Yüksek performanslı ısı yalıtım malzemesi olan vakum yalıtım panellerinin bina uygulamaları için kullanımının karşılaştırmalı olarak incelenmesi
Comparative investigation of high performance thermal insulation material vacuum insulation panels for building applications
Yazar: EZGİ EREN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Günümüzde enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Avrupa Birliği'nin resmi verilerine göre 1997 yılında, Avrupa ülkelerinde toplam enerji tüketiminin %40,7'lik kısmı konutlarda ve ticari binalarda olmuştur ve bu toplam enerji tüketiminin yaklaşık %25'lik bölümü binalardaki ısı yalıtımı ile ilgilidir. Bu veriler doğrultusunda ülkeler yüksek performanslı ısı yalıtım malzemeleri üzerinde
çalışmayı yoğunlaştırmıştır.
Vakum yalıtım panelleri yarın için umut verici kabul edilen yüksek performanslı termal yalıtım çözümlerinden biridir. Vakum yalıtım panellerinin çekirdek malzemesine bağlı olrak termal iletkenlik değerleri 0,004 W/(mK) kadar düşük olabilmektedir. Bu değer yaygın kullanılan ısı yalıtım malzemelerine göre, vakum yalıtım panellerinin performansının 8-10 kat daha fazla olduğunu göstermektedir.
Vakum yalıtım panelleri hem yeni yapılan binalarda hem de iyileştirme çalışması
yapılan binalarda kullanılmaktadır. Özellikle çeşitli tasarım kısıtlamaları bulunduran
iyileştirilmesi yapılacak binalarda ısı yalıtım yönünden vakum yalıtım panellerinin
çözüm sağlaması, panellere olan ilgiyi arttırmıştır. Sağladığı faydalara rağmen,
vakum yalıtım panellerinin kullanımının bina sektöründe yaygınlaşamamasının
sebeplerinin başında; maliyetinin yüksek oluşu ve kalite güvencesi, resmi
belgelendirme eksikliği gelmektedir. Panel kullanıcılarına daha iyi bir kalite
güvencesi sağlanması, panel zarf teknolojisinin ilerletilip ve çekirdek malzemesinin
geliştirilip maliyetinin düşürülmesiyle vakum yalıtım panellerinin binalar için
rekabetçi bir ısı yalıtım malzemesi olması sağlanabilir.
Tez çalışmasının ilk bölümünde çalışmanın konusu, amacı, kapsamı ve yöntemleri
belirtilmiştir.
İkinci bölümde, ısı yalıtım malzemelerine dair genel bilgiler verilmiştir. Isı yalıtım
malzemesinin tanımı yapılmış ve ısı yalıtım malzemesi seçiminde dikkat edilmesi
gereken özellikler açıklamalarla sıralanmıştır. Yaygın olarak kullanılan ısı yalıtım
malzemelerinin görseller ile açıklamaları yapılmıştır. Bunlar: mineral yünler (cam
yünü ve taş yünü), genleştirilmiş polistren köpük (EPS), ekstrüde polistren köpük
(XPS), selüloz, mantar yalıtım levhaları ve poliüretandır (PUR). Ardından, yalıtım
standartları ve binalarda kullanılan enerji miktarları belirtilerek yüksek performanslı
ısı yalıtım malzemelerinin gerekliliği vurgulanmıştır. Günümüz yüksek performanslı
ısı yalıtım malzemelerinin tanımlamaları yapılmıştır. Bunlar: vakum yalıtım
panelleri, aerojeller, gaz dolu paneller ve faz değiştiren malzemelerdir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde ise, günümüz için bina uygulamalarında en umut
verici yüksek performanlı ısı yalıtım malzemesi olan vakum yalıtım panelleri detaylı
bir şekilde anlatılmıştır. Vakum yalıtım panellerinin tarihçesine ait bilgiler
paylaşılmıştır. Sonrasında, vakum yalıtım panellerinin yapısını oluşturan elemanların
tanımı yapılmıştır. Bunlar: çekirdek malzemesi, zarf, gaz gidericiler, kurutucular ve opaklaştırıcılardır. Vakum yalıtım panelin çekirdek malzemesinin sahip olması
gereken özellikler sıralanmıştır. Farklı vakum yalıtım panel çekirdek malzemelerinin
tanımları yapılmış ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bu malzemeler : silis dumanı,
aerojeller, poliüretan köpük ve cam lifidir. Bunların arasından bina uygulamaları için
en uygun olanı silis dumanıdır. Sonrasında, vakum yalıtım panel zarf malzemesinin
özellikleri açıklanmıştır. Vakum yalıtım panellerinde kullanılan zarf çeşitleri
belirtilmiştir. Bunlar: metal laminant film ve metalize çok katmanlı polimer laminant
filmdir. Metalize çok katmanlı polimer laminant film, günümüzde bina uygulamaları
için en yaygın olanıdır.
