8 Kasım 2013 | TEKNÄ°K MAKALE 116. Sayı (Kasım 2013)

Esma MIHLAYANLAR, Semiha KARTAL, Filiz UMAROĞULLARI Trakya Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Bölümü Yapı Bilgisi Anabilim Dalı
1. GİRİŞ


Enerji tüketimi sonucu yenilenemeyen enerji kaynaklarının yok olma tehlikesi, enerji kullanımıyla ilgili olarak ortaya çıkan ozon tabakasındaki incelme ve sera gazı emisyonlarının insan ve çevre sağlığına olan olumsuz etkileri çağımızın önemli sorunlarındandır. Mimaride sürdürülebilirlik bağlamında enerji tüketiminin azaltılması amacı ile alınacak önlemlerin başında ısı yalıtım uygulamaları gelir. Binalarda uygulanacak ısı yalıtım uygulamaları; doğru malzeme, doğru sistem ve doğru uygulama ile gerçekleştirilirse sürdürülebilirlik açısından önemli bir katkı sağlayabilir.
Tüm dünya ülkeleri enerji korunumu konusunda ciddi önlemler almaktadır. Bu amaçla standart, yönetmelik ve kanunlar hazırlanarak, binaların enerji tüketimi sınırlandırılmaktadır. Enerji tüketiminin sektörel dağılımı; konutlarda yaklaşık %31, ulaşım %19, sanayide %40, tarımda %5, diğer sektörlerde %5 olarak değişmektedir [1]. Bu anlamda özellikle konutlarda alınacak enerji korunumu önlemleri enerji verimliliği açısından büyük kazanç sağlayacaktır. Yapı kabuğunu oluşturan elemanlardan gerçekleşen ısı kayıpları; yaklaşık olarak duvarlarda %15-20, döşemelerde %10-15, çatıda %15-25, pencerelerde %15-25, ısı köprülerinde %20 olarak değişmektedir [2]. Yapı elemanlarından gerçekleşen bu ısı kayıplarını azaltmanın ilk yolu, doğru seçilmiş bir ısı yalıtımı uygulamasıdır.


Ağırlıklı olarak betonarme iskelet yapım sistemine dayalı olan ülkemizde, bu sistemin gereği olarak betonarme kiriş, döşeme, kolon ya da perdelerden oluşan taşıyıcı elemanlar bina kabuğu  içinde  önemli  bir  yere  sahiptir.  Dış  yüzey  alanı  olarak bu  oran  %20-25 mertebesindedir [3].
Yüksek ısı iletkenliğine sahip betonarme elemanların (2.5 W/m K), ısı iletkenliği daha düşük olan malzemelerden oluşan duvarlara nazaran ısı kayıpları çok daha fazla olmaktadır. Bu durum sadece ısı kayıplarının ve enerji tüketiminin artmasına sebep olmakla birlikte iç yüzey sıcaklıklarının düşmesine ve bina kullanıcılarının konfor şartlarının sağlanamamasına neden olmaktadır [3].
İnsanlar günlük aktivitelerinin (çalışma, barınma, vb) büyük bir bölümünü kapalı ortamlarda gerçekleştirmektedirler. Kullanıcıların sağlıklı ve üretken olabilmeleri açısından iç ortam konfor şartlarının sağlanması gerekmektedir. Isı köprülerinin iç ortam konforunun sağlanması açısından da önemi büyüktür. Bu çalışmada ısı köprüsü olarak isimlendirilen elemanların çevresinde sınırlı alana sahip bölgelerde sıcaklık ve ısı akısının durumunu inceleyen ve bu büyüklüklerin sayısal değerleri üzerine yalıtım etkisini inceleyen yayın referans olarak alınmıştır [3]. Çalışmada duvar malzemesi olarak ısı iletkenliği düşük bir malzeme seçilip yalıtım seçenekleri değiştirilerek sonuçlar incelenmiştir.


