Makale BİNA KABUĞUNDAKİ YALITIM UYGULAMALARININ ISITMA SS 9 ENERJISINE ETKISININ SAYISAL ANALIZI U. Teoman AKSOY (1) - Mustafa İNALLF "'Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Yapı Eğitimi Bölümü-ELAZIG e-mail: taksoy@firat.edu.tr l2l Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü-ELAZIĞ e-mail: mieaöi@fîrat.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, bina kabuğu (dış duvar) içten, dıştan ve çift duvar arası (sandviç) ısı yalıtımlı, biçim faktörü 1/1 olan binanın Yİ yönlendiriliş konumundaki üç alternatifinin, yıllık ısıtma enerjisi miktarları hesaplanmıştır. İncelenen bina kabuğunda geçici rejimde bir boyutlu ısı iletiminin gerçekleştiği kabul edilmiş ve zamana bağlı sıcaklık dağılımı probleminin çözümünde explicit sonlu fark yaklaşımı kullanılmıştır. Isı kaybı-kazancı hesaplamaları Fortran bilgisayar programı ile yapılmıştır. Hesaplamalarda, Elazığ ile 1999 yılı iklimsel verileri kullanılmıştır. Çalışma sonucuna göre, en az ısıtma enerjisi tüketimi, içten yalıtımlı binada gerçekleşmiştir. Anahtar Kelimeler: Isı yalıtımı, bina yönlendirmesi, ısı kaybı-kazancı. 1. GİRİŞ Binalarda iklimsel konforu yılın her döneminde sağlamak için yapma enerji kaynaklarından yararlanmak gerekli olmaktadır. Ancak bu kaynakların hızla tüketilmesi, maliyetlerinin artması ve insan sağlığını tehdit edici boyutlara ulaşan hava kirliliği gibi sebeplerle birçok ülke, toplam enerji kullanımını ve yakıt ithalatını azaltmak için yapılarda tüketilen enerji miktarım kontrol etmek ve sınırlandırmak yoluna gitmiştir. Bu amaçla, ısıtma enerjisi kaynaklarının kullanımını azaltan, dolayısıyla ısıtmanın istendiği dönemde ısı kayıplarını minimize eden ve yapıda enerji tasarrufu sağlayan ısı yalıtımı zorunlu olmaktadır. Binalarda ısı yalıtımı önlemleriyle, tesisat ilk yatırım giderlerinde de azaltma yapılmaktadır. Yalıtıma yapılan yatırım bu nedenlerle kısa zamanda kendini geri Ödemekte, daha sonraki yıllar tasarruf yapılmaktadır. Yakıta ödenen paranın büyük bir kısmı da, ithalat yoluyla yurt dışma gittiği düşünülürse, döviz tasarrufu anlamına gelen ısı yalıtımı uygulamalarına gereken önem verilmektedir[l]. Bu çalışmada, biçim faktörü 1/1 olan binanın iç yalıtımlı, dış yalıtımlı ve sandviç duvardan meydana gelen üç alternatifinin yıllık ısıtma enerjisi açısından göstereceği performans bina yönlendiriliş durumu da dikkate alınarak sayısal olarak araştırılmıştır. Bina kabuğundaki sıcaklık dağılımı, sonlu farklar yöntemi kullanılarak çözülmüştür. Bu sıcaklık dağılımı değerleri kullanılarak ısı kaybı ve kazancı hesaplamaları yapılmıştır. Tüm bu hesaplamalar, Fortran programlama dilinde yazılmış bir bilgisayar programı [2] ile gerçekleştirilmiştir. 2. BİNA KABUĞUNDA ISI YALITIMI Binalarda, ısınan iç ortamadan dış ortama doğru bir ısı akışı söz konusudur. Bina içerisinde 34 TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Temmuz-Ağustos 2003
