ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ YELİZ KONUKLU MİKROKAPSÜLLENMİŞ FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERDE TERMAL ENERJİ DEPOLAMA İLE BİNALARDA ENERJİ TASARRUFU KİMYA ANABİLİM DALI ADANA, 2008

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MİKROKAPSÜLLENMİŞ FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERDE TERMAL ENERJİ DEPOLAMA İLE BİNALARDA ENERJİ TASARRUFU Yeliz KONUKLU DOKTORA KİMYA ANABİLİM DALI Bu tez 15/02/2008 tarihinde aşağıdaki jüri üyeleri tarafından oybirliği ile kabul edilmiştir. İmza... Prof. Dr Halime PAKSOY İmza... İmza... Prof. Dr. Hunay EVLİYA Prof. Dr. Sermin ÖRNEKTEKİN DANIŞMAN ÜYE ÜYE İmza... Doç. Dr. H.Hüseyin ÖZTÜRK ÜYE İmza... Doç. Dr. Tunç TÜKEN ÜYE Bu tez enstitümüz Kimya Anabilim Dalı nda hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Bu çalışma Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi ve Devlet Planlama Teşkilatı (DPT) tarafından desteklenmiştir. Proje No: FEF 2005D17 Proje No: 2005K D Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanununda

3 ÖZ DOKTORA TEZİ MİKROKAPSÜLLENMİŞ FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERDE TERMAL ENERJİ DEPOLAMA İLE BİNALARDA ENERJİ TASARRUFU Yeliz KONUKLU ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Yıl: 2008, Sayfa: 172 Jüri: Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Prof. Dr. Hunay EVLİYA Prof. Dr. Sermin ÖRNEKTEKİN Doç.Dr. H.Hüseyin ÖZTÜRK Doç.Dr. Tunç TÜKEN Enerji üretimi ve kullanımında yabancı kaynaklara bağımlılık ve çevre üzerindeki olumsuz etkiler enerji verimliliği ve tasarrufu konularını öne çıkarmıştır. Isıtma ve soğutma uygulamalarının verimliliğinin arttırılmasında faz değiştiren maddelerde (Phase changing materials-pcm) termal enerji depolamadan yararlanılmaktadır. PCM lerin yüksek hacimsel depolama ve izotermal davranışları tercih edilmelerindeki en önemli nedenlerdir. PCM kullanımında en uygun erime noktası, termal özellik ve kapsülleme yöntemi bileşimini bulmak gerekmektedir. PCM mikrokapsüllenmesindeki esas hedef, maddenin kapsül içinde hapsolarak faz değişiminin kapsül içinde gerçekleşmesidir. Böylece, PCM in kullanımı kolaylaşırken ısı transferi açısından daha elverişli bir ortam oluşmaktadır. Bu çalışmada mikrokapsüllenmiş faz değiştiren maddeler, Adana ilindeki bir test odasının ısıtma soğutma yükünü azaltmak amacı ile kullanılmıştır. Yapılan analizler, bina içerisinde kullanılan faz değiştiren maddelerin erime noktası ve ergime ısısının termal enerji depolama özelliği ile enerji tasarrufuna katkıda bulunduğunu göstermektedir. Boş test odası ile karşılaştırıldığında, mikrokapsüllenmiş PCM lerin yazın soğutma yüküne %5-10; kışın ısıtma yükünde % arası katkı sağladığı belirlenmiştir. Yapılan çalışma sonuçlarının farklı yerlerde uygulama yapılmasına gerek kalmadan kullanılabilmesi için, Design Expert programı yardımı ile simülasyon çalışmaları yapılmış ve bir model geliştirilmiştir. Simülasyon sonuçları deney sonuçları uyum içinde olup modelin benzer uygulamalar için kullanılabileceğine karar verilmiştir. Anahtar kelimeler: Faz Değiştiren Maddeler (PCM), Termal Enerji Depolama, Enerji Tasarrufu, Mikrokapsül, Simülasyon I

4 ABSTRACT DOCTORAL THESIS ENERGY CONSERVATION IN BUILDINGS USING THERMAL ENERGY STORAGE IN MICROENCAPSULATED PHASE CHANGE MATERIALS Yeliz KONUKLU ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES CHEMISTRY DEPARTMENT Supervisor : Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Year: 2008, Pages:172 Jury: Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Prof. Dr. Hunay EVLİYA Prof. Dr. Sermin ÖRNEKTEKİN Assoc.Prof.Dr. H.Hüseyin ÖZTÜRK Assoc.Prof.Dr. Tunç TÜKEN Dependence on foreign energy resources for energy production and consumption and adverse environmental effects have made energy efficiency and conservation more important than ever. Many heating and cooling applications benefit from using thermal energy storage in phase change materials (PCM). Isothermal nature and high volumetric capacity of PCM s make them favourable. Challenge in PCM utilization is finding the optimum combination of appropriate melting point, thermal properties and encapsulation technique. For PCM microencapsulation the ultimate aim is not only to make PCM easier and safer to handle but also improve its thermal properties. In this study, thermal energy storage in microencapsulated PCMs was used to decrease heating and cooling load of a test building in Adana, Turkey. The results of application of microencapsulated PCMs with building elements showed that the melting temperature and latent heat of microencapsulated PCMs can be used for latent heat storage in buildings to save energy cost and electric power. Compared with an ordinary room, it was found that usage of Microencapsulated PCM in building applications has reduced the energy consumption by 5-10% compared to a conventional climate control solution during summer and 10-20% during winter. In order not to do other applications in different areas simulations were done with Design Expert Program and a model was devoloped. Simulations were in good agreement with experimental results and it's decided that devoloped model can be used for similar applications. Keywords: Phase change materials, Thermal Energy Storage, Energy Conservation, Microencapsulation, Simulation II

5 TEŞEKKÜR Doktora çalışmam süresince her zaman yanımda olduğunu hissettiğim ve önerileri ile bana farklı bakış açıları kazandıran, bilgilerinden faydalandığım danışman hocam sayın Prof. Dr. Halime Ö. Paksoy a, her aşamada benden tecrübe ve yardımlarını esirgemeyen hocam sayın Prof. Dr. Hunay Evliya ya teşekkür eder, saygılarımı sunarım. Yalıtım malzemeleri ile bize destek veren İzocam Teknik Pazarlama Müdürü sayın Dr. Kemal Gani Bayraktar a teşekkür ederim. Bana bilgi ve tecrübe sunan, yardımlarını esirgemeyen, katkılarıyla birer görünmez yardım eli olan Eksoy şirketler grubuna ve Yönetim Kurulu Başkanı sayın Ender Soydan a teşekkür ederim. Simülasyon çalışmaları sırasında bana yol gösteren değerli arkadaşım Evren Güldere ye ve bu çalışmada emeği geçen herkese teşekkürü bir borç bilirim. Manevi desteklerini her zaman yanımda hissettiğim ve nerede olurlarsa olsunlar bana sadece bir adım uzaklıkta olan aileme teşekkürlerimi ve şükranlarımı sunarım. Tanıdığım ilk günden beri bana olan sevgisini her zaman hissettiren daima yanımda olan bu çalışma sırasında benimle birlikte emek veren en iyi arkadaşım, sevgili eşim Süleyman Konuklu ya ve birkaç ay sonra dünyaya gelecek biricik oğlum canım Can a sonsuz teşekkürler. Kendilerine olan sevgimi göstermek amacı ile bu çalışma canım oğlum ve eşime ithaf edilmiştir. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT...II TEŞEKKÜR...III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... IX ŞEKİLLER DİZİNİ... XII SİMGELER VE KISALTMALAR...XVI 1. GİRİŞ Termal Enerji Depolama Duyulur Isı Gizli Isı Depolama Faz Değiştiren Maddeler ve Isı Depolamada Uygulama Alanları Termokimyasal Enerji Depolama Mikrokapsülleme Mikrokapsül Hazırlama Yöntemleri Faz Değiştiren Maddeler Ve Mikrokapsülleme Yalıtım Isı Transferi Ve Yalıtım Isı Yalıtımını Gerekli Yapan Nedenler Isı Yalıtımının Teorik Esası Binalarda Isı Yalıtımı Türkiye Yalıtım Sektörünün Gelişimi Ve Mevcut Durumu Sektördeki Yasal Düzenlemeler Ve Kanunlar ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOD Materyal Mikrokapsüllenmiş Parafinler Yalıtım Malzemesi Cam Yünü / İzopan...35 IV

