II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ

Transkript

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

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

3 TMMOB Makina Mühendisleri Odası "II. ÇEVRE VE ENERJİ KONGRESİ" Kasım 2001 CAM KAPLAMALARI İLE ISITMA VE SOĞUTMA ENERJİSİ KAZANÇLARI Yücel AKYÜREK 1, Gül PEKIŞIK 2 Şişecam Camtaş Düzcam Pazarlama AŞ İş Kuleleri Kule Levent/İstanbul TÜRKİYE Tel: E-Posta:yakyurek@sisecam.com.tr Tel: E-Posta:gpekisik@sisecam.com.tr Yük. Mim. Yücel AKYÜREK; ODTÜ Mimarlık Fakültesi 1997 mezunu. Yine aynı üniversitede 1999 Lisansüstü eğitimini tamamladı. Yurt içinde ve yurt dışında mimari tasarım ve şantiye çalışmaları; 1987'den günümüze de sırasıyla Şişecam Camtaş'ta Projeli Satışlar Müdürlüğü ve Teknik Hizmetler Müdürlüğü görevlerini yürütmüştür. Halen Şişecam Camtaş'ta Teknik Danışman olarak çalışmaktadır. Mimar GUI PEKIŞIK; İTÜ Mimarlık Fakültesi 1988 mezunu. Bir mimarlık bürosunda ve mimari camlar konusunda faaliyet gösteren cam firmasında pazarlama bölümünde görev almıştır ve halen Şişecam Camtaş'ta Teknik Danışman Mühendis olarak çalışmaktadır. ÖZET: Cam iç ve dış ortam arasında ilişkileri düzenleyen bir elemandır. Saydamlık özelliği ile dış ve iç mekanları görsel olarak birleştirdiği için yapı kabuğunu oluşturan diğer malzemelerden farklıdır. Camın mimarideki olanakları sadece saydamlıkla da sınırlı değildir. Çok ince kesitli ve hafif olduğu için pahalı inşaat alanında gereksiz yer kaplamamakta; taşıyıcı sistemi de ağırlığı ile zorlamamaktadır. 20. yüzyıldaki cam üretimi ve işlemedeki gelişmeler saydamlık ve diğer özelliklerin sağladığı avantajlara sığınmadan cama herhangi bir malzemeyle boy ölçüşecek beceriler kazandırmıştır. Bunların başında önce reflektif güneş kontrol; ardından da düşük yayınımlı (Low-E) ısı kontrol kaplamaların cama kazandırdığı yetenekler gelmektedir. Bazen iki kaplama ile ; bazen de iki işlevi bir arada barındıran tek kaplama ile camlan buluşturduğumuzda Türkiye'nin de içinde bulunduğu ılıman iklim kuşağında hem kış hem de yaz koşullarına cevap veren çözümler elde edilebilmektedir. Kaplamanın davranışını analiz edebilmek için özellikle elektromanyetik ışınım yolu ile enerji transferi olgusunun incelenmesine ihtiyaç vardır. Atmosferdeki karbondioksit konsantrasyonunun artması ile iklimsel dengesizlik ve felaketlere doğru giden Dünyamızın üzerindeki hayatı korumak ve kollamak adına yapılabilecekler arasında yalıtım da çok önemli bir yer tutmaktadır. Tasarruf edilen enerji en çevre dostu enerjidir. 1. İÇ VE DIŞ ARASINDAKİ İLİŞKİLER SİSTEMATİĞİ: Camla iç ve dış mekanları birbiri ile ilişkilendirirken ışık, görüntü, renk, iklim, UV kontrolü, gürültü ve güvenlik gibi ölçütlerden yola çıktığımızda hammadde olarak renksiz veya renkli cam, kaplamalı cam veya buzlu cam ile bu camlar üzerinde yapılacak ikincil işlemlerden yararlanılmaktadır. Temperleme, laminasyon, yalıtım camı (çift cam) üretimi, araboşluk gaz dolgular, kenar veya yüzey işleme gibi ikincil işlemler 20. yüzyılın özellikle ikinci yarısında kaplamalarla birlikte büyük bir yol katetmiş ve camı diğer yapı malzemeleri karşısında avantajlı hale getirmiştir. Î25

4 2. CAM KAPLAMALAR: Cam kaplamalar Üretim açısından Hat üstü / pirolitik/ sıcak kaplamalar Hat dışı/ magnetron vakum saçınımi İşlev açısından Güneş kontrol kaplamaları Isı kontrol kaplamaları j Çok amaçlı güneş+ısı kontrol kaplamaları t * Diğer amaçlar Optik açıdan Reflektif (yansıtıcı) kaplamalar Nötral (düşük yansıtmalı) kaplamalar Antireflektif (yansıtmasız) kaplamalar olarak sınıflandırılabilmektedir. 3. İKLİM KONTROLÜ: İklim kontrolü hem güneş kontrolü, hem ısı kontrolü hem de çok amaçlı çözümleri içinde barındıran bir ana ; başlıktır. "Dışarısı" ile "içerisi" arasındaki ısı alışverişinin düzenlenerek içerdeki insanlar için en uygun * yaşam koşullarının sağlanmasına katkıda bulunmak camla amaçlanan iklim kontrolüdür. İklim kontrol camlarının iki görevi vardır. Bunlardan birincisi güneş kontrolü sağlamak ve böylece Soğutma giderlerinin azaltılması; Pencere önlerindeki bunaltıcı sıcaklığın azaltılması ve bazende Güneşin aşırı parlaklığının azaltılmasıdır. Bunlardan ikincisi ise ısı kontrolü sağlayarak: Isıtma giderlerinin azaltılması; Pencere önlerindeki soğuk bölge olgusunun giderilmesi ve Camlamanın odaya bakan iç yüzündeki terlemenin denetlenmesidir. İklim kontrol camları soğutma ve ısınma açılarından pasif önlemlerdir; soğutma ve ısıtma tesisatına sadece ; yardımcı olurlar. Camlama kendi başına binaları ısıtıp soğutamaz. Buna rağmen binalarda soğutma ve hatta ısıtma yapılmasa bile iklim kontrol camlan gece ile gündüz arasındaki sıcaklık farklarını en aza indirerek rahat ortamlar yaratırlar. 3.1 Güneş Kontrolü: Sıcak bölgeler ve/veya yaz koşullarında belirleyici olan "güneş enerjisi toplam geçirgenlik" yüzdesidir. Yüksek geçirgenlik kötü güneş kontrolü; düşük geçirgenlik ise iyi güneş kontrolü demektir. Güneş enerjisinin (ısısının) yaklaşık yarısı görünür; diğer yarısı ise görünmez dalga uzunluklarında Dünya'mıza ulaşmaktadır. Güneş kontrolü ile içeri giren güneş ısısı azaltılırken içeri giren gün ışığının da aynı anda azalması bu sebeptendir. Ancak bazı kaplamalar " seçici" davranabilmekte; ışığı geçirirken görünmeyen ısı enerjisi geçişini azaltabilmektedir. j t Güneşin görünür ve görünmez enerjisini bir arada engelleyen standart reflektif (ışık yansıtmalı) camlar giydirme cephelerde işimize yararken vitrin, gece manzaralı restoran ve doğa otelleri gibi yerlerle konutlarda yüksek ışık geçirgenlikli ve ayrıca ayna gibi parlamayan düşük yansıtmalı güneş kontrol camlarına ihtiyaç vardır. 226

