DIŞ CEPHE CAM GİYDİRMELİ BİNALARDA ÇOKLU CAM UYGULAMASIYLA ISI KAYBININ İYİLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 DIŞ CEPHE CAM GİYDİRMELİ BİNALARDA ÇOKLU CAM UYGULAMASIYLA ISI KAYBININ İYİLEŞTİRİLMESİ Altan YÜCEL*,1, Müslüm ARICI*,2, Hasan KARABAY *,3 *Kocaeli Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü 1 altanyucel@gmail.com, 2 muslumarici@gmail.com, 3 hasankarabay@gmail.com ÖZET Bu çalışmada dış cephe cam giydirmeli binalardaki camlardan olan ısı kaybını azaltmak için ilave cam uygulamaları incelenmiştir. Bu amaçla, yatırım maliyetleri göz önünde bulundurularak mevcut pencere sistemine ilave edilecek tek veya çift cam uygulamaları incelenmiştir. İlave camlar ile mevcut pencere camı arasındaki hava boşluğunun 6 mm, 9 mm, 12 mm ve 16 mm olması durumundaki enerji tasarrufları hesaplanmıştır. Tek veya çift cam eklenmesi durumu için toplam sekiz farklı cam konfigürasyonu incelenmiştir. Yatırım ve işletme maliyetleri göz önüne alınarak yapılan hesaplamalarda geri ödeme süresinin cam sayısına ve ara boşluk mesafesine bağlı olarak 10 ila 13 ay arasında olduğu ve yıllık 40 ila 80 TL/m 2 arasında enerji tasarrufu sağlanabileceği görülmüştür. Bu çalışma sonucunda özellikle iş merkezlerinde kullanılan alüminyum dış cephe cam giydirmelerde pervaz boşluklarındaki ölü hacmin cam eklenmesiyle değerlendirilerek ciddi bir enerji tasarrufu yapılabileceği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Çift cam, Çoklu cam, Enerji tasarrufu, Derece-Gün, Alüminyum dış cephe giydirme ABSTRACT In this study, energy saving in the highly glazed buildings is investigated by adding extra single or double panes to the existing window systems. Economical predictions are made for Engineering Faculty Building of Kocaeli University which has 600 m 2 window surface. Calculations are carried out for air space thickness of 6 mm, 9 mm, 12 mm and 16 mm. Computed payback period changes between 10 and 13 months and the amount of annual energy saving is between 40 and 80 TL/m 2 depending on extra pane number and air space thickness. It is concluded that a great amount of energy saving from highly glazed buildings can be made by adding extra panes to spaces in the existing window frames. Keywords: Degree-day, double-pane, energy saving, highly-glazed building. 1.GİRİŞ Pencereler hem havalandırma hem de gün ışığından yararlanmak açısından konutlarda vazgeçilmez bir unsurdur. Ancak konutlarda sarf edilen enerji kaybının yaklaşık %25 i pencerelerden olmaktadır (URL1, 2011). Günümüzde enerji kaynaklarının büyük oranda fosil yakıtlardan karşılanması ve bu kaynakların gerek sınırlı miktarlarda olması gerekse yanma gazlarının çevreye zarar vermesinden dolayı binalarda ısı yalıtımı tercihten ziyade bir zorunluluk haline gelmiştir. Binaların, çatı, döşeme ve dış duvar gibi elemanları yalıtım malzemeleriyle uygun bir şekilde yalıtılarak enerji kaybı azaltılabilir. Ancak bu tür yalıtım teknikleri pencerelerde, diğer yüzeylerdeki gibi kullanılamaz. Bu