TÜBAV Bilim ĠSTANBUL DAKĠ DÖRT ĠSTASYON ĠÇĠN DEĞĠġKEN TABANLI DERECE-SAAT HESABI İsmail EKMEKÇİ 1, Şaban PUSAT 2* 1 Marmara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü 2 Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü Hidromekanik ve Hidrolik Makineler ABD Özet Derece-gün yöntemi Isıtma-Soğutma-İklimlendirme hesaplamalarında kullanılan en eski ve basit yöntemlerden birisi olarak günümüzde hala kullanımını sürdürmektedir. Bu çalışmada uzun döneme ait güncel meteorolojik veriler kullanılarak elde edilen Tipik Meteorolojik Yıl verileri ile değişken tabanlı ısıtma ve soğutma derece-saat değerleri hesaplandı. noktası sıcaklığı olarak 9 farklı sıcaklık değeri kullanıldı. Çalışmalarımız bütün şehirler için olmakla beraber bu çalışmada İstanbul ili içerisinde yer alan 4 farklı istasyon için yaptığımız analizlerin sonuçlarına yer verilecektir. Anahtar Kelimeler: Isıtma, Soğutma, Derece-Saat, Tipik Meteorolojik Yıl CALCULATION OF VARIABLE BASE DEGREE-HOURS FOR FOUR STATIONS IN ISTANBUL Abstract Degree-day method which is one of the oldest and simplest Heating, Cooling and Air Conditioning calculation methods is still being used today. In this study, variable base heating and cooling degree-hours are determined by using the Typical Meteorological Year data derived from recent long term hourly measured data. We used 9 different base temperatures in the calculations. Our works are still going on for all the stations, almost 280 stations, in Turkey but in this study results for four stations of Istanbul are just documented. Key Words: Heating, Cooling, Degree-Hour, Typical Meteorological Year E-posta: spusat@yildiz.edu.tr 1
TÜBAV Bilim 1. GiriĢ Derece-Gün yöntemi binalarda enerji performans analizlerinde kullanılan en eski yöntemlerden birisidir. 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 kullanmak üzere derece-gün bölgelerini tayin etmeleri yaygın olarak görülebilen bir işlemdir [1,2]. Ülkemiz için değişken tabanlı derece-saat hesaplamaları üzerine yapılan bir takım çalışmalar mevcuttur [8, 9, 10, 11]. Derece-Saat hesabı temel olarak saatlik sıcaklık değerinin belirlenen denge sıcaklığı arasındaki farkına dayanmaktadır. sıcaklığı ile ilgili farklı değerler alınabilmekle beraber geleneksel olarak izolasyonsuz bir binada ısıtma için 18 0 C ve soğutma için de 22 0 C alınabilir. sıcaklığının belirlenmesinde bina konfor şartları, kullanım özellikleri, yalıtım durumu ve ısı kazanç ve kayıpların değeri dikkate alınmalıdır. Geleneksel denge sıcaklıklarının kullanılması durumunda dikkatli olunmalıdır [3]. Bu çalışmada kullanacağımız denge sıcaklıkları ısıtma ve soğutma derece-saatler için 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 ve 25 0 C olarak belirlendi. Derece-saat hesaplarken kullanılan en genel formül şöyledir [3]; (T 0 T d ) = DS. (1) Burada; T o : Dış ortam sıcaklığı T d : sıcaklığı DS: Derece-saat değerini ifade etmektedir. İki sıcaklık değeri arasındaki fark 0 dan büyükse soğutma-derece saat, 0 dan küçükse ısıtma-derece saat olarak hesaplamalara katılır. Ancak sadece bu çalışmada değil, tüm dünyada soğutma derece hesaplarında çok önemli bir eksiklik vardır ve hesaplarda karmaşa yaratmaktadır. Bu sorun ASHRAE yayınlarında bile göze çarpmaktadır [4]. Özellikle konfor soğutmasında dış hava bağıl nemine, taze hava-re-sirküle hava karışım oranlarına ve seçilen iç hava konfor bağıl nemine bağlı olarak binalarda aktif nem kontrolü kaçınılmazdır. Nem kontrolü demek ise özellikle soğutmada gizli soğutma 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 hissedilir yükler içindir ve gizli yükleri içermemektedir. 