Akdeniz İkliminde Isıl İzolasyona Özgün Bir Yaklaşım: Kaldırılabilir İzolasyon

Transkript

1 Akdeniz İkliminde Isıl İzolasyona Özgün Bir Yaklaşım: Kaldırılabilir İzolasyon Burhan YORUK 1, Ahmet ARISOY 1 1 İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü ÖZET Binalarda kullanılan ısıtma/soğutma yu klerinin azaltılması son yönetmeliklerde enerji tasarrufu açısından birinci derecede öneme sahiptir. Bu kapsamda binaların kalın yalıtım tabakasıyla bohçalanması binalarda enerji tu ketiminin azaltılması için en çok tercih edilen strateji olmuştur. Ancak bu yaklaşım iklim farklılıklarının etkisini dikkate almaz ve esas olarak ısıtma ağırlıklı iklimlerde ısıtma ihtiyacının azaltılmasında kullanılır. Hâlbuki Akdeniz gibi sıcak iklimlerde enerji tu ketimi açısından soğutma enerjisi ihtiyacını azaltmak esastır. Bu çalışmada, bu gibi iklimlerde soğutma enerjisi talebini azaltmada, kaldırılabilir yalıtım şeklinde bir yaklaşım geliştirilmiştir. Soğutma ağırlıklı bir iklim du şu nu ldu ğu nde, gu ndu z olan yoğun ısı kazancına karşılık, serin yaz gecelerinde iklimlendirilen ortamlardan olan ters yöndeki ısı kayıpları mutlaka dikkate alınmalıdır. Özellikle ara mevsimlerde binanın gu n içinde değişen ısı kazancı ve kaybı şeklindeki bu dinamik davranışı, gu nlu k soğutma enerjisi talebinin azaltılmasında önemli bir rol oynar. Bu nedenle binanın ısıl yalıtımı bu dinamik tavrı göz önu ne alacak biçimde tasarlanmalıdır. ANAHTAR KELİMELER Yaklaşık Sıfır Enerjili Binalar (nzeb), Akdeniz İklimi, Duvarların Isıl Yalıtımı A NOVEL APPROACH TO THERMAL INSULATION IN MEDITERRANEAN CLIMATE: REMOVABLE INSULATION SUMMARY While the space heating and cooling energy demands are the primary concern for domestic energy savings according to recent directives, high insulation of the walls is the preferred strategy to reduce the energy consumption in buildings. This approach doesn t consider diverseness of climates, and is mainly based on reducing the heating demand. However, in hot climates like Mediterranean region, cooling energy demand is the key factor that basically determines energy saving potential. When a cooling weighted climate is considered, heat losses during the cool summer nights should be taken into account as well as heat gains during the daytimes. Especially in intermediate seasons, this dynamic behavior of heat gain and loss throughout of the day has an important role on reducing the daily cooling energy demand. Thus building insulation should be designed considering this dynamic behavior. Thermal performance of a building envelope in Izmir has been analyzed through energy simulation software EnergyPlus. Annual cooling energy demand has been evaluated. Simulation results show that high insulation 32 TTMD DERGİSİ TEMMUZ - AĞUSTOS 2016

