Betonun Termal Kütlesi ve Enerji Verimliliğine Etkisi

Termal kütle özelliği; bir malzemenin ısı enerjisini emme (absorption), depolama (storage) ve tekrar serbest bırakma (release) yeteneğidir. Yüksek termal kütleye sahip olan beton, tuğla ve fayans gibi yüksek yoğunluklu malzemelerin sıcaklığını değiştirmek için çok fazla ısı enerjisi gereklidir. Ahşap gibi hafif malzemeler ise daha düşük termal kütleye sahiptir. Bu nedenle termal kütlenin uygun kullanımı, konfor ve ısıtma/soğutma performansında büyük bir fark yaratmaktadır.

Yüzlerce yıl önce ilk uygarlıklar, sıcak ve kuru iklimlerde yaşamı konforlu hale getirebilmek için taş ve kerpiç kullanarak bu malzemelerin termal kütle özelliklerinden yararlanmıştır. Günümüzde ise betonarme yapılarda bu avantajdan faydalanılarak hem daha konforlu bir yaşam hem de ısıtma ve soğutma maliyetlerinin daha düşük olması sağlanabilmektedir. Aslında bu sadece enerji verimliliği anlamına gelmemekte, aynı zamanda yüksek güç talebinin ve CO₂ emisyonunun da azaltılması anlamına gelmektedir.

Termal Kütlenin Faydaları

Termal kütlesi yüksek olan beton, enerjiyi yavaş bir şekilde emer ve daha az kütleli malzemelere göre çok daha uzun süre bünyesinde tutar. Bu da ısı transferini geciktirir ve azaltır. Bunun sonucunda:

Tepki süresi yavaşladığı ve iç ortam sıcaklık dalgalanmaları azaldığı için ısıtma ve soğutma gereksinimlerinde daha az artış meydana gelir.
Günlük sıcaklık dalgalanması çok yüksek olan iklimlerde termal kütlesi yüksek olan büyük bir yapı, kütlesel olarak büyük elemanlarının daha az ısı transferine neden olması nedeniyle benzer düşük termal kütleli bir yapıdan daha az enerji kullanır.
Termal kütle; enerji talebini, hizmet oranlarının daha düşük olduğu yoğun olmayan dönemlere kaydırabilir. Santraller pik yüklerde güç sağlayacak şekilde tasarlandığı için pik yükün kaydırılması sonucu gerekli santral sayısı azaltılabilir.

Binalarda betonun kullanılmasının enerji açısından en önemli faydası termal kütlesi sayesinde termal kararlılığı sağlamasıdır. Binalarda kullanılan betonun termal kütlesi;

Güneş enerjisinden en iyi şekilde kullanılarak ısıtma için gerekli enerji ihtiyacını azaltmakta,
Isıtma için enerji tüketimini %2 – %15 oranında azaltmakta,
İç mekândaki ısı dalgalanmalarını düzenlemekte,
Ofisler ve diğer ticari binalarda bina sakinleri ayrılana kadar tepe sıcaklık değerlerini geciktirmekte,
Tepe sıcaklıkları düşürmekte ve klima sistemine ihtiyacı azaltmakta,
Klima sistemi ile birlikte kullanıldığında soğutmada kullanılan enerjide %50’ye kadar düşüş sağlayabilmekte,
Binaların enerji maliyetlerini azaltabilmekte,
Hem ısıtma hem de soğutmada kullanılan enerjiyi azaltarak en önemli sera gazı olan CO₂emisyonunu düşürmektedir.

Yapı Malzemelerinin Termal Kütlesi

Bir yapı malzemesinin enerji verimliliğine katkı sağlayacak yüksek termal kütle özelliğine sahip olması için üç özellik gerekmektedir. Bunlar;

1. Yüksek özgül ısı kapasitesi

2. Yüksek özgül ağırlık

3. Orta seviyede ısıl iletkenlik

Tablo 1’de görüleceği üzere tuğla, taş ve beton gibi özgül ağırlığı yüksek yapı malzemeleri bu özelliklere sahiptir. Tabi burada spesifik ısı kapasitesi ve iletkenlik özellikleri de önemlidir. Bu üç özelliğin bir kombinasyonu olarak termal kütle performansı ortaya çıkmaktadır.

Betonun termal kütlesi, binaların günlük ısıtma ve soğutma döngüsüne uygun bir hızda ısının malzemenin yüzeyi ile içi arasında hareket ettiği anlamına gelir. Ahşap gibi bazı malzemeler yüksek ısı kapasitesine sahiptir, ancak ısıl iletkenlikleri nispeten düşüktür ve bu da gün içinde ısının emilme ve gece açığa çıkma oranını sınırlandırır. Çelik, ısıyı depolayabilir; ancak ahşabın aksine çok yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Bu da ısının bir binanın doğal ısı akışıyla senkronize edilemeyecek kadar hızlı emildiği ve salındığı anlamına gelir.

