Pencere sistemlerinin doğru tasarımı, enerji tüketiminin oldukça önem taşıdığı bu dönemde, yapıda ısıtma ve soğutma yüklerinin optimizasyonu ve kullanılan tüm diğer sistemlerin enerji gereksinimlerini doğru şekilde karşılaması için kritiktir. Yapıda pencere, enerji kayıp ve kazançlarının en fazla olduğu bileşendir. Bu nedenle pencere sistemlerinde en önemli etkenlerin başında ısıl performans gelmektedir. Pencere sistemlerinin, en az enerji tüketimi sağlayacak şekilde tasarımı ve seçimi hem öz kaynak hem de kullanıcı konforu açısından önemli bir gerçektir.

Pencere sistemlerinin ısıl performans değerlerinin hesaplanmasında iki farklı yol izlenebilir. Bunlar; deney çalışmaları ve yazılımlar aracılığıyla gerçekleştirilen simülasyonlardır. Deneysel çalışmalar zaman açısından yüksek maliyetleri gerektirdiğinden gelişen donanım alt yapısı ve yazılım teknolojileriyle birlikte simülasyonlar avantajlarıyla ön plana çıkar.

Simülasyonlarda pencere sistemi ele alındığında sistemin toplam ısı aktarım miktarı (U-value) elde edilmektedir. Bir pencere sistemi yalıtımlı cam ünitesi (Insulated Glazing Unit – IGU) ve çerçeveden oluşur.

Pencere çerçevesi, pencerenin camını tutan bölmedir ve monte edildiğinde cam ve bina duvarının arasına oturur. Pencere çerçevesinin kapladığı alan pencere sisteminin genelde yüzde 30 mertebesindedir. Pencere çerçeveleri tek bir malzemeden ya da çok sayıda malzemeden oluşan bir kompozitten yapılabilir. En yaygın çerçeve türleri; ahşap, vinil, alüminyum ve fiberglas çerçevelerdir. Modern pencere çerçeveleri hava sızıntısını neredeyse sıfıra indirir ve gelişmiş camlarla kullanıldığında ısıtma ve soğutma maliyetlerinde yüzde 40 düşüş sağlanabilir [1]. Bir pencere sistemini seçerken çerçevenin yanı sıra camın da dikkate alınması enerji verimliliği açısından son derece önemlidir. Bu sebeple yalıtım değerleri açısından iyi bir fikir alabilmek için sadece camın değil, çerçeveyle birlikte pencere sisteminin ısı aktarım miktarına bakılması gerekir.

Bir pencere sisteminin karmaşık geometrileri modellenerek sonlu elemanlar yöntemiyle iki boyutlu ısı transferi analizleri yapılır. Nümerik yöntemlerle, yıllık enerji gereksinimleri hesaplamalarında kullanılmak üzere toplam ısı transfer katsayısı (U-değeri) ve güneş ısısı kazanım katsayısı (Solar Heat Gain Coefficient – SHGC) hesaplanır. Isıl performans analizlerinde ISO 15099 [2] standardında yer alan prosedürler uygulanır.

Toplam Isı Aktarım Miktarı

Bir pencere sisteminin U değeri, toplam ısı aktarım miktarını veya yalıtım değerini temsil eder. Birimi W/(m^2)K’dir [3].

U değeri, pencere sisteminindeki malzemelerin termal özelliklerinin yanı sıra (k değeri ya da lamda), iç ve dış sıcaklık farkı ve rüzgâr hızı gibi hava koşullarına da bağlıdır. U değeri ne kadar düşük olursa pencere sistemi o kadar enerji tasarruflu olur. U değeri ne kadar düşük olursa cam o kadar iyi ısı yalıtmaktadır.

Isıl performans, camlar arasında hapsedilmiş olan hava veya gaz boşluğunun kalınlığı ve camlara uygulanan özel film kaplamaları ile iyileştirilen bir özelliktir. Film kaplamaları analizlerde film katsayıları olarak hesaba katılır. Film katsayısı, hava filminin direncini temsil eden sayısal bir değerdir. Ayrıca bu katsayı, modelin konumuna ve ASHRAE Fundamentals 2013 Chapter 26 Table 10 standardında yer alan değerlerin interpolasyonuna bağlı olarak hesaplanır ve analizlerde tanımlanır.

Güneş Isısı Kazancı

Pencere sistemlerinde dış ortam sıcaklığı ne olursa olsun doğrudan ya da dolaylı olarak ışınım yoluyla ısı kazancı olabilmektedir. Meydana gelen ısı kazancı; güneş ısısı kazanım katsayısı (SHGC) ve gölgeleme katsayısı (Solar Coefficient – SC) ile kontrol edilmektedir.

SHGC, güneşten gelen güneş ışınımına göre güneş enerjisi kazanımını temsil eder. Cam üzerine gelen toplam güneş enerjisinin içeriye giren yüzdesidir. SHGC ne kadar düşükse, o kadar az güneş ısısı iletir ve gölgeleme yeteneği o kadar fazla olur.

Yüksek SHGC derecesine sahip bir ürün, kış aylarında güneş ısısının toplanmasında daha etkilidir. Düşük SHGC derecesine sahip bir ürün, güneşten gelen ısı kazanımını engelleyerek yaz aylarında soğutma yüklerini azaltmada daha etkilidir.

Güneş Işığı Geçirgenliği

Bir pencere, kapı veya tavan penceresindeki camların güneş ışığını bir mahale iletme kabiliyeti ve gün ışığının yoğunluğu pencere yerleşimine, gün içi saate, yıl içi zamana ve hava durumuna göre değişmektedir.

Gün ışığı geçirgenliği, cam ünitesinden iç mahale geçen güneş ışınımının belli dalga boyu aralığındaki oranı ifade eder. Gün ışığı geçirgenliği, görünür geçirgenlik (Visible Transmittance – VT) olarak cama gelen ışığın gözle görünen dalgaboyunda olan kısmının (380-720 nm) camdan geçen yüzdesidir.

Pencere Sisteminin Isıl Performansı (U Değeri)

Enerji korunumunun temeli ısı kayıp ve kazançlarının kontrol edilebilmesidir. Isı her zaman sıcak yüzeyden soğuk yüzeye doğru hareket etmektedir. Bu da kış aylarında sıcak iç mekândan, soğuk dış mekâna, yazın ise bunun tam tersi yönde ısı akışı anlamına gelir. Pencerelerde enerji geçişi üç yolla gerçekleşmektedir [4]. Bunlar; iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon) ısı transferidir.

Alüminyum çerçeve, çift cam, camlar arası boşlukta hava ve argon gaz karışımı kullanılarak pencere sisteminin iki boyutlu ısı transferi analizinin yapılması sonucu pencere sisteminin ısı aktarım miktarı 2.62 W/(m^2)K’dir. Pencere çerçevesinin kalınlığı ise 63.5 mm’dir.

Kaynaklar

[1] https://www.thisoldhouse.com/windows/21015335/clear-choices-for-windows
[2] ISO 15099:2003. Thermal performance of windows, doors and shading devices — Detailed calculations. https://www.iso.org/standard/26425.html
[3] https://en.wikipedia.org/?title=U-value&redirect=no
[4] Arasteh D., Carmody J., Lee, E., Selkowitz S., Willmert, T., 2003. Window Systems For High-Performance Buildings, W.W. Norton & Company, London.