Kapalı Boşluklu–çift Cidarlı Cephelerin Yoğuşma Riski Ve Enerji Performans Analizleri

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2015-05-04
Yazarlar
Biler, Ahmet
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Enerji Enstitüsü
Energy Institute
Özet
Bu tez kapsamında çift cidarlı cephe sistemlerinden ara boşlukları kısmi olarak havalandırılan kapalı boşluklu-çift cidarlı cephelerin yoğuşma riski ve enerji performansı açılarından değerlendirilmesi ele alınmıştır. Tez, daha önce Fransa'da yapılmış benzer bir cephe sisteminin deney verileri kullanılarak sistemin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) aracılığıyla modellenmesi, kapsamlı CFD sonuçları ile oluşturulan yeni cephe modülünün FTI (Façade Testing Institute) laboratuarlarında yoğuşma riski açısından test edilmesi ve yeni oluşturulan cephe modülünün enerji performansının analiz edilmesi olmak üzere üç farklı aşamadan oluşmaktadır. Façade Respirante (Nefes alabilir cephe) kapalı boşluklu bir çift cidarlı cephe türüdür. Cephede camlar arası alt bölgeye hava filtreleri yerleştirilerek dış cam iç yüzeydeki yoğuşma oluşumunun engellenmesi amaçlanmaktadır. Façade Respirante sisteminde hiç yoğuşma olmadan maksimum ısıl performansa ulaşmak ana hedeflerden bir tanesidir. Sistem, camlar arası bölgede üst taraftan ve yan taraflardan tamamen kapatılmış, alt taraftan ise filtreler aracılığı ile kısmi olarak hava girişi sağlanmaktadır. Yoğuşma oluşumu filtrelerin ağ yapısı ve filtre sayısı ile oynanarak kontrol edilmektedir. Filtre sayısının azalması ve filtre ağlarının küçülmesi camlar arası boşluk bölgesinde taşınım (convection) ile ısı geçişini minimize etmekte; toz, kir ve uçucu bileşenlerin içeri girişini azaltarak hijyen sağlanmasına yardımcı olmaktadır. Ancak, bu durumda yetersiz hava hareketi yoğuşmaya sebep olmaktadır. İdeal filtre sayısı yapılan testler ile yoğuşmanın olmadığı en düşük filtre sayısı olarak belirlenmektedir. Filtre sayısı ve filtre ağ yapısı sistem boyutları, sistemin uygulanacağı bölge ve sistem bileşenlerinin higroskobik (nem-tutma) özelliklerine göre değişkenlik göstermektedir. CSTB'nin (Centre Scientifique et Technique du Batiment) yaptığı Façade Respirante yoğuşma deneyi test metodolojisinde başlangıç ve sınır koşulları olarak iç ortam sıcaklığı 20°C'de ve %50 bağıl nemde sabit tutulur ve yine iç ortama 50 Pa pozitif basınç verilir. Dış ortamda ise başlangıç koşulu olarak sıcaklık 20°C'ye ve bağıl nem %80'e şartlanır. Sıcaklık her 20 dakika'da bir 1 °C düşürülerek 400. dakikanın sonunda 0°C'ye ulaştırılır. Higrometre ve ısıl çiftler (thermocouple) ile iç ortam, ara boşluk ve dış ortamda sıcaklık ve nem değişiminin takibi yapılır. Sonuç olarak, ölçülen camlar arası boşluk kısmi buhar basıncı değeri, dış camın iç yüzeyinde okunan sıcaklık değerine karşılık gelen doygun buhar basıncı değerinden küçük ise yoğuşma olmamaktadır denir. CSTB'nin yaptığı CLC 12-260039255 kodlu deney kapsamlı fiziksel sonuçlara ulaşabilmek ve üç farklı filtre modelleme yöntemini teyit etmek amacıyla bir CFD programı olan Solidworks Flow Simulation programında modellenmiştir. Modelleme sırasında toplam ağ sayısını azaltmak ve programın çalışma (işlem) süresini düşürebilmek amacıyla camlar, filtreler ve jaluzi modellenirken bazı basitleştirmeler yapılmıştır. Deneyde kullanılan iç cam kombinasyonu aynı ısıl iletkenlik değerine sahip tek katı olarak modellenmiş, jaluziler ise 0,30'luk gözeneklilik değerine sahip gözenekli ortam (porous media) olarak modellenmiştir. Filtreler ise "gözenekli ortamsız model"(model without porous media), "gözenekli ortamlı model" (model with porous media) ve "çizgisel kanal" (linear channel) olmak üzere üç farklı yöntem ile modellenmiş, sonuçlar bu yaklaşımlara göre karşılaştırılmıştır. Bu üç modelde hava geçiş alanın tam olarak aynı olması sağlanmıştır. Filtreler,"Model without porous media"da 775,5 mm2 yüzey alanına sahip yüzey ile, "Model with porous media" de 1250,7 mm2 alan ve % 63'lük