Key words: Double-glazed windows, triple-glazed windows, optimum air-layer thickness

Transkript

1 İKİ CAMLI VE ÜÇ CAMLI PENCERELERDE ISI GEÇİŞİNİN İNCELENMESİ Arş. Gör. Müslüm ARICI, Semih KÖSE, Ömer Oğuz TOZKOPARAN, Yrd. Doç. Dr. Hasan KARABAY Kocaeli Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü ÖZET Bu çalışmada iki ve üç camlı pencerelerdeki ısı geçişi Sonlu Hacimler Yöntemi esasına dayanan ticari bir program ile incelenmiştir. Çift camlı pencere sistemi için 6mm ile 24mm arasında değişen 5 farklı hava tabakası kalınlığı, üç camlı pencere sistemi için ise 6mm ila 16mm arasında değişen 4 farklı hava tabakası kalınlığı alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Çalışmada iç yüzey sıcaklığı sabit 15 o C sıcaklığında tutulmuş, kış koşullarına uygun olacak şekilde dış cam yüzeylerindeki sıcaklıkların 10 o C, 5 o C, 0 o C, -5 o C ve -10 o C olması durumu için ısı kayıpları incelenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda üç cam kullanılması durumundaki ısı geçişinin, çift camlı duruma göre hava kalınlığına bağlı olarak yaklaşık %50 oranında azaldığı görülmüştür. Ayrıca düşük neşretme (low emissivity) katsayısına sahip camların kullanılması ile ısı kayıplarında %80 ler mertebesinde tasarruf sağlanabileceği gösterilmiştir. Tüm durumlarda, toplam ısı geçişinde ışınımın daha önemli olduğu ve kesinlikle hesaplamalarda ihmal edilmemesi gerektiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Çift cam, üç cam, optimum kalınlık ABSTRACT In this study, heat losses through a double-glazed window and a triple-glazed window are investigated by using a CFD commercial code. Simulations are run for 5 different air layer thicknesses which varying from 6mm to 24mm for double-glazed window and 4 different air layer thicknesses which varying from 6mm to 24 for tripleglazed window. In the study, the surface of the inner glass is specified at 15 o C and the surface temperature of outer glass is varied for 5 different temperatures (T=10 o C, 5 o C, 0 o C, -5 o C, 10 o C). It is observed that if tripleglazed window is used instead of double-glazed window, heat loss can be reduced about %50 depending on air layer thickness. Besides, it is shown that energy losses can be saved up to %80 if the emissivity of glass surfaces is reduced by coating them with low-emissivity material. In all cases, heat transfer by radiation is more dominant then heat transfer by convection. Based on these results, it is concluded that radiation cannot be ignored. Key words: Double-glazed windows, triple-glazed windows, optimum air-layer thickness 1.GİRİŞ Enerji üretim ve tüketim süreçlerinde ortaya çıkan sera gazı emisyonları küresel ısınma ve iklim değişikliğinin en önemli nedenleri arasındadır. Ayrıca kullandığımız enerjinin %75 ini yurtdışından döviz ödeyerek satın almaktayız [6]. Elektrik işleri etüt idaresi internet sitesine göre ülkemizde konutlarda kullanılan toplam enerjinin %82 si ısıtmada kullanılmaktadır. Bu nedenle ülkemizde en çok tasarruf yapılması gereken enerji alanı binalardaki enerji kullanımı olmalıdır. Binalardaki ısı kayıplarının %40 ı dış duvarlardan, %30 u pencerelerden, %17 si kapılardan, %7 si çatılardan ve %6 sı döşemelerden olmaktadır [6]. Eskiden ısıtma sistemi tasarımları, 90 C kazan çıkış ve 70 C kazan dönüş sıcaklıkları üzerinden yapılırken, günümüzde bina kabuğunun iyi 1

