ÇİFT CAMI PENEREERDE ISI GEÇİŞİNİN İNCEENMESİ Müslüm Arıcı, Ömer Oğuz Tozkoparan, Hasan Karabay Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü, KOCAEİ muslumarici@gmail.com,tozkoparano@hotmail.com, hasankarabay@gmail.com ÖZET Bu çalışmada, iç cam yüzey sıcaklığı 15 o C de sabit tutulan, dış cam yüzey sıcaklığı ise 5 o C, 10 o C, 15 o C, 20 o C, 25 o C sıcaklık farkı olacak şekilde değiştirilen, çift camlı pencere sistemlerindeki ısı geçişinin ara boşluk mesafesi (2mm, 6mm, 11mm, 16mm, 2mm, 32mm ve 0mm ) ile öncelikle ışınımı dikkate almaksızın, ikinci bölümde ise ışınımı da dikkate alarak değişimi incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda ışınımla ısı geçişinin tüm geometri ve sıcaklık farklarında ihmal edilmeyecek boyutta olduğu görülmüş ve pencerelerden olan ısı kaybının azaltılması için pencere yüzeylerinin yayınım katsayısı küçük bir malzeme ile kaplanmasının, sadece taşınımı dikkate alarak belirlenen optimum ara boşluk mesafesinden daha etkili olduğu gösterilmiştir. Çift camlı pencere tasarımında optimum kalınlıktan ziyade minimum kalınlık belirlemenin pratik olarak daha doğru olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Çift cam, optimum mesafe, ışınım,taşınım 1. GİRİŞ Günümüzde enerji maliyeti sürekli olarak artmakta, enerjinin kullanıldığı her alanda, tüm dünyada tasarruf yapılmaktadır. Son dönemlerde küresel ısınmanın giderek artması ve sonuçlarının da giderek zarar verici boyutlara ulaşması nedeniyle tüm dünyada enerji tüketiminde kısıntıya gidilmesi kararı alınmaktadır. Elektrik işleri etüt idaresi internet sitesinde göre ülkemizde kullanılan toplam enerjinin %82 sinin ısıtmada kullanılmaktadır. Bu enerji kaybının %30 u ise pencerelerden olmaktadır. Bu nedenle ülkemizde en çok tasarruf yapılması gereken enerji alanı binalardaki enerji kullanımı olmalıdır. Binalardaki ısı kayıplarının ise dış duvarlardan (%0), pencerelerden (%30), kapılardan (%17), çatı (%7) ve döşemelerden (%6) olduğu yine aynı sitede belirtilmektedir. 2006 yılı itibarı ile toplam 100000 bin TEP enerjinin tüketildiği ülkemizde pencerelerden 26000 bin TEP enerjiyi atmosfere atılmıştır. Çatı, döşeme ve dış duvarlar yalıtım malzemeleriyle uygun bir şekilde yalıtılarak enerji kaybı azaltılabilir. Ancak pencerelerde yalıtım malzemesi bu yüzeylerdeki gibi kullanılamaz. Bu nedenle çok pencereli ortamlarda sorun oldukça büyüyecek ve enerji kaybı oldukça artacaktır. Isı kaybını azaltmak için günümüzde çift camlı pencere sistemleri tercih edilmektedir. Çift camlı pencereler; iki camın arasında bırakılmış belli kalınlıktaki boşluğun içerisine hava, krypton, xenon gibi durgun halde iken ısı iletim katsayısı çok düşük olan gazların doldurulması ile elde edilir. Böylece pencerelerden olan ısı kaybı miktarı ciddi ölçüde azalmakta ve büyük bir enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Pencerelerden olan ısı kaybını inceleyen literatürdeki çalışmaların çoğunda [1], [2] ışınımın etkisi göz ardı edilmiş, pencere yüzeylerinden sadece iletim ve taşınım ile olan ısı geçişi dikkate alınarak optimum ara boşluk belirlenmeye çalışılmıştır. Bu çalışmada ise ışınımın da etkisi dikkate alınmış ve ışınımla ısı geçişinin göz ardı edilmeyecek boyutta olduğu gösterilmiştir. 197
2. PROBEMİN TANITIMI Bu çalışmada kullanılan bir çift camlı pencere sisteminin geometrisi Şekil 1 de gösterilmiştir. Her iki cam kalınlığı 2 mm olarak alınmıştır. Oda tarafındaki cam yüzey sıcaklığı (T 1 ) 15 o C de sabit olarak alınmış, dış cam yüzey sıcaklığı (T ) ise 5 farklı sıcaklık değeri alınarak değiştirilmiştir. Ara boşluk mesafesi ise 2mm-0mm arasında değişen 6 farklı ara boşluk için hesaplamalar yapılmıştır. Bu çalışmada öncelikle ışınımı dikkate almayarak, ikinci bölümde ise ışınımı da dikkate alarak incelemeler yapılmıştır. Pencere yüksekliği tüm geometrilerde 1m olarak sabit alınmıştır. Bu değerlere bağlı olarak boy/en oranı 500 ila 25 arasında değişmektedir. Problem iki boyutlu olarak ele alınmış ve probleme ait yoğunluk dışındaki tüm fiziksel özellikler sabit kabul edilmiş, yoğunluk ise ideal gaz kabulü yapılarak elde edilmiştir. İncelenen geometrilerde ısı transferinin sadece dikey yüzeylerden olduğu, yatay yüzeylerden yani cam ara boşluğunun alt ve üst yüzeylerinin adyabatik olduğu kabul edilmiştir. Şekil 1. Bu çalışmada incelenen çift camlı pencere sistemi Hesaplarda elde edilen sonuçlar boyutsuzlaştırılarak verilmiştir. Kullanılan boyutsuz sayılar aşağıda verilmiştir. qm Nu = k( T 2 ) (1) 3 T Burada Ortalama sıcaklık, Soğuk camın iç yüzey sıcaklığı, Sıcak camın iç yüzey sıcaklığı ve Ortalama sıcaklığa karşılık gelen ısı iletim katsayısı ve ara boşlukta bir taraftan diğer tarafa ışınım olmadan gerçekleşen ısı transfer miktarıdır. Nusselt sayısı; Rayleigh sayısı, Prandtl sayısı ve boy/en oranının fonksiyonu olarak tanımlanır. Nu = f ( Ra, Pr, A) (2) 3 β ( T3 T2 g ) Ra = (3) aυ 198
H A = () Yukarıdaki denklemlerde Ortalama sıcaklığa denk gelen ısıl yayınım katsayısı, Ortalama sıcaklığa denk gelen kinematik viskozite, Yer çekim ivmesi, Ara boşluk yüksekliği, Ara boşluk kalınlığı, Ortalama sıcaklığa denk gelen havanın ısıl genleşme katsayısını göstermektedir. Bu çalışmanın ilk bölümünde ışınımı dikkate almaksızın hesaplanan Nusselt ve ısı taşınım katsayısı değerleri literatürde bulunan deneysel çalışmalar sonucu elde edilen korelasyonlarla karşılaştırılmıştır. Sonuçların doğruluğu teyit edildikten sonra ışınımın da dâhil edildiği ikinci bölüme geçilmiştir. İkinci bölümde pencere iç yüzeylerindeki yayınım katsayısı değerleri 0.25 ila 1 arasında değiştirilerek toplam ısı taşınım katsayısı hesaplanmış ve literatürde ışınımı dikkate alarak hesaplanmış toplam ısı taşınım katsayıları ile karşılaştırılarak onaylanmıştır. 3. SAYISA ÇÖZÜM METODU Bu çalışmada sonlu hacimler yöntemi esasına dayanan ticari bir kod olan Star-CCM paket programı kullanılmıştır. Problem iki boyutlu ve zamandan bağımsız olarak ele alınmıştır. Şekil 2 de çözümlerde kullanılan ağ yapısı gösterilmiştir. İç ve dış cam yüzeylerine yakın yerlerde x doğrultusunda ince ağ kullanılmış, geri kalan kısımlarda ise daha yüksek ağ genişliğine sahip üniform bir ağ kullanılmıştır. Cam bölgesinde ise şekilde görüldüğü gibi üniform bir ağ kullanılmıştır. Daha sık ağ kullanıldığında Nusselt sayısındaki değişimin çok az olduğu görülmüş ve sonuçların ağ yapısından bağımsız olduğu kanıtlanmıştır. hava cam cam Şekil 2. Problemde kullanılan ağ yapısı Çift cam ara boşluğunda havanın temas ettiği tüm yüzeylerde hız kaymama sınır koşulu kabul edilmiştir. İncelenen geometrilerde ısı transferinin sadece dikey yüzeylerden olduğu kabul edilmiş, alt ve üst yüzeylerde ise Denk. (5 ve 6) de verildiği gibi adyabatik sınır şartı uygulanmıştır. T y=0 (5) y T y= H (6) y 199
Her iki camın dış yüzey sıcaklıkları (T 1 ve T ) sabit alınmıştır. T 1 sıcaklığı tüm hesaplamalarda 15 o C olarak alınmış, T ise sıcaklık farkları ( T=T -T 1 ) 5 o C, 10 o C, 15 o C, 20 o C, 25 o C olacak şekilde sabit alınmıştır. Momentum ve enerji denklemleri ikinci mertebeden upwind yaklaşımı ile ayrıklaştırılmış, basınç-hız denklemi ise SIMPE algoritması ile çözülmüştür. Kapalı boşluklardaki akışın laminerden türbülansa geçtiği kritik Rayleigh sayısı 10 6 dır [3]. Bu çalışmada hesaplanan tüm Rayleigh sayıları den küçük olduğu için bütün durumlarda akışlar laminer olarak incelenmiştir. Işınımla olan ısı transferi, camlar arasındaki akışkanın ışınıma katılmadığı kabul edilerek Surface-to- Surface (S2S) radrasyon modeli ile çözülmüştür. Yüzeylerin yayınım katsayısı ise 0.25, 0.50, 0.75 ve 1 alınarak hesaplamalar yapılmıştır.. SAYISA SONUÇAR Şekil 3 te yatay merkez eksendeki (y/h=0.5) hız ve sıcaklık profilleri gösterilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi iletim, geçiş ve sınır tabaka olmak üzere 3 farklı rejim vardır. İletim rejiminde (Ra=151) lineer bir sıcaklık profili oluşmaktadır. Buna bağlı olarak oluşan yoğunluk farkı için aşağı yönlü dikey akışların ve için yukarı yönlü dikey akışların oluşmasına sebep olmaktadır. Taşınımla ısı transferi genel olarak ara boşluğun üst ve alt bölgelerinde meydana gelirken, orta kısımda ısı geçişi iletimle olmakta ve bu bölgede dikey sıcaklık gradyanı sıfır olmaktadır. Geçiş rejiminde (Ra=3139) Rayleigh sayısı artarken taşınımla ısı geçişi önem kazanmaya başlamakta ve lineer sıcaklık profili kaybolmaya başlamaktadır. Sınır tabaka rejiminde (Ra=18302) ise duvar yüzeylerine yakın yerlerde yüksek yatay sıcaklık profilleri oluşmakta ancak x/=0.5 civarında x doğrultusunda sıcaklık hemen hemen sabit kalmakta ve dikey sıcaklık gradyanı artmaktadır. Rayleigh sayısı arttıkça düşey hız da artmakta yani camlar arasındaki hacimde sirküle olunan akışkan miktarı da artmaktadır. Işınımın ihmal edildiği penceredeki ısı kayıplarını karakterize eden Nusselt ve Rayleigh sayıları hesaplanmış ve literatürde verilen korelasyonlar [],[5] (Denk.7-10) ile elde edilen değerler karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile korelasyonlar (Denk.7-10) arasındaki ortalama sapma sırasıyla %23, %11, %0.3, % 29 dir. Genel olarak düşük Rayleigh sayılarında sapma değeri oldukça düşük iken yüksek Rayleigh sayılarında sapma değeri artmaktadır. V (m/s) T/T3 x/ x/ Şekil 3. Yatay merkez eksendeki (y/h=0.5) iletim rejimi (Ra=151), geçiş rejimi (Ra=3139) ve sınır tabaka rejimi (Ra=18302) için hız ve sıcaklık profilleri 200
0.3 6 0.0673838 5 10 < Ra 10 0 0.13 0.02815 10 < Ra 5 10 0 10 2.298755 1 + 1.75967 10 Ra 10 0 0.131 0.269 3 6 0.23 A Ra 10 < Ra 5 10.9 78 Nu = Ra Nu = Ra Nu = Ra Nu = A, [] (7) A, [] (8) A, [] (9) A [5] (10) Yukarıda kullanılan korelasyonlar ve tarafımızdan yapılan çalışmalarda ışınımla olan ısı geçişi dikkate alınmamıştır. Bu çalışmanın ışınımın da dikkate alındığı ikinci bölümünde ise hesaplanan toplam taşınım katsayıları literatürdeki sonuçlar [6] ile karşılaştırılmış, sonuçlar Tablo 1 de verilmiş ve sonuçların çok küçük bir sapma ile uyumlu olduğu görülmüştür. Bu karşılaştırma için pencere iç yüzeylerinin yayınım katsayısı 0.1 ve 0. alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Tablo 1. Işınımla olan ısı transferinin dikkate alınması halinde bu çalışmada hesaplanan toplam ısı taşınım katsayısının literatürdeki değerler ile karşılaştırılması. ε T ort T h [6] h hesaplanan Sapma (%) 0,1 10 5 6,0 6,09 1,5 0, 10 5,5,57 1,6 Işınımla ısı geçişinin dikkate alınarak yapılan simülasyonlardaki taşınımla geçen ısı geçişi miktarı, ışınımın ihmal edildiği simülasyonlardaki taşınımla ısı geçişi ile hemen hemen aynı olduğu görülmüştür. Işınımla geçen ısı miktarı, iki yüzey arasındaki görme faktörünün, alt ve üst yüzeye göre çok büyük (ara boşluk mesafesine bağlı olarak 0.96-0.99 arasında) olmasından dolayı tüm ara boşluk mesafelerinde yaklaşık olarak aynı kalmaktadır. Işınımla ısı geçişi taşınımla ısı geçişine göre ara boşluk 2 mm olması haricinde bütün geometri ve dış yüzey sıcaklık farklarında daha baskındır. Dolayısıyla, ışınımın da dikkate alındığı toplam ısı geçişi, ışınımın ihmal edildiği ısı geçişine göre sıcaklık farklarına bağlı olarak 1.5 ila.5 kat daha fazladır (Şekil ). Sabit dış yüzey sıcaklığında, ara boşluk mesafesi arttıkça ışınımla ısı geçişi yaklaşık olarak sabit kalmakta, taşınımla ısı geçişi ise azalmakta ve sonuç olarak ışınımın ihmal edildiği büyük ara boşluk mesafelerinde yapılan hata artmaktadır. Işınımla geçen enerjinin toplam ısı transferine etkisi Şekil te gösterilmiştir. Şekilde gösterilen eğriler farklı sıcaklık farkları ve plaka uzaklıkları için yapılan hesaplamalara aittir. Kesikli çizgilerle gösterilen eğriler ışınımın dâhil edilmediği, dolu çizgili eğriler ise ışınımın dahil edildiği hesaplamalara aittir. Şekilden de görüldüğü ışınımın dâhil edildiği ve edilmediği hesaplamalardan elde edilen toplam ısı transferi arasındaki fark oldukça büyüktür. Bu farkın pencere yüzeylerindeki sıcaklık farkının artması ile daha da büyüdüğü görülmektedir. Ayrıca bu grafikten iki cam arasındaki açıklığın toplam ısı transferine olan etkisi de görülmektedir. Küçük aralıklardaki enerji kaybı, aynı şartlardaki geniş açıklı pencerelere göre çok daha büyüktür. Pencere aralığı arttıkça geçen ısı miktarı da hızlı bir şekilde azalmakta, optimum kalınlıkta minimum olmakta ve daha sonra yeniden artmaya başlamaktadır. Fakat bu artış nerdeyse ihmal edilebilir bir seviyede olduğu görülmektedir. Yani optimum kalınlıktan ziyade minimum kalınlıktan bahsetmek yeterli olacaktır. 201
q [W/m 2 ] (mm) Şekil. Sıcaklık farkının 5 o C, 15 o C, 25 o C olması halinde ısı akısının ışınımla ısı geçişinin dikkate alınmadığı ve dikkate alındığı durumlarda ara boşluk mesafesi ile değişimi Cam yüzeylerinin ışınım yayma katsayılarının toplam ısı geçişine etkisi Tablo 2 de gösterilmiştir. Tabloda her bir sıcaklık ve yayınım katsayısı için taşınım ve ışınım ile geçen ısı miktarı ayrı ayrı verilmiştir. Tablo 2. Cam yüzeylerindeki ısı yayınım katsayısının ısı geçişine etkisi T=5 o C T=25 o C q taşınım q ışınım q Toplam q taşınım q ışınım q Toplam ε=0.25 3.68 7.82 11.50 59.1 26.06 85.7 ε=0.5 3.5 9.23 12.68 53.5 50.00 103.5 ε=0.75 3.26 16.21 19.7.32 89.16 133.8 ε=1 5.35 27.12 32.7 1.53 15.89 187.2 Tablo 2 den görüleceği gibi yayınım katsayısı azaldıkça geçen toplam ısı miktarı ciddi miktarda azalmaktadır. T=25 o C ve ε=1 için ısı kaybı 187 W/m 2 iken, pencere yüzeyleri yayınım katsayısı 0.25 olan bir malzeme ile kaplanırsa yaklaşık 100 W/m 2 enerji tasarrufu sağlanabileceği gözükmektedir. 202
5. SONUÇ VE TARTIŞMA Bu çalışmada, iç cam yüzey sıcaklığı 15 o C de sabit tutulan, dış cam yüzey sıcaklığı ise 5 o C, 10 o C, 15 o C, 20 o C, 25 o C sıcaklık farkı olacak şekilde değiştirilen, çift camlı pencere sistemlerindeki ısı geçişinin ara boşluk mesafesi (2mm, 6mm, 11mm, 16mm, 2mm, 32mm ve 0mm ) ile öncelikle ışınımı dikkate almaksızın, ikinci bölümde ise ışınımı da dikkate alarak değişimi incelenmiştir. Her iki durumda da sonuçlar literatürde bulunan korelasyon ve deney sonuçları ile karşılaştırılarak onaylanmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar aşağıda kısaca özetlenmiştir. Sabit dış yüzey sıcaklığında, ara boşluk mesafesi küçüldükçe toplam ısı kaybının arttığı gösterilmiştir. Bu durumlardaki ısı geçişi tamamen iletim ile gerçekleşmektedir. Ara boşluk mesafesi arttırıldıkça toplam ısı geçişinde ciddi bir azalma meydana gelmekte, belli bir ara boşluk değerinde minimum olmakta ve daha sonra yeniden artmaya başlamaktadır. Ancak bu artış miktarlarının ihmal edilebilecek mertebelerde olduğu gösterilmiştir. Dolayısıyla çift camlı pencere tasarımında optimum kalınlıktan ziyade minimum kalınlık belirlemenin pratik olarak daha doğru olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Hemen hemen bütün geometri ve sıcaklık farklarında ışınımla ısı geçişinin taşınımla ısı geçişine göre daha baskın olduğu görülmüştür. Bu çalışma sonucunda ışınımı dikkate almaksızın yürütülen her araştırma veya çift camlı pencere imalatının hatalı olacağı gösterilmiştir. Cam yüzeylerinin yayınım katsayısı düşük bir malzeme ile kaplanarak geçen ısı miktarının ciddi ölçüde azaltılabileceği gösterilmiştir. Piyasada mevcut olan bu tip pencerelerin tercih edilmesi kesinlikle önerilmektedir. 6. KAYNAKAR [1] Manz H., Numerical simulation of heat transfer by natural convection in cavities of facade elements, Energy and Buildings, 35, 305-311, 2003 [2] Aydın O.,Determination of optimum air layer thickness in double-pane windows,energy and Buildings, 32, 303-308, 2000 [3] Holman J.P., Heat Transfer, McGraw-Hill, 2002. [] Wright J.., A correlation to quantify convective heat transfer between vertical window glazings, ASHRAE Transactions 106, 90-96, 1996. [5] Yin S.H.,Wung T.Y.,Chen K., Natural convection in an air layer enclosed within rectangular cavities, International Journal of Heat Mass Transfer, 21, 307-315, 1978 [6] Çengel Y., Heat Transfer: A practical approach. McGraw-Hill, 2003. 203