Çatı Kaplama Malzemesinin Güneş Işınımı Yansıtma Performansının Değerlendirilmesi

Abstract

İklim değişimi ve enerji verimliliği ülkemiz için önemli gündem maddeleridir. İklim değişiminin etkileri sonucu, ülkemizin batı ve güneybatı bölümünde kent ısı adası etkisiyle yaşanan sıcaklık artışına ek olarak sıcaklıkların özellikle yaz aylarında belirgin biçimde artacağı öngörülmektedir. Sıcaklıkların artışı ile binalarda soğutma amaçlı enerji ihtiyacı artacaktır. Soğutma amaçlı enerji talebini azaltmak için uygulanan enerji etkin yöntemlerden biri yansıtıcı çatı sistemidir. Yansıtıcı çatı sistemi, ışınım yansıtma oranı ile ışınım yayınlama oranı yüksek olan ve söz konusu değerleri hizmet ömrü boyunca koruyabilen çatı kaplama malzemeleri ile tasarlanan çatı sistemidir. Ülkemizde, yansıtıcı çatı sistemleri ve sağladığı faydalar konusunda belirli bir oranda farkındalık bulunmakta ancak kullanılan çatı kaplama malzemelerinin kısa ve uzun dönem güneş ışınımı yansıtma performansları bilinmemektedir. Bu tez çalışması ile, ülkemizde yaygın olarak kullanılan çatı kaplama malzemelerinin, kısa ve uzun dönem güneş ışınımı yansıtma performanslarının değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Bu kapsamda, çatı kaplama malzemelerinin güneş ışınımı yansıtma oranları laboratuvarda ve açık alanda ölçülerek ortaya konmuştur. İlk olarak, çeşitli renklerdeki kil, çimento, metal ve bitüm esaslı çatı kaplama malzemelerinden oluşan 13 adet yeni test numunesinin ışınım yansıtma oranları ASTM E903-96 standardında tanımlanan test yöntemine göre laboratuvarda ölçülerek hesaplanmıştır. Sonrasında ASTM G155-05 standardında tanımlı olan test yöntemi ile uygun olan 6 adet test numunesi (metal çatı kaplamaları haricindeki) hızlandırılmış yaşlandırma kabininde 1 seneye karşılık gelen 50 gün süresince güneş ışınımına maruz bırakılmıştır. Yeni çatı kaplama malzemeleri arasında en yüksek yansıtıcılık oranına parlak beyaz seramik sahip olurken, yalnızca ultraviyole dalga boyu aralığında gümüş renkli titanyum-çinko levha en yüksek yansıtıcılık değerindedir. Yaşlandırma sonrası numunelerin yüzey özelliklerinde değişim gözlenmemiş, ışınım yansıtma oranları ise bitüm esaslı siyah renkli ondüle levha haricinde önemli düzeyde bir farklılık göstermemiştir. İkinci olarak, kırmızı renkli kil esaslı kiremit ve bitüm esaslı şingıldan oluşan iki adet test numunesi ve bir otomatik gözlem istasyonu çatı yüzeylerinin güneş ışınımı yansıtma performanslarının ortaya konulabilmesi için İstanbul’da açık alanda kurulmuştur. Otomatik gözlem istasyonu, 4x4-m boyutlarında ve %3 eğimli oluşturulmuş (suyun yüzeyden uzaklaştırılması için) çatı yüzeyleri üzerinde sırasıyla ölçüm yapabilmesi için hareketli bir düzenek üzerine yerleştirilmiştir. ASTM E1918-06 standardında tanımlanan test yöntemine göre gerçekleştirilen açık alan ölçümleri halen devam etmektedir. Yeni ve yaşlanmış test numunelerinin ortalama güneş ışınımı yansıtma oranlarının hesaplanabilmesi için günlük test raporları hazırlanmaktadır. Test numuneleri toplamda 1-sene boyunca güneş ışınımına maruz bırakılacaktır. Açık alanda yürütülen ölçümlerin sonucunda, test numunelerinin yeni ve yaşlanmış durumlarındaki güneş ışınımı yansıtma oranları karşılaştırılarak, dış hava koşullarının güneş ışınımı yansıtma performansı üzerindeki etkileri ortaya konulacaktır. Bu çalışmanın sonuçları, Türkiye’deki çatı kaplama malzemesi üreticileri tarafından malzemelerin belirli dalga boyu aralıklarında ışınım yansıtma performanslarının geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Ayrıca bu tez çalışması, çatı kaplama malzemesi seçiminde kullanıcıları ve tasarım sürecindeki mimarları bilinçlendirecektir. Böylece, yansıtıcı çatı kaplama malzemelerinin mevcut çatı sistemlerinin enerji etkin iyileştirilmesinde ve yeni yapılacak binalarda kullanılmasıyla, ülkemizde binalarda soğutma amaçlı enerji tüketimi azaltılacak ve sürdürülebilir kalkınmaya katkı sağlanmış olunacaktır.

