The evaluation of innovative insulation materials for energy efficiency in civil engineering

Abstract

Isı (termal) izolasyonu terimi insanlığın yerleşik hayata geçmesinden itibaren ideal oda sıcaklığını bulma arzusundan doğan ve asli bir ihtiyaç sayılabilecek konfora ulaşmasını sağlayan en önemli önlemdir. Bu konuda yapılan yenilikler, özellikle son yüzyıllarda artmış olup bilhassa son yüzyılda daha da ileri götürülerek estetik ve performansı bir arada sağlayabilecek ürünler arayışına girilmiştir. Gerek akademik, gerekse de uygulama alanında yapılan araştırmalar neticesinde inovatif (yenilikçi) yalıtım malzemelerinin bu arzuyu karşılayabilceği umudu artmıştır. Bu doğrultuda geleneksel ve diğer yalıtım malzemelerini inovatif malzemeler ile kıyaslayarak eksik ve artı yönlerini ortaya çıkarmak ve literatüre bu yönde bir kazanım sağlamak tezin temelini oluşturmaktadır. Geniş bir daireden başlamak suretiyle, giderek daralan ve inovatif yalıtım malzemelerini ön plana çıkaran bu araştırmanın ele alınış metodu; yine bir çok kitap, internet sitesi, makale, yayın vb. kaynaklardan yararlanarak bir bilgi kümesi oluşturmak, bu oluşturulan bilgi kümesi ışığında bir malzeme kategorizasyonu yapmak, bu kategorizasyonda da yenilikçi malzemelerin nasıl bir sınıf oluşturduğunu öne çıkarmak, tanıtmak ve sonuçlar, öneriler ile okuyucuya bu konuda bilgi kazandırıp gelecekte araştırılabilecek ve genişletilebilecek noktaları işaret etmek şeklindedir. Isı yalıtımı terimini anlamak için ilk başta ısı terimini, davranışlarını anlamak ve ısı kaybının ne şekilde oluştuğunu, oluşan ısı kaybının ne derece önlenmesi gerektiği ve nasıl önleneceği konuları önem arz etmektedir. Hava daima sıcak ortamdan soğuk ortama doğru hareket etme eğilimindedir. Bu da yaz aylarında dışarıdaki havayı içeriye almama ve kış aylarında içerideki havayı muhafaza etme gereksinimini oluşturmaktadır. Havanın duvar kesitinden geçememesi için ısı yalıtım malzemeleri kullanılmakta olup, bunlar termal özelliklerine göre çeşitlilik göstermektedir. Ayrıca her malzemenin özgün bir ısı depolama kapasitesi bulunmaktadır. Isı depolama kapasitesi fazla olan malzeme, öncelikle ısıyı depolayacak ve odanın ısınmasını geciktirecektir. Bu açıdan da seçilen malzemelerin düşünülmesi gerekmektedir. Yine hava geçişini oluşturacak termal köprülerin de oluşmaması önem arz etmektedir. Bu kılcal boşluklar sürekli olarak havanın akmasına sebebiyet vermekte olup, yine ısıyı muhafaza etmekte sıkıntıya yol açmaktadırlar.Daha sonraki süreçte termal konfor kavramı ve ülkeler bazında şart koşulan duvar yalıtım değerleri anlaşılmalı ve buna göre tasarımlar yapılmalıdır. Termal konfor bir bireyin bir alanda rahatça zaman geçirebileceği sıcaklık aralığını temsil etmektedir. Bu değer örnek olarak bir evde en çok zaman geçirilen odalarda daha fazla olup, banyo, tuvalet gibi alanlarda 1-2⁰C daha azdr. Fakat insanın yaratılışı gereği belli bir sıcaklık aralığında yaşaması gerekmektedir. Aksi takdirde rahatsız olacak ve alternatif çözümler üretme gereksinimi duyacaktır. Bu enlemde ülkelerin duvarlarda aradıkları ve yönetmelik olarak uyguladığı duvar ısı geçirgenliği (U değeri) değerleri vardır. Bu değerler soğuk iklimli ülkelerde daha düşükken, ılık ülkelerde daha yüksek olarak göze çarpmaktadır. Bireyleri ilgilendiren bir başka başlık ise `enerji verimliliği` olarak bilinen, istenilen oda sıcaklığını sağlamak amacıyla gerekli yakıt tüketimini temsil eden terimdir. Yine bu alanda yakıt tüketimini minimuma indirmek amacıyla yeşil binaların gümüzde popülerliği giderek artmakta olup, ısı izolasyonun da buna paralel olarak önem kazanması kaçınılmaz olmuştur. Bu doğrultuda enerji verimliliği karnelerinin ne olduğu, hangi parametleri gösterdiği ve ileriye dönük nasıl bir önem taşıdığını anlamak gerekmektedir. Yakıt için harcanan paralar her ne kadar asli ihtiyaç için harcanıyor olsa da, bazen ısı kaybı ve enerji verimliliği düşüklüğü sebebiyle zorlayıcı