YAPI KABUĞU. YÜKSEK LİSANS Prof. Dr. Gülay ZORER GEDİK

Transkript

1 YAPI KABUĞU YÜKSEK LİSANS Prof. Dr. Gülay ZORER GEDİK

2 Yapı kabuğunun ısı geçişini etkileyen en önemli optik ve termofiziksel özellikleri ; Opak ve saydam bileşenlerin toplam ısı geçirme katsayısı, (U) Saydamlık oranı, opak bileşenin zaman geciktirmesi / faz farkı, opak bileşenin genlik küçültme faktörü/ sönüm oranı, Opak ve saydam bileşenlerin güneş ışınımına karşı yutuculuk, geçirgenlik (opak bileşen için geçersiz) ve yansıtıcılık katsayıları (a,t ve r) olarak sıralanabilir.

3 Toplam ısı geçirme katsayısı (U, W/m 2 K) Opak ve saydam bileşenlerin oluşturduğu kabuğun ortalama ısı geçirme katsayısının düşmesi, ya da ısı geçirme direncinin artması kabuktan ısı akışını azaltır. Böylece içerideki hava sıcaklığı korunarak ısıtma ve soğutma enerjisinden tasarruf sağlanmış olur.

4 Toplam ısı geçirme katsayısı (U, W/m 2 K) SABİT (SÜREKLİ REJİM) Duvarın ısı depolama yeteneğinin göz önüne alınmadığı sürekli rejimde ısı geçişi aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. q=u(t i -T d ) Burada U toplam ısı geçirme katsayısı olup aşağıdaki şekilde hesaplanır.

5 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR SABİT (SÜREKLİ REJİM) Yapı kabuğunda cam alanların artması ısı geçişini arttırırken dolu alanların ısı yalıtımını da önemsizleştirir. Cam iletim ve ısının geçmesi bakımından en kötü gereçtir. Çünkü hem yoğun hem de ince olarak kullanılır. Bu nedenle yapı kabuğunda ısı kaybı en fazla cam yüzeylerde olur. Isı kaybı ve kazancında matematiksel olarak alan hesabı etkilidir. Cam ve dolu alanlardan oluşan bir cidarın toplam ısı kaybı ve kazancı her bir gereçten yüzeyi oranında geçen ısıların ortalaması olarak düşünülebilir. Bir yapıda cam alanı yarıya indirdiğimizde cam yüzeylerden olan ısı geçişini de önemli ölçüde azalttığımızı düşünebiliriz. Ancak bu cam yüzeylerin iç yüzey sıcaklığını konfor açısından arttırdığımız anlamına gelmez.

6 SAYDAMLIK ORANI Pencere alanının içinde bulunduğu duvar alanına oranı ne olmalı? görsel hoşnutluk: %30 optimum, %20 min. doğal aydınlatma: %20 min. güneş ışığı (aşırı ısınma) vb.: %40 max. ısı-enerji kayıpları: %50 max.

7 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR Pencerelerde kullanılan camın, tek cam, çift cam, üçlü cam, yansıtmalı çift cam, yüksek yalıtımlı cam, olmasına göre camlardan olan ısı kayıpları çok değişir.

8 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR Çizelge: Pencerelerde kullanılan çeşitli camların U (toplam ısı geçiş katsayısı) değerleri. W/m 2 K kcal/m 2 h C Tek cam 5,8 5,0 100 Çift cam (ısıcam) 3,0 2,6 52 Üçlü cam 2,1 1,8 36 Yansıtmalı çift cam 1,6 1,4 28 Yüksek yalıtımlı cam 0,5-0,6 0,43-0,52 8,6-10,4

9 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR Pencerelerden olan ısı kaybında doğramaların da rolü vardır. Tek camlı metal doğramalarda ısı kaybı camda olduğu gibidir. Ahşap doğramalarda ise doğrama/cam alanı oranına göre değişir. Ahşap pencerede doğrama alanı arttıkça ısı kaybı azalır. Metal ve plastik doğramaları yalıtımlı kullanmak gerekir.