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. Tipik Meteorolojik Yıl uzun yıllara ait meteorolojik verilerin kullanılmasıyla oluşturulan bir yıllık veri topluluğudur. İlk olarak 1979 lu yıllarda Hall ve arkadaşları tarafından Sandia Laboratuar larında geliştirilmiştir [5,6]. Daha önceleri uzun yıllardan bir yıllık veri elde etmek için uzun yılların ortalaması alınarak elde etme yoluna gidiliyordu. Tipik meteorolojik yıl oluşturma yöntemi ise uzun yıllarda oluşabilecek aşırı uç değerlerin sonuçlar üzerindeki etkisini en aza indirmesi açısından günümüzün en gerçekçi ve kabul gören metodudur. 2. Derece-Saat Değerleri İstanbul için yapılan bu çalışmalarda 4 farklı noktadaki istasyonlar için Tipik Meteorolojik Yıl (TMY) verileri oluşturuldu. Oluşturulan TMY veri toplulukları ile de derece-saatler hesaplandı. Tablo 1: İncelenen İstasyonların Bilgileri Ġstasyon No Ġstasyon Adı Rakım Enlem Boylam Veri Aralığı 17636 Florya 36 40,59 28,48 1989-2006 17062 Göztepe 33 40,58 29,05 1989-2006 17059 Kumköy 30 41,15 29,02 1989-2006 17610 Şile 83 41,11 29,37 1989-2006 2
TÜBAV Bilim ġekil 1: İstasyonların haritadaki konumları 2.1. Isıtma Derece Saat Hesapladığımız ısıtma derece-saat değerleri aylık toplamlar halinde Tablo 2 de sunulmuştur. Elde edilen sonuçlarla yapacağımız kıyaslamalar ısıtma için 18 0 C olacak. En yüksek değer Mart ayında Florya istasyonunda 9758 ve en düşük değer de Temmuz ayında Göztepe istasyonunda 2 derece-saat olarak görüldü. Yıllık toplamlara baktığımızda ise en yüksek değer 56861 derece-saat yani 2369 gün ile Şile de görüldü. Sonuçların grafiksel olarak gösterimi Şekil 2 de görülebilir. 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 KUMKOY SILE 2000 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 ġekil 2: 18 o C denge sıcaklığı için dört istasyonun aylık ısıtma derece-saatler Derece-saat değerlerini 24 ile böldüğümüzde derece-gün değerlerini elde edebiliriz. Yıllık toplamları bu şekilde karşılaştırmak daha anlamlı gelebilir. Florya, Göztepe, Kumköy ve Şile istasyonları için hesaplanan derece-gün değerleri sırasıyla 2244, 2282, 2344 ve 2369 olarak birbirlerinden farklı değerler şeklinde göze çarpıyor. En yüksek ve en düşük derece-günlere sahip Florya ve Şile istasyonları arasındaki fark aynı şehirde olmalarına rağmen 125 (yüzde olarak fark yaklaşık % 6) gibi yüksek bir değere sahip. 3
SILE KUMKOY TÜBAV Bilim Tablo 2: Hesaplanan derece-saat değerleri 17 8340 7511 9018 5903 1287 44 68 10 45 2253 5907 7914 48299 18 9084 8183 9758 6601 1787 113 104 36 140 2788 6607 8656 53856 19 9828 8855 10502 7308 2353 239 163 129 309 3368 7322 9400 59776 20 10572 9527 11246 8019 2978 430 254 296 571 3984 8042 10144 66062 21 11316 10199 11990 8733 3637 725 385 563 926 4644 8762 10888 72767 22 12060 10871 12734 9451 4319 1099 574 919 1393 5332 9482 11632 79866 23 12804 11543 13478 10170 5021 1537 834 1360 1966 6044 10202 12376 87335 24 13548 12215 14222 10890 5744 2031 1183 1871 2610 6775 10922 13120 95131 25 14292 12887 14966 11610 6480 2576 1612 2448 3281 7514 11642 13864 103173 17 8808 7400 8035 5689 1281 251 0 22 654 2704 5974 8128 48946 18 9552 8071 8779 6368 1781 412 2 61 943 3272 