) Betonun iletkenliği Özgül ısı depolama kapasitesi (= duvar yoğunluğu, ρ özgül ısı, C) 1.28 W/m.K 2112 kj/m 3.K Duvarın güneş soğurma çarpanı 0.75 Trombe duvarının önündeki cam sayısı, kalınlığı Duvar ile cam arası boşluğu 1, with m thickness 0.1 m Kırılma indisi Hava menfezi alanı 0.03 m 2 Hava menfezleri arasndaki mesafe Giriş hava akımı 2.5 m 100 kg/hr.

21 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Güneş Işınım ve Sıcaklık Değişimleri Senaryosu Frame Feb T ambient Solar Intensity Air Temperature ( o C) Solar Intensity (W/m 2 ) Hours (January 13th & 14th) 0

22 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Saatlik Sıcaklık Değişimi (13, 14 Ocak) Frame Feb A F = 60 m 2, A TW = 15 m 2 T IS T OS T a T GF T glazing Trombe duvarı dış yüzey 35 sıcaklığı Temperature ( o C) Trombe duvarı iç yüzey sıcaklığı Oda scaklığı Cam sıcaklığı Hours (January 13th & 14th)

23 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Değişik alanlara sahip Trombe-duvarlarının oda sıcaklığı üzerindeki etkileri Frame Feb 2009 Indoor temperature on the Ground floor ( o C) A F = 60 m 2, A S = 24 m 2 A TW = 21 m 2 A TW = 18 m 2 A TW = 15 m 2 A TW = 12 m 2 T a Hours (January 13th & 14th)

24 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Zeminde15 m 2 lik Trombe-duvarı, Üst katta 6.5 m 2 lik güney pencere Frame Feb A F = 60 m 2, A TW = 15 m 2, A SW = 24 m 2 T GF T FF T a Temperature ( o C) Zemin oda scaklığı Üst kat oda scaklığı Hours ( January 13th & 14th)

25 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Zeminde ve Üst katta ısı yalıtımının sıcaklığa etkisi Frame Feb A F = 60 m 2, A TW = 15 m 2 T GF,without Insulation T FF, without Insulation T GF,with Insulation T FF,with Insulation T a Temperature ( o C) Alt kat yalıtımsız Üst kat yalıtımsız Hours (January 13th & 14th)

26 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Ocak, Şubat ve Mart aylarında saatlik oda sıcaklıkları A 30 F = 60 m 2, A TW = 15 m 2 T GF T FF T a 25 Temperature ( o C) Hours (January, February & March)

27 Örnek Çalışmalar 3 Đki katlı, güney cephesinde üst katta doğrudan güneş enerjili ısıtma, alt katta Trombe duvarı kullanılmaktadır. Alt kat üst kattan fiziksel perdeleme ile ayrılmaktadır. (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Zemin katın ısı ihtiyacı ile Trombe-duvarının sağladığı ısı Frame Feb Rate of energy supplied by Trombe wall (A= 15 m 2 ) Rate of heat demand Energy Rate (kj/hr) Hours of a Year (January to December)

29 Ekonomik Fizibilite Aşağıda son yaptığımız örnek çalışmanın (Örnek Çalışma 3 ün) ekonomik fizibilite analizi yapılmıştır (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) 15 m 2 Alana sahip, 17 cm kalınlığında Trombe-duvarı ve 1-kW portatif gaz sobasının maliyeti Portatif gaz sobası ve Trombe-duvarının yıllık bakım masrafı Yaşam döngüsü maliyet analizi (Ekonomik fizibilite) Yıl Trombeduvarı Gazsobası 0 2,950 TL 2,300 TL 1 15 TL 100 TL 2 15 TL 100 TL 3 15 TL 100 TL 4 15 TL 100 TL 5 15 TL 100 TL 6 15 TL 100 TL 7 15 TL 100 TL 8 15 TL 100 TL 9 15 TL 100 TL TL 100 TL TL 100 TL TL 100 TL TL 100 TL TL 100 TL TL 100 TL 3-kW gaz sobasının, normal dış duvarın ve çift camlı pencerenin maliyeti 3-kW lık bacalı gaz sobasının yıllık bakım masrafları

30 Ekonomik Fizibilite Aşağıda son yaptığımız örnek çalışmanın (Örnek Çalışma 3 ün) ekonomik fizibilite analizi yapılmıştır (Kaynak: R. Nowzari, U. Atikol, 2009) Trombe-duvarı uygulaması ile gazlı bacalı soba kıyaslandı. Trombe-duvarı uygulamasıyla, gazlı sobaya göre, yılda 103 TL tasarruf yapılıyor. (Faiz oranı = %18 kabul edildi) Yaşam döngüsü göstergeleri: NPV (Bugünkü net değer) = 300 TL SIR (Tasarrufların yatrıma oranı) = 2.3 IRR (marjinal dönüş oranı) = %28

31 Sonuç Trombe-duvarı uygulamalarının Kıbrıs hava koşullarında gerek teknik, gerekse ekonomik olurluluğu mevcuttur. Trombe-duvarının güneş enerjisini depolayıp geceleyin ışınım yoluyla verme özelliği bina konforunu olumlu etkilemektedir. Yazın Trombe-duvarı gölgelendirilerek devre dışı bırakılmalı ve havalandırma menfezleri kullanılarak havalandırma yapılmalıdır.

32 Teşekkürler SORULAR-CEVAPLAR