Binalarda Isıtma Enerjisi İhtiyacının Dinamik Analiz Yöntemi İle Hesaplanması

ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ


_{FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ}

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ

OCAK-2012

BĐNALARDA ISITMA ENERJĐSĐ ĐHTĐYACININ DĐNAMĐK ANALĐZ YÖNTEMĐ ĐLE HESAPLANMASI

Mehmet Fatih ŞEREMET

Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Isı-Akışkan Programı

OCAK-2012

ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ


_{FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ}

BĐNALARDA ISITMA ENERJĐSĐ ĐHTĐYACININ DĐNAMĐK ANALĐZ YÖNTEMĐ ĐLE HESAPLANMASI

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Mehmet Fatih ŞEREMET

(503081116)

Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Isı-Akışkan Programı

Tez Danışmanı : Doç. Dr. Mustafa ÖZDEMĐR ... Đstanbul Teknik Üniversitesi

Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Feridun ÖZGÜÇ ... Đstanbul Teknik Üniversitesi

Prof. Dr. Fırat Oğuz EDĐS ... Đstanbul Teknik Üniversitesi

ĐTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü’nün 503081116 numaralı Yüksek Lisans Öğrencisi Mehmet Fatih ŞEREMET, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten sonra hazırladığı “BĐNALARDA ISITMA ENERJĐSĐ ĐHTĐYACININ DĐNAMĐK ANALĐZ YÖNTEMĐ ĐLE HESAPLANMASI” başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile sunmuştur.

Teslim Tarihi : 19 Aralık 2011 Savunma Tarihi : 25 Ocak 2012

ÖNSÖZ

Bu çalışmanın hazırlanmasında, daha önceden lisans bitirme tasarım projesinde de beraber çalışma fırsatı bulduğum çok değerli hocam Sn. Doç. Dr. Mustafa ÖZDEMĐR’e, engin bilgi birikimini ve tecrübelerini aktardığı ve ayrıca hiçbir konuda yardımını esirgemediği için çok teşekkür ederim.

Yüksek lisans döneminde tanıştığım, güzel dostluklar kurduğum, beraber muhabbet ettiğimiz, eğlendiğimiz, birlikte dirsek çürüttüğümüz, bana her konuda yardımcı olan çok değerli, cana yakın yüksek lisans arkadaşlarıma teşekkür ederim.

Bugünlere gelmemde en büyük emeğe sahip olan, karşılıksız sevgilerini bana her zaman gösteren ve maddi, manevi hiçbir şekilde benden desteklerini esirgemeyen biricik aile fertlerim; babam Sn. Yusuf ŞEREMET’e, annem Sn. Gönül ŞEREMET’e, kardeşlerim Sn. Hale ŞEREMET ve Sn. Alper ŞEREMET’e en derin sevgi ve saygılarımı sunarım.

Yüksek lisans derslerimin son döneminde tanıştığım ve tez çalışmam boyunca bana hep destek olan, sıkıntılarımı paylaşan, çözüm üreten, benim mutlu kılan ve çok yakında beraber aynı hayatı paylaşacağımız çok değerli müstakbel eşim Sn. Emine Tuba OSMANOĞLU’na derin sevgilerimi ve teşekkürlerimi sunarım.

Ocak-2012 Mehmet Fatih ŞEREMET

ĐÇĐNDEKĐLER

Sayfa

ÖNSÖZ... vii

ĐÇĐNDEKĐLER... ix

KISALTMALAR ... xi

ÇĐZELGE LĐSTESĐ... xiii

ŞEKĐL LĐSTESĐ ...xv

SEMBOL LĐSTESĐ... xvii

ÖZET ...xix

SUMMARY...xxi

1. GĐRĐŞ ...1

2. LĐTERATÜR ARAŞTIRMASI ...5

3. BĐNALARDA ISITMA ĐHTĐYACI HESAPLAMA YÖNTEMLERĐ ...11

3.1 TS 825 Binalarda Yalıtım Kuralları Standartı Ve Aylık-Mevsimsel Statik Yöntem ...13

3.1.1 TS 825 standartı genel kavramları ...13

3.1.2 TS 825 ısıtma yükü hesap yöntemi ...14

3.2 EN13790 Basit Saatlik Isıtma Analizi Yöntemi ...18

3.2.1 Direnç kapasite (RC) modeli ...18

3.2.2 EN13790 ısıtma yükü hesaplama yöntemi ...20

3.3 Yöntemlerin Karşılaştırılması...22

3.4 Đklim Verileri Ve Dış Hava Sıcaklığının Değişimi ...23

4. DĐNAMĐK ISITMA YÜKÜ ĐÇĐN YENĐ YÖNTEMLER...27

4.1 Genel Açıklamalar Ve Yapılan Kabuller...27

4.2 Toplam Kütle Modeli (1. Hesaplama Yöntemi) ...29

4.2.1 Toplam kütle modeli genel esasları...29

4.2.2 Sisteme enerji verildiği durum için zamana bağlı çözüm...31

4.2.3 Sisteme enerji verilmediği durum için zamana bağlı çözüm...36

4.3 Bina Dış Yapı Elemanlarının Dinamik Davranışını Đnceleyen Model (2. Hesaplama Yöntemi)...40

4.3.1 Bina dış yapı elemanlarının dinamik davranışının eldesi...40

4.3.2 Bina içi sıcaklığının eldesi...48

4.4 Örnek Binada Enerji Modellerinin Karşılaştırılması ...51

4.4.1 Birinci hesaplama yöntemi sonuçları ...54

4.4.2 Đkinci hesaplama yöntemi sonuçları ...55

4.4.3 Yöntemlerin TS 825 ile karşılaştırılması...59

4.5 Isıtma Sistemi Seçimi ...61

5. SONUÇLAR VE ÖNERĐLER...65

KAYNAKLAR ...71

EKLER...73

KISALTMALAR

AIC : Akaike Information Criteria AB : Avrupa Birliği

ASHRAE : American Society of Heating, Refrigerating and Air-Condititioning Engineers

BEP : Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği

BEP-TR : Türkiye Đçin Bina Enerji Performansı Ulusal Hesaplama Yöntemi EN : European Standards

ĐZODER : Isı, Su, Ses ve Yangın Yalıtımcıları Derneği MMO : Makina Mühendisleri Odası

MTH : Mekanik Tesisat Hesapları Yazılım Programı NSRDB : National Solar Radiation Database

RC : Direnç-Kapasitans Yöntemi TC : Türkiye Cumhuriyeti TEP : Ton Eşdeğer Petrol

TFM : Transfer Fonksiyon Metodu TMY : Typical Meteorological Year TRY : Test Reference Year

TS : Türk Standartları

ÇĐZELGE LĐSTESĐ

Sayfa Çizelge 3.1 : Ankara iline ait aylara göre WYEC, TMY, TMY2 verileri referans

yılları. ...24

Çizelge 3.2 : Ankara iline ait aylara göre 0C cinsinden kuru termometre sıcaklıklarının saatlik değerleri...26

Çizelge 4.1 : Bina dış duvar bilgileri ve elde edilen ortalama değerler. ...28

Çizelge 4.2 : Çatı bilgileri ve ortalama değerler. ...51

Çizelge 4.3 : Pencere bilgileri. ...51

Çizelge 4.4 : Bina içi malzemelerin toplam kütle-özgül ısı çarpımı değerleri. ...52

Çizelge 4.5 : Bina içi bölgelerinin sıcaklıkları ile bina toplam ve ortalama sıcaklığı. ...53

Çizelge 4.6 : Hesap yöntemlerine göre aylık ısıtma enerji ihtiyaçları. ...60

ŞEKĐL LĐSTESĐ

Sayfa Şekil 3.1 : Bir yapı elemanının ısıl direnci gösterimi ve sıcaklık dağılımı...16 Şekil 3.2 : RC (Direnç-Kapasitans) modelinin gösterimi...19 Şekil 3.3 : Genelleştirilmiş bina formları. ...20 Şekil 3.4 : Operatif sıcaklık değerine bağlı olarak ısıtma-soğutma ihtiyacının tayini.

...22 Şekil 4.1 : Ankara ili Ocak ayı dış hava sıcaklığının gün içindeki değişimi. ...26 Şekil 4.2 : Bina dış duvarının yapısı...30 Şekil 4.3 : Bina içine radyatörle enerji girişi ve bina dış kabuğundan enerji kaybı.30 Şekil 4.4 : Yapı elemanı üzerinde sıcaklığın dağılımı...41 Şekil 4.5 : Düşey asimptotlarla ayrılan denklem eğrileri ve βsayıları...45 Şekil 4.6 : Birinci hesaplama yöntemine göre sürekli enerji aktarımı sonucunda

meydana gelen Ocak ayı günlük bina içi sıcaklığı grafiği...54 Şekil 4.7 : Birinci hesaplama yöntemine göre Ocak ayı iki günlük sıcaklık grafiği.