10 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR Cam yüzeylerin küçültülmesi ısısal konfor açısından sorunu çözmez. Soğuk havalarda camın iç yüzey sıcaklığının düşük olması ortalama ışınımsal sıcaklık açısından konforsuzluk doğurur. Tek cam pencerelerin önünde oturan kişi pencereye bakan tarafını sürekli soğuk hisseder, çünkü kişiden pencereye doğru ışınım yolu ile ısı kaybı olur. Yapılan araştırmalara göre, hacmin kuru termometre sıcaklığı ile iç yüzey sıcaklıkları ayrımı ±3 C olduğu zaman ışınımsal sıcaklık açısından konfor oluşur.

11 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR Tek cam pencereler yerine arada uygun boşluk olan çift camın kullanılması ısı kaybını azalttığı gibi, camın iç yüzeyindeki sıcaklığı arttırdığı için pencere bölgesinde oturan kişiden ışınım yoluyla ısı kaybını azaltır.

12 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR Dış sıcaklığın ±0 C, iç sıcaklığın +20 C olduğu koşullarda 4 mm camın iç yüzey sıcaklığı grafik yöntemle +5 C olarak hesaplanmaktadır. İki tarafı sıvalı 20 cm kalınlığında dolu tuğla duvarın aynı sıcaklık koşullarında iç yüzey sıcaklığı C olmaktadır. Cam yüzeyle karşılaştırıldığında cam yüzeyin sıcaklığının ne kadar düşük olduğu görülmektedir. Yine aynı koşullarda camlar arasında 20 mm boşluk olan 4 mm lik çift camda grafik yöntemle iç camın yüzey sıcaklığı hesaplandığında, tek cama göre 7 C artış göstermektedir.

13 YAPI KABUĞU-CAM ALANLAR

14 YAPI KABUĞU DOLU ALANLAR Yapı kabuğunu oluşturan katmanların kalınlıkları ısı iletkenlikleri, özgül ısıları ve yoğunluklarına bağlı olan özellikleri kabuğun birim alanından geçen ısıyı etkiler. Bilindiği gibi soğuk hava koşullarında yapı içinden yapı dışına doğru (sıcaktan soğuğa doğru) ısı akışı dolayısıyla ısı kaybı söz konusudur. Bu ısı kaybının azaltılmasında en temel etmen yapı kabuğunun ısısal direncinin yüksek olmasıdır.

15 YAPI KABUĞU DOLU ALANLAR Yapı kabuğunun ısısal direnci, yapı kabuğunda kullanılan gereçlerin ısı iletkenlik katsayılarına ve kalınlıklarına bağlıdır. Isı iletkenlik katsayıları düşük kalınlıkları fazla olan öğelerin ısısal dirençleri yüksektir. Yapı gereçlerinin ısı iletim katsayısı ise, malzemelerinin gözeneklilik durumuna, gözeneklerin büyüklüğü ile dağılım özelliğine ve nem miktarına yakından bağlıdır. Gözenekler içindeki havanın ısı iletim katsayısının çok küçük olmasından ötürü, gözenekli malzemelerin ısı yalıtım etkinliği fazladır. Gözenek sayısının artışı ısı yalıtım etkinliği ile doğru, yoğunlukla ters orantılıdır. Bundan dolayı gözenek sayısı arttıkça malzemenin yoğunluğu azalır, buna karşılık ısı yalıtım etkinliği artar. Ayrıca yapı malzemesi nemlenirse, yani gözeneklerdeki havanın yerini su alırsa ısı yalıtım etkinliği hızla azalır.

16 YAPI KABUĞU DOLU ALANLAR ISI YALITIM MALZEMELERİ Isı yalıtımında genellikle; Anorganik asıllı, - camyünü, taşyünü, perlit vb. Organik asıllı - oluklu mukavva, pamuk keçesi, tahta lifli hafif levha vb. Sentetik asıllı Plastik köpükler - ekspande polistren, poliüretan, ekstrude polistren vb. Seçimlerinde dikkat edilmesi gereken özellikleri - ısı iletiminin küçük olması, - yangına ateşe dayanıklılık, - kolay uygulanabilirlik, olmalıdır.

17 ISI YALITIM MALZEMELERİ Isı iletim katsayısı (kcal/mh C) Kullanma sıcaklık sınırı ( C) Ateşe dayanıklılık Cam yünü -sarı C ye kadar Dayanıklı Taş yünü C ye kadar Dayanıklı Ekstrude polistren /+75 C ye kadar Yanar Ekspande polistren /+70 C ye kadar Yanar Poliüretan /+100 C ye kadar Yanar

18 ISI YALITIMI Dış duvarlarda ısı yalıtımı, dış taraftan, iç taraftan, duvarın ortasında, olmak üzere üç türlü uygulanır.