7 Makro Paketleme İşlemi İçin Alüminyum Folyo Metod Su Banyosu Metodu Data-Logger İle Sıcaklık Ölçme Metodu Algılayıcılar Optik Mikroskop Differansiyel Taramalı Kalorimetre, DSC FTIR Kullanarak Kimyasal Kararlılığı Belirleme Metodu Prefabrik Test Kulübesi Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Makro paketlenmesi Yalıtım Malzemelerinin Test Kulübesi İçerisine Yerleştirilmesi Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Test Kulübesi İçerisine Yerleştirilmesi Soğutma Yükü Hesap Yöntemi Isıtma Yükü Hesaplama Tek Yönlü Varyans Analizi Design Expert BULGULAR VE TARTIŞMALAR Yaz Ölçümleri Test Kulübesinin Boş İken Alınan Ölçüm Sonuçları Test Kulübesi İçerisine Yalıtım Malzemesinin Yerleştirilmesi Test Kulübesi İçerisine Micronal PCM 5001 in Yerleştirilmesi Test Kulübesi İçerisine Micronal PCM 5008 in Yerleştirilmesi Test Kulübesi İçerisine Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Yerleştirilmesi Test Kulübesi İçerisine Mikrokapsüllenmiş PCM ler İle Yalıtım Malzemesinin Beraber Yerleştirilmesi Tek Yönlü Varyans Analizi Yaz Ölçümlerinin Karşılaştırılması Kış Ölçümleri Test Kulübesinin Boş İken Alınan Ölçüm Sonuçları Test Kulübesi İçerisine Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Yerleştirilmesi Test Kulübesi İçerisine Yalıtım Malzemesinin Yerleştirilmesi...93 V

8 Test Kulübesi İçerisine Mikrokapsüllenmiş PCM ler İle Yalıtım Malzemelerinin Beraber Yerleştirilmesi Kış Ölçümlerinin Karşılaştırılması Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Termal Özelliklerinin Belirlenmesi Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Termal Enerji Depolama Kapasitelerinin DSC İle Belirlenmesi Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Yapısal Kararlılığının İncelenmesi Mikrokapsüllenmiş PCM lerin Kimyasal Kararlılığının İncelenmesi Soğutma Yüküne Termal Enerji Depolamanın Katkısı Boş Test Kulübesi İçin Soğutma Yükü Hesaplama Boş Test Kulübesi İçin Dolu Alanlar Soğutma Yükü Boş Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Soğutma Yükü Boş Test Kulübesi İçin Cam Işınım Soğutma Yükü Boş Test Kulübesi İçin Sızmadan Kaynaklı Soğutma Yükü PCM li Kulübesi İçin Soğutma Yükü Hesaplama PCM li Kulübesi İçin için Dolu Alanlar Soğutma Yükü PCM li Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Soğutma Yükü PCM li Test Kulübesi İçin Cam Işınım Soğutma Yükü PCM li Test Kulübesi İçin Sızmadan Kaynaklı Soğutma Yükü Yalıtım Malzemeli Test Kulübesi İçin Isıtma Yükü Hesaplama Yalıtım Malzemeli Test Kulübesi İçin Dolu Alanlar Soğutma Yükü YM li Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Soğutma Yükü YM li Test Kulübesi İçin Cam Işınım Soğutma Yükü YM li Test Kulübesi İçin Sızmadan Kaynaklı Soğutma Yükü Toplam Soğutma Yükü Gizli Isı Nedeniyle Oluşan Soğutma Yükü Soğutma Yükü Tasarruf Analizi YM li Test Kulübesi İçin Soğutma Yükü tasarruf analizi PCM li Test Kulübesi İçin Soğutma Yükü tasarruf analizi Soğutma Yükü Ekonomik Analiz VI

9 4.9. Isıtma Yüküne Termal Enerji Depolamanın Katkısı Boş Test Kulübesi İçin Isıtma Yükü Hesaplama Boş Test Kulübesi İçin Dolu Alanlar Isıtma Yükü Boş Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Isıtma Yükü Boş Test Kulübesi İçin Sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü Boş Test Kulübesi İçin Toplam ısıtma yükü PCM li Test Kulübesi İçin Isıtma Yükü Hesaplama PCM li Test Kulübesi İçin Dolu Alanlar Isıtma Yükü PCM li Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Isıtma Yükü PCM li Test Kulübesi İçin Sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü PCM li Test Kulübesi İçin Toplam Isıtma Yükü YM li Test Kulübesi İçin Isıtma Yükü Hesaplama YM li Test Kulübesi İçin Dolu Alanlar Isıtma Yükü YM li Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Isıtma Yükü YM li Test Kulübesi İçin Sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü YM li Test Kulübesi İçin Toplam Isıtma Yükü YM ve PCM li Test Kulübesi İçin Isıtma Yükü Hesaplama YM ve PCM li Test Kulübesi İçin Dolu Alanlar Isıtma Yükü YM ve PCM li Test Kulübesi İçin Saydam Alanlar Isıtma Yükü YM ve PCM li Test Kulübesi İçin Sızmadan Kaynaklı Duyulur Isıtma Yükü YM ve PCM li Test Kulübesi İçin Toplam Isıtma Yükü Isıtma Yükü Tasarruf Analiz Isıtma Yükü Ekonomik Analiz Elektrik Kömür Doğalgaz Farklı Yakıt Türlerine Göre 1 Aylık Isınma Giderlerin Karşılaştırılması CO 2 Salınımındaki Azaltma Soğutmada CO 2 Salınımındaki Azaltma VII

10 Isınmada CO 2 Salınımındaki Azaltma Isınma Elektrikle Sağlandığında CO 2 Salınımındaki Azalma Isınma Kömür Ve Doğalgaz İle Sağlandığında CO 2 Salınımındaki Azalma Sistemin Geri Ödeme Süresi Design Expert 7.1 İle Simülasyon Çalışmaları SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ EK 1. ERİME NOKTASI C ARASINDA OLAN TİCARİ OLMAYAN PCM LERİN TERMOFİZİKSEL ÖZELLİKLERİ EK 2. ERİME NOKTASI C ARASINDA OLAN TİCARİ PCM LERİN TERMOFİZİKSEL ÖZELLİKLERİ EK 3: DATALOGGER İÇİN HAZIRLANAN DOSYALAR EK 4. İLLERE GÖRE DERECE GÜN BÖLGELERİ VIII

