OREN3003 ENERJİ YÖNETİMİ

Karadeniz Teknik Üniversitesi Orman Fakültesi Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü OREN3003 ENERJİ YÖNETİMİ Dr.-Mak.Müh. Kemal ÜÇÜNCÜ 1

10. ISI GEÇİŞİ VE YALITIMI 2

10.1. ISI GEÇİŞİ Termodinamik, bir sistemin bir işlem sırasında, bir denge konumundan diğer bir denge konumuna geçerken meydana gelen toplam ısı transferi miktarıyla ilgilenir. Isı transferi (heat transfer) bilimi ise ısı transferi hızıyla (rate of heat transfer) ilgilenir. Isı transferi hızı, ısı transferi donanımlarının tasarımı ve değerlendirilmesindeki en temel niceliktir. Bir sistemdeki bütün enerji biçimlerinin toplamı sistemdeki toplam enerjiyi verir ve toplam enerji iç, kinetik ve potansiyel enerjileri içerir. İç enerji bir sistemdeki moleküler enerjiyi temsil eder ve duyulur, gizli, kimyasal ve nükleer enerji biçimlerinden oluşur. İç enerjinin duyulur ve gizli enerji biçimleri, sıcaklık farkı sonucunda bir ortamdan diğerine aktarılabilir. 3

Bu enerji biçimleri ısı veya ısıl enerji olarak bilinir. Yani, ısı transferi iki ortam arasındaki sıcaklık farkından dolayı transferi gerçekleşen duyulur ve gizli enerji biçimleridir. Birim zamanda gerçekleşen ısı transferi miktarı, ısı transfer hızı olarak adlandırılır ve Q W ile gösterilir. Birim alandan olan ısı transferi hızı ise, ısı akısı "q W/m 2 " olarak adlandırılır. Sabit bir kütleden oluşan bir sistem kapalı sistem olarak adlandırılır. Sınırlarından kütle geçişi olan bir sistem ise açık sistem veya kontrol hacmi olarak adlandırılır. Bir işleme tabi olan herhangi bir sistem için Termodinamiğin Birinci Yasası veya enerji dengesi aşağıda verildiği gibi ifade edilebilir: E giren E çıkan = E sistem J 4

Eğer hareketsiz, kapalı bir sistem yalnızca ısı transferi içeriyorsa ve sınırlarından bir iş transferi yoksa enerji dengesi sadeleşerek aşağıda verilen duruma gelir: Q = m C v T J Burada; m kg kütle, C v J/kg sabit hacimde özgül ısı, T sıcaklık farkı, Q J sisteme doğru gerçekleşen veya sistemden gelen toplam (net) ısı transferidir. Eğer ısı transferi sabit bir Q hızıyla gerçekleşiyorsa, Δ t zaman aralığında gerçekleşen ısı transferi miktarı Q = Q t J = Ws ile bulunabilir. 5

Bir giriş ve çıkışa sahip ve bu giriş ve çıkışı arasında ihmal edilebilir kinetik ve potansiyel enerji değişimi olan bir kontrol hacmi için sürekli rejimde ve iş etkileşiminin olmadığı koşullarda enerjinin korunumu bağıntısı aşağıda verildiği gibi ifade edilebilir: Q = m C p T W Burada m = ρ V A c kg/s kütlesel debi ve Q kontrol hacmine gerçekleşen net ısı transferi hızıdır. Isı, üç farklı şekilde transfer edilebilir: İletim (kondüksiyon), Taşınım (konveksiyon, Işınım (radyasyon). 6

10.1.1. Isı İletimi İletim, birbirine komşu olan parçacıklar arasındaki etkileşim sonucunda, daha enerjetik olanlardan az olanlara doğru ısının transferidir. Şekil 10.1. Düz duvarda ısı iletimi 7

Bu transfer şekli Fourier Isı İletim Kanunu ile aşağıda verildiği gibi ifade edilir: Q i = k A dt dx W Burada, k W/mk = W/m malzemenin ısıl iletkenliği, A m 2 ısı transfer yönüne dik olan alan, dt/dx K/m = /m sıcaklık değişimidir. L kalınlığına sahip düzlemsel bir tabakadan gerçekleşen iletim (hızı) aşağıda verildiği gibidir: Q i = k A T L W Burada T = K tabakanın iki yüzeyi arasındaki sıcaklık farkıdır. da kesit alanından dt zamanında geçen ısı miktarı aşağıdaki gibi yazılır. dq = k da dt dx dt 8

Şekil 10.2 deki çok katlı düz levhada ısı transferi gösterilmiştir. Tek katlı düz levhada ısı iletimi Q = k L T 2 T 1 A Çok katlı düz levhada ısı iletimi 1 K = L 1 + L 2 + + L = n k 1 k 2 k n eşitliği ile ifade edilir. 1 L i k i Şekil 10.2. Çok katlı düz levha 9