6669 8866 54777 19 10296 8743 9523 7055 2341 620 6 187 1297 3881 7381 9606 60936 20 11040 9415 10267 7750 2957 894 29 421 1723 4519 8098 10349 67462 21 11784 10087 11011 8455 3608 1249 79 756 2206 5195 8818 11093 74342 22 12528 10759 11755 9167 4280 1658 214 1181 2734 5902 9538 11837 81555 23 13272 11431 12499 9885 4975 2122 457 1684 3307 6625 10258 12581 89098 24 14016 12103 13243 10604 5691 2637 809 2250 3912 7361 10978 13325 96931 25 14760 12775 13987 11324 6423 3188 1241 2872 4551 8102 11698 14069 104991 17 8345 7939 8068 6272 1903 70 71 25 877 2102 6246 8634 50552 18 9089 8611 8809 6957 2401 155 131 84 1189 2542 6926 9373 56267 19 9833 9283 9552 7647 2957 313 214 200 1573 3039 7631 10114 62356 20 10577 9955 10296 8347 3550 545 314 401 2014 3584 8348 10858 68790 21 11321 10627 11040 9054 4178 861 450 716 2513 4202 9068 11602 75632 22 12065 11299 11784 9767 4836 1258 672 1122 3066 4847 9788 12346 82849 23 12809 11971 12528 10481 5518 1732 1006 1594 3661 5522 10508 13090 90420 24 13553 12643 13272 11197 6212 2268 1444 2167 4290 6229 11228 13834 98338 25 14297 13315 14016 11914 6920 2845 1949 2807 4955 6949 11948 14578 106493 17 8595 7736 8320 5695 1985 677 19 23 158 2738 6665 8319 50929 18 9339 8394 9057 6355 2596 903 49 98 342 3307 7359 9062 56861 19 10083 9064 9795 7028 3234 1185 100 222 585 3906 8072 9806 63079 20 10827 9746 10536 7715 3886 1524 176 446 894 4541 8790 10550 69630 21 11571 10441 11280 8408 4562 1922 300 777 1274 5212 9510 11294 76551 22 12315 11137 12024 9104 5251 2390 576 1216 1716 5903 10230 12038 83901 23 13059 11833 12768 9806 5960 2931 1006 1733 2239 6607 10950 12782 91675 24 13803 12529 13512 10511 6679 3520 1540 2333 2833 7320 11670 13526 99776 25 14547 13225 14256 11223 7409 4145 2176 2984 3478 8041 12390 14270 108145 2.2. Soğutma Derece Saat Kuru termometre sıcaklığını kullanarak hesapladığımız soğutma derece-saatlerin aylık ve yıllık sonuçlarını Tablo 3 de bulabilirsiniz. Kıyaslamalarımız için denge sıcaklığı olarak 22 0 C yi kullandık. En yüksek değer 1944 derece-saat ile Temmuz ayında yine Florya istasyonunda gerçekleşiyor. Florya istasyonunda altı ve diğer istasyonlarda da beş ay süreyle 0 derece-saat görülüyor. 22 0 C için elde edilen sonuçların grafiksel gösterimi Şekil 3 de yer alıyor. 4
KUMKOY TÜBAV Bilim 2500 2000 1500 1000 500 KUMKOY SILE 0 0 2 4 6 8 10 12 14-500 ġekil 3: 22 o C denge sıcaklığı için dört istasyonun aylık soğutma derece-saatleri Yıllık toplamlar açısından bakacak olursak en yüksek değer 180 derece-gün ile Florya, en düşük değer ise 107 derece-gün ile Şile istasyonunda görüldü. En yüksek ve düşük derece-gün değerine sahip istasyonlar arasındaki fark 73 (yüzde olarak fark yaklaşık % 68) derece-gün gibi yüksek bir seviyede. Tablo 3: Soğutma Derece-Saat değerleri 17 0 0 4 53 759 3508 5158 3757 2588 693 25 2 16547 18 0 0 0 30 515 2857 4451 3040 1963 484 6 0 13344 19 0 0 0 18 337 2262 3766 2389 1412 320 0 0 10504 20 0 0 0 9 219 1733 3112 1812 953 192 0 0 8030 21 0 0 0 3 134 1308 2500 1335 588 108 0 0 5975 22 0 0 0 0 71 963 1944 947 336 52 0 0 4314 23 0 0 0 0 30 680 1461 644 189 20 0 0 3023 24 0 0 0 0 8 454 1066 411 113 7 0 0 2059 25 0 0 0 0 1 280 751 244 64 2 0 0 1341 17 0 0 0 124 819 3159 5284 3255 1964 554 36 10 15205 18 0 0 0 84 574 2600 4542 2549 1533 378 11 5 12276 19 0 0 0 51 390 2088 3801 1932 1167 243 3 1 9675 20 0 0 0 25 262 1642 3080 1421 874 137 0 0 7441 21 0 