11 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Isı yalıtım malzemelerinin bağlı bulunduğu ürün standartları...17 Çizelge 1.2. Ülkelere göre kişi başına yalıtım malzemesi tüketimi...20 Çizelge 1.3. TS 825 in Sağladığı Enerji Tasarrufunun Ekonomik Büyüklüğü...21 Çizelge 2.1.Tuz hidratları ve organik PCM ler...23 Çizelge 2.2.Yapı malzemesi içerisindeki PCM lerin termofiziksel özellikleri...23 Çizelge 2.3. Termal çevrimlerden sonra faz değiştiren maddelerin ergime ısılarının belirlenmesi...26 Çizelge 2.4.Koaservasyon ve sprey kurutma yöntemi ile elde edilen mikrokapsüllerin enerji depolama ve geri kazanma kapasitesi Çizelge 3.1. Micronal PCM lerin özellikleri...35 Çizelge 3.2. İzopan ın boyutları...36 Çizelge 3.3. İzopan ın özellikleri...37 Çizelge 3.4. Sıcaklık algılayıcısının özellikleri...41 Çizelge 3.5. DSC nin teknik Özellikleri...44 Çizelge 3.6. DSC nin örnek özellikleri...45 Çizelge 3.7. Prefabrik kulübe, teknik özellikler...46 Çizelge 3.8. Alüminyum folyo ve Buz torbasının termal iletkenlik değerleri...50 Çizelge 3.9. Soğutma yükü hesap basamakları...61 Çizelge Sızma-Bir saatteki hava değişimleri...62 Çizelge Isıtma yükü hesaplama; Ashrae Modeli...65 Çizelge Parametrelerin sınır değerleri...68 Çizelge 4.1. Tanımlayıcılar...82 Çizelge 4.2. ANOVA test sonuçları...83 Çizelge 4.3. Boş test kulübesi dolu alanlar soğutma yükü Çizelge 4.4. Boş test kulübesi saydam alanlar soğutma yükü Çizelge 4.5. Boş test kulübesi sızmadan kaynaklı duyulur soğutma yükü Çizelge 4.6. PCM li test kulübesi dolu alanlar soğutma yükü Çizelge 4.7. PCM li test kulübesi saydam alanlar soğutma yükü IX

12 Çizelge 4.8. PCM li test kulübesi sızmadan kaynaklı duyulur soğutma yükü Çizelge 4.9. YM li test kulübesi dolu alanlar soğutma yükü Çizelge YM li test kulübesi saydam alanlar soğutma yükü Çizelge YM li test kulübesi sızmadan kaynaklı duyulur soğutma yükü Çizelge Toplam soğutma yükleri Çizelge Gizli ısı etkili toplam soğutma yükü Çizelge Boş test kulübesi dolu alanlar ısıtma yükü Çizelge Boş test kulübesi saydam alanlar ısıtma yükü Çizelge Boş test kulübesi sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü Çizelge Boş test kulübesi toplam ısıtma yükü Çizelge PCM li test klubesi dolu alanlar ısıtma yükü Çizelge PCM li test klubesi saydam alanlar ısıtma yükü Çizelge PCM li test klubesi sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü Çizelge PCM li test klubesi toplam ısıtma yükü Çizelge YM li test kulübesi dolu alanlar ısıtma yükü Çizelge YM li test kulübesi saydam alanlar ısıtma yükü Çizelge YM li test kulübesi sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü Çizelge YM li test kulübesi toplam ısıtma yükü Çizelge YM ve PCM li test kulübesi dolu alanlar ısıtma yükü Çizelge YM ve PCM li test kulübesi saydam alanlar ısıtma yükü Çizelge Sızmadan kaynaklı duyulur ısıtma yükü Çizelge YM+PCM li kulübe için toplam ısıtma yükü Çizelge Isıtma Yükü tasarrufu Çizelge Doğalgaz fiyatı Çizelge aylık ısınma giderlerinin karşılaştırılması Çizelge Elektrik üretiminde kullanılan yakıt türüne göre salınan CO 2 miktarları Çizelge Çeşitli fosil yakıtlar için CO 2 salınım faktörleri Çizelge aylık soğutma ile CO 2 salınımdaki azaltma Çizelge aylık ısınma için gerekli enerji X

13 Çizelge aylık ısınma elektrik ile sağlandığında CO 2 salınımındaki azaltma Çizelge aylık ısınma kömür veya doğalgaz ile sağlandığında CO 2 salınımdaki azaltma Çizelge aylık ısınma için gerekli enerji Çizelge Modeli etkileyen parametrelerin Kikare %lik dağılımları Çizelge Simülasyon programının Anova test sonuçları XI

14 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Faz Değiştiren Maddeler...4 Şekil 1.2. Mikrokapsül sınır boyutlarının şematik gösterimi...7 Şekil 1.3. Farklı türdeki mikrokapsüllerin yapıları...8 Şekil 1.4. Yapıyı çevreleyen dış duvarların içinde, yalıtımlı ve yalıtımsız durumlar için oluşan sıcaklık profilleri...16 Şekil 2.1. Dörken Delta firmasının bina tavan uygulamalarına yönelik PCM kapsülleri...24 Şekil 2.2. Rubitherm 'in zeminde PCM uygulaması...28 Şekil 2.3. Kapsüllenmemiş Parafin...29 Şekil 2.4. Jelatin- Arap zamkı ile kapsüllenmiş parafin...29 Şekil 2.5. Bina uygulamaları için PCM'li PVC plakaları...30 Şekil 2.6. Lleida Üniversitesi ndeki pilot çalışma sonuçları...31 Şekil 3.1. a) Normal parafinik hidrokarbonlar b) İzo-parafinik hidrokarbonlar...34 Şekil 3.2. Alkanların erime noktasının içerdiği karbon sayısına göre değişimi...34 Şekil 3.3. İzopan...36 Şekil 3.4. Makro paketleme işlemi için kullanılan yapışkanlı alüminyum folyo...37 Şekil 3.5.Termostatlı su banyosu yöntemi...39 Şekil 3.6. Sıcaklık Ölçer...40 Şekil 3.7. Thermocouple...41 Şekil 3.8. Sıcaklık Ölçer (Data-Logger) e Sıcaklık algılayıcılarının bağlanması...42 Şekil 3.9. OLYMPUS CX31 mikroskop...43 Şekil Perkin Elmer, Diamond DSC...44 Şekil 3.11.FTIR, Perkin Elmer, Spectrum One...45 Şekil 3.12.Test Kulübesinin Kuzey-Batı Cephesi...46 Şekil Test kulübesinin ebatları...47 Şekil Buz torbası...49 Şekil Alüminyum folyo...49 Şekil Makro paketleme işlemi için Alüminyum folyoların uygun boyuta getirilmesi...50 XII

15 Şekil Alüminyum folyo içerisine mikrokapsüllerin konulması...51 Şekil Mikrokapsüllenmiş PCM'lerin folyo içerisinde yayılması...51 Şekil Folyo içerisinde Mikrokapsüllerin yayılmış görüntüsü...52 Şekil Mikrokapsüllenmiş PCM'lerin makro paketleri...52 Şekil Yalıtım malzemelerinin uygun boyutunun saptanması...53 Şekil Yalıtım Malzemelerinin uygun boyuta getirilmesi...53 Şekil Yalıtım malzemesinin monte edilmesini sağlayan yapışkanlı vida...54 Şekil Yapışkanlı vidaların duvara monte edilmesi...54 Şekil Yalıtım malzemelerinin kulübe duvarına monte edilmiş hali...55 Şekil Yalıtım malzemelerinin tüm kulübe duvarlarına yerleştirilmiş hali...55 Şekil Mikrokapsüllenmiş PCM'lerin kulübe duvarlarına monte edilmiş hali...56 Şekil Mikrokapsüllenmiş PCM'lerin kulübe duvarlarına Yalıtım malzemeleriyle birlikte monte edilmesi...57 Şekil Güneybatı cephesine yerleştirilmiş olan sıcaklık algılayıcısı...58 Şekil Güneydoğu cephesine yerleştirilmiş olan sıcaklık algılayıcısı...58 Şekil Dış ortam sıcaklığını belirleme amacı ile kulübe dışına yerleştirilmiş sıcaklık algılayıcısı...59 Şekil Kulübenin merkez noktasına yerleştirilmiş olan sıcaklık algılayıcısı...59 Şekil Sızmanın gizli ısı oranına etkisi...62 Şekil Sıcaklık-bağıl nem-mutlak nem ilişkisi...63 Şekil Simülasyon için tasarım matrisinin oluşturulması...69 Şekil Tasarım için oluşturulan matris verilerinin grafik üzerindeki gösterimi..70 Şekil 4.1. Test kulübesinin boş iken iç ortam ve dış ortam sıcaklık eğrileri...72 Şekil 4.2. Test kulübesi içerisine yalıtım malzemeleri yerleştirilmiş iken iç ortam ve dış ortam sıcaklık eğrileri...73 Şekil 4.3. Test kulübesi içerisine Micronal PCM 5001 makro paketleri yerleştirilmiş iken, iç ortam ve dış ortam sıcaklık eğrileri...74 Şekil 4.4. Test kulübesi içerisine Micronal PCM 5008 makro paketleri yerleştirilmiş iken, iç ortam ve dış ortam sıcaklık eğrileri...75 Şekil 4.5. Test kulübesi içerisine Micronal PCM 5001 ve 5008 makro paketleri yerleştirilmiş iken, iç ortam ve dış ortam sıcaklık eğrileri...77 XIII