nedenle özellikle pencere oranı yüksek tutulan binalardaki enerji kayıpları diğerlerine göre oldukça yüksek olmaktadır. Son yıllarda özellikle iş merkezlerinde, cam kaplı dış cephe sistemler mimari estetikten dolayı tercih edilmektedir. Bu sistemler sıradan binalara nazaran daha fazla gün ışığından yararlanılmasını sağlamaktadır. Öte yandan pencere yüzeyinin arttırılması yazları binada fazladan soğutma yüküne, kışları ise fazladan ısı yüküne neden olmaktadır. Bu sebeple artan enerji maliyetlerini azaltmak için, pencere sistemlerinde mühendisler yeni arayışlara yönelmişlerdir. Bu kapsamda yapılagelen çalışmalar aşağıdaki gibi özetlenebilir: Tek camlı sistemlerden çift camlı pencerelere geçilmesi Çift cam arasındaki yalıtım görevini gören durağan gaz tabakası kalınlığının optimize edilmesi, (Aydın, 2000; Aydın, 2006; Arıcı ve Karabay, 2010) Bu tabaka kalınlığının artırımının iki camlı sistemlerde sınırlı olmasından dolayı, çok camlı sistemler kullanılarak durağan gaz tabakası kalınlığının iki ya da üç misline çıkarılması, (Manz vd., 2006; Söylemez, 2009) Işınımla olan ısı kaybını azaltmak için cam yüzeylerinin düşük yayınım katsayısına sahip (low-e) malzeme ile kaplanması 196

2 Ara boşlukta daha düşük ısı iletim katsayısına sahip argon, kripton ve xenon gibi gazların kullanılması (Wier ve Muneer, 1998) Ara boşlukta aerogel kullanımı (Jansen vd., 2004; Baetens vd., 2011) Bu çalışmada, dış cephe cam giydirmeli binalardaki camlardan ısı kaybını azaltmak için çoklu cam uygulamaları incelenmiştir. Bu amaçla yaklaşık 600 m 2 lik cam kaplama dış cephesine sahip olan Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi binası pilot bina olarak seçilmiş ve pencerelerden ısı kaybının azaltılması konusu incelenmiştir. 2. BİNANIN DURUMU Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi binası yaklaşık m 2 lik bir alan üzerine kurulmuş dört katlı ayrık nizamlı bir yapıdır. Yapının, Şekil 1 de gösterildiği gibi yaklaşık %35 i cam yüzeydir. Cam yüzeylerin yaklaşık %60'ı ise Şekil 2 de görüldüğü gibi, alüminyum dış cephe giydirme şeklinde inşa edilmiştir. Şekil 3. Binanın iç görünümü, pervaz detayı ve 23 o C iç ortam sıcaklığındaki termal kamera görüntüsü Şekil 1.Binanın genel durumu Şekil 2. Binanın dış görünümü ve 9 o C dış sıcaklıktaki termal kamera görüntüsü Şekil 2 ve Şekil 3 te, binanın alüminyum dış cephe giydirilmiş bölgeleri ve bu bölgelerdeki sıcaklık dağılımları gösterilmiştir. Termal kamera çekimleri, dış ortam sıcaklığı 9 o C olduğu, mayıs ayında bulutlu bir günde alınmıştır. Şekil 2 de, binanın dış tarafından alınan görüntüler, Şekil 3 te ise aynı günde binanın iç tarafından alınan görüntüler verilmiştir. Şekil 2 de görüldüğü gibi bina dış yüzeyindeki sıcaklık dağılımı o C arası değişmektedir. Cam yüzeylerin dış yüzey sıcaklığının 15 o C civarında olduğu, yalıtımlı duvarların sıcaklıklarının ise o C mertebelerinde kaldığı görülmektedir. Benzer şekilde Şekil 3'te gösterilen iç taraftaki sıcaklık dağılımı da pencere yüzeylerinde