Bna Kabuğunda Isı Ger Kazanımı Heat Recovery n Buldng Envelopes Max Howard SHERMAN, lan S. WALKER, Çevren: Devrm GÜRSEL ---- 1 >.1 25 >.1 b.5 Tpk Ev Pe Sayısı 9 f=.5 >.1 >.1 >.25 8 2 \ >.25 7 Tp» Ev Pesayısı > 6 15 g 5 t 5 4 1 İ 3 2 Î 5 1 o - - o D-a-o o BBpon GOD A.1.5 1 5 1.1.5 1 5 1 Tüm Ev çn Pecleı Sayısı Turn Ev Peclel Sayısı Özet: Geleneksel olarak, sızıntı etksnn (enfltrasyon), sızıntı mktarı le bna ç ve dışı arasındak antalp farklarının sonucunda çıkan değern, etkler ncelenrken, bna yüküne tamamen katıldığı farz edlr. Bazı çalışmalar, bu bast formül le yapılan hesaplarla, bna kabuğunda meydana gelen ısı ger kazançlarının yüksek değerlerde bna yüklerne eklendğn göstermştr. Bu çalışmanın esas amacı, geleneksel hesap metotlarına br düzeltme faktörü ekleyerek sızıntının ısı kazançlarına etksne daha gelşmş br yaklaşım sunmaktır. Bu makale, bastleştrlmş analtk modelleme ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dnamğ) smülasyonları kullanarak tpk br bnanın kabuğunda meydana gelecek sızıntı ısı ger kazanımı büyüklüğünün mktarını tartışır. Karşılaştırmak çn, tam ölçekl br saha ölçümü yapılan gerçek bnalarda, sızıntı değerler ve enerj kullanımına dayanarak hesaplanan SIG (sızıntı ısı ger kazanımı) mktarı sonuçlarını bastçe rdeleyeceğz. Bu çalışmalar bze, sızıntı mktarının ısı ger kazanımma etks, zolasyonlu duvarları olan br evde, hmal edleblr büyüklükte olduğunu göstermştr. Çünkü bna kabuğunda, sızıntı havasının, ısı alışverşne katkısı çok az mktarda gerçekleşmektedr. Bununla brlkte, dnamk duvarlar/tavanlar ve zolasyonsuz duvarlarda SIG, potansyel olarak daha yüksek br etkye sahp olacaktır.bu sonuçların ışığında, sızıntı le lşkl yükler ölçmede kullanılan mevcut metotların, tpk bnalarda yeterl olduğu anlamı çıkartılablr. Anahtar Kelme: Sızıntı, Isı Ger Kazanımı, Modelleme, Saha Ölçümler, HAD Grş: Bu makale, son üç senede, ABD de ve Kanada dak, araştırmacıların tpk evlerdek sızıntı ısı ger kazanımı (SIG) etklern tahmn etmek çn yaptıkları çalışmaları özetler. Bna kabuğu çnden, çerye (veya dışarıya) sızan hava, kabuk malzemesn geçerken ısı alışverşnde bulunarak sızıntı ısı ger kazanımı meydana gelr. Bu, ev şartlandırmak çn gerekl enerj TTMD Ocak - Şubat 21 mktarını belrleyen sızıntı havasının etksn azaltma eğlmndedr. Çünkü ev terk eden hava, duvarın ç yüzeyn, ç ortam sıcaklığına yakın br değere getrecek ve eve gren hava, artık dış hava şartlarında olmayacaktır. Böylece bna kabuğundak ısı transfer mktarı düşecektr. Aslında, bna kabuğu, çer ve dışarı sızan hava akımının enerj tesrn azaltacak şeklde br ısı eşanjörü gb hareket eder.