16 Şekil 4.6. Dış ortam sıcaklık eğrileri...78 Şekil 4.7.Güneydoğu cephesi sıcaklık eğrileri...78 Şekil 4.8.Güneybatı cephesi sıcaklık eğrileri...79 Şekil 4.9. Kuzeybatı cephesi sıcaklık eğrileri...79 Şekil Kuzeydoğu cephesi sıcaklık eğrileri...80 Şekil Test kulübe merkezi cephesi sıcaklık eğrileri...80 Şekil Test kulübesi içerisine Micronal PCM 5001 ve 5008 makro paketleri yalıtım malzemesi ile birlikte yerleştirilmiş iken, iç ortam ve dış ortam sıcaklık eğrileri...81 Şekil Dış ortam sıcaklık eğrileri...84 Şekil Güneydoğu cephesi sıcaklık eğrileri...84 Şekil Güneybatı cephesi sıcaklık eğrileri...86 Şekil Kuzeybatı cephesi sıcaklık eğrileri...87 Şekil Kuzeydoğu cephesi sıcaklık eğrileri...88 Şekil 4.18.Test kulübesi merkez cephesi sıcaklık eğrileri...89 Şekil Dış ortam sıcaklıklarının karşılaştırılması...91 Şekil Test Kulübesinin boş iken alınan sıcaklık ölçüm sonuçları...91 Şekil Test kulübesine Micronal PCM yerleştirilmiş iken alınan sıcaklık ölçüm sonuçları...93 Şekil Test kulübesine YM yerleştirilmiş iken alınan sıcaklık ölçüm sonuçları 94 Şekil Kış döneminde test kulübesine yalıtım malzemesi ve PCM yerleştirilmiş iken alınan sıcaklık ölçüm sonuçları...95 Şekil Güneydoğu cephesinin iç sıcaklıklarının karşılaştırılması...96 Şekil Güneybatı cephesinin iç sıcaklıklarının karşılaştırılması...97 Şekil 4.26 Kuzeybatı cephesinin iç sıcaklıklarının karşılaştırılması...97 Şekil Kuzeydoğu cephesinin iç sıcaklıklarının karşılaştırılması...98 Şekil 4.28 Merkez cephenin iç sıcaklıklarının karşılaştırılması...98 Şekil 4.29.Micronal PCM 5001 in termal çevrim öncesi ve sonrası donma eğrileri100 Şekil Micronal PCM 5001 in termal çevrim öncesi ve sonrası donma eğrisi.101 Şekil Micronal PCM 5008 in termal çevrim öncesi ve sonrası erime eğrisi Şekil Micronal PCM 5008 in termal çevrim öncesi ve sonrası donma eğrisi.102 XIV

17 Şekil Micronal PCM 5001'in termal çevrim öncesi DSC analizi Şekil Micronal PCM 5001'in termal çevrim sonrası DSC analizi Şekil Micronal PCM 5008'in termal çevrim öncesi DSC analizi Şekil Micronal PCM 5008'in termal çevrim sonrası DSC analizi Şekil Termal çevrim sonrası Micronal PCM Şekil Termal çevrim sonrası Micronal PCM 5008'in nem almamış görünümü Şekil Termal çevrim sonrası Micronal PCM Şekil Termal çevrim öncesi Micronal PCM 5001'in optik mikroskop altındaki görüntüsü Şekil Termal çevrim sonrası Micronal PCM 5001'in optik mikroskop altındaki görüntüsü Şekil Termal çevrim öncesi Micronal PCM 5008'in optik mikroskop altındaki görüntüsü Şekil 4.43.Termal çevrim sonrası Micronal PCM 5008'in optik mikroskop altındaki görüntüsü Şekil Micronal PCM 5001 in termal çevrim öncesi ve sonrası FTIR analizi.110 Şekil Micronal PCM 5008 in termal çevrim öncesi ve sonrası FTIR analizi.111 Şekil Pareto Grafiği Şekil Kulübe içerisine 5001 ve 5008 in eklenmesi ile simülasyon verilerinin deneysel değerlerle karşılaştırılması Şekil 4.48.Boş kulübe sıcaklığı ile simülasyon verilerinin karşılaştırılması Şekil 4.49.Kulübe içerisine 5001 in eklenmesi ile simülasyon sonuçlarının deneysel değerlerle karşılaştırılması Şekil 4.50.Kulübe içerisine 5008 in eklenmesi ile simülasyon sonuçlarının deneysel değerlerle karşılaştırılması Şekil Örnek simülasyon çalışması Şekil Design Expert ile yapılan simülasyon çalışması XV

18 SİMGELER VE KISALTMALAR PCM : Faz Değiştiren Madde YM : Yalıtım Malzemesi CLTD : Cooling Load Temprature Difference, Soğutma Yükü Sıcaklık Farkı J : Joule kj : kilo Joule W :Watt kw : kilo Watt s : Saniye q : Soğutma yükü, Isıtma yükü, W U : Isı geçiş katsayısı, W/m 2 K A : Yapı elemanlarının yüzey alanı, m 2 GI : Güneş Işınımı, W/m 2 ACH : Bir saatteki hava değişimi, l/h V : Kulübenin hacmi, m 3 LF : Gizli ısı yükü çarpanı XVI

19 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU 1. GİRİŞ Endüstriyel ve teknolojik alandaki yenilikler, artan nüfus ve neden olduğu hızlı kentleşme süreci enerji tüketimini hızla artırmaktadır. Enerji insanlar için temel bir ihtiyaç haline gelmiştir. Enerji üretimi ve kullanımında yabancı kaynaklara bağımlılık ve çevre üzerindeki olumsuz etkiler enerji verimliliği ve tasarrufu konularını öne çıkarmıştır. Enerji tüketimimizin % ının binalarda tüketilmesi ve bu oranın % 85'inin ısıtmada kullanılması, yapılarda bina yalıtımına gereken önemin verilmeyişinden kaynaklanmaktadır ( Bu da ısı yalıtımının önemini daha da arttırmaktadır. Dünya ülkelerinin bina yalıtımı ile enerji tasarrufu sağlama çabası içinde Türkiye nin de yerini alabilmesi için, ısı yalıtım sistemlerine gereken önemin verilmesi gerekmektedir. Binalarda yapılan ısı yalıtımı, kışın soğuktan yazın ise sıcaktan korunmayı amaçlamaktadır. Yapılan ısı yalıtımı ile yaşam standartları artmakta ve ülkemiz için çok önemli bir konu olan olan enerji tasarrufunu sağlamaktadır. Bunların yanısıra, ısınma amaçlı fosil yakıt tüketiminden kaynaklanan emisyonları azaltarak hava kirliliğini de önlemektedir. Soğutma için kullanılan elektrik tüketimi azaltılarak elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğe en çok ihtiyaç duyulan zamanlarda elektriğe aşırı yüklenme engellenebilmektedir. Avrupa da, ısı yalıtımı ile ilgili yasal mevzuatın sürekli daha sıkı hale gelmesi, Az Enerji Tüketen Yapılar (Low Energy Building) yaklaşımının giderek daha popüler olması, retrofit ve tesisat uygulamalarında alan kısıtlaması ile karşılaşılması, enstitü ve firmaları daha düşük ısı iletim katsayısına sahip yalıtım malzemeleri arayışına yöneltmiştir. Alışılagelmiş yalıtım malzemeleri ile yeni beklentileri karşılamak ya çok pahalı ya da retrofit/tesisat uygulamalarında olduğu gibi alan kısıtlaması nedeniyle imkânsızdır (Özkan, 2001). Bu yüzden 1990 lı yıllardan itibaren binaların yalıtımı için daha etkin ve ucuz yöntemler üzerindeki çalışmalar önem kazanmıştır. Bu çalışmada, mikrokapsüllenmiş faz değiştiren maddelerin binalarda yapı malzemeleri veya elemanları ile beraber kullanarak termal enerji depolama ile binanın ısıtma soğutma yükünün azaltılması hedeflenmiştir. Önerilen faz değiştiren 1

