Isı ve su ile ilişki

Açılış sahnesi

Ocak sonunda Kestane'ye bir keşif. Okulun eski bloğunun yanında Kenan Usta'nın dedesinden kalma kerpiç bir ev duruyor; kapısı açık, içi boş. Selim bir eliyle evin dış duvarına, öbür eliyle iç duvarına dokunuyor. «Dışarısı buz gibi» diyor, «ama içerisi o kadar soğuk değil.» Emre telefonundaki termometreye bakıyor ve bir şey daha fark ediyor: duvarın alt kısmında, toprağa yakın yerde, sıva kabarmış ve içinden koyu bir leke yükseliyor. Kenan Usta lekeye parmağını bastırıyor. «İşte kerpicin iki yüzü» diyor. «Isıyı tutar, ama suyu da tutar. Su girerse ısıyı da tutamaz.» Ilgın not defterini açıyor. «Bu duvarın iki sorusu var» diyor. «Isıyı ne kadar geçiriyor ve ne kadar depoluyor? Ve suyla ne yapıyor? Üçü ayrı şeyler, ama bu lekede birbirine değiyorlar.»

Bu derste ne olacak

Önceki derste kartın ilk iki satırını, ağırlığı ve dayanımı, sayılarla doldurduk ve ağırlığın ısıyı tutmanın da bir sebebi olduğunu söyleyerek bıraktık. Bu ders kartın üçüncü ve dördüncü satırlarını açıyor. Önce bir malzemenin ısıyla iki farklı ilişkisini ayırıyor: ısıyı ne kadar geçirdiği ve ne kadar depoladığı. Sonra bir duvarın ısı geçirgenliğinin katmanlarından nasıl hesaplandığını bir ansiklopedi maddesinin örnek hesabıyla gösteriyor ve aynı yöntemi okuldaki kerpiç ve hafif beton duvarlara uyguluyor. Ardından suyun bu hesaba ne yaptığına geçiyor: kerpicin ısı iletkenliğinin nemle nasıl değiştiğini ölçen bir çalışmanın özetini okuyor ve gazbetonun suyla ilişkisine bakıyor. Sonunda kerpiç evin lekesine dönüyoruz. Ülkemizdeki ısı yalıtımı standardının değerlerini bu derste okumadık; standardın kendisi ücretli ve elimizde değil.

Kanıt ne diyor

Dersi bir hakemli ölçüm çalışmasının özetine ve ansiklopedinin yapı fiziği maddelerine dayandırıyoruz. Müfredatın önerdiği binalarda ısı yalıtım kuralları standardını, TS 825'i, okumadık; bir projede kullanılacak sınır değerler o standarttan ve güncel mevzuattan alınmalı. Maddelerdeki değerlerden kaynağa bağlananları aldık.

Kartın yöntemi bir duvarı bir katmanlar dizisi olarak okuyor. Her katman ısının yolunda bir direnç: R = d / λ, yani kalınlığın ısı iletkenliğine oranı. Dirençler toplanıyor ve duvarın iki yüzündeki hava tabakalarının dirençleri de ekleniyor. Toplamın tersi duvarın ısı geçirgenliği, U değeri: bir metrekarelik duvardan, iç ile dış arasında bir derecelik farkta, bir saniyede geçen ısı. Örnekte en ince katman, beş santimlik cam yünü, toplam direncin dörtte üçünden fazlasını tek başına sağlıyor: 1,64'ün 1,25'i. Kalınlık değil, ısı iletkenliğinin düşüklüğü belirleyici.

Kerpiç maddesinin ısıl değerleri de bir dış kaynağa dayanıyor: ısı iletkenliği 0,52 W/(m·K), özgül ısı 1 kJ/(kg·K), yoğunluk 1700 kg/m³; bunların çarpımından birim hacim başına ısı depolama kapasitesi 1700 kJ/(m³·K) çıkıyor. «Thermal mass» maddesi ısıl kütleyi bir yapının sıcaklığını değiştirmek için ısı akışı gerektiren özelliği olarak tanımlıyor ve çoğu yazarın onu ısı kapasitesinin, yani ısı depolama yeteneğinin, eş anlamlısı olarak kullandığını aktarıyor; maddeye göre bazı yazarlar ısıl kütleyi hacim ile birim hacim ısı kapasitesinin çarpımı olarak tarif ediyor. Aynı madde, dış sıcaklığın gün içinde istenen sıcaklığın çevresinde sık sık salınması durumunda ısıl kütle eklemenin konforlu saatleri artırabileceğini, ama bazı koşullarda bir yük de olabileceğini aktarıyor.

İkinci kart Kenan Usta'nın cümlesini ölçüyor: su girerse ısıyı da tutamaz. Bu çalışmada nem yüzde beşten yirmiye çıkınca kerpicin ısı iletkenliği iki katından fazla artıyor. Kerpicin gözenekleri kuruyken havayla, ıslakken suyla dolu ve su gözeneklerdeki havadan çok daha iyi ısı iletiyor. Yani bir duvarın ısı geçirgenliği sabit bir sayı değil; duvarın ne kadar kuru kaldığına bağlı.

