Emrah DENİZ

Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi

Prof. Dr. Ahmet Korhan BİNARK

Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü

1. Giriş

Enerjinin, ekonomik ve sosyal politikaların önemli belirleyicisi olması, enerji sektörünü ekonomik kalkınmanın temel taşlarından biri haline getirmiştir. Dünya enerji rezervlerinintükenmekte olduğu günümüzde mevcut enerji tüketimini rasyonel bir şekilde planlamak ve enerji tasarrufuyla tüketimi azaltmak konuları önemli bir yer teşkil etmektedir [1]. Bu noktada ısı yalıtımı çeşitli üstün özelliklerinden dolayı ön plana çıkmaktadır.

Yalıtım malzemeleri, başta kullanım yerlerinin özellikleri olmak üzere birçok çeşitliliğe sahiplerdir. Vakumlu Yalıtım Panelleri (VYP) ise, klasik yalıtım malzemelerine göre on kata kadar daha düşük ısı iletim katsayıları ile dikkat çekmektedirler. Yapılan çalışmada da, VYP'lerin yapısal özelliklerinin yanında konu ile ilgili çeşitli bilim grupları tarafından yapılmış olan çalışmalara yer verilmiştir.

2. Vakumlu Yalıtım Panelleri ve Yapısal Özellikleri

Alışılagelmiş yalıtım malzemelerinde genel olarak, yalıtımı sağlayan havadır. Dolayısıyla, yalıtım malzemesinin performansı, havanın ısı iletim katsayısı olan 25 mW/mK değeri ile sınırlıdır.

Vakumlu yalıtım panelleri, gözenekli yapıdaki bir iç dolgu malzemesinin, iç dolgu malzemesi karakterine bağlı olarak gaz giderici malzeme kullanılarak ya da tek başına bir dış zarfın içine konularak vakumlanması ve sızdırmazlığı sağlanarak atmosfere kapatılması ile oluşturulur.

Vakumlu yalıtım panellerinin üretiminde değişik alternatif malzemeler mevcuttur.

Kullanılan iç dolgu malzemelerinin ısı iletim katsayıları, atmosfer basıncında klasik yalıtım malzemelerine eşdeğer veya daha yüksek olmakla beraber, vakumlu ortamlarda klasik yalıtım malzemelerine göre daha düşük olmaktadır.

VYP'lerin servis ömrü, vakum seviyesine bağlıdır. VYP'ler, vakumlu oldukları sürece görevlerini yerine getirirler. VYP'lerdeki vakum seviye artışları; dış zarf ve kaynak noktaları boyunca gerçekleşen gaz ve su buharı geçirgenliği, iç dolgu malzemesinden ve zarf malzemesinden kaynaklanan gaz yayılımı gibi sebeplerden kaynaklanmaktadır.

Vakum seviye artışının önlenebilmesi için, VYP'lere gaz giderici yerleştirilmektedir.

Yerleştirilecek gaz giderici miktarı tamamen planlanan VYP ömrü ile ilişkilidir. Gaz gidericiler kimyasal elemanlardır ve panel içindeki atık gazları ve su buharını tutmaktadırlar.

VYP ömrü belirlendikten sonra gaz ve su buharı geçirgenlikleri ile gaz yayılımı değerleri dikkate alınarak panel içine yerleştirilen gaz giderici malzemenin ömrü bittiği anda, panel de ömrünü tamamlamaktadır.

İdeal bir VYP'den; kritik basınç değerinin yüksek olması, ısı iletim katsayısının düşük olması, konvansiyonel poliüretan ile kullanılabilir olması, kolay elde edilebilir olması, çevre dostu olması ve geri dönüşümlü olması özellikleri beklenir.

VYP'lerin ısı yalıtım kapasitesi, klasik yalıtım malzemelerine göre yaklaşık on kat daha yüksektir. Bu paneller, özellikle enerji ihtiyacı fazla olan yerlerde daha kullanışlıdır.

VYP'lerin artan yalıtım değerleri, bina zarf malzemelerinin incelmesini de sağlamaktadır.

Yapıyı oluşturan elemanların boyutlarının, yapısal mukavemetinden çok yalıtım malzemesi taşıyabilme yeteneğine sahip olduğu durumlarda, yalıtım kaviteleri azaltılabilir. Bu sayede kullanılan malzemeden tasarruf edilebilir, kullanılabilir bina alanı artırılabilir ve binanın ömrü tamamlandığında ortaya çıkacak olan atık malzemeler azaltılabilir.

