Identification of thermal characteristics of traditional Russian stove based on computational fluid dynamics and energy performance analyses

Abstract

Nüfusun ve tüketim toplum anlayışının artmasına bağlı olarak enerji kullanımı günden güne artış göstermektedir. Enerji tüketimini azaltmak ve enerji kullanımında verimli yöntemler geliştirmek için yeni teknolojiler üzerinde çalışmalar sürdürülmekte ve bu çalışmalar için önemli kuruluşlar tarafından destekler sağlanmaktadır.Tüm Dünyadaki enerji tüketiminin % 25'i konut sektörüne aittir ve bu tüketimin çoğu konut ısıtma ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Avrupa bu konu üzerinde yoğunlaşarak 2012 yılı itibariyle, 2020 yılına kadar enerji tüketiminde % 20 azalma hedefi koymuştur ve bununla ilgili bazı yönetmelikler hazırlamıştır. Ayrıca, 2030 yılına kadar enerji tüketimindeki azalmanın % 27 oranına ulaşılması gerektiği de ikinci bir hedef olarak belirlenmiştir.Enerji verimliliği çalışmalarının yanında, kullanılan yakıtların da fosil yakıttan yenilenebilir yakıt türüne geçişi bu stratejiler arasında belirlenmiştir. Isıtma sistemlerindeki kaynak kullanımı incelendiği zaman gaz tüketiminin % 28'lik bir orana sahipken, yenilenebilir & atık kaynak kullanımının % 14 oranında olduğu görülmektedir. En çok tercih edilen yenilenebilir & atık kaynak kullanımında odunun neredeyse % 50'lik bir orana sahip olduğu ve bu oranın yıllar içinde artmakta olduğu gözlemlenmektedir. Günümüzde enerji performans çalışmaları son teknolojiler üzerine yoğunlaşarak geçmişte kullanılan sistemlerin incelenmesi açısından zayıf kalmaktadır. Geliştirilen yeni teknolojilerin ise enerji verimli olmasının yanında, ısıl konfor şartlarını insan tabiatına uygun olarak gerçekleştirilmesi konusunda bazı eksiklikler taşıdığı görülmektedir. Isıtma-soğutma sistemlerinin kullanıcı kontrolü dışında olması, kullanılan malzemelerin insan sağlığına uyumlu olmaması ve enerji kaynağı olarak çevreyi kirleten fosil yakıtların kullanılması bu alanda yapılan çalışmalarda bazı yetersizliklerin devam ettiğini ve enerji verimliliği konusunda yeni stratejiler geliştirilmesi gerektiğini göstermektedir.Bu stratejiler, elde edilmesi gereken ana hedefin enerji verimliliği olmasının yanında ısıl konforun ve çevresel etkilerin de enerji performansı kriterleri arasında değerlendirilmesini sağlamalıdır. Bu etmenlere bağlı olarak, birçok çalışma disiplinin birlikte yürütülmesi ile ortaya çıkmış olan eski ısıtma sistemlerinin günümüz imkânlarıyla incelenmesi hedeflenmiştir.Bu çalışmada geleneksel bir ısıtma sistemi olan Rus şöminesinin enerji performans çalışması, enerji verimliliği ve özgün mimari yapısı incelenerek düz bacalı döküm şömine ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Rus şöminesi, Türkiye'nin doğusunda özellikle Kars'ta yoğun olarak kullanılan bir geleneksel ısıtma sistemidir. Bu geleneksel ısıtma sisteminin başlıca özelliği orijinal baca tasarımından ve yapımında kullanılan ateş tuğlası malzemesinden gelmektedir. Buna bağlı olarak, enerji performansı değerlendirmesinde bu iki parametre üzerinde yoğunlaşılmıştır. Bacanın özgün özelliği S şeklindeki ya da labirent yoluna benzetilebilecek olan gaz akış yolundan kaynaklanmaktadır. S şeklindeki bu hava akış yolu, ısıtılmış gazın, bacanın ağzına doğru hareketini yavaşlatılmış olarak gerçekleşmesini