2. ISI İLETİMİ, ISI İLETİM REJİMLERİ VE ISI KÖPRÜLERİ


2.1. Isı İletimi ve Rejimleri
Sıcaklıkları farklı sistemler yan yana geldiğinde ısı iletiminin gerçekleştiği bilinen bir konudur. Isı iletimi kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyon yollarıyla gerçekleşmektedir. Isı iletimi zamana bağlı bir büyüklüktür. Isı iletiminin zamanla azalıp çoğalması, ısı iletim rejimini belirlemektedir. En genel haliyle ısı iletim rejimleri Sabit Rejim ve Değişken Rejim olarak ikiye ayrılmaktadır.
Sabit rejim, sabit sıcaklıklar etkisinde meydana gelen ısı iletimidir; herhangi iki eşit zaman aralığında iletilen ısı enerjisi miktarı aynıdır. Sabit rejim şartlarında sadece elmanın ısı iletimine karşı gösterdiği ısıl direnç önemlidir. Bu direnç, elemanı oluşturan katmanlardaki malzemelerin ısıl iletkenlik değerleri (d) ve katman kalınlıklarından (d) faydalanılarak bulunur. Her katmanın ısıl direnci “d/l” ile hesaplanır ve bunların toplamları, elemanın sıcak ve soğuk yüzeyleri arasındaki toplam ısıl direncini verir. Katmanların sıralanmasının, elemanın ısıl davranışı üzerine bir etkisi yoktur. Bu rejimde, sadece elemandan iletilen ısı enerjisi miktarı ve kesit sıcaklıkları hesaplanır [3].
Bu çalışmada yapılan hesaplamalar kış (ısıtma) sezonu sabit rejim şartlarına göre gerçekleştirilmiştir.
 
2.2. Isı Köprüleri
Normal ısı iletiminden daha fazla ısı iletiminin gerçekleştiği sınırlı alanlara Isı Köprüsü denilmektedir. Isı köprüsü, elemanın geometrisinden ve farklı ısı iletkenlikleri olan malzemelerin yan yana gelmesi ile oluşmaktadır. Yalıtımlı duvarlar arasındaki betonarme elemanlar, döşeme-kiriş ve döşeme-duvar arakesitleri, farklı malzemelerin oluşturduğu ısı köprüleri için temel örneklerdir (Şekil 1-2)
Yapı elemanlarında ısı köprülerinin gerçekleştiği bölgelerde yüzeyine dik ısı akımlarının yanı sıra ısı geçirgenliği daha fazla ve daha düşük sıcaklıkta olan bu bölgelere doğru yanal ısı akımları oluşmaktadır (Şekil 3). Isı köprülerinde yüzey sıcaklığının uniform dağılmamasından dolayı iç ortamdaki su buharının düşük sıcaklıktaki bu yüzeylerde yoğuşma ihtimali oldukça fazladır [4].
Isıtma periyodu (kış şartları) için ısı kaybı hesapları tek boyutlu ısı iletim denklemleri ile hesaplanmaktadır.  Isı  köprülerinde  ise  iki  boyutlu  ısı  iletimi  gerçekleşmektedir.  Isı köprülerinin hesaplanmasında farklı matematik modeller kullanılmaktadır [3,5]. Isı köprüsünün durumuna göre (ara kat ve teras çatı) bu modeller de değişmektedir [5].
Binaların yıllık ısıtma enerjilerinin hesaplanmasında kullanılan TS 825 “Binalarda Isı Yalıtım Kuralları” (2008 Mayıs) standardında, ısı köprülerinin hesaplanmasında;
HT= ∑AU +l Ul
l = Isı köprüsünün uzunluğu 
(m olarak)
Ul= Isı köprüsünün doğrusal ısı geçirgenliği (W/mK) olarak gösterilmektedir.
 
İlgili büyüklüklerin TS EN ISO 10211-1, TS EN ISO 10211-2, TS EN ISO 14683’e göre veya TS EN ISO 6946’da verilen metot ile hesaplanabileceğini belirtmektedir [6].
Doğrusal ısıl geçirgenlik katsayısının Yi,e <0.1 W/mK olarak hesaplandığı ayrıntılı durumlarda, ısı köprülerinin etkisinin ihmal edilebileceği belirtilmektedir [6].