Vakum yalıtım panellerin özellikleri üç alt başlık altında incelenmiştir: termal köprü
etkisi, servis ömrü ve panelin sandviç panel olarak kullanımıdır.
Termal köprüler, yapı boyunca yapı bütününe göre yüksek bölgesel ısı akışına veya
düşük iç yüzey sıcaklığına sahip olan alan veya noktalardır. Termal köprüler, bina
zarfında ısı kaybının artmasına neden olur ve bina zarfının iç yüzeyinde yoğuşma
riskini arttırır. Vakum yalıtım panellerindeki termal köprünün nedenleri şunlardır:
çekirdek malzemeyi saran ince film bariyeri nedeniyle termal köprü, bitişik iki panel
arasındaki küçük hava boşluğu nedeniyle termal köprü ve yapısal düzensizlikler
nedeniyle termal köprü etkisidir. Çalışmada vakum yalıtım panel zarfının yarattığı
termal köprülerin incelenmesine ait araştırmalardan bahsedilmiştir.
Yaşlanma ve dayanıklılık vakum yalıtım panelinin hizmet ömrünü etkileyen iki ana
faktördür. Yaşlanma sürecinde vakum yalıtım panelinin termal performansı zamanla
şu şekilde azalmaktadır: iç gaz basıncının artmasıyla ve iç su miktarının
artmasıyladır. Dayanıklılık, bir vakum yalıtım panelinin bariyer zarfının bozulmasına
neden olacak etkilere dayanma gücüdür. Bina uygulamaları için vakum yalıtım
panellerinin hizmet ömrü önemli bir etkendir. Binalar için en az 50 yıl tercihen 100
yıla kadar bir kullanım ömrüne sahip olunmaları istenmektedir. Günümüzde binalar
için uygulanan vakum yalıtım panellerinin 25-50 yıl arasında bir hizmet ömrüne
sahip olduğu söylenebilir. Servis ömrü başlığı altında ortalama sıcaklığın vakum
yalıtım panellerinin performansını nasıl etkilediği, yapılan örnek çalışmalarla
belirtilmiştir. Vakum yalıtım panellerinin performansı, bulundukları ortamın
sıcaklığından etkilenmektedir.
Vakum yalıtım panelleri başka malzemeler ile örtülerek sandviç panel olarak
kullanılabilir. Böylelikle, hem yapım esnasında hem de kullanımda panelleri
korumak mümkün olur ve panelin zarar görme riski azaltılabilir.
Üçüncü bölümde daha sonra, vakum yalıtım panellerinin uygulanması ve fizibilite
çalışmalarına ait veriler açıklanmıştır. Bu çalışma, 1999-2002 yıllarında ABD Konut
ve Kentsel Gelişim Bakanlığı tarafından, ABD'deki konut binalarında vakum yalıtım
panellerinin piyasa potansiyelini değerlendirmek için gerçekleştirilmiştir.
Vakum yalıtım panelleri ile yapılan fizibilite çalışmasında İngiltere'de örnek bir ofis
binası kullanılarak vakum yalıtım panelleri ile EPS'nin yalıtım senaryoları ve
kendilerini geri ödeme süreleri kıyaslanmıştır. Bu geri ödeme sürelerinde vakum
yalıtım paneli kullanılarak elde edilen kiralanabilir alandan, elde edilebilir ilave
gelirler dikkate alındığında vakum yalıtım panellerinin kendilerini geri ödeme süresi
önemli ölçüde azaldığı belirtilmiştir.
Ardından vakumyalıtım panellerin binalarda uygulandığı yerler sıralanmıştır:
 Vakum yalıtım panellerin zeminde kullanımı,
 Vakum yalıtım panellerinin kapılarda kullanımı,
 Vakum yalıtım panelinin cephe ve duvarda kullanımı,
 Vakum yalıtım panellerinin teras ve çatılarda kullanımı,
 Vakum yalıtım panellerinin cam cephelerde kullanımı,
 Vakum yalıtım panellerinin çatı katı merdivenlerinde kullanımı.
Ardından, vakum yalıtım panellerinin uygulandığı örnek bina uygulamalarına yer
verilmiştir. ECBCS'de analiz edilmiş ve belgelenmiş 20 yapı karakterize edilerek
tabloları sunulmuştur.
Sonrasında, vakum yalıtım panellerinin yaşam döngüsüne etkileri konusuna
değinilmiştir. Vakum yalıtım panellerinin üretiminde, sonrasında kazanılan enerjiden
daha çok enerji tüketmesi durumu ve vakum yalıtım panel kullanımıyla elde edilen
faydalardan daha fazla ekolojik hasara neden olup olmadığının araştırıldığı
çalışmadan bahsedilmiştir.