sağlar. Bu yavaşlatılmış hareket yaklaşık olarak 450°C'ye ulaşan gazın daha fazla ısı transferi yapmasını sağlar. Ayrıca, S şeklinde gaz akış yolu, ısı transferinin gerçekleştiği iç yüzey alanına da arttırarak enerji performansına etki etmektedir. Yapımda kullanılan ateş tuğlasının bu sistemdeki avantajı ise yüksek ısıl kapasite değerinden kaynaklanıyor olup, termal kütle özelliği göstermesidir.Düz bacalı döküm şöminenin karşılaştırmalı analiz için tercih edilmesi, kullanıcılar tarafından yoğun olarak kullanılmasına bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, çalışma sistemi Rus şöminesi ile çok benzer olduğu için karşılaştırmanın objektifliği sağlanmıştır.Bu çalışmada yukarıda bahsedilmiş olan tasarımın özgünlüğü enerji verimliliği ve ısıl konfor perspektifinden incelenmiştir. Bu incelemede üç farklı program kullanılmıştır. İncelenecek olan binanın ve şöminelerin 3 boyutlu modellemesi yapılmıştır. Yaratılmış olan model hesaplamalı akışkanlar dinamiği programına ve enerji performans simülasyon programına aktarılmıştır. Bu programların kendi içinde uyumlu yazılıma sahip olması, oluşturulmuş olan 3 boyutlu modelin her üç programda da kullanımında kolaylık sağlamıştır.İncelenmiş olan bina ortasında galeri bulunan, kat yüksekliği 2.7 metre olan iki katlı konut tipli bir yapıdır ve 80 m2'lik alan üzerine oturmuş olarak toplamda 160 m2 alana sahiptir. İncelenen şömine sistemleri binanın orta kısmına oturtulmuştur ve baca galeriden geçerek çatıya ulaşmaktadır.Hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı ile meydana gelen ısı akışının, ısıl gradyanın ve ortalama ısıl duyumun değerlendirmesi yukarı anlatılmış olan bina için gerçek zamanlı analizle gerçekleştirilmiştir. Bu değerlendirme ısıtma ve soğutma süreçleri için ayrı ayrı yapılmıştır. Böylece sistemin termal kütle özelliği de incelenmiştir.Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizinde Low Re k-epsilon türbülans modeli kullanılmıştır. Low Re k-epsilon türbülans modeli, doğal havalandırmayı ve şömine içinde gerçekleşen ikincil akışların analizlerinde gerçeğe daha yakın sonuçlar verdiği için tercih edilmiştir Türbülans modeline ek olarak hesaplamaların duyarlılıkla gerçekleştirilmesi için Petrov-Galerkin çözüm metot kullanılmıştır. Petrov-Galerkin çözüm metodu ikinci dereceden diferansiyel denklemlere bağlı olarak geliştirilmiş bir metottur ve sonuçlarda daha hassas veriler sağlamaktadır.Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerine ek olarak, incelenilen binanın ısı ihtiyacı enerji performans simülasyon programı ile elde edilmiş, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda şömineden ısı transferinin gerçekleştiği her yüzey alanı ısıl akış hesaplarında dahil edilmiştir. Elde edilen ısıl akış sonuçları, enerji performans simülasyon sonuçlarından gelen bina ısıl ihtiyacı ile karşılaştırılmıştır. Böyle bu sistemin binanın ısıl ihtiyacına uygunluğu değerlendirilmiştir.Enerji performans simülasyon programı, enerji simülasyonlarını gerçekleştirirken ısıl konforun elde edilmesini temel alır ve bu kapsamda American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) tarafından oluşturulmuş olan ASHRAE 55 -Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy standardından faydalanır. Bu standartta belirtilmiş olan değerlere bağlı kalarak termal konforun