5 nm dalga boyu aralığında cam yiizayine etkiyen toplam enerji % 100 p e Dışa yansıtma Oe Soğurma q 0 Soğurulan enerjinin dışa soğuyan bölümü qı Soğurulan enerjinin içe soğuyan bölümü T e Direkt geçirgenlik (doğrudan içeri giren bölümü) g Toplam geçirgenlik (T e +q i ) Kakıl 1 CZiintfv JçtKl Katıntım \)t> T\0nptimî Radyasyon Şiddeti W/m 2 nm UV visible near infra-red Radyasyon dalga boyu uzunlukları Şekil 2. Güneş Enerjisinin Spektral Analizi Parry Moon Eğrisi. Deniz seviyesinde ufuk çizgisinden 30 açıyla bulutsuz bir havada dünyaya ulaşan güneş enerjisinin her dalga boyundaki şiddetini ifade etmektedir. Mor ötesi, kısa dalga görünmeyen enerji (ultraviole) Işık, orta dalga görünür enerji Yakın kızılötesi uzun dalga görünmeyen enerji (enfraruj) Toplam güneş ısısının % l'i Toplam güneş ısısının % 53'ü Toplam güneş ısısının % 46'sı 3.2 Isı Kontrolü ve Isı Yalıtımı: Soğuk bölge ve /veya kış koşullarında "U" ısı iletim katsayısı önemlidir. U katsayısının birimi W/m 2 K (Watt/m 2 Kelvin)'dir. U katsayısı kışın "sıcak içerden" "soğuk dışarıya" sabit koşullardaki ısı akımını ifade eder. Yüksek U katsayısı kötü ısı kontrolü; düşük U katsayısı ise iyi ısı kontrolü demektir. Örneğin low-e ısı kontrol kaplamalı ve 12 mm araboşluklu bir çiftcam ünitesinin U=l,8 W/m 2 K değeri her iki taraf arasında 1 C ısı farkı olan 1 m 2 camlamadan 1 saniyede 1,8 jül enerji geçişini ifade etmektedir Isı Bir Yerden Başka Bir Yere Nasıl Taşınıyor? Isı (enerji) alışverişi 3 şekilde gerçekleşir. 1. İletim yani dokunma ile. Sıcak tencere kapağı ve avucumuzda tuttuğumuz buz parçası buna örnektir. 2. Taşınım yani ısınan hava ve suyun yer değiştirmesi ile. Sıcak lodos rüzgarı ve Gulf Stream akıntısı buna örnektir. 3. Işınım yani radyasyon ile. Güneş ısısı ve enfraruj ısıtıcılar buna örnektir. 227

6 Işınım yolu ile ısı veren güneşten başka kaynaklar olduğunu da biliyoruz. Isınan bütün nesneler ışınım yoluyla dışa ısı verirler. Radyatör, insan vücudu, güneşten ısınan halı ve duvarlar dışa güneş ışınımından daha uzun dalga boyunda (uzak kızıl ötesi)görünmeyen radyasyon (ısı) enerjisi yayımlarlar Yalıtımda Birinci Kuşak Temel Çözüm: 1973'ten beri Türkiye pazarında da bulunan yalıtım camı üniteleri ısı yalıtımının temel taşıdır. Cam plakalar arasında barındırılan 6, 9, 12 veya 16 mm genişlikteki durgun ve kuru hava aynen palto ve kazakların yünleri arasındaki hava kabarcıkları gibi soğuktan korur. Burada ısı geçişi iletim yolu ile engellenmektedir. Araboşluk genişliği mm'yi geçtikten sonra hava hareketleri (taşınım) başladığı için camın yalıtım değeri azalmaktadır. İletim, taşınım ve ışınım yolu ile gerçekleşen ısı transferi İkincil birleştirici Polisulfid veya silikon Birincil birleştirici Buhar kesici poliizobutilen Cam kalınlıklarının ısı yalıtımına katkısı ihmal edilebilecek kadar azdır. Araboşluk kuru hava "veya gaz dolgulu Araboşluk çıtası içinde nem tutucu Standart yalıtım camı araboşluk genişliklerine bağlı ısı iletim (U) katsayıları 6 mm hava dolgulu U= 3,3 W/m 2 K 9 mm hava dolgulu U= 3,1 W/m 2 K 12 mm hava dolgulu U= 2,8 W/m 2 K Şekil 3. Tipik bir yalıtım camı kesiti Isı kaçışlarını tekcama göre yarı yarıya azaltan 1970'lerin çift camları 1990'larda yetersiz kalmıştır. Cam endüstrisinde geliştirilen Low-E kaplamalarla ısı kaçışları tek cama göre üçte bir oranına indirilmiştir Yalıtımda İkinci Kuşak Çözümler: Oda sıcaklığı pencerelerden % 70 oranında ışınımla; % 30'u ise iletimle dışarı kaçmaktadır. Low-E kaplamalar ısı kaçışının % 70'lik bölümünü denetleyebildiği için ısı kontrolünde etkili olabilmekte; kaplamasız yalıtım camına kıyasla yalıtım değerini % 36 oranında iyileştirebilmektedir. Low-E (düşük yayınımlı) ısı kontrol kaplamaları kısa dalga güneş enerjisinin büyük bir bölümünü içeri geçirir. Güneş ışınlarını soğurarak ısınan halı, mobilya, duvar ve çatı yüzeyleri ile radyatör aydınlatma armatürleri, insan vücudu gibi kaynaklardan yayımlanan uzun dalga ışınım (radyasyon enerjisi) pencerelerden dışa kaçarken Low-E kaplamalar tarafından tutularak kaynağına geri yansıtılır. Kışları soğuk geçen bölgelerde "pasif güneş kazançlarından maksimum yararlar sağlamak için 3. yüzeyde ; ılıman iklim bölgelerinde kış ve yaz şartlarını dengeleyerek optimum fayda sağlamak için 2 yüzeyde kullanılır. Şekil 4. Low-E kaplamalar yalıtımda nasıl yararlı olabiliyor? 228

7 Low-E ısı kontrol kaplamalarının önemli ikinci özelliği ise aynen güneş kollektörlerinde olduğu gibi güneşin bedava sıcaklığından yararlanarak ısınmaktır. Bu nedenle bu tür kaplamaların kullanımı Erzurum, Ankara, İstanbul, Trabzon, Kayseri vb. illerimizde tek başına; İzmir, Antalya ve Mersin gibi illerimizde ise yaz koşullarını dengelemek için güneş kontrol kaplamaları veya önlemleriyle birarada önerilmektedir. Low-E ısı kontrol kaplamalı yalıtım camı ünitesinin üstünlükleri şunlardır: Camlardaki ısı kaybını tek cama göre ortalama % 69; standart yalıtım camına göre % 36 oranında azaltır. (U= 1,8 W/m 2 K) Oda ısısının ve içeri giren güneş enerjisinin kaçışını önleyerek ısıtma giderlerinden tasarruf sağlar. o 1 m 2 yalınkat cam yerine 1 m 2 standart yalıtım camı kullanıldığında İstanbul'da Lt/yıl; Ankara'da Lt/yıl Erzurum'da Lt/yıl o İm 2 2 yalınkat cam yerine 1 m 2 Low-E kombinasyonlu yalıtım camı kullanıldığında İstanbul'da Lt/yıl; Ankara'da Lt/yıl Erzurum'da Lt/yıl kalorifer yakıtı tasarrufu sağlanabilmektedir. Pencere önlerindeki "soğuk bölge" olgusunu önleyerek oda ısısının daha dengeli dağılımını sağlar. Kışın çok soğuk günlerinde oda içine bakan cam yüzeylerindeki terlemeleri önler. i atsayılan II V ü kliği n O eg z e p 1 '" *,r- : - _:. - \-;~' - -i ; \ 10 t, o * ; '"* : " t r ', X.. f >.il.."\ : -i ;',,,. v.., 100% '.'vi'h?:''; 80 -: :"f:: ' M \.. V 1 ' 60 «., i j(j 40, 20 1, 0 \._v ' \ \ 20 -< - M ' \ -...V, -..» <, +5. :. _...s E 13 z! ffl o 0Başlangıç ıcaklığı E «û 2 î w Buğı Dış w I * ^ i..., < Şekil. 5. Camlamanın oda yüzeyindeki buğulanma olasılığının araştırılması (Bu diagram DİN 4701'den alınmıştır.) Yukarıdaki tabloya göre örneğin oda içi bağıl nem %50; iç hava sıcaklığı 20 C olduğunda yaltım camı ünitesinin oda tarafına bakan dış yüzeyide buğulanma aşağıdaki dış sıcaklıklarda oluşmaktadır. - Tekcam (U=5,8 W/m 2 K) - Yalıtım camı (U=2,8 W/tn 2 K) - Low-E ısı kontrol kaplamalı yalıtım camı (U=l,8 W/m 2 K) - Low-E ısı kontrol kaplamalı yalıtım camı (argon dolgu U=l,4 W/m 2 K) +5 C; -30 C; -45 C derecelerde başlamaktadır. 229

