Mario Dodić / HVAC Danışmanı ve Eğitmeni
Bu haftanın konusu termal kütle. Uzun zamandır bunu tartışmak istiyordum ama verilerle ilgili çok az deneyimim var. Bu yüzden son birkaç günde, mükemmel ve deneyimli HVAC uzmanlarından Bruce Boucher ve Sune Nightingale’den iki makale buldum. Burada orijinal makaleler bulabilirsiniz:
Termal kütle, eğer izin verirseniz evinizi ısıtabilir
Isıl kütle nedir?
- Termal kütle, bir malzemenin ısıyı emme, depolama ve serbest bırakma yeteneğidir. Termal gecikme, bir malzemenin depolanan ısıyı serbest bırakma hızıdır. Çoğu yaygın yapı malzemesi için termal kütle ne kadar yüksekse termal gecikme o kadar uzun olur.
- Yüksek termal kütleye ve uzun gecikme sürelerine sahip malzemeler genellikle basitçe ‘termal kütle’ olarak adlandırılır. Bunlar genellikle beton, tuğla ve taş gibi ağır inşaat malzemeleridir. Düşük termal kütleye sahip malzemeler genellikle ahşap çerçeveler gibi hafif inşaat malzemeleridir.
Termal kütle analizi
Kısa versiyonunu burada bulabilirsiniz, orijinali yukarıdadır.
“Görünüşe göre “ısı pompaları eski binalarda çalışmıyor”, ancak ısıtma mühendisleri bunların yalnızca iyi çalıştığını değil, aynı zamanda genellikle daha düşük tüketim ve daha düşük tepe yükleriyle beklenenden daha iyi performans gösterdiğini bildirmeye devam ediyor.
Burada önemli bir etkenin binadaki termal kütle olduğuna inanıyorum.
Evin sıcaklığı düştükçe ısı tuğladan eve doğru hareket etmeye başlar, ancak tuğlaların sıcaklığı da düştüğü için ısı transfer hızı yavaşlar ve evin sıcaklığı da değiştiği için ısı transfer hızı etkilenir, vb.
Dış duvarlar aldatıcıdır – dış dünyaya ve aynı anda binanın içine ısı kaybederler, her iki taraftaki ve duvarın kendisindeki sıcaklıklar sürekli değişir. Bu yüzden şimdilik onları görmezden geldim ve yalnızca bir binanın içindeki bir kütle bloğunu düşünerek “hile” yaptım.
Binadaki her şeyin, kütle de dahil, oda sıcaklığının 21ºC olduğunu varsaydım.
Binanın sıcaklığının, ısının termal kütleden binaya akabilmesi için 21ºC’nin altına düşmesi gerekir. Bu nedenle dış sıcaklığın, ısıtma sisteminin yetişemeyeceği noktaya kadar düşmesi gerekir.
Hayali evimin dışarısı -4,3 olduğunda 8 kW’lık bir tepe ısı yükü var ve dışarısı ne kadar soğuk olursa olsun 8 kW’a kadar ısı veren bir ısıtma cihazı var. -4,3 “dış mekan tasarım sıcaklığı”dır – bu, daha sonra bir ısıtma sistemini boyutlandırmak için kullandığımız hesaplanmış en soğuk sıcaklıktır. Dış mekan sıcaklığı zaman zaman bunun altına düşecektir, ancak bunlar çok nadir olaylardır ve genellikle birkaç saat boyunca ve gece/sabahın erken saatlerinde meydana gelir.
Ayrıca evin “taban sıcaklığının” 15,5ºC olduğunu varsaydım. Dış sıcaklık taban sıcaklığının altına düştüğünde ısıtmanın açık olması gerekir. Üstündeyse ısıtmaya gerek kalmaz.
Birmingham havaalanı hava istasyonundan saatlik dış mekan sıcaklıklarını kullandım. Burada dış mekan tasarım sıcaklığı -4,3ºC. 14 Aralık 2022 Çarşamba günü saat 20:00’de hava gerçekten soğumaya başladı ve -8,7ºC’ye kadar düştü. Sıcaklık biraz yükselip alçalıyor, ancak yalnızca Cuma günü sabah 11’de gerçekten ısınıyor.