Sahada

Okulun dış duvarı için iki malzemeyi kartın yöntemiyle karşılaştırmak mümkün. Yirmi santimlik bir kerpiç duvar, maddedeki 0,52 W/(m·K) ile: R = 0,20 / 0,52 ≈ 0,38; yüzey dirençleriyle birlikte toplam 0,04 + 0,38 + 0,13 = 0,55 K·m²/W; U ≈ 1,8 W/(m²·K). Yirmi santimlik bir hafif beton duvar, ısı geçirgenliği maddesinin hafif beton blok örneğindeki 0,30 W/(m·K) ile: R = 0,20 / 0,30 ≈ 0,67; toplam 0,04 + 0,67 + 0,13 = 0,84; U ≈ 1,2 W/(m²·K). Hafif blok daha iyi yalıtıyor. Ama ikisi de, maddenin cam yünlü örneğindeki 0,61'in yaklaşık iki ila üç katı ısı geçiriyor. Kestane'nin kışında ikisi de tek başına yetersiz kalabilir; bir yalıtım katmanının gerekip gerekmediği ve ne kalınlıkta olacağı standarttaki sınır değerlere göre belirlenecek.

Ama U değeri ısının yalnız bir yüzünü anlatıyor. Selim'in elleri öbür yüzü yakaladı: kerpiç evin içi dışarısı kadar soğuk değildi. Kerpicin birim hacim ısı kapasitesi yüksek; gündüz güneşin ve odadaki sobanın ısısını depoluyor ve gece yavaş yavaş geri veriyor. Gazbeton gibi hafif bir malzeme ısıyı iyi yalıtıyor ama az depoluyor. İki özellik aynı malzemede çoğunlukla birbirinin tersine gidiyor: ağır olan depolar ama iletir, hafif olan yalıtır ama depolamaz. İyi bir duvar çoğu zaman ikisini katmanlara ayırır: içte ısıyı depolayan ağır bir katman, dışta ısının kaçışını kesen hafif bir yalıtım.

Su bu iki özelliği birden bozuyor. Islak bir kerpiç hem daha çok ısı iletiyor hem de don olaylarına, tuz çiçeklenmesine ve dayanım kaybına açık hale geliyor. «Autoclaved aerated concrete» maddesi gazbeton için de benzer bir uyarı yapıyor: malzemenin ince hava boşlukları nemi emebiliyor ve donma–çözülme ortamlarında emilen su donarken genleşip bloğa zarar verebiliyor; madde koruyucu bitirme katmanlarını ve doğru detaylandırmayı öneriyor. Aynı madde gazbetonun buhar geçirgen yapısının iç nemin bir ölçüde dengelenmesine yardım edebildiğini de söylüyor. Suyun bir duvara girmesi ile o duvardan çıkabilmesi iki ayrı soru ve iyi bir duvar ikisine de cevap veriyor.

Gri alan

Isıl kütlenin bir yarar mı yoksa bir yük mü olduğu tartışmalı ve iklime, kullanıma ve ısıtma düzenine bağlı. Gündüz güneş alan ve gece serinleyen bir iklimde ağır bir duvar sıcaklık salınımını yumuşatır; ama aralıklı kullanılan, yalnız sabahları kısa bir süre ısıtılan bir yapıda ağır duvarın ısınması uzun sürer ve enerji duvara gider. «Thermal mass» maddesinin kendisi bile ısıl kütlenin ne olduğu konusunda yazarların uzlaşmadığını belirtiyor. Bir okul gündüz yoğun kullanılıyor, geceleri ve hafta sonları boş kalıyor; bu kullanım biçiminin ısıl kütleden ne kadar yararlanacağı bir hesap ve bir yorum işi. Değerler de belirsiz: ansiklopedideki kerpiç değeri bir kaynaktan, Ngaram'ın ölçümleri başka bir topraktan ve maddedeki hafif beton değeri bir örnek; gerçek bir duvarda değerler malzemeye, neme ve işçiliğe göre değişiyor. Suyun hesabı daha da karmaşık: bir duvarın içinde nemin nerede yoğuşacağı, kuruyup kurumayacağı tek bir sayıyla değil, katmanların sırasıyla ve iklimle belirleniyor. Bu ders o hesabı yapmıyor; yalnız soruyu koyuyor.

Senin işinde

Duvarı, döşemeyi, çatıyı katman katman bir tabloya yaz: her katmanın kalınlığı, ısı iletkenliği ve kaynağı. Her katmanın direncini kalınlığı ısı iletkenliğine bölerek bul, yüzey dirençlerini ekle ve U değerini hesapla; sonucu standarttaki ve güncel mevzuattaki sınır değerle karşılaştır. Isı iletkenliği değerini ürün belgesinden al ve kuru malzeme değeri olduğunu unutma. Isıl kütleyi ayrı bir satır olarak oku: yapı nasıl kullanılıyor, gündüz mü gece mi, sürekli mi aralıklı mı? Yalıtımın duvarın içinde mi dışında mı olacağını bu kullanımla birlikte düşün. Su için üç soru sor: duvara su nereden girebilir, girerse nereden çıkar, ıslanınca ne olur? Toprakla temas eden her duvarda bir nem kesici ve bir subasman çiz. Dış yüzeyin bitirmesini suyu dışarıda tutan ama buharı geçiren bir katman olarak seç, özellikle kerpiç, taş ve gazbeton gibi gözenekli malzemelerde.