Çalışmanın üçüncü bölümünün sonunda gelecekte olası bina ısı yalıtım
malzemelerine değinilmiştir. Öncelikle, gelecekte yüksek performanslı ısı yalıtım
malzemeleri için önerilen gereksinimler tablo halinde sunulmuştur. Ardından vakum
yalıtım panel malzemesinin gereksinimlerinden bahsedilerek bu gereksinimlerin
çekirdek ve zarf malzemesinde ne gibi değişimler yapılarak karşılanabileceği
anlatılmıştır.
Gelecekte olası yüksek performanslı ısı yalıtım malzemelerinden bahsedilmiştir.
Bunlar: vakum yalıtım malzemesi, gaz yalıtım malzemesi, nano yalıtım malzemesi,
dinamik yalıtım malzemesi ve NanoCon'dur.
Çalışmanın dördüncü bölümünde değerlendirme çalışması yer almaktadır. Vakum
yalıtım panelleri genel bir bakış açısıyla anlatılmıştır ve yaygın kullanımını
engelleyen faktörlerden bahsedilmiştir. Bunlar: yüksek fiyat, vakum yalıtım panel
teknolojisine ve panelin bina uygulamalarına düşük güvendir. Panel maliyetlerinin
nasıl azaltılabileceği açıklanmıştır. Kalite güvencesi ve resmi belgelendirmeler ile
kullanıcıların güvenini kazanıp kullanımının artacağından bahsedilmiştir.
Vakum yalıtım panelinin avantaj ve dezavantajları bir tablo halinde sunulmuştur.
Yaygın olarak kullanılan ısı yalıtım malzemeleri ve yüksek performasnlı ısı yalıtım
malzemelerinin teknik özellikleri bir tabloda sunulmuştur.
Gelecekteki olası ısı yalıtım malzemelerinin kısa tanımlaması yapılarak avantaj ve
dezavantajları belirtilmiştir ve günümüz, gelecekteki olası yüksek performanslı ısı
yalıtım malzemelerinin yarının yüksek performanslı ısı yalıtım malzemeleri ve
çözümleri olma potansiyelleri bir tabloda belirtilerek karşılaştırılmıştır.
Çalışmanın son bölümünde ise sonuç kısmı yer almaktadır. Yapılan literatür
araştırmaları tekrar gözden geçirilerek çalışma özetlenmiştir. Bu çalışmanın hangi
konularla bağlantı sağlanarak geliştirilip ilerletilebileceği açıklanmıştır.

Abstract:
Today, energy resources are rapidly depleted. According to official data from the
European Union, in 1997, 40,7% of total energy consumption in European countries
was in residential and commercial buildings, and about 25% of this total energy
consumption was related to thermal insulation in buildings. In line with this data,
countries have increased their work on high performance thermal insulation
materials.
Vacuum insulation panels are one of the high performance thermal insulation
solutions that are considered promising for tomorrow.The thermal conductivity
values of the vacuum insulation panels depending on the core material can be as low
as 0,004 W / (mK). This value shows that the performance of the vacuum insulation
panels is 8 to 10 times higher than the common thermal insulation materials.
Vacuum insulation panels are used both in new buildings and in retrofit buildings.
Particularly with the help of various design constraints, the improvement of the
thermal insulation panels in terms of thermal insulation has increased the interest in
panels. Despite the benefits, the use of vacuum insulation panels is not common in
the building sector due to the reasons; high costs and the lack of quality assurance
and formal certification. By providing better quality assurance to panel users,
advancing panel envelope technology and reducing the cost of the core material,
vacuum insulation panels can be ensured to be a competitive thermal insulation
material for buildings.
In the first part of the thesis study, the subject, purpose, scope and methods of the
study are stated.
In the second chapter, general information about thermal insulation materials is
given. The definition of thermal insulation material is done and the properties to be
considered in the selection of thermal insulation material are listed with explanations.
Commonly used thermal insulation materials are explained with visuals. These are:
mineral wools (glass wool and rock wool), expanded polystyrene foam (EPS),
extruded polystyrene foam (XPS), cellulose, cork insulation boards and polyurethane
(PUR). Then, it was emphasized the necessity of high performance thermal
insulation materials by specifying the insulation standards and the energy used in the
buildings. Today's high performance thermal insulation materials are defined. These
are: vacuum insulation panels, aerogels, gas filled panels and phase-changing
materials.
