Sektör Bilgisi

I. Genel Bakış

1.1 Araştırma Arka Planı

Binaların ışık ve ısı ortamı, periyodik olarak dış iklim koşullarından etkilenir; bu nedenle iç mekan aydınlatmasının ve güneş radyasyonundan kaynaklanan ısı kazanımının verimli bir şekilde düzenlenmesi çok önemlidir. Değişken ışık geçirgenliğine ve değişken ısı yalıtım özelliklerine sahip akıllı bir malzeme olan termokromik cam, binaya giren görünür ışığı ve yakın kızılötesi termal radyasyonu dinamik olarak düzenleyebilir ve iç mekan ışık ortamının konforunu artırmada ve bina enerji tüketimini azaltmada büyük potansiyele sahiptir. Bunlar arasında, hidrojel malzemelere dayalı termokromik cam renksiz ve şeffaftır ve geçiş sıcaklığı 20 ila 50°C arasında serbestçe ayarlanabilir. Yüksek görünür ışık geçirgenliğine sahiptir, bu da mimari uygulamaların geçiş sıcaklığı ve görünür ışık geçirgenliği gereksinimlerini daha iyi karşılayabilir ve geniş uygulama potansiyeline sahiptir.

Ancak mevcut araştırmalarda ve standartlarda, farklı iklim koşulları altında termokromik camın optimum geçiş sıcaklığının tasarımı ve seçimi için net yöntemler bulunmamaktadır; aynı zamanda, termokromik camın gölgeleme özelliğine sahip olup olmadığı ve gölgeleme potansiyelinin değerlendirilmesi için net bir değerlendirme standardı da yoktur. Mimari uygulamalarda, farklı iklimler ve bina yönelimleri altında termo-karartma camının optimum geçiş sıcaklığının nasıl tasarlanacağı ve seçileceği ve değerlendirme sırasında eşdeğer gölgeleme alanının nasıl hesaplanacağı, bu malzeme için temel araştırmadan mimari uygulamaya kadar çözülmesi gereken acil sorunlar haline gelmiştir.

1.2 Araştırmanın amacı ve önemi

Bu çalışma, deneysel testler ve sayısal simülasyon kombinasyonu yoluyla, termal karartma camının bina ışığı, termal ortam ve bina enerji tüketimi üzerindeki kapsamlı etkisine yönelik bir hesaplama modeli oluşturmayı ve bunu ölçülen verilerle doğrulamayı amaçlamaktadır. Bu temel üzerinde, farklı iklim koşulları altında termal karartma camının optimum geçiş sıcaklığı ve eşdeğer gölgeleme uzunluğunun hesaplama yöntemi incelenerek, mimari uygulamalarda tasarım ve değerlendirme için bir referans sağlanmaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, termal karartma camının mimari alanında yaygın kullanımını teşvik etmeye, binaların ışık ve ısı performansını iyileştirmeye, bina enerji tüketimini azaltmaya ve inşaat sektörünün sürdürülebilir gelişimini desteklemeye yardımcı olacaktır.

2. Isı yalıtımlı camın performans testi

2.1 Optik performans testi

UV/görünür/yakın kızılötesi spektrofotometre kullanılarak, geçiş sıcaklıkları 20℃, 25℃, 30℃ ve 35℃ olan termal karartma cam numunelerinin optik özellikleri farklı sıcaklıklarda test edildi. Test sonuçları, sıcaklık yükseldikçe camın görünür ışık geçirgenliğinin kademeli olarak azaldığını ve güneş ışınımını engelleme yeteneğinin kademeli olarak arttığını göstermektedir. Örneğin, 20℃‘de camın görünür ışık geçirgenliği nispeten yüksektir ve odaya büyük miktarda görünür ışığın girmesine izin verir; sıcaklık 35℃‘ye yükseldiğinde, görünür ışık geçirgenliği önemli ölçüde düşer ve güneş ışınımı geçirgenliği de önemli ölçüde düşerek güneş ısısının odaya girmesini etkili bir şekilde engeller.

2.2 Isı transfer katsayısı testi

Numunenin ısı transfer katsayısı, sabit hal ısı akısı termal iletkenlik ölçer kullanılarak test edilmiştir. Test verileri, termo-karartma camının ısı transfer katsayısının şeffaf haldeyken nispeten yüksek olduğunu; atomize haldeyken ise ısı transfer katsayısının önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Bu durum, atomize haldeki camın ısı yalıtım performansının önemli ölçüde iyileştiğini ve iç mekan ile dış mekan arasındaki ısı transferini etkili bir şekilde azaltabileceğini göstermektedir.