Şekil 10.3 de görüldüğü gibi, tek katlı silindirik bir duvardan geçen ısı miktarı Q = T 2 T 1 1 2πkL ln d 2 d1 W farklı malzemelerden yapılmış çok katlı silindirik duvar için ısı iletimi Q = T 1 T 2 1 n 2πk i L lnd i+1 i=1 d i eşitliği ile ifade edilir. W Şekil 10.3. Boruda ısı iletimi 10

Silindirik bir duvarın (tek veya çok katlı) çapları oranı d 2 /d 1 >2 ise, silindirik duvarın ısı iletkenliği bir düz duvar gibi hesaplanabilir. Böyle bir durumda d ort = d 1+ d 2 tanımlanan ortalama çap kullanılır İçi boş kürede ısı geçişi Q = T 1 T 2 r2 r1 W 4πkr1r2 olarak hesaplanır. Bu eşitlik benzer şekilde Q = T 1 T 2 1 r1 1 r2 4πk W olarak ifade edilebilir. 2 şeklinde 11

Taşınım, katı bir yüzey ve ona komşu olan hareket halindeki sıvı veya gaz (akışkan) arasında gerçekleşen ısı transferi şeklidir. Taşınım, içinde hem iletimden hem de akışkan hareketinden gelen bileşik etkileri içerir. Taşınımla ısı transferi hızı Newton Soğuma Yasası ile aşağıda verildiği gibi ifade edilir: Q t = h A s T s T W 10.1.2. Isı Taşınımı Burada h W/m 2 = W/m 2 K ısı taşınım katsayısı, A s m 2 taşınımın gerçekleştiği yüzeyin alanı, T s yüzey sıcaklığı ve T yüzeyden yeteri kadar uzakta akışkanın sıcaklığıdır. Şekil 10.4. Isı taşınımı 12

10.1.3. Isı Işınımı Işınım bir maddeden, yapısındaki atomların veya moleküllerinin elektronik şekillerinde meydana gelen değişimler sonucunda enerjinin elektromanyetik dalgalar (veya fotonlar) halinde yayılmasıdır. Ts mutlak sıcaklığına (K) sahip bir yüzeyin yayabileceği maksimum ışınım miktarı Stefan- Boltzmann Yasası ile verilir. Buna göre Q r = σ A s T s 4 W yazılabilir. Burada σ Stefan-Boltzmann sabitidir, σ = 5.67 x 10 8 W/m 2 K 4 13

Eğer ε ( ) yayma katsayısına ve A s m 2 alanına sahip T s K sıcaklığında bir yüzey çok daha büyük (veya siyah) T sr K sıcaklığına sahip bir yüzey tarafından tamamıyla sarılmışsa ve aralarında ışınımı engellemeyen bir gaz (hava gibi) varsa bu iki yüzey arasındaki net ışınım transferi aşağıda verildiği gibidir: Q r = ε σ A s T 4 4 s T sr W Siyah cisim yayma gücü: E s = σ T s 4 W/m 2 Gerçek cisimlerin yaydığı ısı akısı: q = ε σ T s 4 W/m 2 14

İki gri cisim arasında ışıma ile ısı transferi Q 12 = ε 12 σ A T 1 4 T 2 4 Burada yayma katsayısı 1 ε 12 = 1 ε 1 + 1 ε 2 1 eşitliğinden hesaplanır. Yüzey alanları farklı levhalarda (silindir veya küre gibi) yayma katsayısı ε 12 = 1 ε1 +A 1 A2 1 1 ε2 1 bağıntısı ile ifade edilir. Siyah cisimler için ε = 1 olduğundan Q 12 = σ A T 1 4 T 2 4 eşitliği geçerlidir. 15

Taşınım + Işınım: q = h T s T + h r T s T W/m 2 h W/m 2 K ısı taşınım katsayısı, h r W/m 2 K ısı ışınım katsayısı, T s : yüzey sıcaklığı, T : akışkan sıcaklığı Çok katlı bir duvarda toplam ısı geçiş katsayısı K = 1 h1 + 1 n L i + 1 i=1k i h2 W/m 2 Çok katlı silindirde toplam ısı geçiş katsayısı: K = 1 1 h1d1 + n 1 i=1 ln d i+1 1 + 2k i d i dn+1 10.1.4. Toplam Isı Geçişi Şekil 10.5. Çok tabakalı levha 16

