LEE- Yapı Bilimleri-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 12
-
ÖgeImproving the thermal conductivity of fiber-reinforced concrete panels for exterior facades with phase change materials(Graduate School, 2023-07-07)New technologies and modern developments in the production industry, and building construction have reduced the time and cost of construction. However, most of these developments have caused lightweight materials and structures with low thermal mass. Thermal mass lack can fail to reduce the dynamic thermal load by combining with dynamic thermal stimulation and cause an increase in thermal conductivity, energy consumption for space conditioning, and large temperature fluctuations throughout the day. The building facade is the most important part of a building related to temperature stability and energy consumption. Which, like an envelope, covers the building and protects it from severe climatic conditions. In different climates, facades are designed with unique and different specifications, to provide comfortable thermal conditions for residents. To provide the thermal comfort of the interior, heat losses must be minimized which occurs mostly due to the temperature difference between indoors and outdoors. According to the currently mentioned aspect, fossil fuel consumption and anthropomorphic environmental effects rising and resulting in the wastage of energy and carbon dioxide production. In this case, finding alternative energy sources or developing storage methods becomes important. Since the most energy loss occurs from the facades, according to the aspects currently mentioned, the current project's development aims to provide comfortable conditions for the interior areas by adding phase change materials (PCM) to the exterior panels on the facade. This study aims to reduce the heat transitions between the indoor and outdoor environments in existing or newly constructed buildings and to provide the thermal comfort of the indoor space and consume less energy. For this reason, searching around the materials or systems to be applied on the exterior facade, was targeted to reducing or delaying the heat transfer between the interior and exterior areas. To reduce thermal conductivity, the temperature difference between the inner and outer surfaces of the materials and elements should be reduced and balanced. PCMs can stabilize and reduce heat transfer due to their special thermal and storage properties. Adding these materials to prefabricated facade panels which are frequently used as Polypropylene-Fiber Reinforced Concrete (PPFRC) panels, causes the building shell to act as a heat balancer and prevent indoor areas heat losses. The ability of building elements in storing thermal energy has a sufficient role in properly using solar energy. Due to their ability to store latent heat, phase change materials (PCMs) are a group of functional materials with high energy storage densities over a constrained temperature range. (Cabeza et al., 2011). PCMs added to building facades contribute to reducing indoor temperature fluctuations, reducing heating and cooling loads, and lowering energy consumption by making the system have high thermal capacity. Several projects discussed in the literature review section on adding PCM materials contribute to the overall energy performance of the building by causing an increase in the thermal storage capacity of the elements. From a thermodynamic point of view, a change in the entropy of a phase change material (PCM) results in the absorption or release of thermal energy, commonly referred to as latent heat, which depends on PCMs unit mass. By adding thermal energy and starting the melting process, molecules' bones are broken. Current phase change materials are mixtures of liquid and solid molecules. The melting phase begins by gaining kinetic energy and heating the particles of the solid phase to break the forces that keep them together in the solid structure. Eventually, the molecules rearrange themselves and cause an entropy change, this phase is an endothermic process (Safaralipour and Karagüler, 2023). Most typically, PCMs used in building envelope applications must undergo a complete phase transition within 24 hours to be fully effective. This is why the temperature at which the PCM is installed must fluctuate (perhaps daily) within the functional temperature range of the PCM. Ideally, all the heat of transition must be available at the melting and freezing temperature points. However, this happens with paraffin-based PCM. Therefore, this range of temperature should be as little as possible for designing the best PCM systems. The fact of temperature hysteresis is one of the difficulties between the melting and solidification of PCM. In this study, the ability to use phase change materials in facade cladding to improve the insulating properties of PPFRC panels was investigated. With the latent heat storage feature of the phase-change material and the delayed action it will