In the third part of the study, vacuum insulation panels which are the most promising
high performance thermal insulation materials in building applications are explained
in detail. Information on the history of vacuum insulation panels is shared. Then, the
elements of the structure of the vacuum insulation panels are defined. These include:
core material, envelopes, getter, dryers and opacifiers. The specifications of the core
material of the vacuum insulation panel are listed. Definitions of different vacuum insulation panel core materials were made and compared with each other. These
materials are: fumed silica, aerogels, polyurethane foam and glass fiber. Among
these, the most suitable for building applications is fumed silica. Next, the properties
of the vacuum insulation panel envelope material are described. Types of envelopes
used in vacuum insulation panels are indicated. These are: metal laminated film and
metallized multilayer polymer laminate film. The metallized multilayer polymer
laminate film is the most common for building applications today.
The properties of vacuum insulation panels are examined under three subheadings:
thermal bridge effect, service life and use of panel as sandwich panel.
Thermal bridges are areas or points that have a high regional heat flow or low
internal surface temperature throughout the structure. Thermal bridges increase the
heat loss in the building envelope and increase the risk of condensation on the inner
surface of the building envelope. The reasons for the thermal bridge in the vacuum
insulation panels are as follows: the thermal bridge effect due to the thermal bridge
and the structural irregularities due to the small air gap between the two adjacent
panels due to the thin bridge barrier surrounding the core material. In this study, the
investigation of the thermal bridges created by the vacuum insulation panel envelope
is mentioned.
Aging and durability are the two main factors affecting the service life of the vacuum
insulation panel. In the aging process, the thermal performance of the vacuum
insulation panel decreases as time goes by: increasing the internal gas pressure and
increasing the internal water content. Durability is the ability of a vacuum insulation
panel to withstand the effects that will cause the barrier envelope to deteriorate.
The service life of the vacuum insulation panels is an important factor for building
applications. It is desirable for buildings to have a service life of at least 50 years,
preferably up to 100 years. It can be said that the vacuum insulation panels applied
for buildings today have a service life of 25-50 years. How the average temperature
affects the performance of the vacuum insulation panels under the service life title is
indicated by the case studies. The performance of the vacuum insulation panels is
influenced by the temperature of their environment.
Vacuum insulation panels can be used as sandwich panels by covering with other
materials. Thus, it is possible to protect the panels both during construction and in
use, and the risk of damage to the panel can be reduced.
In the third chapter, the data on the application of vacuum insulation panels and
feasibility studies are explained. This study was carried out by the US Department of
Housing and Urban Development in 1999-2002 to evaluate the market potential of
vacuum insulation panels in residential buildings in the USA.
In the feasibility study with vacuum insulation panels, insulation scenarios and the
repayment periods of EPS were compared with vacuum insulation panels using an
example office building in the UK. In these payback periods, the leasable area
obtained by using the vacuum insulation panel is considered to have significantly
reduced the payback period of the vacuum insulation panels considering the
additional revenues that can be obtained.
Then the places where vacuuming panels are applied in buildings are listed:
● Use of vacuum insulation panels on the floor,
● Use of vacuum insulation panels in doors,
● Use of vacuum insulation panel on facade and wall
● Use of vacuum insulation panels on terraces and roofs
● Use of vacuum insulation panels on glass facades
● Use of vacuum insulation panels in the attic staircase
Then, sample building applications where vacuum insulation panels are applied are
given. In ECBCS, 20 buildings that were analyzed and documented were presented
and their tables were presented.
Then, the effects of the vacuum insulation panels on the life cycle have been
mentioned. In the production of vacuum insulating panels, it is mentioned that the
energy consumed more than the energy gained after the investigation and whether it
causes more ecological damage than the benefits obtained with the use of vacuum
insulation panels is mentioned.
At the end of the third part of the study, possible building thermal insulation
materials are mentioned in the future. Firstly, the recommended requirements for
future high performance thermal insulation materials are presented in a table. Then,
the requirements of vacuum insulation panel material are mentioned and it is
explained that these requirements can be met by making changes in core and
envelope material.
Possible high performance thermal insulation materials are mentioned in the future.
These are: vacuum insulation material, gas insulation material, nano insulation
material, dynamic insulation material and NanoCon.
In the fourth part of the study, evaluation is included. Vacuum insulation panels are
described from a general point of view and the factors that prevent their widespread
use are mentioned. These are: high price, low insulation to vacuum insulation panel
technology and panel building applications. How panel costs can be reduced is
clarified. Quality assurance and official certifications are used to gain the trust of
users and increase their use.
The advantages and disadvantages of the vacuum insulation panel are presented in a
table.
The specifications of the widely used thermal insulation materials and high
performance thermal insulation materials are presented in a table.
Advantages and disadvantages of possible future thermal insulation materials are
given by defining them briefly and the potential for high performance thermal
insulation materials and solutions of tomorrow and today's high performance thermal
insulation materials is compared with a table.
In the last part of the study, the conclusion part is included. Literature researches are
reviewed and the study is summarized. It is explained which topics can be developed
and improved by linking this study.