2. Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu ve Sergisi 23-25 Ekim 2014 Balıkesir İSTANBUL İÇİN TİPİK METEOROLOJİK YIL VE DERECE-SAAT HESABI Şaban PUSAT 1, İsmail EKMEKÇİ 2, Ahmet Coşkun DÜNDAR 2, Kemal ERMİŞ 3 ve Yaşar ŞEN 3 1 Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 34025-İstanbul, 2 İstanbul Ticaret Üniversitesi, Küçükyalı Kampüsü, 34840 - İstanbul, 3 Sakarya Üniversitesi, Esentepe Kampüsü, Sakarya spusat@yildiz.edu.tr ÖZET Günümüzde, Tipik Meteorolojik Yıl (TMY) yöntemi bina enerji performansı hesaplamalarında kullanılan temel iklim verilerinin oluşturulmasında neredeyse standart haline gelmiştir. Derece-gün yöntemi ve buna bağlı olarak geliştirilen derece-saat yöntemi Isıtma-Soğutma-İklimlendirme hesaplamalarında kullanılan en eski ve basit yöntemlerden birisi olarak günümüzde hala yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmamızda, 18 yıllık uzun döneme ait güncel meteorolojik veriler kullanılarak İstanbul da bulunan dört meteoroloji istasyonu için TMY verileri oluşturulmuş. Elde edilen TMY verileri ile 4 farklı denge sıcaklığı için ısıtma ve soğutma derecesaat değerleri hesaplanmış ve bulunan değerler karşılaştırılmıştır. Sonuçta aynı şehir merkezi için olsa bile farklı noktalardaki derece-saat değerlerinin, yani ısıtma-soğutma enerji ihtiyaçlarının önemli ölçüde farklı çıkabildiği görülmüştür. Anahtar Sözcükler: Isıtma Derece-Saat, Soğutma Derece-Saat, Tipik Meteorolojik Yıl, İstanbul ABSTRACT Today, Typical Meteorological Year (TMY) concept has been almost standard for building energy performance calculations. Degree-day method and relatedly developed degree-hour method which is one of the oldest and simplest Heating, Cooling and Air Conditioning load calculation method is still being used commonly nowadays. In our study, 4 different balance temperatures dependent variable base heating and cooling degree-hours for 4 differently placed meteorological stations are determined by using the TMY data derived from recently 18 years meteorological long term hourly measured data and calculated results are being compared. As a result of comparisons, it has been found that degree-hour values and relatedly heating and cooling loads can be varies importantly at different points for the same city. Keywords: Heating Degree-Hour, Cooling Degree-Hour, Typical Meteorological Year, Istanbul 1. GİRİŞ TMY yöntemi uzun yılların ortalamasına alternatif olarak geliştirilmiştir. TMY yönteminin uzun dönem ortalamalarına göre daha doğru ve gerçekçi sonuçlar verdiği birçok çalışmada vurgulanmıştır. TMY, uzun yıllara ait meteorolojik verilerin kullanılmasıyla oluşturulan bir yıllık veri topluluğudur ve ilk olarak 1979 lu
yıllarda Hall ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir [1-2]. Daha önceleri, uzun yılların ortalaması alınarak enerji hesaplamalarında kullanılmaktaydı. Günümüzde ise uzun yıllara ait verilere bakılarak uzun yıllar ortalamasını ve o bölgenin iklimini en iyi temsil eden TMY verileri kullanılmaktadır. Derece-gün ve derece-saat yöntemleri binalarda enerji performans analizlerinde kullanılan en eski yöntemlerdendir. Günümüzde detaylı ve karmaşık enerji analiz yöntemleri geliştirilmiş olmasına rağmen derece-gün yöntemi hala geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Ülkelerin farklı ısıtma, soğutma ve yalıtım uygulamalarında kullanılmak üzere derece-gün bölgelerini tayin etmeleri yaygın olarak görülebilen bir işlemdir [3-4]. Ülkemiz için değişken tabanlı derece-gün ve derece-saat hesaplamaları üzerine yapılan değişik çalışmalar mevcuttur [5-8]. Derece-saat hesabı temel olarak saatlik sıcaklık değerlerinin belirlenen denge sıcaklığı arasındaki farkına dayanmaktadır. Denge sıcaklığı ile ilgili farklı değerler alınabilmekle beraber geleneksel olarak yalıtımsız bir binada ısıtma için 18 0 C ve soğutma için de 22 0 C alınmaktadır. Denge sıcaklığının belirlenmesinde bina konfor şartları, kullanım özellikleri, yalıtım durumu ve ısı kazanç ve kayıpları dikkate alınmalı ve geleneksel denge sıcaklıklarının kullanılması durumunda dikkatli olunmalıdır [9]. Bu çalışmada öncelikle, İstanbul daki 4 istasyon için TMY veri setleri oluşturulmuştur. Daha sonra, değişken tabanlı derece-saat değerlerinin hesaplanmasında kullanacağımız denge sıcaklıkları belirlenerek ısıtma ve soğutma derece-saat değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlar tablolar halinde sunularak mukayeseler yapılmıştır. 