Kendin dene

Aklında kalsın

Bir malzemenin ısıyla iki ilişkisi vardır: ısıyı ne kadar geçirdiği ve ne kadar depoladığı. Isı iletkenliği λ ile ölçülür; bir katmanın ısıl direnci R = d / λ'dır, dirençler yüzey dirençleriyle birlikte toplanır ve toplamın tersi duvarın U değeridir. Bir ansiklopedi örneğinde beş santimlik cam yünü toplam direncin dörtte üçünden fazlasını sağladı: kalınlık değil, düşük ısı iletkenliği belirleyicidir. Isıl kütle ısıyı depolayıp geç bırakır; ağır malzemeler depolar ama iletir, hafif malzemeler yalıtır ama depolamaz. Su ikisini birden bozar: bir çalışmada kerpicin ısı iletkenliği nemle iki katından fazla arttı. Bir duvar suyu dışarıda tutmalı ve içine giren nemi bırakabilmelidir.

Sonraki derse köprü

Kartın beşinci satırı ateş. Bir duvarın ısıyı geçirmesi bir kış meselesiydi; bir yangında ise malzemenin yanıp yanmadığı, alevi yayıp yaymadığı ve duman çıkarıp çıkarmadığı sorulur. Yapı ürünlerinin yangın sınıflarını ve farklı malzemelerin yangında nasıl davrandığını M01-D04 karşılaştırıyor.

Kendini sına

Soru 1 · Kavram

Bir katmanın ısıl direnci nasıl bulunur?

• A) Kalınlığı ısı iletkenliğiyle çarparak.
• B) Yoğunluğunu kalınlığına bölerek.
• C) Kalınlığını ısı iletkenliğine bölerek: R = d / λ.
• D) Rengine bakarak.

Cevap: C. Katmanların dirençleri yüzey dirençleriyle birlikte toplanır ve toplamın tersi yapı öğesinin U değerini verir.

Soru 2 · Kanıt

Kerpicin ısıl özelliklerini nem içeriğine göre ölçen çalışma ne bulmuştur?

• A) Nem içeriği arttıkça ısı iletkenliğinin arttığını; yüzde 5 ile 20 nem aralığında değerlerin 0,191 ile 0,428 W/(m·K) arasında değiştiğini.
• B) Nemin ısı iletkenliğini hiç etkilemediğini.
• C) Nem arttıkça kerpicin daha iyi yalıttığını.
• D) Kerpicin ısı iletmediğini.

Cevap: A. Gözeneklerdeki havanın yerini alan su ısıyı çok daha iyi iletir; bu yüzden ıslak bir duvar daha çok ısı kaçırır.

Soru 3 · Senaryo

Bir köy okulunda yirmi santimlik kerpiç ve yirmi santimlik hafif beton blok duvar karşılaştırılıyor ve ikisinin de U değeri yüksek çıkıyor. Mimarın ilk adımı ne olmalıdır?

• A) En kalın duvarı seçip yalıtımı unutmak.
• B) Duvarı katmanlarıyla yeniden kurmak: ısıyı depolayan ağır bir iç katman ile ısının kaçışını kesen bir yalıtım katmanını ayırmak, yalıtımın yerini yapının kullanım biçimine göre seçmek, U değerini standarttaki sınırla karşılaştırmak ve duvarın kuru kalacağı detayı çizmek.
• C) Isıl kütleyi hiç hesaba katmamak.
• D) Yalnız pencereleri küçültmek.

Cevap: B. İyi bir duvar çoğu zaman yalıtımı ve ısıl kütleyi ayrı katmanlara verir ve suyu dışarıda tutar.

Soru 4 · Tuzak

Bir öğrenci «gazbeton iyi yalıttığına göre dışını sıvamaya gerek yok» diyor. Bu öneri neyi atlıyor?

• A) Gazbetonun hiç yalıtmadığı.
• B) Sıvanın yalnız süs için olduğu.
• C) Gazbetonun her zaman su geçirmez olduğu.
• D) Gazbetonun ince hava boşluklarının nemi emebildiği, donma–çözülmede emilen suyun bloğa zarar verebildiği ve ıslanan malzemenin ısı iletkenliğinin arttığı; dış bitirmenin suyu dışarıda tutup buharı geçirecek biçimde seçilmesi gerektiği.

Cevap: D. Bir malzemenin ısı satırı ile su satırı birbirine bağlıdır; su girerse ısı yalıtımı da zayıflar.