Trombe duvarlı bir pasif güneş sisteminde türbülanslı doğal taşınımın deneysel incelenmesi

Abstract

Geçmiş yıllarda oluşan, fosil enerji kaynaklarının birgün gelip tükeneceği düşüncesinin, son yıllarda gelişen çevre bilinci ile birleşmesi sonucu yenilenebilir enerji kaynaklarına verilen önem daha da artmıştır. Bu kaynaklar arasında, güneş enerjisi ön sıralarda yer almaktadır. Bu çalışmada, güneş enerjisiyle ısıtılan Trombe duvarlı bir pasif güneş sistemindeki türbülanslı doğal taşınım deneysel olarak incelenmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi Kampusu 'nde bulunan ve tek hücreli bir test odasıyla, buna bitişik bir kontrol odasından oluşan bu sistemde, ilk olarak, güneş ışınımının toplandığı yüzey olan Trombe duvarı siyah yüzeyindeki sıcaklık dağılımının gün içindeki seyri termoelemanlar yardımıyla, elde edilmiştir. Buna göre, gölgelenen bölgeler haricinde, duvarın orta kısmı en yüksek sıcaklıklara sahip olmaktadır. Diğer, günlerde yapılan deneylerde, Trombe duvarı yüzeyindeki sıcaklık dağılımı yanısıra, cam ve soğuk duvar yüzeyi ile kanal bölgesi, ventilasyon delikleri, iç ortam ve dış ortam sıcaklıkları da gün boyunca termoelemanlar yardımıyla ölçülmüştür. Sıcaklıklarla ayni anda, yatay düzleme gelen anlık tüm güneş ışınımı da bir piranometre yardımıyla, ölçülmüştür. Sıcaklık ve güneş ışınımı ölçümleri sonucunda, oda içerisinde bir sıcaklık katmanlaşması, yanında kanal ve oda arasında termosirkülasyon olayının gerçekleştiği tespit edilmiştir. Ayrıca, soğuk duvar sıcaklığının, gün içinde birkaç derece arttığı görülmüştür. Diğer yandan, kanal içindeki akışı karakterize eden, İçsel Rayleigh sayısı, Rai, ile kanal ve oda arasındaki akışı karakterize eden, Dışsal Rayleigh sayısı, Rae, tanımlanmış ve hesaplanmıştır. Bunlara ilaveten taşınımla, ısı transferini belirleyebilmek amacıyla Nu, sayısı da hesaplanmıştır. Sonuç olarak, Trombe duvarı sisteminin, düşey düzleme gelen toplam güneş enerjisinin %10-15 'ini odaya taşınım yoluyla aktarabildiği, odanın ısı kazancının, RaE sayısıyla doğru orantılı, Rai sayısıyla ise ters orantılı olduğu, Nu'in ise Rai ile doğru orantılı olarak değiştiği görülmüştür. Odaya sıcak hava akışım dolayısıyla ısı taşımmını sağlayan üst ventilasyon delikleri ve sıcak havanın, ventilasyon deliklerinden geçtikten sonra akışa devam ettiği odadanın tavana yakın bölgesindeki akış karakteristikleri Sıcak Tel Anemometresiyle yapılan ölçümlerden sonra elde edilen veriler yardımıyla tespit edilmiştir. Buna göre, üst ventilasyon deliklerindeki akış, öğle saatlerinde en yüksek değerine ulaşmaktadır. Üst ventilasyon deliklerindeki akış tamamen türbülanslı olmasına karşın, alt ventilasyon deliklerinde tamamen laminer bir akış sözkonusudur. Üst ventilasyon deliklerinde elde edilen hız profilleri ve türbülans değerlerinden çıkan sonuca göre, akışın ventilasyon deliğine girişte 90° 'lik dönüşten dolayı yüzeyden ayrılması nedeniyle deliğin alt yansında bir döngü oluşmaktadır. Ventilasyon deliklerinin kesitlerinin daraltılmasıyla bu döngünün boyutları küçülmekte ve daha düzgün bir hız profili elde edilmektedir. Diğer taraftan, odanın üst kısmındaki akışa göre ventilasyon deliğinden odaya giren sıcak havanın tavana yapışık bir şekilde soğuk duvara kadar devam ettiği ve bu akış nedeniyle odanın üst kısmında büyük ölçekli bir döngü oluştuğu görülmüştür. Bu döngü tavana yakın bölgede dengesiz sıcaklık katmanlaşmasına neden olmaktadır. Yapılan modelleme ve sayısal çözüm sonucunda elde edilen sonuçların deneysel verilerle uyum içinde olduğu görülmüştür.

In the recent years, the growing concern for the energy conservation and reducing the emission of pollutants as a consequence of utilizing fossil fuel for industrial and space heating purposes, has lead to a great interest in use of solar energy for the purpose of heating dwellings. The designs for utilizing solar energy for space heating purposes can be divided into two main classes; active and passive designs. The former, utilizes sophisticated equipments in order to absorb, transfer, release and store energy in the required manner. These of course, tend to be relatively expensive to install and work. On the other hand, passive designs tend to be as simple as possible. They do this by incorporating the solar collection, and storage into the building structure and distributing the heat by natural means. A type of passive solar home heating system was first, developed by Trombe and Michel at the C.N.R.S. laboratories in France in the 1960s. Today the system is commonly called the Trombe Wall System. The Trombe Wall System incorporates the use of a South facing vertical wall with a transparent (mostly glass) cover. The wall also forms part of the structural support for the building. Solar energy passes through the glass cover and is absorbed on the dark painted wall (Trombe wall) surface. The energy is trapped in a way similar to a greenhouse, as the glass serves as insulation to heat loss from the gap. The wall, which is usually of brick or concrete construction stores that heat and conducts a portion of it to the room. The vents, located at the top and the bottom of the wall are the main heat suppliers to the room by means of natural convection. Cooler room air is drawn through the bottom vents and is heated as it passes up in the duct and then delivered to the room through the top vents. This convective heat transfer process is called Thermocirculation, which provides a direct heat path to the room. In contrast to the upward motion betveen the surfaces of south facing wall and the glass cover, there is a downward motion near the surface of North wall (so called cold wall) as a result of the cooling effect. This is a complementary motion for the Thermocirculation event. In this study, the main objective is to provide a better understanding of the Thermocirculation event by focusing on the heat transfer in the gap region and the fluid flow at the vents which are responsible for the heat supply to the room and in the upper region of the room where the hot air jet from the vents first mixes with the room air.