2. TMY VE DERECE-SAAT HESABI Çalışmada kullanılan istasyonların bilgileri Tablo 1 de verilmiştir. İstanbul için yapılan bu çalışmada, Florya, Göztepe, Kumköy ve Şile deki 4 farklı meteoroloji istasyonlarından alınan uzun dönem verileri için TMY verileri oluşturulmuş. TABLO-1 İstasyonların bilgileri İstasyon Adı Rakım Enlem Boylam Florya 36 40.59 28.48 Göztepe 33 40.58 29.05 Kumköy 30 41.15 29.02 Şile 83 41.11 29.37 TMY farklı yıllardan seçilen ayların sıralanması ile oluşturulmaktadır. TMY verilerinin oluşturulmasında kullanılan temel yöntem Finkelstein-Schafer istatistiğidir. Bu yöntemle, her bir ay uzun dönem ortalaması ile karşılaştırılarak uzun dönem ortalamasına göre en iyi ayların seçimi yapılır. Bu mukayesede önemli bir parametre de her bir meteorolojik değişken (sıcaklık, rüzgar hızı vb.) için belirlenen ağrılık katsayılarıdır. Literatürde ağırlık katsayıları için birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmada, Pusat ve arkadaşlarının çalışmasında [10] yer alan ağırlık katsayıları kullanılmıştır. 4 istasyon için oluşturulan bu TMY veri toplulukları ile de 4 farklı denge sıcaklığı için ısıtma ve soğutma derece-saat değerleri hesaplanmıştır. Göztepe istasyonu için hazırlanan aylık sıcaklık ve güneş ışınımı değerlerinin mukayesesi Şekil 1 de verilmiştir. Beklendiği gibi uzun yıllar ortalaması ile TMY ortalamaları birbirine çok yakın gerçekleşmiştir.
Şekil 1 Göztepe istasyonu için TMY ve uzun yıllar ortalamalarının mukayesesi Derece-saat hesaplanırken kullanılan en genel formül aşağıdaki şekildedir [9]; (TT 0 TT dd) = DDSS. (1) Burada; To: Dış ortam sıcaklığı Td: Denge sıcaklığı DS: Derece-saat değerlerini ifade etmektedir. İki sıcaklık değeri arasındaki fark sıfırdan büyükse soğutma-derece saat, sıfırdan küçükse ısıtma-derece saat olarak hesaplamalara katılır. Ancak sadece bu çalışmada değil, tüm dünyada soğutma derece hesaplarında, dış hava bağıl nem değeri ve geri-dönüşüm havası oranına bağlı çok önemli bir eksiklik vardır ve bu nokta hesaplamalarda önemli bir eksiklik oluşturmakta ve bu sorun ASHRAE yayınlarında da göze çarpmaktadır [11]. Özellikle konfor soğutmasında dış hava bağıl nemine, taze hava ile geri-dönüşüm (re-siküle hava) havalarının karışım oranlarına ve seçilen iç hava için konfor şartlarına bağlı olarak binalarda aktif nem kontrolü kaçınılmaz olmaktadır. Nem kontrolünün anlamı ise özellikle soğutmada gizli soğutma ısı-yüklerinin hesabını, dolayısı ile bu yüklerinde performans hesaplarına ve soğutma derece saat hesaplarına ayrı bir faktör olarak katılması şartını getirmektedir. Yukarıdaki derece-saat denklemi sadece duyulur ısı-yükleri içindir ve gizli ısı-yüklerini hesaba katmamaktadır. Dolayısı ile soğutma derece-saat, soğutma derece-gün gibi kavramlar giderek pratikte terk edilmeye başlanmıştır. Bu konuda devam etmekte olan çalışmalar tamamlanıncaya kadar soğutma derece saat kavramından uzak durulması veya çok dikkatli bir şekilde kullanıcıya bu yöntemin sorunları açıklanarak bir farkındalık yaratmak koşulu ile kullanılması gerekmektedir. İstanbul daki dört farklı istasyon için hesapladığımız ısıtma derece-saat değerleri aylık ve yıllık toplamlar halinde Tablo 2 de gösterilmiştir. Elde edilen bu sonuçlardan kıyaslama yapabilmek amacı ile ısıtma derecesaat için 18 0 C denge sıcaklığı alınmıştır. Bu denge sıcaklığı değerine göre, en yüksek ısıtma derece-saat değeri Mart ayında Florya istasyonunda 9758 derece-saat; en düşük olarak da, Temmuz ayında Göztepe istasyonunda 2 derece-saat olarak bulunmuştur. Yıllık toplamlara baktığımızda ise en yüksek yıllık toplam ısıtma derece-saat değeri 56861 derece-saat, yani 2369 derece-gün ile Şile de; en düşük yıllık toplam ısıtma derece-saat değeri ise 53856 derece-saat, yani 2244 derece-gün ile Florya da görülmüş; en yüksek ve en düşük ısıtma derece-saat değerleri arasında 3005 derece-saat yani 125 derece-gün mutlak fark, bağıl olarak %5.5 olarak fark bulunmaktadır.
