Farklı çatı geometrilerinin bina ısıl davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı, konik çatı geometrisinin bina ısıl performansı açısından iç ortam havası sıcaklığına etkisini düz çatılı yapılarla karşılaştırarak araştırmak ve yaz dönemi için bu iki çatı tipinden hangisinin daha enerji verimli olduğunu ortaya çıkarmaktır. Bu kapsamda konik çatı yüzeyine düşen güneş ışınımı ve Harran eviyle aynı taban alanına sahip düz çatı yüzeyine düşen güneş ışınımı analiz edilmiştir. Ayrıca bu iki çatı tipine ait zorlanmış taşınım ısı transfer katsayılarının analizi ve çapraz havalandırma açısından bu çatı geometrilerinin performansı k-ε türbülans modeli kullanılarak üç boyutlu CFD simülasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Bu çatı geometrilerine ait doğal taşınım ısı transfer katsayıları ve iç ortam hacimlerinin toplam ısı transfer katsayıları, adyabatik hazne tekniğiyle deneysel olarak incelenmiştir. Sayısal analiz sonucunda, yaz döneminde ve aynı çatı yüzey emiciliği için gün boyunca, konik çatının, birim alana düşen toplam güneş ışınımının %55.7'sini ve düz çatının ise %61'ini emdiği bulunmuştur. Saatlik direkt ve difüz ışınım ortalamalarının günlük toplamları karşılaştırıldığında ise, düz çatı konik çatıya göre birim alan başın yaklaşık %100 daha fazla direkt ışınım ve %33 daha fazla difüz ışınım almaktadır. Ayrıca Harran evi çapraz havalandırma açısından düz çatılı yapıya göre % 10 daha iyi performans göstermektedir ve tipik bir yaz günü sonunda Harran evinin kubbesi düz çatıdan %30 daha az ısı atağına maruz kalmaktadır. Deneysel analiz neticesinde ise, Harran evi modelinin, çatı dış yüzeyi doğal taşınım ısı transfer katsayısının ortalaması, düz çatılı modele kıyasla yaklaşık 1.5 kat daha fazla bulunmuştur.

The objective of the present study is to investigate the effect of the conical roof geometry on indoor air temperature by comparing with flat roofs to ascertain which of these two roof geometries is more energy efficient during summer months. In this context solar insolation on the conical roof and on the flat roof covering same base area are analyzed. Furthermore forced convection heat transfer coefficients and cross ventilation performance for these two roof types are evaluated with three-dimensional CFD simulations by using the k-ε turbulence model. The natural heat transfer coefficients and total heat transfer coefficients of these roof types are investigated experimentally by using adiabatic-box technique. As a result of the theoretical analysis, for the summer season and with the same roof absorptivity of the surface, it was found that the conical roof absorbed 55.7 % and the flat roof absorbed 61 % of the total received radiation per unit area during the day. When the daily sum of hourly beam and diffuse radiation averages are compared, the flat roof receives nearly 100 % more beam radiation and 33% more diffuse radiation than that of conical roof's. Cross ventilation flow rate for the house with conical roof is found to be ~10% higher than that of the flat one and the conical roof transfers 30% less heat to interior side. The result of experimental analysis revealed that external surface natural convection heat transfer coefficient of the conical roof is approximately 1.5 times more than flat roof's.