...55 Şekil 4.8 : Duvar sıcaklığının zaman ve konumla değişimi. ...56 Şekil 4.9 : Ocak ayı için duvar sıcaklığının zamana ve konuma bağlı değişimi...56 Şekil 4.10 : Ocak ayı için pencere sıcaklığının zamana ve konuma bağlı değişimi. .57 Şekil 4.11 : Ocak ayı için çatı sıcaklığının zamana ve konuma bağlı değişimi...57 Şekil 4.12 : Đkinci hesaplama yöntemine göre Ocak ayı günlük sıcaklık grafiği...58 Şekil 4.13 : Đkinci hesaplama yöntemine göre Ocak ayı dört günlük sıcaklık grafiği.

...58 Şekil 4.14 : Isıtma yükü hesaplama yöntemlerinin karşılaştırılması...61 Şekil 4.15 : Birinci hesaplama yöntemi ile elde edilen Ocak ayına ait ısıtma gücünün

bir günlük değişiminin grafiği...62 Şekil 4.16 : Đkinci hesaplama yöntemi ile elde edilen Ocak ayına ait ısıtma gücünün

dört günlük değişiminin grafiği...63 Şekil 5.1 : Yalıtım olmadığı durumda Ocak ayı için günlük sıcaklık grafiği. ...67 Şekil 5.2 : Yalıtımın daha fazla olduğu durum için Ocak ayı günlük sıcaklık grafiği.

...68 Şekil A.1 : Excel ortamında bina içi ve dış kabuğu sıcaklıklarının hesaplanması....74 Şekil B.1 : Örnek binanın kesiti. ...79 Şekil B.2 : Örnek binanın zemin kat planı...80 Şekil B.3 : Örnek binanın birinci kat planı. ...81

SEMBOL LĐSTESĐ A : Yüzey Alanı [m2] B : Brülör Kapasitesi [kJ/m3] c : Özgül Isı [J/kgK] D : Bina Dış Kabuğu f : Fonksiyon

H : Bina Özgül Isı Kaybı [W/K] h : Isı Taşınım Katsayısı [W/m2K] i : Bina Đçi

k : Isı Đletim Katsayısı [W/mK] L : Yapı Malzemesi Kalınlığı [m] m : Kütle [kg]

R : Isıl Direnç [m2K] q : Isıtma Gücü [W]

Q : Isıtma Enerji Đhtiyacı [kJ] T : Sıcaklık [°C]

t : Zaman [s, dak]

U : Toplam Isı Geçiş Katsayısı [W/m2K] V : Hacim [m3]

x : Konum [m]

Z : Artırım katsayısı Yunan Harfleri

α _{: Termal Difüzyon Katsayısı [m}2_/s] β _{: Üstel Đfade}

χ _{: Mesafe Değişkeni}

ϕ _{: Zamandan Bağımsız Süperpozisyon Đfadesi} γ _{: Açı Değeri [rad]}

η _{: Yakma Verimi [%]} λ _{: Üstel Đfade} µ _{: Đntegralleme Çarpanı} θ _{: Değişken Dönüşümü} ρ _{: Yoğunluk [kg/m}3_]

τ

ψ

Alt Đndisler

0 : Dış Hava ay : Aylık boy : Boyler

D : Bina Dış Kabuğu

dış : Aylık Ortalama Dış Sıcaklık ef : Efektif Ortalama

h : Genel Çözüm ısı : Isıtıcı

i : Bina Đçi, Yapı Malzeme Sayısı iç : Aylık Ortalama Đç sıcaklık j : Bina Đçi Malzeme Sayısı

k : Yakıt

n : Sayı Sırası ö : Özel Çözüm R : Radyatör set : Ayar Değeri su : Radyatör Suyu t : Bina Duvar Arası top : Toplam

tr : Toplam Đletim ve Taşınım

tr,op : Opak Yüzeylere Ait Toplam Đletim ve Taşınım tr,win : Saydam Yüzeylere Ait Toplam Đletim ve Taşınım u : Alt Değer

yak : Yakıt yıl : Yıllık

BĐNALARDA ISITMA ENERJĐSĐ ĐHTĐYACININ DĐNAMĐK ANALĐZ YÖNTEMĐ ĐLE HESAPLANMASI

ÖZET

Son yıllarda teknolojik gelişmeler, endüstrileşme, şehirleşme ve nüfus artışı ile birlikte enerjiye olan ihtiyaç artmış, bu nedenle enerji verimliliği artırma ve enerjinin korunması için yeni yöntemler geliştirme zorunluluğu doğmuştur. Enerji tüketiminin önemli bir bölümüne sahip olan binaların enerji verimliliği için ise farklı enerji analiz yöntemleri oluşturulmuştur. Bu yöntemler aylık-mevsimsel statik analiz, basit saatlik dinamik analiz ve dinamik analiz yöntemleri olup dinamik analiz yöntemi gerçeğe daha yakın sonuçlar vermektedir.

Bu tez çalışmasında, dinamik analiz hesaplama yöntemi mantığı kullanılarak iki farklı matematiksel model oluşturulmuştur. MMO’ya ait “Kalorifer Tesisatı” kitabında yer alan örnek bina bu hesaplama yöntemlerinin sonuçların ortaya konduğu bina olarak seçilmiştir. Dinamik analiz hesaplama yöntemi kullanılarak oluşturulan ilk yöntem, toplam kütle yaklaşımı yöntemi olup bu yöntemde bina içi ve bina dış kabuğu farklı kontrol hacimler olarak ele alınmıştır. Kontrol hacimlerin sıcaklıklarının değerleri, birbirlerine bağlı diferansiyel denklem sistemi kurularak anlık olarak hesaplanmıştır. Diğer yöntem ise bina dış kabuğu sıcaklığının parabolik ısı denkleminin çözümü ile eldesinden yola çıkmakta olup bulunan anlık bina dış kabuğu değeri denklem sistemi içerisine konarak bina içi sıcaklığı hesaplanmaktadır. Đki farklı yöntemle bir binanın ısıtma sezonu için detaylı ısıtma analizi yapılmış, bunun sonucunda ısıtma sezonunun her ayı için ısıtma yükü ihtiyacı hesaplanmış ve hesaplamalardan elde edilen sonuçlar TS 825’te yer alan hesaplama yöntemi ile karşılaştırılmıştır.

Dinamik analiz yöntemi ile elde edilen çözümler anlık olarak hesaplanmakta olduğu için bu yöntem ile yapılan hesaplamalarda dış hava sıcaklığının anlık değişimi hesaba katılmaktadır. Bu sebeple, iklim verileri hesaplamalarda önemli bir yer tutmaktadır. Örnek bina için bina yerleşkesine (Ankara) ait değişken iklim verileri hesaplamalarda kullanılmıştır. Her ay için elde edilen saatlik ortalama sıcaklıklar sırasıyla gün içindeki artma ve azalma eğilimleri göstermelerinden dolayı, her ay için oluşturulan ortalama gün, üç farklı parça olarak alınmış ve aylık ortalama gün için yapılan hesaplamalar bu farklı sıcaklık değerleri kullanılarak yapılmıştır.

Oluşturulan matematiksel modeller ve değişken iklim verileri kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda örnek bina için yıllık ısıtma yükü ihtiyacının, birinci yöntem için TS 825 standartına göre %36, ikinci yöntem için ise %50 civarında daha az olduğu öngörülmüştür.

Yeni yöntemlerden elde edilen sonuçlara göre ısıtma sistemi seçimi için kazan ve boyler seçimi yapılmıştır. Ayrıca binalarda ısı yalıtımının enerji verimliliğine etkisi araştırılmış, farklı yalıtım durumları için dinamik analiz yöntemiyle hesaplamalar yapılmıştır. Hesaplama sonuçları, TS 825 standartı ile karşılaştırılmıştır.

HEATING LOAD CALCULATION OF BUILDINGS BY THE METHOD OF DYNAMIC ANALYSIS

SUMMARY

In recent years, energy need is increased because of technological improvements, industriliazation, urbanization ve increment of population, thus, new methods for the improvements on energy efficiency increase and energy conservation become necessity. New energy analysis methods for energy efficiency of buildings are formed because buildings have a significant share on energy consumption. These methods are, monthly-seasonal statical analysis, hourly simple analysis and dynamic analysis methods.

Currently, monthly-seasonal statical analysis, hourly simple analysis methods which are used for heating load calculation of buildings in Turkey, include some kind of deficiencies as a calculation form. Therefore, results which obtained from these methods departs from accuracy when they are compared with real condition. However, solutions which are closer to real condition are acquired, beceause, the solutions are calculated instantaneously in dynamic analysis method.

Superiority of dynamic analysis methods when compared with other methods is that, the calculations are made instantaneously instead of using time intervals which are used in other methods. In monthly-seasonal statical analysis method, the lowest temperature is chosen as the ambient air temperature and it is thought as a constant for the location. In hourly simple analysis method, time interval is chosen as one hour. Especially, the results obtained from dynamic analysis method become important for the transition seasons which have significant errors when they are calculated by other methods.

In this thesis, two different mathematical models are formed using dialectic of dynamic analysis calculation method. Results of these methods are calculated on reference building which takes place in the book of “Heating Systems” which belongs to MMO. The first method is the approach of lumped methods and inlet building and building envelope are thought as two different control volumes. Firstly, differential equation systems are formed based on the equation of energy conservation. Secondly, initial conditions are determined. Temperature ranges of control volumes are calculated instantly depending on together, starting from initial conditions.

