Binalarda enerji korunumu açısından yapı bileşenlerinde kullanılan faz değiştiren malzemelerin performansının değerlendirilmesi

Günümüzde dünya genelinde enerji kullanımındaki artış ve buna bağlı olarak enerji kaynaklarındaki azalma enerjiye duyulan ihtiyacın önem kazanmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle, enerji konusu dünya gündeminin en önemli konularından biri haline gelmiştir. Dünyada tüketilen enerjinin büyük bir miktarı binalarda kullanılmaktadır. Türkiye'de ise binalar için bu oran yaklaşık %30'dur. Buna ek olarak kentlerdeki nüfus artışı sonucu konut binalarının ve yerleşme alanlarının artması ile binalar için harcanan enerji miktarları da artmıştır. Bina stoğunun hızla artmasıyla binalarda tüketilen ısıtma ve soğutma enerjisi miktarları da artmakta ve bu durum binalarda enerji korunumu kavramının öncelikli olmasına yol açmaktadır. Binalarda harcanan enerjinin büyük bir bölümü binalardaki konfor koşullarının sağlanabilmesi içindir. Bina tasarım aşamasında binanın bulunduğu bölgenin iklimsel özellikleri dikkate alınmadığında ve buna bağlı olarak iklimle dengeli bir tasarım yapılmadığında; öncelikle binada iklimsel konfor koşulları sağlanamamakta sonrasında da bu koşulların sağlanabilmesi için aşırı enerji tüketen mekanik sistemler kullanılmaktadır. Dolayısıyla enerji etkin tasarım kriterlerine göre tasarlanmış binalar ile iç ortam konfor koşulunun sağlanması, binaların mekanik sistemlere duyduğu ihtiyacın azaltılması ve binalarda harcanan enerji miktarlarının da azaltılması olanaklıdır. Binalardaki enerji harcamalarının azaltılması, binaların mimarlar tarafından enerji etkin tasarım stratejileri ile tasarlanması ile olanaklıdır. Türkiye'de binaların büyük bir bölümünü konutlar oluşturmaktadır. Konutlar, farklı iklim bölgelerindeki ısıtma ve soğutma dönemlerinde ihtiyaç duyulan enerji miktarı bakımından değerlendirildiğinde, farklı iklim bölgelerinin farklı gereksinimleri olduğu görülmektedir. Tasarımın erken aşamalarında bu gereksinimler dikkate alınarak binalar toplam enerji harcamaları bakımından değerlendirildiğinde enerji harcamalarının azaltılması olanaklıdır. Binanın toplam enerji harcamalarının yanında binayı oluşturan hacimlerde meydana gelen konfor koşulları ve dolayısıyla buna bağlı olarak gerçekleşen enerji harcamaları da dikkate alınmalıdır. Binadaki hacimlerde, hacimlerin binadaki konumları, yönlendiriliş durumları ve dış duvar alanlarına bağlı olarak farklı konfor koşulları meydana gelebilmektedir. Ayrıca hacimlerde komşu hacimlerin koşullarına da bağlı olarak ısı kazancı ve kayıpları oluşabilmektedir. Bu nedenle hacimlerin enerji giderlerinde farklılıklar ve dolayısıyla dengesizlikler meydana gelmektedir. Binalarda iklimsel koşullar dikkate alınarak öncelikle yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamalarının azaltılması daha sonra da hacimler arasında enerji harcamalarının dengelenmesi veya minimuma indirilmesi enerji korunumunun sağlanması açısından öncelikli bir konu haline gelmiştir. Bu hedefe yönelik olarak, bu çalışmada binaların tasarım aşamasında, enerji etkin tasarım değişkenlerine ilişkin alınacak önlemlerle yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamalarının azaltılması ve binaları oluşturan hacimler arası enerji harcamalarının dengelenmesi ele alınmıştır. Binalarda ısıtma ve soğutma yüklerinin azaltılması için bu yükleri etkileyen değişkenlere yönelik pasif tasarım stratejileri kullanılarak doğru kararlar alınmalıdır. Binalarda ısıtma ve soğutma yüklerinin üzerinde etkili olan en önemli pasif tasarım değişkeni bina kabuğudur. Bina kabuğu; iç ve dış ortamı birbirinden ayıran, dış iklim koşullarının etkilerini sahip olduğu termo-fiziksel özellikler, yüzey alanı ve yönlendiriliş durumuna bağlı olarak dönüştürerek içeri aktaran ve iç ortam konfor koşullarının oluşumunda etkili olan bir