create in heat transfer, it is expected to reduce the heat losses that occur due to the temperature difference between the indoor and outdoor areas. According to this characteristic of the phase change material, the phase change material begins to melt if the outside environment's temperature exceeds the melting temperature point of the phase change material used in the facade, and starts to store the heat with the latent heat storage system. It stores this heat in itself until the outdoor temperature drops below the melting point, preventing or delaying its transfer to the indoor space. Conversely, if the temperature of the external environment falls below the melting point of the phase-change material, then it releases the stored heat, causing the difference between the internal and external temperatures to decrease. Due to this feature of the phase change material, it always acts as an insulating barrier in the system. To assess the produced composite's thermal conductivity coefficients, one reference sample without PCM, and five samples with different PCM ratios were prepared. The proportion of PCM added is prepared as 10%, 20%, 30%, 40%, and 50% of the total mass volume. For the coding system of the prepared samples, SV (Sample by Volume) was used as the title and the current PCM ratio in the sample was shown as a number in front of it. In this study, the latent heat storage properties of phase change materials added to PPFRC concrete mortars were investigated, and the thermal conductivity values of the composites obtained at the desired temperature were reduced. As mentioned earlier, the calculation and evaluation process were done by comparative methods due to the experimental setup. By the following calculation method, the thermal conductivity of the prepared sample was determined and compared with the reference sample (sample without PCM). Therefore, a barrier should be created on the exterior of the building to reduce the heating and cooling energy used in harsh climates (dry, hot, cold) and reduce heat loss. The most basic feature of this barrier is that it consists of insulating or heat-balancing materials. Phase change materials that can be used as heat stabilizers have a temperature range according to the needs of different climates and can be used as heat regulators. The use of phase change materials with melting points close to the indoor comfort temperature is a common way to regulate indoor temperature. According to the area's climate and annual average temperature records, the best melt point for phase change material could be selected. Since each region has a different climate, the average annual temperature of that region should be taken into account to obtain a more efficient system. In addition, to extend the working life of the phase change material and to get the most efficiency from the system, at least one phase change should occur every day, and for this reason, the melting temperature of the phase change material should be close to the annual average temperature of the region. The current climate change and energy consumption crisis in the world have led As a result, the heat storage and heat transfer delay action of the phase change material starts at the melting temperature point. In the applied test system, since two different temperatures are controlled, one side is assumed to be indoor and the other side is assumed to be outdoor. Thereupon, the phase change material causes the indoor environment to be less affected by the temperature fluctuation of the external environment, due to both heat storage and heat transfer retardation. To obtain an efficient system from phase change materials, they must be selected from the right group and have the right melting point. Additionally, phase change should occur continuously and at least once a day in the system to maintain its efficiency for a long time. According to the data obtained, by rising the outdoor temperature above the phase change materials melting point, PCM starts to melt and store the excess energy as latent heat and prevents the temperature increase of the material. In addition, as the temperature increased, the thermal conductivity coefficient decreased more. Afterward, with the decrease in the outdoor temperature, the phase-change material solidifies and the stored heat is released to the outside environment and causing the temperature difference between indoors and outdoors to decrease again. Based on the information obtained from the experiments, the expected efficiency in decreasing the thermal conductivity coefficient was realized using phase change material in PPFRC mortar. The increase in efficiency was proportionate to the use of PCM at a higher rate in the main mortar. However, as to the quantity of phase change material used, as the use of PCM increases, the density and compressive strength of the composite material decrease. Therefore, the PCM ratio should be determined by considering the physical properties and thermal conductivity value expected from the composite material.
