Endüstri Bilgisi

I. Genel Bakış

1.1 Araştırmanın Arka Planı

Binaların ışık ve ısı ortamı, dış iklim koşullarından periyodik olarak etkilendiğinden, iç mekan aydınlatmasının ve güneş radyasyonu ısı kazanımının verimli bir şekilde düzenlenmesi hayati önem taşır. Değişken ışık geçirgenliği 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 iyileştirme ve bina enerji tüketimini azaltma konusunda büyük bir 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 sahip olması, mimari uygulamaların geçiş sıcaklığı ve görünür ışık geçirgenliği gereksinimlerini daha iyi karşılayabilir ve geniş uygulama olanaklarına sahiptir.

Ancak mevcut araştırma ve standartlarda, farklı iklim koşulları altında termokromik camın optimum geçiş sıcaklığının tasarımı ve seçimi için net yöntemler bulunmamaktadır; aynı zamanda, termokromik camın gölgeleme tesislerine ait olup olmadığı ve gölgeleme potansiyelinin değerlendirilmesi konusunda net bir değerlendirme standardı da bulunmamaktadır. Mimari uygulamalarda, farklı iklimler ve bina yönelimleri altında termo-karartmalı camın optimum geçiş sıcaklığının nasıl tasarlanıp seçileceği ve değerlendirme sırasında eşdeğer gölgeleme alanının nasıl hesaplanacağı, bu malzeme için temel araştırmadan mimari uygulamaya kadar çözülmesi gereken acil konular haline gelmiştir.

1.2 Araştırmanın amacı ve önemi

Bu çalışma, deneysel testler ve sayısal simülasyonların birleşimi yoluyla ısıl kararan camların bina ışığı, termal ortam ve bina enerji tüketimi üzerindeki kapsamlı etkisine yönelik bir hesaplama modeli oluşturmayı ve ölçülen verilerle doğrulamayı amaçlamaktadır. Bu temelde, ısıl kararan camların farklı iklim koşullarında optimum geçiş sıcaklığı ve eşdeğer gölgeleme uzunluğunun hesaplama yöntemi, mimari uygulamalarda tasarım ve değerlendirmesi için bir referans sağlamak amacıyla incelenmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, ısıl kararan camların mimarlık alanında yaygın olarak uygulanmasını teşvik etmek, binaların ışık ve ısı performansını iyileştirmek, bina enerji tüketimini azaltmak ve inşaat sektörünün sürdürülebilir gelişimini desteklemek açısından faydalıdır.

2. Termo-karartmalı camın performans testi

2.1 Optik performans testi

UV/görünür/yakın kızılötesi spektrofotometre kullanılarak, 20℃, 25℃, 30℃ ve 35℃ geçiş sıcaklıklarına sahip termo-karartmalı cam numunelerinin optik özellikleri farklı sıcaklıklarda test edilmiştir. Test sonuçları, sıcaklık arttıkça camın görünür ışık geçirgenliğinin kademeli olarak azaldığını ve güneş radyasyonunu engelleme kabiliyetinin kademeli olarak arttığını göstermektedir. Örneğin, 20℃‘de camın görünür ışık geçirgenliği nispeten yüksektir ve odaya büyük miktarda görünür ışık girmesine izin verir; sıcaklık 35℃‘ye yükseldiğinde görünür ışık geçirgenliği önemli ölçüde düşer ve güneş radyasyonu geçirgenliği de önemli ölçüde düşerek güneş ısısının odaya girmesini etkili bir şekilde engeller.

2.2 Isı transfer katsayısı testi

Numunenin ısı transfer katsayısı, sabit durum ısı akısı termal iletkenlik ölçer kullanılarak test edilmiştir. Test verileri, termo-karartmalı camın ısı transfer katsayısının şeffaf halde nispeten yüksek olduğunu; atomize halde ise ısı transfer katsayısının önemli ölçüde azaldığını, bu da camın atomize haldeki ısı yalıtım performansının önemli ölçüde iyileştiğini ve iç ve dış ortam arasındaki ısı transferini etkili bir şekilde azaltabileceğini göstermektedir.

3. Laboratuvar testi

3.1 Laboratuvar tasarımı

Xiamen Üniversitesi Mimarlık ve İnşaat Mühendisliği Fakültesi‘nde benzer bir laboratuvar odası kuruldu. Karşılaştırma odası ve laboratuvar odası aynı boyutlara sahip olup uzunluk, genişlik ve yükseklikleri 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m, dış pencere boyutları ise 2,093 m × 1,94 m‘dir. Karşılaştırma odasının pencereleri çift katmanlı yalıtım camı ve 50 cm‘ye kadar uzanan yatay güneşliklerle, deney odasının pencereleri ise 25°C geçiş sıcaklığına sahip tek katmanlı termo-karartmalı camla donatılmıştır.