o C civarında olup diğer duvar yüzeylerde o C mertebelerinde olduğu görülmektedir. Bu ölçümün alındığı andaki iç ortam sıcaklığı 23 o C dir. Her iki şekildeki termal kamera görüntülerinden görülebileceği gibi cam kaplama yüzeylerden olan ısı kayıpları yalıtımlı duvarlardan olan ısı kayıplarına nazaran çok daha büyüktür. Binada kullanılan alüminyum dış cephe giydirme sistemindeki çift camlı sabit ve düşey eksenli pivot pencerelerin içe bakan taraflarında Şekil 3 te görüldüğü gibi büyük bir kupanın rahatlıkla durabileceği 9 cm lik boşluk vardır. Bu çalışmada bu bölgelerdeki pervaz kısımlara yeni cam ilavelerinin binanın ısı yüküne etkisi incelenerek ekonomik değerlendirilmesi yapılmıştır. 197

3 3. PROBLEMİN TANITIMI Binadaki mevcut çift cam düzenindeki cam kalınlıkları 4 mm, ara boşluk mesafesi (L) ise 12 mm dir. Hesaplamalarda pencere yüksekliği (H) 0.5m olarak alınmıştır. Bu çalışmada mevcut pencere sistemine ilavelerle uygulanması düşünülen üç camlı ve dört camlı geometriler Şekil 4 te verilmiştir. Her iki durumda da camlar arasındaki hava boşluk mesafesi 6, 9, 12 ve 16 mm olmak üzere toplamda sekiz farklı konfigürasyon incelenmiştir. SIMPLE algoritması ile sağlanmıştır. Bu çalışmada ağ yapısından bağımsız sonuçlar elde edebilmek için akışın olduğu hava bölgesi için test edilen ağ yapıları Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi hız gradyenlerinin yüksek olması beklenen bölgelerde daha sık ağ kullanılmıştır. Yapılan testler sonucunda çözümler için Şekil 5b deki ağın yeterli olduğu görülmüştür. Katı (cam) bölgesinde ise üniform bir ağ yapısı kullanılmıştır. a) b) Şekil 5. Test edilen ağ yapıları Şekil 4. Düzenleme sonucundaki a) üç camlı ve b) dört camlı sistemlerin kesit resimleri Çalışmanın birinci bölümde her bir durum için toplam ısı geçiş katsayısı (U) hesaplanmıştır. İkinci bölümde ise cam sistemleri, yatırım ve işletme maliyetleri bakımından incelenmiştir. Sayısal çözümlerde problem iki boyutlu ve zamandan bağımsız olarak incelenmiştir. Yoğunluk dışındaki tüm fiziksel özellikler sabit alınmıştır. Yoğunluk havanın ideal gaz davranışı sergilediği varsayımıyla ideal gaz denkleminden hesaplanmıştır. Şekil 4 te gösterilen geometride pencerenin alt ve üst yüzeylerinin adyabatik olduğu kabul edilmiştir. Hesaplamalarda iç ortam sıcaklığı 20 o C, dış ortam sıcaklığı Kocaeli ili için -3 o C (Genceli ve Parmaksızoğlu, 2004) alınmıştır. Pencerelerin iç ve dış yüzeylerindeki taşınım katsayıları sırasıyla h iç =8.29 W/m 2 K ve h dış =34 W/m 2 K alınmıştır (Çengel, 2003). Hesaplamalarda ışınımla olan ısı geçişi de dikkate alınmıştır. Camların yayma katsayısı (ε) 0.84 olarak alınmış, ışınım modeli olarak S2S modeli kullanılmıştır. Bu çalışmada öngörülen şartların tümü için Rayleigh sayısı 10 6 dan küçük olduğu için akış laminer olarak çözülmüştür (MacGregor vd., 1969). Momentum ve enerji denklemlerinin ayrıklaştırılmasında ikinci mertebeden upwind yaklaşımı kullanılmış, basınç hız ilişkisi ise Belirtilen şartlar altında, problemin