Sayısal Yöntemin Tanıtılması

Çok tabakalı yapı bileĢenlerinde higrotermal davranıĢları önceden bildiren modeller, yapı uygulayıcıları ve araĢtırmacıların ilgisini çekmektedir. Hesaplama modelinin seçimi; doğru belirlenen baĢlangıç Ģartlarıyla, sınır koĢullarına, malzeme özelliklerine, ölçme sonuçlarına ve güvenilir deneysel araĢtırmalara gereksinim duymaktadır (Lucas, 2002, Rode, 1995).

Son yıllarda, bina bileĢenlerinin ısı ve nem geçiĢinin sayısal simülasyon modellerinin uygulanması da artmaktadır. Fakat yapılan çalıĢmaların bir kısmı teorik düzeyde, sabit rejim Ģartlarında yürütülmektedir. Bunun yanı sıra değiĢken rejim hesaplama yöntemlerinin, malzeme özelliklerinin ve zaman faktörünün de göz önünde bulundurulmasıyla, oldukça karmaĢık metotlar olarak karĢımıza çıktığını görmekteyiz. Gerek sabit rejim, gerek değiĢken rejim Ģartlarında kabuğu oluĢturan malzemelerin özellikleri ve iklim elemanlarının günlük ve yıllık değiĢimleri ile ilgili bazı kabuller yapılmaktadır. Bu kabullerle yeterince duyarlı sonuçlar elde edilememektedir.

Günümüzde, duvar konstrüksiyonlarının ve katmanlarının zamana bağlı ısı, su ve nem akıĢı ile ilgili gerekli verileri kullanıcıya sağlayan çok sayıda bilgisayar modeli geliĢtirilmiĢtir. CHMC (Canada Mortgage and Housing Corporation )‘nin yaptığı bir araĢtırmada bu amaç için geliĢtirilen 45 bilgisayar modeli incelenmiĢ ve bu modellerden üçü gerekli kriterleri karĢılaması açısından, farklı duvar konstrüksiyonlarının higrotermal performansının değerlendirilmesinde uygun bulunmuĢtur. Bu bilgisayar modelleri; MATCH, WUFĠ ve MOĠST‘tir. Bu modeller duvar konstrüksiyonu içerisindeki ısı, su ve nem akıĢını tek boyutlu olarak hesaplamaktadır (Pehlevan, 2011).

Bu çalıĢmada son yıllarda bilimsel çalıĢmalarda nem geçiĢi açısından en güvenilir metotlardan biri olarak düĢünülen WUFĠ bilgisayar programı, Künzel analitik metodu kullanılmıĢtır. Bu metot yardımıyla yapılan hesaplamalar, deneysel sonuçlarla karĢılaĢtırılmıĢtır.

Wufi programı, Hartwig M. Künzel‘in doktora tezi kapsamında geliĢtirilmiĢ, tek ve çift boyutlu hesaplama modelidir. ―CEN EN 15026 Hygrothermal performance of building components and building elements — Assessment of moisture transfer by numerical simulation‖, standardına göre hesap yapmaktadır. Almanya ÇalıĢma ve Güvenlik Bakanlığı tarafından desteklenmiĢtir. WUFI®2D-3 çok tabakalı yapı bileĢenlerinin hidrotermal davranıĢlarının hesaplanması amacıyla kullanılan 2 boyutlu ısı ve nem transferi modelidir. Model standart malzeme özelliklerine (nem depolama, geçirgenlik fonksiyonları vb) ihtiyaç duymaktadır. Gerçek iklim Ģartları altındaki bileĢenlerin davranıĢlarını araĢtırmak amacıyla, ölçülmüĢ iklim verilerini kullanır. Ġlk inĢaat nemi ile birlikte, bileĢenlerin kuruma zamanını, yoğuĢma riski, yağmur etkisi ve farklı parametreler altındaki duvar ve çatıların hidrotermal performansı için kullanılmaktadır (Kwiatkowski, 2009).

