Burhan YORUK, Ahmet ARISOY
İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi

ÖZET

Soğutma ağırlıklı bir iklim düşünüldüğünde, dış duvarların yazın buharlaşmayla soğutulması, bina dış kabuğundan kaynaklanan soğutma enerjisi ihtiyacını azaltmada çok değerli bir imkân olabilir. Literatürde bu prensibe dayanan bazı çözümler bulunmaktadır, ancak böyle bir buharlaşmalı tabakanın dış duvar iç yüzeylerine uygulanması yenilikçi bir yaklaşımdır. Bu makalede bu aşamada sadece bu fikir değerlendirilmiştir. Bu amaçla bir vaka incelemesi (case study) yapılmıştır. Binanın dış duvarlarının iç yüzeylerini soğutmak dış duvarlardan olan ısı kazançlarını azaltmaktadır. Daha da önemlisi yaz koşullarında duvar sıcaklıklarını düşürerek iç ısıl konfor koşullarını iyileştirmektedir. Model sonuçları Akdeniz ikliminde bu uygulama duvarların dıştan ısıl yalıtımına göre çok daha başarılıdır. Tasarım parametrelerine bağlı olarak dış duvarlardan olan pik ısı kazancı bu tabaka tarafından ilave bir yalıtım tabakasına gerek duyulmaksızın alınabilmektedir. Hatta bazı uygun koşullarda, duvardan olan ısı kazancının karşılanması yanında iç ortamda ilave bir soğutma da yapılabilmektedir.

Anahtar Kelimeler: Enerji Etkin Bina, Buharlaştırmalı Duvar Soğutması, Akdeniz İklimi

GİRİŞ

Enerji verimliliği ile ilgili önlemlerin ve paketlerin belirlenmesi sıcaklık ve nemin her ikisinin birden göz önüne alındığı iklim koşullarıyla çok sıkı ilişkilidir. Bu nedenle sıcak ve kuru iklimler söz konusu olduğunda özel çözümler üretmek gerekmektedir. Başka bir iklim için geçerli olan çözümler burada yetersiz kalabilir, uygun olmayabilir. Akdeniz iklimi düşünüldüğünde baskın karakteri soğutma ağırlıklı olması ve gece gündüz gün boyu değişen dinamik dış hava koşulları bulunmasıdır.

Dış duvarların davranışı binaların ısı kayıp ve kazançlarında önemli bir rol oynar. Duvarların ısıl yalıtımı soğuk ve ılıman iklimlerde ısı kayıplarının azaltılması yönünde önemli bir rol oynadığı bilinmektedir. Ancak ısıl yalıtımın kalınlığının artırılması, sıcaklığın gün boyu dinamik olarak değiştiği sıcak iklimlerde ısı kazançlarının azaltılması yönünde ters bir etki yapar [1]. Böyle iklimlerde soğutma enerjisi ihtiyacını azaltmak için yalıtımı artırmak yerine dış duvarlara buharlaşmalı bir tabaka uygulamak daha iyi sonuç vermektedir.

Bu makalede Akdeniz ikliminde soğutma enerjisi ihtiyacını azaltmak için binaların dış duvarlarının iç yüzeylerine uygulanan bir buharlaşmalı tabaka dizaynı ve bunun değerlendirilmesi anlatılmıştır. Bu önerilen tabaka yeni bir yaklaşım olarak değerlendirilebilir. Bu bir vaka incelemesi (case study) çalışmasıdır. Akdeniz bölgesinde bir bina ele alınmıştır. Bu binada klima sistemi iç sıcaklıkları istenilen bir sıcaklıkta sabit tutmaktadır. Amaç enerji tasarrufu için soğutma enerjisi ihtiyacını (ısı kazancını) azaltmaktır.