çözümünde kullanılan momentum ve enerji denklemleri sonlu hacimler metodu esasına dayanan ANSYS FLUENT 12.1 (2009) paket programı kullanılarak hesaplanmıştır. Sayısal çözümlemelerden elde edilen ısı kayıplarından yararlanarak pencere sistemlerindeki toplam ısı geçiş katsayısı hesaplanmıştır. Bu değerlerden hareketle işletme maliyet hesapları Derece-Gün (DD) (Büyükalaca vd., 2001) metodu kullanılarak elde edilmiştir. İşletme ve yatırım maliyetleri dikkate alınarak optimum cam sayısı belirlenmiştir. 4. ISIL ANALİZ SONUÇLARI Katı bölgelerde enerji denklemleri, akışkan bölgelerde ise momentum ve enerji denklemleri birlikte çözülerek incelenen bölge içerisindeki sıcaklık dağılımları ve hava hızları hesaplanmıştır. Şekil 6 ve Şekil 7 de üç camlı 16 mm ara boşluklu sistem ve dört camlı 16 mm ara boşluklu sistem için pencerelerin ortasındaki (y/h=0.5) hız ve sıcaklık değerlerinin L boyunca değişimleri gösterilmiştir. Şekil 6 ve Şekil 7 de verilen hız grafiklerinden tüm ara boşluklarda akışkan hızının çok düşük mertebelerde kaldığı ve hız profilinin parabolik olduğu görülmektedir. Bu parabolik hız profili hava katmanı içerisindeki akışın laminer olduğunu göstermektedir. Çok katmanlı pencere tiplerinde katmanlara ait hız profilleri birbirlerine göre farklılıklar göstermektedir. Bu durum, Şekil 6a ve Şekil 7a da görülebilir. Burada, soğuk tarafta kalan katman içindeki hava hızları sıcak taraftakine göre daha düşük mertebelerdedir. Bu olay hava tabakası kalınlıklarının farklı olmasından kaynaklanmaktadır. 198

4 a) Momentum ve enerji denklemlerinin çözümlerinden elde edilen sonuçlardan yararlanarak, pencere sistemine ait toplam ısı geçiş katsayıları Denklem (1) kullanılarak elde edilmiştir. U=q/( T iç T dış T d ) (1) b) Şekli 6. Üç cam, ilave 16 mm hava boşluklu sistem için a) hız ve b) sıcaklığın L boyunca değişimi (y/h=0.5 de) a) b) Burada q ısı akısını ifade etmektedir ve paket program ile elde edilmiştir. Denklem (1) ile hesaplanan toplam ısı geçiş katsayıları, farklı pencere konfigürasyonları için Tablo 1 de listelenmiştir. Tablo 1. Pencere konfigürasyonları ve U değerleri Konfigürasyon Eklenen camlar arası U boşluk (mm) (W/m 2 K) Mevcut sistem /6 6 2,16 3/9 9 2,05 3/ ,98 3/ ,92 4/6/ ,69 4/9/ ,55 4/12/ ,47 4/16/ ,46 Tablo 1'de görülen pencere konfigürasyon numaralarındaki ilk rakam pencere sayısını, ikinci ve varsa üçüncü rakamlar ise ara boşluk mesafelerini (mm) göstermektedir. Tabloda görüldüğü gibi dört camlı sistemlerin U değerleri üç camlı sistemlere göre daha düşüktür. Camlar arasındaki mesafenin arttırılması ise U değeri azaltmaktadır. Ancak belli bir değerden sonra mesafenin arttırılmasının U değerine etkisi hemen hemen yoktur. Örneğin 4/12/12 konfigürasyonunda U=1.47 W/m 2 K iken ara boşluk 16 mm ye çıkarıldığında (4/16/16 konfigürasyonu) bu değer sadece 0.01 W/m 2 K kadar azalmaktadır. 