3.2 Test içeriği ve sonuçları

Gerçek ölçüm 10 ardışık gün boyunca gerçekleştirildi ve ölçüm verileri dış hava durumu verilerini, iç hava sıcaklığını (doğal oda sıcaklığı), iç aydınlatma aydınlatmasını vb. içeriyordu. Deneysel sonuçlar, sıcak havalarda deney odasına yerleştirilen termo-karartmalı camın sıcaklık arttıkça kademeli olarak buğulandığını, güneş ışınımını etkili bir şekilde engellediğini ve iç hava sıcaklığının etkili gölgeleme önlemleri olmayan odaya göre önemli ölçüde daha düşük olduğunu göstermektedir. Ayrıca, iç aydınlatma aydınlatması, doğrudan güçlü ışığın neden olduğu rahatsızlığı önlerken aydınlatma ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Karşılaştırma odası da güneşliğin etkisi altında belirli bir gölgeleme etkisine sahiptir, ancak termo-karartmalı cam deney odası, sıcaklık düzenlemesinin otomatik olarak uyarlanabilirliği açısından daha fazla avantaja sahiptir.

IV. Sayısal simülasyon modelinin kurulması ve doğrulanması

4.1 EnergyPlus modelinin kurulması

Karşılaştırılabilir deney odası için bir bina performans hesaplama modeli oluşturmak amacıyla EnergyPlus kullanılmıştır. 10 günlük ölçülen dış hava verileri temel alınarak, deneysel ölçüm noktalarındaki iç hava sıcaklığı ve aydınlatma yoğunluğu simüle edilip hesaplanmıştır. Model oluşturma sürecinde, muhafaza yapısının termal parametreleri, dış pencerelerin karakteristik parametreleri, iç ısı kaynağı ve diğer ilgili parametreler ayrıntılı olarak belirlenerek, modelin deney odasının gerçek durumunu doğru bir şekilde yansıtması sağlanmıştır.

4.2 Model Doğrulaması

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

5. Farklı iklim koşullarında termo-karartmalı cam 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, muhafaza yapısının termal parametreleri, aydınlatma gücü yoğunluğu, ekipman yoğunluğu, personel yoğunluğu, personel doluluk oranı ve oda klima ayar sıcaklığı gibi çalışma parametreleri, ülkemdeki mevcut ilgili bina enerji tasarrufu tasarım standartlarının hükümlerine göre seçilmiştir.

5.2 Bina fiziksel performansının simülasyonu ve analizi

Tipik meteorolojik yıl verilerine dayanan tam yıllık dinamik bina fiziksel performans simülasyon yöntemi, etkili gün ışığı aydınlatmasını (UDI), iç mekan beklenen ortalama termal algı indeksini (PMV) ve bina birim alan enerji tüketimini (EUI) hesaplamak ve tipik ofis uygulamalarında termo-kısa camların bina ışık ortamı, termal ortam ve bina enerji tüketimi üzerindeki etkisini analiz etmek için kullanılır. Simülasyon sonuçları, farklı iklim bölgelerinde termo-kısa camların bina ışık ve ısı ortamı ve enerji tüketimi üzerindeki etkisinin farklı olduğunu göstermektedir. Sıcak bölgelerde, termo-kısa camlar yazın iç mekan sıcaklığını etkili bir şekilde düşürebilir, klima enerji tüketimini azaltabilir ve aynı zamanda belirli aydınlatma ihtiyaçlarını karşılayabilir ve iç mekan konforunu iyileştirebilir; soğuk bölgelerde, cam kışın düşük sıcaklıklarda şeffaf kalır, bu da iç mekan güneş radyasyonu ısı kazanımını artırmaya ve ısıtma enerjisi tüketimini azaltmaya yardımcı olur.

VI. Termo-karartmalı cam tasarımı ve seçimi üzerine araştırma

6.1 Farklı camların performanslarının karşılaştırılması

Ülkemdeki 203 şehrin tipik meteoroloji verileri, tek katmanlı termo-dimmer cam, Low-e çift katmanlı yalıtım camı (kuzeyde yüksek geçirgenlik, güneyde düşük geçirgenlik) ve Low-e tek katmanlı termo-dimmer camın doğu, batı, güney ve kuzey olmak üzere dört yöndeki bina performansını karşılaştırmak ve analiz etmek için seçildi. Araştırma sonuçları, tek katmanlı termo-dimmer camın bina enerji verimliliği performansının çoğu bölgede (%95) Low-e çift katmanlı yalıtım camı kadar iyi olmadığını, ancak Low-e tek katmanlı termo-dimmer camın bina enerji verimliliği performansının çoğu bölgede (%82) Low-e çift katmanlı yalıtım camından daha kötü olduğunu göstermektedir.

6.2 Optimum geçiş sıcaklığı tasarım seçiminin haritalanması

Yukarıdaki araştırmaya dayanarak, 4 farklı bina konumunda Low-e tek katmanlı termo-dimmerli cam için optimum geçiş sıcaklığı tasarım seçiminin bir haritası çizilmiştir. Harita, farklı bölgelere ve farklı bina konumlarına uygulanabilen termo-dimmerli camın optimum geçiş sıcaklığını sezgisel olarak göstererek mimari tasarımcılar için önemli bir referans sağlamaktadır. Örneğin, sıcak güney bölgelerinde, doğu-batı yönündeki binalar için Low-e tek katmanlı termo-dimmerli camın optimum geçiş sıcaklığı yaklaşık 35-38°C iken, soğuk kuzey bölgelerinde, güney yönündeki binaların optimum geçiş sıcaklığı nispeten düşük, 28-32°C arasındadır.

