Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 3, 2018 ARAŞTIRMA DOI: 10.17482/uumfd.487773 BĠNA DIġ DUVARLARINDA YOĞUġMA DĠKKATE ALINARAK GEREKLĠ YALITIM KALINLIĞININ BELĠRLENMESĠ: BĠTLĠS ĠLĠ ĠÇĠN ÖRNEK ÇALIġMA * Ali Hüsnü BADEMLİOĞLU ** Ahmet Serhan CANBOLAT ** Ömer KAYNAKLI Alınma:26.11.2018; düzeltme:03.12.2018; kabul:05.12.2018 Öz: Türkiye gibi dış ortam sıcaklıklarının geniş bir aralıkta değişkenlik gösterdiği ülkelerdeki binalarda, kış aylarında ısı kayıplarını, yaz aylarında ise ısı kazançlarını azaltmak için yapılan yalıtım uygulamalarının önemi her geçen gün artmaktadır. Yapılan yalıtım uygulamalarında su buharı hareketlerinin göz önüne alınması yoğuşma riski açısından oldukça önemlidir. Yoğuşma veya terleme olarak adlandırılan bu olay, malzemelerin zarar görmesi, mukavemetin azalması ve toplam ısı transfer katsayısının yükselmesi nedeniyle ısı kayıplarının artması gibi istenmeyen sonuçlar doğurur. Bu çalışmada dıştan yalıtımlı duvar tipi seçilmiş ve Bitlis ili için yapılan yalıtım uygulamasında yoğuşma riski dikkate alınarak, aylara göre gerekli minimum yalıtım kalınlıkları hesaplanmıştır. Yoğuşma riskinin en fazla olduğu ve bu nedenle yoğuşmayı önlemek için gereken yalıtım kalınlığının maksimum olduğu ay olarak şubat ayı belirlenmiştir. Yapı elemanındaki ısı ve kütle transferi hesaplamaları, farklı iç ortam sıcaklıkları ve bağıl nem koşulları için yapılmıştır. Belirlenen çalışma şartlarında, şubat ayı için gerekli minimum yalıtım kalınlığı yaklaşık 0,104 m olarak hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Yoğuşma, Yalıtım kalınlığı, Dıştan yalıtımlı duvar, Sıcaklık, Bağıl Nem Determination of Required Insulation Thickness by Considering Condensation in Outer Walls: A Case Study for Bitlis Province Abstract: In buildings which are located in countries where external ambient temperatures vary in a wide range, such as Turkey, the importance of insulation applications are increasing day by day in order to reduce the heat losses in winter months and the heat gains in summer months. Consideration of water vapor motion in the insulation applications is very important in terms of the risk of condensation. This phenomenon, which is called condensation or sweating, results in undesirable outcomes such as damage to the materials, reduced strength and increased heat losses due to increased overall heat transfer coefficient. In this study, the externally insulated wall type was chosen and the required minimum insulation thickness was calculated according to months considering the risk of condensation in the insulation application for Bitlis province. It was determined February as a month in which the condensation risk is the greatest and therefore the required insulation thickness is maximum to prevent condensation. Heat and mass transfer calculations within the structural component were performed with respect to various indoor temperature and relative humidity values. In the specified working conditions, the required minimum insulation thickness was calculated as 0,104 m for February. Keywords: Condensation, Insulation thickness, Externally insulated wall, Temperature, Relative humidity * Bursa Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü, 16310, Yıldırım, Bursa. ** Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 16059, Görükle, Bursa. İletişim Yazarı: Ali Hüsnü Bademlioğlu (husnu.bademlioglu@btu.edu.tr) 333 Bademlioğlu A.H. ve diğ.: Bina Dış Duvarlarında Gerekli Yalıtım Kalınlığının Belirlenmesi: Bitlis İli Örneği 1. GĠRĠġ Binalarda, yoğuşma olayı yalıtım için önemli bir sorundur. Yapı malzemelerinde ortaya çıkan yoğuşma olayı; hava ile temas eden yapı malzemesi yüzey sıcaklığının, havanın çiy