14 Aralık 2009 | TEKNİK MAKALE 81. Sayı (Kasım - Aralık 2009)

Figen BALO / Bayındırlık ve İskan Müdürlüğü Aynur UCAR / Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Dünyadaki petrol ve kömür gibi yakıtların kullanılmasına bağlı hava kirliliği ve mevcut rezervlerin gün geçtikçe azalması dikkatleri ısı yalıtımına ve enerjiyi koruma yöntemlerine çevirmiştir. Özellikle Türkiye‘de 2000 yılında konutların ısıtılması için 20.4 Milyon TEP enerji tüketilmiştir.
1. Giriş

Dünyadaki petrol ve kömür gibi yakıtların kullanılmasına bağlı hava kirliliği ve mevcut rezervlerin gün geçtikçe azalması dikkatleri ısı yalıtımına ve enerjiyi koruma yöntemlerine çevirmiştir. Özellikle Türkiye‘de 2000 yılında konutların ısıtılması için 20.4 Milyon TEP enerji tüketilmiştir. Bu konutların ısıtılması için 3.5 milyar dolar finansal kaynak kullanılmıştır. Günümüzde konutların ısıtılması için gerekli olan enerji maliyetinin 4 milyar dolardan fazla olduğu tahmin edilmektedir. Yapılan hesaplamalar, tüm bina stoğunun mevcut standartlara göre yalıtılması durumunda enerji tasarrufunun yılda 2 milyar doların üstünde olacağını göstermektedir [1].

Ülkemizde enerji tüketimindeki en büyük pay konutların ısıtılmasına yönelik olduğundan enerji korunumu açısından, konutların, ısıtma enerjisi harcamalarını minimize edecek şekilde tasarlanmaları, bir başka deyişle yıllık ısıtma enerjisi harcamalarını minimize edecek binaların gerçekleştirilmeleri zorunludur. Binalardaki ısı kaybının yüzde 40’ı duvarlarda, yüzde 30’u pencerelerde, yüzde 17’si hava sızıntıları yoluyla, yüzde 7’si çatılarda, yüzde 6’sı ise bodrum katta gerçekleşmektedir [2]. Görüldüğü gibi en fazla ısı kaybı duvarlarda meydana gelmektedir. Uygulamalardaki eksiklikler de dikkate alındığında ısı kayıpları daha da artmaktadır. Dolayısıyla yalıtım uygulamalarındaki yetersizlikler, ısınma için her yıl daha fazla yakıt tüketimine neden olmaktadır. Yalıtımsız bir duvardaki ısı kaybını yüzde 100 olarak sayarsak, vasat bir yalıtım uygulamayla bu oran yüzde 40-60’lara, yeterli bir yalıtım uygulamasıyla da yüzde 15-35’lere düşmektedir [3].  

‹ç iklim elemanlarının, dış iklim elemanlarının değerlerine bağlı olarak alacağı değerler, yapma çevre değişkenleri olarak nitelenen tasarım parametrelerinin performanslarına bağlıdır. Isıtma sistemine ait enerji maliyetlerini minimuma indirgemek, ısıtma sisteminin işletme biçiminin, iklimsel konfor şartlarını minimum ısı kaybı ile sağlayabilen bina kabuğu ile birlikte kontrol altına alınması ile mümkündür. 

Ancak tasarım aşamasında olan bir proje için, bina kabuğuna ait ilk yatırım maliyetlerinin de kontrol edilmesi, binanın ömrü boyunca aynı kabuk yolu ile sağlanabilecek ısı kayıplarının ve kazançlarının getireceği maliyetlerle birlikte bir karşılaştırma yapabilmeyi olanaklı kılar. Bu tür bir maliyet kontrolü ile iklimsel konfor koşullarını minimum ısı kaybı ile sağlayan bina kabuğu ısıtma sisteminin işletme biçimi seçenekleri arasından, bina kabuğunun ilk yatırım maliyeti en düşük olanını seçmek mümkün olabilecektir. Bu şekilde hem yüklenicinin hem de kullanıcının ülke kaynaklarını en ekonomik bir biçimde kullanmaları sağlanabilecektir [4].  

İncelenen Elazığ ve Erzurum şehirleri için meteorolojik bilgiler Tablo 1’de verilmektedir.

2. Dış duvarlardaki ısı kaybının hesabı 

Çalışmada, kullanılan binaların dış duvarları iki farklı yapıya sahiptir. Bunlardan biri 2 cm iç sıva, arasında yalıtım malzemesi bulunan 2 parça 13 cm yatay delikli tuğla ve 3 cm dış sıvadan oluşan sandviç duvar; diğeri ise 2 cm iç sıva, 20 cm yatay delikli tuğla, yalıtım ve 3 cm dış sıvadan oluşan dıştan yalıtımlı duvardır (fiekil 1). Bu duvarlarda kullanılan malzemelere ait fiziksel özellikler Tablo 2’de verilmiştir. Hesaplamalarda yalıtım malzemesi olarak, genleştirilmiş polistren, taşyünü, poliüretan köpük ve strafor kullanılmıştır. Bu çalışmada kullanılan yalıtım malzemelerinin özellikleri Tablo 3’te verilmektedir. Isıtma için kullanılan beş farklı yakıtın fiyatları Tablo 4’te gösterilmiştir.

