Çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir yaklaşım

Günümüzde insan yaşamı teknolojiye ve onun yakıtı olan enerjiye bağımlı hale gelmiştir. Dünyada tüketilen enerji gün geçtikçe artmakta ve tüketilen enerjinin büyük bölümü fosil yakıtlarından karşılanmaktadır. Fosil yakıt rezervlerinin gelecekte tükenecek oluşu ve fosil yakıtlarının kullanımının neden olduğu çevre kirliliği gibi nedenlerden dolayı, enerji konusu toplumlar için ciddi bir sorun haline gelmiştir. Enerji sorunun çeşitli ülkelerde çeşitli platformlarda tartışılmış ve çeşitli çözüm önerileri ortaya konmuştur. Bu bağlamda, sürdürülebilirlik ve ekoloji gibi kavramlar ön plana çıkmış, enerji tasarrufunun önemi artmıştır. Ülkeler enerji üretimi için ihtiyaç olan fosil yakıtlarına bağımlılığı azaltmak için doğal enerji kaynaklarının kullanımına ağırlık vermişlerdir. Sürdürülebilirlik, ekoloji ve enerji tasarrufu gibi kavramlar tüm endüstri ve üretim dallarında olduğu gibi bina endüstrisinde de önem kazanmıştır. Konut ve işyerlerinde tüketilen enerji miktarı ülkenin tükettiği toplam enerji miktarı içinde önemli bir pay almaktadır. Bina endüstrisi bu duruma kayıtsız kalamamış ve bu alandaki çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu çalışmaların sonucu olarak, binalarda doğal enerji kaynaklarının doğrudan ve dolaylı kullanıldığı sistemler ve enerji tasarrufu sağlayan sistemler bu alanda önemli teknolojik gelişmeler olarak göze çarpmaktadır. Binalarda tüketilen toplam enerjinin %40'ını ısıtma enerjisi giderleri oluşturmaktadır. Bilindiği gibi, binalarda ısıtma enerjisi açısından enerji kaybının en yüksek olduğu yapı elemanı yapı kabuğudur. Bina endüstrisi binalardaki yaşanan bu sorunu çözmek üzere yaptığı çalışmaların sonucu olarak yapı kabuğundan kaynaklanan enerji kayıplarını azaltan sistemler ve bileşenler geliştirilmiştir. Akıllı bina kabuğu bu teknolojik gelişmeler içinde en yaygın olarak kullanılan sistemdir. Akıllı yapı kabuğu literatürde, iç ortam ve dış ortam arasında bir dengeleyici olarak hizmet veren, aydınlatma, havalandırma ve ısısal konfor gibi birbiriyle çelişkili ihtiyaçları karşılamak üzere tasarlanmış çok işlevli bir eleman olarak tanımlanmaktadır. Çift kabuklu cepheler bu bağlamda tasarlanmış akıllı yapı kabuğu örneklerinden biridir. Günümüzde özellikle yüksek binalarda sıkça karşılaştığımız çift kabuklu cepheler, sağladığı akustik yalıtım ve ısıtma enerjisi tasarrufu gibi nedenlerden dolayı tercih edilmektedir. Bu çalışmada, çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir yaklaşım ortaya konmaktadır. Çalışmanın birinci bölümünde konunun daha iyi anlatılabilmesi için konuya geniş bir perspektiften bakılarak konu ile ilgili temel kavramlar ve enerji sorunu global ölçekte anlatılmaktadır. Birinci bölümde anlatılanları takiben ikinci bölümde enerji etkin tasarım anlayışının ortaya çıkış süreci anlatılmaktadır. Yine bu bölümde yapılarda enerji kullanımını ve korunumunu zorunlu kılan etmeler ile binalarda enerji etkin tasarım parametrelerine yer verilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde, yapı kabuğunda enerji korunumu sağlayan sistemler içinde akıllı yapı kabuğu anlatılmaktadır. Bu bölümde bu çalışmanın da konusu olan çift kabuklu cepheler ayrıntılı olarak anlatılmaktadır. Çift kabuklu cephelerin özellikleri, gelişme süreci, bileşenleri ve çift kabuklu cephelerin uygulama örnekleri bu bölüm içerisinde incelenmiştir. Çift kabuklu cephelerin ısıtma enerjisi tasarrufuna etkisi çalışmanın dördüncü bölümünde anlatılmaktadır. Bu bölümde çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılan yöntemlere yer verilmiştir. Bu