ŞİLE KUMKÖY GÖZTEPE FLORYA TABLO-2 Hesaplanan ısıtma derece-saat değerleri Denge Sıcaklığı OC AK ŞUBAT MAR T NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL EKİM KASIM ARALIK TOPLAM 18 9084 8183 9758 6601 1787 113 104 36 140 2788 6607 8656 53856 20 10572 9527 11246 8019 2978 430 254 296 571 3984 8042 10144 66062 22 12060 10871 12734 9451 4319 1099 574 919 1393 5332 9482 11632 79866 24 13548 12215 14222 10890 5744 2031 1183 1871 2610 6775 10922 13120 95131 18 9552 8071 8779 6368 1781 412 2 61 943 3272 6669 8866 54777 20 11040 9415 10267 7750 2957 894 29 421 1723 4519 8098 10349 67462 22 12528 10759 11755 9167 4280 1658 214 1181 2734 5902 9538 11837 81555 24 14016 12103 13243 10604 5691 2637 809 2250 3912 7361 10978 13325 96931 18 9089 8611 8809 6957 2401 155 131 84 1189 2542 6926 9373 56267 20 10577 9955 10296 8347 3550 545 314 401 2014 3584 8348 10858 68790 22 12065 11299 11784 9767 4836 1258 672 1122 3066 4847 9788 12346 82849 24 13553 12643 13272 11197 6212 2268 1444 2167 4290 6229 11228 13834 98338 18 9339 8394 9057 6355 2596 903 49 98 342 3307 7359 9062 56861 20 10827 9746 10536 7715 3886 1524 176 446 894 4541 8790 10550 69630 22 12315 11137 12024 9104 5251 2390 576 1216 1716 5903 10230 12038 83901 24 13803 12529 13512 10511 6679 3520 1540 2333 2833 7320 11670 13526 99776 Derece-saat değerlerini 24 ile böldüğümüzde derece-gün değerlerini elde edilebilmektedir. Yıllık toplamları derece-saat şeklinde karşılaştırmak daha anlamlı olacaktır ve buna bağlı olarak Florya, Göztepe, Kumköy ve Şile istasyonları için hesaplanan derece-gün değerleri sırasıyla 2244, 2282, 2344 ve 2369 derece-gün olarak birbirlerinden farklı değerler şeklinde göze çarpmaktadır. En yüksek ve en düşük derece-günlere sahip Florya ve Şile istasyonları arasındaki farkın, aynı şehir için olmalarına rağmen 125 derece-gün, yani bağıl yüzde olarak yaklaşık % 6 fark gibi yüksek bir değer olduğu görülmektedir. İstanbul daki dört farklı istasyon için kuru termometre sıcaklıklarını kullanarak hesapladığımız soğutma derece-saatlerin aylık ve yıllık sonuçları Tablo.3 te verilmiştir. Elde edilen sonuçlardan kıyaslama yapabilmek amacı ile soğutma derece-saat için 22 0 C denge sıcaklığı alınmıştır. Yıllık toplamlar açısından bakacak olursak en yüksek soğutma derece-saat değerinin 1944 derece-saat ile Temmuz ayında yine Florya istasyonunda gerçekleştiği; en düşük soğutma derece-saat değeri olarak ise Florya istasyonunda altı ve diğer istasyonlarda da beş ay süreyle 0 soğutma derece-saat görülmüştür. ŞİLE KUMKÖY GÖZTEPE FLORYA TABLO-3 Hesaplanan soğutma derece-saat değerleri Denge Sıcaklığı OC AK ŞUBAT MAR T NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL EKİM KASIM ARALIK TOPLAM 18 0 0 0 30 515 2857 4451 3040 1963 484 6 0 13344 20 0 0 0 9 219 1733 3112 1812 953 192 0 0 8030 22 0 0 0 0 71 963 1944 947 336 52 0 0 4314 24 0 0 0 0 8 454 1066 411 113 7 0 0 2059 18 0 0 0 84 574 2600 4542 2549 1533 378 11 5 12276 20 0 0 0 25 262 1642 3080 1421 874 137 0 0 7441 22 0 0 0 3 98 966 1777 694 445 32 0 0 4014 24 0 0 0 0 21 505 885 274 183 3 0 0 1870 18 0 0 1 84 