Climate change is a global concern, which results in increase in temperature, cooling energy load, electricity consumption and amount of carbon dioxide in atmosphere. Cooling energy load can be reduced by reflective roofs. As an energy efficient roof technology, reflective roof comprises a high-albedo roof covering that has high solar reflectance, high infrared emittance and maintains these properties through the service life of the covering. Turkey also suffers from the consequences of the climate change in addition to urban heat island effect. Although the benefits of reflective roofs are recognized by Turkish architects, contractors, and manufacturers, the solar reflectance performance of new and aged roof coverings produced in Turkey is still unknown, which in return disables the use of the high-albedo roof coverings in rehabilitation of existing roofs and in designing of new roofs. Purpose of this Master of Science thesis is to assess short-term and long-term solar reflectance performance of roof coverings that are produced and commonly used in Turkey. In this context, solar reflectance measurements of the roof coverings were conducted both in laboratory and in field. Firstly, solar reflectance performance of 13 unexposed test samples including clay, cement, bituminous and metal based was measured in laboratory according to test method given in ASTM E903-96. Subsequently, 6 of these test samples (except metallic roof coverings) were exposed to xenon arc light (simulated solar radiation) based on the method given in ASTM G155-05a for a duration that is equivalent to 1-year exposure. After exposure, colour change and degradation of surfaces were documented. Following, solar reflectance measurement procedure was performed on each exposed test sample. Additionally, solar reflectance values and surface characteristics of unexposed and exposed test samples were compared. Finally, the short-term and the long-term solar reflectance performance results of 6 test samples were presented as a list. Results indicated that the most commonly used unexposed red clay tile demonstrated high reflectivity values while unexposed red bituminous shingle absorbed high percentage solar radiation at all the spectral band. Silver titanium-zinc covering had the highest reflectance rates at ultraviolet wavelength range. After accelerated 1-year exposure, no change in appearances of the roof coverings was observed. While concrete tile maintained the same solar reflectance value, black corrugated bitumen sheet showed the highest increase rate equal to 44%. The other 4 roofing materials experienced slightly increase in their initial solar reflectances. Secondly, two test specimens included red colored clay tiles and bituminous shingles with an automated weather observation system (AWOS) comprising two pyranometers (building up an albedometer) were set up in a field in Istanbul in order to measure the solar reflectance performance of the roof surfaces. 4.00x4.00-m dimensioned test samples were sloped to provide drainage and AWOS was erected on wheels to be driven over the two test specimens. The same colored roof coverings were chosen to be compared relative to the variables-surface roughness and the characteristics of the material-under same climatic conditions. The field measurements are still being conducted according to test method given in ASTM E1918-06. Daily test reports are being prepared in order to calculate the average solar reflectances of new, aged and weathered test specimens. Test samples will be exposed to environmental conditions for 1-year. By the end of the study, solar reflectance values and surface characteristics of unexposed and exposed test samples will be compared, and effect of weathering on the solar reflectance performance of roof coverings will be evaluated. Results of this thesis will enable designers to choose the roof covering appropriate for reflective roofs that can be used to rehabilitate existing roof coverings or to design new buildings, which in return will provide cooling energy savings and hence sustainable development of Turkey.