Isı, bir enerjidir ve farklı sıcaklıklara sahip mekanlarda; sıcaklığın yüksek olduğu ortamdan düşük olduğu tarafa doğru geçme eğilimi gösterir. Isı, bu geçiş sırasında, mekanlar arasındaki malzemelerin ısı iletkenlik katsayılarına ve kalınlıklarına bağlı olarak bir dirençle karşılaşır. En genel anlamda ısı yalıtımı, ısı geçişini azaltan bir dirençtir. Isı geçişi; iletim, taşınım ve ışıma yolu ile 3 şekilde meydana gelmektedir. Isı yalıtımının avantajları; 10.2. ISI YALITIMI Uygulanan yalıtım kalınlığına ve kullanılan malzemenin ısı iletkenliğine bağlı olarak, ısı kaybı % 30-60 oranında azaltılır. Yoğuşma riski azaltılarak küflenme vb. olaylar önlenir. 17

Dış duvarlarda ısıl gerilmeler azalır, böylece sıcaklık sebebi ile oluşan çatlaklar engellenir ve yapı ömrü uzar. Yakıt tasarrufuna bağlı olarak ısıtma tesisatı ilk yatırım ve işletme masraflarında düşüşler elde edilir. Daha az yakıt kullanımı sonucunda hava kirliliği azalır. Mekanda düzenli dağılımda bir iç sıcaklık oluşturarak ısıl konfor elde edilir. Duvar kalınlığında incelme ile birim alandan kazanç sağlanır. 18

10.2.1. Isı Yalıtım Şekilleri Binalarda ısı yalıtımı yapılırken, ısının en çok kaybolduğu yerlere özellikle önem verilmeli ve yalıtım bir bütün olarak ele alınmalıdır. Yapılarda ısı kayıplarının gerçekleştiği, dolayısıyla yalıtılması gereken yapı elemanları şöyledir: - Dış duvarlar (Pürüzlü-oluklu) - Dış yüzeyden (Mantolama) - İç yüzeyden - Sandviç (pürüzsüz) - Çıkmalar Çatılar (Pürüzsüz) - Düz teras çatılar - Eğimli çatılar - Mertek üzerinden - Mertek arasından - Mertek altından Döşemeler (Pürüzsüz) - Zemine oturan döşemeler - Döşemeden ısıtmalı döşemeler - Isıtılmayan ortama bitişik döşemeler 19

Dış duvarlar 3 ayrı tip ısı yalıtım uygulaması yapılabilir, ancak bunlar içerisinde yapı fiziği açısından en doğru çözüm; binanın tüm dış yüzeyine sürekli bir yalıtım imkanı sağlayan, kolon ve kiriş gibi elemanlarda oluşması muhtemel ısı köprülerini engelleyen, yaz/kış sıcaklık farklarından ötürü duvarın ısıl gerilmelerini asgari ölçülere indiren dış yüzeyden sürekli ısı yalıtım uygulamasıdır (mantolama). 20

Duvarların Dışarıdan Isı Yalıtımı- Mantolama Bu sistemde duvar, kolon ve kirişlerin tümü bina dışından her iki yüzü pürüzlü ve oluklu; imal edilen ekstrude polistren veya diğer cins ısı yalıtım levhaları ile kaplanır. Sistemin avantajları: Kolon, kiriş gibi yapının taşıyıcı sistemindeki tüm ısı köprülerini, dış mekanla temasını önleyerek, ortadan kaldırır. Yalıtımsız binalarda yoğuşma sonucunda oluşan rutubet, küf vs. önlenir. Bina dış yüzeyini sıcaklık farkının olumsuz etkilerinden korur. Yapı fiziği açısından ideal olan sistemdir. 21

Duvarların İçeriden Yalıtımı Bu sistemde yapının dış yüzeyini oluşturan duvar, kolon ve kirişlerin tümü bina içinden, her iki yüzü pürüzlü-oluklu üretilen ekstrude polistren veya benzeri diğer ısı yalıtım levhaları ile kaplanır. Sistemin avantajları: 265 cm uzunluğundaki ısı yalıtım levhaları düşeyde ek yerlerinin sayısını en aza indirir. Uygulama kısa sürede tamamlanır. Şayet binayı dışarıdan mantolama yapmak mümkün olmuyorsa, bu sistem ile kullanıcı sadece kendi katına ısı yalıtım yaptırabilir. 22

