Döşemeden ısıtma ve soğutma sistemlerinin ısı transferi karakteristiklerinin incelenmesi
Investigation of heat transfer characteristics of underfloor heating and cooling systems
Yazar: YAKUP KARAKOYUN
Danışman: PROF. DR. ZEHRA YUMURTACI ; DOÇ. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Döşemeden ısıtma ve soğutma sistemleri düşük enerji tüketimi ve yüksek ısıl konfor sağlamaları bakımından son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Radyant ısıtma ve soğutma sistemleri olarak adlandırılan bu sistemlerin tasarımında ve boyutlandırılmasında ısı transfer karakteristiğinin doğru bir şekilde tayini önem arz etmektedir. İlgili sistemlerin ısı transfer karakteristiği sistemde gerçekleşen ışınım, taşınım ve toplam ısı transferleri ile ışınım, taşınım ve toplam ısı transfer katsayılarını kapsamaktadır. Ayrıca, oda içerisindeki yüzey sıcaklıkları, dikey hava sıcaklıkları, ortalama ışınım sıcaklığı gibi parametreler de sistemin karakteristiğinin belirlenmesinde önemlidir. Bahse konu parametrelerin doğru bir şekilde tayin edilememesi yüksek enerji tüketimine ve düşük ısıl konfora neden olmaktadır. Bu durum dikkate alınarak gerçek oda ölçülerine yakın test odası inşa edilerek radyant taban ısıtma ve soğutma sistemlerinin ısıl karakteristiğinin belirlenmesi için kapsamlı deneysel çalışmalar yapılmıştır. Ayrıca, radyant sistemlerde dolaşım akışkanı olarak suyun kullanılmasına alternatif olarak farklı akışkanların (nanoakışkan) kullanılması halinde sistemin ısıl performansındaki değişimler incelenmiştir.
Altı ana bölümden oluşan tezde ilk bölümde radyant ısıtma/soğutma sistemleri ve nanoakışkanlar ile ilgili yapılan çalışma ve değerlendirmeler detaylı bir şekilde aktarılmıştır. 
İkinci bölümde radyant sistemler ve nanoakışkanlar ile ilgili genel bilgilere yer verilmiş olup belirtilen konular özetlenmiştir. 
Üçüncü bölümde deneysel çalışmalarda kullanılan ekipmanlar ve deney düzeneği tanıtılmıştır. Ölçüm aletlerinin kalibrasyonu, deneysel yöntem, nanoakışkanların hazırlanması ve ölçülen veriler için hesaplama metodu da bu bölümde yer almıştır. 
Dördüncü bölümde yapılan deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen veriler yorumlanmıştır. Radyant taban ısıtma ve soğutma sistemlerinin ısıl karakteristiklerinin belirlenmeye çalışıldığı bu bölümde yaygın literatürde eksik olduğu görülen deneysel koşullar uygulanmıştır. Test edilen bütün durumlar dikkate alınarak ışınım, taşınım ve toplam ısı akılarının doğru belirlenebilmesi için korelasyonlar türetilmiştir. Çalışma yapılan sistemde ortaya çıkan ısı transfer katsayıları değerlendirilmiş ve sistem tasarımlarında ve bina simülasyon programlarında kullanılmak üzere radyant taban ısıtma sistemleri için ışınım, taşınım ve toplam ısı transfer katsayısı olarak sırasıyla 5,5 W/m2K, 3,3 W/m2K ve 9,5 W/m2K önerilirken radyant taban soğutma sistemleri için de sırasıyla 5,1 W/m2K, 0,6 W/m2K ve 6,3 W/m2K önerilmiştir. Radyant sistemler ile ilgili son bölümde radyant taban ısıtma ve soğutma sistemleri ısı transferi karakteristikleri bakımından karşılaştırılmıştır. Ayrıca, radyant sistemlerde dolaşım akışkanı olarak ısıl özellikleri daha yüksek akışkan kullanılması halinde sistemin ısıl performansı incelenmiştir. Bu amaçla üç farklı nanoakışkanın (Al2O3-su (% 1,26, hacimsel), MWCNT-su (% 0,07, hacimsel), MWCNT-su (% 0,7, hacimsel)) kullanıldığı radyant taban ısıtma deneylerinde ilgili sistemin ısıl performansında su kullanımına göre %1,7-%4,9 aralığında iyileşme gözlemlenmiştir.
Beşinci bölümde deneysel çalışma verilerine ait belirsizlik analizi yapılmış ve sonuçlar tablo halinde verilmiştir.
Altıncı bölümde yapılan çalışmalar neticesinde elde edilen veriler doğrultusunda genel değerlendirmeler ve önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Underfloor heating and cooling systems have been widely used in recent years in order to provide low energy consumption and high thermal comfort. The determination of heat transfer characteristics is important in the design and sizing of radiant systems. Heat transfer characteristics of these systems include radiation, convection, and total heat transfers and radiation, convection and total heat transfer coefficients. Also, parameters such as surface temperatures in the room, vertical air temperatures, and average radiation temperature are also important in determining the characteristics of the system. Not specified properly of these parameters cause to high energy consumption and low thermal comfort. Considering this situation, a test room was built close to the actual room dimensions and extensive experimental studies were conducted to determine the thermal characteristics of radiant floor heating and cooling systems. Additionally, changes in the thermal performance of the system in the case of using different fluids (nano-fluids) as an alternative to the use of water in radiant systems are examined. 
This thesis consists of six main chapters. In the first two chapters, general information about the radiant heating/cooling systems and nanofluids are given. The studies and evaluations on the mentioned subjects are explained in detail. In the third chapter, the equipment used in experimental studies and experimental setup are introduced. Calibration of measuring instruments, experimental method, preparation of nanofluid and calculation method for data are also included in this section.
In the fourth chapter, the data obtained as a result of experimental studies were evaluated. The thermal characteristics of radiant floor heating and cooling systems are tried to be determined and different experimental conditions are applied in this section. Correlations are derived to determine the radiation, convection, and total heat flux accurately. The calculated heat transfer coefficients were evaluated and values were proposed to be used in the system designing and simulation programs. While, proposed values for radiant floor heating system in terms of radiation, convection, and total heat transfer coefficients are 5,5 W/m2K, 3,3 W/m2K and 9,5 W/m2K, respectively, for the radiant floor cooling system are 5,1 W/m2K, 0,6 W/m2K and 6,3 W/m2K.  This section also examines the thermal performance of the system in case of applying different circulating fluid with higher thermal properties. For this purpose, three different nanofluids (Al2O3 (1,26%, vol.), MWCNT (0,07%, vol.), MWCNT (0,7%, vol.) were used in radiant floor heating experiments. The thermal performance of the radiant floor heating system improved between 1,7% and 4,9% with respect to distilled water usage.
For this purpose, although the thermal performance of the radiant system using nanofluids was improved compared to the cases in which water was used, the desired level of improvement was not achieved. In the fifth chapter, the uncertainty analysis of experimental data is given. In the sixth chapter, general evaluations and suggestions are made based on the data obtained from the study.