8 3.3 Çok İklimli Türkiye için Çok Amaçlı Çözümler: Türkiye 4 mevsimi birarada yaşayan bir iklime sahiptir. Birçok bölgemizde hem kış hem de yaz koşullan geçerlidir. Pencere camlarını mevsimlere göre takıp çıkararak değiştiremeyeceğimize göre cam seçiminde 12 ay, 4 mevsimlik bütün bir yılın ortalama kazançları dikkate alınmalıdır Çift Kaplamalı Çok Amaçlı Çözümler: Çok amaçlı çözümlere ulaşmanın yollarından biri daha çok giydirme cephelerde kullanılan çift kaplamalı yalıtım camı üniteleridir. Güneş kontrol kaplaması ünitenin 2. yüzeyine; low-e ısı kontrol kaplamasını da 3. yüzeye yerleştirdiğimizde kaplamaların aritmetik toplamından daha büyük yararlar elde edilebilmektedir. 2. yüzey güne kontrol kaplaması 3. yüzey ısı kontrol 2. yüzeydeki güneş kontrol kaplaması yaz yararları sağlarken; 3. yüzeydeki Low-E kaplama ısı yalıtımı ve kış yararları sağlar 2. yüzey güneş kontrol kaplamasıyla bir arada kullanılan 3. yüzey low-e kaplamalar yaz koşullarında güneş kontrol kaplamasının etkinliğine artı değer katmaktadır. Kısa dalga güneş radyasyon ısısının soğurulan bölümü dış camı ısıtır. Isınan dış cam radyatör veya soba yüzeyi gibi davranarak uzun dalga radyasyon enerjisi yayımlar. Isınan dış camdan kaynaklanan uzun dalga radyasyon ısısı kısa dalga güneş enerjisinin büyük bir bölümünü içeri geçiren Low-E kaplama tarafından kaynağına geri yansıtılır. Güneş ışınlarını soğurarak ısınan halı, mobilya, duvar ve çatı yüzeyleri ile radyatör aydınlatma armatürleri, insan vücudu gibi kaynaklardan yayımlanan uzun dalga ışınım (radyasyon enerjisi) pencerelerden dışa kaçarken Low-E kaplamalar tarafından tutularak kaynağına geri yansıtılır. Şekil 6 Çift Kaplamalı Çok Amaçlı Çözüm Tek Kaplamalı Çok Amaçlı Çözümler: Çok amaçlı çözümlerden diğeri yalıtım camı bünyesinde hem güneş hem de ısı kontrolü sağlayan tek kaplamalı çözümdür. Burada güneş kontrol özellikleri de kazandırılmış ve standart Low-E ısı kontrol kaplamalarından farklı olarak, güneşin yakın kızıl ötesi görünmez ışınım enerjisinin geçişini engelleyen özel Low-E kaplamalar kullanılmaktadır. Tek kaplamalı çok amaçlı çözümlerin üstünlükleri aşağıdadır. Işık girişini azaltmadan sağlanabilen güneş konrolü; Kaplamasız float cam düzeylerinde düşük ışık yansıtma % 13; Dıştan bakan gözlemci için gökyüzü maviliğinde parıltılar ve doğla cama en yakın görünüş; İçten bakan gözlemci için aydınlık ve rahatlatıcı görüntü; Üstün bir ısı yalıtım yeteneği U=l,7 W/m 2 K Odaya bakan cam yüzeyler üzerindeki terlemenin azaltılması; Odanın bütününe yayılmış rahatlık düzeyi Gümüş ve koruyucu alaşımların 1 mm'in yaklaşık onbinde biri kalınlıkta vakum ortamında cam üzerine biriktirilmesi ile elde edilen yüksek performanslı low-e kaplamalar yurdumuzda 1995 yılından itibaren üretilebilmektedir. 230

9 4. İKLİM KONTROLÜNDE KAPLAMANIN ROLÜ: Çeşitli kaplamaların iklim kontolündeki rolü aşağıdaki grafiklerle açıklanmaktadır. Standart reflektif güneş kontrol kaplamaları: Fazlaca ayırdetmeden güneşin görün Ur ve görünmez ışınım enerjisinin içe girişini engeller. Ancak bina içi uzun dalga ışınım enerjisinin dışa çıkışında tarafsız kalır. Low-E ısı kontrol kaplamaları: Güneşin görünür ve görünmez ışınım enerjisini içe geçirerek güneşin bedava ısısından yararlanırken Güneş ışınlarıyla ısınan yapı elemanları ile soba, ve radyatör gibi ısı üreteçlerinin yaydığı uzun dalga ışınım enerjisinin kaçışını engeller. t 111 İlli Çift kaplamalı çok amaçlı çözümler: 2. yüzey güneş kontrol kaplaması görünür ve görünmez güneş enerjisinin içe girişini ayırdetmeden engeller. 3. yüzeydeki Low-E ısı kontrol kaplaması bina içi uzun dalga enerjisinin çıkışını engeller. i illi Low E çok amaçlı iklim kontrol kaplamaları: Güneşin görünür enerjisini içe geçirirken görünmez enerji girişini engeller. Çok amaçlı kaplamalar Low-E ısı kontrol kaplamalarında olduğu gibi bina içi uzun dalga ısı kaçışını engeller. HU.J** 1^Güneşin görünür kısa dalga enerjisi Güneşin görünmez uzun dalga enerjisi Grafik. 1 iklim kontrolünde kaplamaların rolü 5. TASARIM ÖLÇÜTLERİ: Tasarımcının amacına en uygun camı seçebilmesi için standartlaştırılmış ölçüm sonuçlarına ihtiyaç vardır Bu ölçümler birarada performans tablolarında aşağıdaki ayrıntıda yer almaktadır. Gün ışığı o Dışa yansıtma o Işık geçirgenlik o İçe yansıtma Ölçüm: Etkiyen toplam ışığın %'si Işık kaynağı standart D 65 lambası Güneş ISJSI o Dışa yansıtma o Soğurma o Direkt geçirgenlik o Toplam geçirgenlik o Gölgeleme katsayısı Ölçüm: Etkiyen toplam güneş ısısının %'si Ölçümleme koşulları iç ve dış sıcaklıklar eşit Güneş ışıma şiddeti 750 W/m 2 h e =23 W/m 2 C; h F 8 W/m 2 C 23;

10 Isı geçirgenlik U değeri Ölçü birimi:w/m 2 K Bağıl ısı kazancı Ölçüm:Yaz U değeri x 7.8 C+(gölgeleme katsayısı x 630 W/m 2 6. ENERJİ TASARRUFU VE YAŞAMIN KORUNMASI: Geçen yüzyılda Dünyamızın ortalama ısısı 1 C yükselmiştir. Gelecek yüzyılın sonunda petrol, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar tükenmiş olacak; karbondioksit ve diğer sera gazlarının etkisiyle de sıcaklık 6 C yükselecektir. Bir sonraki yüzyılda olabilecekleri düşünmek korkutucudur. Bütün enerji türlerinin tüketiminden sağlanacak tasarruflar daha az "yakma" ve daha az CO 2 salınımı demektir. Bir çok ülke etkili ısı yalıtımı ve güneş kontrolü uygulamalarıyla enerji tasarrufunu amaçlayan yasal yaptırımlara yönelmiştir. Almanya 1995'te yürürlüğe koyduğu ve 2000'de de revize ettiği Enerji Tasarruf Kanunu ile bu konuda liderlik yapmaktadır. Yeni Alman yasası küçük konutlar haricindeki yeni yapılara kwh/m 2 inşaat alanı verilerine uygun ısıtma enerjisi "kota'marı getirmekte ve camlardaki güneş ısısı kazançlarını % 50 maksimum düzeyde sınırlamaktadır. Türkiye ise TS 825 ve Isı Yalıtım Yönetmeliği ile ısıtma enerjisini kwh/m 2 'ye indirmeyi amaçlamaktadır. E _re o- kwh USD 60 3,90 USD Lt 3,90 13,31 Ol Çok amaçlı Kaplamalarla sağlanan soğutma enerjisi kazançları Çok Amaçlı Kaplamalarla sağlanan ısıtma enerjisi kazançları Soğutma Kazançları: İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi "UYGAR" Araştırma Merkezi Prof. Dr. Ahmet Arısoy ve Araştırma Görevlisi Nedim Türkmen "Kaplamalı Camlarla sağlanacak soğutma ve Isıtma Enerjisi Kazançlarını Hesaplama Projesi" esas alınarak belirlenmiştir. Isıtma Kazançları:yakıt kazancı/m 2 cam/yıl: AkW/m 2 KxDG sayısı (Prof. Dr. A K. Dağsöz)x86400sn/günx0,000239j/kcalxl,19 Lt/kg 9700 kcal/kg (fuel oil ısıl değeri)xo,8o (kazan verimi) Grafik 2 Hem güneş hem de ısı kontrolü sağlayan çok amaçlı tek bir kaplamayla elde edilecek kazançlar 232