3. Laboratuvar testi

3.1 Laboratuvar tasarımı

Xiamen Üniversitesi Mimarlık ve İnşaat Mühendisliği Fakültesi‘nde karşılaştırılabilir bir laboratuvar odası kuruldu. Karşılaştırma odası ve laboratuvar odası aynı boyutlarda olup, uzunluk, genişlik ve yükseklik ölçüleri 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m ve dış pencere ölçüleri 20,93 m × 1,94 m‘dir. Karşılaştırma odasının pencereleri çift katmanlı yalıtımlı cam ve 50 cm uzanan yatay güneşliklerle donatılmışken, deney odasının pencereleri 25℃ geçiş sıcaklığına sahip tek katmanlı termal karartmalı camla donatılmıştır.

3.2 Test içeriği ve sonuçları

Gerçek ölçümler 10 gün boyunca aralıksız olarak gerçekleştirildi ve ölçüm verileri dış hava durumu verileri, iç mekan hava sıcaklığı (doğal oda sıcaklığı), iç mekan aydınlatma parlaklığı vb. verileri içeriyordu. Deneysel sonuçlar, sıcak havalarda, deney odasına monte edilen termal karartma camının sıcaklık yükseldikçe kademeli olarak buğulandığını, güneş ışınımını etkili bir şekilde engellediğini ve iç mekan hava sıcaklığının, etkili gölgeleme önlemleri olmayan odaya göre önemli ölçüde daha düşük olduğunu göstermektedir. Ayrıca, iç mekan aydınlatma parlaklığı, doğrudan güçlü ışığın neden olduğu rahatsızlığı önlerken aydınlatma ihtiyaçlarını da karşılamaktadır. Karşılaştırma odasında da güneşlik etkisi altında belirli bir gölgeleme etkisi mevcuttur, ancak termal karartma camlı deney odası, sıcaklık düzenlemesinin otomatik olarak uyarlanabilirliği açısından daha fazla avantaja sahiptir.

IV. Sayısal simülasyon modelinin oluşturulması ve doğrulanması

4.1 EnergyPlus modelinin oluşturulması

EnergyPlus, karşılaştırılabilir deney odası için bir bina performans hesaplama modeli oluşturmak amacıyla kullanılır. 10 günlük ölçülen dış hava verilerine dayanarak, deney ölçüm noktalarındaki iç hava sıcaklığı ve aydınlatma parlaklığı simüle edilir ve hesaplanır. Model oluşturma sürecinde, modelin deney odasının gerçek durumunu doğru bir şekilde yansıtabilmesi için, kapalı yapının termal parametreleri, dış pencerelerin karakteristik parametreleri, iç ısı kaynağı ve diğer ilgili parametreler ayrıntılı olarak ayarlanır.

4.2 Model Doğrulama

Simülasyon sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma odası ve deney odasının iç hava sıcaklığının ölçülen ve simüle edilen değerleri arasındaki karşılaştırma, karşılaştırma odasının iç hava sıcaklığının hata NMBE‘sinin %1,99, deney odasının iç hava sıcaklığının hata NMBE‘sinin ise %1,05 olduğunu göstermektedir. Termo-dimleme camlı deney odasında 9 ölçüm noktasındaki aydınlatma değerlerinin deneysel ve simüle edilen değerlerinin hata NMBE‘si -%3,43 ile %7,70 arasında değişirken, güneşlikli şeffaf yalıtım camlı karşılaştırma odasında 9 ölçüm noktasındaki aydınlatma değerlerinin deneysel ve simüle edilen değerlerinin hata NMBE‘si -%6,01 ile %15,38 arasında değişmektedir. Doğrulama sonuçları, EnergyPlus‘ın karşılaştırma odası ve deney odasının iç sıcaklığını ve aydınlatma şiddetini hesaplamada yüksek doğruluğa sahip olduğunu ve daha ileri araştırmalar için kullanılabileceğini göstermektedir.

