Betonda Termal Enerji Depolamaya Genel Bakış

Beton en eski yapı malzemeleri arasında yer almaktadır. Modern çağda şehirlerin ve endüstrinin hızla genişlemesiyle birlikte enerji talebi de çok artmıştır. Dünyanın her yerindeki hükûmetler alternatif ve güvenli enerji üretimi ve depolama çözümlerine başvuruyor.

Kısa bir bakış

Termal Enerji Depolama (TES) malzemeleri termal enerjiyi depolama ve serbest bırakma özelliğine sahiptir. Küresel ısınmaya karşı mücadelede TES malzemeleri önemli bir bileşendir ve en yaygın kullanılan inşaat malzemesi olan beton da bu anlamda popüler bir seçimdir.

Beton genellikle çimento, su, kum ve çakıldan oluşur ancak karışıma başka maddelerin eklenmesi ısıl enerji depolama özelliklerinde değişikliğe neden olur.

Normal Portland Çimentosu (OPC) betonda sıklıkla kullanılır, ancak sınırlı özgül ısı kapasitesi, termal enerji depolama malzemesi uygulamalarında büyük bir sınırlamadır. Termik santrallerde yakılan kömürün bir yan ürünü olan uçucu kül, betonun termal depolama özelliklerini artırabilir. Çalışmalar uçucu kül betonunun geleneksel OPC betona kıyasla üstün ısı iletkenliği ve ısı depolama kapasitesi sergilediğini göstermiştir.

Yüksek performanslı beton (HPC), gelişmiş dayanım ve dayanıklılığa sahip optimize edilmiş bir tür betondur. HPC mekanik özelliklerinin yanı sıra gelişmiş termal özellikler de sergiler, bu da onu termal enerji depolama uygulamalarındaki son gelişmeler için potansiyel bir seçim hâline getirmektedir.

Hafif betonda faz değiştiren malzeme (PCM) ile termal enerji depolama

Prefabrik beton bileşenler veya beton bloklar için kürleme odaları gibi belirli mühendislik uygulamalarında, yapıların yüksek sıcaklıklarda uzun süreler boyunca önemli miktarda ısıyı muhafaza etmesi gerekebilir. Bu yapılar genellikle kalın, masif duvarlardan oluşur.

Duvarların kalınlıklarını değiştirmeden yalıtımını iyileştirmek için faz değiştiren malzemeler (PCM) gibi yüksek enerji depolayan malzemeler kullanılabilir. Faz Değiştiren Malzemeleri (PCM’ler), faz geçişleri sırasında ısıyı absorbe etme ve salma yeteneğine sahip maddelerdir.

Araştırmacılar, iki farklı füzyon noktasına sahip iki farklı PCM içeren hafif betonun termal enerji depolama özelliklerini araştırmak için Heliyon’da bir çalışma yayımladı. Araştırma ekibi tarafından kullanılan iki fazlı değiştiren malzemeler sırasıyla 42–46 °C ve 56–59 °C füzyon noktalarına sahip Polietilen glikol (PEG) ve Parafin (PRF) idi.

PCM agregaları, sıvı PCM’nin yüksek sıcaklıktaki bir işlemle gözenekli betona aşılanmasıyla oluşturuldu. Beton numuneleri, iki tip PCM agregasının miktarları değiştirilerek (0:100 ile 100:0 arasında değişen) hazırlandı.

Betonun ısıl iletkenlik katsayısı (k), 25°C ve 65°C olmak üzere iki farklı sıcaklıkta değerlendirilmiştir. PCM agrega içeriği arttıkça k25 (katı haldeki PCM’nin termal iletkenliğini temsil eder) gelişti. Bunun nedeni katı PCM tarafından doldurulan boş alanların azalmasıydı.

Buna karşılık, k65 (sıvı haldeki PCM’nin ısıl iletkenliğini temsil eder), faz değiştirme işlemi sırasında gizli ısının etkisinden dolayı PCM agrega içeriğiyle birlikte azaldı. Ölçülen k25 ve k65 sırasıyla 0,829–0,842 ve 0,447–0,465 W/m °C aralığına düştü.

Hibrit PCM (katı ve sıvı PCM kombinasyonu) agregaları içeren betonun gizli ısısının, tek tip PCM agregaları içeren betondan daha yüksek olduğu gözlemlendi. Bu, PCM’yi hibrit formda içeren betonun, tekil PCM agregalı betonla karşılaştırıldığında yüksek sıcaklıklarda ısı depolamada daha etkili olabileceğini düşündürmektedir.

Nano mühendislik betonu: Daha iyi enerji depolama

Sıcaklığın -5°C’nin altında olduğu alanlar gibi aşırı zorlu ortamlar için araştırmacılar, aktif ve pasif çözümler olarak sınıflandırılan aşırı soğuk sorununa yönelik çözümler geliştirdiler.