3. Vakumlu Yalıtım Panelleriyle İlgili Yapılan Çalışmalar

VYP'nin ömrünün uzun olması öncelikle gaz bariyerine/zarf malzemesine ve dolgu malzemesine bağlıdır. Dolgu alüminyum geçirilmiş polyethylene (PE) ya da polyethylene terephthalate (PET) içeren birkaç tabakadan oluşan yüksek bir bariyer tabakasına kapatılır ve içerisindeki basınç 1 mbar basıncın altına kadar boşaltılır. Bariyer tabakalar özellikle bina uygulamaları için ihtiyaç duyulan uzun bir servis süresi için ve nem ile havanın çok düşük oranlardaki sızıntılarına karşı en uygun hale getirilir. Gaz bariyeri havaya ve neme karşı yalıtım sağlanmasına yardımcı olurken, dolgu malzemesi de yalıtım kapasitesini artırır. İçi boşaltılmış dolgular oda sıcaklığında hemen hemen 0.004 W/mK ısıl iletkenliğe sahip olur. 2 cm kalınlıkta U değeri 0.2 W/m2K'dir. Bu incelik büyük ölçüde dış cephe yalıtım yapısında önemli avantajlar sağlar [4].

Kanada Ulusal Araştırma Kurulu'nun (NRC) Yapı Araştırma Enstitüsü'nde yapılan çalışmalar, ticari olarak bulunabilen vakum teknolojisinin ve zarf malzemeleri, havanın ve nemin gaz bariyerden geçişine efektif olarak direnç sağlamaktadır [5]. Fakat yapılan çeşitli çalışmalar göstermektedir ki, çok yavaş da olsa hava ve/veya nem dolgu malzemesine ulaşabilmektedir ve bu sayede dolgu malzemesinin ısı iletkenliğini artırmaktadır. Bu ısı yalıtım malzemesinin kapasitesinin azalma seviyesi, nem alıcı malzemenin kapasitesinin başlangıçtaki seviyesine veya VYP içerisine nüfuz eden atmosferik gazlara veya su buharına bağlıdır. Ancak bu durum, gözenek basıncı ile dolgu malzemesinin ısıl iletkenliğinde meydana gelen değişimin ilişkisine bağlıdır. Literatürde belirtilen ve yaygın olarak kullanılan dolgu malzemeleri cam yünü [6], açık gözenekli organik köpükler [7], tozlar [8] ve aerojellerdir.

Bazı dolgu malzemeleri için bu eşik noktası 10 Pa gibi düşük bir değer olabilirken, bazı dolgu malzemeleri için ise bu değer 10000 Pa gibi yüksek bir değer olabilmektedir. Bu durum, açık hücreli dolgu malzemesinin yüksek gözenek basıncında daha düşük ısı iletim katsayısına sahip olabilmesinin, malzemenin gözenek yapısı ile ilgili olduğunu göstermektedir [11].

Daha küçük gözenekli dolgu malzemeleri, daha yüksek gözenek basınçlarında daha düşük ısı iletim katsayısına sahip olabilmektedir. Bu sebepten dolayı, mikro veya nano gözenek yapısına sahip çökelmiş silika, füm silika ve nanojel malzemeleri; cam yünü, açık hücreli poliüretan köpüğü, açık hücreli polistren köpüğünden farklı olarak, 10000 Pa gibi düşük vakum seviyelerinde düşük ısıl iletkenlik karakterististiği göstermektedir. Bu arada, nano gözenekli dolgu malzemeleri, mikro veya makro gözenekli dolgu malzemelerine kıyasla çok daha pahalıdırlar. Bu durum, sadece nano gözenekli dolgu malzemelerinin yapımı için gereken malzemenin pahalı olmasından değil, aynı zamanda nano gözenekli dolgu malzemesinin üretiminin de pahalı olmasının bir sonucudur.

Nano malzemeler için önde gelen kişilerden birisi, 1930'lu yıllarda bir ıslak kimyasal süreçle ilk silika aerojelleri yapan Kistler'dir. Kistler, bu aerojellerin havadaki ısıl iletkenliklerinin 0.020 W/m-K civarında olduğunu, yani diğer yalıtıcılardan önemli ölçüde düşük ısı iletim katsayısına sahip olduğunu bulmuştur. Aynı zamanda, en azından aeorojel monolitleri ve ince aerojel tozları için gaz termal iletimini bastırmak için 10 mbar'lık bir basınca vakumlamanın yeterli olduğunu gözlemlemiştir. Kistler'in geliştirmelerini takiben Monsanto, 1950'lerden 1970'lere kadar binlerce ton silika aerojel üretmiş fakat ekonomik sebeplerden dolayı üretimi askıya almıştır. 1980'lerde iyi tanımlanmış şartlar altında ve dış yükü hassas bir şekilde kontrol ederek yapılan ölçümler de Kistler'in heyecan verici sonuçlarını doğrulamıştır. Aynı zamanda aerojellerin diğer silika tozlarından üstün olduğu da açıklık kazanmıştır.