sağlanması için gerekli olan güç ve enerji tüketimini hesaplar.Isıl ihtiyaç hesaplamasında en önemli girdiler bina elemanlarının termal özellikleridir. Bu kapsamda, Türk Standartları Enstitüsü tarafından geliştirilen TS 825 - Binalarda Isı Yalıtım Kurallarından faydalanılmıştır. Bu standart, Türkiye'de gözlemlenen farklı iklimsel özelliklere bağlı olarak dört adet farklı bölge yaratmıştır. Bu bölgeler sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru gruplandırılmış ve her bina elemanı için uygun ısıl geçirgenlik katsayısı belirlenmiştir. Buna bağlı olarak, hem hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizinde hem de enerji simülasyonunda biraz daha iyileştirilmiş değerler olan dış duvar için 0.36 W/m2.K, pencere için 1.8 W/m2.K, çatı için 0.21 W/m2.K ve taban döşemesi için 0.26 W/m2.K değeri girilmiştir. Bu değerler ile dış hava sıcaklığına bağlı olarak bina yapı elemanlarından gerçekleşen ısı transferi programda bir yıl boyunca dinamik olarak hesaplanmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde simülasyonlar, tüm model üzerinde ağ yapısı oluşturularak sağlanmaktadır. Ağ yapısının iyi oluşturulması, bilgisayar üzerinde yapılan analizlerin gerçek ortamdaki sonuçların elde edilmesi açısından önemlidir. Bu çalışmada tetrahedral ve pyramid eleman tipi kullanarak ağ yapısı oluşturulmuştur. Kullanılmış olan her iki eleman tipinin de serbestlik derecesi laminer akışlarda 5, türbülans akışlarda 7'dir. Çözüm sonuçlarının hassaslığının sağlanması açısından ağ yapısı iyileştirme çalışması analizin önemli aşamasından birini oluşturmaktadır. Bu kapsamda ağ yapısı iyileştirme çalışmaları sonuç farklılığında %5 elde edilene kadar tekrarlanmıştır. Her iyileştirmede eleman sayılarının ve oluşmuş olan ağ noktalarının artmasından dolayı simülasyon sürelerinde artışlar görülmüştür.Düz bacalı döküm şöminenin sonuçları incelendiği zaman ısınma süreci boyunca aşırı ısınma gözlemlendiği ve ortalama ısıl duyum değerinin 2.71 olduğu görülmüştür. Soğuma sürecinde ise sıcaklığın 6 saat içinde 16.39°C'ye düştüğü gözlemlenmiştir.Rus şöminesi sonuçlarında ise, ısı akışının düz bacalı döküm şömineye göre % 22 oranla daha fazla olduğu bulunmuştur. Buna ek olarak, Rus şöminesinin ateş tuğlasının spesifik ısıl değerinden kaynaklanan termal kütle özelliğine bağlı olarak bina içinde homojen bir ısıl dağılım oluştuğu görülmüştür. Ortalama ısıl duyum değeri, ısıtma süreci boyunca 0.5 olarak elde edilmiştir. Ayrıca, oluşan ısıl gradiyent 6 saat boyunca soğuma esnasında da korunmuş olup ve ortalama ısıl duyum değeri -0.3 olarak bulunmuştur.Sonuç olarak görülmüştür ki Rus şöminesinin S şeklindeki özgün baca tasarımının ısıl konfor üzerinde önemli bir etkisi olmakla birlikte kullanılan ateş tuğlası malzemesinin bina içinde termal kütle oluşturmuş olduğudur. Ayrıca, bu çalışmayla birlikte literatürde sadece el işçiliği yapımı ile kısıtlanan kaynaklar Rus şöminesinin bilimsel olarak incelenmesi ile genişletilmiştir ve ısıtma sistemlerindeki verimliliğin mimari disiplin, malzeme bilimi disiplini ve mühendislik disiplinlerinin ortak çalışması nasıl geliştirildiği ve ortaya çıkartıldığı görülmüştür. Bu çalışmanın bir sonraki aşaması olarak Rus şöminesinin, günümüzün çok katlı ve içinde konut dairesi bulunduran binalara entegrasyonu incelenebilecek seviyeye getirilmiştir.