Daha önce yapılan çeştl çalışmalar (örneğn Clare ve Ethrdge (21) ve Brunsell (1995)) evlerdek ve kabuk sstemlerndek SIG etksn maksmum sevyeye çıkartmaya odaklanmıştır. Bu çalışmalar göstermştr k, dkkatlce tasarlanmış ve nşa edlmş br ev, havalandırma havası enerj etklern cdd şeklde düşüreblr. Bununla brlkte, şu an yapılan çalışmalarda, bu prenspte nşa edlmş brkaç evde, sızıntı enerj etklernn, SIG üzernde yaptığı tesrn mktarını hesaplamak çn kullanılan standart algortmaların, abartılı değerlerde tahmn edlp edlmedğ zlenmeye çalışılmaktadır. Bu SIG çalışması çeştl bölümlere ayrılmıştır. İlk bölümün amacı, SIG etksn daha y anlamaya çalışmak ve bastleştrlmş br model le sızıntı lşkl enerj konusunda SIG etksn öngöreblmektr. Bu çabaya paralel olarak, problem en öneml açılardan tanımlayacak şeklde, ana değşkenler, ssteml olarak çeştlendrecek şeklde, HAD smülasyonları gerçekleştrlmş ve deal koşullarda SIG büyüklüğünün potansyel etkler öngörülmeye çalışılmıştır. Çalışmanın knc kısmında, HAD sonuçlarını doğrulamak ve daha ler blgler elde etmek amacı le çeştl duvar tpler üzernde tam ölçekl laboratuar çalışmaları gerçekleştrlmştr. Son olarak, tpk br zolasyonlu bna kabuğunda, SIG etksnn doğru tahmn edlp edlmedğn görmek çn, br evde saha testler yapılmıştır. Bastleştrlmş Model Hava sızıntısının enerj etksn öngörmek çn geleneksel yaklaşımda veren formül; q=mcpat (D Bastleştrlmş SIG model, kararlı halde, tek boyutlu akuple ısı ve kütle transfer analznden türetlmştr. Model, sızıntının (kütle akışı (m) ve özgül ısı (Cp)) letm (U) ve yüzey alanına oranı olan Peclet sayısı nın (Pe) br fonksyonudur. Pp_ mcp Ve~UA (3) Penf-Pe/fnf Pecx(-Peÿcxf (4) Yüksek sızıntı mktarları, Peclet numarası değerlern arttırır. Evler çn genellkle değer.1pe<1. aralığındadır. 3 numaralı eştlk, letmle ısı transfer ve hava sızıntısı arasında kusursuz br bağ olduğunu kabul eder. Etkn Peclet sayısı, (Pejnf ve Peexf) Pe nn katılım mktarına (bna kabuğu ve hava akışının ısı transfer şlevn aktf olarak etkledğ kestte) bölünmes le belrlenr. Bu katılım, çer ve dışarı sızan hava çn ayrı ayrı ele alınır. Katılım, (f) bastçe çer ve dışarı sızan havanın geçtğ fzksel alan değldr. Bna kabuğundak ısı transfern etkleyen dğer etmenler de ele alınır. Örneğn, Özgül hava akış yolları (dğer br deyşle, ısı akışı esaslı hava akış yönü), sınır tabaka çnde ve dışındak hava akışının payı ve dış sınır tabakadak hava akışına güneş ısısı etkler (eğer çer sızan tüm hava, ısınmış br katman tarafından gelyorsa, SIG etksn arttırır). Başka br faktör se, gerçek duvarlarda akış yollarıdır. Hava, tüm ç boşluğa dağılmaz, sadece küçük br kestte (dyelm %1) hareket eder. O halde, e tüm çer ve dışarı sızıntının bleşenlernn toplamı alınarak belrlenr, (türevn detayları çn bkz. Sherman and Walker (21)): Bu formülde q: sızıntı ısı yükü, m: kütlesel hava akışı, Cp: havanın özgül ısısı, At:ç ve dış hava arasındak sıcaklık farkıdır. SIG bu etky azaltmaya çalışacak şeklde davranacağından, bu hava akışının gerçek etksn öngöreblmek çn ısı ger kazanım verm (e) fkr kullanılablr. q=(l- )mcpat (2) ** '«**' -ı + V'" -ı SIG üzerndek sızıntı etks, sızıntı oranı, evn UA (5) değer ve katılım mktarının tahmn edlmes le belrlenr. Katılım mktarı, öngörülmes en güç bleşendr. Şekl l de, SIG verm, bastleştrlmş br model üzernde gösterlmştr. Beklendğ üzere, SIG HMD Ocak Şubat 21