Uluslar arası literatür tarandığında, birçok matematiksel yöntem ve hesaplama amacıyla kullanılan bilgisayar programlarından bahsedilmektedir. Özellikle periyodik rejim Ģartlarında hesaplamalar yapan ve güncel kullanımı olan programlar arasında, yapı sektöründe geniĢ kullanım alanı olan , Wufi-Ornl bilgisayar programıdır. Programın, literatürde birçok makalede kullanımına rastlanmıĢ ve sonuçları incelenmiĢtir. Amerika, Kanada ve Avrupa‘da yaygın kullanımı görülmektedir (Karoglou, 2007, Kwiatkowski, 2009, Woloszyn, M., 2008).

Modelde esas alınan enerji ve kütle eĢitlikleri aĢağıda sunulmuĢtur. Nem Transferi (1) Enerji Transferi (2) c = özgül ısı, J/kgK D = sıvı iletim katsayısı, kg/ms H = toplam ısı, J/m3 hV =faz değiĢiminin sınır ısısı, J/kg k = ısıl iletkenlik, W/(mK) psat =doymuĢ buhar basıncı, Pa

t =zaman, s T =sıcaklık, K

W =nem içeriği, kg/m3

P =buhar geçirgenliği, kg/(msPa)

 =bağıl nem

Her iki eĢitlikte sol taraftaki terimler depolama terimlerini, sağ taraftakiler ise ısı ve neme etki eden geçiĢ terimlerini içermektedir. BirleĢtirilmiĢ transfer eĢitlikleri, kapalı sonlu hacim Ģeması tarafından sayısal olarak çözülmektedir. Hesaplama modelinin iĢleyiĢi ġekil 3.1‘deki akım Ģemasında gösterilmiĢtir. Gerekli veri giriĢi incelenen bina bileĢeninin kompozisyonunu, yönelimini ve eğilimini içerir. Malzeme özellikleri ve iklimsel koĢullar veritabanından seçilebilmektedir.

ġekil 3.1. WUFĠ-ORNL/IBP Akım ġeması

Bu program, Windows tabanında, bina kabuğu bileĢenlerinin hidrotermal analizini yapan bir programdır. Hesaplamalarda kullanılan iklim dosyaları, ölçülmüĢ iklim verilerine bağlı sinüs eğrileridir. Model hidrotermal hesaplamalarda çalıĢılmıĢ olan, güneĢ radyasyonu, yağıĢ durumu, rüzgar hızı, bağıl nem ve sıcaklık gibi saatlik iklim verilerine ihtiyaç duyar. Amerika, Japonya, Avrupa‘ya ait tüm Ģehirlerin gerçek zamanlı iklimsel verileri programın veri tabanında mevcuttur. BaĢka iklim bölgesinde hesaplama yapılması istendiğinde ise .wac uzantılı excel tabanında bir dosya Ģeklinde, Saatlik Sıcaklık (°C), Saatlik Mahalli Basınç (hPa), Saatlik Nem (%), Saatlik GüneĢlenme ġid J/cm²) vb. Ġklim verileri girdi olarak kaydedilmektedir. Program ısı ve nem geçiĢini hesaplayarak, kütle ve ısı transferinin bir modelini oluĢturmaktadır (Blom, 2008).

Tablo 3.1. Meteorolojik Verilerin Bilgisayar Programına GiriĢ Dosyası

ġekil 3.2. Örnek Ġl (Edirne) DıĢ Sıcaklık Değerlerine Ait Yıllık DeğiĢimler

ġekil 3.3. Örnek Ġl (Edirne) DıĢ Ortam Bağıl Nem Değerlerine Ait Yıllık DeğiĢimler

Ġç ortama ait veriler EN 13788, EN 15026 ve ASHRAE 160P standartları kullanılarak, seçilmektedir. Seçilen standartta binanın fonksiyonuna göre iç ortam

nemlilik düzeyi seçilmektedir. Belirlenen nem düzeyine göre konfor açısından yıl boyunca sağlanması gereken sıcaklık ve nem değerleri program tarafından oluĢturulmaktadır.