The energy utilization increases day by day based on the increment of population. The new technologies focus on finding the efficient ways on energy usage to reduce the energy consumption. The energy consumption of the residential sector occupies 25% of the total energy consumption all over the world. Likewise, the space heating consumption is the major consumption component in the residential sectors of cold climates. These circumstances indicate the necessity of the research to improve the energy performance of the heating systems. In this study, energy performance of a traditional heating system, Russian stove, is examined based on its unique architectural detailing and energy performance. Russian stove is a commonly used heating system in Kars region where it is located at the east side of Turkey. This study is divided in two steps as computational fluid dynamics and energy performance analysis to evaluate the performance of the Russian stove. Furthermore, a comparative analysis between Russian stove and conventional chimney with a steel casting stove were done. A meticulous investigations were performed on applied materials and architectural design of the chimneys. The main material of the Russian stove is firestone, however, the steel casting is used in the case of contemporary stove. Addition to the applied material analysis, the chimney design of the stoves were specifically analyzed. Russian chimney has a labyrinth path design while the steel casting stove has a straight path.The uniqueness of the chimney is arisen by its S shaped flue path, as mentioned above. S shaped flue path lets the heated air move slowly through the outlet of the chimney. Therefore, heated air, which is like 450°C, stays at the inside of the stove for a longer period by achieving a better heat transfer. Furthermore, S shaped design creates more internal surface area rather than straight chimney design that this design provides a better heat transfer with increased transfer surface area. In this research, the original design of Russian stove was investigated in terms of energy efficiency and thermal comfort. Hence, computational fluid dynamic Software was used to evaluate the generated heat flux, thermal gradient and predicted mean vote by transient solution mode in a two story building. The evaluation was performed for both heating and standby period, separately. Besides, the thermal mass characteristic of the stoves were assessed to show the features of the used material.In computational fluid dynamics analysis, Low Re k-epsilon turbulence model was used. Also, Petrov-Galerkin solution method, which uses second order differential equations, was chosen. Thus, the natural ventilation and occurred secondary flows in the stove were examined. Addition to the computational fluid dynamic analysis, the heating demand of the building was simulated by energy performance simulation software and the results were compared in this purpose.The mesh enhancement study was performed to provide the accuracy on the results. The mesh enhancements were repeated until the mesh independency was obtained at the level of 5%. The analyses showed that, in the case of straight chimney steel casting stove, an overheating formation was observed after 3 hours and the temperature was found as 29.87°C after 6 hours heating period. Also, overheating affected the predicted mean vote as 2.71, negatively during the heating period. On the standby period, the temperature reduced significantly to 16.50°C in 6 hours and the predicted mean vote value was -1.4.In the case of Russian stove, a homogenous heating was formed in the building and by the result of homogeneous heating, the predicted mean vote was obtained 0.3 in the heating period. Addition to this, it was observed that the generated temperature gradient was kept for 6 hours during the standby period in the building and the predicted mean vote was found as -1.In the comparison of Russian stove and steel casting stove results, the generated heat flux was found more in the Russian stove case stove by 22% In the conclusion of these results, in the case of Russian stove it is seen that the used material creates a thermal mass based on the high specific heat value and the unique S shape design of the Russian stove has a major effect on the thermal comfort.The existing literature of the Russian stove was limited only by hand workmanship information. However, this research extended it to the scientific knowledge by identifying the major specifications of the system's thermal performance. The research was utilized the energy performance and computational fluid dynamics analyses. Consequently, it is shown that this system is an example of a collaborative work between architecture, material science and engineering disciplines to obtain a high performance heating system. The integration of this system to the apartment building that has multiple residential units can be studied as the next step of this research.