2 yalıtılması halinde sıcaklıklar, 70/55 C veya daha altında olacak şekilde yapılabilmektedir. Bu şekilde kazan boyutları küçülmekte, maliyetleri azalmakta ve verimleri artmaktadır. Yani binalarda yapılacak yalıtım ile %25 ila %50 arasında yakıt tasarrufu sağlanabilir [5]. Çatı, döşeme ve dış duvarlar yalıtım malzemeleriyle uygun bir şekilde yalıtılarak enerji kaybı azaltılabilir. Ancak iç mekânı yağmur, rüzgâr gibi dış etkilerden koruyan, doğal aydınlatmadan faydalanmayı sağlayan, dış mekânla görsel bağlantı kurmaya olanak veren özellikleri ile alternatifsiz bir yapı malzemesi olan pencerelerde yalıtım malzemesi bu yüzeylerdeki gibi kullanılamaz. Bu nedenle çok pencereli ortamlarda sorun büyüyecek ve enerji kaybı artacaktır. Pencerelerden olan ısı kaybını azaltmak için çift veya üç camlı pencereler kullanılabilir. İki cam arasında belli kalınlıktaki boşluğun içerisine hava, krypton, xenon, argon gibi ısı iletim katsayısı çok düşük olan asal gazların doldurulması ile ısı kaybı ciddi ölçüde azaltılmaktadır. Pencerelerden gerçekleşen ısı geçişi, iletim, taşınım ve ışınım mekanizmalarının beraberce gerçekleşmesi ile oluşmaktadır. Işınım ile olan ısı kayıpları ciddi büyüklüktedir. Bu ısı kayıplarını inceleyen literatürdeki bazı çalışmalarda [2,4] ışınımın etkisi göz ardı edilmiştir. Bu çalışmada ise ışınımın da etkisi dikkate alınarak, çift camlı ve üç camlı pencere sistemlerindeki ısı geçişleri incelenmiş, her iki durumda elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve sağlanabilecek enerji tasarrufu gösterilmiştir. 2.PROBLEMİN TANITIMI Bu çalışmada kullanılan çift camlı ve üç camlı pencere sisteminin geometrisi Şekil 1 de gösterilmiştir. L q = 0 T 2 T 1 T 3 T 4 Cam Hava ρ (kg/m 3 ) Cp (J/kgK) k (W/mK) q = 0 q = 0 T 4 T 5 T 1 T 2 T 3 T 6 İç ortam H Dış ortam İç ortam H Dış ortam g Hava Hava g Hava g Cam q = 0 Cam Cam L Cam Şekil 1. Çalışmada incelenen çift camlı ve üç camlı pencere sistemleri. L Cam 2

3 Bütün cam kalınlıkları 4mm olarak alınmıştır. Oda (iç) tarafındaki cam yüzey sıcaklığı (T 1 ) 15 o C de sabit olarak alınmış, dış cam yüzey sıcaklığı (çift cam için T 4, üç cam için T 6 ) ise 5 farklı sıcaklık değeri için (-10 o C, -5 o C, 0 o C, 5 o C, 10 o C) hesaplamalar yapılmıştır. Ara boşluk mesafesi, çift cam için 6mm-24mm arasında (6mm, 9mm, 12mm, 16mm, 24mm) değişen 5 farklı değer, üç cam için ise 6mm-16mm arasında (6-6mm, 9-9mm, 12-12mm, 16-16mm) değişen 4 farklı değer alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Işınımın etkisini görebilmek için bu çalışma öncelikle ışınım ihmal edilerek, daha sonra ise ışınım da dâhil edilerek iki bölümde yapılmıştır. Pencere yüksekliği tüm geometrilerde 1m olarak alınmıştır. Ayrıca pencere yüzeylerinin farklı yayınım katsayılarına sahip malzemeler ile kaplanması durumundaki ısı geçişi incelenmiştir. Bu amaçla, iki camlı sistemde 12mm, üç camlı sistemde ise 6-6mm ara boşluklu konfigürasyonlar ele alınarak, cam yüzeylerinin yayınım katsayısı 0.25 ila 1 arasında değiştirilmiştir. 3. SAYISAL ÇÖZÜM METODU Bu çalışmada sonlu hacimler yöntemi esasına dayanan ticari bir kod olan Star-CCM paket programı kullanılmıştır. Problem iki boyutlu ve zamandan bağımsız olarak ele alınmıştır. Yoğunluk dışındaki tüm fiziksel özellikler sabit kabul edilmiş, yoğunluk ise ideal gaz kabulü yapılarak hesaplanmıştır. Şekil 2 de çözümlerde kullanılan örnek bir ağ yapısı gösterilmiştir. Cam yüzeylerine yakın yerlerde x doğrultusunda ince ağ kullanılmış, geri kalan kısımlarda ise daha yüksek ağ genişliğine sahip üniform bir ağ kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan hücre sayısı ara boşluk mesafesine bağlı olarak arasında değişmektedir. Şekil 2. Bu çalışmada kullanılan ağ yapısı. Havanın temas ettiği tüm yüzeylerde hız kaymama sınır koşulu kabul edilmiştir. Alt ve üst yüzeylerde Denk.(1 ve 2) de verildiği gibi adyabatik sınır şartı uygulanmıştır. Cam Hava Cam Hava Cam 3