20 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU maddelerin binalarda uygulanması Avrupa Birliği (AB) nin sürdürülebilir kalkınma ve çevresel hususların dikkate alınması konularındaki iki önemli amaca yönelik bir çalışmadır Termal Enerji Depolama Termal enerji depolama sistemleriyle ozon tabakasına zarar veren kloroflorokarbonlara (CFC) gereksinim duymadan doğrudan soğutma-ısıtma yapılabilmektedir. Elektrik enerjisine duyulan gereksinim azalmakta ve elektriğe en çok ihtiyaç duyulan zamanlarda elektriğe aşırı yüklenme engellenebilmektedir. Böylece enerji santrallerine duyulan gereksinmeyi ve fosil yakıt kullanımını azaltarak çevreyi daha az kirleten çözümler sunmaktadır. Termal (ısı) Enerji Depolama yöntemleri ısıl yöntem ve kimyasal yöntem olmak üzere ikiye ayrılır. Isıl yöntem duyulur ısı ve gizli ısıdan oluşurken, kimyasal yöntem tepkime ısısı, kimyasal ısı pompası ve termokimyasal ısı pompasından oluşur Duyulur Isı Duyulur ısı, ısı depolama materyalinin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan ısıdır. Isı depolama; sıvı, katı ve sıvı ile katının beraber olduğu hibrit materyallerde yapılabilir. Çok sayıda depolama ve geri kazanma çevriminin gerçekleşebilmesi bu sistemin avantajı, gereksinim duyulan depo hacminin büyük olması ise dezavantajıdır Gizli Isı Depolama Gizli ısı, maddenin faz değişimi sırasında çevreden aldığı veya verdiği ısıdır. Gizli ısı depolama yöntemleri için gerekli depo hacmi, duyulur ısıya göre daha küçüktür. Faz Değiştiren Maddeler (PCM, Phase Change Material) termal enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan maddelerdir. Isı depolama materyalinin iç enerjisinin önemli 2

21 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU oranda değişmesi, bu materyalin faz değiştirmesine neden olur. Uygun sıcaklık sınırlarında, depolama materyalinin faz değiştirmesi ile ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Isı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda faz değişimlerine uğrayan ve gizli ısı değerleri yüksek olan materyallerden yararlanılır. Isı depolamaya uygun faz değişimleri; katı-katı ve katı-sıvıdır. Sıvı-buhar faz değişimi, gaz fazın depolanmasının basınçlı depolama kaplarını gerektirmesi gibi karşılaşılan sorunlar nedeniyle ısı depolamaya uygun değildir. Katı durumdaki bir materyal kristalleşerek diğer bir katı faza dönüştüğünde (katı-katı değişimi), kristalleşme ısısı şeklinde ısı depolanır. Materyal ilk durumdaki katı fazına yeniden dönüştüğünde, faz değişimi sırası da depolanan ısı da geri kazanılır. Katı-katı faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı miktarı azdır. Katı-sıvı faz değişiminde, diğer faz değişimlerine oranla daha az hacim değişimi gerçekleşir. Uygulamada hacimsel enerji depolama kapasitesi yüksek olduğundan sadece katı-sıvı veya kristalleşme ısısı yüksek olan katı-katı faz değişimleri pratik öneme sahiptir. PCM ler hem ısıtma hem de soğutma sistemlerinde uygulanabilir. PCM lerin sabit sıcaklıkta faz değiştirmeleri ısı depolama ve geri kazanma için uygundur. Yapı malzemelerinin yalıtım ve ısı aktarım özelliklerini geliştirmek için kullanılabilecek faz değiştiren maddeler parafinler, yağ asitleri, ötektik karışımlar, yağ alkolleri neopentil glikol ve inorganik PCM lerdir. Parafinik hidrokarbonlar, yağ asitleri ve yağ alkolleri düşük çözünürlüğe sahip maddeler olmakla birlikte, su içerisinde hiç çözünmezler. Bu yüzden yapı malzemeleri uygulamaları için tercih edilirler. Erime entalpileri kj/kg arasında değişir Faz Değiştiren Maddeler ve Isı Depolamada Uygulama Alanları Faz Değiştiren Maddeler (PCMs) inorganik ve organik olmak üzere iki alt gruba ayrılırlar. Şekil 1.1 de PCM sınıflarına örnekler verilmiştir. İnorganik PCM lere tuz hidratları ve klatrat hidratları örnek verilebilir. İnorganik PCM lerin avantajları; yüksek ergime ısısı, iyi termal iletkenlik, ucuz ve yanıcı olmamaları, dezavantajları ise; korozif olmaları, aşırı soğuma göstermeleri, faz bozulması ve hidrat sayısında azalma şeklinde özetlenebilir. 3

22 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Organik PCM lere parafinleri ve yağ asitlerini örnek gösterebiliriz. Organik PCM lerin avantajları; kimyasal yönden kararlı, az veya hiç aşırı soğuma göstermemesi, korozif ve toksik olmamaları, yüksek ergime ısısı ve düşük buhar basıncı göstermeleri, dezavantajları ise; düşük termal iletkenlik, faz değişimi sırasında büyük hacim değişimi, yanıcı olmaları şeklinde özetleyebiliriz. Şekil 1.1.Faz Değiştiren Maddeler (Mehling, 2001) PCM de termal enerji depolama uygulamaları çok çeşitli olmakla beraber en çok kullanılma alanları; Yapı malzemelerinde, binaların ısıtma ve soğutma yükünün azaltılmasında, Fotovoltaik elementlerin soğutulması Tekstil Ev ısıtma ve sıcak su 4

23 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Gıda Medikal alanda (kan üniteleri) Motorlu taşıtlar için ısı depolama sistemi Taze gıdaların depolanması Sıcaklığa duyarlı cihazların soğutulması şeklinde özetlenebilir Termokimyasal Enerji Depolama Isı enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülerek uzun süre depolanabilir. Termokimyasal ısı depolamanın ilkesi; ekzotermik olarak tepkimeye girebilen iki veya daha fazla kimyasal bileşikte tersinir tepkimeler yardımıyla ısı enerjisinin kimyasal bağlarda depolanmasına dayanır. Depolama sisteminin ömrü prensip olarak sınırsızdır. Kimyasal bağların tersinir olarak ayrışma ve birleşmesi sırasında, ısı değeri yüksek olan kimyasal tepkimeler gerçekleştiğinden, ısı depolama kapasitesi genellikle yüksektir. Termokimyasal yöntemle ısı depolayan sistemler, gizli ısı depolama sistemlerinden daha karmaşıktır. Sistemdeki bileşenlerin kendi aralarındaki olası etkileşimleri önemlidir. Yöntemin en önemli özelliği, seçilen tepkimenin tersinir olmasıdır. Termokimyasal yöntemle ısı depolama tersinir kimyasal tepkimeler, kimyasal ısı pompası (absorpsiyonlu ısı pompası) ve termokimyasal ısı borularında yapılabilir. Tersinir kimyasal tepkimelerle ısı depolamada; endotermik olarak ısıalan bir tepkime kullanılarak depolanan ısı, ekzotermik olarak geri kazanılır. Tepkime sıcaklığında oluşan tepkime ürünleri ayrı ayrı depolanır. Isı ürünlerin tekrar karıştırılması ve gerektiğinde katalizör eklenmesiyle geri kazanılabilir. Kimyasal ısı pompası, tersinir tepkimeler yardımıyla aralarında gaz bileşenin transfer edildiği iki alt sistemden oluşur. Kimyasal ısı pompası sistemlerinde, buhar yoğunlaşması ile açığa çıkan yoğunlaşma ısısı geri kazanılır. Termokimyasal ısı borularında kullanılan tepkimelerde, kolay bir şekilde yoğunlaşmayan gaz durumdaki reaktifler bulunur. Isı enerjisinin, ısı borusuyla uzun mesafelere iletilmesi için tepkime ürünlerinden yararlanılır. Termokimyasal ısı 5