2 of the outer skin has a negative effect on reducing cooling energy demand in intermediate seasons. As a novel approach, seasonally and daily scheduled removable insulation has been studied. It has been demonstrated that a saving of 11% in annual cooling energy demand can be achieved by daily scheduled removable insulation. However, this approach has more promising energy saving potential with automated control of the insulation layer by sensing outside air temperature variations. Keywords: Nearly zero energy building, Mediterranean climate, Wall thermal insulation GİRİŞ Ticari binalarda ve konutlardaki enerji tu ketimi 28 AB u lkesinde toplam enerji tüketiminin %40 ına karşı gelmektedir [1]. Bu nedenle Avrupa birliğinde bu tüketimin azaltılması enerji bağımlılığının azaltılması yönu nde önemli bir hedeftir. Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği (EPBD) bu konuda atılan en önemli adımdır. Bu yönetmeliğe göre 2018 yılı sonunda bütün kamu binaları yaklaşık sıfır enerjili bina (nzeb) standartlarına uyacaktır ve 2020 yılı sonunda bütün yeni binalar nzeb olacaktır [2]. Enerji verimli binalar, özellikle yaklaşık veya net sıfır enerjili binalar ve pasif evler bugu nku uygulamada tasarım olarak genellikle çok kalın ısıl yalıtıma sahiptir [3]. Bu yaklaşım iklim farklılıklarını dikkate almaz ve genellikle ısıtma talebinin azaltılması esasına dayanır. Hâlbuki Akdeniz iklimi gibi sıcak iklimlerde soğutma enerjisi talebi, enerji tasarrufu potansiyelini belirleyen anahtar etmendir [4]. Bu çalışmanın amacı Akdeniz iklimi için ısıl yalıtım tabakası kalınlığını artırmadan soğutma enerjisi ihtiyacını azaltacak özgün pasif bir strateji sunmaktır. Özgu n yaklaşım olarak mevsimlik ve gu nlu k programlanan kaldırılabilen yalıtım önerilmektedir. METODOLOJİ Bu çalışmada TS 825 standartlarına uygun İzmir de bir bina, referans hal olarak seçilmiştir (Şekil 1). İzmir Akdeniz iklimini temsil eden bir şehir olarak seçilmiştir. Şekil 1. Örnek binanın 3D modeli ve ölçu leri. Bina 2 katlı toplam döşeme alanı 512 m 2 olan bir konut olarak düşünülmüştür. Pencereler PVC çerçeveli olup, tipik TEMMUZ - AĞUSTOS 2016 TTMD DERGİSİ 33

3 ölçüleri (1,60 x 1,80 m) olarak alınmıştır. Toplam pencere alanının dış duvar alanına oranı %24 değerindedir. Yönün etkisini kaldırmak u zere bu tu n ölçu ler simetriktir. Her kata 4 dış zon bulunmaktadır, iç zon alınmamıştır. 5 cm kalınlıktaki dış duvarların yoğunluğu 800 kg/m 3 değerindedir. Duvarların ısıl ku tlesi bina dış kabuğu ısıl performansına etkiyen önemli bir parametredir. Ancak bu makalede bunun u zerinde çalışılmamıştır. Malzemelerin termofiziksel özellikleri TS 825 standardından alınmıştır. Duvarlar ve pencerelerin U değerleri standardın öngördu ğu limitler içinde kalmaktadır. Duvarların toplam ısı geçiş katsayısı referans hal için 0,67 W/m 2 K olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma bina dış kabuğunda yapılan geliştirmelere dayanan performans artışlarıyla sınırlıdır ve sadece pasif önlemler üzerine yoğunlaşmıştır. HVAC system performansı gibi aktif parametreler göz önüne alınmamıştır. Çatı, tavan ve döşeme ısı kazanç ve kayıpları dikkate alınmamıştır, buralar adyabatik kabul edilmiştir. Bu tu n ısı kazanç ve kayıpları duvarlardan ve pencerelerden olmaktadır ki bunlar çalışmanın