11 Türkiye'de tek kaplama ile 1 yılda sadece 1 m 2 'den sağlanan ortalama kazanç 70 kwh+50 kg CO 2 salınımı düzeylerindedir. 7. YENİ ISI YALITIM YÖNETMELİĞİNE GÖRE HANGİ CAMI KULLANMALIYIZ? Yönetmeliğe uygun cam seçimi yapabilmek için mevcut bilgiler kullanılarak kullanışlı bir tablo oluşturulmaya çalışılmıştır. Cam ile ilgili yayınım (emissivity) ve U değerlerinin saptanmasında her hangi bir eksiklik bulunmamakla birlikte çok çeşitli doğramalar için aynısını söylemek mümkün değildir. Doğramalar için yapılan kabuller yaklaşık değerlere dayandırılmaktadır. V > '-. -il Şekil 7 Derece Gün Bölgelerine Göre İllerimiz SK S : Isı Bölgesi ve Doğrama Tipine Bağlı Olarak Pratik Cam Sevim Tablosu. U, fpcncer»)= W/m'K % UWAT û> DOĞRAMASIZ AHŞAP DOĞRAMA (Meşe, dişbudak/sert ağaçlar] AHŞAP DOĞRAMA (iğne yapraklı yumuşak ağaçlar! PLASTİK DOĞRAMA (2 gttelü ve destek saçlı) PLASTİK DOĞRAMA (Z gözio ve destek saçsız) PLASTİK DOĞRAMA (3 gszlû ve destek saçlı) PLASTİK DOĞRAMA (2 gözlü ve destek saçsız) ALÜMİNYUM DOĞRAMA ALÜMİNYUM DOĞRAMA (Yalıtım köprülü) TEK CAMLI PENCERE 5,7 5, ,2 S.O ' 5.0 j 4,9 5,9 5.2 e 5, , ,1 4,0 3,4 ÇİFT CAMLI PENCeRE (Kaplamışız) ARABOŞLUK (mm) 9 3, ,9 3,1 2,9 2,9 2,9 3,8 3,2 12 3,0 2,8 3,0 2,8 2,8 2,8 3,7 3,0 HAN6İ CAMI KULLANMALIYI; ZJ 2,8 2,6 2,9 2,7 2,7 2,6 3,6 2,9 ÇtFT CAMLI LOvV-6 KAPLAMALI CPMCSüe fi 2,6 2,8 2,6 2,8 2,7 2,7 2, ,9 ARABOŞtMK (mm} 9 2,1 2, ,4 2,2 2,2 2,2 3,1 2,4 12 1b 1,8 16 2,1 1,9 2,2 2,0 2,0 2Ü ,9 1,9 i : 2,7 2,3 i 2.1 1,9 RENK ANAHTARI U,(panoor») -2.8 VV/ffrtCâon htiyok Hiç br bofgö için uygun değii. Isı B^Hg&sı iç.=n i üîün iti soigçieri içi" uygun Tablo 1 Isı bölgesi ve doğrama tipine bağlı olarak cam seçim tablosu 233

12 Kullanım Kılavuzu: 1. Binanın hangi ısı bölgesinde yer aldığını şekil 7'deki haritadan; bölge için önerilen en yüksek Up(pencere) değerini de renk anahtarından bulunuz. Merkezi klima tesisatı bulunan 1. bölge binaları da ikinci bölgede sayılacaktır. 2.Çerçeve cinsini gösteren satır üzerine, bulduğunuz Up değerini yerleştirdiğinizde kolon başlığı hangi camı kullanmanız gerektiğini size gösterecektir. 3. Bu cam türünü müşterinize öneriniz. *Tek kaplamalı çok amaçlı çözümleri (kaplama yüzey 2) bütün Türkiye'de; *Low-E ısı kontrol kaplamalı çözümleri (kaplama yüzey 2) Akdeniz ve Ege kıyıları gibi sıcak bölgeler haricindeki nispeten serin yerlerde; * Low-E Isı kontrol kaplamalarının ise reflektif kaplamalarla aynı ünitede ve 3. yüzeyde, Türkiye'nin her yerinde önerilebileceğini unutmayınız. Açıklamalar: o Bu tablo Mayıs 2000 revizyonlu TS 2164 çizelge 6-A ve 6-B esas alınarak hazırlanmıştır. Çeşitli doğramaların ısı iletim katsayılarının U f (çerçeve) uluslararası bağımsız laboratuvar belgeleri henüz elimizde olmadığı için bu değerler yaklaşık; bu tablo da geçicidir. o Daha kesin değerlere ulaşılmak istenirse örneğin kaplamalı yalıtım camları için TS 2164 çizelge 6-A tek kaplamalı çift cam normal yayınım (emissivite),y< 0,1 satırlarından seçilecek doğramasız cam ısı iletim U g (cam) değerleriyle Dünya ölçeğinde ve akredite bağımsız laboratuvarlardan belgelenmiş U f (çerçeve) değerleri TS 2164 çizelge 6-B'de eşleştirilerek U p (pencere) değerleri saptanabilir. o Low-E ısı kontrol kaplamalı yalıtım camı için normal yayınım (emissivite) =0,09-0,10 değeri Alman MPA Devlet, Alman Rosenheim Enstitüsü ve Rusya Ghost Laboratuvarları tarafından belgelenmiştir. Isı+güneş kontrol (çok amaçlı) kaplamalı yalıtım camı'nın yayınım değeri Low-E ısı kontrol kaplamalı yalıtım camından daha da iyidir

13 TMMOB Makina Mühendisleri Odası "II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ" Kasım 2001 ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ AMAÇLI ISIL GÜÇ TESİSLERİNİN EKSERJİ ANALİZİ VE ÖNEMİ Ahmet Durmayaz İstanbul Teknik Üniversitesi, Nükleer Enerji Enstitüsü, Maslak, 80626, İstanbul Tel: (212) , E-posta: hu. edu. tr Doç Dr. Ahmet DURMAYAZ; 1981 yılında ADMMA'dan mezun olan Ahmet DURMAYAZ 1999 yılında YÖK Nükleer Teknoloji Bilim Dalında Doçent unvanını almıştır. Hakemli birçok ulusal ve yabancı dergide makaleleri yayınlanmış olup, birçok ulusal kongre ve sempozyumda basılmış, sunulmuş bildirileri vardır yılından beri İTÜ Nükleer Enerji Enstitüsünde görev yapmaktadır. ÖZET: Elektrik enerjisi üretimi amacıyla kurulmuş fosil ya da nükleer yakıtlı ısıl (termik) güç tesislerinin (santralların) tümünün tasarımı Termodinamiğin Birinci Yasası'ndan yararlanılarak gerçekleştirilmiştir. Birincil enerji kaynaklarından daha az çevresel etkilerle daha etkin bir biçimde yararlanılabilmesi, verimi daha yüksek güç tesisleriyle olanaklı hale gelir. Bu nedenle, günümüzde enerjinin niteliğini de dikkate alan Termodinamiğin İkinci Yasası'na dayanan çevrim analizlerine artan bir şekilde ilgi gösterilmektedir. Bu çalışmada, gerek ekserji kavramının gerekse ekserji analizlerinde kullanılan temel yasaların ayrıntılı bir biçimde irdelenmesi amaçlanmaktadır. Asıl amaç ise, ekserji analizlerinin önemini ortaya koyarak ısıl güç tesislerinin tasarımlarında enerji analizleriyle birlikte ekserji analizlerinin de uygulanması gerektiğini vurgulamaktır. Konunun daha iyi anlaşılması amacıyla, Rankine çevrimine sahip bir ısıl güç tesisi için bir enerji - ekserji analizi uygulaması gerçekleştirilmiş ve sonuçları tartışılmıştır. Anahtar sözcükler: Ekserji analizi, ısıl güç tesisleri. 1. GİRİŞ Halen çalışmakta olan fosil veya nükleer yakıtları kullanan ısıl güç tesislerinin tümünün tasarımı Termodinamiğin Birinci Yasası'ndan yani bir hal değişimi sırasında enerjinin korunumu ilkesinden yararlanılarak gerçekleştirilmiş olup, bu tesislerde ekserji kaybının değerlendirilmesine yönelik olarak gerçekleştirilen analizler son derece azdır. Çeşitli ünitelerindeki (alt sistemlerindeki) tersinmezlikleri azaltmak, ısıl güç tesisleriyle elektrik üretiminde sistemin verimini arttırmaya olanak sağlar. Isıl güç tesislerindeki çevrimlerin düzenlenmesi, her bir tesisin kuruluş amacına ve kendisine özgü koşullara bağlı olarak farklılıklar taşımaktadır. Bu tesislerdeki farklı tasarımların sonucu olarak, her bir tesis için enerjinin niteliğini de dikkate alan Termodinamiğin İkinci Yasası'na dayalı olarak yapılan ekserji analizi bir diğerinden farklı sonuçlar vermektedir. Ekserji analizlerinde amaç, genel anlamda, güç tesisinde ve tesisi oluşturan ünitelerdeki tersinmezliklerin kaynaklarını belirlemek ve işin yararlanılabilir bölümünün hangi ünitelerde ne miktarda kaybedildiği sorularına yanıt aramaktır. Böylece, analiz sonuçlan ısıl güç tesislerinde tesis verimini arttırabilmek amacıyla potansiyel iyileştirmelerin yerlerinin belirlenmesine olanak sağlar; işin yararlanılabilir bölümünün en fazla kaybedildiği belirlenen ünite, aynı zamanda tesisin verimini arttırma açısından en fazla potansiyele sahip ünite olarak adreslenmiş olur. İşte bu husus, enerji ve ekserji analizlerinin birbirini tamamlayıcı nitelikte olduklarını ortaya koyar. 235