24 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU borusuyla ısı depolama teknolojisi, yüksek sıcaklıkta nükleer veya güneş enerjisi uygulamalarında ve endüstriyel kazanlardaki damıtma çevrimlerinde uygulanmaktadır. Güneş enerjisinin tersinir kimyasal tepkimelerle depolanması gelişme aşamasında olan yeni bir yöntemdir. Düşük sıcaklıktaki uygulamalar için kimyasal tepkimelerle ısı depolanmasına ilişkin önemli gelişmeler sağlanmış olmakla birlikte uygulamada karşılaşılan önemli sorunlar termokimyasal ısı depolama yönteminin yaygın olarak uygulanmasını sınırlandırmaktadır. Absorpsiyonlu ısı depolama sistemleri metal-alumina-silikat maddelerinden olan zeolitlerin gözenekli yapısından yararlanırlar. Nemli hava adsorban malzemenin bulunduğu yataktan geçirilerek su buharının adsorplanması sağlanır, kuru sıcak hava aynı yataktan geçirildiğinde su buharını desorbe edip soğuyarak çıkar. Bu işlem sırasında desorpsiyon ısı depolanmasını adsorpsiyon da ısının geri kazanmasının sağlamaktadır (Hauer, 2002). Isı depolama yöntemi seçimi esas olarak; ısı depolama süresi, ekonomik uygulanabilirlik ve işletme koşullarına bağlıdır. Herhangi bir uygulama için ısı depolama yönteminin belirlenmesi, ısı depolamanın etkinlik ve ekonomikliği sistemin tasarımına bağlıdır. Genel olarak, birim hacimdeki iç enerji değişiminin fazla olduğu ısı depolama materyallerinin kullanılması durumunda, ısı depolama için gerekli hacim azalır. Bir ısı depolama sisteminde bulunması gereken özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir. Isı depolama materyalinin birim kütle veya hacmi için ısı depolama kapasitesi yüksek olmalıdır. Isı depolama materyali çalışma sıcaklığı aralığında uygun özelliklere sahip olmalıdır. Sistemde depolanan ısı bütünüyle geri kazanılabilmelidir. Isı depolama ve geri kazanma etkinliğinde azalma olmaksızın, çok sayıda depolama ve geri kazanma çevrimi gerçekleştirilebilmelidir. Isı depolama materyali korozif, toksik etkili ve yanıcı özellikte olmamalıdır Sistem ucuz ve kullanım süresi uzun olmalıdır. 6

25 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU 1.2. Mikrokapsülleme Mikrokapsül polimerik bir duvar ve bu duvar tarafından kaplanmış sıvı maddesinden oluşur. Kapsül duvarı, içindeki sıvıya inert bir maddedir. Mikrokapsülleme işlemi daha basit bir ifade ile aktif maddelerin mikroskobik kapsüller içerisinde paketlenmesidir (Övez, 1992). Kapsül boyutu 1µm den 1mm ye (=1000µm) kadar, kapsül hazırlanışı sırasındaki kullanılan materyal ve yönteme göre değişiklik gösterir. Mikrokapsüllerin boyutları µm arasındadır µm'den büyük kapsüllere makro-kapsüller, l nm'den küçük olanlara ise nanokapsüller denir (Şekil 1.2). Şekil 1.2 Mikrokapsül sınır boyutlarının şematik gösterimi Mikrokapsülleme, küçük katı partiküllere, sıvı damlacıklarına veya sıvı içindeki katı dispersiyonlara polimer yapılı kaplama materyalinin birikimini içeren bir mikropaketleme tekniğidir. Daha kapsamlı bir tanım ile mikrokapsülleme, bir maddenin küçük kısımlarının çevresinin doğal veya sentetik polimerlerle veya sıvı yüzey yapıcı membranlarla sarılması işlemidir. Farklı türdeki mikrokapsüllerin şematik gösterimi Şekil 1.3 de verilmiştir. 7

26 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Şekil 1.3. Farklı türdeki mikrokapsüllerin yapıları (Kirby, 1985) Mikrokapsül konusunda çalışmalara The National Cash. Register Company tarafından 1954 yılında karbonsuz kopya kağıdı üretimi ile başlanmış, 1957 yılında aynı firmanın desteğiyle B.K. Green tarafından "Yağ içeren mikrokapsüller ve mikrokapsül yapımı" adlı ilk patentler (U.S. Pat No ) çıkartılmıştır. İhtiyaca göre değişebilir, kontrol edilebilir özelliklerinden dolayı mikrokapsüller çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Mikrokapsül tane boyutu, yapısı, çekirdek maddesi, duvar maddesi, duvar kalınlığı, katkı maddeleri, geçirgenliği gibi özellikler kapsüllerin kontrol edilebilir özellikleridir. Bu özellikler incelendikçe mikrokapsüllerle ilgili patent sayıları da artmıştır. Patentlerde başlangıçta jelâtin, Arap zamkı, aljinat, ağar, nişasta gibi doğal polimerlerin kullanıldığı mikrokapsül duvarları zamanla poliamid, poliester, polietilenglikol, polistiren, sterik asit, stiren maleik anhidrit gibi sentetik polirnerlere yönelmişlerdir. İlk plastik kapsül, poliamid kapsül, Amerikan Moore firması tarafından üretilmiştir. 8

27 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Yapımı karbonsuz kopya kâğıdı üretimi ile başlayan mikroküpsüller, duvar özelliklerinin değiştirilmesi ile çeşitli alanlarda kullanılmaya başlanmışlardır. Örneğin, jelâtin, Arap zamkı gibi insan vücudu için zararsız doğal polimerli mikrokapsüller tadı, kokusu güzel olmayan ilaçların kaplanmasında kullanılmaya başlanmıştır. Duvar kalınlığı arttırılarak, tane boyutu küçültülüp, yüzey alanı arttırılarak duvar malzemesinin salgılama özelliklerini azaltıp, arttırabilmesi, insan vücuduna yavaş verilmesi yada uzun sürede yayılması istenen ilaçlarda mikrokapsüllerin kullanılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Böylece eczacılıkta, sağlıkla ilgili ilaç, vitamin, krem, kozmetik gibi bütün ürünlerde, mikrokapsüller kullanılmaya başlanmıştır. Uçucu aromaların, parfümlerin oksidasyona karşı korunması için kokulu, parfümlü eşyalarda, basınca duyarlı kaplama kâğıtlarında, daktilo şeritlerinde, fotoğraf malzemelerinde, gıda ürünlerinde tad ve koku verici maddeler için, tarım alanında tarımsal ilaçlamada, böcek ilaçlarında, yavaş salgılanması istenen gübrelerde, boya malzemelerinde, temizlik maddelerinde, beyazlatıcılarda, yumuşatıcılarda, şampuanlarda, tütün ürünlerinde, korozyon inhibitörlerinin kapsüllenmesinde, hergün büyüyen ve değişen alanlarda mikrokapsüller giderek yaygınlaşan kullanım alanı bulmuştur (Övez,1992). Bütün bu kullanım alanlarına göre mikrokapsül ve mikrokapsül yapım teknikleri ile ilgili patentlerin özetleri kitap halinde yayınlanmıştır (Gutcho, 1976) Mikrokapsül Hazırlama Yöntemleri Mikrokapsül yapım yöntemlerinde, çekirdek maddenin polimer içinde mikron boyutunda dağılmasını sağlayabilmek için, bu iki karışmayan sıvıdan emülsiyon yapımı ilk adımdır. Yapılış şekillerine göre çeşitli mikrokapsül yöntemleri vardır (Baxter, 1974). Bunlar: Yüzeyler arası (interfacial) polimerizasyon İşlem sürecinde (insitu) polimerizasyon Sprey kurutma yöntemi 9

