Faz değiştiren malzemelerin dış duvarda kullanımındagüneş ışınımı katkısının bina enerji etkinliği açısındandeğerlendirilmesi: İzmir ili örneği
The evaluation of solar radiation contribution on theuse of phase change materials in the exterior wallsregarding building energy efficiency: Example of Izmir,Turkey
Yazar: ESRA ELVAN ÖZYURT
Danışman: DOÇ. DR. FETHİYE ECEM EDİS
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 binaların teknolojik özelliklerinin artmasıyla beraber binaların enerji gereksinimleri de artmıştır. Binalardaki enerji taleplerinin uzun süreli ve kesintisiz karşılanabilmesi için enerji depolama sistemleri büyük önem kazanmıştır. Bir ısıl enerji depolama maddesi olan Faz Değiştiren Malzemeler (FDM); sıcaklık yükselmesi ile faz değiştirerek bünyesinde gizli ısıyı depolar ve sıcaklık düşüşünde eski haline dönerek ortama ısı verir. Böylelikle binalarda kullanılan FDM'ler,
ortamdaki fazla enerjinin depolanması ve ortam sıcaklığı azaldığında depolanan enerjinin kullanılmasına olanak vermesi ile binalarda enerji taleplerinin karşılanmasına, ısıtma ve soğutma enerji tüketimlerinin düşürülmesine katkıda bulunmaktadır.
Bu konuda yapılmış bililmsel çalışmalar, bina kabuğunda kullanılan FDM'lerin, gece-gündüz sıcaklık farkının fazla olduğu şehirlerde daha verimli çalıştığını göstermektedir. Bununla beraber, hava sıcaklığının yanında güneş ışınımı ile FDM'nin sıcaklığının arttırılıp faz değiştirmesine olanak sağlanabilir. Bu doğrultuda, bu düşünceden hareketle, bu çalışmada gece-gündüz sıcaklık farkının az, güneşlenme süresi ve miktarının fazla olduğu İzmir İli'nde dış duvarda kullanılan FDM'lerin güneş ışınımının katkısıyla enerji verimliliğine etkisinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır.
Bina kabuğunda iç yüzeyde bulunan FDM'lerde iç mekandaki sistemlerden (ısıtma-soğutma, pişirme ünitesi, TV vs.) kaynaklanan ısıyla ve dış yüzeyden içeri ısı akışının etkisi ile faz değiştirmesine imkan sağlanmaktadır. Bu çalışmada ise duvar dış yüzeyindeki FDM'nin doğrudan veya dolaylı şekilde aldığı güneş ışınımı ile malzemenin faz değişimine imkan vererek bunun enerji performansına etkisi
araştırılmıştır. İzmir İli'nde yaz aylarında duvar dış yüzeyinde bulunan FDM'nin, güneş ışınımının etkisiyle faz değiştirerek ısı enerjisini bünyesinde depolayacağı, böylece depolama görevi yanında aynı zamanda bir ısıl kütle gibi davranarak yazın iç mekana fazla ısıyı iletmeyip iç mekan sıcaklıklarını çok fazla soğutma enerjisi harcamadan belirli bir değerde koruyacağı düşünülebilir. Kış aylarında ise güneş ışınımı etkisiyle faz değiştiren malzeme ısı enerjisini depolar ve iç mekan sıcaklığı düştüğü durumda ihtiyaç halinde tersine tepkimeyle faz değiştirip bu fazla ısıyı geri
vererek hem duvar yüzeyinin kışın aşırı soğumasını engellemiş olur hem de iç mekan sıcaklığı için bir nevi ayar değeri ile çalışan ısıtma sistemi gibi görev yapar. Bu fikirden yola çıkarak FDM'lerin güneş ışınımının etkisiyle yaz aylarında soğutmaya, kış aylarında ise ısıtmaya katkıda bulunacağı varsayımıyla benzetim programı aracılığıyla hesaplamalar yapılmıştır.
FDM'nin duvar katmanındaki yerine, yönüne, ürün türüne ve erime sıcaklığına göre çeşitli senaryolar oluşturulup kompakt bir kütle modeli için hesaplamalar yapılmış, FDM'nin enerji verimliliğine etkisi açısından ısıtma, soğutma ve toplam enerji ihtiyaçlarına bakılmıştır. Direkt güneş ışınımı etkisini değerlendirebilmek için de iç hava sıcaklıkları ve duvar yüzey sıcaklıkları incelenmiştir.
Yapılan değerlendirmede; pasif bir enerji depolama sistemi olan FDM'lerin duvar dış yüzeyinde kullanımının İzmir ili için özellikle soğutmanın istendiği dönemde büyük katkı sağlayabileceği belirlenmiştir. Gelişen teknolojiyle beraber artan enerji taleplerinin karşılanabilmesi için farklı sektörlerde enerji depolama amaçlı kullanılan FDM'ler, aynı zamanda binalarda iklimlendirme sistemi enerji ihtiyacını azaltmaya yönelik gelişmiş bir alternatif olarak düşünülebilir. Küresel ısınmanın sürdürülebilir çevreye etkileri göz önüne alındığında, FDM kullanımı, iç mekan sıcaklıklarını belirli aralıklarda tutarak bina enerji tüketimlerinin ve CO2 emisyonlarının azaltılmasına katkıda bulunabilir ve küresel ısınma problemini önlemek için de olası bir çözüm önerisi olarak akla gelebilir.