5. MALİYET HESAPLARI Birim alandan kaybolan yıllık ısı yükü q A (MJ/m 2 yıl), derece-gün (DD) ve toplam ısı geçiş katsayısı değerlerine bağlı olarak Denklem (2) ile hesaplanmıştır. Şekli 7. Dört cam, ilave 16 mm hava boşluklu sistem için a) hız ve b) sıcaklığın L boyunca değişimi (y/h=0.5 de) Şekil 6b ve Şekil 7b de ise sıcaklık dağılımları gösterilmiştir. Tüm L boyunca sıcaklığın lineer değiştiği görülmektedir. Bu lineer değişim, incelenen pencere sistemlerinde ısı geçişinin taşınımdan ziyade iletimle olduğunu göstermektedir. Şekillerde görülen sıcaklık değişiminde yataya yakın olan kısımlar ise katı (cam) bölgelerini göstermektedir q A = DD.U (2) DD değeri Kocaeli ili için 20 o C iç ortam sıcaklığına karşılık gelen 2138 olarak alınmıştır (Büyükalaca vd., 2001). Bu ısı yükünü karşılamak için yıllık enerji gereksinimi E A (J/m 2 yıl), Denklem (3) ile hesaplanmıştır. E A DDU. (3) 199

5 Burada ısıtma cihazının verimini göstermektedir. Yıllık yakıt tüketimi (m Y ) ise aşağıdaki eşitlikten bulunmuştur. E A =m Y.H a (4) Yukarıdaki denklemde H a yakıtın alt ısıl değeri olup doğalgaz için KJ/m 3 dür. Birim alan başına yıllık ısıtma maliyeti (C A ) Denklem (5) ile tanımlanır. C m Y. C f (5) A Y f Denklem (5) te C f doğalgaz birim fiyatı olup TL/m 3 olarak alınmıştır (URL2, 2011). 6. EKONOMİK ANALİZ SONUÇLARI Yapılan hesaplamalar sonucu elde edilen maliyet grafikleri Şekil 8 ve Şekil 9 da verilmiştir. Şekillerden görüldüğü üzere ara boşluk ve cam sayısının arttırılması ile yatırım maliyeti artarken, işletme maliyetleri azalmaktadır. Üç camlı sistemde işletme maliyetleri yatırım maliyetlerine nazaran çok daha fazla iken, dört camlı sistemde yatırım maliyetleri ile işletme maliyetleri aynı mertebelerdedir. Toplam maliyetler karşılaştırıldığında, üç camlı ve dört camlı sistemler arasında belirgin bir fark olmadığı görülmektedir. Toplam işletme maliyeti, çalışma ömrü (N yıl) için şimdiki değeri, şimdiki değer faktörü (PWF) ile çarpılarak bulunur. PWF değeri Denklem (6) ile hesaplanmıştır. N (1+r) -1 PWF = r.(1+r) (6) N Buradaki r değeri, yıllık faiz oranı (i) ve enflasyon oranına (g) bağlı olarak Denklem (7) - Denklem (9) dan hesaplanmıştır. Şekil 8. Üç camlı sistemin ara boşluğa bağlı maliyet değişimi i>g için r = (i-g)/(1+g) i<g için r=(g-i)/(1+g) i=g için PWF =N/(i+1) (7) (8) (9) Hesaplarda i değeri %11, g değeri %5 (URL3, 2011) N ise 20 yıl alınmıştır. C 1 kurulum maliyeti olmak üzere toplam maliyetler (C t ) Denklem (10) dan hesaplanmıştır. C t =C A PWF+ C 1 (10) Pencere kurulum maliyetleri piyasa araştırmasıyla elde edilmiştir. Kurulum maliyetlerinin ara boşluk mesafesiyle değişimi piyasadaki ara çıta maliyetlerinden elde edilmiştir. Şekil 9. Dört camlı sistemin ara boşluğa bağlı maliyet değişimi Şekil 10 da üç ve dört camlı pencere konfigürasyonları ile sağlanabilecek yıllık enerji tasarrufu maliyetlerinin ara boşluk kalınlığına bağlı olarak değişimi gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi ara boşluk arttıkça yıllık tasarruf değerleri de artmakta ancak bu artış ara boşluğun artmasıyla yavaşlamaktadır. 6 mm ara boşluğa sahip tek camın eklenmesi halinde (3/6 konfigürasyonu) yıllık yaklaşık 40 TL/m 2 enerji tasarrufu yapılabilirken, 16 mm ara boşluğa sahip iki camın eklenmesi halinde (4/16/16 konfigürasyonu) bu değer neredeyse 2 kat artarak yaklaşık 80 TL/m 2 ye ulaşmaktadır. 200