boyutlara ulaşmaktadır. Basit hamlelerle %40-50 oranında tasarruf etmenin mümkün olması, bu sektörün ne kadar önemli olduğunu gözler önüne sermektedir. Yeşil binalar olarak bilinen ve enerji verimliliği karnesinde A sınıfı olarak değerlendirilen binaların üretim esnasında harcanan ücretleri yakıt tasarrufu olarak ne kadar kısa sürelerde amorti ettiği bir çok araştırmaca kanıtlanmıştır. Enerji verimliliği karnesi; uzmanı tarafından evin ısıya karşı dayanıklılığının tespit edilmesi ve A-G arasında, A en yüksek ve G en düşük değer olmak üzere evin termal durumunun belgeye dökülmüş halidir. Bir çok ülkede kiralanacak veya satışı yapılacak evin enerji verimliliği karnesinin gösterilmesi şart koşulmuştur. Kişi buradan yola çıkarak yakıt giderlerini kolaylıkla tahmin edebilektedir.Bunun ötesinde tüm bu kavramları anladıktan sonra yalıtım malzemelerinin hangi özelliklerini belirleyici olduğu, hangilerinin yaygın olarak kullanıldığını idrak etmek çok daha kolay olacaktır. Duvar kesiti içerisinde yer alan boya,sıva,yalıtım malzemesi, tuğla veya blok örgü katmanlarından her biri kalınlığına ve termal özelliklerine göre ısı geçirgenliğine doğrudan katılım sağlamaktadır. Örneğin tuğla örgüler ısı depolarlar ve bunun sebebi geniş bir yer kaplamaları ve özgün ısı depolama değerlerinin yüksek olmasıdır. Bir diğer önemli tanım ısı iletkenlik değeridir. Her malzemenin yine özgül ısı iletkenlik değeri vardır ve kesit kalınlığına göre ısı dayanıklılığı artış göstermektedir. Isı iletkenlik değerini yalıtım malzemelerinin etiketlerinde görmek mümkündür. Ülkemizde ve dünyada yaygın olarak kullanılan başlıca yalıtım malzemeleri EPS, XPS, taş yünü, cam yünü, poiüretan, bunların panel ve köpük halleridir. Bunlara geleneksel yalıtım malzemeleri de denilmektedir. Mevcut durumda hem ücret olarak hem de performans olarak yeterli ve tatmin edici düzeyde olan bu malzemeler, küresel ısınma ve soğuma karşısında gerekli ısı geçirgenlik değerlerinin aşağı çekilmesi sonucu ya daha kalın olarak kullanılmak durumunda kalacak veya alternatif malzemelere ihtiyaç doğacaktır.Bu çalışmada geleneksel, organik, inovatif ve textil yalıtım malzemeleri sınıflandırılmış olup inovatif yalıtım malzemeleri ön plana çıkarılmıştır. Nitekim inovatif yalıtım malzemeleri yukarıda bahsedilen probleme karşı önlemler ve yeni malzeme arayışının sonucu yapılan araştırmaların ulaştığı malzemelerdir. Mesela transparan yalıtım malzemeleri camekan olarak inşa edilen binalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Yine bu sınıf içerisinde olup karşımıza çıkan vakum yalıtım panelleri, geleneksel malzemelerden 10 kata kadar daha iyi termal sonuçlar vermektedir. Bununla ilgili sayısal örnekler de çalışmanın içerisinde mevcuttur. Yine gaz sıkıştırılmış paneller, doğal agrega ile yapılmış paneller ve tekstil atıklarından yapılan yalıtım malzemeleri iddialı araştırmalara konu olmaktadır. Tüm bunların ışığında bir takım sonuçlara varmak mümkün olmaktadır. Bu sonuçlara binaen araştırma yapılabilecek alanlar ve geliştirilmesi faydalı olduğu görülen noktalar bulunmaktadır. Özellikle iki malzeme biricik olarak nitelendirilebilir. Bunlardan birinci aerojel bir diğeri ise vakum panelleridir. Her ikisi de alanında oldukça fazla araştırma yapılan ve pazarda yerlerini almaya hazırlanan malzemelerdir. Henüz çok pahalı olan bu malzemelerin bir takım eksiklikleri de söz konusudur. Örneğin, vakum panellerini servis ömürleri henüz istenilen kadar uzun değildir. Aynı termal özellikleri 30-50 yıl arasında muhafaza etmekte olup daha sonraki süreçte belirsiz değerler meydana çıkmaktadır. İşgücü ekiplerinin uyglama yönünden eğitilmeleri ayrı bir gerekliliktir. Nitekim geneli yevmiye usülü çalışan işçilerin bu pahalı malzemeleri uygulama için ayrıca fazla ücret talep edecek olmaları bu malzemelerin yaygın kullanımını engellemektedir. Ayrıca Türkiye'nin enerji verimliliği açısından durumu yine bu araştırmada ele alınmış ve özet olarak irdelenmiştir. Varılan noktada Türkiye'nin yenilikçi yalıtım malzemelerini kullanması durumunda diğer ülkeler ile karşılaştırmalı olarak nasıl bir noktaya gelebileceği konusundaki düşünceler paylaşılmıştır. Doğru politikalar kullanılarak Türkiye'nin enerji verimliliği açısından bulunduğu noktadan (ki diğer avrupa ülkelerine göre oldukça geridedir) nasıl bir sıçrama yapabileceği ancak bu durumda da malzeme tercihi noktasında yine kullanıcıya yardım etmesi gerektiği veyahutta kullanıcının yine en ekonomik olduğunu düşündüğü malzemeyi seçeceğini kısaca bu araştırmada bulmak mümkündür.