noktası sıcaklığının altında olması durumunda gerçekleşir. Bu durumda yoğuşan su duvarlarda küf, mantar üremesi, koku veya boya bozulmalarına neden olabilir. Yoğuşma olayının önlenebilmesi için yapı bileşeninin su buharı hareketine karşı direnci arttırılmalıdır. Yapı bileşeninin, yalıtım yapılarak su buharına ve ısı geçişine karşı direnci arttırılabilir. Literatürde optimum yalıtım kalınlığı hakkında çeşitli çalışmalar bulunmaktadır (Bolattürk, 2008; Kaynaklı, 2008; Zhu ve diğ., 2011; Gürel ve Cingiz, 2011). Kaynaklı ve diğ. (2017), yalıtım kalınlığını etkileyen birçok parametrenin (ısıtma/soğutma yükleri, duvar yapısı, yalıtım malzemesi özellikleri vb.) optimum ısıl yalıtım kalınlığına ve geri ödeme sürelerine olan etkisini incelemiştir. Kürekçi (2016), ısıtma ve soğutma derece-gün değerlerini ve yaşam döngüsü maliyet analizini kullanarak dört farklı yakıt ve beş farklı yalıtım malzemesi için Türkiye’nin 81 ilindeki gerekli optimum yalıtım kalınlıklarını ve geri ödeme sürelerini hesaplamıştır. Genellikle yoğuşma faktörü dikkate alınmadan yapılan bu çalışmalarda derece-gün metodu kullanılarak ısı kaybının minimalize edilmesi amaçlanmış ve optimum yalıtım kalınlığı hesaplanmıştır. Gerekli yalıtım kalınlığının belirlenmesi için yoğuşma dikkate alınarak yapılan çalışmaların sayısı literatürde oldukça sınırlıdır. Heperkan ve diğ. (2001), buhar difüzyonu ve yoğuşma hesaplarını kolaylaştıran, yapı malzemesi içerisinde yoğuşmanın meydana geldiği noktayı tespit eden bir bilgisayar programı geliştirmiştir. Atmaca ve Kargıcı (2006), Konya ilinde, bir yapı konstrüksiyonundaki buhar geçişini ve yoğuşma olayını incelemişlerdir. Arslan ve Köse (2006), Kütahya ili için yoğuşmayı dikkate alarak yalıtım kalınlığının termoekonomik optimizasyonunu incelemişlerdir. Chang ve Kim (2015), Kore’de kullanılan iki farklı duvar yapısının ısı ve nem performansını simülasyon programı yardımıyla araştırmıştır. You ve diğ. (2017), yüksek nemli iklim koşullarında binaların iç yüzeyinde görülen yoğuşma olayını araştırmış ve yoğunlaşmanın sıklıkla meydana geldiği alanları belirlemeyi amaçlamıştır. Moon ve diğ. (2014) nem transferinin, binalarda enerji verimliliği, termal konfor ve küf oluşumu gibi bina performans özelliklerine olan etkisini higrotermal simülasyona dayalı olarak incelemiştir. Liu ve diğ. (2015) Çin’in belirli bölgeleri ve iklim koşulları için binalarda görülen nem transferinin binaların termal performansına olan etkisini araştırmıştır. Kaynaklı ve diğ. (2018) farklı yalıtım uygulamalarından oluşan yapılarda ısı yalıtım kalınlığının optimizasyonunu yoğuşmaya bağlı olarak gerçekleştirmişlerdir. Bu çalışmada, Bitlis ili için yapılan yalıtım uygulamasında yoğuşma riski dikkate alınarak gerekli minimum yalıtım kalınlığı hesaplanmıştır. Dış ortam şartları Bitlis ili için belirlenmiş olup aylara göre gerekli minimum yalıtım kalınlıkları hesaplanmıştır. Yoğuşma riskinin en fazla olduğu ve bu nedenle yoğuşmayı önlemek için gereken yalıtım kalınlığının maksimum değerinin hesaplandığı ay olarak şubat ayı belirlenmiştir Yapı elemanındaki ısı ve kütle transferi hesaplamaları, farklı iç ortam sıcaklıkları ve bağıl nem koşulları için yapılmıştır. 2. MATEMATĠKSEL YÖNTEM 2.1. DıĢtan Yalıtımlı Duvar için Isı Ġletimi ve Su Buharı Difüzyonu Şekil 1’de dört farklı yapı malzemesinden oluşan dıştan yalıtımlı duvar tipi verilmiştir. 