The equation for the inlet building temperature in the first mathematical model approach is basically given below before the constant values of exponential expressions are not determined:

1 2 0 1 2 ( ) t t su su i ACT ADT BDT T t C e C e AC AD BD λ λ + + = + + + + (4.29)

The equation for the building envelope temperature is given with the constants of exponential expressions: 1 2 1 2 0 1 1 2 2 ( ) 1 2 ( ) t t t t su su D ACT ADT BDT C e C e A B C e C e AC AD BD T t B λ λ λ λ λ +λ + + _ + + + + _ + +   = su AT B − (4.30)

The second mathematical model, once, achieves the temperature range of building envelope using the solution of parabolic heat equation. Boundary and initial conditions are determined for the solution of building envelope temperature equation. Because, the heat convection condition takes part on the boundary conditions, variable transformation is done and the superposition method is applied. Equation of energy conservation is used again for the solution of inlet building temperature. The temperature range of inlet building is calculated placing the temperature range of building envelope into the differential equation system.

The building envelope temperature which is firstly obtained is given below:

2 2 0 0 2 0 4 1 1 ( , ) 1 i o i i D n _n n h h L h k T x t k h k h θ β β ∞ =   _{ }  +  +     = − _  ₊   

∑

(

)

2 sin 2 tan sin 2 tan

n n n n n n n n h L L h h kL L k k L L h h β β β β β β β − β −   − + +            +   −   +    _{      }     2 0 sin( ) 1 1 (1 ) nt i o n o i i h x x e T h h L _k h k αβ θ β ₊γ − ₊  ₊ ₊     + + (4.114)

The inlet building temperature with its constants is:

( ) Et Lt i K M N N M K T t e e L L E L E L − − −  −  = − +_ + _ −  −  (4.130)

The calculations are obtained instantaneously with real time in dynamic analysis method, so that, instantaneous change in the ambient air temperature taken into

account in the calculations. Therefore, climate data, has an important place in the calculations. Variable climate data for the location (Ankara) in where the reference building is situated, are used in the calculations. Hourly average temperature values which are obtained for every month increases, decreases and increases respectively in a day, so that, every average day which are formed for every month is divided into three different parts. These different temperature values are used for the calculation of heating load.

Heating load of the reference building is 57.642.022kJ when it is calculated with TS 825 standard method. The heating load value is foreseen as 36.713.070kJ for the first mathematical approach and 28.839.729kJ for the second mathematical model. The results of the mathematical models are close, but they are quite lower than TS 825 results. Using variable climate data and instantaneous calculation make this significant difference. In addition, phenomenon of thermostat principal for the conservation of inlet building temperature determine the minimum and maximum values. So, exceed energy consumption is prevented and energy is transferred into the building transiently unlike the statical method, which has a regular energy transfer into the building.

There’s no comparison between the results of two mathematical models and hourly simple analysis. Hourly simple analysis method is given in EN 13790 and BEP-TR calculation software is formed by using EN13790 calculation procedure. EN 13790 has standard building geometric forms and every building’s heating load is calculated with analogy of the building geometry between the most resembling building geometry form. Thus, accuracy can not be provided with analogy. Also, this calculation procedure is very complex and very much input data is needed, this makes the analysis method useless.

After the results are given, the boiler is chosen for the heating system according to results of new methods and they are compared with TS 825. Moreover, the effect of isolation for buildings on the energy efficiency is observed and the new calculations are made for the different isolation conditions including no isolation and high isolation, using dynamic analysis methods. Calculation results are compared with TS 825 standard.

1. GĐRĐŞ

Sanayi devrimi ile birlikte dünya üzerinde enerjiye duyulan ihtiyaç artmış, bu durum geçmiş yüzyılda ülkelerin kalkınma ve birbirlerine üstünlük sağlama konusundaki en önemli dinamiklerinden biri olmuştur. Günümüz dünyasına gelindiğinde ise teknolojik gelişmeler, endüstrileşme, şehirleşme ve nüfus artışı ile birlikte enerji ihtiyacı ve bu talebin karşılanması dünyanın en önemli meselelerinden biri haline gelmiştir. Bir ülkede kişi başına düşen ortalama enerji miktarının o ülkenin kalkınmışlık düzeyini belirlemede kriter olarak alındığı göz önünde bulundurulduğunda ekonomik ve sosyal kalkınmanın en önemli yapıtaşlardan birinin enerji olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır.

Türkiye geneline bakıldığında, TC Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nın 2009 yılı genel enerji dengesi raporuna göre, Türkiye’nin yıllık enerji tüketimi 112452 BinTEP (bin ton eşdeğer petrol) iken bunun yalnızca %27’lik bir kısmı yerli üretimdir. Yıllık enerji kullanımının 2001 yılında 73946, 2006 yılında 97995, 2009 yılında ise 112452 BinTEP olduğu değerlendirildiğinde her geçen gün enerji ihtiyacının artmakta olduğu görülmektedir (Url-1). Ayrıca dışa bağımlılığın yüksek olması, enerji fiyatlarında yaşanan dalgalanmalar, artışlar ve zaman içerisinde enerji kaynaklarının azalıyor olması neticesinde son yıllarda enerji verimliliği üzerine ciddi çalışmalar yapılmaya başlanmıştır.

Enerji ihtiyacının %73’ünü ithal eden Türkiye’de binaların enerji tüketimindeki payı yaklaşık %32’dir (Url-2). Binalarda enerji tüketiminin yaklaşık %50’lik bir kısmı ise enerjinin yeterince korunamaması ve ülkedeki enerji yönetiminin verimli olmaması nedeniyle boşa harcanmaktadır. Binalarda enerji tüketiminin azaltılması ve AB yasaları uyumu kapsamında 1998 yılında TS 825 “Binalarda Isı Yalıtımı Kuralları” ile 2000 yılında 24043 sayılı “Binalarda Isı Yalıtımı Yönetmeliği” yayınlanarak ısı yalıtımı zorunlu hale getirilmiştir.

Isı yalıtımının zorunlu hale getirilmesinin ardından yıllar içerisinde binalarda enerji tüketiminin azaltılması konusunda çalışmalar devam etmiş, 2007 yılında çıkarılan

5627 sayılı “Enerji Verimliliği Yasası”na dayanılarak hazırlanan ve 2008 yılı sonunda yayınlanan 27075 sayılı “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği”nde ise binaların enerji tüketimlerine (kWh/m²yıl) ve CO2 emisyon miktarlarına

(kgCO2/m²yıl) göre sınıflandırılmaları ve bu performans göstergelerinin belirli sınırların altında tutulması zorunlu kılınmıştır.

Binalarda enerji verimliliği hususunda çıkarılmış olan yönetmeliklerde bina enerji verimliliği hesaplama yöntemleri yer almaktadır. Hesaplama yöntemleri ampirik formüllere dayalı ifadelerden oluşmaktadır ve herhangi bir binanın dinamik olarak enerji performansını belirlemekten uzaktır. Özellikle sonbahar ve ilkbahar gibi geçiş mevsimleri süresince bu hesap yöntemleri ile oluşturulan bina enerji performansları incelendiğinde gerçeğe göre dikkate değer sapmalar olduğu gözlenmektedir. Ayrıca, yöntemlerde birtakım eksiklikler olduğu konu ile ilgili uzman mühendis ve mimarlar tarafından da dile getirilmektedir. Bu sebeple binalar için enerji verimliliğini gerçeğe daha yakın sonuçlarla ortaya koyan yeni yöntemlere ihtiyaç vardır.

Bu tezin amacı, Türkiye’de enerji verimliliği çalışmaları kapsamında ortaya çıkarılan yönetmeliklerde yer alan bina enerji performansı hesaplama yöntemlerine karşılık yeni yöntemler sunmak, binalarda ısıtma için yapılacak olan enerji analizinin daha kesin sonuçlar verebilmesi adına matematiksel ifadelerden yola çıkarak analizin daha gerçeğe yakın olmasını sağlamaktır. Bunun için iki farklı matematiksel model uygulanmış ve bunların sonuçları tartışılmıştır. Birinci model, her iki yönde taşınım şartı bulunan parabolik ısı denklemine göre sıcaklık eldesinden yola çıkan enerji analizi; ikinci model ise, birinci dereceden iki bilinmeyenli diferansiyel denklemlere göre sıcaklığın eldesinden yola çıkan enerji analizidir.