14 Bu çalışmada, ekserji analizleri için kullanılan eşitlikler ayrıntılı türetimleriyle ve seçilen prototip bir ısıl güç tesisindeki tersinmezliklerin değerlendirilmesiyle gerçekleştirilen enerji - j ekserji analizi uygulamasıyla birlikte sunulmuştur. J 2. TEORİK BİLGİLER: Termodinamiğin Birinci Yasası, kavram olarak evrende enerjinin yok edilemeyeceği, form değiştirerek veya transfer edilerek korunacağı ilkesini ortaya koyar. Diğer yandan, yok edilebilir bir büyüklük ile çalışmak fikri de kolay anlaşılabilir olması açısından yararlıdır. Bu fikir enerjiye değil Termodinamiğin İkinci Yasası kavramı olan ve kütle, enerji ve entropi dengesi Eşitlikleriyle geliştirilen ekserjiye uygulanabilir. Bunun mühendislik uygulamalarında ise genelde bir kontrol hacminde bir boyutlu olduğu varsayılan akışkan akışı için birim zamandaki ekserji dengesi eşitliği ile analiz gerçekleştirilir. Bir ısıl güç tesisinde farklı ünitelerin giriş ve çıkışlarındaki akışkan üzerinde birim zamandaki enerji ve ekserji akışının hesaplanmasında kullanılan bazı eşitlikler ile bu j ünitelerdeki yararlı iş, tersinir iş, tersinmezlikler ve bunların türetimleri aşağıda ayrıntılı bir şekilde / sunulmuştur [1-8]. 2.1 Isıl güç tesislerinin enerji analizi Isıl güç tesislerinin enerji analizi, "bir sistemin hal değişimi esnasında çevresi ile etkileşimlerinin sadece iş veya ısı geçişi şeklinde olabileceği ve bu etkileşmelerin net etkisinin ise enerji olarak isimlendirilen bir termodinamik özeliğin değişimi olduğu" ifadelerinden elde edilen ve sistemin hal değişimi için Termodinamiğin Birinci Yasası olarak isimlendirilen enerjinin korunumu ilkesine dayanır. Isıl güç tesislerinin enerji analizlerinde amaç, enerji talebinin azaltılması ve bu talebin mümkün olan maksimum ısıl verim ile karşılanmasıdır. Ancak, ısıl güç tesisinin "elde edilen net işin alınan net ısıya oranı" olarak tanımlanan birinci yasa verimi, iş ve ısının birlikte talep edildiği birleşik ısı-güç tesisleri gibi kompleks sistemlerde kolayca, etkin bir şekilde uygulanamaz. Birinci * yasa verimi ayrıca, yakıt kaynaklarının korunumunda ve yararlanılmasında başlıca rolü oynayan / ekserji kavramını da tamamen ihmal eder, ayrıca yakıt kayıplarının minimize edilmesi ve yakıt ekonomisi hususunda herhangi bir bilgi içermez. Birden fazla giriş ve çıkışı olan bir kontrol hacminde daimi (sürekli) akışta hal değişimi için Termodinamiğin Birinci Yasası, birim zamandaki enerji dengesi göz önüne alınarak şeklinde ifade edilebilir. Eşitlik (l)'de yer alan Q birim zamandaki net ısı geçişi, İV/^ kontrol hacmi için birim zamandaki net iş geçişi, m kütlesel debi, h entalpi, V akış hızı, g yerçekimi ivmesi ve z yüksekliktir, ç ve g alt indisleri ise sistemin çıkışı ve girişi anlamına kullanılmaktadır. 2.2 Isıl güç tesislerinin ekserji analizi Ekserji, çevresel parametrelerin referans olarak kabul edilmesi varsayımıyla, enerjinin belirli bir formundan elde edilen maksimum teorik iştir. Bu kavramın başlıca kullanımı, enerjinin kastedilen belirli bir formunun azalmasının muhasebesi (bilançosunun çıkartılması) ile yani ekserji dengesinin sağlanmaya çalışılmasıyla gerçekleştirilmekte ve bu ekserji analizi olarak isimlendirilmektedir. Ekserji analizi, "bir sisteme geçen ısının tamamen işe dönüştürülmesinin olanaksız olduğunu" ifade eden Termodinamiğin İkinci Yasası'na dayanır. Birden fazla giriş ve çıkışı olan bir kontrol hacmi ile P o basıncı ve 7Q sıcaklığındaki bir rezervuar (ısı ve iş alışverişiyle basıncı ve sıcaklığı değişmeyen depo) gibi davranan çevresi arasında, daimi akışta bir hal değişimi esnasında ısı geçişi söz konusu olabilir. Bu hal değişimi için Termodinamiğin İkinci Yasası 236

15 Süre = X"V S Ç ~ X rh g s g + öçev IT 0 ( 2 ) şeklinde yazılabilir. Eşitlik (2)'de bulunan S üre terimi kontrol hacmi içinde hal değişimi esnasında tersinmezlikler nedeniyle birim zamandaki entropi üretimi, 2-ı g s g ve zl^f^f ter ' rn ' er ' sırasıyla kütle giriş çıkışıyla kontrol hacmine giren ve kontrol hacminden çıkan entropi, Q çev =-Q terimi ani sıcaklığı 7Q olan sistem sınırında birim zamandaki ısı geçişi, Q çev /TQ terimi ise ısı geçişi nedeniyle olan entropi transferidir. Eşitlik (1) ve (2)'deki ısı geçişi terimlerini yok ederek ve akışkanın potansiyel ve kinetik enerji değişimlerini ihmal ederek W k h =Wy^L h g ta ~ T g) ~ X "V ( h ç ~ T 0 s ç)- T < üre (3) g Ç elde edilebilir ki bu, hal değişimi esnasında birim zamanda yapılan gerçek iştir. Daimi akışta hal değişimi söz konusu olan üniteler için seçilen kontrol hacimlerinin sınırlarının bu ünitelerin gerçek fiziksel sınırlarına eşit kabul edilmesi, böylece sistem sınırının değişmez olması, sistem ile çevresi arasında ayrıca bir iş etkileşiminin olmaması nedenleriyle, Wy aynı zamanda birim zamanda yararlanılabilir iş olur. Maksimum yararlanılabilir iş olan tersinir iş ise, S üre entropi üretimi terimini sıfıra eşitleyerek W ter = Wy.mak = X*S ta ~ T &g ) g (h -T s ). (4) ç ç o ç S Ç şeklinde elde edilir. Eğer daimi akışta hal değişimi söz konusu olan ünitede akışkan için bir giriş ve bir çıkış varsa bu durumda bu kontrol hacmi için birim zamandaki tersinir iş ita ) ta " s ç S olur. Bu durumda tersinir iş birim kütle için yazılırsa w y,mak = [ h g ~ h ç )~ T o{ s g ~ s ç) ( 6 ) olarak elde edilir. Sistemin basıncı, sıcaklığı, bileşimi, hızı ve yüksekliği çevreninkilerden farklı ise bu sistemden iş elde etme fırsatı söz konusu olur. Hal değişimi esnasında sistemin bu parametreleri çevreninkilere yaklaştıkça yani sistemin hali çevrenin haline yaklaştıkça bu fırsat azalır. Sistem ve çevresi birbirlerine nazaran durağan hale geldiklerinde aralarında bir denge oluşur. Sistemin bu haline ölü hal denir. Ölü halde sistem ve çevresi arasında mekanik, ısıl ve kimyasal dengeler tesis edilmiş olur, sistemin sırasıyla basınç, sıcaklık ve kimyasal potansiyelleri çevreninkilere eşit olur. Buna ek olarak çevrenin koordinatlarına nazaran sistem sıfır hıza ve yüksekliğe sahip olur. Bu koşullar altında, sistem ve çevresi arasında bir etkileşme ve değişim olasılığı kalmaz. Ayrıca, bir sistem çevresinde referans olarak seçilen koordinatlara nazaran sıfır hızda ve sıfır yükseklikte iken bileşimi farklı olan çevresi ile sadece ısıl ve mekanik denge koşullarında ise sistemin sınırlı ölü halde olduğu söylenir. Nükleer, manyetik, elektriksel ve yüzey gerilme etkilerinin olmaması durumunda ekserji, fiziksel, kinetik, potansiyel ve kimyasal ekserji bileşenlerinden oluşur. Bir sistemin makroskopik formda çevresine nazaran sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjileri, ilke olarak, sistemin çevresine nazaran durağan hale gelmesine kadar tamamen işe çevrilebilirler ve bu nedenle, bunlar kinetik ve potansiyel ekserjilere karşılık gelirler. Bir sistem çevresinde referans olarak seçilen koordinatlara nazaran durağan varsayilabiliyorken, sistemin bir başlangıç halinden sınırlı ölü hale geçmesi esnasında elde edilen maksimum teorik yararlanılabilir iş fiziksel ekserji olarak adlandırılır. Bir sistem sınırlı ölü halden ölü hale yani tamamen denge durumuna geçerken elde edilen maksimum teorik iş ise kimyasal ekserji olarak adlandırılır. 237