19 ISI YALITIMI

20 İÇERDEN YALITIM

21 DUVARIN ORTASINDA YALITIM

22 DIŞARDAN YALITIM Duvarın gövdesi ısınır. Isıtmaya ara verildiği dönemde duvar içeriye ısı vermeye devam eder. Isı köprüleri ortadan kalkar. Kesit içinde yoğuşma riski yoktur. İÇERDEN YALITIM Duvar ısıtılmadığından ısıtma kesildiğinde yararlanma olmuyor. Döşemelerde yalıtım kesildiği için ısı köprüleri vardır. Kesit içinde yoğuşma riski vardır. İçerde buhar direnci yüksek buhar kesici görevini görecek yalıtım malzemeleri seçilmelidir. Isı köprüleri Yalıtım

23 OPAK ALANLAR-ISI GEÇİŞİ GEÇİCİ REJİM Opak duvar elemanlarının bünyesinde bir günlük periyod süresince herhangi bir anda iç ve dış ortam sıcaklıkları arasındaki farka ve duvarın fiziksel özelliklerine bağlı olarak bir sıcaklık değişimi gözlenebilir. Sıcaklığın bir gün sonra aynı değerine ulaşması için geçen süreçte, opak duvar elemanının dış yüzeyinden emilen güneş enerjisine bağlı olarak, sıcaklık dağılımı da değişmektedir. Bu süreç sistemin ısıl ataleti olarak ifade edilir.

24 Isıl yayınım katsayısı Malzemelerin önemli bir fiziksel özelliği olan ısıl yayınım katsayısı zamana bağlı ısı iletiminin incelenmesinde etken bir parametredir. Isıl yayınım katsayısı, fiziksel olarak ısının ortam içerisindeki ilerleme hızını, yani zaman içerisinde ilerlediği derinliği göstermektedir ve ortamın ısıl ataletinin bir ölçüsüdür. Isı yayınımı yüksek olan malzemeler düşük ısıl atalete sahiptirler. Isıl yayınım özelliği yüksek olan malzemelerde sıcaklığın zamana göre değişimi, ısıl yayınım özelliği düşük olan malzemelere göre daha fazladır (Özel, 2003).

25 OPAK ALANLAR-ISI GEÇİŞİ Malzemenin ısıl yayınım katsayısı aşağıdaki formülle hesaplanır. α= k/ρc p ( α=iletilen ısı/depolanan ısı) Burada k (λ) malzemenin ısı iletim katsayısı, [W/(mK)], ρ yoğunluğu, C p özgül ısısı dır.

26 Isıl yayınım katsayısı Isıl yayınım katsayısı, ısının bir malzeme içinde ne kadar hızlı yayıldığını gösterir: Yüksek ısı iletim katsayısı veya düşük ısı kapasitesi olan malzemelerin ısıl yayınım katsayıları yüksektir. Yüksek ısıl yayınım katsayısı; iç ortama ısı yayınımının yüksek olduğunu, düşük ısıl yayınım katsayısı ise; ısının büyük miktarda malzeme içinde soğurulduğunu gösterir. Bu tür malzemelerde ısı iletim miktarı da düşüktür.

27 Geçici rejimde sıcaklık opak duvar elemanı içerisinde sinüzoidal bir değişim göstermektedir. Gözlenen sinüzoidal değişim opak duvar elemanının termofiziksel özelliklerine bağlı olarak duvar derinliğince giderek azalmakta ve duvarın iç yüzeyine başlangıçtaki değerinden küçülmüş olarak ulaşmaktadır.

28 ZAMAN GECİKTİRMESİ VE GENLİK KÜÇÜLTME FAKTÖRÜ Zaman geciktirmesi ve genlik küçültme faktörü ısı depolayan malzemeler için geçerli olup, saydam yüzeylerin ısı depolama kapasiteleri ihmal edilecek düzeyde olduğundan bu bileşenler için geçerli değildir. Yapı kabuğunun opak alanları için geçerli olan zaman geciktirmesi ve genlik küçültme faktörü yapı bileşeninin ısı depolama kapasitesinin yani ısıl kütlesinin bir fonksiyonudur.