6 climatic regions of Turkey, Energy and Buildings 42, , Aydın, O., Determination of optimum air-layer thickness in double-pane windows, Energy and Building 32, , Aydın, O., Conjugate heat transfer analysis of double pane windows, Building and Environment 41, , Şekil 10. Çift camlı sisteme göre yıllık tasarruf Farklı pencere konfigürasyonları için geri ödeme süreleri Şekil 11 de gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi geri ödeme süreleri pencere konfigürasyonuna bağlı olarak 11 ila 14 ay arasında değişmektedir. Geri ödeme süresi, üç camlı sistemlerde ara boşluğun artması ile azalırken, dört camlı sistemlerde 12 mm ara boşluğa kadar azalmakta daha sonra artmaktadır. Beatens, R., Jelle, B.P., Gustavsen, A., Aerogel insulation for building applications: A state-of-theart review, Energy and Buildings 43, , Büyükalaca, O., Bulut, H., Yılmaz, T., Analysis of variable-base heating and cooling degree-days for Turkey, Applied Energy 69, , Çengel, Y.A., Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd ed.,mcgraw-hill, , Genceli, O.F., Parmaksızoğlu İ.C., MMO/352/3 baskı, 253, Jensen, K.I., Schultz, J.M., Kristiansen, F.K., Development of windows based on highly insulating aerogel glazings, Journal of Non Crystalline Solids 350, , Şekil 11. Geri ödeme süreleri 7. SONUÇLAR Bu çalışmada alüminyum dış cephe cam giydirmeli binalardaki camlardan olan ısı kaybını azaltmak için çoklu cam uygulamaları incelenmiştir. Bu amaçla Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi binasındaki 600 m 2 lik mevcut kurulu pencere sistemine farklı ara boşluklarında tek cam veya iki cam eklenmesi durumundaki enerji tasarrufları hesaplanmıştır. Söz konusu binada mevcut dış cephe giydirme yüzeylere çift cam ilavesi için gerekli yatırım maliyetinin yaklaşık TL olacağı ve bu yatırımla yıllık TL yakıt tasarrufunun sağlanabileceği gösterilmiştir. Sağlanacak bu enerji tasarrufu ile fosil yakıtlarla ısıtılmaya çalışılan bir binada sera gazı salınımında önemli miktarda düşüşler olacaktır. 8. KAYNAKLAR ANSYS FLUENT 12.1 User s Guide, MacGregory, R.K., A.F. Emery, Free Convection through Vertical Plane Layers: Moderate and High Prandtl Nummer Fluids, J.Heat Transfer 91, 391, Manz, H., Brunner, S., Wullschleger, L., Triple vacuum glazing: Heat transfer and basic mechanical design constraints, Solar Energy 80, , Söylemez, M.S., Thermoeconomical Optimization of Number of Panes for Windows, Journal of Energy Engineering-ASCE 135, 135, 21-24, Wier, G., Muneer, T., Energy and Enviromental Impact Analysis of Double-Glazed Windows, Energy Convers. Mgmt 39, , URL1 konut_ulas/bina_ulas.html (Erişim: ) URL2 (Son Erişim: ) URL3 (Son Erişim: ) Arıcı, M., Karabay, H., Determination of optimum thickness of double-glazed windows for the 201