Çalışmanın ikinci bölümde literatür araştırmasına yer verilmiştir. Üçüncü bölümde ise, TS 825 ve EN13790’da yer alan ısıtma yükü hesapları hakkında detaylı bilgiler verilmiş ve bu iki yöntem arasında karşılaştırma yapılmıştır. Ayrıca, dış hava sıcaklığının değişimine bağlı olarak oluşturulan iklim verilerinden söz edilmiştir. Dördüncü bölümde iki matematiksel modelin kurulumu ve çözüm yöntemleri sırasıyla anlatılmıştır. Daha sonra bu iki analizin sonuçlarını daha iyi yorumlayabilmek amacıyla MMO Yayınları’ndan çıkan “Kalorifer Tesisatı” kitabında yer alan ısı yalıtımı proje örneğinin hazırlandığı örnek bina, bu iki matematiksel modele göre de örnek bina olarak seçildiği için, binanın mimari ve termodinamik özelliklerinden bahsedilmiş, projenin ısıtma yükü ihtiyacı bu

modellere göre hesaplanmış ve karşılaştırmalar yapılmıştır. Ayrıca, aylık-mevsimsel statik hesaplama yöntemi (TS 825) ile hazırlanan bu proje ile detaylı dinamik analiz yöntemini baz alarak yapılan iki matematiksel modelin sonuçlarının karşılaştırılmasıyla, iki yöntem arasındaki farklar da ortaya konmuştur. MMO kalorifer tesisatı hesap yöntemine göre her iki yöntem için kazan ve boyler seçimleri yapılmıştır. Son bölümde ise elde edilen sonuçların tartışması yapılmış, binalarda enerji verimliliği üzerine yorumlar belirtilmiş, ayrıca yeni yöntemler üzerinde bina yalıtımı ve yalıtım verimliliği incelenmiştir.

2. LĐTERATÜR ARAŞTIRMASI

T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı resmi internet sitesinde yıllara ait genel enerji dengesi raporlarını yayınlamaktadır. Bu raporlardan Türkiye’nin yıllık enerji üretim, ihracat ve ithalat değerlerine ulaşılmaktadır. Kullanılan enerji kaynakları ve bu kaynakların kullanım oranları raporda yer almaktadır. Ayrıca sanayi sektörleri ve binalar gibi enerji ihtiyacı bulunan yerlerin kullandıkları enerjinin dağılım bilgileri de raporda bulunmaktadır (Url-1).

TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı tarafından oluşturulan ve 14 Haziran 1999 tarihli Resmi Gazete’de yer alan “TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Yönetmeliği”, binaların ısıtma yükü net enerji ihtiyacı değerinin hesaplanması için kullanılacak genel hesap yöntemini açıklayarak Türkiye’de yer alan binaların ısıtılması için kullanılacak enerji miktarlarını sınırlandırmakta, bu sayede enerji tasarrufunu arttırmaktadır. Yönetmeliğin diğer amaçları ise yeni yapılacak bir binaya ait çeşitli tasarım seçeneklerine bu standartta açıklanan hesap yöntemi ve değerlerinin uygulanarak, ideal enerji performansını sağlayacak tasarım seçeneğini belirlemek, mevcut binaların ısıtma ihtiyacı yükünü hesaplamak, mevcut bir binaya ait yenileme projesi uygulanmadan önce, uygulanabilecek enerji tasarruf tedbirlerinin sağlanabileceği tasarruf miktarlarını belirlemek, bina sektörü için örnek teşkil edecek binaların enerji ihtiyaçlarının hesaplanıp, elde edilecek sonuçların ışığında binalar için gelecekteki enerji ihtiyacını ulusal seviyede tahmin etmektir. Yönetmelik binalarda yalıtım konusunda önemli bir yenilik sağlamıştır (TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı, 1999).

Genceli ve Parmaksızoğlu, Makina Mühendisleri Odası (MMO) için yayınladıkları “Kalorifer Tesisatı” adlı kitaplarında ısıtma yükü ihtiyacı için “TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Yönetmeliği” içinde yer alan hesaplama yöntemlerini açıklamışlardır. Bunun için TS 825’te yer alan örnek mimari projeden yola çıkarak hesaplama yöntemlerini ayrıntlı bir şekilde açıklamışlar ve sonuçlarını ortaya koymuşlardır. Ardından bu sonuçların üzerinden giderek radyatörlü ısıtma tesisatı ve yerden ısıtmalı tesisat sistemleri gibi ısıtma tesisatı için farklı tasarım seçenekleri

sunmuşlardır. Kitapta yer alan örnek bina ve binaya ait ısıtma yükü ihtiyacı hesaplamaları ve sonuçları bu çalışma için referans teşkil etmektedir (Genceli ve Parmaksızoğlu, 2003).

TC Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından 5627 sayılı kanun olarak “Enerji Verimliliği Kanunu” yayınlanmıştır. Kanun, enerjinin etkin kullanılması ve enerji israfının önlenmesi, ayrıca enerji maliyetlerinin ekonomi üzerindeki yükünün hafifletilmesi kapsamında yayınlanmakta olup binalar için enerjinin kullanımında verimliliğin artırılmasına yönelik tedbirleri almak üzere TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı’nın koyduğu yönetmeliğe uygun olarak binalar için enerji kimlik belgesi hazırlanmasını şart koşmuştur. Bunu sağlamak maksadıyla “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği” oluşturulmuştur (TC Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı,2007).

TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı tarafından Avrupa Birliği (AB) yasaları uyum süreci çerçevesinde, binaların enerji performansı direktifi kapsamında 5 Aralık 2008 tarihinde “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği (BEP)” yayınlanmıştır. Yönetmelik amacında belirtildiği üzere; dış iklim şartlarını, iç mekan gereksinimlerini, mahalli şartları ve maliyet etkinliğini de dikkate alarak, bir binanın bütün enerji kullanımlarının değerlendirilmesini sağlayacak hesaplama kurallarının belirlenmesini, yeni ve önemli oranda tadilat yapılacak mevcut binalar için minimum enerji performans gereklerinin belirlenmesini, yenilenebilir enerji kaynaklarının uygulanabilirliliğinin değerlendirilmesini, ısıtma ve soğutma sistemlerinin kontrolünü, binalarda performans kriterlerinin ve uygulama esaslarının belirlenmesini ve çevrenin korunmasını düzenlemektedir. 5627 sayılı kanun ile binalar için hazırlanması istenen enerji kimlik belgesinin esaslarını ortaya koymuştur. Bu doğrultuda binaların ısıtılması ve soğutulması için net miktarın hesaplanmasıyla ilgili referans döküman EN13790 olarak belirlenmiştir (TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı, 2008).

EN13790, binalarda enerji performansını değerlendiren ve tasarımını sunan hesaplama yöntemlerini içeren uluslararası bir standarttır. Farklı detaylandırma düzeylerinde sunduğu hesaplama yöntemleri ile enerji hedeflerinin düzenlenmesini ve uygunluğunu araştırmaktadır. Sunduğu farklı yöntemlerin proje aşamasındaki bir bina üzerinde karşılaştırmasını yapmaktadır. Mevcut binaların standartlaştırılmış enerji seviyelerini ortaya koymakta olup bu binalar üzerinde olası enerji verimliliği

yöntemlerinin uygulanması ve uygulanmaması durumlarını değerlendirmektedir. Ayrıca, tipik binaların enerji kullanım durumlarının oluşturulması ile birlikte bölgesel, ulusal ve uluslararası düzeyde binaların gelecekteki enerji ihtiyacını tahmin etmektedir (European Commitee for Standardization, 2008).

Isı, Su, Ses ve Yangın Yalıtımcıları Derneği(ĐZODER), EN 13790’dan türetilerek oluşturulan BEP-TR programının hesap mantığını oluşturan, binalarda ısıtma-soğutma ihtiyacı için net enerji miktarını, ihtiyaca bağlı oluşturulacak sistemlerin verimlerini ve kayıplarını, havalandırma enerjisi tüketimini, güneş enerjisinden elde edilen kazançları ve sıhhi sıcak su ihtiyacı için gerekli enerjiyi hesaplamayı sağlayan BEP-TR hesaplama yöntemini ayrıntılı bir şekilde açıklamıştır (Url-5).

Mitalas çalışmasında, ASHRAE’nin yayınlamış olduğu “Isıtma Soğutma Temelleri El Kitabı” (ASHRAE Handbook of Fundamentals) içerisinde yer alan ve bilgisayar tabanlı programlarda kullanılmak üzere dinamik ısıl analizleri yapabilmek amacıyla oluşturulan Transfer Fonksiyon Metodu (TFM) yöntemini ve buna bağlı hesaplama prosedürünü açıklamıştır (Mitalas, 1972).

Đleri ve Üner, iklim değerlerine bağlı analizlerin performansını artırmak amacıya Türkiye’deki 23 ile ait iklim verilerini hazırlamışlardır. Kuru ve yaş termometre sıcaklıkları, saatlik güneş ışınımları ve rüzgar hızını içeren datalar oluşturmuşlardır. Đklim verilerini oluştururken tipik iklim datası oluşturma yaklaşımlarından bahsetmişler, bu yöntemlerden ölçülmüş datadan seçim yönteminden yararlanmışlardır (Đleri ve Üner, 1998).

Bulut, Büyükalaca ve Yılmaz, Türkiye’nin 15 ili için bazı iklim verilerinin eşitliklerle ifadesini ortaya koymuşlardır. Günlük maksimum, minimum sıcaklıkların, saatlik sıcaklıkların ve havanın psikrometrik özelliklerin belirlenmesi için bir takım ampirik ifadeler türetmişlerdir. Türettikleri ifadelerinin sonuçları iklim verileri ile karşılaştırmışlardır (Bulut, Büyükalaca ve Yılmaz, 2004).