ana hedefleridir. İnsan yu kleri, aydınlatma ve ekipman iç ısı yu kleri de dikkate alınmamıştır. HVAC sisteminin iç ortam sıcaklıkları ideal biçimde kontrol ettiği kabul edilmiştir. Isıtma ayar noktası saatleri arasında 21 C de tutulmaktadır ve saatleri arasında ise 16 C ye indirilmektedir. Soğutma ayar sıcaklığı saatleri arasında 25 C olup, arasında soğutma sistemi çalıştırılmamaktadır. HESAPLAR Yıllık soğutma ve ısıtma enerji ihtiyacı EnergyPlus yazılımı kullanılarak saatlik bazda hesaplanmıştır. Aylık ısıtma enerji talebi 5 cm kalınlıktaki yalıtım için ve soğutma enerji talebi hiç yalıtım yapılmaksızın, 5 cm yalıtım ve 10 cm yalıtım hallerinde Tablo 1 de verilmiştir. Yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacı bu bina için 6127 kwhheat olarak hesaplanmıştır. 5cm kalınlıkta yalıtım olması halinde yıllık soğutma enerjisi ihtiyacı ise kwhheat değerindedir. Tablo 1. Binanın aylık ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyaçları. Isıtma enerjisi ihtiyacı [kwhheat] (5cm Yalıtım) Soğutma enerjisi ihtiyacı [kwhheat] (5cm Yalıtım) Soğutma enerjisi ihtiyacı [kwhheat] (Yalıtım yok) Soğutma enerjisi ihtiyacı [kwhheat] (10 cm Yalıtım) Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık TOPLAM TTMD DERGİSİ TEMMUZ -AĞUSTOS 2016

4 Görüldüğü gibi Ocak, Şubat, Kasım ve Aralık ayları ısıtma mevsimi olarak kabul edilebilir. Geri kalan aylar ise İzmir de soğutma sezonudur. Soğutma enerjisi talebi yaklaşık olarak ısıtma enerjisi talebinden 6 kat daha fazladır. Buradan anlaşılabileceği gibi, soğutma enerjisiyle ilgili yapılabilecek performans artışları İzmir (ve Akdeniz) iklimi için binanın toplam enerji performansının artırılmasında çok önemli bir etkiye haizdir. aylarda gece dönemlerinde ortaya çıkan ısı kaybı Akdeniz ikliminde soğutma yüklerinin azaltılmasında ciddi bir katkı sağlamaktadır. İzolasyonun artırılması bu kayıpları azaltmakta ve ters etki yapmaktadır. O halde özellikle ara mevsimlerde yalıtım kalınlıklarının artırılması iyi bir strateji değildir. Akdeniz iklimi için yeni bir yalıtım stratejisi geliştirmek gerekmektedir. Tablo 1 den iki karakteristik soğutma mevsimi tanımlanabilir. İlki ısı kazançlarının baskın olduğu sıcak yaz aylarıdır. Bu Yıllık ısıtma ve soğutma enerjisi tüketimleri, binalarda durumda dış hava sıcaklıkları genellikle (gece ve gündüz) enerji verimliliğini değerlendirmekte anahtar elemanlardaha yüksektir ve neredeyse sürekli olarak iç hacimlere ısı dır. Enerji verimli bina tasarımında tipik yaklaşım yalıtım kazancı olur. İkinci grup ise ara mevsimlerdir ve geceleri kalınlığını, pasif evlerde olduğu gibi, mümkün olduğu olan ısı kaybı toplam soğutma yükü üzerinde önemli kadar artırmaktır. Bu ısıtma enerjisi ihtiyacını azaltmada ölçüde etkilidir. çok etkili bir yoldur. Ancak bu yaklaşım, soğutma enerjisi ihtiyacının azaltılmasında aynı başarıyla uygulanılamaz. Bu durum Tablo 1 de görülmektedir. İzolasyon kalınlığını artırmak soğutma enerjisi talebini de artırmaktadır. Çok sıcak bir yaz mevsiminde (Haziran, Temmuz, Ağustos