ġekil 3.4. Edirne Ġli Yıllık Ġç Ortam Sıcaklık Grafiği (EN 15026‘ya Göre)

ġekil 3.5. Edirne Ġli yıllık iç ortam bağıl nem grafiği (EN 15026‘ya göre)

Simülasyon sonuçlarının doğruluğu çoğunlukla malzeme özelliklerinin elde edilebilirliğine bağlıdır. Güvenilir malzeme özelliklerinin eksikliği modern simülasyon modellerinin en önemli sorunlarındandır. Wufi programında, programın bir parçası olan malzeme veritabanı, Kuzey Amerika da sıkça kullanılan malzeme özellik veritabanı (ASHARE 2000) yer almaktadır. Her malzeme için ihtiyaç duyulan minimum parametreler, ısı kapasitesi, ısı iletim katsayısı, yoğunluğu, porozitesi, buhar difüzyon direnç faktörüdür. Eğer higroskopik emicilik ve kapilarite dikkate alınacaksa nem depolama eğrisi ve sıvı iletimi de eklenmelidir (Karagiozis, 2001).

Tablo 3.2. Hesaplamalarda Kullanılan Yapı Malzemelerinin Fiziksel Özellikleri (Wufi) Yoğunluk  (kg/m3) Porozite (m3/m3) Özgül Isı Kapasitesi C (J/kgK) Isı Ġletkenlik Katsayısı  (W/mK) Su buharı Difüzyon Direnç Faktörü µ (-) Alçı Sıva 850 0,65 850 0,2 8,3 Betonarme C12-15 2200 0,18 850 1,6 92 EPS density=30 kg/m3 30 0,95 1500 0,04 50 XPS 40 0,95 1500 0,03 100 MW 60 0,95 850 0,04 1,3 Çimento-kireç Sıva 1310 0,36 850 0,87 8

Su içeriğine göre ısı iletkenliğinin değiĢimi

Bağıl neme göre µ değeri değiĢimi

ġekil 3.6. Ġç Sıva Malzemesinin Özellikleri

Su içeriğine göre ısı iletkenliğinin değiĢimi

Bağıl neme göre µ değeri değiĢimi

Su içeriğine göre ısı iletkenliğinin

değiĢimi Bağıl neme göre µ değeri değiĢimi

ġekil 3.8. DıĢ Sıva Malzeme Özellikleri Su içeriğine göre ısı iletkenliğinin değiĢimi

Bağıl neme göre µ değeri değiĢimi

ġekil 3.9. EPS (GenleĢtirilmiĢ Polistiren Köpük) Malzeme Özellikleri Su içeriğine göre ısı iletkenliğinin

değiĢimi

Bağıl neme göre µ değeri değiĢimi

Su içeriğine göre ısı iletkenliğinin

değiĢimi Bağıl neme göre µ değeri değiĢimi

ġekil 3.11. MW (Mineral Yünü) Malzeme Özellikleri

Programda yapılan hesaplamaların sonuçları hem sayısal hem de grafik anlatımda elde edilebilmektedir. Grafik anlatımda elde edilen sonuçlara örnek olarak ġekil 3.12.‘de Soğuk Ġklim Bölgesi, Ġçeriden Yalıtımlı Duruma ait grafikler verilmiĢtir. ÇalıĢmamızda hedeflediğimiz amaç farklı sistemlerin birbiri ile karĢılaĢtırılması olduğundan, çalıĢma kapsamında sayısal veriler kullanılarak ―Excel‖ ortamında grafikler oluĢturulmuĢtur.

,,

Sıcaklık Bağıl Nem Su Ġçeriği