-
ÖgeTürkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve sistem konut yapılarında dış duvarların ısıl ve nemsel performansının değerlendirilmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-21)Dış duvarlar, iç ve dış çevreyi birbirinden ayıran bir sınır oluşturarak hem atmosferik koşullara hem de iç çevredeki kullanıcı ve kullanım kaynaklı oluşan iç ortam hava koşullarının etkisi altında bir arayüz oluştururlar. Hem iç hem de dış ortam koşullarına maruz kalan dış duvarların iç ortamda istenilen kullanıcı konfor koşullarını sağlayabilmesi öncelikli konulardan biridir. Bu bağlamda değerlendirildiğinde, dış duvarın ısıl ve nemsel performansı kritik öneme sahiptir. Isıl ve nemsel performans; ışıma, iletim ve taşıma yolu ile ısı akışını; buhar difüzyonu ve sıvı taşınımı ile buhar akışını; doğal, dışsal ve mekanik kuvvetlerle oluşan hava akışını incelemektedir. Türkiye, tarihsel süreç içinde pek çok farklı kültüre ev sahipliği yapmıştır. Bunun bir yansıması olarak, zengin bir konut kültürüne sahiptir. Bu kültürün önemli bir parçası olan geleneksel ahşap çerçeve konut yapıları, ısıl ve nemsel performansın kapsadığı konular ve önemi dikkate alındığında öncelikli incelenmesi gereken başlıklardan biridir. Mimari, tarihi, kültürel ve sosyal değere sahip olan bu yapıların değerlerinin korunarak gelecek nesillere aktarılması noktasında, dış duvarlarının ısıl ve nemsel performansının iyi olması; bu yapıların enerji etkinliklerinin arttırılmasına katkı sağlaması, ısı ve nem etkisiyle oluşabilecek ve yapının yaşam ömrünü olumsuz etkileyebilecek sonuçları engellemesine katkı sunabilir. Bu husustan yola çıkılarak, mevcut durum tespitlerinin yapılması ve gerekli olan durumlarda iyileştirme önerilerinin değerlendirilmesi aşamalarında ısıl ve nemsel performans araştırmaları halihazırda devam eden ve/veya yapılacak olan koruma/restorasyon/ rekonstrüksiyon çalışmalarına veri sağlaması bakımından önemlidir. Bu çalışmanın amacı; Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve sistem konut yapılarının dış duvar sistemlerinin sayısal ve deneysel yöntemlerle ısıl ve nemsel performansının değerlendirilip koruma/restorasyon/rekonstrüksiyon çalışmalarında performans iyileştirme için yapı fiziksel koşulların gözetilerek gerekli yaklaşımların ve müdahale stratejilerinin geliştirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda, Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve konut yapılarının dış duvar sistemlerini temsil edebilecek ve en çok örneği görülen 4 farklı duvar tipi belirlenmiştir. Belirlenen 4 tip duvar için 2 farklı model, her model içinse 2 farklı duvar katmanlaşması tespit edilmiştir. Belirlenen duvar modellerinin ısıl ve nemsel performans değerlendirmesinin sayısal değerlendirmesi DELPHIN yazılımı ile, deneysel değerlendirmesi ise TSE Yapı Malzemeleri Yangın ve Akustik Laboratuvarı Müdürlüğü Laboratuvarı'nda bulunan mahfazalı sıcak oda cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Bu noktada, ısıl ve nemsel performans değerlendirmesi için belirlenen tipler üzerinden tasarlanacak duvar modelleri için mahfazalı sıcak oda ölçüleri olan 150 cm x 150 cm deney alanı sınır olarak kabul edilmiş ve duvar modelleri bu ölçü doğrultusunda tasarlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, duvar katmanlaşmalarına göre belirlenen malzemelerin DELPHIN yazılımına işlenmek xliv üzere ısıl iletkenlik değeri Düzce Üniversitesi Bilimsel ve Teknolojik Araştırmalar Uygulama ve Araştırma Merkezi'nde ölçtürülmüş, gerekli diğer fiziksel özelliklerinin belirlenmesine yönelik deneyler İTÜ Mimarlık Fakültesi Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. İkinci aşamada, TSE Yapı Malzemeleri Yangın ve Akustik Laboratuvarı Müdürlüğü Laboratuvarı'nda, seçilen 4 duvar modeli inşa edilmiş ve mahfazalı sıcak oda deneyleri yapılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sıcaklık ve U değerleri ile ilgili veriler, bu duvar modellerinin aynı koşullar altında yapılan DELPHIN simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonraki aşamada ise, tasarlanan tüm duvar modellerinin DELPHIN yazılımı ile her örneğin bulunduğu ilin iklim verileriyle simülasyonu yapılarak; sıcaklık, bağıl nem ve ısıl iletkenlik değerleri incelenmiştir. Bu çalışmada, Türkiye'deki geleneksel ahşap çerçeve dış duvar sistemleri incelenerek bu tipleri temsil edebilecek örneklerin ısıl ve nemsel performansı sayısal ve deneysel yöntemlerle değerlendirilmiştir. Elde edilen bilgiler doğrultusunda, DELPHIN yazılımının mevcut durum tespiti ve eğer gerekli ise iyileştirme önerilerinin değerlendirilmesi noktasında bir araç olarak kullanılmasının önemli bir veri sağlayacağı öngörülmüştür. Bununla birlikte, kapsamlı çalışmalar için deneysel yöntemlere başvurulmasının önemli olduğu görülmektedir. Çalışma, geleneksel ahşap çerçeve sistem konutların koruma/restorasyon/rekonstrüksiyon çalışmalarında kullanılmak üzere ön değerlendirme ve tespit noktasında çalışmalara kılavuz olabilecek veri sağlamıştır.