28 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Sprey soğutma yöntemi Sıvıların katılaştırılması- delik yöntemi (Orifice), Sıvı sisteminin ısı ile kurutulması, Eritme-soğutma Koaservasyon yöntemi ile mikrokapsülleme Faz Değiştiren Maddeler Ve Mikrokapsülleme Isıtma ve soğutma uygulamalarının verimliliğinin arttırılmasında faz değiştiren maddelerde (Phase changing materials-pcm) termal enerji depolamadan yararlanılmaktadır. Faz değiştiren maddelerin bazıları dezavantajlara sahiptirler. Örneğin tuz hidratları nemli bölgelerde akarlar ve oluşan nem değişikliği ile hidrat sayısında değişiklikler olabilir. Hidrokarbonlar eridiğinde viskozitesi azalabilir ve böylece binanın duvarları içerisinden akabilirler. Buharlaşma ile de havanın uçucu organik bileşimini sınır değerlerinin üstüne yükseltebilirler. Bu sorunları önlemek amacıyla mikrokapsülleme yapılabilir. Mikrokapsüller sıvı materyallerin katı bir şekilde kullanılmalarını sağlarlar ve faz değişimi sırasında gerçekleşecek hacim değişimine izin verirler. Faz değiştiren maddelerin mikrokapsüllenmesi bina uygulanmalarında kullanımına olanak verir. Bu uygulamalarda bina yapı elemanlarına veya yapı malzemelerinin içine mikrokapsüllenmiş faz değiştirilen maddeler eklenerek binanın ısıtma ve soğutma yükü azaltılarak enerji tasarrufu sağlanabilir. PCM kapsüllenmesindeki esas amaç, maddenin kapsül içinde hapsolarak faz değişimini kapsül içerisinde gerçekleştirmesidir. Böylece PCM in kullanımı kolaylaşırken ısı transferi açısından yüzey alanı artacağından daha elverişli bir ortam oluşmaktadır. 10

29 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU 1.3. Yalıtım Yalıtım, herhangi bir yalıtım malzemesi kullanılarak, ortamdan dışarı veya dışarıdan ortama olan enerji akışının indirgenmesidir. Yalıtım malzemelerinin (yalıtkan) çeşitli tipleri vardır: Isı akışını indirgemek için, ısıl (termal) yalıtkanlar. Elektrik akışını önlemek için, elektrik yalıtkanlar. Ses dalgalarını indirgemek için, akustik yalıtkanlar. Bir malzeme her yönden yalıtkan olmayabilir. Örneğin, elmas mükemmel bir elektrik yalıtkanı iken, çok kötü bir ısı yalıtkanıdır. Sentetik haldeki saf elmas, ısıyı bakırdan daha iyi iletir ve oda sıcaklığında bilinen en iyi ısıl iletkenlik katsayısına sahip katı malzemelerden biridir. Yani oda sıcaklığında bilinen en kötü yalıtkanlardan biridir. Isı, doğal olarak yüksek sıcaklıktan, düşük sıcaklığa doğru akar ve direncin en az olduğu yol boyunca en fazla ısı akışı oluşur. Yüksek sıcaklık bölgesinin yanından, düşük sıcaklık bölgesine bir sıcaklık gradyenti oluşur. Isıl yalıtım, sıcaklık gradyenti içinden olan ısı akışını düşürerek, sıcaklık gradyentini korur. Büyük alet/araçların birçoğunda yalıtım yer alır. Örneğin, fırınlarda, soğutucularda, dondurucularda ve su ısıtıcılarında. Çoğu halde, yalıtım çevreye olan ısı kaybını engellemeye yarar. Diğer hallerde ise, çevreden gelen ısıya karşı koruma sağlar. Çoğu ülkede, ısıtma ve soğutma işi için oldukça büyük miktarda enerji yani para harcanmaktadır. Evler ve binalar verimli ve doğru bir şekilde yalıtıldığında: Enerji verimi artacak ve parasal olarak tasarruf sağlanacaktır. Yalıtımın korunması için, ekstra bir güç ve maliyete gerek yoktur, kalıcıdır ve genelde bakım gerektirmez. Konforu arttırır. Bina boyunca, sıcaklık dağılımı daha homojen olur. Yalıtım, dışardan gelen gürültüyü emdiği için, ses yalıtımı da sağlar. 11

30 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Genel bir kazanç olarak da, yalıtım sayesinde ısınma amacı ile yakılan yakıttan çevreye olan zararlı atık gaz geçişi azalmış olur. Eğer bina kötü yalıtılmış ve kötü havalandırılıyorsa şu işaretler görülür: Kış aylarında, taban altı ve tavan aralarında çiğlenme ve donmuş yüzeyler oluşur. Yaz aylarında, tavan arası son derece sıcak ve bunaltıcı olur. Yalıtımın mutlaka tüm bina ihtiyacı göz önünde bulundurularak yapılması gereklidir. Sadece yaşam mekânlarının yalıtımı, tavan ve taban yalıtımı olmadan doğru yalıtım şekli değildir. Bina ısısının sürekliliğini koruyabilmek için, mutlaka ısı kaybı olan tüm alanların saptanması ve yalıtımda göz önünde bulundurulması gereklidir( tr.wikipedia.org) Isı Transferi Ve Yalıtım Isı transferi üç yolla olur. Kondüksiyon ya da iletim, madde veya cismin bir tarafından diğer tarafına ısının iletilmesi ile oluşan ısı transferinin bir çeşididir. Isı transferi daima yüksek sıcaklıktan, düşük sıcaklığa doğrudur. Yoğun maddeler genelde iyi iletkendirler; örneğin metaller çok iyi iletkenlerdir. Konveksiyon ya da taşınım, katı yüzey ile akışkan arasında gerçekleşen ısı transferinin bir çeşididir. Akışkan içindeki akımlar vasıtası ile ısı transfer edilir. Akışkan içindeki veya akışkanla sınır yüzey arasındaki sıcaklık farklarından ve bu farkın yoğunluk üzerinde oluşturduğu etkiden doğabilmektedir. Işınım yolu ile ısı transferi, fotonlar (elektromanyetik radyasyon) yolu ile olan ısı transferidir. Yalıtkanlar, bu ısı transfer yöntemlerindeki ısı akışlarının düşürülmesi ile yalıtım sağlar. Örneğin; ince bir köpük (strafor) tabakası konveksiyon ve kondüksiyon ile olan ısı geçişini düşürür. Yansıtıcı bir metalik film veya beyaz boya ısıl yayınımı düşürür. Bazı malzemeler bir ısı transfer yöntemi için iyi bir yalıtkandır, fakat diğeri 12