yeterli konfor ortamının sağlanabilmesi için kaybolan ısının, ısıtma sistemi ile karşılanması gerekmektedir. Kaçan ısıyı en aza indirebilmek için binanın çeşitli yerlerinde ve farklı uygulama şekilleriyle ısı yalıtım yapılması gerekmektedir. Binalarda ısı yalıtımı; çatılarda, döşemelerde ve duvarlarda yapılabilmektedir. Binayı, dış ortamdan ayıran ve dış ortam etkilerine karşı koruyan bina kabuğudur (dış duvarlar). Aynı zamanda bina kabuğu, binanın en çok ısı kaybeden yerlerinden biridir. Dolayısıyla bina kabuğunun yalıtımı, ısı kaybı hesabı sonuçlarını değiştiren önemli bir faktördür[l]. Klasik yapı malzemeleri ile (normal delikli tuğla, beton, ahşap vb.) inşa edilen bina kabuğunda ısı kaybı ve dolayısıyla yakıt tüketimi de fazla olur. Ayrıca bu tür bina kabuğuna sahip mekanlar yaz mevsiminde (özellikle güneş alan cephelerde) dayanılmaz derecede sıcak olur. Bu sakıncaları gidermek, az yakıtla kolay ve iyi ısıtılan, kışın sıcak yazın serin mekanlar elde etmek amacıyla bina kabuğu; Dış taraftan ısı yalıtımlı, İç taraftan ısı yalıtımlı, Çift duvar arası (sandviç) ısı yalıtımlı olarak düzenlenmektedir. Bu çalışmada da, bina kabuğundaki farklı ısı yalıtımı düzenlemeleriyle sağlanabilecek enerji tasarrufunu vurgulamak amacıyla, bina kabuğundaki ısı kayıplarının hesaplanmasında, zamana ağlı ısı geçişi rejimini esas alan bir uygulama çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışmada bir binanın, opak ve saydam yüzeylerden oluşan ve ısı yalıtımı olarak farklı detaylandırılmış bina kabuğuyla çevrili üç alternatifi, yönlendiriliş durumuna bağlı olarak yıllık ısıtma enrjisi açısından karşılaştırılmıştır. Bunda amaç, gerçekçi bir hesaplama yöntemiyle, bina kabuğunda farklı ısı yalıtımı detaylandırılmasıyla giderilecek ısı kayıplarının enerji tasarrufunu sağlamadaki önemini vurgulamaktadır. Yukarıda sözü edilen uygulama çalışmasına ilişkin kabuller aşağıda sıralanmıştır.» Çalışma, Elazığ ilinde bir konut binasının ara katı için yapılmıştır. Döşemeler vasıtasıyla oluşacak ısı kayıpları ihmal edilmiştir. Isı kaybı-kazancı hesaplamaları, bir yıl (8760 saat) için yapılmıştır. Binanın, Yİ yönlendiriliş konumunda (kuzey, doğu, güney ve bati) dört dış duvarlı olduğu (Şekil 1) ve binaya herhangi bir binanın ve kendisinin gölgesinin düşmediği varsayılmıştır. Biçim faktörü (bina genişliğinin derinliğe oranı) 1/1 olup, kare planlı bir bina ele almmıştır.» Binanın tavan yüksekliği 3 m ve döşeme alanı 121 rtf'dir. Saydamlık oranı (pencere alanı) %15 (Sİ) olarak kabul edilmiştir. «Bina kabuğu için üç alternatif düşünülmüştür (Şekil 2 a, b, c). Bina kabuğu fiziksel özellikleri Tablo 1 'de verilmiştir. Tablo 1. Bina Kabuğu Fiziksel Özellikleri Yapı Malzemeleri Çimento Sıva Delikli Tuğla EPS-Strafor (Isı Yalıtımı) Sekili. Bina Yönlendirilip Durumu (Yİ) Isı İletim Katsayısı (k) (W/m C) 1.4 0.7 0.04 Yoğunluk (p) (kg/mî) 2000 1800 20 Özgül Isı (C) (J/kg C) 1050 840 1500 3. SAYİSAL ANALİZ İncelenen bina kabuğu alternatiflerinde, geçici rejimde bir boyutlu ısı iletiminin gerçekleştiği kabul edilmiştir. Analizde; bina kabuğunun sıcaklık dağılımı, enerji balansı metodu ve explicit sonlu TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Temmuz-Ağustos 2003 35