3. HESAPLAMALAR


Çalışmada ülkemizde yaygın olarak kullanılan düşük ısı iletkenliğine sahip duvar malzemesi ile birlikte uygulanan yalıtım şekillerine göre duvar kesitleri oluşturulmuştur. Bu kesitler sırasıyla:
- Duvar ve ısı köprüsü yalıtımsız durum
- Sadece ısı köprüsü yalıtımlı durum
- Dışarıdan (duvar ve ısı köprüsü) yalıtımlı durum olarak incelenmiştir. (Şekil 4)
Kesitlerde kullanılan malzemelerin ısıl iletkenlikleri, kalınlıkları, bu kalınlıklarla oluşturulan elemanların ısıl dirençler ve U değerleri Çizelge 1’de gösterilmektedir.


İç ortam sıcaklığı 20 °C= 293 K Dış ortam sıcaklığı 2.9 °C (Edirne Ocak ayı)= 275.9 K Ri =0.13 m2K/W = 7.6 W/K m2 Re=0.04 m2K/W = 25 6 W/K m2


Hesaplamalar Quick Field 5.6 programı ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda oluşturulan kesitlerin sıcaklık ve ısı akılarının görüldüğü renkli haritaları elde edilmiştir. (Şekil 5) gösterilmektedir. Bu grafiklerde eş sıcaklık eğrilerinin ve ısı akısı vektörlerinin görülmesi mümkün olmaktadır.
Değerlendirmelerde eş sıcaklık eğrilerinin ve ısı akısı vektörlerinin görüldüğü bu grafiklerden yararlanılmıştır. Haritalar incelendiğinde yalıtımsız durumda kiriş ve duvar yüzeyinin hemen hemen yarısının iç yüzeylere göre daha soğuk olduğu ve ısı akısının da oldukça şiddetli olduğu  görülmektedir. Isı akısı oklarının büyüklüğü, ısı kaybının büyüklüğünü  ifade etmektedir. Sadece ısı köprüsünün yalıtılması durumunda ise duvar yüzeyinin yine iç yüzeylere oranla daha soğuk olduğu ve yanal ısı kayıplarının da gerçekleştiği görülmektedir. Kiriş ve duvar yüzeyi kesintisiz olarak yalıtıldığında ise hem duvar hem kiriş yüzeylerinin sıcak kaldığı ve yanal kayıplarında azaldığı görülmektedir.
Hesaplamaların gerçekleştiği kesitlerde kiriş genişliği 30 cm, yüksekliği 60 cm, döşeme yüksekliği 15 cm olarak alınmıştır.
Oluşturulan kesitlerin ısıl davranışlarının daha detaylı incelenebilmesi için program yardımı ile elde edilen, sıcaklıkların ve ısı akılarının, sayısal değerlerine göre Excel grafikleri çizilmiştir. Isı köprüsü olan betonarme kiriş bloğunun konturlarında sıcaklık ve ısı akısının değişimi Şekil 5-9’da gösterilmektedir.
Grafiklerde sıfır noktası bloğun sol alt köşesinden başlamakta ve “x” ekseninde, saat ibresinin ters yönünde dönerek kontur tamamlanmaktadır.


Şekil 5’te kirişin dış yüzeyi ile 30 cm’lik kısmı arasında yaklaşık 10 °C bir fark oluşurken, kiriş iç yüzeyinde sıcaklığın sabit kaldığı görülmektedir. Isı köprüsü ve dışardan yalıtımlı durumlarda yalıtımın dış yüzeyi düşük sıcaklıktayken kiriş iç yüzeyinde sıcaklığın yaklaşık 18 °C yükselerek sabit kaldığı görülmektedir.
Isı akılarının incelendiği çizelgelerde bileşke ısı akıları yönlerine göre (-) veya (+) olarak ifade edilmektedir. Yatay bileşen (qx), kesitte içerden dışarıya doğru ise (-) olarak gösterilmiştir. Dolayısıyla bütün grafiklerde yatay bileşenin değerleri (-)’dir. Düşey bileşen (qy), yukarıdan aşağı doğru ise (-), aşağıdan yukarı doğru ise, yani içerden dışarıya doğru ise (+) olarak gösterilmiştir. Isı akıları da, kiriş dış konturlarında incelenmiştir [7].
Yalıtımsız durum için kiriş dış konturlarındaki ısı akılarının değişimi Şekil 7’de gösterilmektedir. Buna göre ısı akılarının en yüksek olduğu alanlar kiriş iç ve dış yüzeyleridir. Burada ısı akısı 80 W/m2’ye kadar çıkmaktadır.
Sadece ısı köprüsü yalıtıldığında kiriş dış konturlarında meydana gelen ısı akısı değişimi Şekil 8’de gösterilmektedir. Başlangıç noktası kiriş sol alt köşesidir. Kiriş konturları içinde yalıtım da bulunmaktadır. Kiriş dış yüzeyi yalıtıldığı için en yüksek ısı akısı yaklaşık 22 W/m2dir.


Şekil 9’da ise dışarıdan yalıtım yapıldığında kiriş dış konturlarında meydana gelen ısı akısı değişimi gösterilmektedir. Kiriş konturları içerisinde yalıtım da bulunmaktadır. Dışarıdan kesintisiz yalıtım yapıldığında en yüksek ısı akısının 13 W/m2 indiği görülmektedir. Buna göre ısı köprülerinde dışarıdan kesintisiz yalıtım yapıldığında yalıtımsız duruma göre yaklaşık % 84, sadece ısı köprüsünün yalıtılması durumuna göre %41 iyileşme görülmektedir. Ayrıca dışarıdan yalıtım yapıldığında sıcaklıkların da yüzeylerde daha homojen dağıldığı görülmektedir. Enerji tüketimi açısından ısı akıları, ısıl konfor açısından da iç yüzey sıcaklıkları önemlidir. Sonuçların bu anlamda değerlendirilebilmesi amacıyla, Çizelge 2’de yalıtım uygulamalarına göre ısı akısı ve sıcaklık değerlerinin değişimi gösterilmektedir.
Duvarlar elemanlarının betonarme kiriş ve döşemelerle bağlantılı olduğu ısı köprülerinde, herhangi bir yalıtım sistemi uygulanmadığında, gerçekleşen ısı kayıpları oldukça yüksektir. Isı köprülerine ısı yalıtımı uygulandığında  kayıplar  oldukça azaltılmaktadır. Özellikle dışarıdan  yalıtım uygulanması hem iç yüzey sıcaklıklarını yükseltmekte hem de ısı kayıplarını azaltmakta ve betonarme elemanları ısıl gerilmelerden de korumaktadır [7].


4. SONUÇ


Isı köprülerine komşu yapı elemanlarında bir boyutlu ısı iletimi meydana gelirken; ısı köprülerinde iki/üç boyutlu ısı iletimi meydana gelir. Isı köprülerini belirleyen özellik de budur. Yapı fiziği hasarları öncelikle ısı köprülerinde meydana gelir. Binalarda ısı köprülerinin meydana getirdiği zararlar sıralanacak olursa:


- Fazladan ısı kayıpları
- Düşük iç yüzey sıcaklıkları
- Düşük iç yüzey sıcaklıkları yüzünden iç yüzeylerden radyan enerji ile sağlanacak ısıl konforun azalması
- Sıcaklığı düşük yüzeylerin neden olduğu toz birikmesi
- Sıcaklığı düşük yüzeylerde mantar, küf ve terlemelerin oluşmasıdır [3].


Sonuç olarak, binaların dışarıdan kesintisiz yalıtılması, ısı köprülerinden kaynaklanan problemlere en uygun çözüm olarak görünmektedir. Isı köprülerinin ayrıca yalıtılması çok faydalı görünmemektedir. Isı yalıtımının istenilen faydayı sağlaması için ısı yalıtımının duvar ve betonarme elemanları birlikte kaplaması ve kesintisiz bir şekilde uygulanması gerekir.
Günümüzdeki bina tasarımlarında meydana gelen ısı köprülerinin birçoğu eğer tasarımın ilk safhalarında fark edilebilirse bu sorun ortadan tamamen kaldırılabilir ya da en aza indirgenebilir. Hem enerji tüketimi hem de kullanıcıların konforu açısından ısı köprülerinin doğru yalıtımı, sürdürülebilir mimari tasarım, yapım ve kullanım açısından çok önemlidir.

 

---

R E K L A M