16 Fiziksel, kinetik ve potansiyel ekserjilerin toplamı isıl-mekanik ekserji (yararlanılabilirlik) olarak adlandırılır ve ex ile gösterilir. Sistemin çevresine nazaran durağan olması, yani kinetik ve potansiyel ekserjilerin ihmal edilebilir düzeyde veya sıfır olmaları durumunda ısıl-mekanik ekserji, fiziksel ekserjiye eşit olur ve bir akışkan akımı için giriş hali yerine mevcut olan hal (alt indis kullanılmaksızın) ve çıkış hali yerine ise sınırlı ölü hal ("0" alt indisi ile) seçilerek Eşitlik (6)'dan ex = (h-h o )-T o {s-s o ). (7) j f şeklinde elde edilebilir. Isıl güç sistemlerinde yer alan ve ideal olduğu varsayılan bir çok ünite için açık sistem belirli bir halden sınırlı ölü hale geçiyorken analiz yapılabilir. Bu durumda, bir akışkan akımı için toplam ısıl-mekanik ekserji akış hızı, kinetik ve potansiyel ekserji akış hızlarının ihmali ile toplam fiziksel ekserji akış hızına eşit olarak, Eşitlik (7) yardımıyla Ex = m[(h-h o )-T o (s~s o )]. (8) şeklinde tanımlanabilir. Eşitlik (8)'deki 7Q, hç ve SQ sırasıyla referans hal için sıcaklık, entalpi ve entropidir. Sonuç olarak, bir ünitede daimi akışlı hal değişiminde birim zamandaki tersinir iş bir akışkan akımının ekserji akış hızı terimleriyle j şeklinde tanımlanabilir. Ayrıca, akışkan akımının toplam enerji akış hızı da E = m(h-h 0 ) (10) olur. Aşağıdaki bölümde, toplam fiziksel ekserji akış hızı yerine basitlik olması açısından toplam ekserji akış hızı terimi kullanılmaktadır. Ekserji akış hızının yararlılığı, Eşitlik (9)'un kontrol hacminin bir hal değişimi esnasında kontrol hacmi veya ünite için maksimum yararlanılabilir işi vermesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Kontrol hacminde veya ünitede daimi akış hal değişiminde birim zamandaki tersinmezlik (kayıp yararlanılabilir iş) / ise tersinir iş ile yararlanılabilir iş arasındaki farktan şeklinde elde edilir ki bu da gerçek hal değişimleri esnasındaki ekserji yıkımına veya kaybına eşdeğerdir. Akışkan akımı üzerindeki potansiyel ve kinetik enerji ve ekserji değişimleriyle Unitelerdeki ısı kayıplarının, ihmal edilebilir olduğu varsayımı ile, bir ısıl güç tesisinde bulunan kazan, türbinler, pompalar, eşanjörler, $ buhar üreteçleri, ısıtıcılar, soğutucular ve yoğuşturucular gibi daimi akış üniteleri için enerji ve ekserji denge ',. ' Eşitlikleri ve bunlarla ilgili birim zamandaki tersinmezlikler aşağıdaki gibi yazılabilirler. (a) Kazanda yanma ve ısı transferi: Kazanda yanma reaksiyonu sonucunda yanma ürünlerinin sıcaklığı ve dolayısıyla ısıl ekserjileri artar. Daha sonra ısı geçişi ile iş gören akışkanın sıcaklığı ve ısıl ekserj isi arttırılır. Yanma sonunda açığa çıkan enerjinin tamamen iş gören akışkana transfer edildiği varsayılır ise adyabatik, şekil değiştirmeyen, kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilebilir varsayılan kazanda (kontrol hacminde) yanma sonucunda açığa çıkan enerji, Termodinamiğin Birinci Yasası'nın uygulanmasından (K.mak) =m a (h ç -h g )=E ç -E g (12) olarak elde edilir. Aynı varsayım ile iş gören akışkandan elde edilebilecek maksimum yararlanılabilir iş ise Termodinamiğin İkinci Yasası'nın uygulanmasından () = «a fcç ~ h g) K ~ T 0 ( s ç - s g) K \ = Ex ç -Ex g (13) / 238

17 olarak elde edilir. Eşitlik (12) ve (13)'deki yan ve a alt indisleri yanma reaksiyonu ve iş gören akışkanı ifade etmektedir. Buradan, Ka\t indisi kazanı ifade etmek üzere, kazandaki tersinmezlik = {E ç -E g )-(Ex ç -Ex g ) = m a T 0 {s ç -s g ) K (14) olarak elde edilir. (b) Türbinlerde genişleme prosesi: Termodinamiğin Birinci Yasasının uygulanmasından, t alt indisi türbini ifade etmek üzere, bir adyabatik türbinde genişleme prosesi esnasındaki gerçek iş g Ç şeklinde elde edilir. Bu hal değişimi esnasındaki tersinir iş türbin girişindeki ve çıkışındaki toplam ekserji akış hızı farkına eşittir ve "^y,mak > = t 2^ 8 ~ 2-ı f ' '' ^ g Ç olur. Buna göre, türbindeki genişleme prosesi için birim zamandaki tersinmezlik = 7 b olur. Türbinin izentropik verimi r ve türbin için ekserji verimi olarak da adlandırılan Termodinamiğin İkinci Yasası verimi şeklinde tanımlanır (c) Pompalardaki sıkıştırma prosesi: Termodinamiğin Birinci Yasasının uygulanmasından, pompaya birim zamanda giren iç enerji W p =m g h g -m ç h ç. (20) olarak elde edilir. Pompadaki sıkıştırma prosesi için birim zamandaki tersinmezlik ise g Ç olur. Pompanın izentropik yerimi (22) 239

18 ve Termodinamiğin İkinci Yasası verimi w, (23) şeklinde tanımlanır. (d) Eşanjörler, buhar üreteçleri, ısıtıcılar, soğutucular, ve yoğuşturucularda ısı geçişi: Isı geçişi etkileşimi esnasında varsayılan tersinir iş eşanjörler, buhar üreteçleri, ısıtıcılar, soğutucular ve yoğuşturucularda birim zamandaki tersinmezliklere eşit olup, IG alt indisi ısı geçişini ifade etmek koşuluyla g (24) şeklinde elde edilebilir. Çünkü bu ünitelerdeki ısı geçişi esnasında üretilen yararlı iş yoktur [(W v )ıç =0]. Bu ünitelerdeki ısı geçişi etkileşimine ilişkin Termodinamiğin İkinci Yasası verimi Ç/G =X^ç/ ** (25) Ç şeklinde tanımlanır. g 3. BU ÇALIŞMADA GÖZ ÖNÜNE ALINAN PROTOTİP ISIL GÜÇ TESİSİ VE HESAPLAMA ÖRNEĞİ: Bu çalışmada uygulama amacıyla Şekil l'de gösterilen prototip ısıl güç tesisi göz önüne alınmıştır [9]. Bu tesisin T-s diyagramı Şekil 2'de verilmiş olup; 1-2,- ve 1-2 pompada ideal ve gerçek sıkışma, 2-3 boruda ısı kaybı, 3-4 kazanda ısı çekme, 4-5 boruda ısı kaybı, 5-6, ve 5-6 türbinde ideal ve gerçek genişleme ve son olarak 6-1 ise yoğuşturucuda çürük buharın yoğuşturulması proseslerini ifade etmektedir. Şekil l'de 1-8 ile verilen noktalar çeşitli ünitelerin giriş ve çıkışlarında akışkanın termodinamik özeliklerini belirlemek amacıyla numaralandırılmıştır. Tüm noktalardaki diğer özelikler bir bilgisayar programı [10] yardımıyla belirlendikten sonra Şekil 1 'de verilen 1-8 noktalarına ilişkin termodinamik özeliklerle birlikte Tablo l'de toplu halde sunulmuştur. Bunlara ek olarak, birim kütle için enerji ve ekserji değerleri ile toplam enerji ve ekserji akış hızları da yukarıda türetilen eşitlikler yardımıyla hesaplanıp Tablo l'de sunulmuştur. Bu analizde referans hal olarak 100 kpa basınç ve 20.6 C sıcaklıkta sıkıştırılmış sıvı su göz önüne alınmıştır. Buna göre, 7Q = K, HQ = kj/kg ve SQ = kj/kg K olmuştur. Şekil 1. Prototip ısıl güç tesisi. Şekil 2. Prototip ısıl güç tesisinin T-s diyagramı. 240