aylarında) eğer dış hava sıcaklığı her zaman iç sıcaklık set değerinden daha büyük olsaydı, sadece 5 cm kalınlıktaki bir yalıtım kalınlığı enerji ihtiyacını azaltmada olumlu bir katkı sağlayacaktı. Ancak yalıtımın daha fazla artırılması yarar getirmemekte ve performans üzerinde ters etki yapmaktadır. Diğer taraftan ara mevsimlerde soğutma enerjisi talebi, başlangıçtan (sıfır yalıtım kalınlığı) itibaren yalıtım kalınlığını artırmakla birlikte artmaktadır. Bu Şekil 2. Mayısın ilk haftası için birinci kattaki bütün duvarlardan olan ısı geçişi miktarları. TEMMUZ - AĞUSTOS 2016 TTMD DERGİSİ 35

5 Tablo 2. Günlük kaldırılabilir izolasyon için program. Ocak, Şubat Kasım, Aralık Mart, Nisan, Mayıs Haziran, Temmuz, Ağustos Eylül, Ekim İzolasyon uygulanacak 24 saat, sürekli 07:00 17:00 saatleri arası 06:00 20:00 saatleri arası 07:00 17:00 saatleri arası Bu ara mevsimlerin dinamik davranışını göz önu ne alarak Akdeniz iklimi için yalıtım tabakalarının yararını maksimize etmek üzere kaldırılabilir yalıtım önerilmektedir. Mevsimlik olarak kaldırılabilen yalıtım İlk yaklaşım mevsimlik olarak kaldırılan yalıtımdır. Mevsimlik kaldırılabilir yalıtım teorik bir çözu m olarak du şu nu lebilir, ideal bir yalıtım tabakası ihtiyaca göre mevsimlik olarak dış duvarlara uygulanabilmektedir. Bazı mevsimlerde ise bazı yönlerdeki yalıtımlar kaldırılmaktadır. Farklı yalıtım kalınlıkları için soğutma enerjisi ihtiyacı değerlerini veren Tablo 1 göstermektedir ki, Hazirandan Eylüle kadar dış duvarlardaki yalıtım avantajlıdır. Fakat kalan 4 soğutma ayı için yalıtımı muhafaza etmek iyi bir strateji değildir. Bu hesaplara göre, farklı yöndeki duvarlarda tek tek yalıtım tabakasını kaldırıp, uygulamakla ilgili farklı programlar tanımlamak mümkündür. Sonuç olarak 5 cm kalınlıkta standart bir yalıtım tabakası ısıtma mevsiminde (Ocak, Şubat, Kasım, Aralık) bu tu n dış duvarlara uygulanır. Kuzeye bakan duvarlardan Mayıs tan Eylu l e kadar kaldırılır. Bu tu n diğer duvarlardan Mart, Nisan ve Ekim aylarında kaldırılır. Günlük kaldırılabilir yalıtım Mevsimlik kaldırılabilir yalıtımın enerji tasarruf potansiyeli gu nlu k sıcaklık dalgalanmalarını kullanamadığı için sınırlıdır. Aylık ortalama değerleri dikkate alır ve gu n içindeki dalgalanmaları ihmal eder. Şekil 2 de birinci kattaki bu tu n dış duvarlardan iç hacimlere olan tipik saatlik ısı transfer değerleri görülmektedir. Pozitif değerler ısı kazançları ve negatif değerler ısı kayıplarıdır. Burada görülen Mayıs haftası ara mevsim için referans bir periyot olarak ele alınabilir. Gu nu n belirli saatlerinde du şu k dış sıcaklık değerlerine bağlı olarak ısı kaybı olmaktadır. Şekil 2 göstermektedir ki yalıtım tabakası ısı kaybı için de ısı kazancı için de sınırlayıcı bir elemandır. İzolasyon gu ndu z olan ısı kazancını önemli ölçu de du şu ru r. Ancak aynı yalıtım gece soğuk saatlerdeki ısı kaybını da azaltır. Hâlbuki bu ısı kaybı soğutma yu klerinin azaltılması için iyi bir imkândır. Şekil 3. Birinci kata gu nlu k kaldırılabilir yalıtım uygulamasıyla duvarlardan iç hacimlere olan ısı geçişi değerleri. Bu haftanın 7. Günü için yalıtım olması halinde toplam ısı kazancı 6,06 kwh ve toplam ısı kaybı 1,16 kwh değerindedir. İzolasyon tabakasını kaldırmak bu değerleri sırayla 19,42 kwh and 11,31 kwh değerlerine yükseltir. Bu göstermektedir ki yalıtım gu ndu z ısı kazancını azaltmak açısından yararlıyken, yalıtımı kaldırmak geri kalan zamanlar- 36 TTMD DERGİSİ TEMMUZ -AĞUSTOS 2016