334 Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 3, 2018 Şekil 1: Dıştan yalıtımlı duvar tipi uygulaması Uygulamalarda, iç ortamdaki ısı taşınım katsayısı hi, dış ortamdaki ısı taşınım katsayısı h0, malzemelerin ısı iletim katsayıları k ve kalınlıkları x olarak tanımlanmış olduğunda, sürekli rejimde ısı akısı (Atmaca ve Kargıcı, 2006; Kaynaklı ve diğ., 2018)  (1)  (2) İç ve dış ortamdaki hesaplamalar için Eşitlik (1), yapı malzemesi katmanlarındaki hesaplamalar için ise Eşitlik (2) kullanılmaktadır. Benzer şekilde bileşik düzlem duvarın tamamı için ısı akısı, ( ⁄( ∑ )) (3) Isı iletimine benzer olarak bileşik düzlem duvarda iç ortamdaki buhar geçirgenlik katsayısı βi, dış ortamdaki buhar geçirgenlik katsayısı βo, yapı malzemelerinin buhar geçirgenliği µp ve kalınlıkları x olduğuna göre, sürekli rejimde duvardaki su buharı akısı,  (4)  (5) Eşitlik (4) iç ve dış ortamdaki hesaplamalar için kullanılırken, Eşitlik (5) ise yapı malzemesi katmanlarındaki hesaplamalar için kullanılmaktadır. Bileşik düzlem duvarın tamamı için su buhar akısı ise, ⁄( ∑ ) (6) 335 Bademlioğlu A.H. ve diğ.: Bina Dış Duvarlarında Gerekli Yalıtım Kalınlığının Belirlenmesi: Bitlis İli Örneği Eşitlik (6)’daki yapı malzemesi buhar geçirgenliği (µp) yerine buhar geçirgenlik direnci (δ) kullanılır ve buhar geçirgenlik direnci (δ), ⁄ (7) Eşitlik (7)’de ifade edilen buhar geçirgenlik direnci (δ), havaya göre direnç faktörü (µ) ve havanın difüzyon direnci (δair) cinsinden, (8) 3 Havanın difüzyon direnci (δair) genel olarak 1,5x10 kPa m h/kg olarak alınmaktadır (Kaynaklı ve diğ., 2018; Arslan ve Köse, 2006). Gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra su buhar akısı değerini veren Eşitlik (6) aşağıdaki şekilde ifade edilir: ⁄( ∑ ) (9) 2.2. Duvar Ġçerisindeki Sıcaklık ve Kısmi Basınç Dağılımı Dıştan yalıtımlı duvarlar için, yapı içindeki muhtemel sıcaklık ve basınç dağılımı şematik olarak Şekil 2’de verilmiştir. Kısmi ve doyma basınçlarının çakıştığı muhtemel yoğuşma noktası (4 düzlem hattı) şekil üzerinde görülmektedir. Şekil 2: Dıştan yalıtımlı duvar için sıcaklık ve basınç dağılımı 3. BULGULAR ve TARTIġMA Bitlis ili sınırları içerisinde bir bina için yapılan bu çalışma kapsamında belirlenen bir yapıya sahip duvarda yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli yalıtım kalınlığının hesaplanabilmesi için ortam şartlarına ve diğer parametrelere ait veriler Tablo 1’de verilmiştir. Bitlis ilinin aylara göre belirlenen ortalama sıcaklık ve bağıl nem değerleri ise Tablo 2’de gösterilmektedir. 336 Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 3, 2018 Tablo 1. Belirlenen ortam Ģartları ve termodinamik parametreler (Dağsöz, 1995; Arslan ve Kose, 2006; Çengel ve Ghajar, 2010; Kaynaklı ve diğ., 2018) Parametre Değer İç ortam şartları Sıcaklık, ºC 18 – 25 Bağıl nem 0,40 – 0,80 2Isı taşınım katsayısı, W/m K 8,3 2Buhar geçirgenlik katsayısı, kg/m h kPa 0,111 Dış ortam şartları Sıcaklık, ºC -3,1 – 22,8 Bağıl nem 0,312 – 0,894 2Isı taşınım katsayısı, W/m K 34 2Buhar geçirgenlik katsayısı, kg/m h kPa 0,39 Havaya göre Isı iletim katsayısı, Duvar Tipi : Dıştan Yalıtımlı Duvar Kalınlık, x (m) direnç faktörü, k (W/m K) µ İç sıva 0,02 0,87 10 Tuğla 0,135 0,45 6,8 Yalıtım (XPS) x 0,034 80 Dış sıva 0,03 1,4 16,5 Tablo 2. Bitlis ili için aylara göre belirlenen ortalama sıcaklık ve bağıl nem değerleri (Ölçüm periyodu 1963-2017) (TUĠK, Meteoroloji Genel Müdürlüğü) Aylar BĠTLĠS Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Sıcaklık (°C) -3,1 -2,1 1,7 7,6 13,2 18,5 22,8 22,4 17,6 11,0 4,7 -0,9 Bağıl Nem (%) 87,5 89,4 75,5 65,5 65,8 44,3 31,2 31,2 36,4 55,8 78,9 85,2 Tablo 2’de verilen sıcaklık ve bağıl nem değerleri yardımıyla, Bitlis ili için aylara göre belirlenen yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli minimum yalıtım kalınlıkları Şekil 3’de verilmiştir. Şekil 3’de görüldüğü gibi, belirlenen çalışma şartları için yılın beş ayı (Kasım, Aralık, Ocak, Şubat ve Mart) yoğuşma riski görülmekte ve bu nedenle yoğuşmayı önlemek için gerekli yalıtım kalınlıkları artmaktadır. Bitlis