19 4. HESAPLAMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA: Enerji ve ekserji analizine ilişkin hesaplamalar yukarıda türetilen Eşitlikler yardımıyla tamamlandıktan sonra elde edilen sonuçlar aşağıda tablolar ve şekiller halinde sunulmuştur. Tablo 2'de İkinci Yasa analizi ile elde edilen gerçek ve tersinir işler ile tersinmezliklerin dağılımı ayrıntılı olarak, ayrıca bu tablodaki bilgilerin özeti ise Şekil 3'de görsel olarak sunulmuştur. Tablo 2'de ve Şekil 3'de sunulan bilgilerden İkinci Yasa analizi ile elde edilen sonuçlara göre ekserji kaybının en fazla kazanda gerçekleştiği açıkça anlaşılmaktadır. Buna karşın yoğuşturucu içerisinde ekserji yıkımı %3,762 oranında iken yoğuşturucu vasıtasıyla çevreye geçen ekserjinin %l,102 oranında olduğu görülmektedir. Borulardan olan ekserji kaybı ile birlikte çevreye olan ekserji kaybı %2,407 oranına erişmektedir. Tablo 3'de Birinci ve İkinci Yasa analizleri ile elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. Buna göre tesisin ısıl verimi %35,994 olarak belirlenmiştir. Birinci Yasa analizi ile elde edilen sonuçlara göre yoğuşturucuda çevreye 32196,519 kw ısıl enerji atıldığı bunun ise %61,587'lik bir orana karşılık geldiği kolayca anlaşılabilir. Birinci ve İkinci Yasa analizleri ile elde edilen sonuçların anlaşılmasını daha da kolaylaştırmak amacıyla bir karşılaştırmaya olanak sağlamak üzere Şekil 4 oluşturulmuştur. Şekil 4'den görülebileceği gibi tesisin ısıl verimi =%36, Birinci Yasa analizi ile elde edilen sonuçlara göre yoğuşturucudan çevreye =%61,6 oranında enerji atılmakta, borulardan ise ~%2,4 oranında ısıl enerji kaybı olmaktadır. Oysa ki İkinci Yasa analizi sonuçlan yoğuşturucu vasıtasıyla çevreye =%1,3 borulardan ise = %1,1 oranında ekserji kaybı olduğunu, buna karşılık =61,6 oranında bir ekserji yıkımının ise tesisi oluşturan çeşitli ünitelerdeki tersinmezlikler ile gerçekleştiğini ortaya koymaktadır , (1A 5.0* 3, Q Q 2 Q 1 6 7» 1 t _JP (_P gtmp ffmr ^a^r/ Kmn Tiktin feğuftunioj Bcnj ÇMq«Şekil 3. Prototip ısıl güç tesisinde tersinmezliklerin dağılımı. Tablo 1. Prototip Isıl Güç Tesisi'nde Ünite Giriş ve Çıkışlarında Termodinamik Özelikler. No. Akış debisi m kg/s Basınç P MPa Sıcaklık T c Kuruluk derecesi X Entalpi h kj/kg Entropi s kj/kgk Enerji E kj/kg Ekserji ex kj/kg Toplam Enerji Akış Hızı i; kw Toplam Ekserji Akış Hızı Hx kw 1 15, ,0 Sıkıştırılmış sıvı 159,191 0, ,647 1, ,693 2, 15, 16,0 38,46 Sıkıştırılmış sıvı 175,242 0, ,698 18, , , 16,0 39,95 Sıkıştırılmış sıvı 181,407 0, ,863 18, , , , 15,9 35,0 Sıkıştırılmış sıvı 160,859 0, ,315 17, , , , 15,2 625,0 Kızgın buhar 3646,061 6, , , , , , 15,0 600,0 Kızgın buhar 3582,303 6, , , , ,954 6I 15, 0,01 45, ,857 6, , , , , , 0,01 45, , , , , , , 0,1 20,6 Sıkıştırılmış sıvı 86,544 0, ,000 0,000 0,000 0, , 0,1 31,37 Sıkıştırılmış sıvı 131,574 0, ,030 0, , ,255 24,

20 Tablo 2. İkinci Yasa Analizi Sonuçları. Gerçek iş kw Tersinir iş kw Tersinmczlik değeri, kw Tcrsinmezlik oranı, % Kazan ,683 52,630 Türbin , ,040 Pompa -333, ,959 0,167 Yoğuşturucu O,(XX) 1966, ,762 Yoğuşturucudan çevreye O.(XX) 576, ,102 Borular ARA TOPLAM ,006 Net iş ,994 Hata O.IMK) TOPLAM 52278,031 HK).(K) Tablo 3. Birinci ve İkinci Yasa Analizlerinin Sonuçları. Hesaplama sonuçları Kazan ısıl gücü Türbin işi QK w, 52278, ,170 kw kw Pompa işi -333,340 kw Yoğuşturucu tarafından Qy transfer edilen ısı ,510 kw Besi suyuna net ISI girişi ()ıs + ()y 20081,521 kw Net iş W { + Wp 18816,930 kw Yaklaşık toplam ısı kayıpları Q K + Qy - (jv t + W p 1264,590 kw Toplam icrsinmezlik ^ / 33461,081 kw Toplam icrsinmezlik + net 2*^ + ^l + ^P 52278,011 kw Toplam hata = Kazan ısıl Qy _( gücü - (Toplam ^ tersînmezlik -t- net iş ) kw Toplam hata oranı Q/( 0,000 % Toplam tersinmezlik oranı ^/ QfC 64,006 % Tesisin ısıl verimi \W. +W n ) 35,994 % Borulardan m kaybı %2,4 Kazanda akışkana geçen ıtı %100 Yogufturucudan^V çevreye enerji kaybı %61,6 a) Enerji analizi Borulardan ekserji kaybı %1,1 Kazanda akışkana geçen ısı %100 Yoğuşturucudan çevreye ekterji kaybı %1,3 b) Ekserji analizi Şekil 4. Prototip ısıl güç tesisi için Birinci ve İkinci Yasa analizi sonuçlarının karşılaştırılması. 242

21 Sonuçların bu denli farklı olması iki nedene bağlı olarak yorumlanabilir. İlki Birinci Yasa analizi, tesisi oluşturan çeşitli ünitelerdeki tersinmezlik kaynağı olan entropi üretimlerini göz ardı eder. İkinci neden ise Şekil 5 ve 6 yardımıyla görülebilir. Birinci Yasa analizinde, kazanda alınan ısı Şekil 5'teki 3-4 proses çizgisi altında kalan toplam taralı alana eşit olarak ifade edilmektedir. Burada referans sıcaklık olarak 0 Kelvin dikkate alınmıştır. Yine Birinci Yasa analizine göre, yoğuşturucudan çevreye ısı geçişi prosesinde atılan enerji Şekil 6'daki 6-1 proses çizgisi altında kalan toplam taralı alana eşit olarak ifade edilmektedir. Hesaplama, entalpi farkları alınarak gerçekleştirildiği için, a-b-c-d ve e-f-g-h ile verilen taralı alanların hesaba dahil edilmiş olması sonucunda net işte bir farklılık ortaya çıkmamakta, ancak yoğuşturucuda atılan ısı oran olarak çok büyük bir değerde gözükmektedir. Ekserji analizinde ise çevresel parametreler referans alındığı için Şekil 5 ve 6'daki sadece sık olarak taranan alanlar kullanılmakta ve proses esnasında gerçekten alınan veya atılan enerjiler, enerjinin özel bir formda ifade şekli olan ekserjinin dengesinin analizi ile belirlenmektedir. 625,15 d C S Şekil 5. Prototip ısıl güç tesisinde kazanda ısı alma prosesinde alınan ısı. Şekil 6. Prototip ısıl güç tesisinde yoğuşturucudan çevreye ısı geçişi prosesinde atılan enerji. 243