Teklif edilen ısı yutan tabaka, esas olarak aralarında boşluk olan iki plakadan ibarettir ve bu tabaka dış duvarın iç yüzeyine uygulanmaktadır. İç ortam havası bu boşluktan bütün duvar boyunca aşağıdan yukarı doğru hareket etmektedir. Bu plakalardan arkada olanı aslında ıslak tutulan bir tabakadır. Bu tabakadan olan buharlaşma temas ettiği duvar iç  yüzeyini soğutur. İç ortam havasıyla temas eden duvar yüzeylerinin sıcaklığının düşürülmesi yazın aradaki sıcaklık farkını ve odaya olan ısı kazancını/geçişini azaltır. Bunun yanında duvar iç yüzey sıcaklıklarının düşürülmesi ışınımla olan ısı alış verişini de etkiler ve yaz koşullarında iç ortamdaki ısıl konfor koşullarını artırır.

Sistem performansını incelemek için dinamik bir bilgisayar modeli geliştirilmiştir. Bu geliştirilen model aynı zamanda duvar kütlesinin etkisini de dikkate alabilmektedir. Model simülasyonlarıyla, önerilen bu sistemin Akdeniz iklimi için başarılı olduğu gösterilmiştir. Tasarım parametrelerine bağlı olarak dış duvardan olan bütün ısı kazancı ilave bir yalıtıma ihtiyaç duyulmaksızın karşılanabilmektedir. Hatta bazı elverişli koşullarda odada ilave bir soğutma da yapılabilmektedir. Bu tabaka kış mevsiminde de etkilidir. Kışın bu tabaka kuru olarak çalıştırıldığında bu kez ısı kayıplarını azaltıcı yönde etkili olmaktadır.

METOT

Bu çalışmada İzmir’de standart bir bina referans durum olarak ele alınmıştır. İzmir ise Akdeniz ikliminin temsilcisi olarak seçilmiştir. Bina 2 katlı 512 m2 toplam döşeme alanı bir ikametgâhtır. Toplam dış duvar alanı 314 m2 değerindedir ve bu duvarın sadece 211 m2 kadar bölümü önerilen tabaka ile kaplanabilir durumdadır. Dış duvar 5 cm kalınlıkta yalıtımla kaplıdır ve duvarın yoğunluğu 1600 kg/m3 değerindedir. Isıl kütle binanın dış kabuğunun ısıl performansını önemli ölçüde etkileyen bir parametredir. Bu değer bu çalışmada parametrik olarak değiştirilmiştir. Türk standartlarına göre bu binada 5 cm kalınlıkta yalıtım gerekmektedir. Yine bu çalışmada dış duvar haricindeki diğer bütün iç ve dış ısı kazançları kapsam dışında bırakılmıştır. Binada sıcaklığı ideal olarak kontrol eden ideal bir klima sistemi olduğu kabul edilmiştir. Soğutmada yazın set sıcaklığı 24 °C değerindedir. Kışın ise set sıcaklığı 21 °C değerindedir. Binanın toplam havalandırma hızı 1013 m3/h olup, hacimde saatte 0.66 hava değişimine karşı gelmektedir.

BUHARLAŞMALI SOĞUTMA TABAKASI MODÜLLERİ

Bu yaklaşım dış duvarın iç yüzeylerine modüler buharlaşmalı tabaka uygulanmasına dayanmaktadır. Bu tabaka vidalanarak sıkıca bağlanmaktadır ve sızdırmazdır. Bir modülün şekli Şekil 1’de görülmektedir. Bu modüller birbirlerine bağlanabilir ve bütün dış duvar bu modüllerle kaplanabilir. Modülün çerçevesi çeliktir ve paneller plastik veya saç levha olabilir. Arka panele poroz bir ped yapıştırılmıştır ve bu pedle ön panel arasında bir boşluk vardır. Ped sentetik elyaftan yapılmıştır ve yukarıdan nozüllerden damlayan suyla ıslatılmaktadır. Aradaki boşluk boyutu ve hava akış hızı geliştirilen bilgisayar programı yardımıyla belirlenmiştir. Oda havası bu boşluğa alttan girmekte ve ıslak pedten buharlaşan suyu alarak üstten dışarı atılmaktadır. Havanın hareketi ve atmosfere atılması bir fan yardımıyla gerçekleşmektedir. Bu hava dolaşım sistemi aynı zamanda binanın mekanik havalandırma sisteminin bir parçasıdır. Burada hiçbir şekilde nemli hava tekrar odaya verilmemektedir.

