Ünite 3: Binalarda Enerji Yönetimi ve Yalıtım

Sıcaklık, Isı ve Isıl Genleşme

Isı ve sıcaklık değerleri insan ve diğer canlılar için de yaşamsal önem arz etmekte olup belirli değerler arasında tutulması gereken kavramlardır.

Sıcaklık

Sıcaklık için farklı birim sistemlerinde farklı ifadeler söz konusu olsa da yaygın olarak kullanılan iki birim derece Celcius (°C) veya Kelvin (K)’dir. Sıcaklık termometre ile ölçülebilen bir nicelik olup gaz molekülleri için ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsü olarak ifade edilebilir. Celcius arasındaki ilişki °C + 273,15 = K eşitliği ile verilir. Fahrenheit ile Celcius ölçeği arasındaki ilişki ^o C =5 ( ^o F - 32) / 9 eşitliğiyle verilir.

İdeal Sıcaklık Koşulları

Yaşamsal fonksiyonların devamı açısından insan vücudu dahil tüm canlı organizmalar belirli sıcaklık değerlerine sahip olmak zorundadırlar. Bundan başka her türden gıda, besin, ilaç ve hatta eşya için belirlenmiş bir takım sıcaklık değerleri söz konusudur. Uygun olmayan sıcaklık değerlerinde yapısal bozulmalar söz konusu olabilmekte ve dolayısıyla ilgili ürünün kullanım ömrü azalabilmektedir. Bu verilerden anlaşılacağı üzere doğru zamanda, doğru mekânda, doğru olan sıcaklık değerlerinin uygulanması oldukça önemlidir. Örneğin evlerimizde oturma odası için ideal sıcaklık değeri 22 °C civarındadır.

Isı

Sıcaklıkları farklı cisimler izole bir ortamda birbirlerine dokundurulacak şekilde yerleştirilirse sıcak olandan soğuk olana doğru bir enerji akışı söz konusu olur. Aktarılan bu enerji ısı olarak adlandırılır. Joule (J) veya Kalori (Cal) ile ifade edilen birimlere sahiptirler. Temas halindeki iki cisim arasında enerji aktarımı veya ısı aktarımı olmuyorsa bu iki cisim termal dengededir denilir. Termal dengedeki cisimler aynı sıcaklık değerlerinde olurlar.

Isıl Genleşme

Belirli ısıl etkilere maruz kalan cisimlerin atom ve molekülleri arasındaki mesafenin artması olayı ısıl genleşme olarak tabir edilebilir. Maddenin ayırt edici unsurları arasında yer alan genleşme her maddenin eşit uzunluğu için farklı sıcaklıklarda farklı miktarlarda olur.

Isı Aktarım Mekanizmaları

Isı aktarımı kısaca enerji aktarımı olarak tabir edilebilir. Isı için belirli aktarım şekilleri söz konusu olup üç farklı mekanizmadan söz edilebilir. Bu mekanizmalar kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyondur.

Isı Aktarımı Nedir?

Bir cisim bulunduğu ortamdan farklı bir sıcaklık değerine sahipse cisimle bırakıldığı ortam arasında sıcaklık değerleri eşit olana kadar bir ısı veya enerji geçişi olacaktır. Bu geçiş ortam ile cisim aynı sıcaklık değerlerine ulaşıncaya kadar devam eder. Kısaca ısı aktarımı bir anlamda enerji aktarımıdır.

Kondüksiyon

İletim olarak da adlandırılır. Bir madde içerisinde birbirleriyle etkileşim halinde olan atom veya moleküllerden fazla enerjili atom veya moleküllerin enerjilerini daha az olanlara aktarması veya iletmesidir. Sıcak ortamdan daha soğuk olan ortama birim zamanda aktarılan enerji (Q) için; Q = kA [(T _B -T _A ) / L] eşitliği yazılabilir. Özellikle mühendislik uygulamalarında üzerinde durulması gereken başka bir kavram ise termal dirençtir. Termal direnç R, ısı akışına gösterilen direncin bir ölçüsü olup L kalınlığına ve k ısıl iletim katsayısına sahip bir malzeme için R= L/ k eşitliğiyle ifade edilir.

Konveksiyon

Taşınım olarak da adlandırılır. Bu iletim şeklinde katı bir yüzey ve bu yüzeyle etkileşim halinde olan belirli bir akışkanlıktaki başka bir yüzey söz konusudur. Enerji transferi bu iki yüzey arasında gerçekleşir. Taşınım olayında adından da anlaşılacağı üzere maddenin bir alandan diğerine taşınması yani yer değiştirmesi söz konusudur.

