YENİ NESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE GELİŞTİRİLMESİ Development of Phase Change Materials for New Genaration Building Materials* Sibel KURT Kimya Anabilim Dalı Prof.Dr. Halime Ömür PAKSOY Kimya Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışmada beton karışımlarda Faz Değiştiren Madde(FDM) kullanımıyla mekanik dayanımını koruyarak ısıl performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Hidratasyon sıcaklığı ve ısısı ile yapılan denemelerde de FDM nin artırıcı etkisi olduğu görülmüştür, ancak bu sonuçların uzun süreli deneylerle tekrarlanması gereklidir. Elde edilen sonuçlar, FDM li beton karışımların yapı endüstrisinde kışın ısıtma ve yazın soğutma enerjisinden tasarruf sağlayacak bir ürün olmaya aday olduğunu göstermektedir Anahtar Kelimeler: Binalarda enerji verimliliği, termal enerji depolama, faz değiştiren maddeler ABSRTACT This study aims to improve thermal performance of concrete mixes, while keeping their mechanical strength, by adding Phase Change Materials (PCM). Hidration heat and temperature measurement experiments also revealed that PCM had an enhancing effect, but these results need to be confirmed with longer duration experiments. The results achieved show that the concrete mixes with PCMs are candidate products that can conserve energy from heating in winter and cooling in summer for building industry. Key Words: Energy efficiency in buildings, thermal energy storage, phase change materials Giriş Binalar, çok uzun ömürlü ve büyük ölçüde enerji tüketiyor olmaları ve çok geniş kullanım alanına sahip olmaları nedeniyle enerji verimliliğinin arttırılması projelerinde büyük öneme ve çalışma alanına sahiptir. Avrupa Birliği ve tüm gelişmiş ülkelerde iklim değişikliği etkilerinin azaltılması ile ilgili eylemlerin başında binalarda enerji verimliliğinin arttırılması gelmektedir(www.cevreorman.gov.tr). Türkiye enerji tüketiminde yüksek bir dışa bağımlılık yaşamaktadır. 2007 yılında enerji tüketiminin yalnızca %27 si yerli kaynaklarla karşılanabilmiştir. Türkiye nin petrol ve doğal gaz tüketiminde petrole % 33, doğalgaza %29 bağımlı olması nedeni ile binalarda yenilenebilir kaynaklarının kullanımı, enerji verimliliği ve tasarrufu konuları her zamankinden daha fazla önem kazanmıştır. Avrupa Birliği Yüksek Lisans Tezi-MSc. Thesis - 21 -
mevzuatına uyum kapsamında yapılan Bina Enerji Performans Yönetmeliği bu durumu zorunlu hale getirmiştir. Binalarda enerji tüketiminin azaltılması ve yenilenebilir kaynaklardan yararlanılması için son yıllarda faz değiştiren maddelerde (FDM) termal enerji depolaması konuları araştırılmaktadır(khudhair ve Farid, 2004). FDM nin yapı elemanlarında ve malzemelerde kullanımı bina ısıl kütlesini arttırarak, ısıtma ve soğutma yüklerini azaltabilmektedir. Bina yapı malzemesine eklenen FDM gündüz bina kabuğunun ısınmasıyla erirken bina içine daha az ısı girişine neden olur. Gece dış ortam sıcaklığının düşmesiyle donan FDM ısı salarak binanın ısınmasına katkı sağlar. Böylece güneş enerjisinden pasif olarak yararlanma imkânı sağlanır ve bina içinde daha homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilir. Böylece hem ısıtma ve soğutma enerjisinden tasarruf sağlanırken hem de elektrik enerjisine duyulan ihtiyaç azaltılabilmektedir. Bu çalışmada enerji tasarrufu sağlamak ve enerji verimliliğini arttırmak için, beton karışımlarda FDM ler kullanılarak yeni nesil bina malzemelerinin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu hedefe yönelik çalışmanın amacı, binalarda konfor sıcaklığına uygun FDM ler seçilerek bina yapı malzemesi olan beton içerisinde kullanılmasının betonun mekanik dayanımına, ısıl performansına, ısı depolama kapasitesine ve hidratasyon sıcaklığına etkilerini