m değer, yüksek katılım ve düşük hava akışının olduğu zamanlarda, daha büyüktür. Düşük hızlı akışlarda, hava, bna kabuğunu geçerken daha fazla zaman harcar ve dolayısı le daha fazla ısı transfer gerçekleşr. Bununla brlkte, bu düşük akışlarda, sızıntının toplam bna yüküne katkısı küçüktür. Şekl 2'de, SIG etksnn toplam bna yüküne katkısı öngörülmektedr. Sonuç tbarı le, SIG nn potansyel en yüksek etksnn bulunduğu br aralık bulunmaktadır. Düşük akışlarda, bna yüküne etk önemszdr ve yüksek hava akışlarında, ısı ger kazanımı, az mktarda gerçekleşmektedr. HAD Smülasyonları HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dnamğ) smülasyonları, tcar STAR-CD yönetmelkler kullanılarak gerçekleştrlmştr. Modellenen duvar kestler, 2,5mt yükseklğnde, standart (5 mm x 1 mm) dkmeler kullanılmış alçıpanlardır. 3 adet sızıntı noktası kullanılmıştır: Düz geçş, üst noktadan grş/alt noktadan çıkış ve alt noktadan grş/üst noktadan çıkış. Smülasyonlar, cam yünü zolasyon katmanlı ve zolasyonsuz olarak 6 ayrı duvar sstem çn tekrarlandı. Öncek çalışmalar bze, sınır tabakaların önemn vurguladığından, smülasyonlar, sınır tabaka kullanılarak ve kullanılmayarak gerçekleştrld. Daha detaylı smülasyonlar, Abade ve dğerler (22) de bulunablr. 1 f=.1 - f=.5 9 f=.1 8 ---{=.25 : 17.'K \ Tp» E» Pe sayısı HAD smülasyonları sınır tabakaların büyük etks > 6 olduğunu göstermştr: e değern.2 oranında arttırmışlardır. İçer sızıntı olan duvarda: (dış sıcaklık ç sıcaklıktan daha düşük) sınır tabakadak delkten çer sızan hava, çevre havasından daha sıcaktır;! 5 S 4 l 3 2 1.1 ı POPO.5 1 5 1 TUmtvl(HıPeclelS«y«ı Şekl 1: Eşt katılım kullanılarak bastleştrlmş modele göre hesaplanmış ısı ger kazanımfaktörü.üst eğr (f=.25) teork maksmumdur. 25 2 L15 l 1 Tpk Ev PeStyı» A s ı - o-o aap. ooooa o.1.5 1 TümEvP«l«8*yııı İR - {=.25 5 1 Şekl 2: Eşt katılım kullanılarak, bna yüküne olan SIG etks ndrm. Tpk ev Pe sayısı, bna yükünün üçte brlk kısmının ısı ger kazanımı olmadan sızıntı sebeb le oluştuğu durumda. (taşmımla ısı transfer çn gereken efektf sıcaklık farkını azalır) delğ terk eden hava, ç sınır tabakaya grer, böylece ç yüzey soğutarak duvardak letm mktarını azaltır. Benzer şeklde, ev terk eden hava, oda sıcaklığından düşük olan, ç duvar sınır tabakasına çeklr (yne efektf taşınım sıcaklık farkını düşürür) ve dışarı ılık havayı taşırken, dış sınır katmana geçer ve duvardak letm kayıplarını azaltır. Bu smülasyonlar sadece k boyutludur ve tüm sızıntı noktaları brer yarık olarak düşünülmeldr. Bunun, smülasyon sonuçlarını rdelemede öneml etkler vardır. Yarık şeklnde uygulamalarda, sınır katmanı akışları, delklerden çer ve dışarı akışların heps le etkleşm halndedr ve tüm sınır katmanları etklenr. Bununla brlkte, üç boyutlu delklerde, sınır katmanın sadece küçük br kest hava akımına maruz kalır. Katılımın tahmn çn, değşk sızıntılar çn hem k hem üç boyutlu akışlar hesaba katılmalıdır. Sınır katman etkleşm le lgl hala araştırılması gereken ayrı br bakış açısı da, evlerdek tavanları gb yatay TTMD Ocak - Şubat 21
