Enerji Tasarrufu Dersi 3. Ünite Özet

Giriş

Enerji tüketiminin süreklilik arz ettiği yapı ve işletmelerde, özellikle ilgili yapıların inşası aşamasında izlenecek yol ve kullanılan yapı malzemeleri enerji tasarrufu ve verimi açısından oldukça önemlidir. Seçilecek yapı malzemeleri binanın inşa edileceği bölgenin coğrafi özelliklerinden bağımsız olarak ele alınamaz. Konut ve sanayiye dayalı yapılaşmanın nüfusa ve toplumun ihtiyaçlarına paralel bir şekilde artmasının kaçınılmaz olduğu düşünülürse enerji performansı ve verimliliğini arttırıcı bir yapılaşmanın önemi daha belirgin bir hale gelmektedir.

Sıcaklık, Isı ve Isıl Genleşme

Özellikle hava koşullarının sert geçtiği karasal iklimin hakim olduğu bölgelerde, dolayısıyla enerji sarfiyatının çok olduğu yerlerde binalarda ısı ve yalıtım önem arz etmektedir. Isı ve sıcaklık değerleri insan ve diğer canlılar için de yaşamsal önem arz etmekte olup belirli değerler arasında tutulması gereken kavramlardır. Bu bağlamda ısı ve sıcaklık kavramlarının iyi anlaşılması ve birbirlerine karıştırılmaması gerekmektedir.

Sıcaklık: Bazı kavramları yardımcı bileşenler üzerinden tanımlamak gerekmektedir. Sıcaklıkta bunlardan biridir. Aynı sıcaklıkta iki cisim dışarıdan izole edilmiş bir ortamda uzun süre temas halinde kalırlarsa aynı sıcaklık değerine ulaşırlar. Sıcaklık için farklı birim sistemlerinde farklı ifadeler söz konusu olsa da yaygın olarak kullanılan iki birim derece Celcius (°C) veya Kelvin (K)’ dir. Sıcaklık termometre ile ölçülebilen bir nicelik olup gaz molekülleri için ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsü olarak ifade edilebilir. Kelvin ve derece Celcius arasındaki ilişki;

°C + 273,15 = K eşitliği ile verilir.

Sıcaklık için diğer bir birim ise Fahrenheit’ tir (°F). Sıcaklık ölçeği bazında Fahrenheit ile Celcius ölçeği arasındaki ilişki aşağıdaki eşitlikle verilir;

°C = 5(°F – 32) / 9

İdeal Sıcaklık Koşulları: Yaşamsal fonksiyonların devamı açısından insan vücudu dahil tüm canlı organizmalar belirli sıcaklık değerlerine sahip olmak zorundadırlar. Bundan başka her türden gıda, besin, ilaç ve hatta eşya için belirlenmiş bir takım sıcaklık değerleri söz konusudur. Özellikle canlı organizmalarda bu değerlerin aşılması veya bu değerlerin altında kalınması yaşamsal sorunlar ortaya çıkaracaktır.

Isı: Sıcaklıkları farklı cisimler izole bir ortamda birbirlerine dokundurulacak şekilde yerleştirilirse sıcak olandan soğuk olana doğru bir enerji akışı söz konusu olur. Aktarılan bu enerji ısı olarak adlandırılır. Joule (J) veya Kalori (Cal) ile ifade edilen birimlere sahiptirler. Temas halindeki iki cisim arasında enerji aktarımı veya ısı aktarımı olmuyorsa bu iki cisim termal dengededir denilir. Termal dengedeki cisimler aynı sıcaklık değerlerinde olurlar.

Isıl Genleşme: Özellikle ısı iletiminin yüksek olduğu malzemelerin kullanıldığı yapılarda termal genleşme durumları göz önüne alınarak yapılar oluşturulmalı, yapının inşa edildiği bölgenin iklimsel sıcaklık değişimleri göz önüne alınarak genleşme payları bırakılmalıdır. Belirli ısıl etkilere maruz kalan cisimlerin atom ve molekülleri arasındaki mesafenin artması olayı ısıl genleşme olarak tabir edilebilir. Maddenin ayırt edici unsurları arasında yer alan genleşme her maddenin eşit uzunluğu için farklı sıcaklıklarda farklı miktarlarda olur. L ₀ uzunluğundaki bir metalin sıcaklığı ?T miktarında arttırılırsa metal çubuğun boyu ?L kadar artış gösterecektir. Bu durumu ifade eden eşitlik aşağıda verildiği gibidir;

?L = ? L ₀ ?T

Bu eşitlikte yer alan ? boyca genleşme katsayısı olarak bilinmekte olup birimi 1/°C veya 1/K olarak ifade edilir. Boyca genleşme katsayısı ? malzemenin türüne göre farlılık göstermektedir.