777 2548 3636 2604 1301 857 18 3 11828 20 0 0 0 34 438 1498 2330 1433 685 411 0 0 6830 22 0 0 0 14 236 770 1200 665 297 186 0 0 3369 24 0 0 0 4 125 341 485 222 82 80 0 0 1338 18 0 41 9 184 411 2011 3137 2426 1929 503 9 0 10660 20 0 1 0 103 213 1192 1776 1286 1041 249 0 0 5861 22 0 0 0 52 90 618 689 568 423 124 0 0 2564 24 0 0 0 19 30 309 165 197 100 52 0 0 871 Yıllık toplamlar açısından bakacak olursak en yüksek değer 4314 soğutma derece-saat yani 180 derece-gün ile Florya da; en düşük soğutma derece-saat değeri ise 2564 derece-saat, yani 107 derece-gün ile Şile istasyonunda görülmektedir. En yüksek ve en düşük soğutma derece-saat değerleri arasında 1750 soğutma derece-saat yani 73 derece-gün mutlak fark, bağıl olarak %68 fark bulunmaktadır. En yüksek ve düşük soğutma derece-gün değerine sahip istasyonlar arasındaki farkın 73 derece-gün (yüzde olarak fark yaklaşık % 68) gibi çok yüksek bir seviyede olduğu görülmektedir.
3. SONUÇ Bu çalışmanın amacı İstanbul için TMY verilerinin hazırlanması ve bu veriler kullanılarak derece-saat hesabı değerlerinin hesaplanmasıdır. Bu kapsamda İstanbul daki 4 farklı istasyonun 18 yıllık verileri kullanılarak TMY verileri elde edildi. Daha sonra, TMY verileri kullanılarak 4 farklı denge sıcaklığı için ısıtma ve soğutma derece-saat değerleri hesaplandı. Sonuçlar incelenerek bir şehrin farklı noktalarındaki iklim koşullarının farklılık gösterebileceği ortaya konuldu. 4. TEŞEKKÜR Bu çalışmada bize iklimsel verileri sağlayan Devlet Meteoroloji İşlerine ve ayrıca değerleri yorumlarıyla çalışmamıza katkıda bulunan Sayın Prof. Dr. Birol KILKIŞ a teşekkür ederiz. 5. KAYNAKLAR [1] Hall IJ, Prairie RR, Anderson HE, Boes EC. Generation of typical meteorological years for 26 SOLMET stations. Sandia Laboratories Report, SAND 78-1601, Albuquerque, NM, 1978. [2] EN 15927 Avrupa Standardı. [3] Lstiburek, J.W., Hygrothermal climate regions, interior climate classes and durability. Proceedings of the Eighth Conference on Building Science and Technology, Toronto, Canada, 2001; 319-29. [4] Sahal, N., Proposed approach for defıning climate regions for Turkey based on annual driving rain index and heating degree-days for building envelope design. Building andenvironment 41, 2006; 520-526. [5] Ö. Altan Dombaycı, Degree-days maps of Turkey for various base temperatures. Energy, 2009. [6] Orhan Büyükalaca, Hüsamettin Bulut, Tuncay Yılmaz, Analysis of variable-base heating and cooling degree-days for Turkey. Applied Energy, Volume 69, Issue 4, August 2001; 269-283. [7] A. Satman, N. Yalcinkaya, Heating and cooling degree-hours for Turkey. Energy, Volume 24, Issue 10, 1999;833-840. [8] Uner M, İleri A.Typical weather data of main Turkish cities for energy applications. International Journal of Energy Research, 2000; 24: 727-748. [9] ASHRAE, ASHRAE Handbook: Fundamentals. ASHRAE: Atlanta, 2009. [10] Pusat S, Ekmekçi İ, Akkoyunlu MT. Generation of typical meteorological year for different climates of Turkey. Renewable Energy, 2015; 75: 144-151. [11] ASHRAE, ASHRAE Handbook: Fundamentals. ASHRAE: Atlanta, 2009; 18.49.