6 Tablo 3. Kaldırılabilir yalıtımla soğutma enerjisi ihtiyaçları. Soğutma enerjisi ihtiyacı [kwhheat] Temel hal Mevsimlik kaldırılabilir Yalıtım Günlük kaldırılabilir Yalıtım Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim TOPLAM Bu çalışmada, Akdeniz ikliminde binaların ısıl yalıtımında özgu n bir yaklaşım olan kaldırılabilir ısıl yalıtım kavramı, EnergyPlus yazılımı kullanılarak analiz edilmiş ve araştırıldaki ısı kaybını artırır ve soğutma yu kleri açısından avantaj sağlar. Buradan gu nlu k bazda kaldırılabilir yalıtım tabakasının toplam soğutma yükünü azaltmada pozitif bir etkisi olduğu sonucuna varılabilir. Gu nlu k kaldırılabilir yalıtımın etkisini değerlendirmek için EnergyPlus ta simu lasyonlar gerçekleştirildi ve en etkin programlar arandı. En iyi göru len program Tablo 2 de verilmiştir. İzolasyon ısıtma mevsiminde bu tu n duvarlarda su rekli olarak uygulanmalıdır. Ara mevsimlerde 10 saat ve yazın ise 14 saat uygulanmalıdır. Şekil 2 de verilen hafta için günlük kaldırılabilir yalıtımın etkisi Şekil 3 te verilmiştir. İzolasyon saat den sonra kaldırıldığında toplam ısı kaybı önemli ölçu de artmaktadır. TARTIŞMALAR Gu nlu k ve mevsimlik kaldırılabilir izolasyonlar hallerinde binanın soğutma enerjisi ihtiyacı simu lasyon sonuçları Tablo 3 de verilmiştir. Mevsimlik kaldırılabilir yalıtımla ulaşılan yıllık enerji tasarrufu 1458 kwh olarak hesaplanmıştır. Bu toplam kazancın %89 oranındaki kısmı, tahmin edilebileceği gibi ara mevsimlerde elde edilmektedir. Yazın kazanç Kuzey duvarındaki yalıtımı kaldırmakla sadece %0,8 oranında kalmaktadır. Gu nlu k kaldırılabilir yalıtım göz önu ne alındığında yıllık soğutma enerjisi ihtiyacı kwhheat değerinden kwhheat değerine düşmektedir. Temel hale göre tasarruf 3681 kwh değerindedir. Kazancın büyük bölümü yine ara mevsimlerde elde edilmektedir. Aylık enerji tasarrufları hem mevsimlik kaldırılabilir ve hem de gu nlu k kaldırılabilir yalıtım halinde Şekil 4a ve 4b de görülmektedir. En büyük mutlak enerji tasarrufları Nisan ve Ekim aylarında sırayla 848 kwh and 938 kwh olarak hesaplanmıştır. Unutulmaması gereken konu bu çalışmada sadece dış duvarlardan ve pencerelerden olan ısı kazançlarının ele alınmış olmasıdır. İç kazançlar ve çatıdan olan kazançlar da dikkate alındığında her hangi bir andaki toplam ısı kazancı daha bu yu k olacaktır. Yani gerçek ısı kazançları, bu çalışmada göru len ısı kazançlarından çok daha bu yu ktu r. Bunun sonucu olarak, kaldırılan yalıtımla ara mevsimlerde dış duvardan gerçekleşen ısı kayıpları çok daha etkilidir. Kaybın tamamından yararlanmak mu mku ndu r. Sadece duvar ve pencere dikkate alındığında kaybın tamamından yararlanmak mu mku n olamamaktadır. SONUÇ 38 TTMD DERGİSİ TEMMUZ -AĞUSTOS 2016

