Çift kabuk cam cephelerin enerji ve ekonomik etkinliğinin değerlendirilmesinde kullanılabilecek bir yaklaşım

Abstract

Günümüzde cam cepheler kısa bîr süre içerisinde uygulanabilmeleri, kolay » temizlenebilmeleri, hafif, estetik ve uzun ömürlü olmaları nedenleriyle özellikle £ yüksek binalarda sıklıkla tercih edilen bir yapı kabuğu haline gelmişlerdir. Ancak bu cephelerin binanın mekanik tesisatına getirdiği ilave yükler; hem enerji betiminin hem de kullanım sürecindeki enerji maliyetlerinin artmasına ve kullanıcılarda hasta bina sendromu olarak adlandırılan rahatsızlıkların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu durum; enerji kaynaklarının etkin bir şekilde kullanımına, aşırı yakıt tüketimi sonucu oluşan çevre kirliliğinin azaltılmasına, kullanıcı üretkenliğinin arttırılmasına ve binanın yaşam dönemi maliyetinin azaltılmasına yönelik çalışmaların yapılmasını zorunlu hale getirmektedir. Söz konusu problemlere çözüm bulmak amacıyla yapılan bu çalışmalarda, cam kabuğun iç ve dış iklim arasında denge sağlayabilen dinamik bir örtü olarak tasarlanması yoluyla etkinliğinin arttırılabileceği düşünülmektedir. Hem enerji kullanımım azaltmak hem de iç mekan konforunu geliştirmek üzere tasarlanan bu kabuk; ısıtma, havalandırma ve aydınlatma gibi birbirleriyle çelişen ihtiyaçları sağlamak üzere çok işlevli bir eleman olarak düşünülmektedir. Böyle bir kabuk ile; enerji tüketimini azaltmak yoluyla binanın işletme maliyetlerinin azaltılması ve kullanıcı konforunun sağlandığı mekanların oluşturulması mümkün olmaktadır. Gelişmiş ülkelerde enerji etkin bir cam kabuk oluşturmak amacıyla yapılan çalışmalar, camın ve cam cephe sistemlerinin geliştirilmesi yönünde halen devam etmektedir. Bu çerçevede; mekan konforunun mekanik sistemlerin daha az kullanılması yoluyla sağlanması için, değişen iklim şartlarına göre ısısal ve optik özelliklerini değiştirebilen camların ve ısıtma / soğutma yüklerini azaltabilen, doğal havalandırmaya imkan tanıyan, kullanıcı gereksinmelerine optimum düzeyde cevap verebilen cephe sistemlerinin geliştirilmesi yönünde pek çok çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmalar sonucunda geliştirilen çift kabuk cam cephe sistemleri; ilk yatırım maliyetleri yüksek olmakla birlikte binanın enerji tüketimini azaltarak kullanım sürecindeki enerji maliyetlerinin düşmesine ve mekanik sistemlerin kullanımını azaltması nedeniyle daha konforlu mekanlar oluşturulmasına yardımcı olmaktadır. Tezde, bu sistemlerin ülkemizde uygulanması halinde, enerji tüketimi ve yaşam dönemi maliyeti açısından ne ölçüde bir etkinlik sağlayacağının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla önerilen yaklaşım; . Enerji ve ekonomik etkinlik açılarından en fazla fayda sağlayacak olan seçeneklerin,. Çift kabuk cam cepheler için uygun bileşen özelliklerinin belirlenmesi sorununa çözüm aramaktadır. Başlıca üç aşamada sonuca ulaşılan tezde; sekiz bölüm yer almaktadır. Birinci aşamada: çift kabuk cam cephenin enerji ve ekonomik etkinliğinin değerlendirilmesi amacıyla önerilen yaklaşımda yer alan süreçlerin sonuca ulaşması için gerekli olan bilgiler verilmektedir. Bu çerçevede:. Tezde ele alınan konunun amacı ve tezin yöntemi açıklanmaktadır (Bölüm 1).. Çift kabuk cam cephelerin ortaya çıkış süreci, özellikleri ve uygulanmış örnekleri hakkında bilgi verilerek bu cepheleri oluşturan bileşenler belirlenmektedir (Bölüm 2).. Cam cepheye etki eden etmenler, bir cam cepheden beklenen performans gereksinmeleri, özellikleri ve ölçütleri açıklanarak; enerji ve ekonomik etkin bir cepheden beklenen performans gereksinmeleri ve ölçütleri ortaya koyulmaktadır (Bölüm 3).. Bir cephenin enerji tüketiminin denetlenmesi ile, gerek enerji kaynakları gerekse toplam maliyet açısından bir etkinlik sağlanabileceği vurgulanarak; denetim yapılmasına ilişkin tasarım ilkelerinden bahsedilmektedir (Bölüm 4). *. Genel olarak değerlendirmede kullanılma olasılığı gösteren yaklaşımlardan bahsedilerek, enerji ve ekonomik etkinliğin değerlendirilmesini amaçlayan çalışmalarda izlenen yöntemlerden bahsedilmektedir (Bölüm 5). İkinci aşamada: çift kabuk cam cephenin enerji ve ekonomik etkinliğinin değerlendirilmesinde kullanılabilecek yaklaşım açıklanarak, uygulanabilirliğini kontrol etmek amacıyla bir uygulama yapılmaktadır.. Önerilen yaklaşıma göre; yöneylem araştırmasında izlenen yoldan hareket edilerek: S Sorunun düzenlenmesi, S Modelin kurulması, S Sorunun çözümü, süreçleri ile sonuca ulaşılmaktadır (Bölüm 6). Sorunun düzenlenmesi sürecinde; birinci aşamada verilen bilgilerden yararlanılarak, cam cepheye etki eden etmenler ve kullanıcı gereksinmeleri doğrultusunda; amaçlar, gereksinmeler, özellikler, ölçütler ve seçenekler belirlenmektedir. xı