Atmosferik Sınır Tabakası Stabilitesinin Bina Yüzey Sıcaklığı Üzerindeki Etkisi
The Effect of Atmospheric Boundary Layer Stratification on the Facade Temperature
Yazar: Altan, Yiğit
Dergi: Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 2020
Anahtar kelimeler: Engineering ; Mühendislik ; Bina yüzey sıcaklığı,Atmosferik sınır tabakası,Bina Enerji Simülasyonu (BES),Katmanlaşmış akış,Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD),Reynold Averaged Navier-Stokes (RANS)

Net sıfır enerjili binalar, insanlığın enerji tüketimini azaltmaya yönelik en önemli adımlardan biridir. Binalarda, önemli miktarda enerji ısıtma ve soğutma amacıyla kullanılmaktadır. Binalarda atmosfer ile ısı transferi yüzeyleri vasıtasıyla gerçekleşmektedir. Bina yüzeyinin dışı ve içerisi arasındaki fark duvarlardan iletilecek ısı miktarını belirlemektedir. Bina dış yüzeyinin sıcaklığı rüzgar, güneş radyasyonu, dış sıcaklık ve Atmosferik Sınır Tabakası (AST) stabilite özellikleri gibi çevresel koşullara göre değişebilir. HAD simülasyonları yardımıyla, bina yüzeyi sıcaklık değişimi bir ısı haritası olarak oluşturulabilir. Oluşturulan ısı haritası, enerji verimli binaların tasarlanmasına yardımcı olabilir.Bu çalışmada, genel bir binanın cephe sıcaklık haritası ANSYS Fluent ile simüle edilmiştir. AST’nin tabakalaşması türbülans özelliklerini ve dikey profildeki sıcaklığı değiştirdiğinden, simülasyonlar sırasında tabakalaşmaya özel önem verilmektedir. Monin-Obukhov (M-O) uzunluğuna göre farklı tabakalaşma seviyeleri belirlenir. Simülasyonlar için RANS denklemleri çözülmüş ve türbülans modellemesi için realizable k-ε modeli kullanılmıştır. Simülasyon için giriş, çıkış ve alt kısımdaki sınır koşulları M-O benzerliği doğrultusunda verilmiştir. Tam boyutlarıyla modellenen binaya literatürden alınan ısı akışı değerleri verilmiştir. Üç farklı rüzgar hızı ve üç farklı tabakalaşma durumu analiz edilerek sonuç olarak 9 senaryo oluşturulmuştur. Oluşturulan senaryoların hepsinde yer seviyesi sıcaklık 27 derece olarak alınmış ve binaların ürettiği ısı akışı 105 w/m2 olarak literatürden alınmıştır. 9 senaryonun sonucu karşılaştırıldığında, tabakalaşmanın binanın cephe sıcaklığı üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Rüzgar hızı arttıkça, tabakalaşmanın cephe sıcaklığı üzerindeki etkisi artmaktadır.

The net-zero energy buildings are one of the most important steps towards decreasing the total energy consumption of humanity. In the buildings, a considerable amount of energy is used for heating and cooling purposes, and heat is transferred to the atmosphere via the façade of the buildings. The difference between the inside and outside temperature of the facade determine the heat flux through the walls. The temperature of the façade can vary with environmental conditions such as wind, solar radiation, outside temperature, and stability characteristics of the Atmospheric Boundary Layer (ABL). With the aid of CFD simulations, the temperature variation can be created as a heat map. The created heat map can help to design energy-efficient buildings. In this study, the façade temperature map of a generic building is simulated with ANSYS Fluent. Since the stratification changes the turbulence characteristics and temperature along with the vertical profile of ABL, special care is given to the stratification during the simulations. Different stratification levels are determined in line with the Monin-Obukhov (M-O) length. For the simulations, RANS equations are solved and the realizable k-ε model is used for the turbulence modeling. The boundary conditions at the inlet, outlet, and bottom are given in line with the M-O length. The building is explicitly modeled and heat flux values taken from the literature. Three different wind speed and three different stratification conditions are analyzed and as a result, 9 scenarios are created. The result of the 9 scenarios shows the effect of stratification on the facade temperature of the building. As the wind speed increases the effect of stratification on the facade temperature increases.