Lu ve Tervola, çalışmalarında kompozit bir düzlemsel levha üzerinde zamana bağlı ısı geçişinin periyodik sıcaklık değişikliklerine bağlı olarak analitik çözümünü yapmışlardır. Sınır değişikliklerinin periyodik özelliklerini kullanmaları, geleneksel yöntemlerin aksine artık çözüm oluşturma ve iteratif programlama içermemesi nedeniye avantaj sağlamıştır. Fiziksel ifadeler açık bir şekilde matematiksel ifadelere

dönüştürülmüş ve sayısal yöntemlerle elde edilen çözümlerle kendi analitik çözümlerinin karşılaştırmasını yapmışlardır (Lu ve Tervola, 2005).

Incropera, DeWitt, Bergman ve Lavine yazmış oldukları “Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri” (Fundamentals of Heat and Mass Transfer) adlı kitaplarının 3. bölümünde düzlemsel bir duvar üzerinde meydana gelen ısıl direnç ve buna bağlı oluşan geçirgenlikten söz etmektedirler (Incropera, DeWitt, Bergman ve Lavine, 2006) Bird, Stewart ve Lightfoot’un kaleme aldıkları “Transport Phenomena” kitabının 12. bölümünde parabolik ısı denklemi açıklanmış ve birden fazla değişkenin bulunduğu durumlar için sıcaklık dağılımları hakkında bilgiler verilmiştir (Bird, Stewart ve Lightfoot, 2002).

Arpacı’nın yazdığı “Đletimle Isı Geçişi” (Conduction Heat Transfer) kitabının 4. bölümünde iletim problemlerinde değişken dönüşümünden kısmi diferansiyel denklemlerde homojen olmama durumundan ve bu durumlarda kullanılan süperpozisyon yönteminden bahsedilmiş, iki durumun bir arada olduğu örneklere yer verilmiştir (Arpacı, 1966).

Kreyzsig yazmış olduğu, “Đleri Mühendislik Matematiği” (Advanced Engineering Mathematics) kitabının 11. bölümünde kısmi diferansiyel denklemlerin çözümünde kullanılan Fourier integrali hakkında bilgi vermiştir. Ayrıca 12. bölümde kısmi diferansiyel denklemler ve uygulamalarından bahsetmiştir. Parabolik ısı denkleminin çözüm yöntemi detaylı bir şekilde anlatılmış olup, yaptığı çözümlerde bina dış yapı elemanlarının dinamik davranışını inceleyen modelin çözüm yönteminin de temelini oluşturan değişkenlerin ayrılması yöntemini kullanmıştır (Kreyszig E., 2006).

Boyce ve DiPrima, yazmış oldukları “Temel Diferansiyel Denklemler ve Sınır Değer Problemleri” (Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems) kitaplarının 2. bölümünde birinci derece denklemlerin çözümünden kullanılan integralleme çarpanından bahsetmişlerdir. Ayrıca kitabın 7. bölümünde birinci dereceden denklem sistemlerinin çözümü ayrıntılı olarak açıklanmıştır (Boyce ve DiPrima, 2001).

TS 825 kapsamında oluşturulmuş örnek yazılım programlarından biri olan olan “Mekanik Tesisat Hesapları” (MTH) ve programdan elde edilebilecek çıktılar hakkında bilgiler verilmiştir (Url-3).

Ulusal Güneş Işınımı Veritabanı (NSRDB)’nın resmi internet sitesinde dünya üzerinde yer alan şehirler için TMY2 yöntemi iklim verilerine ulaşılabilmektedir. Bu yöntemden elde edilen iklim verilerinde kuru termometre sıcaklıkları, yaş termometre sıcaklıkları, bağıl nem, güneş ışınımı ile ilgili istatistikler yer almaktadır (Url-4).

3. BĐNALARDA ISITMA ĐHTĐYACI HESAPLAMA YÖNTEMLERĐ

Binalarda ısıtma ihtiyacının temelini bina içerisinde yaşayan insanların yaşam faaliyetlerini konforlu bir biçimde sürdürmeleri oluşturmaktadır. Bina sıcaklığının konfor sıcaklığından daha düşük bir noktada olması durumunda ısıtma yükü oluşmaktadır ve bu sebeple binalar için ısıtma sistemleri oluşturulmaktadır. Ancak kurulan ısıtma sistemlerinin gerçeğe daha yakın durumu öngören bir hesaplama yönteminden uzak bir biçimde tasarlanması durumunda ısıtma yükünü aşan durumlar oluşmaktadır. Isıtma yükünün aşımı, ilk olarak bina içi konforu etkilemektedir. Bina içi sıcaklığı konfor sıcaklık aralığının üstüne çıkmaktadır. Đkinci olarak enerji kaybı oluşmaktadır ve bu yüzden kullanılan enerjininin verimsizliği söz konusu olmaktadır. Binalarda enerji tüketimini hesaplamak ve enerji verimliliği elde edebilmek için günümüzde üç farklı yöntem kullanılmaktadır: aylık-mevsimsel statik yöntem, basit saatlik dinamik yöntem ve dinamik analiz yöntemi. Bu yöntemlerden ilk olarak aylık-mevsimsel statik hesaplama yöntemi, daha sonra ise basit saatlik dinamik hesaplama yöntemi zaman içerisinde TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı tarafından yayınlanan mecburi standart tebliği metinleriyle Türkiye’de enerji verimliliği açısından zorunluk haline getirilmiştir. Dinamik analiz yöntemi için ise Türkiye’de ve dünyada farklı çalışmalar sürdürülmekte ve bunlara bağlı simülasyonlar oluşturulmaktadır.

Aylık-mevsimsel statik hesaplama yönteminde ısıtma-soğutma enerji ihtiyacı aylık ya da mevsimsel hesap aralıkları ile hesaplanmaktadır. Statik bir hesaplama yöntemi olup binanın gerçek ısıl davranışını hesaba katmamaktadır; buna karşın binanın ısıl davranışı basit korelasyon faktörleri ile hesaba yansıtılmaktadır. Yıllık bazda ortalama bir enerji tüketim değeri sunmaktadır, ancak aylık ölçekte değerlendirildiğinde, özellikle geçiş mevsimlerinde hata payı yüksek olmaktadır. ĐZODER’in TS 825 Hesap Programı, MTH Mekanik Tesisat Hesap Programı gibi uzun yıllardan beri kullanılan programlar bu hesaplama metodunu kullanırlar. Bu programlarda ısı iletim katsayıları, ısı kayıp kazanç hesabı, psikrometrik program,

radyatör, hava kanalı ve fan coil seçimi gibi farklı modüller bulunmakta ve modüllerde yer alan hesaplamalar ve tesisat seçimleri yapılabilmektedir (Url-3). Basit saatlik dinamik hesaplama yöntemi, yarı dinamik yöntem olarak da bilinmektedir. Bu yöntemde saatlik iklim datası ve zaman çizelgeleri kullanılır. RC (Direnç-Kapasitans) modeli ile binanın saatlik ısıl davranışı gerçeğe yakın şekilde yansıtlaabilmektedir. Konfor koşullarının operatif sıcaklığa bağlı olarak tanımlanmasını olanaklı kılar. Saatlik hesap adımları ile operatif sıcaklıkları ve saatlik zaman çizelgesine göre konfor ihtiyaçlarını sağlayacak gerekli net enerjiyi hesaplar(Url-6). Son yıllarda geliştirilen Türkiye Đçin Bina Enerji Performansı Ulusal Hesaplama Yöntemi (BEP-TR) bu hesap metodunu kullanır. Bu yöntemin seçilmesinin nedeni, ısıtma ve soğutma mevsimlerinin ayrıca belirlenmesini gerektirmemesi ve geçiş mevsimlerinde de net enerji miktarının hesaplanmasını olanaklı kılmasıdır. RC (Direnç-Kapasitans) modeli akış şemasında düğüm noktaları yer almaktadır. Bu düğüm noktalarındaki ısı dengeleri saatlik aralıklar ile çözülerek, her saat için seçilen bölgeye ait ısıtma veya soğutma yükleri bulunur. Yine bu hesaplamada, binaya ait ortalama kütle sıcaklığı hesaplanmaktadır. Kütle sıcaklığı binanın ısıl kapasitesinin hesaba katılması anlamına gelmektedir. Kütle sıcaklığına bağlı olarak iç yüzey sıcaklığı ele edilir. Elde edilen hava ve iç yüzey sıcaklığının ağırlıklı ortalaması sayesinde operatif sıcaklık hesaplanabilmektedir. Operatif sıcaklık, uluslararası standartlarda konforu tanımlamak için kullanılan bir terimdir. Saatlik hesap adımları ile bulunan operatif sıcaklık, ısıtma ayar sıcaklığından düşük ise ısıtmaya, soğutma ayar sıcaklığından yüksek ise soğutmaya ihtiyaç duyulur. Operatif sıcaklık ısıtma ve soğutma ayar sıcaklıklarının arasında ise ısıtma ve soğutmaya ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu sayede model, özellikle geçiş mevsimlerinde net enerji miktarının hesaplanmasını daha olanaklı kılmaktadır. Detaylı dinamik analiz yönteminde, binanın ısıtma ve soğutma yüklerini belirlemek için, binanın ısıl koşullarının, veriminin matematiksel analizi yapılır ve bir yıl içinde ne kadar enerji kullanılacağı belirlenir. Ardından, ısıtma, havalandırma ve hava şartlandırma cihazlarının da bu yükler karşısında matematiksel bir analizi yapılır ve bir yıl içinde ne kadar enerji tüketileceği hesaplanır. Daha sonra bu enerji değerlerine bağlı olarak yıllık tüketim maliyetleri belirlenir. Bu yöntem için geliştirilen bilgisayar tabanlı programlarda yer alan hesaplama yöntemi Transfer Fonksiyon Metodu (TFM)’dur. Transfer fonksiyonu, spesifik bir zamana ait çıkış fonksiyonun o

zamana ait ilerleyen fonksiyonlarına ve o zamandan önceki zamanlara ait giriş-çıkış fonksiyonları değerlerine bağlı olan bir katsayılar kümesidir(Mitalas). Bu yöntemde de hesaplar saatlik olarak yapılmaktadır.

3.1 TS 825 Binalarda Yalıtım Kuralları Standartı Ve Aylık-Mevsimsel Statik Yöntem

3.1.1 TS 825 standartı genel kavramları

Binalarda ısıtma enerjisi ihtiyaçlarını hesaplamak ve binalarda izin verilebilen en yüksek değerdeki ısıtma enerjisini belirlemek için yayınlanan “TS 825 Binalarda Yalıtım Kuralları Standartı” ısıtma sisteminden ısıtılan ortama verilen aylık ve yıllık ısıtma enerjilerini hesaplamaktadır. Bu hesapları yaparken aşağıda yer alan ve TS 825 standartından alıntı yapılan kavramların bilinmesi gerekir (TC Bayındırlık ve Đskan Bakanlığı, 1999).

Binanın özgül ısı kaybı (H), 1oK sıcaklık farkında binanın birim zamandaki ısı kaybıdır. Birimi W/K’dır. Aylık ortalama dış sıcaklık (Tdış), birimi 0C olan aylık dış sıcaklığın ortalama değeridir. Bu kavram TS 825’in statik hesaplama yöntemi olduğunu göstermektedir. Çünkü diğer iki yöntemde aylık ortalama dış sıcaklık değeri yerine saatlik ölçüm değerleri baz alınmıştır. Aylık ortalama iç sıcaklık (Tiç) ise, birimi 0C olan aylık iç sıcaklığın ortalama değeridir.

Bina içi ısı kazancı, ısıtılan ortamdaki ısıtma sistemi hariç ısı kaynaklarından birim zamanda yayılan ısı enerjisidir. Güneş enerjisi kazancı, ısıtılan ortama birim zamanda giren güneş enerjisi miktarıdır. Bina içi ve güneş enerjisi ısı kazançlarının birimleri W’dir. Isı kazancı kullanım faktörü ise, bina içi ve güneş ısı kazançlarının ısıtmaya yapmış olduğu katkı oranıdır.

Bina kullanım alanı, binanın net kullanım alanını ifade etmekte olup birimi m2’dir. Binanın brüt hacmi, binayı çevreleyen dış kabuk ölçülerine göre hesaplanan hacimdir. Birimi m3’tür. Binanın ısı kaybeden yüzeylerinin toplam alanı dış duvar, tavan, taban, döşeme, pencere, kapı vb. yapı bileşenlerinin ısı kaybı oluşan yüzey alanlarının toplamı olup birimi m2’dir. Toplam alan-brüt hacim oran ise, ısı kaybeden yüzey toplam alanlarının binanın ısıtılma yapılan brüt hacmine oranını ifade etmektedir. Bu oranın birimi m-1’dir.

Đlk faktör bina özellikleri olup iletim ve havalandırma yoluyla gerçekleşen ısı kayıplarını belirtmektedir. Đkinci faktör ısıtma sistem karakteristikleridir. Bu faktör, ısıtma sistemi kontrol cihazlarının ısıtma ihtiyacı karşısında meydana gelen değişimleri algılama ve cevap verme süresidir. Üçüncü faktör olan iç iklim şartları, kullanıcının istediği sıcaklık değeri ile binanın farklı bölümlerinde ve günün farklı zamanlarında bu sıcaklık değerlerindeki değişmelerdir. Dördüncü faktör ise dış hava sıcaklığı, hakim rüzgarın yönü ve şiddetini belirten dış iklim şartlarıdır. Ayrıca yemek pişirme, aydınlatma gibi ortama ısı yayan cihaz ve insanlardan gelen ısı kazançlarını belirten iç ısı kaynakları ile pencerelerden ısıtılan binaya giren güneş ışınlarının oluşturduğu ısı transferini tanımlayan güneş enerjisi faktörleri binanın ısıtma ihtiyacını belirleyen diğer faktörlerdir.

3.1.2 TS 825 ısıtma yükü hesap yöntemi

Bir binada iç ortamda belli bir iç sıcaklık değeri yakalamak için (Tiç) ısıtma periyodunda ilk etapta yeterli derecede ısı yalıtımı sağlanmalıdır. Isı yalıtımı sağlandıktan sonra ısıtma ihtiyacının bir kısmı iç ısı kaynakları ve güneş enerjisinden sağlanır. Daha sonra geriye kalan ısı ihtiyacı ise bina için tasarlanacak olan bir ısıtma sistemi tarafından karşılanır. TS 825 hesap yönteminde tasarlanan ısıtma sisteminin iç ortama ne kadar ısı vermesi gerektiği açıklanmıştır. Bu yöntemde yıllık ısıtma ihtiyacı, ısıtma dönemini kapsayan aylık ısıtma enerji ihtiyaçlarının toplamını ifade etmektedir (3.1). Bu sayede, binaya ait ısıl enerji performansının gerçeğe daha yakın bir analizinin yapılmasına çalışılmıştır. Isıtılan ortam sınırları dış ortamdan, varsa ısıtılmayan ortamlardan ayıran duvar, döşeme, çatı, kapı ve pencereden oluşur. Hesaplamalarda dıştan dışa ölçüler kullanılmaktadır. Eğer binanın tamamı aynı sıcaklığa kadar ısıtılıyor veya ortamlar arasında sıcaklık farkı 40K’dan küçük oluyorsa bina tek bölge olarak düşünülür, aksi takdirde binada farklı ısıtma bölgeleri oluşturulmakta ve tek tek hesap yapılmaktadır.

Tek bölge için yıllık ısıtma enerji ihtiyacı (3.1) ile hesaplanmaktadır:

yıl ay

Q =

∑

Burada, yıllık ısıtma ihtiyacı aylık ısıtma ihtiyaçlarının toplamıdır. Aylık ısıtma ihtiyacı ise bina özgül ısı kaybının aylık ortalama iç sıcaklığından aylık ortalama dış sıcaklığının farkının çarpımının, iç ısı kazancı ile güneş enerjisi kazancının

toplamının ısı kazancı kullanım faktörüyle çarpımından çıkarılmasının zamanla (saniye) çarpımıyla bulunur. Elde edilen sonuç Joule cinsinden ifade edilir.

Bina özgül ısı kaybı, iletim yoluyla gerçekleşen ısı kaybının havalandırma yoluyla gerçekleşen ısı kaybının toplanması ile bulunur. Đletim yoluyla gerçekleşen ısı kaybı, yapı elemanlarından iletilen ısı kaybının ısı köprülerinden meydana gelen ısı kaybıyla toplamıdır. Isı köprüleri, bitişik yüzeye göre kompoziyonu farklı, binanın ortalama ısı kaybından daha fazla ısı kaybı yaratan, kışın rejimdeki duruma göre daha düşük sıcaklığa sahip olan bölümlerdir.

Yapı elemanlarından oluşan ısı kaybı, duvar, pencere, tavan, zemine oturan taban veya döşeme, dış hava ile temas eden taban, düşük sıcaklıklardaki iç ortamla temas eden yapı elemanlarının ısı geçirgenlik katsayılarının kendi yapı elemanlarının ısı iletimi oluşturan alanlarıyla çarpımı olarak aşağıdaki formülle ifade edilir. Burada ısı geçirgenlik katsayısının birimi W/m2, iletimle olan ısı kaybının birim ise W’dir. Toplam ısı geçiş katsayısı, toplam ısıl direncin tersidir. Toplam ısıl direnç, bir yapı elemanın yapı elemın içindeki malzelemelerin, ısı iletim direnci ile yapı elemanının sınırlarında bulunan akışkanların ısı taşınım dirençlerinin toplamıdır (Incropera, DeWitt, Bergman ve Lavine, 2006). Bu durum (3.2)’de gösterilmektedir:

1 1 2 1 i 1 top i i L R h = k h = +

∑

Şekil 3.1’de, her iki tarafında taşınım şartı bulunan bir yapı elemanının ısıl dirençlerinin gösterimi yapılmakta ve yapı elemanı içerisindeki sürekli rejimdeki sıcaklık dağılımı belirtilmektedir:

Şekil 3.1 : Bir yapı elemanının ısıl direnci gösterimi ve sıcaklık dağılımı. Toplam ısı geçiş katsayısı ise (3.2)’nin tersi olarak aşağıdaki şekilde ifade edilir:

1 1 2 1 1 1 i 1 top i i U L R h = k h = = +

∑

Havalandırma yoluyla gerçekleşen ısı kaybı giren havanın birim hacim kütlesi, havanın özgül ısısı, hacimsel hava değişim debisinin birbiriyle çarpımıyla bulunur. 200C ve 100kPa için havanın birim hacim kütlesi ile havanın özgül ısısının çarpımı yaklaşık 0,33 olmaktadır.