Thermal insulation term is the most important measure that provides the thermal comfort which human being has been looking for as a natural habit from the first residential lifestyle begins. The inventions in this topic, especially has been arisen in last centuries and specifically in the last century it has been carried forward and both aesthetic and performance based products have been researched to be discovered. In the light of researches each in academic and practical fields, the hope of this demand to be provided is increased via innovative insulation materials.Accordingly, to compare traditional and other insulation materials to innovative insulation materials, figure out the pros and cons and to contribute the literature is the aim of this thesis. By starting with a wide chamber to a narrowing view and outlining the innovative insulation materials, the method used to explain in this thesis is; to create a knowledge group over lots of books, internet sites, journals, publications etc., to classify the materials per this knowledge, to outline, represent the innovative insulation materials class and to gain the reader knowledge in this subject via results, recommendations and to point out possible researches and spots which needs to be lightened in the future. To understand the thermal insulation term, we first need to know the heat term, understand it's behavior and to identify how heat loss occurs, how much of it and how should it be prevented are important topics. Air is continuously in a tend to travel from a hot region to a cold region. This ends up with a need of preventing the air escape in winter and preventing the air coming from outside in summer. Thermal insulation materials are used to minimise the passage of the air through a wall section, and these vary due to their basic properties. Each material also has a specific heat capacity. Materials with high heat capacity will store the energy and delay the warming of a room. It is also important to look from this point when selecting the material. Also, to prevent thermal bridges (cold bridge) is a key factor to avoid heat loss. These capillary gaps cause heat flow continuously and lets heat pass.Subsequently, thermal comfort term and requirements of thermal insulations values in different countries should be known and designs should be carried in accordance with these. Thermal comfort is a temperature zone where a person feels comfortable to spend time in an area. This value is higher where people spend more time whilst it is 1-2⁰C less in rooms like bathroom and toilet. A person should be living in between certain degrees because of human nature or will feel uncomfortable and will look for alternative solutions. Parallel to this, each country has requirements for thermal transmittance values (U-value). These values are lower in cold climates and higher in hot climates. Another topic which concerns individuals is the term also known as `energy efficiency` which states the fuel consumption needed to provide demanded temperature in a space. Again in this field, popularity of green buildings is increasing to minimise the fuel consumption and inevitably the importance of thermal insulation materials have been realised related to this. Expenses to heat the house is climbing to a disturbing rate because of heat loss and low energy