Radyasyon

Işınım olarak da adlandırılan bu iletim şeklinde elektromanyetik dalgalar ya da fotonlar aracılığıyla ısı transferi söz konusudur. Isı kaynağından çıkan farklı frekans ve faz değerlerine sahip fotonlar bir yüzeye rast geldiğinde, bu yüzey tarafından ya yansıtılırlar, ya absorplanırlar ya da yüzeyin kalınlığına bağlı olarak karşı tarafa iletilirler. Güneş’in Dünya’yı ısıtması radyasyon ile ısı transferine klasik bir örnektir. Stefan Kanunu olarak bilinen yasada bir cismin ışınım yoluyla yaydığı enerji; Q _ışınım = ? AeT ⁴ eşitliği ile verilir. Elektromanyetik dalgalar (EMW) boşlukta yani vakum ortamında yol alabilirler. Boşlukta yayılma hızları ışık hızına eşit olup 3 x 108 m/s’dir. Elektromanyetik dalgaların radyasyon yolu ile ısı transferine katkıda bulunurlar. Bu durum elektromanyetik dalgaların enerji taşıdığı ve hareket halinde karşılaştıkları cisimlere enerji aktarabildikleri anlamını taşımaktadır. Elektromanyetik dalgalar farklı frekans ve dalga boylarına sahip olabilirler. Frekansları yüksek olan elektromanyetik dalgalar daha yüksek enerji taşırlar.

Isı Aktarım Mekanizmalarına Genel Bakış

Bazen birden fazla ısı transfer mekanizması aynı anda işlevsel olmaktadır.

Binalarda Yalıtım ve Enerji Performansı

Enerji tüketim oranları yıllara bağlı değişiklikler göstermekle birlikte, binalardaki enerji tüketiminin yaklaşık % 82’si ısıtma için kullanılmaktadır. Bu rakam ülkemizde harcanan toplam enerjinin yaklaşık olarak % 26’sına karşılık gelmektedir. Dolayısıyla ısı yalıtımı veya izolasyonu kurallara uygun yapılan bir binada enerji sarfiyatı daha az olacaktır. Isı yalıtımının maliyeti toplam bina maliyetine oranla çok küçüktür (% 3-5). Buna karşın ısıtma veya soğutma giderlerinde % 50’ye varan oranlarda tasarruf sağlar. 05.12.2008 tarihli Resmi Gazete’de yayımlanan “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği” ile binalarda etkin enerji kullanımına ve enerji tasarrufuna yönelik usul ve esaslar belirtilmiştir. Bu usul ve esaslar genel hatları itibariyle, binanın enerji kullanımıyla ilgili olan mimari tasarım, elektrik ve mekanik tesisatlar gibi konularda belirli asgari hesaplama ve performans kriterleri başta olmak üzere, enerji kimlik belgelerinin düzenlenmesi, bina kontrol ve denetimlerinde yetkilendirme, enerji gereksiniminin karşılanma yöntemleri ve toplumda enerji kullanımı ve verimliliği üzerine bir takım bilinçlendirme faaliyetlerine ilişkin unsurları kapsamaktadır. Enerji Verimliliği Kanunu kapsamında tüm binaların Enerji Kimlik Belgesi’ne sahip olması zorunludur.

Isı Yalıtımı

Isıl yalıtım iki bölge arasında ısı geçişini en aza indirmek olarak tabir edilebilir. Bu işlem için kullanımı söz konusu olan farklı türden yalıtım malzemeleri mevcuttur.

Yalıtım Malzemeleri

Isı yalıtım malzemeleri genel olarak yüksek ısıl dirence yani ısı akışına karşı yüksek mukavemete sahip, ısı kaybını en aza indirecek ve dolayısıyla düşük ısıl iletkenlik katsayılarına sahip hafif malzemelerden oluşmalıdır. Isıl iletkenlik katsayısının düşük olması ortamlar arası ısı veya enerji geçişini zorlaştıracak dolayısıyla yalıtımı arttıracak bir özelliktir. Standartlara uygun yalıtım malzemeleri için ısıl iletkenlik katsayıları genel olarak 0,065 W/mK ile verilen değerden daha küçük olmalıdır. Bir ısıl yalıtım malzemesinde, ısıl iletim katsayısının yanı sıra, mekanik mukavemet, su emme kapasitesi, yoğunluk, sıcaklığa mukavemet, buhar difüzyon direnci ve yapı boyutlarına bağlı kararlılık durumu gibi özellikler de önem taşır. Cam yünü, taş yünü, polistiren köpükler, poliüretan, fenol köpüğü, cam köpüğü, ahşap yünü levha türü malzemeler binalarda yaygın olarak kullanılan ısı yalıtım malzemelerine örnek olarak verilebilir. Bunun dışında bina tesisatlarında yalıtım da önemli bir yer tutmaktadır. Mineral yünler, elastomerik kauçuk, cam köpüğü, kalsiyum silikat, poliüretan gibi malzemeler tesisatlarda ısı yalıtım malzemeleri olarak yaygın biçimde kullanılmaktadır.