5. Farklı iklim koşulları altında termal karartma camının uygulamasına ilişkin araştırma

5.1 Tipik bir ofis modelinin oluşturulması

Modelleme için tipik bir ofis seçilmiş ve deneylerle doğrulanmış hesaplama yöntemi benimsenmiştir. Farklı iklim koşulları altında, bina yapısının termal parametreleri, aydınlatma güç yoğunluğu, ekipman yoğunluğu, personel yoğunluğu, personel doluluk oranı ve oda klima ayar sıcaklığı gibi işletme parametreleri, ülkemdeki mevcut ilgili bina enerji tasarrufu tasarım standartlarının hükümlerine göre seçilmiştir.

5.2 Binaların fiziksel performansının simülasyonu ve analizi

Tipik meteorolojik yıl verilerine dayalı tam yıl dinamik bina fiziksel performans simülasyon yöntemi, etkili gün ışığı aydınlatmasını (UDI), iç mekan beklenen ortalama termal algılama indeksini (PMV) ve bina birim alan enerji tüketimini (EUI) hesaplamak ve tipik ofis uygulamalarında termal karartma camının bina ışık ortamı, termal ortam ve bina enerji tüketimi üzerindeki etkisini analiz etmek için kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları, farklı iklim bölgelerinde termal karartma camının bina ışık ve ısı ortamı ve enerji tüketimi üzerindeki etkisinin farklı olduğunu göstermektedir. Sıcak bölgelerde, termal karartma camı yaz aylarında iç mekan sıcaklığını etkili bir şekilde düşürebilir, klima enerji tüketimini azaltabilir ve aynı zamanda belirli aydınlatma ihtiyaçlarını karşılayarak iç mekan konforunu artırabilir; soğuk bölgelerde ise cam, kışın düşük sıcaklıklarda şeffaf kalır, bu da iç mekan güneş radyasyonu ısı kazanımını artırmaya ve ısıtma enerji tüketimini azaltmaya yardımcı olur.

VI. Isıl karartma özellikli camların tasarımı ve seçimi üzerine araştırma

6.1 Farklı camların performansının karşılaştırılması

Ülkemdeki 203 şehrin tipik meteorolojik verileri seçilerek, tek katmanlı ısı yalıtımlı cam, Low-e çift katmanlı yalıtım camı (kuzeyde yüksek geçirgenlik, güneyde düşük geçirgenlik) ve Low-e tek katmanlı ısı yalıtımlı camın doğu, batı, güney ve kuzey olmak üzere dört yöndeki bina performansları karşılaştırıldı ve analiz edildi. Araştırma sonuçları, çoğu alanda (%95) tek katmanlı ısı yalıtımlı camın bina enerji verimliliği performansının Low-e çift katmanlı yalıtım camı kadar iyi olmadığını, buna karşılık çoğu alanda (%82) Low-e tek katmanlı ısı yalıtımlı camın bina enerji verimliliği performansının Low-e çift katmanlı yalıtım camından daha kötü olduğunu göstermektedir.

6.2 Optimal geçiş sıcaklığı tasarım seçiminin haritalandırılması

Yukarıdaki araştırmaya dayanarak, 4 farklı bina yönelimi altında Low-e tek katmanlı termal karartma camının optimum geçiş sıcaklığı tasarım seçimi haritası çizilmiştir. Harita, farklı bölgeler ve farklı bina yönelimleri için geçerli olan termal karartma camının optimum geçiş sıcaklığını sezgisel olarak göstermekte ve mimari tasarımcılar için önemli bir referans sağlamaktadır. Örneğin, sıcak güney bölgelerinde, doğu-batı yönelimli binalar için Low-e tek katmanlı termal karartma camının optimum geçiş sıcaklığı yaklaşık 35-38℃ iken; soğuk kuzey bölgelerinde, güney yönelimli binaların optimum geçiş sıcaklığı nispeten düşük olup 28-32℃ arasındadır.

VII. Isı yalıtımlı camların güneşlik performans değerlendirmesi üzerine çalışma

7.1 Sabit dış mekan gölgeleme sistemleriyle karşılaştırma

Ülkemdeki 5 bina termal iklim bölgesindeki (Harbin, Pekin, Nanjing, Kunming, Xiamen) tipik şehirler seçilerek, tek katmanlı ısı yalıtımlı cam ve sabit dış gölgeleme sistemlerinin (yatay dış gölgeleme ve dikey dış gölgeleme) iç mekan ışık ve ısı ortamı ile bina enerji tüketimi üzerindeki etkileri karşılaştırılmıştır. Analiz ve hesaplama örnekleri, 5 tipik kentsel iklim koşulunu, doğu, batı, güney ve kuzey olmak üzere 4 bina yönelimini, 20-50℃ geçiş sıcaklığına sahip tek katmanlı ısı yalıtımlı camı, 0-3,6 m uzunluğunda sabit yatay dış gölgelemeyi ve 0-3,6 m uzunluğunda sabit dikey dış gölgelemeyi kapsamaktadır. Bunlar arasında, sabit dış gölgeleme pencerelerinde çift katmanlı yalıtım camı kullanılmakta olup, 0-3,6 m gölgeleme uzunluğunun seçimi, balkonlar, koridorlar ve bina çıkıntıları gibi binanın kendi kendini gölgeleyen yapılarını dikkate almaktadır.