4 T y 0 0 y (1) T y 0 y H Momentum ve enerji denklemleri ikinci mertebeden upwind yaklaşımı ile ayrıklaştırılmış, basınç-hız denklemi ise SIMPLE algoritması ile çözülmüştür. Kapalı boşluklardaki akışın laminerden türbülansa geçtiği kritik Rayleigh sayısı 10 6 dır [3,4]. Bu çalışmada hesaplanan tüm Rayleigh sayıları 10 6 dan küçük olduğu için bütün durumlarda akış laminer olarak incelenmiştir. (2) Işınımla olan ısı transferi, camlar arasındaki akışkanın ışınıma katılmadığı kabul edilerek Surface-to-Surface (S2S) radyasyon modeli ile çözülmüştür. Görme faktörleri ara hava boşluk kalınlıklarına bağlı olarak 0,97-0,99 değerleri arasında değişmektedir. 4.SAYISAL SONUÇLAR Çift camlı ve üç camlı pencere sistemlerindeki toplam ısı akısının ara boşluk mesafesi ve sıcaklık farkları ile değişimi sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4 te gösterilmiştir. Ayrıca, bu şekillerde ışınımla geçen enerjinin toplam ısı akısına olan etkisi görülebilir. Kesikli çizgilerle gösterilen eğriler ışınımın dâhil edilmediği, dolu çizgili eğriler ise ışınımın dâhil edildiği hesaplamalara aittir. Şekillerden de görüldüğü ışınımın dâhil edildiği ve edilmediği hesaplamalardaki toplam ısı transferi arasındaki fark sıcaklık farkına bağlı olarak %80 ler mertebesine ulaşmaktadır. Ayrıca bu grafiklerden camlar (iç ve dış camlar) arasındaki hava tabakası kalınlığının toplam ısı transferine olan etkisi de görülmektedir. Küçük ara boşluklardaki enerji geçişi, aynı şartlardaki geniş aralıklı pencerelere göre çok daha büyüktür. Hava tabakası kalınlığı arttıkça geçen ısı miktarı hızlı bir şekilde azalmakta, fakat belli bir hava tabakası kalınlığından sonra bu azalış miktarı azalmaktadır. Isı geçişinin hızlı bir şekilde azaldığı bölgede ısı geçişi iletim ve ışınım mekanizmaları ile gerçekleşmektedir. Tabaka kalınlığının artması ile iletim direnci büyüdüğü ve enerji geçişinin lineer olarak azaldığı Şekil 3 ten görülmektedir. Belirli bir tabaka kalınlığından sonra taşınım mekanizmasının etkili olmaya başladığı ve tabaka kalınlığı arttıkça ısı kayıplarının çok fazla değişmediği görülebilir. Dolayısıyla çok camlı pencere sistemlerinde optimum hava kalınlığı yerine minimum hava kalınlığı aranması daha doğrudur. Şekil 4 te ise üç camlı pencere uygulaması ısı kayıplarının tek taraftaki ara boşluk kalınlığı ve sıcaklık farkları ile değişimleri gösterilmiştir. Şekil 3 ve Şekil 4 mukayese edildiğinde ısı kayıplarının üç camlı pencere uygulaması ile ciddi şekilde azaldığı görülmektedir. Ayrıca bu şekillerdeki sonuçlardan yararlanarak, pencerelerdeki toplam ısı kayıplarında ışınımın dominant olduğu görülmektedir. Tablo 1 de çift cam ve üç cam pencere uygulamaları için ısı kayıplarının farklı hava tabakası kalınlığı ve sıcaklık farkları ile hesaplanmış değerleri verilmiştir. Tablo 1 den görüldüğü gibi üç cam uygulaması ile toplam ısı kayıpları tüm hava tabakası kalınlıkları ve sıcaklık farklarında %50 mertebelerinde azalmaktadır. Ayrıca Tablo 1 de çift cam 12mm sonuçları ve üç cam 6-6mm sonuçlarının karşılaştırılması yapılarak, yani aynı kalınlıktaki 4