31 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU için kötü olabilir. Örneğin, metal bir tabaka ışınım için iyi bir yalıtkandır, fakat iletim için çok kötü bir yalıtkandır ( tr.wikipedia.org) Isı Yalıtımını Gerekli Yapan Nedenler Yapılarda ısı yalıtımını gerekli yapan başlıca nedenler aşağıdaki şekilde sıralanabilir. Yaz veya kış iklim şartlarında, gerekli konfor şartlarını sağlamak. Bina içinde ve iç duvar yüzeyinde ısıtma sürecinde soğuk noktaları, klima sürecinde sıcak noktalan önleyerek, homojen bir sıcaklık dağılımı elde etmek. Binaların dış kabuğunu ve yapı elemanlarını, yüksek ısıl gerilimlerden ve rutubetin tahribinden korumak. Gerek klima ve havalandırmada, gerekse ısıtmada, yakıt ve enerji giderlerini azaltmak ve işletme masraflarını en aza indirmek. Azalan ısı kazancı veya ısı kayıpları ile daha düşük kapasiteli soğutma veya ısıtma cihazları ve ekipmanları kullanarak, ilk yatırım maliyetini azaltmak. Fosil enerji kaynaklarının tüketiminin azaltılmasıyla, atmosferdeki CO 2 ve metan emisyonlarını düşürerek, ekstrem iklim değişikliklerini önlemek ve doğadaki ekolojik dengeyi korumak (Can,2008) Isı Yalıtımının Teorik Esası Yapıların iç ortam sıcaklığı, gerek ısıtma ve havalandırma, gerekse iklimlendirme ve klimada, önemli konfor koşullarından biridir. Çevre sıcaklığı, güneş ışınımı, rüzgâr hızı gibi atmosferik şartlara göre, yapıları çevreleyen duvarlar üzerinden, kışın ısı kaybı ve yazın ısı kazancı şeklinde bir ısı akımı söz konusudur. Isı transferinden bilindiği gibi, belirli bir yüzey alanına sahip duvar ve bu duvarın ayırdığı iki ortam arasındaki sabit sıcaklık farkı altında, kendiliğinden oluşacak ısı geçişini azaltmak, duvarın ısı geçiş direncinin büyütülmesiyle 13

32 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU sağlanabilir. İletim direncinin arttırılması için, ya yapı elemanı çok kalın yapılmalı, ya da ısı iletim kabiliyetinin çok küçük olması sağlanmalıdır. Yapı duvarlarının kalın yapılması, hacimlerin küçülmesi, büyük yük ve kütle artışına bağlı aşırı malzeme maliyeti ve yüksek işçilik gibi nedenlerden, doğru bir tercih değildir. Yapı duvarları için mümkün olduğunca düşük ısı iletim kabiliyetine sahip malzeme seçilmeli ve buna ek olarak ısı iletim kabiliyeti çok düşük yalıtım malzemeleri ile dışarıdan kaplanmalıdır. Belirli bir yüzey alanına sahip duvarın ayırdığı iki ortam arasındaki sabit sıcaklık farkı altında oluşan ısı geçişi aşağıdaki şekilde tanımlanır. Q = k.a.(tiç-tdış) (1) Burada, A ısı geçişinde etkili yapı elemanın yüzey alanı, k ısı geçiş katsayısı, Tiç gerekli konfor şartlarına göre alınan iç ortam sıcaklığı ve Tdış iklim koşullarına göre oluşan dış ortam sıcaklığı anlamındadır. Duvarın ısıl direncinin, ısı yalıtımı ile nasıl büyütüldüğü, ısı geçişi ifadesinin değişik formda yazılması ile aşağıdaki ifadeler elde edilebilir. ( T T ) iç dıı Q = A (2) 1 k 1 k = R + R + R + R (3) taş, iç yal. duv. taş, dıı Burada, l/k duvarın ısı geçiş direnci, Rtaş,iç; iç taşınım direnci, Ryat; yalıtımın iletim direnci, Rduv; duvarın iletim direnci, Rtaş,dış; dış taşınım direnci anlamındadır. Yapıların dış duvarlarındaki pencere oranının optimizasyonu, ihtiyaç duyulacak ısıtma enerjisini etkileyen diğer parametreler kadar önemlidir. Pencerelerin çift camlı yapılması durumunda, ihtiyaç duyulacak ısıtma enerjisi önemli ölçüde azaltılabilir. Infiltrasyon şeklindeki ısı kayıpları sebebi ile pencere detayları, sızdırmazlığı en iyi şekilde seçilmeli, düzenli bakımı ve tamiri yapılmalıdır. Tuğla duvar + pencere şeklindeki bir yapı grubunun ısı geçiş katsayısı Kdd aşağıdaki şekilde 14

33 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU tanımlanır. Kdd = kd (1-Ep) +kp Ep (4) Burada, kd tuğla duvarın ve kp pencerenin ısı geçiş sayıları, Ep pencere yüzeyinin dış duvar yüzeyine oranı, anlamındadır. Basit pencerelerde ısı geçiş katsayısı 5,25 W / m 2 K, ısı camlı pencerelerde ise ısı geçiş katsayısı 2,9 W/m 2 K değerindedir. Isıtma sürecinin sürekli gerçekleştirildiği yapılarda, dış duvarların kütlesinin, ısıtma için gerekli enerji ihtiyacını fazla etkilemediği, ancak aralıklı olarak ısıtılan yapılarda, dış duvarların hafif konstrüksiyon şeklinde yapılması avantaj sağlayabilir. Çünkü hafif yapı elemanları, çok yüksek ısı depolama özelliğine sahip değildir. Bu sebeple, ısıtma sistemi daha kısa süre çalıştırılarak, gerekli konfor sıcaklığına ulaşılabilir. Dış duvarlar ve çatıda yalıtımın dış yüzeye yapılması ve üzerinin sıva ile koruma altına alınması, binanın yapı elemanlarının ısı depolama yeteneği yönünden önemlidir. Bunun yanında, dış ortam sıcaklığının değişimlerinde, yapının iç hacimlerinde oluşturulması gerekli konfor sıcaklığındaki dalgalanmalar, düşük düzeyde olur. İç hacim ve dış ortam arasındaki sabit sıcaklık farkı altında, yapıyı çevreleyen dış duvarların içinde, yalıtımlı ve yalıtımsız durumlar için oluşan sıcaklık profilleri şekil l.4.a ve l.4.b' de şematik gösterilmiştir (Can, 2008).. 15

34 1.GİRİŞ Yeliz KONUKLU Şekil 1.4. Yapıyı çevreleyen dış duvarların içinde, yalıtımlı ve yalıtımsız durumlar için oluşan sıcaklık profilleri Binalarda Isı Yalıtımı Dünya üzerindeki birincil enerji kaynaklarının hızla tükenmesi üzerine gelişmiş ülkeler başta olmak üzere tüm ülkeler enerji ihtiyaçlarını kontrol altına alma ve enerjiyi etkin kullanma yöntemleri geliştirmişlerdir. Ülkemizde de; başta sanayi ve konut sektörlerinde olmak üzere, enerji tüketimleri her geçen yıl artmaktadır. Konutlarda kullanılan enerjinin büyük bir kısmı ısıtma ve soğutma amaçlı olarak tüketilmektedir. Söz konusu bu enerjinin; etkin kullanılması, ısı yalıtımı ile sağlanabilir. Bina zarfı, binanın iç ortamını dış ortamdan ayıran yapı elemanlarını kapsar. Duvarlar, pencereler, kapılar, döşeme, tavan ve çatı, bina zarfını oluşturur. Sağlıklı yaşam koşullarının yaratılması, yakıt tüketimlerini azaltarak; kullanıcının düşük yakıt masrafları ile sistemini işletmesinin ve dolayısıyla hava kirliliğinin azaltılmasının sağlanması, binanın iç ve dış etkenlerden korunarak ömrünün uzatılması amacıyla; yapı bileşenleri üzerinden, farklı sıcaklıktaki iki ortam arasındaki ısı geçişini azaltmak için yapılan işlemlere ısı yalıtımı denir. 16