Bu düşüşler genellikle birkaç saat süren oldukça kısa süreli olaylardır, burada seçtiğim, 2022’de Birmingham için bulabildiğim en uzun ve en soğuk dönemdi.
85 m² yüzey alanına sahip iç duvarlarda 14 ton tuğla olduğunu hayal ettim ki bu muhtemelen bazı tuğla evlerin iç duvarlarından çok da uzak değil.
Tuğlaların U değeri sınırlayıcı bir faktördür. Tuğla, her bir sıcaklık farkı derecesi için potansiyel olarak 3,27 kWh ısı içerir. Ancak, burada modellenen duvarların alanı için maksimum transfer oranının, derece başına saatte 0,4 kWh olduğu ortaya çıkıyor – yani orada bir ısı kaynağı var, ancak çok hızlı bir şekilde dışarı çıkamıyor.
Sonra bunu 400 mm çapında ve 2,5 m yüksekliğindeki bakır borulardaki su sütunlarıyla karşılaştırdım. Sadece bunlardaki su 6,3 ton ağırlığında ve 21 m² yüzey alanına sahip olurdu.
Grafikte göründüğü üzere, beklendiği gibi termal kütle binanın soğuma hızını yavaşlatıyor ve bu da binanın o kadar soğumaması anlamına geliyor.
Bakırdaki su sütunları binaya önemli bir ısı katkısı yaparken, birçok insanın bunları evlerine dahil etmesi pek olası görünmüyor. Öte yandan, evi oluşturan malzemelerin termal kütlesini kullanmak çok daha pratik bir çözüm gibi görünüyor. Bir binada tuğla gibi bir malzemenin termal kütlesinden yararlanmak istediğimizde, yüzey alanının çok önemli olduğunu hatırlamak faydalı olur çünkü bu, ısının içeri ve dışarı hareket etme hızını sınırlayan faktördür.
Çok basit bir modellemede, dışarısı -8.7ºC ve hiçbir termal kütle yokken en soğuk noktada iç mekan sıcaklığı 15.3ºC’ye düşerken, tuğla ile 16.4ºC ve bakır silindirlerdeki suyla 17.65ºC olur; oldukça büyük bir fark.
Elbette termal kütle binanın daha sonra tekrar ısınma hızını da yavaşlatıyor, ancak zaten ilk başta içerisi o kadar da soğuk olmadığı için, belki de bu iki sorundan daha az olanı?
Benim için dikkat çekici olan ve düşündüğünüzde aşikar olan iki şey şunlardır:
- Isının termal kütleden binaya ulaşma hızı sınırlayıcı bir faktör olabilir. Isı transferini artırmak için ya yüzey alanını artırırsınız ya da malzemeyi ısıyı daha hızlı aktaran bir türe değiştirirsiniz.
- Faydayı elde etmek için binanın soğumasına izin vermelisiniz. Örneğin, gece vakti bir gerileme bunu başarabilir ve/veya ısı pompasının biraz küçük olması da bunu başarabilir.
Daha sonra, termal kütlenin oyun içinde olduğuna dair herhangi bir belirti olup olmadığını görmek için gerçek enerji izleme verilerini biraz daha derinlemesine incelemeyi planlıyorum.
Çözüm
Deneyim ve geri bildirimlerden bazı bilgiler edinmeye çalışırken, bu belki de “bilimsel bir yaklaşım” değildir, termal kütlenin önemli bir rol oynadığını düşünüyorum. Farklı şeyler hakkında tartışmalar hepimizin farklı düşünmesini ve farklı yaklaşmasını sağlayacaktır, bu yüzden daha fazla meslektaşımın burada yaptığımız gibi ayrıntılı analizler paylaşmasını umuyorum.
Hala abone değilseniz lütfen YouTube kanalına abone olun: HVAC Eğitim Merkezi