5 hava tabakasının üç cam kullanarak ikiye bölünmesi ile enerji kayıplarında %30 mertebelerinde tasarruf yapılabileceği görülmektedir. Tablo 2 de Denk. (3) ile tanımlanan toplam ısı geçiş katsayısının çift ve üç cam uygulamaları için hava tabakası kalınlığı ve sıcaklık farkları ile değişimleri verilmiştir. Tablo 2 de sonuçlardan yararlanarak toplam ısı geçiş katsayılarının üç cam uygulaması ile %50 mertebelerinde azalmakta olduğu söylenebilir. K = q T (3) Burada; q(w/m 2 ) toplam ısı akısını, T(K) sıcaklık farkını göstermektedir q (W/m 2 ) 100 T = 25 oc T = 15 oc T = 5 oc T = 25 oc (ışınımsız) T = 15 oc (ışınımsız) T = 5 oc (ışınımsız) L (mm) Şekil 3. Çift camlı pencere sistemi için sıcaklık farkının 5 o C, 15 o C, 25 o C olması halinde, ısı akısının (ışınımla ısı geçişinin dikkate alınmadığı ve dikkate alındığı durumlarda) hava tabakası kalınlığı ile değişimi. Şekil 5 te 12mm toplam hava kalınlığı için çift cam ve üç cam uygulamalarındaki ısı kayıplarının farklı yayınım katsayılarına (ε) sahip cam yüzeyleri ile değişimi gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi toplam ısı kayıpları pencere yüzeylerinin yayınım katsayılarının azaltılması ile ciddi oranlarda azalmaktadır. Aynı ε değerine sahip pencerelerden üç cam uygulamasındaki ısı kayıpları iki camlıya göre daha düşük olmaktadır. ε değeri yaklaşık 1 olan çift camlı bir penceredeki ısı kaybı 100 W/m 2 civarında olurken, yayınım katsayısı 0.25 mertebelerinde olan üç camlı uygulamada ısı kayıpları 20 W/m 2 mertebelerine düşmekte, yaklaşık %80 mertebelerinde tasarruf sağlanabileceği görülmektedir. 5

6 q 80 (W/m 2 ) 60 T = 25 oc T = 15 oc T = 5 oc T = 25 oc (ışınımsız) T = 15 oc (ışınımsız) T = 5 oc (ışınımsız) L (mm) Şekil 4. Üç camlı pencere sistemi için sıcaklık farkının 5 o C, 15 o C, 25 o C olması halinde, ısı akısının (ışınımla ısı geçişinin dikkate alınmadığı ve dikkate alındığı durumlarda) hava tabakası kalınlığı ile değişimi. Tablo 1. Çift camlı ve üç camlı pencere sistemlerindeki toplam ısı akılarının (W/m 2 ) karşılaştırılması. (T iç =15 o C, T=T iç -T dış ) 2 cam 3 cam Kalınlık (mm) T = 5 o C T = 10 o C T = 15 o C T = 20 o C T = 25 o C