Tablo 1: Farklı yapı malzemelerinin termal özellikleri

Malzeme	Spesifik Isı Kapasitesi (J/kg.K)	Özgül Ağırlık (kg/m3)	Termal İletkenlik (W/m.K)	Termal Kütle Özelliği
Beton	1000	2350	1,75	Yüksek
Çelik	450	7800	50	Düşük
Ahşap	1600	500	0,13	Düşük
Hafif Blok	1000	1400	0,57	Orta-Yüksek
Tuğla	1000	1750	0,77	Yüksek
Kumtaşı	1000	2300	1,8	Yüksek

Betonun Termal Kütlesinin Enerji Verimliliğine Etkisi

Sıcak yaz günlerinde, termal kütleye sahip duvarlar ve zeminler, yüzeylerinde ısıyı sabit bir şekilde emerek içeri doğru iletir ve gece daha soğuk havaya maruz kalana kadar depolar. Bu noktada ısı yüzeye geri dönmeye başlar ve serbest kalır. Bu şekilde ısı, Şekil 1’de görüldüğü gibi dalga benzeri bir formasyonla hareket eder ve gündüz/gece koşullarındaki değişime yanıt olarak dönüşümlü olarak emilir ve serbest bırakılır.

Isıyı bu şekilde emme ve salma yeteneği, termal kütleye sahip binaların değişen koşullara doğal olarak yanıt vermesini sağlayarak iç sıcaklığın dengelenmesine yardımcı olur ve büyük ölçüde kendi kendini düzenleyen bir ortam sağlar. Uygun şekilde kullanıldığında, bu dengeleyici etki yaz aylarında aşırı ısınma sorunlarının önlenmesine yardımcı olur ve mekanik soğutma ihtiyacını azaltır. Benzer şekilde, ısıyı emme yeteneği, güneş enerjisi kazanımlarını ve dâhili cihazlardan gelen ısıyı yakalayıp daha sonra serbest bırakarak ısıtma mevsimi boyunca yakıt kullanımını azaltmaya yardımcı olur.

**Şekil 1: Termal kütlenin konfor üzerindeki etkisi**

Hava sıcak olduğunda, serin olan beton, içerideki insanların daha serin ve rahat hissetmelerini sağlayabilmektedir. Ayrıca beton, istenmeyen ısıyı emerek (absorbe ederek) iç mekânlardaki sıcaklığın yükselişini yavaşlatmaktadır. Sıcaklıklar gece boyunca düştüğünde, binayı havalandırmak için gece daha serin olan hava kullanılmaktadır. Böylelikle, betonun gündüz absorbe etmiş olduğu ısı tahliye edilmekte ve beton ısı kaybederek ertesi güne hazır hale gelmektedir. Bu sıcak-soğuk depolama etkisi, daha konforlu ve stabil iç mekan sıcaklıkları sağlamaktadır. Termal kütlenin bu faydası, geleneksel olarak Güney Avrupa’daki konutlarda uzun yıllardır kullanılmaktadır ve iklim değişikliği etkisinin aşırı ısınmaya neden olduğu diğer bölgelerde de önem kazanmaktadır. Ayrıca, ticari binalarda mekanik soğutma maliyetlerini azaltmanın bir yolu olarak fayda sağlamaktadır.

Termal kütle konusunda çalışmalar

Finlandiya’daki Tampere Üniversitesi tarafından 28 adet uluslararası yayın taranarak konu ile ilgili bilgiler derlenmiş ve bazı sonuçlara varılmıştır.

Isıtmada termal kütlenin kullanılması ile %2-15 oranında tasarruf sağlanmaktadır. Hafif ve ağır binalar karşılaştırıldığında Kuzey Avrupa’daki iklim şartlarında %10’luk tipik bir tasarruf görülmektedir.
Yaz aylarında soğutma kullanılmadığında ağır bir iç mekândaki en yüksek hava sıcaklıkları, dengi hafif binalara göre 3-6 ^oC daha düşük olmaktadır.
Ofis binalarında gece havalandırma yapılması mekanik soğutmanın kullanımını azaltabilir ya da tamamen ortadan kaldırabilir. Yüksek termal kütle ile birlikte gece havalandırma yapıldığında ise soğutma için gerekli enerjide %50’ye varan bir azalma sağlanmaktadır.
Yüksek termal kütle ile arttırılmış hava sızdırmazlığının tek ailelik konutlarda kullanılması, hafif dengi ile karşılaştırıldığında, ısıtma enerjisi tüketiminde %20 azalma sağlar.

Sonuç

Termal kütle, malzemenin doğasında bulunan bir özellik olduğundan, tüm beton yapılarda ek bir maliyet olmadan bu özellikten yararlanılabilmektedir. Hem doğal havalandırma sayesinde hem de gölgelendirme, yönlendirme ve yalıtımın doğru yerleştirilmesi gibi akıllı tasarım özellikleri sayesinde pasif etkisi artırılabilmektedir. Soğuk havanın betona gömülü borular aracılığıyla iletildiği termal olarak aktif bina sistemlerinin kullanılmasıyla da etkin bir şekilde artırılması mümkündür. Büyük sıcaklık farkları veya soğuk hava cereyanları yaratılmadığından bu, enerji açısından en verimli ve konforlu aktif soğutma şekli olabilir. Termal kütle sayesinde, bu aktif soğutma sistemi, elektrik talebinin düşük olduğu saatlerde (örneğin gece boyunca) enerjisini kullanabilir. Bu enerji depolama etkisi, enerji kullanımının en yoğun olduğu zamanlarda enerjiye olan ihtiyacı azaltarak elektrik şebekesinin dengelenmesine yardımcı olmakta ve değişken yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmaktadır.