Farklı Yönlendirmeli Bina Dış Duvarlarında Faz Değiştiren Malzeme Kullanımının Isı Kazancına Etkisinin Araştırılması

Öz

Bu çalışmada, farklı yönlere bakan bina dış duvarlarında geleneksel ısı yalıtım malzemesi yerine faz değiştiren malzeme (FDM) kullanılarak soğutma yükleri ANSYS Fluent programı ile nümerik olarak araştırılmıştır. Analizler iki boyutlu ve zamana bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Elazığ ilinin yaz iklim şartları göz önünde bulundurularak bina dış yüzeyinin 24 saat boyunca değişen güneş ışınımı ve dış ortam sıcaklıklarına maruz bırakıldığı iç yüzeyinin ise sabit sıcaklıkta oda havasıyla temasta olduğu kabul edilmiştir. Bu amaçla 5 farklı duvar modeli belirlenerek ilk olarak duvar kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımları ve soğutma yükleri hesaplanmış ve daha sonra ise ısıl depolama kapasitelerini temsil eden faz kayması ve sönüm oranları tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar mevcut yalıtım ile kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, duvara yalıtım yerine aynı kalınlıkta FDM uygulanarak tüm duvar yönlendirmeleri için dış sıcaklık dalgalanmaları sönümlenip iç yüzey yayılımının en aza indirilmesi sağlanmıştır. Ayrıca duvara FDM uygulanarak maksimum faz kayması ve minimum sönüm oranı açısından duvarın ısı depolama kapasitesinin de arttığı görülmüştür. Faz değiştiren malzemenin dışta kullanılmasının daha verimli olduğu görülmüş ve yalıtımsız duvara göre iç yüzeyde 2oC daha düşük sıcaklık elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan UDF (User-defined function) kodu sayesinde her bir saatteki sıcaklık değerleri değişken sınır şartı olarak verilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Faz değiştiren malzeme (FDM)
• farklı duvar yönlendirmeleri
• soğutma yükü
• faz kayması ve sönüm oranı

Investigation Of The Effect Of Using Phase Change Materials On Heat Gain At Building Walls With Different Orientations

Öz

In this study, cooling loads were investigated numerically with ANSYS Fluent program by using phase change material (PCM) instead of traditional thermal insulation material on the exterior walls of buildings facing different directions. Analyzes were carried out in two dimensions and depending on time. Considering the summer climatic conditions of the Elazığ province, it is assumed that the building's outer surface of the building is exposed to changing solar radiation and outdoor temperatures for 24 hours, and the inner surface is in contact with the room air at a constant temperature. For this purpose, five different wall models were considered and firstly, the temperature distributions and cooling loads were calculated along the wall thickness, and then the time lag and decrement factor represented the thermal storage capacities were determined. The results obtained were compared with the existing insulation. As a result, by applying PCM of the same thickness to the wall instead of insulation, external temperature fluctuations for all wall orientations are reduced and its spread to the interior surface is minimized. In addition, it was observed that the heat storage capacity of the wall increased from the point of view of maximum time lag and minimum decrement factor by applying PCM to the wall. It has been seen that the use of phase change material on the outside is more efficient and 2oC lower temperature is obtained on the inner surface compared to the non-insulated wall. Owing to the UDF (User-defined function) code used in the study, the temperature values in each hour are given as variable boundary conditions.

Anahtar Kelimeler

• Phase change material (PCM)
• different wall orientations
• cooling loads
• time lag
• decrement factor.

Kaynakça

1. Konuklu Y, Paksoy HÖ. “Faz değiştiren maddeler ile binalarda enerji verimliliği”. X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 919-930, İzmir, Türkiye, 13-16 Nisan 2011.
2. Sun X, Zhang Y, Xie K, Medina MA. “A parametric study on the thermal response of a building wall with a phase change material (PCM) layer for passive space cooling”. Journal of Energy Storage, 47, 103548, 2022.
3. Kürklü A, Wheldon AE , Hadley P. “Bir faz değişim maddesinin model bir serada dondan koruma amacı ile kullanılması”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 3(2): 359-363, 1997.
4. Zhang G, Xiao N, Wang B, Razaqpur AG. “Thermal performance of a novel building wall incorporating a dynamic phase change material layer for efficient utilization of passive solar energy”. Construction and Building Materials, 317, 126017, 2022.
5. Tian G, Lv H, Huang J, Liu P, Feng W. “Experimental study on the heat transfer characteristics of different walls with phase change materials in summer”. Journal of Building Engineering, 44, 103354, 2021.
6. Cevik M. Faz Değiştiren Maddelerle Duvar Isıl Yalıtımının Deneysel Olarak Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Türkiye, 2012.
7. Tokuç A. Faz Değişim Malzemelerinin Isıl Enerji Depolama Amacıyla Yapı Elemanı Üretiminde Kullanılması. Doktora Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, 2013.
8. Örengül F. Gizli Isı Depolamalı Tavan Isıl Yalıtımının Deneysel Olarak Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Türkiye, 2010.

9. Konuklu Y. Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddelerde Termal Enerji Depolama ile Binalarda Enerji Tasarrufu. Doktora tezi, Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, Türkiye, 2008.
10. Kurt S. Yeni Nesil Bina Malzemeleri için Faz Değiştiren Madde Geliştirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, Türkiye, 2012.
11. Quanying Y, Ran H and Lisha L. “Experimental study on the thermal properties of the phase change material wall formed by different methods”. Solar Energy, 3099-3102, 2012.
12. Hasan MI, Basher HO, Shdhan AO. “Experimental investigation of phase change materials for insulation of residental buildings”. Sustainable Cities and Society, 36 (2018) 42-58, 2018.
13. Kandasamy R, Wang QX and Mujumdar SA. “Application of phase change materials in thermal management of electronics”. Applied Thermal Engineering,27, 2822-2832, 2007.
14. Ozel M. Duvar Yüzeylerinde Periyodik Sıcaklık Değişimi Olan Binalarda Isı Kazanç ve Kayıpların Minumum Yapacak Yöntemlerin Araştırılması. Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Türkiye, 2003.
15. Özel, M. 2022. Impact of glazing area on thermal performance of buildings, International Journal of Ambient Energy,Vol. 43, No. 1, 2039-2055.
16. Daloğlu A. “Isı Yalıtımında Faz Değiştiren Malzeme Kullanımı”. X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Türkiye, 2011.
17. Cengel Yunus A and Afshin J Ghajar. "Heat and mass transfer." A practical approach 2007.
18. Okcu M. Faz Değiştiren Maddelerde Erime ve Katılaşma Sürecinin Sayısal Olarak İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Türkiye, 2011.
19. Özel M., İlgin N., (2013). “Periyodik Sınır Şartlarına Maruz Kalan Çok Katmanlı Duvarlarda Sıcaklık Dağılımının ANSYS'de Analizi”, Tesisat Mühendisliği Dergisi, Sayı 132, 14:49, 27-32.
20. İlgin N., Özel M. ve Pıhtılı K., “Yalıtımlı Duvarlarda Sıcaklık Dağılımının ANSYS’ te Çözümü” IV. Ege Enerji Sempozyumu 21-23 Mayıs 2008 İzmir.
21. Özel M, Çakmak FA, Beyazıt N. “Faz değiştiren malzemeli duvarlarda sıcaklık dağılımının nümerik analizi”. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 12(5), 803-810, 2021