Binalarda Yalıtım

Uluslararası enerji ajansına (IEA) üye ülkeler bazında değerlendirildiğinde enerji tüketiminin üçte biri konutlar ve ticari amaçlı binalarda gerçekleşmektedir. Bu oran ciddiye alınması gereken önemli bir orandır. Binalarda Isıl Yalıtım Yönetmeliği Resmi Gazetede, 9 Ekim 2008 tarihli ve 27019 sayılı yönetmelik gereği binalarda ısı kayıplarının en aza indirilmesini ve bu yolla enerji tasarrufu sağlanmasına yönelik usul ve esasları düzenler. Isıl yalıtımın temel amacı ideal ısı ve sıcaklık değerini sağlamada tüketilen enerji miktarını en aza indirmektir. Tüketilen enerji miktarının en uygun seviyeye çekilmesi çevreye olan olası zararlı etkilerin de en aza indirilmesi anlamını taşımaktadır.

Bina ısı yalıtımında etkin olan bazı önemli faktörler aşağıda yer aldığı şekliyle sıralanmaktadır.

Bina Duvarları ve Yalıtım

Duvarlar bir binanın ana unsurlarından olup, duvarlarda yalıtım duvarın iç yüzünden veya dış yüzeyden yapılabilir. Bununla birlikte iki katmandan oluşan duvarlarda yalıtım malzemeleri iç ve dış duvar arasında kalan bölgelere yerleştirilebilir. Yalıtım esnasında binanın temel ihtiyaçları göz önüne alınarak farklı türden izolasyon malzemeleri kullanılabilir. Enerji verimliliği açısından taşıyıcı tüm duvarlara ısı yalıtımı yapılması gerekmektedir.

Pencereler ve Yalıtım

Her şeyden önce pencerelerin iç ve dış bölge arasında hava kaçaklarına doğrudan izin vermeyecek şekilde montajın düzgün yapılması oldukça önemlidir. Ayrıca pencerelerde ısı kaybının en aza indirilebilmesi için ısıl geçirgenlik katsayıları TS 825’e uygun olmalıdır. Pencerelerde güneş enerjisi geçirgenlik oranları etkin enerji tasarrufu açısından önem arz etmektedir. Pencerelerin kış aylarında güneş ışınlarını geçirecek, yaz aylarında ise güneş ışınlarını azaltıcı şekilde ısıl konforu temin etmesi arzu edilen bir durumdur. Özellikle kış aylarında havalar güneşliyken perdelerin açılması ve güneş çekildikten sonra perdelerin kapatılması da ısıl verimliliği arttıracaktır.

Bina Tavanları ve Döşemeler

Binalarda özellikle çatılar binaların yüksekliklerine bağlı olarak doğrudan Güneş ışınlarına maruz kalması beklenen bölgelerdendir. Ayrıca bina için en üst nokta olduğundan dış ortamla ısı alışverişine müsait bir konumu teşkil eder. Dolaysıyla enerji tasarrufu noktasında önem arzetmektedirler. Çatı izolasyonlarında çatıyı delerek konumlandırılan baca ve boruların kenarları ısı köprüsü oluşturmayacak şekilde yalıtılmalıdır. Döşemelerde ise uygun malzeme türü ve bu malzemelerin yük taşıyabilme kapasiteleri dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli unsurdur. Ayrıca, iç duvara yapılan ısı yalıtımı ile döşemedeki ısı yalıtımı birbirlerinin üzerlerine tam olarak oturtulmalı ve ısı köprüleri engellenmelidir.

Tesisat Yalıtımı

Tesisat sistemlerini oluşturan boru, vana, tank, depo ve benzeri gibi nokta ve bölmelerin doğru şekilde yalıtımı enerji kullanımında tasarruf sağlayacak faktörler arasında yer almaktadır. Tesisatta ısı yalıtımından amaç sıcak ve soğuk hatlarda kayıp-kazanç dengesini sağlamaktır. Özellikle kalorifer sistemleri ısı kaynağı olması bakımından enerji kaybına olası açık bölgeler arasında yer almaktadırlar. Bu bağlamda sistem içerisinde herhangi bir sızıntı olmaması ek ve bağlantı yerlerinin düzgün montajı ve etkin izolasyonları ciddi oranda ısı kaybının ve tesisatlarda olası yoğuşmaya bağlı olarak gelişebilecek paslanmanın önüne geçecektir.

Etkin enerji kullanımı bakımından kalorifer peteklerinin önü uzun perdelerle kapatılmamalı, üzerlerine eşya konulmamalıdır. Kalorifer bağlı olduğu duvarı da ısıtacağı için, hemen duvarla arasına ısı yalıtım plakaları yerleştirilebilir.