geçirgenliğe sahip bir yüzey ile "çizgisel kanal"'da ise yatay kesit boyunca 4.5 mm genişliğindeki çizgisel bir kanal olarak modellenmiştir. İç ortam ve dış ortam şartları CSTB'de yapılan deneyin 400. dakikasının şartları referans alınarak atanmıştır. Modellerdeki ağ sayıları 370000 ile 550000 arasında değişmektedir. CFD modeli sürekli halde (steady state) olarak çalıştırılmıştır. CFD sonuçları hız, sıcaklık ve bağıl nem olmak üzere üç ana değişkenin değişimleri üzerinden yorumlanmıştır. CFD model sonuçları, deney sonuçları ile önemli oranda örtüşmektedir: Dış camın iç yüzeyinden, dış cam ile jaluzinin ortasından ve jaluzi ile iç camın ortasından üçer adet referans nokta seçilmiş; bu referans noktalar üç farklı model için ayrı ayrı karşılaştırılmıştır. CFD modelinden alınan sonuçlara göre cam yüzeyinde ve ara boşlukta yükseklik arttıkça sıcaklık artmakta, bağıl nem oranı ve akışkan hızı düşmektedir. Hız verileri jaluzi ile iç cam arasında üç farklı modelde önemli oranda örtüşmektedir. Üç farklı model sıcaklık dağılımı açısından önemli oranda örtüşmektedir. Ara boşluktaki sıcaklıklık dağılımının şekillenmesindeki en önemli etken baca etkisidir. Baca etkisi havanın kaldırma kuvveti sebebiyle oluşur. Havanın kaldırma kuvvetinin şiddeti ise hava yoğunluk farkına sebep olan sıcaklık farkı ve nem farkı nedeniyle oluşur. Ara boşluktaki hava hareketinde en temel etken doğal taşınım ile ısı transferidir. Hem doğal taşınım hem tek taraflı kısmi hava beslemesi yapılması tüm boşluktaki ortalama hız değerlerinin 0,1 m/s'nin altında kalmasına sebep olmuştur. "Çizgisel kanal" modelinde dar kanal etkisi ile görece yüksek hızlar, bağıl nemin ve yoğuşma noktasının görece düşük olmasına sebep olmuştur. August-Roche Magnus yöntemi sıcaklık ve bağıl nem değerleri kullanılarak ilgili noktanın yoğuşma noktasını bulmayı sağlayan bir yaklaşımdır. Bu yaklaşıma göre dış cam ile jaluzi arasındaki referans noktaların bağıl nem ve sıcaklık değerleri kullanılarak bulunmuş yoğuşma noktaları aynı hizadaki cam yüzeyindeki sıcaklık değerlerinden küçük olduğu için yoğuşma yoktur denir. Filtre pozisyonun etkisi, filtrenin dış cama 25 mm, 38 mm ve 56 mm uzaklıkta olduğu model sonuçları ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Filtreler dış camdan uzaklaştıkça dış cam civarındaki bağıl nem değerleri artmaktadır. Filtrenin dış cama olan mesafesi ara boşluk alt bölümündeki sıcaklık, bağıl nem ve hız dağılımlarını daha çok etkilemektedir. CFD sonuçlarına göre ara boşlukta ve cam yüzeyinde yoğuşma riski bulunmamaktadır. Sonuç olarak, filtre modelleme yaklaşımları ısı transferini ve akış davranışını modellemek için iyi bir alternatif olabilir. Kapsamlı CFD analizi ile ulaşılan sonuçlar kullanılarak yeni bir Façade Respirante cephe modülü oluşturulmuştur. Oluşturulan modül, CSTB'de geliştirilmiş yoğuşma testi metodolojisi temel alınarak oluşturulan bir metodoloji kullanılarak FTI (Façade Testing Institute) laboratuarlarında deneysel olarak analiz edilmiştir. İlk aşamada Jaluziler kaldırılmış, jaluziler tamamen kapatılmış ve jaluziler açılmış olarak üç adet deney yapılmıştır. Daha sonra kritik durum olan jaluzilerin indirilmiş ve kapatılmış olduğu durumda ayrı ayrı bir adet ve iki adet filtreyi de kapatarak iki adet daha deney yapılmıştır. Toplamda beş farklı varyasyona göre beş farklı deney yapılmıştır. Bu sayede Façade Respirante modülü ara boşluk içerisindeki havanın davranışına ve dış cam iç yüzey üzerindeki yoğuşma oluşumuna jaluzi ve filtrenin etkisini görmek amaçlanmıştır. Oluşturulan Façade Respirante modülü iç cam kombinasyonu 6/16/44.2 (6 mm cam + 16 mm hava boşluğu + 2 adet birbirlerine lamine edilmiş 4'er mm lik iç cam) dır. Yani cam boşluğu 16mm'dir ve iç camında laminasyon yapılmıştır. Ara boşlık mesafesi İç cam kombinasyonu ve dış cam dış yüzeyleri arasında 80.6 mm dir. Dış cam ise 6 mm kalınlıktadır.