Isı Aktarım Mekanizmaları

Isı aktarımı kısaca enerji aktarımı olarak tabir edilebilir. Isı için belirli aktarım şekilleri söz konusu olup üç farklı mekanizmadan söz edilebilir. Bu mekanizmalar kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyondur.

Bir cisim bulunduğu ortamdan farklı bir sıcaklık değerine sahipse cisimle bırakıldığı ortam arasında sıcaklık değerleri eşit olana kadar bir ısı veya enerji geçişi olacaktır. Bu geçiş ortam ile cisim aynı sıcaklık değerlerine ulaşıncaya kadar devam eder.

Kondüksiyon, iletim olarak da adlandırılır. Bir madde içerisinde birbirleriyle etkileşim halinde olan atom veya moleküllerden fazla enerjili atom veya moleküllerin enerjilerini daha az olanlara aktarması veya iletmesidir.

S:45, Şekil 3.3’ te T _B ve T _A sıcaklıklarına sahip iki plaka veya iki ortam arasına yüzey alanı A, kalınlığı L ve termal iletkenlik katsayısı k olan başka bir plaka yerleştirilmiştir. Bu durumda sıcak olan B plakasından daha az sıcaklığa sahip A plakasına doğru bir ısı akışı olacaktır. Aktarılan ısı Q ile gösterilmiştir. Bu durumda sıcak ortamdan daha soğuk olan ortama birim zamanda aktarılan enerji

(Q) için;

Q = kA (T _B -T _A ) / L eşitliği yazılabilir.

S:46, Şekil 3.4’ te birleşik bir plaka sistemi görülmektedir. Bu sistemde k ₂ ve k ₁ ısıl iletim katsayılarına sahip L ₂ ve L ₁ kalınlığında iki birleşik malzemeden oluşmuş sistem temsil edilmektedir. Şekilde T _k ile verilen sıcaklık, k ₂ ve k ₁ ısıl iletim katsayılı malzemelerin birbirlerine temas ettiği kesit alanın sıcaklığıdır. Bu durumda B ortamından A ortamına birim zamanda aktarılan enerji için;

Q = k ₂ A (T _B -T _x ) / L ₂ = k ₁ A (T _x -T _A ) / L ₁

eşitliği yazılır. Burada ısı aktarımının ideal şartlarda gerçekleştiği varsayılmakta olup, T _B >T _A ’ dır.

Mühendislik uygulamalarında üzerinde durulması gereken başka bir kavram ise termal dirençtir. Termal direnç R, ısı akışına gösterilen direncin bir ölçüsü olup L kalınlığına ve k ısıl iletim katsayısına sahip bir malzeme için aşağıdaki eşitlikle ifade edilir;

R =L / k

Konveksiyon, taşınım olarak da adlandırılır. Bu iletim şeklinde katı bir yüzey ve bu yüzeyle etkileşim halinde olan belirli bir akışkanlıktaki başka bir yüzey söz konusudur. Enerji transferi bu iki yüzey arasında gerçekleşir. Taşınım olayında adından da anlaşılacağı üzere maddenin bir alandan diğerine taşınması yani yer değiştirmesi söz konusudur.

Radyasyon, ışınım olarak da adlandırılan bu iletim şeklinde elektromanyetik dalgalar ya da fotonlar aracılığıyla ısı transferi söz konusudur. Isı kaynağından çıkan farklı frekans ve faz değerlerine sahip fotonlar bir yüzeye rast geldiğinde, bu yüzey tarafından ya yansıtılırlar, ya absorplanırlar ya da yüzeyin kalınlığına bağlı olarak karşı tarafa iletilirler.

Stefan Kanunu olarak bilinen yasada bir cismin ışınım yoluyla yaydığı enerji;

Q _ışınım =? AeT ⁴ eşitliği ile verilir.

T sıcaklığında bir cisim, T _ç sıcaklığında bir çevrede veya ortamda olsun. Bu durumda sıcaklık değerlerine bağlı olarak birim saniye başına cisim tarafından alınan ya da verilen enerji;

Q _ışınım =? Ae(T ⁴ -T _Ç ⁴ ) eşitliği ile verilir.