Şekil 2. Bina Kabuğu Düzenlemeleri yüzeylerde bulunan düğüm noktaları için de; T i+ı = I <-A,B Tim+tA.B Ti 1 n' (4) Şekil 3. Bina Kabuğunun Sonlu Fark Formülasyonu fark formülasyonunda Şekil 3'de gösterilen hacim elemanı kullanılmıştır. Bina kabuğu alternatiflerinin; iç düğüm noktaları için, eşitliği, iç ve dış düğüm noktaları için, eşitlikleri ve sıva-delikli tuğla, sıva-yalıtım malzemesi, tuğla-yalıtım malzemesi arasındaki ara (D (2) (3) eşitliği elde edilmiştir[3]. Bu eşitlikler kullanılarak her bir düğümün i+1 zamanındaki sıcaklıkları (T'+'m), iterasyon metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Eşitliklerde, hd dıştaki ısı transfer katsayısı olup rüzgar hızma bağlı olarak değişmektedir, hj ve Tj sırasıyla, içteki ısı transfer katsayısı ve oda tasarım sıcaklığı olup hesaplamalarda, 6 W/m 2 K ve 20 C olarak kullanılmıştır. Ayrıca, T d dış ortam sıcaklığı, K yüzeyin güneş ışınımını yutma katsayısı olup açık renkli duvar için K=0.5'dir. (3) eşitliğindeki q güneş terimi, eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımı olup yatay yüzeye düşen ışınım şiddeti dönüşüm bağıntıları kullanılarak elde edilmiştir[4]. Eşitliklerde, T=aAt/(Ax) 2 'dir. a ısıl difüzyon katsayısı olup olmak üzere cc=k/pc'dir. Burada, k malzemenin ısı iletim katsayısı, p yoğunluğu ve C özgül ısısıdır. Bina kabuğundaki ısı kayıp-kaçançlarmın hesaplamalarında ise, opak yüzeyler için, ve saydam yüzeyler için [5], (5) 36 TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Temmuz-Ağustos 2003
(6) eşitlikleri kullanılmıştır. Burada T di kabuğun iç yüzey sıcaklığıdır. F s gölgeleme faktörü olup 1 olarak alınmıştır. T d> T y ve x ya cismin sırasıyla direk, yayılı ve yansıyarak gelen ışınımı geçirme oranı, a d, a y ve oc ya cismin sırasıyla direk, yayılı ve yansıyarak gelen ışınımı yutma oranıdır. Çalışmada, bina kabuğuna bağlı olarak bina alternatiflerinde, hesaplanan ısıtma enerjisi miktarları; kabuk elemanın sıcaklık dağılımına, eğik düzleme gelen direk, yayılı ve yansıyan güneş ışınımı değerlerine ve güneş ışınımı geliş açılarına bağlı olarak Fortran programlama dilinde hazırlanmış bir bilgisayar programıyla hesaplanmıştır. Şekil 5. Yİ Yönlendiriliş Konumunda İçten Yalıtımlı Binanın Dış Duvarlarında Hesaplanan Yıllık Isıtma Enerjisi Miktarları 4. BULGULAR YE DEĞERLENDİRME Çalışmada, ele alınan binanın, farklı kabuk detayına sahip üç alternatifinin, Yİ yönlendiriliş konumunda ayrı ayrı yıllık ısıtma enerjisi miktarları hesaplanmıştır. Dıştan yalıtımlı, içten yalıtımlı ve sandviç duvarlı bina alternatiflerinin her bir dış duvarında hesaplanan yıllık ısıtma enerjisi miktarları Şekil 4, 5 ve 6.'da gösterilmiştir. Her üç bin alternatifinde de, maksimum ısıtma enerjisi miktarının kuzey duvarında tespit edilmiştir. Kuzey duvarını Şekil 6. Yİ Yönlendiriliş Konumunda Sandviç Duvarlı Binanın Dış Duvarlarında Hesaplanan Yıllık Isıtma Enerjisi Miktarları sırasıyla; batı, doğu ve güney duvarı takip etmiştir. Dolayısıyla minimum ısıtma enerjisi miktarı güney duvarında tespit edilmiştir. Her üç bina alternatifindeki aynı yöne bakan duvarlarda hesaplanan toplam ısıtma enerjisi miktarları da Şekil 7, 8, 9 ve 10.'da gösterilmiştir. Her binanın dört dış duvarında ayrı ayrı hesaplanan toplam ısıtma enerjisi miktarları arasında; Şekil 4. Yİ Yönlendiriliş Konumunda Dıştan Yalıtımlı Binanın Dış Duvarlarında Hesaplanan Yıllık Isıtma Enerjisi Miktarları İç yalıtımlı bina kabuğu < Sandviç bina kabuğu < Dış yalıtımlı bina kabuğu sıralamasının gerçekleştiği tespit edilmiştir. TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Temmuz-Ağustos 2003 37