(Figure 7.9) Deney numunesinde kullanılacak cephe modülü 1260 mm x 2100 mm boyutlarındadır. Ara boşlukta dış cama 25 mm mesafede lamel genişliği 25 mm olan Hella marka Jaluzi yerleştirilmiştir. Alt kısma yoğuşma engelleme amaçlı hava girişini sağlamak amacıyla 500 µm lik ağ yapısına sahip 6 adet Sofabin marka filtre yerleştirilmiştir. Deneyde ortamı koşullandırmak amacıyla hava nemlendirme, nem alma, iklimlendirme ve basınçlandırma cihazı, nem ve sıcaklık ölçümü amacıyla ısıl çiftler ve nem ölçerler ve ölçümleri değerlendirebilmek amacıyla veri kaydediciler kullanılmıştır. Alt yatay profile 200 mm, 400 mm, 1400 mm ve 1800 mm yükseklik mesafelerinde dış cam iç yüzeye dört adet, dış cam ve jaluzi arasına 4 adet jaluzi ve iç cam arasına dört adet olmak üzere ara boşluğa toplam 12 adet ısılçift yerleştirilmiştir. Jaluzi ile dış cam arasındaki bölgeye alt yatay profile 200 mm ve 1000 mm yükseklik mesafesinde sıcaklık ve nem ölçme yeteneğine sahip nem ölçerler yerleştirilmiştir. Ara boşluğa yerleştirilmiş nem ölçerler %0,8 belirsizlik oranı ile ısıl çiftler ise ±0,2 °C belirsizlik değeleri ile kalibre edilmişlerdir. Ölçüm sonuçlarında jaluziler kapalı, jaluziler açık ve jaluziler kaldırılmış durumları arasındaki yoğuşma riski açısından en kritik durumun jaluziler kapalı iken gerçekleştiği görülmüştür. En kritik durum olan jaluzilerin kapatıldığı durumda iken önce bir filtre kapatılmış, daha sonra iki filtre kapatılmıştır. Yoğuşmanın ilk kez iki filtrenin de kapatıldığı durumda başladığı görülmüştür. Enerji performans analizi kapsamında önce oluşturulan Façade Respirante modülünün bütünsel ısıl geçirgenlik katsayısı (Uwindow) ve profiller üzerindeki yoğuşma durumu bulunmuş sonrasında ise TS 825'e göre oluşturulmuş sınırdaki pencerenin iletim ve taşınım ile gerçekleşen ısı kaybı ve güneş enerjisi kazançları göz önünde bulundurularak aylık ve yıllık bazda sağlayacağı toplam tasarruf ve karbon ayak izi tespit edilmiştir. EN 10077 standardına göre Bisco 2D sürekli hal (steady state) ısı transfer analizi programı aracılığıyla yapılan yoğuşma analizi sonucunda profiller üzerinde yoğuşma olmadığı sonucuna varılmıştır. "Vitrage Decision" programı ile yapılan model sonucu oluşturulmuş Façade Respirante modülü cam kombinasyonu ısıl geçirgenlik katsayısı (Ug) değeri 0,79 W/m2K, güneş enerjisi geçirme faktörü 0,39 (SHGC) olarak bulunmuştur. EN 10077-2 standardına göre ise tüm aluminyum çerçeve profillerinin ısıl iletkenlik hesap değeri bulunmuştur. EN 10077-1 standardında tanımlanan "Component Assessment Method" a göre oluşturulmuş Façade Respirante cephe modülünün ısıl geçirgenlik değeri (Uwindow) 1,56 W/m2K olarak bulunmuştur. Bu değer TS 825 standardına göre sınır değer olan 2,40 W/m2K değerine göre oldukça iyidir. TS 825'te tanımlanmış 2,40 W/m2K değerine sahip cam kombinasyonunun solar faktör değeri "Guardian Glass Performance Calculator" programında yapılan modelde EN 410 standardına göre 0,418 olarak bulunmuştur. TS 825'te tanımlanan değerler kullanılarak soğutma yükü, ısıtma yükü yıllık ve aylık bazda TS 825'te tanımlanan tüm iklim bölgeleri ve tüm yönler için hesaplanmıştır. Yapılan analize göre soğutma yükünden en büyük tasarruf birinci iklim bölgesinde doğu-batı cephelerinde en düşük tasarruf ise dördüncü bölgede kuzey cephede olmuştur. Isıtma yükünden yapılan en büyük tasarruf değerine ise dördüncü bölgede doğu ve batıya bakan cephelerde yapılan uygulamalarda ulaşılmıştır. Enerji performans analizi göstermektedir ki; oluşturulan cephe sistemi ile soğutma yükünde aylık 6,4 W/m2 ye kadar yıllık 17,8 W/m2'ye kadar; ısıtma yükünde aylık 23,6 W/m2'ye kadar ve yıllık 130,5 W/m2'ye kadar tasarruf yapılması mümkündür. Günlük 10 saat ve haftalık 5 gün ısıtma ve iklimlendirme cihazlarının çalıştığı varsayılırsa yıllık toplam her bir m2'lik pencere için 339.3 kWh'a kadar enerji tasarrufu imkanı sağlanmaktadır. 339.3 kWh'lik tasarruf sayesinde bu miktar enerji üretiminde ortaya çıkan 234 kg CO2 doğaya hiç salınmamış olacaktır. Bu sayede, 6 tane ağacın on yıllık yaşamı boyunca tolere edebileceği miktardaki CO2 doğaya hiç salınmamış olacaktır.  