araştırmaktır. Materyal ve Metod Materyal Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddeler: Micronal PCM 5008 Beton Karışım Malzemeleri : Su, çimento, agrega, hiperakışkanlaştırıcı katkı Cihazlar : Su banyosu, Veri kaydetme cihazı(data-logger), Diferansiyel Taramalı Kalorimetri(DSC) Metod FDM Seçimi Bina yapı malzemesi olan beton karışımları ile birlikte kullanılan FDM seçiminde öncelikle bina konfor sıcaklığı belirlenmelidir. FDM Termofiziksel Özelliklerin Belirlenmesi Mikrokapsüllenmiş FDM lerin faz değiştirme aralıkları ve gizli ısılarının belirlenmesi amacı ile Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), veri kaydetme cihazı ve ısıtmalı soğutmalı su banyosu kullanılmıştır. FDM li ve FDM siz Beton Karışımlarının Hazırlanması Çalışmada su/çimento oranı 0,38 olan ve içerisine %0(şahit), %1, %2, %3, %5 ve %10 olmak üzere Faz Değiştiren Madde eklenerek birbirinden farklı beton - 22 -
karışımları elde edilmiştir. Beton karışımı hesabı yapılmasından sonra kullanılacak agregalar için elek analizi deneyi yapılmıştır. Mekanik Dayanım Testleri FDM li ve FDM siz beton karışımlarının mekanik özelliklerinin belirlenmesinde Çukurova Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği laboratuarlarında basınç dayanımı mekanik testi yapılmıştır. Mikro Yapı Analizi Bu amaçla kullanılacak FDM nin mikro yapı analizleri COXEM marka CX220 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. Ayrıca betona karıştırdıktan sonra mikrokapsüllerin kırılıp kırılmadığı SEM görüntüleriyle belirlenmiştir. Termal Performansın Belirlenmesi Hazırlanan FDM li ve FDM siz beton örneklerinin ve FDM örneklerinin termal performansının belirlenmek için ısı depolama kapasiteleri ve bir sıcaklık aralığındaki ısınma ve soğuma eğrileri belirlenmiştir. FDM Kullanımının Beton Karışımının Hidratasyon Tekimesine Etkisi FDM nin betonun priz aldığı ilk 22 saat içinde beton sıcaklık değişimine etkisinin araştırılması için polistiren kaplar içinde hazırlanan örneklerin sıcaklık değişimi zamana bağlı olarak data logger tarafından ölçülüp, kaydedilmiştir. Araştırma Bulguları ve Tartışma Mikro Yapı Analizi Seçilen mikrokapsüllenmiş FDM lerin mikro yapı analizleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır (Şekil 1.) Şekil 1. Micronal PCM 5008 in 986x büyütmeli SEM görüntüsü - 23 -
Sıcaklık( o C) Ç.Ü Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi Yıl:2012 Cilt:27-2 Şekil 2. Micronal PCM 5008 in DSC analizi Isınma Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi Mikrokapsüllenmiş FDM olarak kullanılan Micronal 5001 ve Micronal 5008 mikrokapsüllerinin erime ve donma aralıkları termostatlı su banyosu ile de belirlenmiştir. Erime sıcaklığı yaklaşık olarak 23 o C olan Micronal 5008, Şekil 3. de ısınma soğuma eğrisinde görüldüğü gibi 23-25 o C de erimektedir 35 30 25 20 15 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Zaman(s) Şekil 3. Micronal 5008 in ısınma- soğuma eğrisi Beton Bileşiminin Belirlenmesi Deneysel çalışmalarda, su/bağlayıcı oranı 0,38 olarak belirlenmiştir. Çalışma kapsamında yapılan ön denemelerde su/bağlayıcı oranının 0,38 in üzerinde olması durumunda betonda ayrışma meydana gelmiştir. Az olması durumunda ise yayılmanın uygun kıvamda olmadığı gözlenmiştir. Bunlar göz önüne alınarak su/bağlayıcı oranı 0,38 olarak belirlenen beton karışımları içerisine %0(şahit), %1, %2, %3, %5 ve %10 olmak üzere Faz Değiştiren Madde eklenerek birbirinden farklı beton karışımları hazırlanmıştır. - 24 -