Şekil 7. Üç Bina Alternatifinin Kuzey Duvarında Şekil 8. Uç Bina Alternatifinin Batı Duvarında Şekil 9. Üç Bina Alternatifinin Doğu Duvarında Şekil 10. Üç Bina Alternatifinin Güney Duvarında Üç bina alternatifinden hesaplanan toplam yıllık ısıtma enerjisi miktarları da Şekil 11 'de gösterilmiştir. Bina alternatiflerinin dış duvarlarında hesaplanan ısıtma enerjisi miktarlarının toplanmasıyla binanın yıllık toplam ısıtma enerjisi miktarı bulunmuştur. Bina alternatifleri bu değerlere göre karşılaştırıldığında; (8760 saat) toplam ısıtma enerjileri araştırılmıştır. Hesaplamalarda döşemede oluşacak ısı kayıp ve kazançları ihmal edilmiştir. Yönlendiriliş durumu ve kabuk detayı arasında ilişki kurulmaya çalışılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda, ele alınan üç bina alternatifinde de, maksimum değerler kuzey duvarlarmda, minimum değerler ise güney duvar- İçten yalıtımlı bina < Sandviç duvarlı bina < Dıştan yalıtımlı bina sıralamasının gerçekleştiği tespit edilmiştir. 4. SONUÇ Bu çalışmada, geçici rejim şartlarında, aynı binanın farklı kabuk detayına sahip alternatiflerinin bilgsayar ortamında yıllık Şekil 11. Üç Farktı Bina Alternatifinde Hesaplanan Yıllık Toplam Isıtma Enerjisi Miktarları 38 TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Temmuz-Ağustos 2003
larında tespit edilmiştir. Üç bina alternatifinde de, doğu ve batı duvarlarında, kuzey duvarına göre %46 ve güney duvarında ise kuzey duvarına göire %84 daha az ısıtma enerjisi miktarı hesaplanmıştır. Dolayısıyla ısıtma enerjisi açısından, yönlendiriliş durumu dikkate alınacak önemli bir tasarım parametresidir. Bina alternatifleri, yıllık toplam ısıtma enerjisi miktarına göre karşılaştırıldığında, en az ısıtma enerjisi miktarının dış duvarları içten yalıtılmış binada (4310.7 kwh) meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu binayı sırasıyla, sandviç duvarlı bina (4311.1 kwh) ve dıştan yalıtılmış bina (4321.9 kwh) takip etmiştir. Bu durumda ısıtma enerjisi açısından en uygun kabuk detayının içten yalıtımlı kabuk düzenlemeleri olduğu ortaya çıkmıştır. Ancak özellikle ısı köprülerinin olsumu açısından dıştan yalıtımlı kabuk düzenlemeleri olduğu ortaya çıkmıştır. Ancak özellikle ısı köprülerinin oluşumu açısından dıştan yalıtımlı kabuk detayına sahip binanın en avantajlı çözüm olduğu bilinmektedir. Elde edilen sonucun, döşemedeki ısı kayıp ve kazançlarının ihmal edilmiş olmasından ve çalışmanın bina ölçeğinde yapılmış olmasından kaynaklandığı düşünülmüştür. Sonuç olarak, yönlendiriliş durumu dikkate alınarak, bina kabuğunda yapılacak uygun ısı yalıtımı düzenlemeleriyle ısı kayıplarının minimize edilebileceği ve sağlanacak ısıtma enerjisi tasarrufuyla, ülke ekonomisine katkı sağlanacağı gözaradı edilmemelidir. Ancak çalışmaların bina ölçeğinde yapılması ve maliyet analizinin de yapılarak sonuçların değerlendirilmesi gerekir. KAYNAKLAR 1- Karakoç, T.H. ve diğerleri, Binalarda ve Tesisatta Isı Yalıtımı. ODE Teknik Yayınları No: G20, İstanbul, 1999. 2- U.T., Aksoy, İklimsel Konfor Açısından Bina Yönlendirilmesi ve Bina Biçimlendirilmesinin Isıtma Maliyetine Etkisi. Doktora tezi, F.Ü. Fen Bil.Ens., 2002. TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Temmuz-Ağustos 2003 39