- Kuru Sıva Sistemi Bir yüzü alçı plaka kaplı ekstrüde polistren levhalar, çimento bazlı yapıştırma harcı ile iç duvar yüzeyine yapıştırılır. Yapıştırma öncesi duvar yüzeyinin duvar kağıdı, sıva kabarıkları vb. pürüzlerden arınmış olmasına özen gösterilmelidir. Yapıştırma harcı levha üzerine uygulanırken levhaların kenarlarına ve ortasına kesintisiz düşey bantlar şeklinde yerleştirilmeli, özellikle cephedeki açıklıkların çevresi boyuna levhaların tavan ve döşeme birleşimlerinde hava infiltrasyonu ve yoğuşma ihtimaline karşın yapıştırmanın kesintisiz olarak devam ettirilmesi tavsiye edilir. Levhalar yapıştırıldıktan sonra, standart alçı plaka birleşim ve bitiş teknikleri ile uygulama tamamlanır. 23

- Sandviç Duvar Yalıtımı Bu sistemde binaların dış cephe duvarları çift sıra tuğla ile örülüp, arasına pürüzsüz Ekstrüde polistren levhalar konarak ısı yalıtım yapılır. Sistemin avantajları: XPS levhaları zamanla yok olmaz, şekli bozulmaz bina ömrü boyunca ısı yalıtım görevini yerine getirir. Bina dış yüzeyinde oluşan donma ve çözülmeler sonucunda levhalar tahrip olmaz. 24

- Çatılarda Isı Yalıtımı Konvansiyonel teras çatı yalıtımında su yalıtım malzemesi ısı yalıtım malzemeleri sıkça kullanılır. Isı yalıtım malzemesinin altına da buhar kesici yerleştirilir. Amaç, dış ortamdaki yağıştan ve iç ortamdaki sıcak havanın dışarıya doğru geçişi esnasında meydana gelebilecek yoğuşmadan ısı yalıtım malzemesini korumaktır. Konvansiyonel teras çatılarda yaşanan sorunlara çözüm üretilmesi amacıyla, ters teras çatı sistemi sert köpük levhalar, çift kat uygulanan su yalıtım malzemesi bitümlü membranlar üzerine serilerek; hem ısı yalı- tımı sağlanmış, hem de su yalıtım malzemesi korunmuş olur. Eğimli çatıların ısı yalıtımında; ahşap kırma çatılarda çatı tahtası kullanmadan, merteklerin veya betonarme eğimli çatılarda ise doğrudan döşemenin üzerine pürüzsüz ekstrude polistren ısı yalıtım levhaları ve su yalıtım örtüleri döşenmektedir. 25

- Döşemelerde Isı Yalıtımı Katları birbirinden ayıran, zemine oturan, altında bodrum gibi yaşam mekanları bulunmayan tüm döşemelerde pürüzsüz ekstrude polistren ısı yalıtım levhaları kullanılır. Avantajları; Kaplama malzemelerinde oturma, çatlama vb. hasarlara neden olmaz çünkü, basma mukavemeti yüksektir ve zamanla şekil değiştirmez. Yük taşıyan döşemelerde yükün dağıtılması için ilave bir tabaka gerektirmez. 26

ISO ve CEN Standartlarına göre yapılan sınıflandırmada: λ (Isı iletkenlik katsayısı) > 0.065 W/mK ise yapı malzemesi λ (Isı iletkenlik katsayısı) < 0.065 W/mK ise ısı yalıtım malzemesi olarak değerlendirilir. Isı yalıtım malzemeleri, bitişik yapı malzemelerinin ısı iletim direncini artırmak veya dışarıya kaçan ısı miktarını azaltmak amacı ile kullanılırlar. Isı yalıtım malzemelerinin seçiminde aşağıdaki özellikler aranır: Isı iletkenlik katsayısı-λ (W/mK) Su buharı difüzyon direnci-µ - Yangın sınıfı DIN 4102, BS 476 e göre Sıcaklık dayanımı ( o C) Basınç dayanımı (kpa) Yoğunluk (kg/m 3 ) Hacimce su emme (%) 10.3. ISI YALITIM MALZEMELERİ 27

Malzeme Tablo x. Bazı ısı yalıtım malzemelerin ısıl iletkenlik özellikleri Yoğunluk (kg/m 3 ) Kullanım Sıcaklığı ( o C) Isı iletim katsayısı (W/mK) Cam yünü (Bakalitli) (TS901-EN13162) 10-80 +230 0.040 Cam yünü (Bakalitsiz) (TS901-EN13162) 130 +555 0.045 Taş yünü (TS901-EN13162) 33-100 0/800 0.043 Expande polistren (EPS) (TS7316-EN13163) 15-30 -100/+80 0.033 Extrüde positren (XPS) (TS11989-EN13164) 45-60/+75 0.026 Poliüretan köpük TS EN 13165) 50-180/+110 0.046 Fenol köpüğü (TS2193-EN13166) 30-35 -180/+120 0.040 Cam köpüğü (TS EN 13167) 135-260/+430 0.046 28

10. BÖLÜM SONU 29