Elektromanyetik dalgalar (EMW) boşlukta yani vakum ortamında yol alabilirler. Boşlukta yayılma hızları ışık hızına eşit olup 3 x 10 ⁸ m/s’ dir. Elektromanyetik dalgalar farklı frekans ve dalga boylarına sahip olabilirler. Frekansları yüksek olan elektromanyetik dalgalar daha yüksek enerji taşırlar.

Binalarda Yalıtım ve Enerji Performansı

Özellikle evlerde her ailenin ısınmaya ayırdığı bir bütçe mevcuttur. Dolayısıyla enerjiyi verimli kullanmanın doğrudan aile ekonomisine etkileri söz konusu olacaktır. Enerji tüketim oranları yıllara bağlı değişiklikler göstermekle birlikte, binalardaki enerji tüketiminin yaklaşık %82’ si ısıtma için kullanılmaktadır. Bu rakam ülkemizde harcanan toplam enerjinin yaklaşık olarak % 26’ sına karşılık gelmektedir. Dolayısıyla ısı yalıtımı veya izolasyonu kurallara uygun yapılan bir binada enerji sarfiyatı daha az olacaktır.

İki nokta ya da ortam arasında sıcaklık farkı varsa, bu sıcaklık farkına bağlı olarak iki ortam arasında enerji ya da başka bir deyişle ısı aktarımından söz etmek mümkündür.

Isı aktarımı ve ısıl iletim mekanizmaları bu ünitenin başında genel hatlarıyla verilmiştir. Isı iletimi her zaman istenen bir durum değildir. Isıl yalıtım iki bölge arasında ısı geçişini en aza indirmek olarak tabir edilebilir. Bu işlem için kullanımı söz konusu olan farklı türden yalıtım malzemeleri mevcuttur.

Isı yalıtım malzemeleri genel olarak yüksek ısıl dirence yani ısı akışına karşı yüksek mukavemete sahip, ısı kaybını en aza indirecek ve dolayısıyla düşük ısıl iletkenlik katsayılarına sahip hafif malzemelerden oluşmalıdır. Isıl iletkenlik katsayısının düşük olması ortamlar arası ısı veya enerji geçişini zorlaştıracak dolayısıyla yalıtımı arttıracak bir özelliktir. Standartlara uygun yalıtım malzemeleri için ısıl iletkenlik katsayıları genel olarak 0,065W/mK ile verilen değerden daha küçük olmalıdır. Bu değerin üzerinde ısıl iletim katsayısına sahip olan malzemeler genel olarak yapı malzemesi sınıfındadır. Bir ısıl yalıtım malzemesinde, ısıl iletim katsayısının yanı sıra, mekanik mukavemet, su emme kapasitesi, yoğunluk, sıcaklığa mukavemet, buhar difüzyon direnci ve yapı boyutlarına bağlı kararlılık durumu gibi özellikler de önem taşır. Cam yünü, taş yünü, polistiren köpükler, poliüretan, fenol köpüğü, cam köpüğü, ahşap yünü levha türü malzemeler binalarda yaygın olarak kullanılan ısı yalıtım malzemelerine örnek olarak verilebilir. Bunun dışında bina tesisatlarında yalıtım da önemli bir yer tutmaktadır. Mineral yünler, elastomerik kauçuk,cam köpüğü, kalsiyum silikat, poliüretan gibi malzemeler tesisatlarda ısı yalıtım malzemeleri olarak yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bazı ısıl yalıtım malzemeleri için ısıl iletim katsayıları yaklaşık olarak şöyledir;

• Cam yünü, 0,035-0,050 W/mK
• Taş yünü, 0,035-0,050 W/mK
• Ekspande polistren köpük 0,035-0,040 W/mK
• Ekstrude polistren köpük, 0,030-0,040 W/mK
• Poliüretan, 0,025-0,040 W/mK
• Cam köpüğü, 0,045-0,060 W/mK
• Genleştiriliş mantar levhalar, 0,045-0,055 W/mK
• Ahşap lifli levhalar, 0,035-0,070 W/mK

Her malzemenin kendine has kullanım koşulları ve maksimum verim için uygun sıcaklık aralıkları söz konusudur.

