TEKNİK MAKALE 63. Sayı (Kasım Aralık 2006)

Dr. Meral ÖZEL, Prof. Dr. Kázım PIHTILI Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Bu çalışmada, binalarda uygulanan dıştan, içten veya ortadan yalıtımlı duvar yapıları ele alınarak bu duvarlarda zamana bağlı olarak duvar kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımı sayısal olarak araştırılmıştır

ÖZET

Çalışma Elazığ’da yaz iklim şartları dikkate alınarak ve duvarın yönünün güneye baktığı kabul edilerek yapılmıştır. Bu amaçla bir boyutlu ısı iletim denklemi çok katmanlı duvar yapısı için Implicit sonlu farklar yöntemi ile çözülerek her bir duvar yapısı için duvar kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımları grafikler halinde gösterilerek sonuçlar yorumlanmıştır.

GİRİŞ

Dünyadaki enerji kaynaklarının önemli bir bölümü, ısıl konforu sağlamak amacıyla konutlarda harcanmaktadır. Enerjinin korunumu açısından, enerji tüketiminin konfor şartlarından fedakarlık etmeden azaltılması gerekir. Bu amaçla, farklı sıcaklıktaki dış ve iç çevreyi birbirinden ayıran duvarlara ısı yalıtımı uygulanarak binalarda ısıtma ve soğutma amacıyla tüketilen enerjiyi azaltmak mümkündür. Böylece yapı içerisinde istenen ısıl konfor daha az yakıt tüketimiyle sağlanarak çevre kirliliği azaltılmış olur. Ayrıca ısı yalıtımı ile duvarlardaki yoğuşma önlendiği için yapının ömrü uzamış olur.

Yalıtım genellikle bina duvarlarının dış yüzeyine, ortasına veya iç yüzeyine uygulanmaktadır. Bu şekilde üç farklı yalıtım konumlandırma durumu incelendiği zaman yalıtımın duvarın iç yüzeyine veya ortasına uygulanması yerine, dış yüzeyine uygulanmasının ısı kazanç veya kaybı açısından daha iyi olduğu bilinmektedir. Ayrıca mevcut yalıtımsız binaların ısıl konfor açısından yalıtılması gerekiyorsa, yalıtım uygulamasının duvar dış tarafına yerleştirilmesinin daha uygun olacağı bilinmektedir [1]. Bu konuyla ilgili yapılan çalışmalar incelendiğinde, Özel ve Pıhtılı [2], bina duvarlarına uygulanan yalıtımın duvar içerisinde beş farklı konumlandırma durumunu ele alarak ısı kazanç ve kayıpları açısından implicit sonlu fark formülasyonunu kullanarak araştırmışlardır. Al-Regib vd. [3], duvarın dış yüzeyinde, iç yüzeyinde ve ortasında yalıtım durumları için yalıtımlı duvar boyunca ısı transferinin geçici etkilerini araştırmışlardır. Al-Sanea [4] farklı çatı yapılarının ısıl performansını karşılaştırdı ve sonuç olarak yalıtımı çatının iç yüzeyine yakın yerleştirerek daha iyi bir ısıl performansa ulaşıldığını gösterdi. Al-Sanea and Zeden [5] kararlı periyodik şartlar altındaki bina duvarının ısı transfer karakteristikleri üzerine yalıtımın yerinin etkisini çalıştılar.

Bu çalışmada ise, dıştan, içten veya ortadan yalıtımlı duvar yapılarının kalınlıkları boyunca sıcaklık dağılımları sayısal olarak incelenmiş ve bu üç yalıtım uygulamasının birbirine göre avantaj ve dezavantajları sıcaklık dağılımları açısından detaylı olarak mukayese edilmiştir.

MATEMATİKSEL YÖNTEM

Yalıtımlı duvarlardaki sıcaklık dağılımını hesaplayabilmek için, ısı iletim denkleminin zamana bağlı olarak çözülmesi gerekir. Bu amaçla Şekil 1’de gösterilen M katmandan oluşmuş çok katmanlı bir yapı için geçici tek boyutlu ısı iletim denklemi aşağıdaki gibi yazılabilir:

Burada rj, cj ve kj sırasıyla j’inci katmanının yoğunluğu, özgül ısısı ve ısıl iletkenliği olup bu özelliklerin sıcaklık değişmelerinden etkilenmediği kabul edilmiştir. Dış ve iç duvar yüzeylerinde taşınım sınır şartları ile başlangıç şartı sırasıyla aşağıdaki şekilde yazılabilir:

Yukarıdaki eşitliklerde, ho ve hi sırasıyla yapının dış ve iç yüzeyindeki ısı taşınım katsayıları olup sabit kabul edilmiştir. To dış hava sıcaklığı ve a  dış yüzeyin güneş ışınımını yutma oranıdır. e.ÆR/ho uzun dalga ışınım için düzeltme faktörü olup yatay yüzeyler için 4 ¡C ve dik yüzeyler için de 0 ¡C olarak kabul edilmiştir [6]. I ise toplam güneş ışınımı şiddeti olup eğik düzleme gelen direkt (Ied), yayılı (Iey) ve yansıyan (Iya) ışınımların toplamından elde edilmektedir ve hesap yöntemi ayrıntılı olarak mevcuttur [7]. To ve I’nın değişiminin periyodik olduğu yani bir birini takip eden günlerde tekrarlandığı kabul edilmiştir. Ti iç ortam sıcaklığı olup sabit tutulmuştur. Tb ise başlangıç sıcaklığı olup duvar kalınlığı boyunca 22 ¡C gibi keyfi ve üniform bir sıcaklık değeri seçilmiştir.