7 mıştır. Simu lasyon sonuçları göstermiştir ki mevsimlik olarak kaldırılabilir bir yalıtımla yıllık soğutma enerjisinden %4,3 oranında tasarruf etmek mümkündür. Bu tasarruf oranı günlük olarak programlanan kaldırılabilir bir yalıtım tabakası halinde %11 değerine çıkmaktadır. Günlu k olarak sabit biçimde programlanabilen bir yalıtım gu n içindeki dış sıcaklık dalgalanmalarından yararlanabildiği için diğerine göre daha büyük bir tasarruf potansiyeline sahiptir. Enerji tasarrufu miktarı günlük sıcaklık değişimlerine çok bağlıdır. Şuna işaret etmek gerekir ki dış sıcaklık değişimlerini hisseden, otomatik kontrollu bir kaldırılabilen yalıtım sistemi, enerji tasarruflarını maksimize edecektir. Duvarların ısıl ku tlesi bina dış kabuğunun ısıl performansında etkili olan önemli bir parametredir. Bu etki kaldırılabilir yalıtım tabakalarının tasarımında mutlaka göz önüne alınmalıdır. Daha hafif duvarlar kaldırılabilir yalıtım uygulamalarında tercih edilmelidir. Şekil 4a. Kaldırılabilir yalıtımın referans duruma göre aylık enerji tasarrufları. Şekil 4b. Gu nlu k kaldırılabilir yalıtımla aylık enerji tasarruf yu zdeleri. Isıtma enerjisi ihtiyacı da ısı yalıtım tabakası kalınlığının belirlenmesinde dikkate alınmalıdır. Isıtma enerjisi ihtiyacı da programları etkilemektedir. Gelecekteki bir çalışmada bu tu n bu parametreler de değerlendirmelere dâhil edilebilir. REFERANSLAR 1. Eurostat Energy Balance Sheets Publications Office of the European Union. doi: / pp 8/79 2. Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings, Official Journal of the European Union, L.153, Stazi, F., Bonfigli, C., Tomassoni, E., Di Perna, C., & Munafò, P The effect of high thermal insulation on high thermal mass: Is the dynamic behaviour of traditional envelopes in Mediterranean climates still possible?.energy and Buildings, 88, Rodriguez-Ubinas, E., Montero, C., Porteros, M., Vega, S., Navarro, I., Castillo-Cagigal, M., & Gutiérrez, A Passive design strategies and performance of Net Energy Plus Houses. Energy and Buildings, 83, TS Thermal Insulation Requirements for Buildings. Turkish Standards Institution. ICS ÖZGEÇMİŞ Burhan YÖRÜK Lisans öğrenimini Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Mu hendisliği Bölu mu nde 2010 yılında tamamlamıştır. İstanbul Teknik Üniversitesi Isı Akışkan yu ksek lisans programından 2014 yılında mezun olup halen aynı u niversitede doktora eğitimine devam etmektedir yılından beri Araştırma Görevlisi olarak İstanbul Teknik Üniversitesi nde görev yapmaktadır. Ahmet ARISOY 1972 yılında İ.T.Ü. Makina Fakültesi nden mezun olmuştur. Mezuniyetten bugüne kadar İTÜ Makina Fakültesinde görev yapmıştır. Yanma ve Isı Tekniği alanlarında çalışma yapmakta olup, bu alanlarda çok sayıda araştırma, teknolojik uygulama ve u ru n geliştirme projesi yönetmiş ve danışmanlık yapmıştır. Makale, bildiri, kitap olarak 170 civarında yayını vardır. TEMMUZ - AĞUSTOS 2016 TTMD DERGİSİ 39