-
ÖgeKüçük müzik hacimlerinde alçak frekans ses alanının dalga bazlı sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ile analizi ve bir tasarım yaklaşımı(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-18)Küçük müzik hacimleri, iyi bir akustik konforun sağlanması durumunda motivasyonun, etkinliğin, verimliliğin ve performansın artmasının sağlandığı, çalma, çalışma, prova, kayıt ve dinleme gibi eylemlerin gerçekleştirildiği ortamlardır. Pek çok müzik öğrencisi ya da müzisyen için prova odaları, kayıt odaları, dinleme alanları gibi odalar, akustik konforun ön planda olduğu, sessiz ve enstrümanla uyumlu bir şekilde oluşturulmuş akustik çalışma ortamlarıdır. Küçük müzik hacimlerinde oluşan ses alanı, hacim boyutlarına bağlı olarak, alçak frekanslarda oluşan rezonansların etkisiyle büyük ölçüde değişime uğramaktadır. Kaynaktan çıkan direkt ses ile yakın yüzeylerden yansıyan ses dalgasının etkileşiminin sonucu olarak hacim içerisinde dağınık olmayan bir ses alanı oluşmaktadır. Oda rezonansları beraberinde ses alanında tını değişimi, eşit olmayan ses dağılımı, renklenme, hacim tepkisindeki düzensizlikler gibi akustik kaliteyi etkileyen pek çok sorun oluşturmaktadır. Çözüm olarak yaygın bir şekilde mod kontrolü için kullanılan geniş bant yutucu sistemlerin etkisiyle yansıma düzeyinde total bir azalma sağlanarak modların algılanabilirliği azaltılmaktadır. Fakat reverberasyon süresindeki bu azalım beraberinde erken yararlı yansımaları da azaltarak hacimde yetersiz ses düzeyi, tını değişimi, mekânsal izlenimin ya da varlık hissinin azalması ve desteğin azalması gibi akustik kusurlara neden olmaktadır. Reverberasyon, ses alanında fiziksel ve algısal olarak değerlendirmede öncül ve kapsayıcı bir parametre olarak öne çıkmaktadır. Aynı zamanda hacimlerin akustik ortamının tasarımında ve değerlendirilmesinde kullanılan standart ve yönergelerde optimum koşullar reverberasyon parametresi ile ifade edilmektedir. İyi bir akustik ortam için bu parametrelerin optimum değerlerinin sağlanması ve bu amaçla fiziksel tasarımda hacim, boyut, oran, geometri, form, malzeme gibi tasarım elemanlarının ses alanı üzerindeki etkisinin bilinmesi gerekmektedir. Küçük hacimlerin analizi ve tasarımına yönelik ortaya konan başlıca hipotezler aşağıdaki gibi sıralanmıştır. • Küçük müzik hacimlerinin değerlendirilmesinde reverberasyon süresi yeterli değildir. Bu nedenle optimum performans için spektral içeriğin ve zamana bağlı değişimin rezonans algısı ile ilişkili olarak değerlendirildiği bir tasarım yaklaşımı kullanılmalıdır. • Odanın fiziksel özelliklerine bağlı olarak ses alanı dağınıklığı istatistiksel ve algı ile ilişkili olarak değerlendirilerek yüzey tasarımı kararı verilebilir. Ortaya konan hipotezlerin sınanması sırasında çalışmaya yön veren araştırma soruları aşağıdaki gibi özetlenebilir. 1. Küçük hacimlerin tasarımında ve değerlendirilmesinde etkin akustik parametreler ve ilgili standartlar nelerdir? (Bölüm 2) 2. Küçük hacimlerde elde edilen nesnel değerler ISO 23591:2021 standardında belirtilen değerleri karşılıyor mu? Akustik kusurlar nelerdir? (Bölüm 3) 3. Küçük hacimlerde öznel parametreler arası ilişkiler nasıl değişmektedir? Odanın akustik koşullarının müzisyen izlenimindeki etkisi nedir? (Bölüm 4) 4. Kaynak ve hacim ilişkisinde kaynak özelliklerinin ve hacim özelliklerinin ses alanına etkileri nelerdir? (Bölüm 5) 5. Ortam fiziksel koşullarına bağlı olarak algı ile ilişkili bir değerlendirme ve tasarım yaklaşımı kurgulanabilir mi? (Bölüm 5) Bu çalışmada küçük müzik hacimleri ve alçak frekanslarda oluşan akustik kusurlara yönelik bir tasarım yaklaşımı önerisi sunulmaktadır. Dolayısıyla, çalışmanın amacı doğrultusunda, Schroeder teorisine uygun olarak rezonansların etkin olduğu alçak frekans sorunlarının değerlendirildiği ve buna yönelik bir tasarım yaklaşımı oluşturulduğu için, 300 m3 altında hacme sahip iki oda seçilmiş ve analizler 50-350 Hz aralığında yapılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde tezin amacı ve kapsamı doğrultusunda literatür çalışmalarına ve ilgili standartlara yer verilmiştir. İkinci bölümünde, kapalı hacimlerde oluşan ses olaylarına ilişkin dalga teorisi ve bu teorilere bağlı olarak ortam, kaynak ve sınır koşulları özellikleri incelenmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde, saha çalışması kapsamında yapılan hacim akustiği ölçümleri ile ilgili TS EN ISO 3382-1:2010 ve TS EN ISO3382-2:2009 standartlarından yararlanılmıştır. Ölçüm çalışması sonucunda elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir. 1. Rezonansların etkisiyle elde edilen ani uyarı yanıtı alıcı konumları arası farklılık göstermektedir. Dolayısıyla ilgili nesnel akustik parametrelerinde standart sapma yüksek çıkmıştır. 2. Azalım eğrisinin erken kısmında geç kısmına göre sapma daha fazladır. 3. Oktav bantlardaki sapmalara bakıldığında modal alandan yayınık alana geçiş, Schroeder teorisine göre ampirik olarak hesaplanan kritik frekanstan daha yüksek çıkmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümünde, müzisyenlerin rezonans etkin bir hacimdeki izlenimlerinin değerlendirilmesi amacıyla performansa dayalı yüz yüze anket çalışması yürütülmüştür. Elde edilen veriler ölçüm sonuçları ve ilgili standart ISO 23591:2021 ile karşılaştırılarak fiziksel koşulların izlenimler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Müzisyenlerle yapılan anket çalışmasından elde edilen veriler istatistiki olarak nicel veri analizi ve nitel veri analizi ile analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir: 1. Genel izlenimlerde en etkin ve en açıklayıcı parametreler reverberasyon ve gürlüktür. Rezonans etkin hacimde ise rezonans algısı ve netlik önem kazanmıştır. 2. Rezonansların etkisiyle reverberasyon süresi, ses gücü düzeyi yüksek enstrüman çalan müzisyenler tarafından normalden daha yüksek algılanmıştır. 3. Nitel veri analizlerinden elde edilen sonuçlara bakıldığında düşük reverberasyon süresine bağlı olarak uzamsallık hissinin azaldığı, reverberasyon eksikliğinin rahatsızlık yarattığı görülmüştür. Nesnel olarak rezonansların etkin olduğu tespit edilen prova odasında ise rezonanslara bağlı akustik bozulmalar ve kamaşma müzisyen izlenimini en çok etkileyen faktörlerdir. 4. Kayıt gibi çok hassas hacimlerin tasarımlarında rezonansların algılanabilirliğine yönelik kullanılan Q-faktör ve modal azalım süresi parametrelerinin eşik değerlerinin icra koşullarına yönelik kullanılabileceği, fakat toleransın icra koşulları için daha yüksek olduğu görülmüştür. Çalışmanın beşinci bölümünde, saha çalışmaları sonucunda elde edilen parametreler ve ölçütler kullanılarak bir tasarım yaklaşımı geliştirilmiştir. Yaklaşımın uygulanması ve doğrulanması amacıyla benzetim ortamında yürütülen parametrik analiz çalışmasında, fiziksel tasarım değişkenlerinin farklılaştırılmasıyla oluşturulan varyasyonlar karşılaştırılmış, yaklaşımda belirlenen ölçütler aracıyla değerlendirilmiştir. Benzetim yöntemi olarak kullanılan dalga bazlı sonlu elemanlar yöntemi için COMSOL Programı Akustik ve CAD-Import modülleri kullanılmıştır. Programın elde edilmesi MDK-2017-40689 no'lu proje desteği ile İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından sağlanmıştır. Parametrik analiz çalışmasına ve yaklaşımın uygulanabilirliğine yönelik sonuçlar aşağıdaki gibidir: 1. Dalga boyunun yüksek olması nedeniyle, ancak oda biçiminde yapılan düzensizlikler mod yollarının kırılmasında etkilidir. Yüzey formu gibi daha küçük boyutlu değişiklikler ise rezonansın oluşmasını engellememekte, fakat enerjisini azaltmaktadır. 2. Farklı konumlarda oda geometrisine bağlı olarak benzer mod deseninin oluştuğu, bununla birlikte karın konumunda bulunan alıcı noktasında düğüm konumunda bulunan alıcıya göre daha çok sapma oluştuğu görülmüştür. 3. Kaynak yayımının doğrultusu ile mod yolunun çakışması durumunda bu doğrultulardaki alıcı noktalarında daha çok tepe ve vadi oluşmaktadır. 