yüzeylerdek sınır katmanlar le lgldr. Yatay yüzeylerde, dkey yüzeylerde gözüken doğal taşınım sınır tabaka etks görünmedğnden bu etk göz ardı edleblr. Sınır katman le lgl son br yorum se, bna dış yüzeynn atmosferk türbülanslara açık olması, doğal taşınım sınır katmanının oluşumunu engelleyecek şeklde gerçekleşmes hususundadır.(çok düşük rüzgar hızlarında ve korunaklı bölgelerde dah gerçekleşr). Bu etknn büyüklüğü blnememektedr. HAD sonuçlarına göre dğer genel gözlemler şöyledr: Tpk br ev Pe sayısında, e değer,.1 le 1. aralığındadır. Yüksek noktadan-alçak noktadan grş çıkış kombnasyonlarında,.5 değernn üzerne çıkmaktadır. Düz geçşl akış yollarında geçş zamanının kısalığından ve hava akımına maruz kalan alanın küçüklüğünden SIG mktarı öneml mktarda azalır. İçer ve dışarı sızıntı yapan duvarlarla lgl smülasyon sonuçları brleştrlerek tüm ev çn toplam etks saptanmıştır. Bu sonuçlar, zolasyonlu duvarlarda, toplam bna yüküne SIG'nn %3 la % 1 3 aralığında etks olduğunu göstermştr. Laboratuar Testler Laboratuar testler, Alberta Ünverstes nn klmatzasyon odalarında gerçekleştrlmştr. Tam ölçekl k adet ahşap test çerçeves, alçı panel ve OSB panel le kaplanmıştır. Dkme boşlukları cam yünü zolasyon le doldurulmuştur. Her panel 2,5m yükseklğndedr ve 1,2 m genşlğndedr. (her duvar k dkme le ayrılmış üç panelden oluşmaktadır.) İk paneln sızıntı noktalan farklı konumlandınlmıştır. İlk panelde, alçı panel tarafında yüksek br noktadan, OSB panel tarafında alt noktadan yarık açılmıştır. Dğer paneln, orta noktasında 15 mm çapında k tarafta delğ bulunmaktadır. Orta panel dğerlernden tamamen zole edlmştr. Kaplamanın hem ç hem dış yüzerne ısı sensörler yerleştrlmş ve ayrıca zolasyon katmanının üç ayrı noktasına sensör gömülmüştür. Sıcaklık ölçümler, test panellernn yaklaşık 3 ayrı noktasından yapılmıştır. Paneller, br klmatzasyon odasının kapısına monte edlmştr. Klmatzasyon odası soğuk taraf sıcaklıkları C le -3 C aralığında değştrlecek şeklde ayarlanmış, bu sırada ılık taraf sıcaklığı 2 C le 22 C aralığında tutulmuştur. Besleme havası mktarı, saatte 1/3 hava değşmn fade edecek şeklde ayarlanmış. Deb, le 31t/s değerler arasında tutulacak şeklde, oda basmçlandırılmıştır. Bu hava mktarı, br kütle akış kontrolüm sayesnde ayarlanmış ve çevre sıcaklığı kadar şartlandırılmıştır. Hava, yarıkların üzerne monte edlen br plenum vasıtası le panellere letlmştr. Bu plenumun kullanılması le grş yapan hava üzerndek sınır tabaka etksnn olmayacağı anlamına gelmektedr (bununla brlkte, test paneln terk eden hava hala sınır tabaka etkleşmne sahptr). SIG sonuçlarını yorumlamada bu öneml br faktördür. Çünkü Buchanan ve Sherman (2) ve Sherman ve Walker (21) çalışmaları bze, sınır tabaka etksnn önemn vurgulamaktadır. Sıcaklık profller, sızıntı yerlernn ve boşluktak hava akış şekllernn efektf katılım sonuçlarına etklern hakkında öneml blgler verd. Yüksek/alçak yarık şekller, boşluklardak sıcaklık profllernn eğml br yapıya sahp olmasına sebep oldu. Boşluğa gren soğuk hava senaryosunda, sıcaklık zotermler, grş noktasındak soğuk duvardan uzaklaşarak çıkış noktasındak sıcak duvara yöneld. Boşluk çersndek sıcaklık profller değşmesne rağmen, hava akışının ısı transferne etks azaldı. Yarıklardan geçen havanın etkn alanı tüm boşluk kestnde gözlend. Benzer olarak, sıcaklık profller daresel düz geçşl panellerde, paneln ortasındak üçte brlk alanın etklendğn gösterd. Düz geçşl delklerde, akış mktarının, etkn alan üzernde çok az br etks olduğunu gösterd. Bu panelle lgl olarak, testler, zolasyon kaldırılarak, panel çnde doğal taşınım döngüler zlenerek tekrarlandı. Akış mktarları ve sıcaklık değerler değştrlerek, doğal taşınım döngülernn kararlı hale geçtğ gözlend. Ayrıca, yüksek deblerde, duvar boşluğu çersnde, br yukarıda, dğer aşağıda olmak üzere, değşk k döngü meydana geldğ gözlemlend. Bu doğal konveksyonun çeştllğ, aynı şartlar altında gerçekleşen HAD standartlarında yaşanan problemlern sebeplernden brs olableceğ sonucuna varıldı. HMD Ocak Şubat 21