29 Zaman Geciktirmesi-Faz farkı Zaman Gecikmesi (Faz farkı (φ)) ve Sönüm Oranı (f) şematik gösterimi [Zürcher, 1998] Sinüzoidal değişimin, dış yüzeyden iç yüzeye ulaşana kadar geçen zaman faz farkı (φ), yani gün içinde kabuk dış yüzeyinde etkili olan en yüksek sıcaklığın, bileşenin iç yüzeyinde en yüksek yüzey sıcaklığını oluşturuncaya kadar geçen zaman süresi olarak tanımlanmaktadır. Kabuk ısıl kütlesine bağlı olarak değişim gösterir.

30 Genlik küçültme faktörü / Sönüm Oranı: Dalganın genliğindeki küçülme miktarı yani iç yüzey sıcaklığının genliğinin eşdeğer dış sıcaklığın genliğine olan oranı ise sönüm oranı (f) olarak tanımlanmaktadır. Bir gün içinde iç yüzeydeki en yüksek (Ti,max) ve en düşük(ti,min) sıcaklık farkının, dış yüzeydeki en yüksek (Td,max) ve en düşük(td,min) sıcaklık farkına oranı olarak tanımlanır. Faz farkı ve sönüm oranı, yapıların ısı depolama kapasitelerini hesaplamak için önemli karakteristiklerdir

31 Duvar malzemesinin fiziksel özelliklerine ve kalınlığına bağlı olarak farklı faz kayması ve sönüm oranları elde edilebilmektedir. Böylece gün boyunca depolanan enerji dış tarafta sıcaklığın düşük olduğu gece boyunca kullanılabilir. Özellikle dış sıcaklık dalgalanmalarının oldukça yüksek olduğu yerlerde sönüm oranının çok düşük ve faz farkının yüksek olduğu özel duvarlar tasarlayarak, dış sıcaklık salınımlarını sönümleyerek iç tarafa yayılımı önlenebilir.

32 Opak duvar elemanının ısı ile ilgili fiziksel özelliklerine ve kalınlığına bağlı olarak yaklaşık 12 saate varan faz farkı değerleri elde edilebilmekte ve bu sayede hem pasif güneş enerjili ısı depolama uygulamalarında gündüz depolanan enerjinin gece kullanılabilmesi olanaklı olmakta, hem de soğuk dönemde ısıtma sisteminin kapatıldığı gece saatlerinde ortam sıcaklığındaki aşırı düşüşler engellenmektedir.

33 Sıcak ve kurak bölgelerde uygun duvarlar tasarlanarak, dış ortam sıcaklığının en yüksek olduğu zamanlarda iç ortam sıcaklığı da en düşük düzeyde tutulabilmektedir.

34 SONUÇ Sönüm oranının düşük ve faz farkının büyümesinde etkili olan ısı yayınım katsayısının küçük olması, yani yoğunluk (ρ) ve ısıl kütlenin (C p )büyük olması olumludur. Isı depolama özelliği olan masif kütle ile hafif ve ısı iletmeyen malzemeden oluşan kompozit duvar tipleriyle, iç mekanın işlevi ve duvar kuruluşunda malzemenin konumuna dikkat edilerek uygun yapı kabuğu elde edilebilir.

35 İç ortamın kullanım süresi de yapı kabuğu kesiti oluştururken önemlidir. Kısa süreli ve belli zaman aralıklarında kullanılan yapılarda yapı kabuğunun ısı depolama özelliğinin az olması istenirken, sürekli kullanılan yapılarda iç mekanın sıcaklık değişimlerinden minimum etkilenmesi için, yapı kabuğunda ısı depolamanın çok olması istenir.

36

37 kaynaklar 1. Zerrin Yılmaz Akıllı Binalar ve Yenilenebilir Enerji 2. Koray Ülgen, Türkan Göksal, Necdet Özbalta, Bina Kabuğunu Oluşturan Opak Yapı Malzemelerinin Güneş Enerjisi Karşısındaki Davranışları Yapı Fiziği Kongresi, Aralık Meral Özel, Duvar Yüzeylerinde Periyodik Sıcaklık Değişimi Olan Binalarda Isı Kazanç ve Kayıplarını Minumum Yapacak Yöntemlerin Araştırılması, Doktora Tezi, Elazığ 2003