4. Kaynak ses gücünün artması frekans tepkisini eşit düzeyde yükseltmektedir. Dolayısıyla rezonansların algılanabilirliğini etkileyen tepe oluşumundaki keskinliği değiştirmemektedir. 5. Yüzey formu ve empedansının tek bir yüzey ölçeğinde farklılaşmasının ses alanına etkisi nesnel akustik parametreler (EDT, T20, T60) açısından irdelendiğinde, yüzeyler arası ses alanı farklılıklarının fark eşiğinin altında olduğu görülür. Bununla birlikte saçıcı sistemlerin rezonansların algılanabilirliğini önemli ölçüde azalttığı görülmektedir. Önerilen yaklaşımda öncelikle modal analizler ile oda karakterinin belirlenmesi ve böylelikle sorunlu frekansların ortaya konması ve buna yönelik akustik düzenlemenin uygulanması önerilmektedir. Yaklaşımda, odanın zaman tepkisi analizlerine ek olarak oda tepkisinin spektral içeriğini ortaya koyan frekans tepkisi analizleri, MSV ve VSA ölçütleri, odanın uzamsal dağınıklığının değerlendirilmesi önerilmiş. Aynı zamanda alıcı bazında yapılan rezonans algısı ile ilişkili ölçütler, reverberasyon süresini tümüyle azaltılmadan modal frekansların değerlendirilmesini mümkün kılmıştır.
-
ÖgeYerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının değerlendirilmesine yönelik bir çalışma(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-13)Küreselleşen dünyada karşılaşılan enerji sorunları ve karbondioksit (CO²) salımlarından kaynaklanan çevre kirliliği sorunları karşısında yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Bu bağlamda, yenilenebilir enerji kaynaklarının kentsel alanlarda kullanımına ilişkin çalışmalar Dünya'da hız kazanmasına rağmen Türkiye'de hala sınırlıdır. Bilindiği üzere, enerji tüketiminin büyük çoğunluğundan sorumlu olan binalarda, kullanıcı konforunu sağlamak için harcanan enerji tüketimi gün geçtikçe artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisi kullanımını yaygınlaştıracak çalışmalar yapılması ve rüzgar enerjisinin binalarda kullanılması enerji ve çevre sorunlarının azaltılmasında çağdaş bir yaklaşım olarak görülebilir. Türkiye'de rüzgar potansiyelinin yüksekliği göz önünde bulundurulduğunda yerleşmelerde mevcut binalara ve yeni yapılacak binalara rüzgar enerjisini entegre etmek enerji etkin bir yaklaşım olarak önem taşımaktadır. Enerjinin üretildiği yerde kullanılması, iletim kayıpları ve taşıma maliyetlerinin azalması açısından da oldukça önemlidir. Rüzgar tarlalarında üretilen rüzgar enerjisinin kullanımı yaygınlaşırken, rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda üretildiği yerde kullanılması rüzgar enerjisi konusunda atılacak etkili bir adım olarak görülmektedir. Rüzgar enerjisinin optimizasyonuna yönelik bu tez çalışmasında geliştirilen yaklaşımın amacı; kentsel alanlarda rüzgar türbini kullanımına yönelik olarak; farklı parametrelere sahip kentsel doku alternatifleri için belirlenen referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızı açısından değerlendirilmesi, rüzgar türbini entegre edilebilecek kentsel doku alternatiflerinin belirlenmesi ve rüzgar türbininden üretilen enerjinin tüketilen enerjiyi karşılama oranlarının belirlenmesi ve yaya seviyesindeki rüzgar hızının belirlenmesi durumlarında rüzgar enerjisi kullanımı açısından optimum alternatiflerin değerlendirilmesi olarak belirlenmiştir. Ayrıca tez çalışması kapsamında yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda kullanımına yönelik çalışmalara temel oluşturması hedeflenmiştir. Çalışmada iki ayrı iklim tipi için 256 adet kentsel doku alternatifi oluşturulmuştur. Ilımlı nemli ve sıcak nemli iklim tiplerinin pilot illeri olan İstanbul ve Antalya için oluşturulan alternatifler kentsel alanlara ait 4 farklı parametre ile oluşturulmuştur. Çalışmada kullanılmak üzere; • Kentsel dokuda bina formu • Kat sayısı • H/W oranı (Bina yüksekliği/Cadde Genişliği) • Kentsel doku yönelimi parametreleri belirlenmiştir. Belirlenen parametrelere bağlı geliştirilen alternatiflere ait gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda elde edilen sonuçlar iki ayrı il için farklı durumlarda değerlendirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımı ve kullanıma ilişkin örnekler değerlendirilmiştir. Kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımını etkileyen parametreler belirlendikten sonra oluşturulan alternatiflere ait rüzgar hızı simülasyonları ENVI-met 4.4.1 modeli aracılığıyla 21 Haziran yaz başlangıç günü için gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyonlara ait analizler sonucunda değerlendirmeler dört ayrı adımda yapılmış, her bir adıma ait optimum alternatifler belirlenmiştir. Çalışmada oluşturulan alternatifler arasından referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızı 5 m/s değerini geçen alternatifler için çatıda türbin kullanımına ilişkin hesaplamalar yapılmıştır. Çalışmada 2.4 kW güce sahip yatay eksenli çatı monte bir rüzgar türbini kullanılmış, türbinden üretilen güç değerleri de açık erişimli bir hesaplama programı aracılığıyla elde edilmiştir. Yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının optimizasyonunu hedefleyen tez çalışması 7 bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1'de tez çalışmasının önemi, amacı, kapsamı ve metodolojisi açıklanmıştır. Bölüm 2'de kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımına yönelik; kentsel doku ve rüzgar ilişkisi üzerine çalışmalar, rüzgar ve bina ilişkisini CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) kullanarak belirleyen çalışmalar ve bina monte rüzgar türbini çalışmalarına ilişkin yöntemler irdelenmiş, ve açıklanmıştır. Bölüm 3'te kentsel alanlarda rüzgar enerjisini etkileyen parametreler, ve rüzgar enerjisi ölçüm araçları açıklanmıştır. Bölüm 4'te kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanım yöntemleri olan rüzgar türbinlerinin bina ile entegrasyonuna ve dönme eksenine göre sınıflandırılması yapılmış, bina ile entegrasyonuna göre sınıflandırılan rüzgar enerjisi tipleri ele alınmıştır. Bölüm 5'te yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının optimizasyonuna yönelik bir yaklaşıma ilişkin adımlar açıklanmıştır. Geliştirilen yaklaşımda ana adımlar; • Kentsel dokularda oluşturulacak binalara ait tasarım kriterlerinin belirlenmesi • Oluşturulacak modele ilişkin verilerin belirlenmesi • Parametrelere bağlı kentsel doku alternatiflerinin geliştirilmesi • Geliştirilen alternatiflerin rüzgar hızı dağılımının hesaplanması • Kentsel doku alternatiflerinin farklı değerlendirme durumlar için değerlendirilmesi • Kentsel doku alternatiflerinden rüzgar enerjisi kazancı ile ilgili farklı durumlar için optimum performans gösteren alternatiflerin belirlenmesi ve optimum iyileştirme alternatiflerinin geliştirilmesi olarak belirlenmiştir. Bölüm 6'da çalışmada geliştirilen yaklaşımın uygulanmasını kapsayan çalışmanın adımları, izlenen yol, varsayımlar ve hesaplamalar açıklanmaktadır. Çalışmada 4 farklı parametreye bağlı oluşturulan alternatiflere ilişkin sonuçlar; • Referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızına göre değerlendirme, • Türbin sayısına göre rüzgar türbini kurulumuna elverişli alternatiflerin belirlenmesi ve bu alternatiflerde üretilen enerji ile tüketilen enerjinin karşılanması oranı değerlerinin belirlenmesi, • Toplam doku alanında rüzgar hızı 5 m/s'yi geçen alanların yüzdesine göre değerlendirme, • Yaya seviyesindeki rüzgar hızına göre değerlendirme, başlıkları altında değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmelere göre alternatiflere ilişkin iyileştirme önerileri sunularak rüzgar enerjisi kazancının arttırılması ve yaya konforunun sağlanması hedeflenmiştir. Oluşturulan alternatiflere ilişkin iyileştirme önlemleri; • Hakim rüzgar yönüne ağaç vb. rüzgar kırıcı ögeler eklenmesi ile yaya seviyesindeki rüzgar hızının düşürülmesi • Türbin tipinin ve gücünün değiştirilmesi ile türbinden üretilen enerjinin arttırılması olarak belirlenmiştir. Belirlenen iyileştirme önlemlerinin uygulanması durumlarında elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Bölüm 7'de çalışmaya ait sonuçlar ve öneriler açıklanmıştır.