1980'lerde ve 1990'larda birkaç büyük kimya firması ile aerojellerin büyük çaplı üretimi için geliştirme faaliyetleri tekrar arttığı halde, silika aerojeller, seri üretim için yeterince büyük miktarlarda bulunmamıştır. Fiberler, tozlar ve köpükler hakkında yapılan çeşitli çalışmalar göstermiştir ki, yüke dayanıklı vakumlu fiberler, bütün yalıtım malzemeleri arasında en büyük ısıl dirence sahip olanlardır. Ancak vakumlu fiberlerde gaz basıncı 1 mbar'ın üzerine çıktığında ısıl iletkenlikleri iki katına çıkmaktadır.

Doğal olarak, tatmin edici derecede uzun ömürlü vakum yalıtım malzemesi üretmenin pahalı oluşunun bir sebebi de bu dolgu malzemesinin pahalı oluşudur. İnşaat sektöründe vakum yalıtım panellerinin uygulanmasında bu maliyetin önüne geçmek için birçok araştırmacı tarafından çalışmalar yapılmaktadır. Ancak, VYP'lerin iç dolgu malzemeleri ile ilgili çalışmalar çoğunlukla malzeme üreticisi firmalar tarafından yapılmış ve bağımsız araştırmacıların çalışmaları, firmaların ticari ürünleri ile sınırlı kalmıştır. Bu nedenle iç dolgu malzemelerindeki gelişmeler tamamıyla üretici firmalara bağlı olarak devam etmektedir.

4. Sonuçlar ve Öneriler

Enerji kaynaklarının belirgin bir sorun haline geldiği günümüzde, yalıtım malzemeleri, enerjinin ekonomik kullanımı ve maliyetlerin düşürülmesi konusunda büyük bir alternatif haline gelmiştir. Yalıtım malzemelerinin yalıtım özelliklerinin ve uygulama alanlarının geliştirilmesi konuları birçok araştırmacının çalışmalarını yoğunlaştırdığı bir alan haline gelmiştir. Özellikle VYP'ler konusunda yapılan çalışmalar ile yalıtım malzemelerinde büyük ilerlemeler sağlanmıştır.

VYP'ler konusunda geçmişten günümüze yapılan çalışmalar konuyla ilgili yapılacak olan yeni çalışmalara ışık tutmaktadır. VYP'lerin kullanım miktarını, yalıtım kapasitelerini ve malzeme çeşitliliğini artırabilmek amacıyla yeni çalışmalar yapılmalıdır.

5. Kaynaklar

1. Gürbağ, H., (1987). Sanayide Yalıtıma Ekonomik Açıdan Bakış, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, Cilt 10, xi.

2. Mukhopadhyaya, P., (2006). High Performance Vacuum Insulation Panel-Research Update From Canada, Global Insulation Magazine, Sh. 9-15.

3. Soysal, A., (2000). Vakumlanmış İzolasyon Panellerinin Isı İletim Katsayılarının Deneysel Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, Sh. 3-16.

4. Caps, R., Heinemann, U., Ehrmanntraut, M., Fricke, J., (2001). Evacuated Insulation Panels Filled with Pyrogenic Silica Powders: Properties and Application, High Temperatures - High Pressures, Vol. 22, pp. 151-156.

5. Mukhopadhyaya, P., Kumaran, K., Lackey, J., Normandin, N., Van Reenen, D., (2005). Long-Term Thermal Resistance and Use of Vacuum Insulation Panel in Buildings, 10th Canadian Conference on Building Science and Technology, Ottawa, Canada, pp. 169-181.

6. Caps, R., Hetfleisch, J., Rettelbach, Th., Fricke, J., (1996). Thermal Conductivity of Spun Glass Fibers as Filler Material for Vacuum Insulations, Thermal Conductivity, 23, Technomic Publishing, Lancaster, Pennsylvania, pp. 373-382.

7. Dietrich, K. W., McCullough, D. W.,(1996). in Proc. International Polyurethane Industry Conference Utech '96, The Hague, Netherlands.

8. Stovall, T., Wilkes, K., Nelson, G., Weaver, F., (1999). An Evaluation of Potential Low-Cost Filler Materials for Evacuated Insulation Panels, Thermal Conductivity 24, pp. 437-449.

9. Fricke, J., Heinemann, U., Ebert H.P., (2008). Vacuum Insulation Panels-From Research to Market, Vacuum, pp. 680-690.

10. Heinemann, U., Caps, R., Fricke. J., (1999). Characterization and Optimization of Filler Materials for Vacuum Super Insulations. Vuoto Scienza e Tecnologia 28, pp. 43-46.

11. Tye, R.P., (1969). Thermal Conductivity I., London and New York: Academic Press, pp. 2-68.