Çok katmanlı duvar boyunca sıcaklık dağılımını hesaplamak için, kontrol hacim implicit sonlu fark formülasyonu, diferansiyel denklem ile sınır şartlarına uygulanarak, cebirsel denklem takımı elde edilmiştir [8]. Daha sonra ise MATLAB’da genel amaçlı bir bilgisayar programı geliştirilerek çözüm yapılmıştır.

KOMPOZİT DUVAR YAPILARI

Bu çalışmada, dış ve iç yüzeyi 2 cm kalınlığında sıva ile kaplanmış yalıtımsız beton duvar ile dışta, ortada ve içte 6 cm kalınlığında yalıtım tabakası uygulanan çok katmanlı duvar yapıları ele alınarak bu yapı elemanlarında duvar kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımları hesaplanmıştır. Kullanılan yapı malzemelerinin Termofiziksel özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Hesaplamalar Elazığ’da 15 Temmuz için ve 23 ¡C sabit iç ortam sıcaklığı için yapılmıştır. Hesaplamalar sırasında kullanılan dış ortam sıcaklıkları 15 Temmuz için meteorolojiden alınmıştır [9]. Opak yapının yutma oranı  =0.9, içteki ve dıştaki ısı transfer katsayısı ise sırasıyla hi=6 W/m2K ve ho=22 W/m2K olarak alınmıştır. Duvar yönünün ise güneye baktığı kabul edilmiştir.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Bu çalışmada, yalıtım uygulamasında çok kullanılan dıştan, içten ve ortadan yalıtımlı duvar yapılarının kalınlıkları boyunca sıcaklık dağılımları sayısal olarak hesaplanmış ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.

Şekil 3(a)-6(a), sırasıyla yalıtımsız beton duvar ile dışta, ortada ve içten yalıtımlı beton bir duvarda 24 saat boyunca sıcaklık dağılımlarını göstermektedir. Yine aynı duvar yapıları için 3 saatlik bir zaman aralığı ile farklı zamanlardaki duvar kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımları da Şekil 3(b)-6(b)’de gösterilmektedir.

Şekil 3(b)’de görüldüğü gibi duvarın dış yüzeyinde minimum sıcaklık saat 3’te elde edilirken, duvarın dış yüzeyinden iç yüzeyine doğru ilerlerken minimum sıcaklık saat 6’da elde edilmiştir. Bunun sebebi ise gece boyunca depolanan ısı duvarın her iki yüzeyinden dağıtılmaya devam ettiği için bütün kalınlık boyunca sıcaklık seviyesi saat 6’da daha az olur. Güneşin doğuşuyla saat 9’da dış taraf sıcaklığında hızlı bir artış elde edilirken saat 12’de maksim güneş ışınımı nedeniyle duvarın dış yüzeyinde maksimum sıcaklık elde edilmektedir. Güneş battıktan sonra ise dış yüzey sıcaklığı giderek düşme göstermektedir. Saat 9’dan saat 15’e kadar duvar kalınlığı boyunca sıcaklık iç yüzeye doğru hızla azalırken saat 18’den saat 3’e kadar önce bir artış gösterir. Daha sonra azalır. Bunun nedeni ise sıcaklığın duvar içerisinde gece boyunca depolanması yüzünden sıcaklık dalgalanmalarının dış yüzeyden itibaren iç yüzeye doğru giderek azalmasıdır.

Şekil 4(b)’de görüldüğü gibi, duvar kalınlığı boyunca en fazla sıcaklık düşüşü dış yüzeydeki yalıtım katmanı boyunca oluşmaktadır. Böylece sıcaklık dalgalanmasının genliği azalır. Gün boyunca iç yüzeydeki sıcaklık değişiminin 0.22 ¡C olduğu ve 23 ¡C’lik iç oda sıcaklığından 0.7 ¡C yüksek olduğu Şekil 4(b)’den görülmektedir. Bu da iç ortamın neredeyse tamamen dış sıcaklık dalgalanmalarından etkilenmediği, yani konforlu iç ortam sıcaklığının elde edildiğini göstermektedir.

Ortadan yalıtımlı beton duvardaki sıcaklık dağılımı incelendiği zaman Şekil 5(b), duvar iç yüzeyindeki etkinin dıştan yalıtımlı duvarınkiyle aynı olduğu yani iç oda sıcaklığından sadece 0.7 ¡C yüksek olduğu görüldü. Ancak burada kalınlık boyunca daha yüksek sıcaklık değişimi ve daha yüksek dalgalanmalar olduğu görülmektedir. Bu yüzden ortadan yalıtımlı duvarlarda dıştan yalıtımlı duvarlara göre belirli kullanımdan sonra duvar içerisinde çatlaklar ve bozulmalar olduğu bilinmektedir.

Şekil 6(a) ve (b)’de görüldüğü gibi, duvar kalınlığı boyunca en fazla sıcaklık dalgalanmaları ise içten yalıtımlı duvarda elde edilmiştir.

Sonuç olarak, en kütü yalıtım uygulamasının içten yapılan yalıtımlı duvarda, en iyi yalıtım konumlandırma durumunun ise dıştan yapılan yalıtımlı duvarda elde edildiğinin sıcaklık dağılımı açısından da doğrulandığı görüldü. Dolayısıyla, yalıtımın duvarın iç yüzeyine veya orta kısmına uygulanması yerine dış yüzeyine yerleştirilmesinin daha uygun olduğu ve duvar kalınlığı boyunca sıcaklık dalgalanmalarını en aza indirdiği tespit edilmiştir.