7.2 Eşdeğer gölgeleme uzunluğunun belirlenmesine yönelik yöntem ve sonuçlar

Termo-karartmalı camın eşdeğer gölgeleme uzunluğunun belirlenmesi süreci şu şekilde önerilmiştir: Öncelikle, farklı geçiş sıcaklıklarında termo-karartmalı camın minimum bina enerji tüketimi belirlenir ve en düşük bina enerji tüketimine sahip geçiş sıcaklığı, termo-karartmalı camın optimum geçiş sıcaklığıdır; daha sonra, termo-karartmalı camın minimum bina enerji tüketimine en yakın değer elde edildiğinde, sabit dış gölgeleme uzunluğu, termo-karartmalı camın eşdeğer gölgeleme uzunluğudur. Xiamen‘deki termo-karartmalı cam ve yatay dış gölgeleme arasındaki karşılaştırmayı örnek alarak, Xiamen iklim koşullarında tek katmanlı termo-karartmalı camın optimum geçiş sıcaklığının 36-37℃ olduğu belirlenmiştir. Doğu, batı, güney ve kuzey olmak üzere dört yönde, optimum geçiş sıcaklığına sahip termo-karartmalı camın eşdeğer yatay dış gölgeleme uzunlukları sırasıyla 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m ve 1,6 m‘dir. Araştırma sonuçları, termo-karartmalı camın, sabit dış gölgeleme tesislerine benzer bina enerji tasarrufu ve ışık ve ısı ortamı iyileştirme etkileri sağlayabileceğini göstermektedir.

VIII. Sonuç ve Gelecek Perspektifleri

8.1 Araştırma Sonucu

Bu çalışma, deneysel testler ve sayısal simülasyonlar yoluyla, termal karartma camının bina ışığı, termal ortam ve bina enerji tüketimi üzerindeki kapsamlı etkisine yönelik bir hesaplama modeli oluşturmuş ve modelin doğruluğunu ölçülen verilerle doğrulamıştır. Çalışma, farklı iklim koşulları altında termal karartma camının optimum geçiş sıcaklığı ve eşdeğer gölgeleme uzunluğunun hesaplama yöntemini elde etmiş ve optimum geçiş sıcaklığı için bir tasarım seçim haritası çizmiştir. Sonuçlar, termal karartma camının bina uygulamalarında iyi bir ışık ve ısı düzenleme potansiyeline sahip olduğunu, iç mekan ışık ve ısı ortamının konforunu etkili bir şekilde iyileştirebileceğini, bina enerji tüketimini azaltabileceğini ve çoğu alanda, düşük emisyonlu tek katmanlı termal karartma camının bina enerji verimliliğinin geleneksel camdan daha iyi olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, termal karartma camı, sabit dış gölgeleme sistemlerine benzer bina enerji tasarrufu ve ışık ve ısı ortamı iyileştirme etkileri sağlayabilir.

8.2 Araştırma Beklentileri

Gelecekteki araştırmalar, termal karartma camının konutlar, hastaneler, okullar vb. farklı bina tiplerindeki uygulama alanlarını daha da genişletebilir ve farklı bina fonksiyon gereksinimleri altındaki performansını derinlemesine analiz edebilir. Aynı zamanda, termal karartma camının malzeme özelliklerini ve üretim sürecini optimize ederek, kararlılığını, dayanıklılığını ve karartma doğruluğunu artırabilir ve üretim maliyetlerini düşürerek daha geniş bir uygulama alanı sağlayabilir. Ek olarak, yapay zeka, büyük veri ve diğer teknolojilerle birleştirilerek, termal karartma camı ile diğer bina sistemleri arasında akıllı bağlantı kurulabilir ve binaların zeka ve enerji tasarrufu seviyesi daha da artırılabilir.