ÖRNEK BİNA İÇİN MODÜLLERİN PERFORMANSI

Bu önerilen tabakanın yıl boyu performansının değerlendirilebilmesi için yazın ıslak ped ve kışın kuru ped olmak üzere iki farklı durum çalışılmıştır. Saatlik sıcaklık ve nem değişimleri ve ortaya çıkan ısı kayıp ve kazançları bu durumlar için hesaplanmıştır. Model sonuçları kullanılarak boyutlar optimize edilmiş, su besleme hızları ve hava hızları belirlenmiştir. Duvar ısıl kütlesinin etkileri araştırılmış, önerilen sistemin performansı değerlendirilmiştir.

Şekil 1. Dizayn edilen buharlaşmalı modülün şekli

Optimize edilen hava geçiş boşluğu 0.01 m değerindedir ve bu boşlukta hava hızı 0.8 m/s dir. İç hava sıcaklığı ki bu aynı zamanda tabakaya alttan giren havanın sıcaklığıdır, yazın 24 °C değerindedir. Bu havanın özgül nemi 0.0093 kg/ kg değerindedir. Bu özgül nem bağıl nemin %50 olmasına  karşı gelir. Kışın ise iç sıcaklık 21 °C ve özgül nem 0.0078 kg/kg değerindedir. Saatlik olarak değişen dış hava sıcaklığı ve her yöndeki dış duvar yüzeylerine düşen güneş ışınımı sınır şartları olarak dikkate alınmıştır. Tipik yıl için iklim verisi International Weather for Energy Calculations Database [2] kaynağından alınmıştır.

BUHARLAŞMALI TABAKA PERFORMANSI:

Hal A) Yazın Islak Tabaka

A halinde ped yukarıdan su verilerek ıslak tutulur. Buharlaşma yardımıyla dış duvar iç sıcaklıkları oda sıcaklığının altında tutulabilir. Bu durumda dışardan olan ısı kazancının önlenmesi yanında odadan bu duvara ısı geçişi yani ısı kaybı/soğutma etkisi gerçekleşir. Düşük iç yüzey sıcaklıkları duvarla insan vücudu arasında ışınımla ısı geçişi nedeniyle iç ısıl konfor koşullarının iyileşmesine neden olur. Duvarın ortasında Temmuz ayının ilk haftasında ortalama hava çıkış sıcaklığı tipik yıl için 25.3 °C olup, iç oda sıcaklığına yakındır. Bu sırada özgül nem girişteki 9.3 g/kg değerinden çıkışta 17.6 g/kg değerine yükselir. Tabakayı terk eden havanın bağıl nemi %70 değerine yükselir. Bu nemli ve soğuk egzoz havası konvansiyonel bir ısı değiştiricisinde içeri verilen taze sıcak havayı soğutmakta kullanılabilir.

Soğutma yapılan aylardaki duvardan olan ısı kazançları Tablo 1’de verilmiştir. Bu tablodaki negatif değerler ısı kayıplarını ve pozitif değerler ısı kazançlarını göstermektedir. Buna göre beş soğutma ayı boyunca buharlaşmalı tabaka yoluyla ısı kazançlarını karşılamanın ötesinde 16294 kWh ilave soğutma (ısı kaybı) gerçekleştirilmektedir. Halbuki bu tabaka uygulanmadığı halde aynı çıplak (yalıtılmamış) duvarlardan olan ısı kazancı 43925 kWh’dir. Isıl yalıtım yaz aylarında ısı kazancını belirli ölçüde azaltmaktadır, fakat ilave soğutma söz konusu değildir. Anlaşılmaktadır ki böyle bir buharlaşmalı tabaka ilave edilmesi sıcak ve kuru iklimlerde ve dış atmosfer koşullarının dinamik olarak değiştiği bölgelerde ısıl yalıtımdan çok daha iyi bir performans sergilenmesine neden olmaktadır.