The condensation risk and energy performance of closed cavity façade, so called Façade Respirante was analysed in this thesis. The research is composed of three different parts whiâch are condensation risk assessment based on computational fluid dynamics (CFD) modelling, testing condensation risk in Lab environment and energy performance analysis of tested closed cavity façade. Condensation risk assessment on CFD is based on the methodology and the data obtained from CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) test with CLC 12-260039255 code. The methodology and the result of this test is used in order to validate the outputs of three different filter modelling which are "Model with porous media", "Model without porous media" and "Linear channel" approach. These approaches are modelled separately as 3 different CFD models. The values obtained from interior cavity match up with each 3 models in quite high level in terms of relative humidity, temperature and velocity. Dew point values at "model with linear channel" is lower with respect to other models. The reason is having higher velocities leads to lower dew points. Higher velocities with ignorable level are observed at the model with linear channel. The dew points which are obtained with August-Roches Magnus approach in the middle of cavity between venetian blind and exterior glass are considerably lower than temperature on glass surface with same height. Therefore, there is no condensation in all specified CFD models with indicated conditions. There is also analysis with respect to filter distance change to exterior side. When filter gets closer to interior side, relative humidity next outer glass becomes higher. Filter position influences more bottom part of cavity from temperature, velocity and relative humidity aspect. As a result, Façade Respirante model is developed without any condensation under specified conditions by considering comprehensive CFD results. Closed cavity façade (Façade Respirante) experiment module is configured based on comprehensive CFD results. Configured closed cavity façade is tested at FTI (Façade Testing Institute) Labs in Istanbul Turkey. Experiment results indicates that there is high tendency to condensation formation at venetian blinds vertically positioned case. On the other hand, when the blinds are removed, there is less probability to form condensation on outer glass surface Moreover, as long as number of filter decrease, there is higher condensation risk. There is no condensation formation on glass surfaces, if there is at least 5 filters at bottom side of configured façade respirante system. Energy performance analysis is composed of two parts which are façade's thermal and energy performance analyses.The simulation for thermal analyses on specified aluminium surfaces of Façade Respirante shows that there is no condensation. Final Uw value of closed cavity façade module is determined as 1.56 W/m2K and 0.39 solar factor with respect to specified standards. The comparison with reference window which has 2.40 W/m2K and 0.42 solar heat gain coefficient based on TS 825 standard are made to evaluate the heat transfer due to temperature difference and solar radiation intensity. Consequently, there is monthly up to 6.4 W/m2 and annually up to 17.8 W/m2 saving in cooling load by applying cloesd cavity façade (CCF) system. Besides, there is monthly up to 23.6 W/m2 and annually up to 130.5 W/m2 saving in heating load by applying CCF system. There is up to 130.5 W/m2 heat transfer rate difference in Turkey. It means, it can be up to 339.3 kWh annual saving for each m2 of window. Configured CCF system with 339.3 kWh for each m2 energy saving potential, decrease 234 kg CO2 emission in a year which corresponds to 6 trees CO2 emission toleration.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
Anahtar kelimeler
Enerji, Enerji performansı, Energy, Energy performance
Alıntı