VII. Termo-karartmalı camların güneşlik performans değerlendirmesi üzerine çalışma

7.1 Sabit dış gölgeleme tesisleriyle karşılaştırma

Ülkemdeki 5 bina termal iklim bölgesindeki (Harbin, Pekin, Nanjing, Kunming, Xiamen) tipik şehirler, tek katmanlı termo-dimmerli cam ve sabit dış gölgeleme tesislerinin (yatay dış gölgeleme ve dikey dış gölgeleme) iç mekan ışık ve ısı ortamı ile bina enerji tüketimi üzerindeki etkilerini karşılaştırmak amacıyla seçilmiştir. Analiz ve hesaplama durumları 5 tipik kentsel iklim koşulunu, doğu, batı, güney ve kuzey olmak üzere 4 bina yönünü, 20-50℃ geçiş sıcaklığına sahip tek katmanlı termo-dimmerli 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 kullanılmış olup, 0-3,6 m gölgeleme uzunluğunun seçiminde balkonlar, koridorlar ve bina çıkıntıları dahil olmak üzere binanın kendi kendini gölgeleyen yapıları dikkate alınmıştır.

7.2 Eşdeğer gölgeleme uzunluğunu belirleme yöntemi ve sonuçları

Termo-kısa camların eşdeğer gölgeleme uzunluğunun belirlenmesi süreci önerilmektedir: öncelikle, farklı geçiş sıcaklıklarında termo-kısa camların minimum bina enerji tüketimi belirlenmelidir. En düşük bina enerji tüketimindeki geçiş sıcaklığı, termo-kısa camların optimum geçiş sıcaklığıdır. Daha sonra, termo-kısa camların minimum bina enerji tüketimi birbirine en yakın olduğunda, sabit dış gölgeleme uzunluğu, termo-kısa camların eşdeğer gölgeleme uzunluğudur. Xiamen‘deki termo-kısa cam ve yatay dış gölgeleme arasındaki karşılaştırmayı örnek olarak ele alırsak, Xiamen‘in iklim koşullarında, tek katmanlı termo-kısa camın optimum geçiş sıcaklığı 36-37℃‘dir. Doğu, batı, güney ve kuzey olmak üzere dört yönde, optimum geçiş sıcaklığına sahip termo-kısa camların eşdeğer yatay dış gölgeleme uzunlukları sırasıyla 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m ve 1,6 m‘dir. Araştırma sonuçları, termo-kısa camların, sabit dış gölgeleme tesislerine benzer şekilde bina enerji tasarrufu ve ışık ve ısı ortamı iyileştirme etkileri sağlayabileceğini göstermektedir.

VIII. Sonuç ve Beklentiler

8.1 Araştırma Sonucu

Deneysel testler ve sayısal simülasyonlar yoluyla, bu çalışma, termo-kısmalı camların bina ışığı, termal çevre ve bina enerji tüketimi üzerindeki kapsamlı etkisine yönelik bir hesaplama modeli oluşturmuş ve modelin doğruluğunu ölçülen veriler aracılığıyla doğrulamıştır. Çalışmada, farklı iklim koşulları altında termo-kısmalı camın optimum geçiş sıcaklığı ve eşdeğer gölgeleme uzunluğunun hesaplama yöntemi elde edilmiş ve optimum geçiş sıcaklığı için bir tasarım seçimi haritası çizilmiştir. Sonuçlar, termo-kısmalı camın bina uygulamalarında iyi ışık ve ısı düzenleme potansiyeline sahip olduğunu, iç mekan ışık ve ısı ortamının konforunu etkili bir şekilde artırabileceğini, bina enerji tüketimini azaltabileceğini ve çoğu alanda Low-e tek katmanlı termo-kısmalı camın bina enerji verimliliğinin geleneksel camdan daha iyi olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, termo-kısmalı cam, sabit dış gölgeleme tesislerine benzer şekilde bina enerji tasarrufu ve ışık ve ısı ortamı iyileştirme etkileri sağlayabilir.

8.2 Araştırma Beklentileri

Gelecekteki araştırmalar, konut binaları, hastaneler, okullar vb. gibi farklı bina tiplerinde termo-karartmalı camların uygulama araştırmalarını daha da genişletebilir ve farklı bina fonksiyonu gereksinimleri altındaki performansını derinlemesine analiz edebilir. Aynı zamanda, termo-karartmalı camın malzeme özelliklerini ve üretim sürecini optimize edebilir, stabilitesini, dayanıklılığını ve karartma doğruluğunu iyileştirebilir ve daha geniş uygulama alanını teşvik etmek için üretim maliyetlerini düşürebilir. Ayrıca, yapay zeka, büyük veri ve diğer teknolojilerle birleştirildiğinde, termo-karartmalı cam ile diğer bina sistemleri arasındaki akıllı bağlantı, binaların zekasını ve enerji tasarrufu seviyesini daha da artırmak için gerçekleştirilebilir.