Tablo 1. Sadece dış duvardan binaya olan aylık ısı kazançları [kWh]

BUHARLAŞMALI TABAKA PERFORMANSI:

Hal B) Kışın Kuru Tabaka (Buharlaşma Yok)

Kışın dış duvardan olan ısı kayıpları azaltılmalıdır. Kasım, Aralık, Ocak ve Şubat dört kış ayıdır. Burada genel çözüm dış duvarlara kalın bir ısıl yalıtım uygulamaktır. Hiç yalıtım uygulanmayan çıplak duvar halinde tipik Ocak ayında ısıtılan iç hacimde dış duvarın iç yüzey sıcaklığı 16 °C değerindedir. 

B durumunda ped kuru tutulur fakat hava akışı devam eder. Kışın iç sıcaklığın 21 °C’de sabit tutulduğu kabul edilmektedir. Dış duvarın iç yüzey sıcaklıkları üzerinden akan bu sıcak hava ile yükseltilebilir. Yükseltilen duvar iç yüzey sıcaklıkları odadan olan ısı kaybını azaltır, aynı zamanda konfor koşullarını iyileştirir. Önerilen (kuru vaziyetteki) tabakada kışın ortalama akan hava sıcaklığı 19.1 °C olarak hesaplanmıştır. Bu durumda iç hava ile arasındaki sıcaklık farkı 2 °C mertebelerine kadar indirilebilmektedir. Kış şartlarında aslında önerilen bu tabaka bir ısı geri kazanım ünitesi gibi çalışmaktadır. Kışın havanın akış debisi yaz durumu ile aynı (toplam 1031 m3/h) olup, havalandırma havasına karşı gelmektedir. Yine yazın olduğu gibi konvansiyonel bir ilave ısı geri kazanma cihazı kullanılarak gelen soğuk taze havayı ısıtmak mümkündür.

Kış ayları boyunca ısı kayıpları farklı durumlar için hesaplanıp Tablo 2’de verilmiştir. Buna göre bu tabaka uygulandığı takdirde 4 kış ayı boyunca toplan ısıtma enerjisi ihtiyacı 15779 kWh olarak hesaplanmıştır. Hâlbuki bu tabakanın olmadığı aynı çıplak duvarlardan toplam ısı kaybı 25413 kWh mertebesindedir. Aradaki azalma ısı enerjisinden olan tasarruftur ki, bu önemli bir mertebededir. Şüphesiz ısıl yalıtım kışın en etkin önlemdir, bu sayede toplam ısı kaybı 5621 kWh değerine kadar indirilebilmektedir.

Tablo 2. Sadece dış duvardan binaya olan aylık ısı kayıpları [kWh]

ÖNERİLEN TABAKANIN YILLIK PERFORMANSI

Önerilen tabakanın yaz ve kış performansları birlikte dikkate alındığında binanın dış duvardan olan yıllık enerji ihtiyacı hesaplanmıştır. Önerilen katmanın performansı çıplak duvar ve 5 cm kalınlıkta dıştan yalıtımlı duvar ile karşılaştırılmıştır. Buharlaşmalı tabaka 5 yaz ayı boyunca ıslak çalışacak, geri kalan zamanda ise kuru çalışacaktır. Bina ısıl davranış simülasyonu çıplak duvar ve yalıtımlı duvar hallerinde Energy-Plus paket programı kullanılarak hesaplanmıştır. Sıcaklık set noktaları kışın 21 °C değerlerindedir ve yılın geri kalan zamanlarında 24 °C’dir. Sonuçlar Tablo 3’de verilmiştir. Negatif işaret Buharlaşmalı tabaka için ilave soğutma etkisini göstermektedir (ısıl yükten indirim anlamına gelmektedir). Diğer bütün pozitif rakamlar ısı yükü olarak değerlendirilmiş ve kazanç veya kayıp bir işaret farklılığı yapılmamıştır. Mart, Nisan ve Ekim ara mevsim aylarıdır. Bu aylarda hem ısıtma ve hem de soğutma gerekmektedir. Ancak dış duvarlar ısıl ataletleri nedeniyle bütün durumlarda aşağı yukarı bir soğutma elemanı gibi davranmakta ve bu aylarda mekanik soğutma ihtiyacını azaltmaktadırlar.