değişkendir. Dolayısıyla bina kabuğuna ilişkin alınan her karar kabuğun çevrelediği hacmin enerji harcamalarını da doğrudan etkileyecektir. Bina kabuğu uygulamalarında, yenilikçi bir malzeme olan Faz Değiştiren Malzemelerin ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamalarının azaltılmasında ısıl enerji depolama özelliklerinden yararlanılmaktadır. FDM'ler ısıl enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan malzemelerdir. FDM'ler uygulandıkları yapı bileşenlerinde meydana gelen ısı kayıplarını engelleyici prensipte çalışırlar. FDM'ler, ısıyı emen, uygulandığı bina bileşeninin bünyesinde depolayan, dış iklim elemanlarının etkilerini geciktirerek ve genliklerini küçülterek iç mekana aktaran ve böylece iç mekanda oluşabilecek aşırı ısınmayı engelleyen ısıl kütlenin bir versiyonu olarak tanımlanabilmektedir. FDM'ler iklim tiplerine göre gündüz ve gece depolayıp ortama saldıkları ısıl enerjiyle, hem kış dönemi ısıtma enerjisi tüketiminde hem de yaz dönemlerinde soğutma enerjisi tüketiminde azaltıcı bir etkiye sahiptirler. Sıcak iklim bölgelerinde gece depoladığı gizli ısı sayesinde gündüz iç mekanda oluşan hava sıcaklığını düzenleyebilmekte, soğuk iklim bölgelerinde ise iç ortam sıcaklığının aşırı düşmesini engelleyecek prensipte çalışmaktadır. Buna dayanarak, sıcak iklim bölgelerinde soğutma enerjisi ihtiyacını soğuk iklim bölgelerinde de ısıtma enerjisi ihtiyacını azaltma eğilimindedir. Bu çalışma kapsamında binada gerçekleşen yıllık toplam enerji harcamaları hesaplanarak, hacimlerin bulundukları farklı iklim koşulları ve toplam enerji harcama oranları karşılaştırmalı olarak incelenecektir. Daha sonra da önerilen çalışma ile iç ortam konfor koşullarının optimizasyonu için karşılaştırmalı değerlendirme yapılacaktır. Çalışmanın birinci bölümünde; yapılan tez çalışmasının amacı, kapsamı ve çalışma için kullanılan yöntemi detaylı bir şekilde açıklanmıştır. İkinci bölümde; binalarda enerji korunumu ve dairelerde gerçekleşen ısıtma ve soğutma yüklerinin dengelenmesinde etkili olan tasarım değişkenleri ayrı ayrı ele alınarak açıklanmıştır. Üçüncü bölümü; yenilikçi bir malzeme olan Faz Değiştiren Malzemeler hakkında kapsamlı bilgi verilmiştir. Bu bölümde, FDM'ler tanıtılmış olup, malzemenin çalışma prensibine ilişkin detaylı bilgi verilmiştir. Daha sonra da FDM'lerin binalarda uygulanması ile ilgili dünyada ve Türkiye'de yapılmış çalışmalar ve uygulamalar ile ilgili örnekler verilerek özetlenmiştir. Çalışmanın dördüncü bölümünde, TS 825 Binalarda Isı Yalıtımı Kuralları Standardında tanımlanan bölgeler içerisinde 2. Derece Gün Bölgesi grubunda yer alan İstanbul ve Diyarbakır illeri, bu tez çalışması için referans iller olarak seçilmişlerdir. Aynı derece gün bölgesinde yer almalarına rağmen iklimsel açıdan farklı özelliklere sahip olduğu bilinen bu iller için FDM'nin bina bileşeninde uygulanması sonucu gösterdiği performansların karşılaştırmalı olarak değerlendirmesinin yapılması hedeflenmiştir. Ele alınan bir konut binası üzerinde enerji korunumu açısından değerlendirmeler yapılmıştır. Binanın mevcut durumu (TS 825 Standardına uygun bina kabuğu katmanlaşma detayları ile) için yıllık toplam ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamaları belirlenen modelleme ve simülasyon yöntemleri aracılığıyla hesaplanmıştır. Daha sonraki aşamada, binada tüketilen yıllık toplam enerji harcamaların azaltılması ve binayı oluşturan hacimler arasında meydana gelen enerji harcamaların dengelenmesi amacıyla öncelikle bina kabuğunda, daha sonra iç duvar ve iç döşemelerin uygun yüzeylerinde FDM kullanılarak hesaplamalar tekrarlanmıştır. FDM'nin farklı yapı bileşenlerinde uygulanması sonucu iç ortam konfor koşullarında meydana gelen değişim incelenmiş ve yapılan hesaplamalar sonucunda, elde edilen veriler grafikler yardımıyla karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.