ili için şubat ayında görülen yoğuşma riski diğer aylara göre daha yüksek olmakta ve yoğuşmayı önlemek için gerekli minimum yalıtım kalınlığı maksimum (0,104 m) olmaktadır. Bu nedenle çalışma kapsamında dış ortam şartları için Bitlis ilinin şubat ayı referans alınmıştır. Bitlis ili sınırları içerisindeki bir bina duvarında, yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli minimum yalıtım kalınlığının iç ortam sıcaklığına bağlı olarak değişimi Şekil 4’de farklı iç ortam bağıl nem şartları için verilmiştir. İç ortam sıcaklığının artmasıyla, iç ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı yükselmektedir. Bu durumda iç ortamdan dışarıya transfer olan ısı ve su buharı miktarı artmakta ve yoğuşma riski oluşmaktadır. Bu nedenle Şekil 4’de görüldüğü gibi iç ortam sıcaklığının 18ºC’den 25ºC’ye yükselmesiyle gerekli yalıtım kalınlığı 0,6 bağıl nem değeri için yaklaşık 0,066 m artarken, 0,7 bağıl nem değeri için yaklaşık 0,078 m artmaktadır. Bitlis ili için, farklı iç ortam sıcaklıklarında yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli minimum yalıtım kalınlığının iç ortam bağıl nemine bağlı olarak değişimi Şekil 5’de verilmiştir. Genel olarak iç ortam bağıl neminin artmasıyla, iç ortamdan dışarıya transfer olan su buharı miktarı artmakta ve yoğuşma riski oluşmaktadır. Bu nedenle Şekil 5’de görüldüğü gibi iç ortam bağıl neminin 0,4’den 0,8’e yükselmesiyle, yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli minimum 337 Bademlioğlu A.H. ve diğ.: Bina Dış Duvarlarında Gerekli Yalıtım Kalınlığının Belirlenmesi: Bitlis İli Örneği yalıtım kalınlığı 22ºC iç ortam sıcaklığı için yaklaşık 0,123 m artarken, 24ºC iç ortam sıcaklığı için yaklaşık 0,136 m artmaktadır. 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Ekim Kasım Aralık Ocak Şubat Mart Nisan Aylar Şekil 3: Bitlis’te yer alan ve örnek duvar şekli verilen yapının duvarlarında yoğuşma meydana gelmemesi için gerekli minimum yalıtım kalınlıklarının aylara göre değişimi 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 φiç =0,6 0,02 φiç =0,7 0 18 19 20 21 22 23 24 25 Ġç Ortam Sıcaklığı (⁰C) Şekil 4: Farklı iç ortam bağıl nem değerlerinde yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli yalıtım kalınlığının iç ortam sıcaklıkları ile değişimi 338 Yalıtım Kalınlığı (m) Yalıtım Kalınlığı (m) Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 3, 2018 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 Tiç=22⁰C 0,02 Tiç=24⁰C 0 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Ġç Ortam Bağıl Nemi Şekil 5: Farklı iç ortam sıcaklıkları için, belirlenen duvarda yoğuşma gerçekleşmemesi için gerekli yalıtım kalınlığının iç ortam bağıl nem değerleriyle değişimi 4. SONUÇ Bitlis ili için yapılan bu çalışmada yoğuşma faktörü dikkate alınarak yapılan yalıtım uygulamalarında, yalıtım kalınlığının iç ortam şartlarına bağlı değişimi üzerinde durulmuştur. Elde edilen sonuçlar aşağıda maddeler halinde verilmiştir:  Bitlis ili için şubat ayında yapılarda görülen yoğuşma riski diğer aylara göre daha yüksektir ve şubat ayı için gerekli minimum yalıtım kalınlığı yaklaşık 0,104 m olarak hesaplanmıştır.  İç ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı arttıkça, duvardan transfer olan ısı ve su buharı miktarı yoğuşma riskini arttırmaktadır. Sabit çalışma koşullarında 0,6 iç ortam bağıl nem değeri için iç ortam sıcaklığının 18ºC’den 25ºC’ye yükselmesiyle gerekli yalıtım kalınlığı yaklaşık 2,2 kat artmaktadır.  