efficiency even though it is a basic need. The possibility of saving 40-50% of these expenses with simple tackles shows us the importance of this sector. Known as green buildings, graded as an A class in Building Energy Ratings are expensive during construction but the expenses due to energy saving redeem itself in short periods which has been proved by lots of researches. Energy Performance Certificate; states the stamina of the house against heat by a specialist and gradation of the house's thermal condition between A-G where A is the highest and G is the lowest. A lot of country requires this certificate before selling or renting properties. Individuals can easily have a clue how much the costs might be by looking at these certificates. Further to that, after understanding these terms it will be much easier to see which of the properties are key for thermal materials and which of them are widely used. The layers in the wall section like paint, plaster, thermal insulation material, brick or block layer are directly involved in thermal transmittance according to their thickness and thermal properties. For example, brick stores heat because of being thick and it's specific heat capacity being high. Another important definition is thermal conductivity value. Each material has a unique thermal conductivity value and thermal transmittance changes due to section thickness and thermal conductivity. It is possible to see the material thermal conductivity value on the label of products. The primary materials widely used around the world are EPS, XPS, rock wool, fiberglass, polyurethane, panel and foam types of these. They are also called as traditional insulation materials. They are satisfying both as costly and thermally at the present, but required thermal transmittance values are likely to decrease against the global warming and cooling, and this will end up with thicker usage of present materials or usage of alternative materials. In this study, traditional, organic, innovative and textile thermal insulation materials are classified and innovative insulation materials are outlined. Nevertheless, innovative insulation materials have been discovered to tackle the problem mentioned above as result of researches. For example, transparent insulation materials are widely used in glass facade buildings. Again being in this class Vacuum insulation panels have up to 10 times better thermal properties than traditional materials. Numeric examples are also given in this study. Also gas filled panels, naturally aggregated materials and materials made of textile wastes are being subject to competitive researches. It is possible to make some conclusions in the light of all above. In consequence of these conclusions, there are areas where researches should be carried out and points to focus on to show progress. Particularly, two materials could be called as unique. Yet they are too expensive and they also have some lacks. For example, the service life of vacuum panels are not as long as demanded. They are likely to keep same thermal properties for 30-50 years and subsequently unpredictible values are likely to occur. It is also a necessaty to teach working force how to apply such materials. Hence, generally daily payed workforce would cost more than normal to apply these already expensive materials which obstructs these materials being widely used.Turkey's position in energy efficiency has also been evaluated in this research and been shared as a summary. Opinions has been outlined about what point it could be if being used innovative insulation materials by comparing to other countries. This research also referes to how Turkey can jump ahead in energy efficiency (which is way behind other European Countries) by applying correct policies, but that users should be encouraged to use certain materials or they will continue using materials they think are the most economic ones.