Betonun Mekanik Dayanımının Belirlenmesi Deneysel çalışmalar için hazırlanan FDM li ve FDM siz beton karışımlarının her birinden 3 er numune hazırlanmıştır. Hazırlanan FDM li ve FDM siz beton numunelerin 7 ve 28 günlük basınç dayanımlarını basınç dayanım cihazı ile ölçülmüştür. Çizelge 1.FDM li ve FDM siz betonların 28 günlük basınç dayanımları(mpa) 28 Günlük 28 Günlük Ortalama Şahit 90,10 89,60 86,40 88,70 %1 FDM li beton 74,30 76,60 74,00 74,97 %2 FDM li beton 80,30 77,50 78,30 78,70 %3 FDM li beton 75,80 64,00 72,90 70,90 %5 FDM li beton 58,20 68,20 67,50 64,63 %10 FDM li beton 57,80 64,40 63,90 62,03 Elde edilen 7 günlük basınç dayanım testlerine göre, sertleşmiş ve kür edilmiş FDM li beton numunelerde FDM miktarı arttıkça, şahit numuneye göre, basınç dayanımlarının azaldığı gözlenmiştir Betonun Isıl Özelliklerinin Belirlenmesi Uygun standartlarda hazırlanan beton karışımlar 7x7x7 standart küp numune kalıplarında yerleştirilip, kür edilmesi işleminden sonra FDM lerin ısıl özelliklerinin betona etkisinin belirlenmesi amacı ile CR23X cihazı yardımıyla FDM li ve FDM siz beton örneklerinin ısınma ve soğuma eğrileri elde edilmiştir. Çizelge 2.FDM li ve FDM siz beton ve banyo sıcaklık ve zaman değişimlerinin su banyosu ile kıyaslanması T mak ( o C) T min ( o C) T( o C) t(s) Şahit 1,99 0,15 27,77 2290 %1 2,40 1,57 25,64 1950 %2 2,38 1,94 25,28 1910 %3 2,54 1,49 25,24 1940 %5 2,57 2,71 24,34 1930 %10 2,55 1,77 24,43 1860 Çizelgede T mak (beton numune su banyosu içerisinde iken, su banyosu ve beton numunenin maksimum sıcaklık farkı), T min (su banyosu ve beton numunenin minimum sıcaklık farklarının) ve t beton numunenin, minimum sıcaklıktan maksimum sıcaklığa yükselmesi göstermektedir. %10 FDM li betonun, şahit numuneye göre, kütlesinde yaklaşık %11 azalma olmasına rağmen(çizelge 3.6), su banyosunda diğer numunelere göre daha fazla sıcaklık düşmesine neden olması FDM nin ısı depolaması ile açıklanabilir. Çizelgede Δt süreleri incelendiğinde, FDM miktarı artmasıyla minimum sıcaklıktan - 25 -
maksimum sıcaklığa ulaşma süresinin azaldığı gözlenmektedir. FDM miktarının artmasıyla FDM nin erimesi için banyodan daha fazla ısı çekilmesi ile maksimum sıcaklığa ulaşma süresi de azalmaktadır. FDM li beton örneklerin termal enerji depolama kapasitelerinin belirlenmesi amacıyla sabit su banyosu sıcaklığında ölçümler alınmıştır. 30 C ye ısıtılıp, bu sıcaklıkta sabit tutulan su banyosuna beton örnekler yerleştirilerek banyo sıvısıyla beton örnekler termal dengeye ulaşana kadar banyo sıvısının ve beton örneklerin sıcaklıkları ölçülmüştür. Bu sıcaklık ölçümlerinden yararlanarak Eşitlik 3.7 den teorik beton örnek sıcaklığı(t teorik ) ve Eşitlik 3.10 dan depolanan ısı(q depo ) hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre FDM li tüm beton karışımların depoladıkları ısının FDM siz (şahit) örnekten daha yüksek olduğu ve en yüksek değerin, hepsinden daha düşük kütlesi olmasına rağmen, şahitten %78 daha fazla olarak %10 FDM li beton karışımda elde edildiği görülmektedir. Sonuçlar Bina yapı malzemelerinde kullanılacak, bina konfor sıcaklıklarına uygun FDM lerin geliştirilmesinde faz değişiminin kapsül içerisinde kontrollü olarak gerçekleşmesi ve eriyen parafinin yapı malzemesine karışmasını engellemek amacı ile bina uygulamalarında mikrokapsüllenmiş parafinin daha uygun olduğuna karar verilmiştir. Artan FDM miktarına bağlı olarak karışıma giren agrega miktarındaki düşüşün basınç mukavemetini etkilediği ve kapsüllerin kısmen kırılması ile parafinin beton içerisine akması nedeni ile basınç mukavemetinde şahit numuneye kıyasla belirgin bir şekilde düşmektedir. FDM li tüm beton karışımların depoladıkladıkları ısının FDM siz (şahit) örnekten daha yüksek olduğu ve en yüksek değerin, hepsinden daha düşük kütlesi olmasına rağmen, şahitten %78 daha fazla olarak %10 FDM li beton karışımda elde edilmiştir. Kaynaklar KHUDHAIR A.M., FARID M.M., 2004, A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials, Energy Conversion and Management 45, 263 275. www.cevreorman.gov.tr - 26 -