Abstract:
Both in the World and in Turkey, most of the energy consumption occurs in buildings, and it is used to a great extent for heating, cooling, ventilation, lighting and domestic hot water. In Turkey, the majority of the energy is imported from abroad. Therefore, it is thought that the energy demand of our country will decrease
significantly by providing energy efficiency in the buildings. One of the ways to improve energy efficiency is the use of passive systems, and utilizing solar energy is among common approaches in reducing energy needs for e.g. heating, cooling and lighting. Since solar energy is clean and free, it is one of the most suitable renewable
energy source for our country. In passive systems, solar energy gain, storage and distribution is effected from the variables related to building. For this reason, in benefiting from solar energy; variables such as building orientation, insulation, window to wall ratio, envelope's optical and thermophysical properties gain importance.
Passive systems are preferred as they are low cost in providing indoor comfort conditions. The building envelope plays an active role in keeping the indoor temperatures in balance with passive gains without spending energy during winter periods. In conventional systems, by creating a thermal mass with thick walls, thermal energy is stored and temperature fluctuations in the interior space are prevented. In contemporary systems, similar thermal performance can be achieved by keeping the walls thinner with the use of thermal insulation. However, low
thermal storage capabilities of thermal insulation materials cause some drawbacks. Today increasing use of technology; as well as increasing the energy need in buildings, also create the necessity of providing easily accessible and continuous energy. For this reason, storage of energy is also of great importance with the
principle of conservation of energy. Energy storing materials used at building envelope can act as a thermal control measure, and also provides efficient use of energy by storing it, and releasing it afterwards. Therefore, there is an increasing need for these kinds of materials. Phase change materials (PCM), which are a thermal energy storage material, change phase due to temperature rise and store the latent heat in its body, and while
returning to their former state release the heat to the environment. Thus, PCMs used in buildings can contribute to meeting energy demands in buildings and reducing heating and cooling energy consumption by enabling the storage of excess energy present in the environment and the use of stored energy when needed. Research studies show that the PCMs used in building envelope will be more effective in cities where daytime and night-time air temperature difference is high. Considering that, as well as the temperature of the air, solar radiation can contribute to increase the temperature of the PCM for its phase change, the use of PCM at exterior walls was investigated for Izmir, a city in Turkey, where daytime and night-time air temperature difference is low, but solar radiation intensity is high. PCMs used on the inner surface of building envelope change phase both with the effect of interior energy sources (e.g. heating-cooling, cooking units, TV, etc.) and heat transfer from the exterior. In this study, the effect of PCM used on the outer surface of the exterior wall, which changes phase mainly by solar radiation was investigated regarding building energy efficiency. In summer, PCM that is located on the outer surface of the wall is assumed to store the solar energy by changing phase, so that it will prevent transmission of too much heat to the interior space and in turn reduce cooling energy consumption. In the winter months, the material that changes phase with the effect of solar radiation is assumed to store heat and when the temperature decreases, it changes phase with reverse reaction and returns this excess heat for preventing both cooling down of the wall and excessive temperature fluctuations at the interior space. Based on this idea, energy simulations have been made to evaluate PCMs contribution to cooling efficiency in summer and heating efficiency in winter with the effect of solar radiation. In order to investigate the effect of solar radiation on the use of PCMs, the "Design
Builder" program, which uses the"finite difference" method, has been utilized, and a compact model has been created for residential use. According to the climate data of İzmir, the difference between daytime and night-time air temperature values is low in summer, and the air temperatures are high and solar exposure times are long in
general. The average highest temperature for July is 33,2ºC, and the average lowest temperature is 22,4ºC. PCM selections with different melting temperatures were made according to these temperatures determined. In this study, by using PCMs on the exterior side of the exterior wall, it is aimed to contribute to energy efficiency by
reducing the heating load with the energy stored by solar radiation in winter, and reducing the cooling load by storing the excess heat caused by solar radiation in summer. In this context, in order to examine the contribution of PCM to building energy efficiency with the effect of solar radiation according to its location within the
wall, its type, melting temperature and the orientation of the wall, different case scenarios have been created. In order to investigate the effect of its location within the wall, PCMs used on the exterior and interior sides of exterior wall, and PCM used behind the exterior render were analysed. To determine the effect of changing
solar radiation intensity in relation to the orientation, separate cases have been created, where an exterior wall facing a certain direction had PCM layer while the remaining walls facing other directions did not. In this respect, North, South, East and West directions were studied. Additionally, cases with all walls having PCM
layer were studied as well. The simulations have been made while the heatingcooling system was turned on and off, and the results were also compared with that of case having all exterior walls of without PCM. In calculations made with the heating-cooling system turned on; annual cooling energy [kWh], heating energy [kWh] and total energy demands [kWh] have been determined and comparisons of cases in terms of building energy efficiency have been made. In addition, to examine the effect of solar radiation contribution on the performance of PCM during seasonal
changes, monthly heating and cooling energy demands have also been discussed considering the monthly direct solar radiation amounts. Furthermore, to examine the effect of changing direct solar radiation intensity on the performance of external walls with PCM; simulations have been made for the selected cases for the days with
maximum and minimum solar exposure while the heating-cooling system was turned off. In the results, indoor air temperature (ºC), outdoor air temperature (ºC) and inner and outer surface temperatures (ºC) were examined and discussed. Today cooling energy demand is rising up due to the increasing temperatures with global climate change. One of the ways to reduce the cooling loads in buildings is to control the solar heat gain from the building envelope. The results of the study considering the case of Izmir, where solar radiation intensity is high, showed that PCM, which is used on the outer surface of the wall and having high melting temperature is efficient in reducing the cooling energy demand in summer, but inefficient for decreasing the heating demand in winter, while sometimes efficient when the total heating-cooling energy demand is considered. Therefore, it has been
concluded that, for the residential buildings occupied through the whole year, it is necessary to examine the monthly energy demands for PCMs with different melting temperatures and evaluate total energy costs or it may be more efficient to use PCMs with high melting temperature on the exterior surface of the wall in summer houses
where cooling is necessary only.