Pasif teknolojiler, buz çözücü tuzların, mekanik kar temizlemenin veya her ikisinin bir kombinasyonunun kullanımını içerir ancak bu teknolojiler altyapıya zarar verebilir. Aktif teknolojiler arasında çeşitli türlerde ısıtmalı kaplama (HP) ve çimentolu kompozitler içerisine faz değiştiren malzeme (PCM) içeren nano mühendislik betonu yer alır.

Araştırmacılar, Applied Energy’de, termal enerji tasarrufu için çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT’ler) ve silis dumanı (SF) kombinasyonunun yanı sıra mikrokapsüllenmiş faz değişim malzemesi (m-PCM) içeren nano mühendislik ürünü bir beton geliştirdikleri bir çalışma yayınladılar. Uygulamalar Çimentolu kompozitin hem mekanik hem de termal özelliklerini geliştirmek için MWCNT’ler tanıtıldı.

Çimento harcına farklı oranlarda m-PCM (bağlayıcı ağırlığına göre %5, %10 ve %15) entegre edilirken, MWCNT ve SF miktarları bağlayıcı ağırlığına göre sırasıyla %0,05 ve %10’da sabit kaldı. M-PCM’nin harcın mekanik özellikleri üzerindeki etkisini değerlendirmek için tek eksenli bir sıkıştırma testi yapıldı ve mekanik mukavemette kayda değer bir azalma ortaya çıktı.

Nano-mühendislik ürünü m-PCM harçlarının değişen ortam sıcaklıkları altındaki termal tepkisini incelemek için, elektrikle kontrol edilen ısıtmalı tel sistemi kullanılarak bir termal döngü testi gerçekleştirildi. Sonuçlar, MWCNT’li m-PCM harçlarında kontrol numunesine kıyasla termal düzenleme için enerji gereksiniminde yaklaşık %60’lık bir azalma olduğunu gösterdi.

Sonuçlar, aşırı soğuk ortamlarda termal düzenleme için aktif bir çözüm olarak kullanılacak nano-mühendislik beton termal enerji depolama sisteminin verimliliğini doğruladı.

Vaka çalışması: Farklı beton duvarların termal enerji depolamasının karşılaştırılması

Bina kabuğunun kapsamlı bir analizinin yapılması, yetersiz termal performansın belirlenmesi ve sonuç olarak sürdürülebilirliği teşvik edecek tasarım ve inşaat seçeneklerinin geliştirilmesi açısından çok önemlidir. Avrupa Birliği’ndeki binalar toplam güç tüketiminin yaklaşık %40’ını karşılıyor. Kanada ve ABD’de bu rakam sırasıyla yüzde 63 ve yüzde 42’ye çıkıyor. Bu nedenle, bina bileşenlerinin termal özelliklerinin incelenmesi, önemli maliyet tasarruflarının gerçekleştirilmesinde etkili olur.

Bir araştırma ekibi yakın zamanda Journal of Energy Storage dergisinde, soğuk iklimlerde hem sıvalı hem de sıvasız farklı yığma duvarların termal davranışlarına odaklanan ve enerji depolama ve kayıplarını inceleyen bir makale yayımladı.

Çalışmada Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) modeli kullanılmaktadır. Amaç, bir referans oda koşulundan (20 °C) soğuk bir ortam koşuluna (-20 °C) 6, 12 ve 24 saat boyunca ısı transferini inceleyerek çeşitli duvarların karşılaştırmalı analizine olanak sağlamaktır. Modelin doğruluğu, sıcak plaka kurulumunun kullanıldığı bildirilen deneysel testlerle karşılaştırılarak doğrulanır.

Araştırma sonuçları, odun parçaları (WS1) içeren beton karışımının, referans odasından çevre ortamına genel ısı transferinde en yüksek depolanan enerjiyi (24 saatte %92) ve en az enerji kaybını (%8) sergilediğini ortaya koymaktadır. Buna karşılık, kenevir (HC11) beton duvarlar en düşük enerji depolamayı (%40) ve en yüksek kaybı (%60) gösterir. Bir diğer önemli gözlem ise sıva varlığının betonun termal enerjiyi depolama yeteneğini etkilememesiydi.

Kısaca iletkenlik ve özgül ısı kapasitesi gibi termal özellikler, her beton tipinin termal davranışının kontrolünden toplu olarak sorumludur. Isıl enerji depolama sistemlerinde kullanılacak betonun türü, ortamın türüne ve özel gereksinimlere bağlıdır.

Kaynak: https://www.azobuild.com/article.aspx?ArticleID=8647