-
ÖgeHuman centred performance approach (hcpa) for adaptive facade design(Graduate School, 2022-10-25)Adaptive facade systems are one of the significant developments in the facade industry over the last decades, which could be defined as multifunctional elements that are able to change their functions, features or behaviours, in response to changing external conditions and/or performance requirements. With their changeability, in principle, adaptive facade systems are offering an intelligent design notion to improve the energy performance of the building by means of optimization between the user comfort and energy consumption. However, when the performance of the facade is considered from the building occupants' perspective, the interactions between the facade and the user may not always result in a positive user experience. In order to bridge this performance gap, this doctoral study is proposing a change of perspective in facade design to a human-centred one. An expert mindset is embraced for the human-centred design approach and focuses on designing for the user over the questions: what do users want from their facade and to what extent do the adaptive technologies have the potential to fulfil their needs? It could be said that, towards reaching the full potential of the adaptive facades, there is a lack of information flow from the occupant (user) to the designer (architect). The scatteredness of information on adaptive facade technologies in the literature caused by the rapid technological developments confines the availability of knowledge for those outside the facade sector. In that respect, especially in a traditional architectural design process, it is becoming challenging for the architects to make early design decisions considering different functions of the facade simultaneously; like providing a comfortable indoor climate, energy efficiency, aesthetics, reasonable construction, easy maintenance and durability. In this complex decision-making process, holistic design support models are in need, promoting different ways of design thinking and adapting to different requirements of projects. Besides, by implementing a human-centred approach starting from the early stages of design, it would be possible to reach more user-oriented, energy-efficient and feasible design solutions, while enriching the architectural identity. In that respect, the doctoral study is focusing on the users' perspective and presents a human-centred performance approach to adaptive facade design. The study aims to aid architects' decision-making in the early design stage, by providing comparative information on the adaptive facade technologies in terms of their human-centred performance. The general flow of the research consists of two parts; (1) building the theoretical framework, and (2) developing the human-centred performance approach. In the first part, the results of the literature review process and derived considerations are presented. The context of the systematic overview could be listed as; architectural design and facade design process, decision-making methods, adaptive facades definition, classification, build examples and technologies, human-centred design approaches, user experience concept, and factors affecting the user-facade relationship. Within the scope of the research, adaptive facade technologies were categorized into 5 groups; T01 - Movable Shading Elements (Outside), T02 - Ventilated Double Skin Facades, T03 - Thermally Activated System, T04 - Movable Shell / Structure, and T05 - Smart Material / Component. Since smart materials and components refers to an adaptation at different level (micro) than the rest of the technology groups (macro), T05 group is left out of the scope during the development of human centred performance approach. In addition, the user experience concept was defined over the human senses (seeing, feeling, hearing and controlling), including the expectations and preferences of the user through their passive (direct effect) or active (indirect effect) interactions with the facade. In the second part, building on the theoretical framework, a human-centred performance approach has been developed over three main stages: (1) understanding users, (2) understanding technologies, and (3) designing for the users. Firstly, novel human-centred performance criteria were determined based on the results of the conducted user experience survey. Outcomes of this study also present the difference in preference levels of defined user experiences with facades in work environments, for different user groups according to human (age, gender, country of origin, education level, profession) and environmental (location, etc.) factors. Secondly, the expert opinion survey method was used to validate the defined criteria and performance evaluations of adaptive facade technology groups were made defining their potentials and barriers. Comparative representation of the information on technologies provides a medium for evaluation, offering data for both qualitative (stimulates visual thinking) and quantitative (numerical data for multi-criteria decision-making tools) methods of decision-making. Lastly, a model is proposed for the use of the human-centred performance approach in the (adaptive) facade design process and a flexible roadmap demonstrating its application is presented. The proposed model consists of 3 steps in line with the early stages of the facade design; (1) identifying user requirements as part of strategic planning – referring to the HCPC, (2) researching adaptive facade technologies during research and preparation – referring to the evaluations on the performance potentials and barriers of technology groups, and (3) researching application alternatives for technology groups during the concept design phases – referring to the rank order for alternative applications based on criteria groups. Considering the needs of different scenarios and different ways of design thinking, alternative pathways that can be followed in the model were described. All in all, by defining how each piece of information that is presented in the thesis manuscript could be used, the outcomes of the doctoral study are targeted to be used as a reference book that aids the architect's decision-making in the early stages of facade design.