Benzer şekilde iç ve dış ortam arasındaki bağıl nem farkının yükselmesi, duvardaki yoğuşma riskini önemli ölçüde arttırmaktadır. Sabit çalışma koşullarında 24ºC iç ortam sıcaklığı için iç ortam bağıl neminin 0,4’den 0,8’e yükselmesiyle gerekli yalıtım kalınlığı yaklaşık 6,2 kat artmaktadır. KAYNAKLAR 1. Arslan, O. ve Köse, R. (2006) Thermoeconomic optimization of insulation thickness considering condensed vapor in buildings”, Energy and Buildings, 38(12), 1400-1408. doi: 10.1016/j.enbuild.2006.02.012 2. Atmaca, Ş.U. ve Kargıcı, S. (2006) Konya’da kış aylarında yapı malzemelerinde oluşan buhar geçişinin örnekle incelenmesi, Mühendis ve Makine, 47, 55-62. 3. Bolattürk, A. (2008) Optimum insulation thicknesses for building walls with respect to cooling and heating degree-hours in the warmest zone of Turkey, Building and Environment, 43(6), 1055-1064. doi: 10.1016/j.buildenv.2007.02.014 4. Chang, S.J. ve Kim, S. (2015) Hygrothermal performance of exterior wall structures using a heat, air and moisture modeling, Energy Procedia, 78, 3434-3439. doi: 10.1016/j.egypro.2015.12.328 339 Yalıtım Kalınlığı (m) Bademlioğlu A.H. ve diğ.: Bina Dış Duvarlarında Gerekli Yalıtım Kalınlığının Belirlenmesi: Bitlis İli Örneği 5. Çengel, Y. ve Ghajar, A. (2010) Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, McGraw Hill Inc., New York. 6. Dağsöz, A.K. (1995) Türkiye’de Derece-Gün Sayıları, Ulusal Enerji Tasarruf Politikası, Yapılarda Isı Yalıtımı, İzocam Yayınları, İstanbul. 7. Gürel, A.E. ve Cingiz, Z. (2011) Economical analysis of determination thermal insulation thickness for different external walls, Sakarya University Journal of Science, 15(1), 75-81. 8. Heperkan, A.H., Bircan, M.M. ve Sevindir, M.K. (2001) Yapı malzemelerinde buhar difüzyonu ve yoğuşma, V. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, İzmir, 461-470. 9. Kaynaklı, Ö. (2008) A study on residential heating energy requirement and optimum insulation thickness, Renewable Energy, 33, 1164-1172. doi: 10.1016/j.renene.2007.07.001 10. Kaynaklı, Ö., Canbolat, A.S. ve Bademlioğlu, A.H. (2017) A study on the parameters affecting insulation thickness on external wall of buildings, International Journal of Mechanical and Production Engineering, 5(7): 81-84. 11. Kaynaklı, O., Bademlioğlu, A.H. ve Ufat, H.T. (2018) Determination of optimum insulation thickness for different insulation applications considering condensation, Tehnicki Vjesnik, 25(Supplement 1), 32-42. doi: 10.17559/TV-20160402130509 12. Kürekçi, N.A. (2016) Determination of optimum insulation thickness for building walls by using heating and cooling degree-day values of all Turkey’s provincial centers, Energy and Buildings, 118, 197-213. doi: 10.1016/j.enbuild.2016.03.004 13. Liu, X., Chen, Y., Ge, H., Fazio, P. ve Chen, G. (2015) Numerical investigation for thermal performance of exterior walls of residential buildings with moisture transfer in hot summer and cold winter zone of China, Energy and Buildings, 93, 259-268. doi: 10.1016/j.enbuild.2015.02.016 14. Meteoroloji Genel Müdürlüğü, İllerimize Ait Genel İstatistik Verileri. Erişim Adresi: https://mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=A&m=BITLIS (Erişim Tarihi:23.11.2018) 15. Moon, H.J., Ryu, S.H. ve Kim, J.T. (2014) The effect of moisture transportation on energy efficiency and IAQ in residential buildings, Energy and Buildings, 75, 439-446. doi: 10.1016/j.enbuild.2014.02.039 16. TUİK, Türkiye İstatistik Kurumu; 2018 (www.tuik.gov.tr) 17. You, S., Li, W., Ye, T., Hu, F. ve Zheng, W. (2017) Study on moisture condensation on the interior surface of buildings in high humidity climate, Building and Environment, 125, 39- 48. doi: 10.1016/j.buildenv.2017.08.041 18. Zhu, P., Huckemann, V. ve Fisch, M.N. (2011) The optimum thickness and energy saving potential of external wall insulation in different climate zones of China, Procedia Engineering, 21, 608-616. doi: 10.1016/j.proeng.2011.11.2056 340