0 0 11 169 1277 2386 1013 636 69 0 0 5561 22 0 0 0 3 98 966 1777 694 445 32 0 0 4014 23 0 0 0 1 48 710 1276 453 297 11 0 0 2797 24 0 0 0 0 21 505 885 274 183 3 0 0 1870 25 0 0 0 0 8 336 572 152 102 0 0 0 1170 17 0 0 4 118 1024 3183 4320 3288 1709 1161 58 9 14872 18 0 0 1 84 777 2548 3636 2604 1301 857 18 3 11828 19 0 0 0 53 589 1986 2975 1976 965 610 3 0 9157 20 0 0 0 34 438 1498 2330 1433 685 411 0 0 6830 21 0 0 0 21 323 1094 1723 1004 464 285 0 0 4913 22 0 0 0 14 236 770 1200 665 297 186 0 0 3369 23 0 0 0 8 174 525 790 393 173 118 0 0 2181 24 0 0 0 4 125 341 485 222 82 80 0 0 1338 25 0 0 0 1 88 197 246 119 26 56 0 0 733 5
SILE TÜBAV Bilim 17 0 79 16 243 544 2505 3851 3095 2465 678 35 0 13512 18 0 41 9 184 411 2011 3137 2426 1929 503 9 0 10660 19 0 15 3 136 304 1573 2444 1806 1452 359 2 0 8094 20 0 1 0 103 213 1192 1776 1286 1041 249 0 0 5861 21 0 0 0 77 145 870 1157 873 701 177 0 0 3998 22 0 0 0 52 90 618 689 568 423 124 0 0 2564 23 0 0 0 35 55 439 374 341 227 84 0 0 1554 24 0 0 0 19 30 309 165 197 100 52 0 0 871 25 0 0 0 12 16 214 57 104 25 29 0 0 456 3. Sonuçlar ve TartıĢma Bu çalışmanın amacı İstanbul ili sınırlarındaki dört farklı noktada yer alan meteoroloji istasyonları için değişken tabanlı derece-saatlerin hesaplanmasıydı. Isıtma ve soğutma derece-saatlerin hesaplanmasında kullandığımız denge sıcaklıkları 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 ve 25 0 C. Sonuçlar tablolar ve grafikler halinde sunuldu. Elde edilen sonuçlar ışığında bir bina aynı şehir içerisinde fakat farklı noktalarda dahi olsa derece-saat değerlerinin yani ısıtma-soğutma enerji ihtiyaçlarının farklı çıkabildiği görüldü. Şu an Türk Standartları nda (TS 825) [7] yer alan Türkiye nin 4 iklim bölgesine bölünmüş olması elde ettiğimiz sonuca göre değerlendirildiğinde çok kaba bir yaklaşım olarak göze çarpıyor. Standardın iklim bölgelerine ayırma işlemini derece-gün değerleriyle yapmış olması da ayrı bir dezavantajıdır. Bu şekilde kaba bir bölgelemenin yerine daha fazla iklimsel değişkenin kullanılarak daha küçük ölçekli iklim bölgelerinin oluşturulması daha doğru bir yaklaşım olacaktır. TeĢekkür Bu çalışmada bize iklimsel verileri sağlayan Devlet Meteoroloji İşlerine ve ayrıca değerleri yorumlarıyla çalışmamıza katkıda bulunan Prof. Dr. Birol KILKIŞ a teşekkür ediyoruz. Kaynaklar [1] 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. [2] Sahal, N., Proposed approach for defining climate regions for Turkey based on annual driving rain index and heating degree-days for building envelope design. Building and Environment 41, 2006; 520 526. [3] ASHRAE, ASHRAE Handbook: Fundamentals. ASHRAE: Atlanta, 2009. [4] ASHRAE, ASHRAE Handbook: Fundamentals. ASHRAE: Atlanta, 2009; 18.49. [5] 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. [6] EN 15927 Avrupa Standardı. [7] TS 825 Türk Standardı. [8] Ö. Altan Dombaycı, Degree-days maps of Turkey for various base temperatures. Energy, 2009. [9] Orhan Büyükalaca, Hüsamettin Bulut, Tuncay Yılmaz, Analysis of variable-base heating and cooling degreedays for Turkey. Applied Energy, Volume 69, Issue 4, August 2001; 269-283. [10] A. Satman, N. Yalcinkaya, Heating and cooling degree-hours for Turkey. Energy, Volume 24, Issue 10, 1999; 833-840. [11] Uner M, Ileri A.Typical weather data of main Turkish cities for energy applications. International Journal of Energy Research, 2000; 24: 727-748 6