Binalarda tüketilen enerji Dünya bazında düşünüldüğünde önemli bir yer tutmaktadır. Uluslararası enerji ajansına (IEA) üye ülkeler bazında değerlendirildiğinde enerji tüketiminin üçte biri konutlar ve ticari amaçlı binalarda gerçekleşmektedir. Bu oran ciddiye alınması gereken önemli bir orandır. Isıl yalıtımın temel amacı ideal ısı ve sıcaklık değerini sağlamada tüketilen enerji miktarını en aza indirmektir. Tüketilen enerji miktarının en uygun seviyeye çekilmesi çevreye olan olası zararlı etkilerin de en aza indirilmesi anlamını taşımaktadır. Bina ısı yalıtımında etkin olan bazı önemli faktörler aşağıda yer aldığı şekliyle sıralanmaktadır.

Bina Duvarları ve Yalıtım: Duvarlar bir binanın ana unsurlarından olup, duvarlarda yalıtım duvarın iç yüzünden veya dış yüzeyden yapılabilir. Bununla birlikte iki katmandan oluşan duvarlarda yalıtım malzemeleri iç ve dış duvar arasında kalan bölgelere yerleştirilebilir. Yalıtım esnasında binanın temel ihtiyaçları göz önüne alınarak farklı türden izolasyon malzemeleri kullanılabilir. Enerji verimliliği açısından taşıyıcı tüm duvarlara ısı yalıtımı yapılması gerekmektedir.

Pencereler ve Yalıtım: Pencereler bir binanın ısı kaybına açık noktaları arasında yer alır. Her şeyden önce pencerelerin iç ve dış bölge arasında hava kaçaklarına doğrudan izin vermeyecek şekilde montajın düzgün yapılması oldukça önemlidir. Ayrıca pencerelerde ısı kaybının en aza indirilebilmesi için ısıl geçirgenlik katsayıları TS 825’ e uygun olmalıdır. Pencerelerde güneş enerjisi geçirgenlik oranları etkin enerji tasarrufu açısından önem arz etmektedir. Pencerelerin kış aylarında güneş ışınlarını geçirecek, yaz aylarında ise güneş ışınlarını azaltıcı şekilde ısıl konforu temin etmesi arzu edilen bir durumdur. Bunu temin için güneş kontrollü camlar kullanılmalıdır. Gelişmiş ülkelerde ısı kontrollü cam kullanımı teşvik edilen bir durumdur. Binalarda pencerelerden ısıl etkinlik anlamında maksimum derecede yararlanabilmek için, pencerenin yapısal özellikleri dışında küçük bir takım önlemler de enerji kullanımını etkin hale getirecektir.

Bina Tavanları ve Döşemeler: Binalarda özellikle çatılar binaların yüksekliklerine bağlı olarak doğrudan Güneş ışınlarına maruz kalması beklenen bölgelerdendir. Ayrıca bina için en üst nokta olduğundan dış ortamla ısı alışverişine müsait bir konumu teşkil eder. Dolaysıyla enerji tasarrufu noktasında önem arz etmektedirler. Çatı izolasyonlarında çatıyı delerek konumlandırılan baca ve boruların kenarları ısı köprüsü oluşturmayacak şekilde yalıtılmalıdır. Döşemelerde ise uygun malzeme türü ve bu malzemelerin yük taşıyabilme kapasiteleri dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli unsurdur. Ayrıca, iç duvara yapılan ısı yalıtımı ile döşemedeki ısı yalıtımı birbirlerinin üzerlerine tam olarak oturtulmalı ve ısı köprüleri engellenmelidir.

Tesisat Yalıtımı: Binalarda enerjinin uygun biçimde sarfiyatı noktasında mekanik tesisatlar oldukça önemlidir. Bundan dolayı tesisat sistemlerini oluşturan boru, vana, tank, depo ve benzeri gibi nokta ve bölmelerin doğru şekilde yalıtımı enerji kullanımında tasarruf sağlayacak faktörler arasında yer almaktadır. Tesisatta ısı yalıtımından amaç sıcak ve soğuk hatlarda kayıp-kazanç dengesini sağlamaktır. Özellikle kalorifer sistemleri ısı kaynağı olması bakımından enerji kaybına olası açık bölgeler arasında yer almaktadırlar. Bu bağlamda sistem içerisinde herhangi bir sızıntı olmaması ek ve bağlantı yerlerinin düzgün montajı ve etkin izolasyonları ciddi oranda ısı kaybının ve tesisatlarda olası yoğuşmaya bağlı olarak gelişebilecek paslanmanın önüne geçecektir. Etkin enerji kullanımı bakımından kalorifer peteklerinin önü uzun perdelerle kapatılmamalı, üzerlerine eşya konulmamalıdır. Kalorifer bağlı olduğu duvarı da ısıtacağı için, hemen duvarla arasına ısı yalıtım plakaları yerleştirilebilir.