Bu çalışmada, yalnızca dış duvarlarda oluşan kayıplar göz önüne alınarak optimum yalıtım kalınlığı hesaplanmıştır, ısı köprüleri ihmal edilmiştir. Dış duvarın birim yüzeyinden oluşan ısı kaybı,

eşitliğiyle hesaplanır. Birim yüzeyden yıllık ısı kaybı, derece gün sayısı DD kullanarak aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir [8]:

Yıllık enerji ihtiyacı ise, yıllık birim ısı kaybının sistem verimine bölünmesiyle elde edilir.

Yalıtım malzemesini de içeren tipik bir duvar için toplam ısı geçirgenliği U,

Burada Ri ve Rd sırası ile iç ve dış yüzeyin ısıl dirençleridir. Rw yalıtımsız duvar tabakalarının ısıl direncidir. Yalıtım malzemesinin ısıl direnci Ryal,

Burada x ve k sırası ile yalıtım malzemesinin kalınlığı ve ısı iletim katsayısıdır.  Yalıtımsız duvar tabakasının toplam ısıl direnci Rdt ile gösterilir ve denklem (4) yeniden yazılırsa,

Sonuç olarak ısıtma için gerekli yıllık enerji miktarı EA,

Her bir birim yüzey için ısıtmanın yıllık enerji maliyeti CA,

Yalıtım maliyeti Cyal,

Burada Cy yalıtım malzemesinin YTL/m3 olarak maliyetidir. Isıtma için net enerji kazancı S, aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir:

veya

P1 enflasyon oranı (d) ve faiz oranı (i) bağlıdır. P1 ve P2 aşağıdaki eşitliklerden hesaplanabilir:

Optimum net enerji kazancı eşitlik (11) maksimum yapılarak hesaplanabilir. Bu nedenle, eşitlik (11) amaç fonksiyonu alınarak ve MATLAB Optimization Toolbox kullanılarak optimum yalıtım kalınlığı hesaplanmıştır. Geri dönüş periyodu Np  [9],

eşitliğinden hesaplanabilir. 

3. Sonuçlar

Elazığ ve Erzurum ili için 10 yıllık bir sürede incelenen iki farklı duvar tipi için yalıtım kalınlığının toplam maliyete etkisi fiekil 2 ve 3’te gösterilmektedir. Binalarda artan yalıtım kalınlığı ile ısı kaybı dolayısıyla, ısıtma yükü ve yakıt maliyeti azalır. Ancak kalınlığın artması, yalıtım maliyetinin artması demektir. Yakıt ve yalıtım maliyetinin toplamından oluşan toplam maliyet, belirli bir değere kadar azalır; bu seviyeden sonra artar. fiekillerden de görüldüğü gibi, en yüksek enerji tasarrufu, Elazığ’a göre daha soğuk iklime sahip Erzurum için elde edilmiştir.  

Dıştan yalıtımlı ve sandviç duvar için yakıt ve yalıtım malzemelerine göre belirlenen optimum yalıtım kalınlıkları Elazığ ve Erzurum illeri için Tablo 5 ve 6’da verilmektedir. Tablolardan da görüldüğü gibi en yüksek optimum yalıtım kalınlığı iki duvar tipi için enerji kaynağı olarak LPG kullanıldığı zaman elde edilirken, en düşük optimum yalıtım kalınlığı ise doğal gaz yakıt tipi için elde edilmiştir. Tablo 7 ve 8’de dıştan yalıtımlı ve sandviç duvar için yakıt ve yalıtım malzemelerine göre belirlenen enerji maliyeti tasarrufu verilmektedir. Tablolardan görüldüğü gibi enerji maliyeti tasarrufu, yakıt tipine ve yalıtım malzemesine bağlı olarak dıştan yalıtımlı duvarlar için 6.49 ile 29.73 TL/m2, sandviç duvarlar için 6.47 ile 29.45 TL/m2 arasında değişmektedir. Dış duvarlarda en yüksek enerji tasarrufu LPG enerji kaynağı ve taşyünü yalıtım malzemesi için dıştan yalıtımlı duvarda elde edilmiştir.

Elazığ ve Erzurum ili için sandviç duvarda farklı yalıtım malzemeleri için yıllık kazanç üzerinde yalıtım kalınlığının etkisi fiekil 4’te gösterilmektedir. En yüksek enerji tasarrufu taşyünü yalıtım malzemesi için elde edilirken, en düşük enerji tasarrufu strafor yalıtım malzemesi için elde edilmiştir. fiekil 5’te farklı yakıt tipleri için yıllık tasarruf üzerinde yalıtım kalınlığının etkisi Elazığ ve Erzurum ili için gösterilmektedir. Yıllık tasarruf, yakıt maliyeti ile doğru orantılıdır. Yakıt maliyetindeki herhangi bir artış tasarrufu artırmaktadır. Maliyeti yüksek olan yakıt kullanılan bölgelerde bina duvarının yalıtımı çok önemli olmaktadır. fiekilden de görüldüğü gibi, en yüksek enerji tasarrufu, maliyeti yüksek olan LPG yakıt türü için elde edilmiştir. En düşük tasarrufu ise doğal gaz yakıt türü için tespit edilmiştir. 