Modelin kurulması sürecinde; sorunun düzenlenmesi sürecinde geliştirilen cam kabuk seçeneklerinin enerji tüketimi ve yaşam dönemi maliyetleri ile bu değerlere bağlı olarak uygun bileşen özelliklerinin (bileşenin konumu, biçimi, boyutu, malzemesi vb) belirlenmesine imkan tanıyan bir model oluşturulmaktadır. Bu modele göre; I. Seçeneklerin enerji tüketimleri (Ett); iklimsel verilere (hava sıcaklığı, hava nemliliği, güneş ışınımı, rüzgar), kabuğun ısısal ve solar özelliklerine, bina ve çevresinin özelliklerine bağlı olarak belirlenen ısıtma ve soğutma yükleri ile (Eı, Es). ısıtma ve soğutma sistemlerinin etkinliklerine (ı, s) göre hesaplanan ısıtma ve soğutma enerjisi tüketimlerinin (En, Est) toplamından oluşmaktadır. Bu toplam aşağıdaki denklem ile belirlenmektedir: Ett = Err + Est (Err = Eı / 1, Est == Es / s) II. Yaşam dönemi maliyetleri ise (TYDM); seçeneklerin ısıtma ve soğutma enerjisi tüketimlerine (Err, Est), enerji birim maliyetlerine (Mm, Esb), cam kabuk için kabul edilen yaşam dönemine (n) ve iskonto oranına (r) bağlı olarak belirlenen enerji maliyetlerinin (Mtyb), ilk yatırım maliyetlerinin (My) ve bakım - onarım maliyetlerinin (Mtbb) toplamı olarak aşağıdaki denklem ile belirlenmektedir. TYDM = My+ Mtyb + Mtbb III. Cam kabuk seçenekleri için uygun bileşen özelliklerinin belirlenmesi amacıyla, seçeneklerin enerji tüketimi ve yaşam dönemi maliyetleri karşılaştırılmaktadır. Sorunun çözümü sürecinde; seçenekler arasında enerji tüketimi ve yaşam dönemi maliyeti en fâzla olan seçeneğin hiçbir fayda sağlamayacağı düşüncesi ile etkinliği sıfır olarak kabul edilmekte ve diğer seçeneklerin bu seçeneğe göre etkinlik yüzdeleri belirlenmektedir. Elde edilen sonuçların karşılaştırılması ile; ¦S Ülke kaynaklarının etkin kullanımı açısından enerji tüketimi minimum olan seçenek, S Bina sahibi açısından toplam maliyeti minimum olan seçenek,.S Enerji ve ekonomik etkinlik açısından uygun bileşen özellikleri belirlenebilmektedir.. Yaklaşımın kullanılabilirliğini kontrol etmek amacıyla İstanbul'daki bir ofis binası için yapılan uygulama sonucunda; amaçlanan etkinlikteki seçeneklerin ve çift kabuk cam cephe sistemleri için uygun bileşen özelliklerinin belirlenebildiği görülmüştür (Bölüm 7). Üçüncü aşamada: tezde varılan sonuçlar özetlenmektedir

Nowadays glass facades are often preferred as a building envelope especially İn high buildings due to the short application time, being easily cleaned as well as being lightweight, esthetic and durable. However, the loads that these systems add to the mechanical equipment of the building increase both energy consumption and energy costs in the service life of the building and cause the illnesses referred as sick building syndrome at the occupants. Therefore, the need to study the issues related to using the energy sources effectively, decreasing the environmental pollution resulting from extensive fuel consumption, increasing occupant productivity and reducing the life cycle cost of building have arisen. Several studies have been carried out in order to find solutions for the above mentioned problems; and it has been concluded that the efficiency of glass facades can only be increased by designing it as a dynamic envelope that can establish balance between internal and external climate. This type of envelope which is designed to reduce energy use and improve indoor space comfort is considered as a multiple functional element that can provide the contradicted requirements such as heating, ventilation and lighting. With such an envelope, it is possible to decrease operational costs of building by reducing energy consumption as well as creating interiors that can provide the occupant comfort. In the developed countries, the studies that are carried out to create an energy efficient glass skin are still continuing as improving the glass and glass facade systems. In this context, in order to provide interior comfort by reducing the use of the mechanical systems, many studies are carried out to improve both glasses which can change their thermal and optical properties according to the climatic conditions and facade systems which can decrease heating and cooling loads, provide natural ventilation and meet occupant requirements in the optimum level. As a result of these studies, double skin glass facade systems are developed. Although their initial investment costs are high, they lower the energy cost during the service life of the building and create more comfortable spaces by reducing the use of mechanical systems. The aim of the thesis is to determine to what extent these systems can provide efficiency in terms of energy consumption and life cycle cost when they are applied in buildings