Saha Testler Saha testler, Edmonton, Alberta, Kanada da bulunan Alberta Ev Isıtma Araştırma Tessnde (AHHRF) bulunan boş br evde gerçekleştrld. Test ev, standart cam yünü zolasyonlu, ahşap duvarlara sahptr. Ev üç ayrı koşulda şletlmştr: Normal kabuk sızıntısı hal, lave delkler açılarak (normal sızıntı mktarını k katma çıkartacak şeklde) ve mekank vakumlama yapılacak şeklde lave delkler açılarak. Her şletme şartında brkaç yüz saat boyunca sızıntı ve enerj verler toplanarak kaydedlmştr. Brnc ve knc şletme şartında, SIG etks hesaba katılmadan, sızıntının bna yüküne %1 cvarında katkı sağladığı, vakum fanının çalıştırılması le bu etknn k katma çıktığı tespt edlmştr.her üç şletme şartında da, SIG etks ölçmek çn çok küçük değerlerdedr. Bu sonuç bze, arka plan kabuk sızıntısı ve lave düz geçen delklern, zolasyonlu duvar kabuğuna sahp bnalarda, sızıntı etksnn lmtl mktarda gerçekleştğn fade etmektedr. Laboratuar test sonuçlarından doğan beklent de aynı yöndedr. İzolasyonlu duvarlardak düz geçşl delklerde etk alanı duvar kalınlığı kadar gerçekleşmektedr. İlave edlen tüm delklern brleştrlmş etks bna kabuğunun %1 kadar br etk alanına sahptr. Bu durumda potansyel sızıntı ısı ger kazanımmm, toplam bna yüküne etks cdd şeklde ümtlenmştr, (bkz: Şekl:2 f=.1, ör:%l katkı) Sonuç: Analtk modelleme, HAD smülasyonları, laboratuar testler ve saha değerlendrmelernn sonuçlarından, sızıntı ısı ger kazanımmm, tpk zolasyonlu duvarlı br ahşap evde, etks önemsz sayılablecek mktarlarda gerçekleşr. Sebeb se, bna kabuğunun sızıntı ısı ger kazanmama katkısının çok az olmasından kaynaklanmasıdır. Dnamk duvar ve tavanlı veya zolasyonsuz duvarlara sahp evlerde, sızıntı ısı ger kazanımı etksnn daha yüksek mktarlarda olması bekleneblr. Kaynaklar [lj.abade, M.O., Fnlayson, E. U Gadgl, A.J. (22). Infltraton Heat Recovery n Buldng Walls: Computatonal Flud Dynamcs Investgaton Results. LBNL 51324. [2].Ackerman, M.Y., Baley, R., Dale, D. and Wlson, D. (23). Infltraton heat recovery- ASHRAE Research Project 1169- Fnal Report. ASHRAE, Atlanta, GA.(n press). [3].Brunsell, J. T. (1995). The ndoor ar qualty and the ventlaton performance of four occuped resdental buldngs wth dynamc nsulaton. Proc. 16th AIVC Conference, Vol. 2, pp. 471-482. Palm Sprngs, USA. [4], Buchanan, C.R. and Sherman, M.H. (2). A mathematcal Model for Infltraton Heat Recovery, Proc. 21st Annual AIVC Conference. AIVC, Coventry, UK. LBNL 44294. [5].Clare, A.D. and Etherdge, D.W. (21). Dynamc Insulaton- Recent Expermental and Theoretcal Studes. Proc. 22nd AIVC Conference, INIVE EEIG, Brussels, Belgum. [6], Sherman, M.H. and Walker, I.S. (21). "Heat Recovery n Buldng Envelopes". Proc. Thermal Performance of Exteror Envelopes of Buldngs VIII. ASHRAE, Atlanta, GA. LBNL 47329 Yazarlar Max Howard SHERMAN Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarları, İçhava Kaltes Bölümü, Bnalarda Enerj Performansı Grubu nda araştırmacı olarak çalışmaktadır. lan S. WALKER Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarları, İçhava Kaltes Bölümü, Bnalarda Enerj Performansı Grubu nda araştırmacı olarak çalışmaktadır. Çevren Devrm GÜRSEL (Mak.Müh.), Ocak 29 TTMD Ocak - Şubat 21