Aylık ortalama iç kazançlar, insanlardan kaynaklanan metabolik ısı kazançları, sıcak su sisteminden kaynaklanan ısı kazançları, yemek pişirme işleminden kaynaklanan ısı kazançları ve aydınlatma sisteminden kaynaklanan ısı kazançlarını kapsamaktadır. Ortalama değerler ile çalışılması durumunda, aydınlatma dışındaki ortalama değerler yıl boyunca yaklaşık olarak sabit kabul edilmektedir. Konutlarda, okullarda, büro vs. yerlerde döşeme alanı başına 5 W/m2, pişirme ve elektrikli cihazların fazla çalıştığı yerlerde ise döşeme alanı başına 10 W/m2 olarak alınır.

Aylık ortalama güneş enerjisi kazancı, pencereden sağlanan doğrudan güneş ışınımının hesaplanmasını tarif etmektedir. Güneş ışınlarının geldiği yönde saydam yüzeylerin aylık ortalama gölgelenme faktörü, bu yöndeki saydam elemanların güneş

enerjisi geçirme faktörü, dik yüzeylere gelen aylık ortalama güneş ışınım şiddeti ve güneş ışının geldiği yöndeki toplam pencere alanının birbirleriyle çarpımı neticesinde hesaplanır. Binanın farklı yönlerine güneş ışını gelmesi durumunda, her bir yön için bu hesaplama yapılır ve elde edilen değerler toplanır.

Hesaplanmış değerlerin olmaması durumunda gölgelenme faktörünün ısıtma periyodunda sabit kaldığı kabul edilir ve binanın yerleşim bölgesine göre farklı değerler alır. Gölgelenme faktörü eğer bina ayrık ve az katlı ise (3 kata kadar) 0,8, binanın etrafında ağaçlar bulunuyor ve gölgelenme yapıyor ise 0,6, bina bitişik nizam ve çok katlı ise 0,5 olarak alınır. Saydam elemanların güneş enerjisi geçirme faktörü ise yüzeye dik gelen ışın için güneş enerjisi geçirme faktörünün 0,8 katı olarak alınır. Isı kazançları anlık kayıplardan yüksek olabilir veya ısıtma ihtiyacı duyulmadığı zamanlarda ısı kazancı oluşabilir. Bu yüzden iç kazanç ve güneş enerjisi kazanç toplamları, ısıtma yükü ihtiyacını karşılaması açısından her zaman faydalı enerji olarak kabul edilemez. Ayrıca yapı elemanları bünyesinde bir miktar ısı depolanmaktadır. Kazanç kullanım faktörü ile ısı kazançları azaltılmaktadır. Kazanç kullanım faktörü, binanın ısıl kütlesi kazanç ve kayıpların bağıl büyüklüğüne bağlıdır. Aylık ortalama kazanç kullanım faktörü, kazanç kayıp oranına bağlı bir değerdir ve kazanç kayıp oranı 2,5 ve üstünde ise o ay için ısı kaybı olmadığı kabul edilmektedir.

Bu hesapların yapılmasının ardından bina için ısı yalıtım projesi hazırlanır. Böylelikle binanın enerji verimliliği arttırılarak uzun ömürlü ve kalıcı bir enerji tasarrufu sağlanır. Hazırlanan ısı yalıtım projesinde, farklı ısıtma bölgeleri olması durumunda her bölge için dış duvar, çatı, zemin ve pencerelerde kullanılan malzemeler belirtilmeli; bu malzemelerin eleman içindeki sıralanış ve kalınlıkları, duvar, pencere, tavan, taban/döşeme alanları ve ısı geçirgenlik katsayısı değerleri gösterilmelidir. Isı köprüleri varsa, ısı köprüsü değerleri, pencere sisteminde kullanılan cam ve çerçeve tipleri ile çerçevelerin sızdırmazlık değerleri de ısı yalıtım projesinde yer almalıdır. Ayrıca projede duvar-pencere, duvar-tavan, taban/döşeme-duvar birleşim yerleri detayları, uygulanacak havalandırma tipi ve farklı ısıtma bölgesi olması durumunda her bölge için ısı kayıpları, kazançları, kazanç kayıp oranı, kazanç kullanım faktörü ve çizelge halinde aylık ısıtma enerji ihtiyacı da belirtilmelidir.

3.2 EN13790 Basit Saatlik Isıtma Analizi Yöntemi

“Enerji Verimliliği Kanunu” ve “BEP”, binalar için “Enerji Kimlik Belgesi” oluşturulmasını zorunlu kılmıştır. Enerji kimlik belgesinde, binanın enerji ihtiyacı, yalıtım özellik bilgileri, ısıtma- soğutma sistem verimleri ve bunlara ilaveten enerji tüketim sınıflandırması ile ilgili bilgilerin bulundurulması zorunlu kılınmıştır (TC Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, 2007). Bu doğrultuda, BEP enerji kimlik belgesinin hazırlanmasını sağlayacak hesaplama yöntemi olarak Avrupa Birliği normlarından EN13790’ı referans döküman olarak belirlemiştir. EN13790 ise, hesaplama yöntemi olarak basit saatlik ısıtma analizi yöntemini kullanmaktadır. Basit saatlik ısıtma analizi yöntemi, dinamik ısıtma analizi yönteminin yalınlaştırılmış halidir. Aylık-mevsimsel statik ısıtma yönteminin sağladığı tekrarlanabilirlik ve sağlamlık eşit düzeyde olmakla birlikte bu yönteme göre hesap sürecinin izlenebilirliği açısından daha çok detaylandırma yapılmıştır. Statik yönteme göre üstünlüğü, saatlik aralıklarla inceleme yapmasıdır, böylelikle daha kesin bir hesap yöntemi oluşturulmuştur.

3.2.1 Direnç kapasite (RC) modeli

Yöntemin temeli RC (Direnç-Kapasitans) modeli üzerine kurulmuştur. RC model oluşturulan tablolar vasıtasıyla saatlik zaman basamaklarını kullanarak bina ve sistem girdilerini düzenlemektedir. Bu modelde, bina içi ortalama sıcaklığı ve bina dış kabuğunun bina içine bakan tarafının ortalama sıcaklığının ayrımına gidilmiştir. Bu durum, iç ısı kazançlarının ve güneşten gelen ısı kazançlarının hesaba katılmasının sonuçlar üzerindeki kesinliğini arttırmakta, böylelikle bina içi konfor denetimi daha iyi yapılabilmektedir (European Commitee for Standardization, 2008). Şekil 3.2’de, RC modelinin şematik gösterimi yer almaktadır. Bina içi bileşenler saydam bileşenler ve opak bileşenler olarak ikiye ayrılmaktadır. Bu bileşenlerin iletim ve taşınım katsayıları arasında düğüm noktaları oluşturulmaktadır. Ayrıca havalandırma ısı geçiş katsayısı da farklı bir düğüm noktası oluşturmaktadır. Düğüm noktalarına etki eden ısıl kazançlar da hesaba katılarak, saatlik aralıklar ile yapılan çözümlemelerle binaya ait ısıtma ve soğutma yükleri ortaya konmaktadır.

Şekil 3.2 : RC (Direnç-Kapasitans) modelinin gösterimi.

Hesaplamaların yöntemi için gerekli olan başlıca girdiler; iklim verileri, bina geometrisi ve buna bağlı oluşturulan bina formu, binanın havalandırma ve ısıl özellikleri, aydınlatma ve insanlardan gelen iç kazançlar ve güneş enerjisi kazançları, bina malzeme ve bileşen tanımları, bina iç konfor şartları ve bina tipolojisine bağlı bölgeleme yöntemleri ve bölge bilgileridir (Url-5).

Bina geometrisi, binanın mimari tasarımıdır. Bina formu ise hesaplamalarda kolaylığı sağlamak amacıyla oluşturulmuş bina geometrisinin basitleştirilmiş halidir. Tüm formlarda yüzeyler birbirine dik olarak kabul edilmiştir. Enerji tüketimi hesabı yapılması istenen bina Şekil 3.3’te verilen bina formlarından en yakın bina formuna indirgenerek çözümlenebilmektedir.