in Turkey. The proposed approach looks for a solution to determine the folio wings: Xlll . The alternatives that can provide the maximum benefit in terms of energy and cost efficiency,. Component properties which are suitable for double skin glass facades. The thesis arrives to a solution mainly in three stages, and it consists of eight sections. In the first stage: knowledge that necessitates to determine and set up the processes which take part in the proposed approach that aims the evaluation of the energy and cost efficiency of double skin glass facades are given. In this context:. The aim of the issue considered in the thesis and the method of the thesis are explained (Section 1).. The knowledge about the development process of double skin glass facades, their properties and the applied examples are presented. In addition, the components of these facades are determined (Section 2).. The agents that effect a glass facade, the performance requirements that are expected from a glass facade, properties and criteria are explained; the performance requirements, properties and criteria related to an energy and cost efficient glass facade are put forwarded (Section 3).. Emphasizing that an efficiency can be achieved in terms of both energy sources and total cost when the energy consumption of a facade is controlled; the design principles related to performing control are mentioned (Section 4).. The approaches and methods which can be used in evaluation are explained; the methods that are used in the studies which aim the evaluation of energy and cost efficiency are mentioned (Section 5). In.the second stage: the approach that can be used in the evaluation of energy and cost efficiency of double skin glass facade is explained and a practice is carried out in order to find out whether or not it is suitable for the aim.. In the proposed approach; utilizing from the steps followed in 'operations research', the result is obtained by the following processes (Section 6): S Formulation of the problem, S Building of the model,.S The solution of the problem In the process of the formulation of the problem; benefiting from the knowledge introduced in the first stage, objectives, constraints, requirement, properties, criteria and alternatives are determined according to both the agents that effect the glass facade and occupant requirements. In the process of building of the model; a model which enables the determination of both energy consumption and life cycle cost of the glass facade alternatives generated in the process of formulation of the problem and XIV the suitable properties (place, shape, dimension and material) of the components is created. According to the model;. I. Energy consumption of the alternatives (Ett) are composed of the total heating and cooling energy consumption (Err, Est) which are calculated depending on both heating and cooling loads (Ei, Es,), which are determined in accordance with climatic data, thermal and solar properties of the skin, the properties of building and its environment, and the efficiencies of heating and cooling systems (i, s). This total is determined by the following formula: Ett = Err + Est (Err = Er / 1, Est = Es / s) II. Life cycle cost of the alternatives (TYDM) are calculated by summing up the energy costs, initial investment costs (My) and maintenance costs (Mtbb). The energy costs are determined depending on their heating and cooling energy consumption, energy unit costs (Mrs, Esb), the life cycle period (n) and discount rate (r). The formula is as follows: TYDM = MY + Mtyb + Mtbb III. In order to determine the suitable component properties for double skin glass facades, energy consumption and life cycle costs of the alternatives are compared. In the process of the solution of the problem; it is accepted that the alternative whose energy consumption and life cycle cost is maximum among the others will not prove to be useful; therefore, its efficiency is attained as zero. The efficiency percentage of the other alternatives are calculated according to this alternative. When the results are compared; S The alternative whose energy consumption is minimum in terms of the efficient use of country sources, S The alternative whose life cycle cost is minimum in terms of building owners, S Suitable component properties in terms of energy and cost efficiency can be determined.. In order to determine the usability of the approach, it has been applied to an office building in Istanbul. It has been concluded that the alternatives in the aimed efficiency can be determined (Section 7). In the third stage: the results that have been attained in the thesis are summarized (Section 8).