Tablo 9 ve 10’da dıştan yalıtımlı ve sandviç duvar için yakıt ve yalıtım malzemelerine göre belirlenen geri ödeme süreleri verilmektedir. Geri ödeme süresi, dıştan yalıtımlı duvar için 1.03 ile 3.05 yıl arasında değişirken, sandviç duvarda bu süre 1.20 ile 3.25 yıl arasındadır. En düşük geri ödeme süresi iki duvar tipi için, maliyeti yüksek olan LPG yakıt türü ve strafor yalıtım malzemesi için Erzurum ilinde elde edilmiştir. Geri ödeme süresi, derece gün sayısı ve yakıt maliyetinin artmasıyla azalmaktadır. Derece gün sayısı yüksek olan soğuk iklimlerde daha fazla yalıtım kalınlığına ihtiyaç duyulduğundan, geri ödeme süresi daha kısa olmaktadır. Bu nedenle, soğuk iklim bölgelerinde binalara yalıtım uygulaması sıcak iklim bölgelerine göre çok daha avantajlı olmaktadır. Dıştan yalıtımlı ve sandviç duvar için çalışmada kullanılan yalıtım malzemelerinin kalınlıklarına göre geri dönüşüm süreleri Tablo 11 ve 12’de verilmektedir. 10 yıllık ömür süresi için geri ödeme süresi yalıtım malzemesine bağlı olarak, dıştan yalıtımlı duvarda 1.37 ile 3.36 yıl arasında değişirken, sandviç duvarda 1.03 ile 3.23 yıl arasında değişmektedir. 

Sonuç

Enerji kaybına sebep olan en önemli etkenlerinden birisi binalardan olan ısı kayıplarıdır. Binalarda ısı yalıtım kalınlığının optimum şekilde seçilmesi, ısıl konforun sağlanmasında en önemli etkenlerden biridir. Bu çalışmada, iki farklı duvar tipi için optimum yalıtım kalınlığı tespit edilerek sonuçlar değerlendirilmiştir. Türkiye’nin soğuk iklim şartlarına sahip Doğu Anadolu Bölgesi’ndeki Erzurum ve Elazığ illeri alınarak, binaların ısıtılmasında beş farklı enerji kaynağı ve dört farklı yalıtım malzemesi için dış duvarlarda optimum yalıtım kalınlığı hesaplanmıştır. Hesaplamalarda ömür maliyet analizi kullanılmıştır. Duvar tiplerine göre inceleme yapıldığında, 10 yıllık ömür süresinde, optimum yalıtım kalınlığı 4.17 ile 23.9 cm, yıllık tasarruf ise 6.472 ile 29.45TL/m2 ve geri ödeme süresi ise 1.03 ile 3.36 yıl arasında tespit edilmiştir. En yüksek enerji tasarrufu LPG enerji kaynağı ve taşyünü yalıtım malzemesi için dıştan yalıtımlı duvarda elde edilmiştir. En düşük geri ödeme süresi fuel oil yakıt türü ve strafor yalıtım malzemesi için Erzurum ilinde elde edilmiştir. Bu çalışmanın sonucunda görülmüştür ki, bina duvarlarına yalıtımın uygulanmasıyla enerji ihtiyacı azalmakta ve dolayısıyla binayı ısıtmak için daha az yakıt yakılmaktadır.  

Kaynaklar 

[1] E. Şen, Enerji Verimli, Güvenli ve Konforlu Yapılar için Yalıtım ve ‹zoder, Sürdürülebilir Çevre için Enerji Denetimi, Yalıtım Kongresi ve Sergisi,  İstanbul, 2004. 

[2] C.E. Ekinci, Yapı Tasarımcının İnşaat El Kitabı, Ankara, 2003. 

[3]U. T. AKSOY, Sandviç ve Gazbeton Duvar Uygulamalarının Ortalama Isı Geçirgenlik Katsayısı ve Isı Kaybı Üzerindeki Etkisinin ‹ncelenmesi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 24 (1-2), pp. 277- 290, 2008.

[4] G. Manioğlu, Z. Yılmaz, Bina Kabuğu ve Isıtma Sistemi ‹şletme Biçiminin Ekonomik Analizi, ‹TÜ Dergisi Mimarlık, Planlama,  Tasarım, 1 (1), pp. 21-29, 2002. 

[5] www.cedgm.gov.tr/icd_raporlari

[6] www.dosider.org

[7] Enerji Dünyası Dergisi, Teknik Yayıncılık Tanıtım A.fi., 2008. 

[8] A. Bolattürk, Binalarda Optimum Yalıtım Kalınlıklarının Hesabı ve Enerji Tasarrufundaki Rolü, 14. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Isparta, 2003.

[9] A. Ucar, F. Balo, Effect of Fuel Type on The Optimum Thickness of Selected Insulation Materials for the Four Different Climatic Regions of Turkey, Applied Energy, 86, pp. 730-736, 2009.