Şekil 3.3 : Genelleştirilmiş bina formları. 3.2.2 EN13790 ısıtma yükü hesaplama yöntemi

Isıtma yükü ihtiyacının hesaplanması için ilk olarak binanın hesaplama yapılan bölgesinde yer alan yapı bileşenlerinin toplam iletim ve taşınım katsayıları hesaplanır. Katsayılar W/K cinsinden ifade edilmekte ve hesaplanan bu değerler RC modelinde Htr sembolü ile gösterilmektedir. Bölgeyi meydana getiren farklı yapı elemanlarının ve yapı elemanlarını oluşturan yapı malzemelerinin Htr değerleri ayrı ayrı hesaplanarak toplanır. Böylelikle zonun opak yüzeylerine ait toplam ısı geçiş katsayısı (Htr,op) ve saydam yüzeylere ait ısı geçiş katsayısı (Htr,win) değerleri bulunmaktadır(Url-5).

Opak bileşenlerin ısı geçiş katsayısı (3.2)’ye benzer şekilde bulunur. Burada tek fark opak bileşenler arasındaki havanın ısıl direncinin ısı geçiş katsayısına eklenmesidir. Isıl direncin ısı geçiş katsayısı bölge tipine ve opak maddeler arasındaki kalınlığa bağlı olarak ilgili tablodan seçilmektedir.

Hesabı yapılacak olan bölgenin bütün opak bileşenlerine ait toplam ısı geçiş katsayısı, opak bileşen ısı geçiş katsayısı ve opak yüzey alanının çarpımının, doğrusal ısı köprüsü uzunluğunun, doğrusal ısı köprüsü birim uzunluk başına ısı geçiş katsayısı çarpımı ve noktasal ısı köprüsü ısı geçiş katsayısı ile toplanması sonucu bulunmaktadır. Isı köprüsü ısı geçiş katsayıları ilgili tablolardan bulunmaktadır.

Pencereye ait ısı geçiş katsayısı, tablolardan seçilen cam ve çerçeve değerlerine bağlı olarak ilgili tablodan okunarak bulunmaktadır. Toplam ısı geçiş katsayısı ise bulunan bu değerin pencere alanı ile çarpımına eşit olmaktadır. Kapılara ait toplam ısı geçiş katsayısı ise aynı şekilde hesaplanmaktadır. Bölgeye ait toplam ısı geçiş katsayısı, opak maddeler, pencereler ve kapılara ait toplam ısı geçiş katsayılarının toplamının düzeltme faktörü ile çarpımına eşittir. Düzeltme faktörü, iklimlendirilmeyen bölge ve dış ortam arasındaki bileşenin ısı geçiş katsayısının, iklimlendirilen bölge ile iklimlendirilmeyen bölge arasındaki bileşenin ısı geçiş katsayısı ile iklimlendirilmeyen bölge ve dış ortam arasındaki bileşenin ısı geçiş katsayısı toplamının oranına eşittir. Binanın dinamik etkilerinin hesaplanabilmesi için, binanın ısıl kapasitesi belli bir yaklaşıklıkla hesaba katılır. Bunun için hacmi çevreleyen yüzeylerin alanı ve yapı elemanı sınıfı değerlerinden yola çıkılarak oluşturulan tablodan yararlanılır.

Đç kazançlar ve güneşten elde edilen kazançlar oluşturulacak sistematiğe dahil edilmektedir. RC modeli için iç yüzey ile iç ortam arasındaki ısı geçiş katsayısı toplam alanın 3,45W/m2K ile çarpımına eşittir. Htr,1, Htr,2, Htr,3olarak üçe ayrılan toplam ısı geçiş RC modeldeki düğüm noktalarına dağıtılmak için hesaplanan katsayılar olmakta, böylelikle Şekil 3.2’de gösterilen RC modelinin oluşumu düğüm sıcaklıkları haricinde tamamlanmaktadır.

Toplam ısıtma-soğutma enerjisi ihtiyacını hesaplayabilmek için Crank-Nicholson yöntemi baz alınmaktadır. Bu yöntem, başlangıç ısıtma yükü için bir değer atanıp seçilen zaman aralıklarıyla yakınsama yapılması esasına dayanmaktadır. Düğüm sıcaklıkları, belirlenen zaman adımı için ortalama olarak hesaplanmaktadır. Belirlenen düğüm sıcaklıkları, kütle sıcaklığı, iç yüzey sıcaklığı, iç ortam sıcaklığı, operatif sıcaklık ve havalandırma besleme sıcaklıklarıdır.

RC model için oluşturulan hesap yöntemi, iç sıcaklığın ısıtma-soğutma ihtiyacının doğrusal bir fonksiyon olarak hesaplanması biçiminde olmaktadır. Hesaplanması istenen bölgenin operatif sıcaklığının durumuna göre ısıtma-soğutma ihtiyacı olup olmadığı araştırılmaktadır.

Şekil 3.4 : Operatif sıcaklık değerine bağlı olarak ısıtma-soğutma ihtiyacının tayini. Şekil 3.4’te görüldüğü üzere, yapılan hesaplamalarla operatif ısıtma ve soğutma sıcaklıklarına göre beş durum oluşmaktadır. Birinci durumda, bölge için ısıtma yapılmalıdır, çünkü, ısıtma sistemi güç kapasitesi ayar sıcaklığını elde etmek için yeterli olmamaktadır. Đkinci durum için yine ısıtma yapılması gerekmektedir, ancak burada ısıtma gücü yeterli olmaktadır. Üçüncü durum için bölgede herhangi bir ısıtma ya da soğutma yapılması gerekmemektedir. Hesaplanan iç sıcaklık konfor sıcaklığını sağlamaktadır. Dördüncü durum için soğutma gereklidir ve soğutma ihtiyacı soğutma sistemi gücünden daha düşüktür. Beşinci durumda ise yine soğutma gereklidir, ancak soğutma sistemi gücü soğutma ihtiyacından düşüktür (European Commitee for Standardization, 2008).

3.3 Yöntemlerin Karşılaştırılması

Statik hesaplama metodu ve basit saatlik hesaplama metodu arasındaki en önemli fark, hesaplama için kullanılan zaman aralıklarıdır. Statik yöntemde bölgenin bulunduğu yerleşke için belirlenmiş olan en düşük hava sıcaklığı tüm ısıtma sezonu için sabit kabul edilir. Bina konfor sıcaklığı ile bu sıcaklığın arasındaki farkın hesaplanan ısıl geçirgenlik katsayıları ve bu katsayılara ait alanlar ile çarpımı neticesinde ısıtma ihtiyacı hesabı ortaya çıkar.

Bu hesaba ampirik yöntemlerle elde edilen iç kazanç ve güneş enerjisi kazançları dahil edilmiştir. Basit saatlik hesaplama metodunda ise binanın bulunduğu yerleşke için oluşturulmuş tipik meteorolojik yıl (TMY) değerleri kullanılmakta ve bu değerler neticesinde hesaplama saatlik zaman aralıklarıyla yapılmaktadır. Basit saatlik hesaplama yöntemi, Crank-Nicholson yöntemini kullanarak zaman aralıkları için iterasyonlar yapmaktadır, ancak statik yöntem için iterasyon yapmaya gerek yoktur. Giriş verilerinin artışına bağlı olarak basit saatlik yöntemin çözümlemelerinde iterasyon sayılarının artması yöntemden alınan hesap sonuçlarını geciktirmektedir.

Statik yöntemde bina mimarisinin tamamı hesaba katılırken, basit saatlik yöntem için bina formları oluşturulmuş, bina mimarisi uygun olan bina formuna benzetilmiştir. Ancak geometrik olarak mimari projenin tanımlanması sadece benzetilmiş forma göre başarılı sonuçlar vermektedir. Farklı bir mimari söz konusu olduğunda gerçeklikten uzaklaşmaktadır.

Statik yöntemde binanın ısıl kütlesi dikkate alınmamaktadır, basit saatlik yöntem için kurulan RC modelinde ise binanın ısıl kütlesi hesapların temelini oluşturmaktadır. Böylelikle binaya ısıl atalet kazandırılmaktadır.

Statik yöntemde geçiş mevsimlerinde etkili sonuçlar ortaya konmamaktadır, bu durum enerji verimliliğini azaltmaktadır. Öte yandan, saatlik yöntem ise geçiş mevsimlerinde gerçeğe daha yakın sonuçlar vermektedir, enerji verimliliği yüksektir. Her iki yöntemin de çözüm sistemlerinin ampirik ifadelere dayandığı düşünüldüğünde gerçeği tam anlamıyla yansıtabilme durumu bulunmamaktadır.

3.4 Đklim Verileri Ve Dış Hava Sıcaklığının Değişimi

Bina ve enerji sistemlerinin ısıtma ve soğutma ihtiyaçlarının hesaplanabilmesi için statik yöntem yerine artık bilgisayarlı simulasyon ve analiz yöntemlerinin tercih edilmesi, enerji performans değerlendirmesinde iklim verilerini kullanmayı zorunlu kılmıştır (Bulut, Büyükalaca ve Yılmaz, 2004). Hesaplamalarda kullanılan iklim verileri, öncelikli olarak merkez meteoroloji istasyonlarından alınmaktadır. Bu bilgilerin eksik olması durumunda ise merkeze en yakın meteoroloji istasyonlarından yararlanılmaktadır. Elde edilen veriler uzun yılların ortalamaları olarak hesaplanmıştır.