Bir ısıtıcı ve bir termal enerji deposu olarak beton kolonların termal ve mekanik performansının araştırılması

Abstract

BİR ISITICI VE BİR TERMAL ENERJİ DEPOSU OLARAK BETONKOLONLARIN TERMAL VE MEKANİK PERFORMANSININARAŞTIRILMASIEvrim ÖZRAHATErciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri EnstitüsüDoktora Tezi, Temmuz 2017Danışman: Prof. Dr. Sebahattin ÜNALANÖZETGünümüzde binaların enerji tüketiminin büyük kısmını kış mevsiminde bina içininısıtılması ve yaz mevsiminde ise soğutulması oluşturmaktadır. Bu nedenle binalarda enerjitüketimini azaltmaya yönelik çalışmalar önem kazanmıştır. Araştırmacılar özellikleyenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını destekleyen yenilikçi çözümlere yönelmiştir.Aynı zamanda termal enerjinin bina bünyesinde veya ayrı bir şekilde depolanması ile debinanın enerji verimliliğinin artırılması düşünülmüştür. Bu tezde termal enerjinin binayıtaşıyan mevcut kolonlar üzerinde duyulur enerji olarak depolanması ve bu kolonların aynızamanda ısıtıcı olarak kullanılması araştırılmıştır. Duyulur ısının, kolon ortasına açılacakküçük çaplı bir kanal veya yerleştirilecek bir boru içerisinde sıcak hava dolaştırarakdepolanması düşünülmüştür. Böyle bir sistemin çalışma prensipleri ile termal ve mekanikperformansı araştırılmıştır. Bu amaçla önce teorik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Teorikçalışmalar ile sistemde çalışma sıcaklığı, hava akış hızı ve ısıtma performansı ile sıcaklıkdağılımının sebep olacağı termal gerilmeler belirlenmiş ve değerlendirilmiştir. Elde edilensonuçlar beton için kritik sıcaklık olan 200 °C değerinin epey altındaki sıcaklık değerlerindeyeterli ısıtmanın sağlanabileceğini ortaya koymuştur. Elde edilen olumlu sonuçlarneticesinde ikinci aşama olan deney kolonu üzerinde termal ve mekanik çalışmalaryürütülmüştür. Bu deneysel sonuçlar, önerilen sistemin termal ve mekanik problemleroluşturmayacağını göstermiştir. Termal ve mekanik deneylerden elde edilen olumlusonuçlardan sonra sayısal çalışma aşaması gerçekleştirilmiştir. Deneysel ve sayısal verilerinkıyaslanması ile deneysel olarak çalışılması zor ve maliyetli olan çok katlı binauygulamaları için en uygun sayısal metodoloji tespit edilmiştir. k-ε türbülans modeli ile enfazla %5 sapma ile hesaplamaların mümkün olduğu belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Beton kolon; termal enerji depolama; ısıtma.

INVESTIGATION OF THERMAL AND MECHANICALPERFORMANCE OF THE CONCRETE COLUMNS AS A THERMALENERGY STORAGE MEDİUM AND A HEATEREvrim ÖZRAHATErciyes University, Graduate School of Natural and Applied SciencesPh.D. Thesis, July 2017Thesis Supervisor: Prof. Dr. Sebahattin ÜNALANABSTRACTNowadays, building's heating load in winter and cooling load in summer constitutes themost part of the energy consumption of the building. Thus, the studies aiming todecrease the total energy consumption of the building is very popular. Researchers aretended to the solutions using renewable energy sources. At the same time by storing thethermal energy in the building structure, it was considered to increase the energyefficiency of the building. In this thesis, storing the thermal energy in the columnscarrying the buildings and using these columns as heaters was investigated. It wasconsidered to store the sensible heat by a small duct or a small pipe placed throughoutthe column. The working principles and the thermal and mechanical performance ofsuch a system were investigated. For this purpose, first the theoretical studies wererealized. With the theoretical studies the working temperature, fluid flow velocity,heating performance and thermal stress values caused by temperature distribution weredetermined and evaluated. Obtained results exhibited that with the temperature valuesbelow the value of 200 °C stated as critical temperature value for concrete in literature,sufficient heating can be achieved. After the positive results of theoretical study,thermal end mechanical studies on an experimental column. Experimental resultsshowed that the proposed system would not cause thermal or mechanical problems.After the positive results of experimental thermal and mechanical studies, numericalstudy was conducted. With the comparison of experimental thermal and numericalthermal results the most suitable methodology for multistory building which are hardand expensive to study was determined. It was conclude that with k- ε turbulencemodel, the calculations can be realized with maximum 5% deviation.Keywords: Concrete column; thermal energy storage; heating.