22 5. SONUÇ: Fosil ya da nükleer yakıtlı ısıl güç tesislerinde kimyasal yanma ya da atom çekirdeği bölünmesi reaksiyonları ile açığa çıkan enerjinin en fazla kaybedildiği ünite, enerji korunumu analizlerine göre türbinleri terk eden buharın yoğuşturulduğu yoğuşturucu olarak gözükmektedir. Enerji analizlerine göre bir ısıl güç tesisinde ısıl t enerjinin yaklaşık %60-70'lik bir bölümünün yoğuşturucu vasıtasıyla çevrede bulunan bir denize, akarsuya i ya da havaya yani atmosfere atıldığı sonucuna varılır. Oysa ki, ekserji analizleri sayesinde işin yararlanılabilir > bölümünün çok küçük, örneğin %2-3'lük bir bölümünün yoğuşturucuda kaybedildiği anlaşılır. Bu nedenle, sadece enerji analizine dayalı olarak gerçekleştirilen ısıl güç tesisi analizleri bu sistemlerin tasarımlarında yeterli değildir. İşin yararlanılabilir bölümünün dikkate alındığı ekserji analizlerinin enerji analizi ile birlikte gerçekleştirilmesi ısıl güç sistemlerinin tasarımlarında ve hali hazırda kurulu olan tesislerin daha verimli çalıştırılmalarının sağlanabilmesi için kaçınılmaz bir gereksinim olarak görülmektedir. Çevresel problemler, enerji kullanımı, kaynakların tüketilmesi ile ekserji ve çevre arasındaki ilişkiler, ayrıca, ayrıntılı bir şekilde [1 l,12]'de irdelenmiş ve yorumlanmıştır. REFERANSLAR: [ 1 ] A. Durmayaz, H. Yavuz, "Exergy analysis of a pressurized water reactor nuclear power plant", Applied Energy, j 69/1, May 2001, f [2] M.J. Moran, "Second Law applications in thermal system design", in: Boehm, R.F. (Ed.), Developments in the Design of Thermal Systems, Cambridge University Press, 1997, [3] M.J. Moran, E. Sciubba, "Exergy analysis: principles and practice", J. of Eng. for Gas Turbines and Power, 1 16, April 1994, [4] T.J. Kotas, R.C. Raichura, Y.R. Mayhew, "Nomenclature for exergy analysis", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (IMechE), Part A: Journal of Power and Energy, 209, 1995, [5] T.J. Kotas, "The Exergy Method of Thermal Plant Analysis", Krieger Publishing Company, Malabar, Florida [6] A. Bejan, G. Tsatsaronis, M.J. Moran, "Thermal Design and Optimization", John Wiley & Sons, [7] P.S. Utgikar, S.P. Dubey, P.J. Prasada Rao, "Thermoeconomic analysis of gas türbine cogeneration plant - a case study", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (IMechE), Part A: Journal of Power and Energy, 209, 1995,45-54., [8] K. Si-Moon, O. Si-Doek, K. Yong-Ho, K. Ho-Young, "Exergoeconomic analysis of thermal systems", Energy f, 23/5, 1998, i; [9] Y.A. Çengel, M.A. Boles, "Thermodynamics: An Engineering Approach", International Edition, McGravv Hill Book Company, [10] R.E. Sonntag, Y.M. Park, K.K. Park, "Thermodynamic Tables, Figures, and Charts", The University of Michigan Ann Arbor (Ver. 90.2), [II] I. Dincer, M.A. Rosen, "The intimate connection between exergy and the environment", in: A. Bejan, E. Mamut, (Eds.)., Thermodynamic Optimization of Complex Energy Systems, Kluwer Academic Publishers, 1999, [12] M.A. Rosen, I. Dincer, "On exergy and environmental impact", Int. J. of Energy Research, 21, 1997,

23 TMMOB Makina Mühendisleri Odası "II. ÇEVRE ve ENERJİ KONGRESİ" Kasım 2001 ENERJİ DENKLİLİĞİ (BALANSI) METODOLOJİSİ VE TEKSTİL SEKTÖRÜNDE UYGULAMASI Araş. Gör. Sima SERTSÖZ', Doç. Dr. Arif HEP BAŞLI 2 ve Mat Müh. Tank Efe KENDİR 3 'Ege Üniversitesi Müh. Fakültesi Tekstil Mühendisliği Bölümü, Bornova-İzmir-TÜRKİYE Tel: /1610 simasert@egenet.com.tr Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü ve EBİLTEM(Ege Üniversitesi Bilim-Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi), Bornova-İzmir-TÜRKİYE Tel: hepbasli@bornova.ege.edu.tr 3 Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Ens. Mak. Müh. Anabilim Dalı, Bornova-İzmir-TÜRKİYE Tel: efetarikendir hotmail. com 2 Araş. Gör. Sima SERTSÖZ; 1977 Ankara doğumlu Sima SERTSÖZ ilk ve orta öğrenimini İzmir'de tamamladıktan sonra yüksek öğrenimini Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Tekstil Mühendisliği Bölümünde 1999 yılında tamamlanmıştır. Aynı üniversitede Tekstil Teknolojisi Ana Bilim Dalı'nda 1999 yılında 'Tekstil Terbiyesinde Kullanılan Kurutucuların Atık Havasından Isı Geri Kazanımı' tez konusuyla başladığı yüksek lisansı halen devam etmektedir. Halen E.Ü. Tekstil Mühendisliği Bölümünde Arş. Gör. olarak görev yapan Sima Sertsöz enerji ve enerji verimliliği ile ilgili konularda çalışmaktadır, Enerji Yöneticisi Sertifika Programına katılmıştır. İngilizce bilen Sertsöz evlidir. Doç. Dr. Arif HEPBAŞLI ; Üniversite, sanayi ve meslek kuruluşları (MMO, TTMD, ESSİAD gibi) na yönelik işlerin birlikte, dengeli olarak yürütülmesi yaşam felsefesidir. Bugüne kadar sanayide ve üniversitelerimizde çeşitli hizmetlerde bulunmuş olup, 2001 yılından beri Ege Üniversitesi EBİLTEM(Ege Üniversitesi Bilim Teknoloji-Uygulama, Araştırma Merkezi)'de Md. Yardımcılığı görevini yürütmektedir. Aynı merkez bünyesindeki birimlerden biri olan ve 2001 yılında kurulan EVYAB (Enerji Verimliliği ve Yönetimi Ar-Ge Birimi)'ın sorumlusudur. TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Türk Tesisat Mühendisleri Derneği (TTMD), Ege Soğutma Sanayicileri ve İşadamları Derneği (ESSİAD) ve Türkiye Jeotermal Derneği üyesidir. Mak. Müh. Tank Efe KENDİR ; 1978 yılında Hatay'ın Dörtyol ilçesinde doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimini doğum yeri olan Dörtyol' da tamamladıktan sonra, lisans eğitimi için 1994 yılında Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü' nde eğitimine başladı ve aynı bölümden 1998 yılında mezun oldu. Daha sonr, Ege Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı' nda lisansüstü eğitimine başladı. Halen aynı kurumda lisansüstü eğitimini sürdürmektedir. Bu arada lisans eğitimi sırasında bir özel firmada hidrolik, pnömatik ve hidrolik silindir imalatı üzerine kısmi zamanlı, lisansüstü eğitimi sırasında da bir kamu kuruluşu' nda iş makinaları üzerine bir süre çalıştı. ÖZET: Elektrik İşleri Etüt İdaresi (EİE) bünyesinde "Ulusal Enerji Tasarruf Merkezi"nin 1992 yılında kurulması ile 1995 yılında çıkarılan sanayide enerji verimliliği yönetmeliği; ülkemizde bu konuda yürütülen çalışmalara yeni bir boyut kazandırmıştır. Bu bağlamda, "Sertifikalı Enerji Yöneticisi" ve "Enerji Yönetim Sistemi" gibi anahtar sözcükler kullanılmaya başlanmıştır. Enerji yönetiminin; insan ve teknik olmak üzere, iki boyutu göz önüne alındığında, teknik boyutta "enerji balansı (denkliliği)" veya daha dar kapsamda "ısı denkliliği" büyük önem taşır. Başka bir yaklaşım ile; 1947 yılında Japonya'da "Isı Yönetim Sistemi"nin oluşturulması ve günümüzde EİE Müdürlüğü (Ankara)'nde, Japonlar ile yürütülen ortak çalışmalarda, burada bir "Isı Balansı Uygulama Merkezi"nin kurulması, konunun önemini açık olarak vurgulamaktadır. 245