7 Tablo 2. Çift camlı ve üç camlı pencere sistemlerindeki toplam ısı transfer katsayılarının (W/m 2 K) karşılaştırılması. (T iç =15 o C, T=T iç -T dış ) 2 cam 3 cam Kalınlık (mm) T = 5 o C T = 10 o C T = 15 o C T = 20 o C T = 25 o C cam 12 mm 3 cam 6 mm q 80 (W/m 2 ) Şekil 5. Cam yüzeylerindeki ısı yayınım katsayılarının ısı geçişine etkisi ( T=15 o C) 5. SONUÇ VE TARTIŞMA Bu çalışmada çift camlı ve üç camlı pencere sistemlerindeki ısı kaybı incelenmiştir. Pencere iç yüzey sıcaklığı 15 o C sıcaklığında sabit tutularak, dış cam yüzeylerindeki sıcaklıklar 10 o C, 5 o C, 0 o C, -5 o C, -10 o C olacak şekilde değiştirilmiştir. Hava tabakası kalınlığının çift cam için 6mm-24mm arasında (6mm, 9mm, 12mm, 16mm, 24mm) değişen 5 farklı, üç cam için ise 6mm-16mm arasında (6-6mm, 9-9mm, 12-12mm, 16-16mm) değişen 4 farklı değer olması durumu için parametrik bir çalışma yapılarak ısı kayıpları hesaplanmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar aşağıda kısaca özetlenmiştir. Aynı dış yüzey sıcaklığında, ara boşluk mesafesi arttıkça toplam ısı kaybının ciddi biçimde azaldığı gösterilmiştir. Fakat belirli bir boşluk mesafesinden sonra ısı kaybındaki azalış durmaktadır. Bu kalınlıktan 7

8 sonra arttırılacak hava tabakası kalınlığı ısı geçişini azaltır fakat bu azaltma değeri çok küçüktür. Dolayısıyla çift camlı ve üç camlı pencere tasarımında optimum kalınlıktan ziyade minimum kalınlık belirlemenin pratik olarak daha doğru olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Hemen hemen bütün geometri ve sıcaklık farklarında ışınımla ısı geçişinin iletim ve taşınımla olan ısı geçişine göre daha baskın olduğu görülmüştür. Bu çalışma sonucunda ışınımı dikkate almaksızın yürütülen her araştırma veya pencere imalatının hatalı olacağı gösterilmiştir. Hava tabakası kalınlığının 10-15mm den küçük olduğu tüm durumlarda taşınımla ısı geçişi ihmal edilebilecek seviyede olup ısı geçişi iletim ve ışınımla gerçekleşmektedir. Bu nedenle hava tabakası kalınlığının bu değerden küçük olduğu durumlarda hava hareketini engellemek için üç cam kullanmaya gerek yoktur. Ancak, çift cam yerine toplamda aynı hava tabakası kalınlığına sahip üç cam kullanılması durumunda aradaki cam ışınım kalkanı görevi görerek ısı geçişini ciddi oranda azaltmaktadır. Cam yüzeylerinin düşük yayınım katsayılarına sahip malzemeler ile kaplanması durumunda ciddi oranda enerji tasarrufu yapılabilir. 8

9 6.KAYNAKLAR [1] Arıcı M., Tozkoparan Ö.O., Karabay H., Çift camlı pencerelerde ısı geçişinin incelenmesi, IV. Ege Enerji Sempozyumu. İzmir, , 2008 [2] Aydın O., Determination of optimum air layer thickness in double-pane windows. Energy and Buildings, 32, , [3] Çengel Y., Heat Transfer: A practical approach. McGraw-Hill, [4] Manz H., Numerical simulation of heat transfer by natural convection in cavities of facade elements, Energy and Buildings, 35, , [5] (Ziyaret tarihi: ) [6] (Ziyaret tarihi: ) 9