Tablo 3. Sadece dış duvardan binaya olan toplam yıllık ve aylık ısı kay ıp/kazançları [kWh]

Bu sonuçlara göre buharlaşmalı tabak uygulaması İzmir için en iyi çözümdür. 5 cm kalınlıkta ısı yalıtım binanın yıllık enerji ihtiyacını 134391 kWh değerinden 72810 kWh değerine düşürmektedir. Yıllık enerji tasarrufu 61581 kWh’dir. Hâlbuki önerilen buharlaşmalı tabakanın yarattığı tasarruf yalıtıma göre daha fazladır. Buharlaşmalı tabaka ylllık tüketimi 134391 kWh’den 61380 kWh’e indirmektedir ve sağladığı yıllık tasarruf 73012 kWh olmaktadır. Görülmektedir ki bu önerilen sistem kuru ve sıcak iklimlerde daha avantajlıdır.

DUVAR ISIL KÜTLESİNİN ETKİSİ

Duvarların ısıl kütleleri dış duvarın ısıl davranışı üzerinde çok etkilidir. Dış hava koşulları günlük olarak çok değişirse ve aynı gün içinde hem ısı kazancı ve hem de ısı kaybı meydana gelirse ısıl kütle önemli olur. Isıl kütlenin artırılması dinamik iklim koşullarının olduğu bölgelerde duvar ısıl performansını iyileştirir. Bu özellikle ara mevsimlerde çok etkilidir. Bu çalışmada duvar kalınlıkları 2 misli artırıldı ve hesaplar tekrarlandı. Hesaplanan ısı kaybı değerleri Tablo 4’de verilmiştir.

Tablo 4. Isıl kütlenin duvar performansına etkisi Dış duvarlardan aylık ısı kayıpları [kWh]

Bu değerler daima ısı kaybı olduğundan işaret negatiftir. Bu aylık negatif değerler kışın mümkün olduğu kadar küçük ve yazın mümkün olduğu kadar büyük olmalıdır. Kalın duvar halinde kışın ısı kayıpları azalmakta ve yazın soğutma etkisi artmaktadır. Bunun anlamı ısıl kütlenin artırılmasının duvarın yıllık performansında olumlu etkisinin olduğudur.

SONUÇ

Akdeniz ikliminde dış duvarların iç yüzeylerine buharlaşmalı tabaka uygulanması yenilikçi bir yaklaşımdır. Bu yeni eleman tarafımızca tasarlanmış ve bu çalışmada ısıl performansı araştırılmıştır. 

Simülasyon sonuçları İzmir iklim koşullarında yazın bu tabakanın dış duvardan olan ısı kazançlarını karşılamanın ötesinde ilave soğutma etkisinin olabileceğini göstermiştir.

Bu tabaka kışın da kuru olarak çalıştırılabilmektedir. Bu tabakanın bir diğer avantajı iç ısıl konfor koşullarını iyileştirmesidir. 

Gösterilmiştir ki bu tabaka İzmir için en iyi çözümdür. Yıllık enerji tasarrufu ısıl yalıtıma göre daha fazladır. Bu önerilen tabaka binanın enerji ihtiyacını 134391 kWh’den 61380 kWh değerine düşürmektedir. Yıllık tasarruf 73012 kWh değerindedir.

REFERANSLAR

[1] Stazi, F., Bonfigli, C., Tomassoni, E., Di Perna, C., & Munafò, P., 2015. The effect of high thermal insulation on high thermal mass: Is the dynamic behavior of traditional envelopes in Mediterranean climates still possible? Energy and Buildings, 88, 367-383.

[2] ASHRAE, 2001. International Weather for Energy Calculations (IWEC Weather Files) User Manual and CD-ROM. Atlanta USA.

Bu makaleyle ilgili Şekil ve Tablolara e-dergi üzerinden ulaşmak için lütfen tıklayınız...