yöntemlerden birincisi, çift kabuklu cam cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılan WIS programıdır. İkinci yöntem ise B. Todorovic tarafından geliştirilen 'iç kabuğu saydam opak bileşenden oluşan çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının ara boşluk sıcaklığına bağlı olarak hesaplanması' adlı yöntemdir. Bu çalışmada geliştirilen yeni yaklaşımda Todorovic tarafından geliştirilen yöntem bazı değişiklikler yapılarak kullanılmıştır. B. Todorovic tarafından geliştirilen yöntem kabuklar arasındaki boşluğun sıcaklığının hesaplanmasına dayanmaktadır. Ara boşluk sıcaklıklarının hesaplanması için bir saat aralıklarla matematiksel simülasyonlar yürütülmektedir. Bu matematiksel simülasyonlar, çift kabuklu cepheyi oluşturan modüllerin ısıl denge xıdenklemleri yazılarak elde edilmektedir. Ara boşluk sıcaklığı dış ortam sıcaklığı kabul edilerek çift kabuklu cephenin ısı kayıpları hesaplanmaktadır. Bu çalışma kapsamında geliştirilen, çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir yaklaşım çalışmanın beşinci bölümünde anlatılmaktadır. Yaklaşım üç ana aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşama, hesaplamalarda gerekli olan binaya ilişkin ve iklimsel elemanlara ilişkin verilerin belirlendiği aşamadır. İkinci aşamada ara boşluk sıcaklıkları hesaplanmaktadır. Bu aşamada Todorovic tarafından geliştirilen yöntem bazı değişiklikler yapılarak kullanılmıştır. Todorovic' in yönteminde çift kabuklu cepheyi oluşturan bileşenlerin ısıl denge denklemlerinde güneş ışınımı kazancı doğrudan ve yaygın ışınım olarak ayrı ayrı kabul edilmediği görülmüştür. Yapı kabuğundaki saydam bileşenlerin her iki ışınım türüne karşı farklı davranış gösterdiği bilinmektedir. Saydam bileşenlerin üzerine düşen yaygın ve doğrudan ışınım miktarları farklı olduğu gibi saydam bileşenlerin bu ışınımları geçirgenlik oranı da farklıdır. Bu nedenle bileşenlerin ısıl denge denklemleri yazılırken, bileşenlerin güneş ışınımı kazancı kısmında bu kabulün yapılması daha doğru olacağı düşünülerek denklemlerde yapılan bazı düzeltmelerle bu eksiklikler giderilmiştir. Üçüncü aşamada ise, ikinci aşamada hesaplanan ara boşluk sıcaklıkları dış ortam sıcaklığı olarak kabul edilerek, iç kabuktaki opak bileşenden geçen ısı miktarı, iç kabuğu oluşturan bileşenlerin iç yüzey sıcaklıkları ve hacmin iç hava sıcaklığı zamana bağlı rejimde sonlu farklar yaklaşımı ile. hesaplanmaktadır. Çalışmanın altıncı bölümünde, geliştirilen yeni yaklaşım örnek bir büro binası üzerinde uygulanmıştır. Uygulama çalışmasının amacı, uygulama çalışması yapılan hacmin tek kabuklu veya çift kabuklu cepheye sahip olması durumundaki ısısal performansını ortaya koymaktır. Yedinci bölümde, bir önceki bölümde yapılan uygulama çalışmasından elde edilen bulgulara yer verilmiştir. Elde edilen bulgulara göre, çift kabuklu cephe tek kabuklu cepheye göre çok daha iyi bir ısısal performans göstermektedir. Çalışmanın sekizinci bölümünde, çalışmaya ilişkin genel sonuçlara yer verilmiştir. Yedinci bölümde verilen bulgulardan da görüldüğü gibi, çift kabuklu cepheler tek kabuklu cephelere göre çok daha iyi bir ısısal performans göstermektedir. Çift kabuklu cephelerin yapıya getirdiği ek maliyet ve sağladığı ısıtma enerjisi tasarrufu göz önüne alınarak uzun dönem yaşam maliyeti analizi yapılmalıdır. Sonuç olarak, çift kabuklu cepheler yeni uygulanacak binalar için iyi bir alternatif olduğu kadar mevcut binaların enerji etkin yenilenmesi için de iyi bir alternatif olduğu görülmüştür. Henüz Türkiye de uygulanmamış olan çift kabuklu cephelerin ülkemizde de uygulanması gerekliliği ortaya konmuştur.