Effect of design and operational strategies on thermal comfort and productivity

Abstract

Gün geçtikçe artan enerji tüketimi, yeni teknolojilerin gelişimi ve enerji verimliliği ile alakalı pek çok çalışmayı da beraberinde getirmiştir. Günümüzde konutsal alanda tüketilen enerjinin büyük bir kısmını binalardaki iklimlendirme, ısıtma, soğutma ve havalandırma sistemleri oluşturmaktadır. İklimlendirme sistemleri ve sistemlerde enerjiyi etkin kullanabilmek son yıllarda en çok tartışılan konuların başında gelse de, kullanılan iklimlendirme sistemlerinin asıl amacı olan, ortamda bulunan insanlara kabul edilebilir seviyede, konforlu bir ortam sunmak da mühendislik alanındaki önemini konumaktadır. Literatürde insanların yaşamlarının büyük bir kısmını iç ortamlarda geçirdiğini ortaya koyan pek çok çalışma mevcuttur. İnsanoğlu bulunduğu ortamdaki çevresiyle sürekli bir etkileşim halindedir. Bu bakımdan üretkenlik, sağlık, yaşam kalitesi ile iç ortam kalitesi arasında önemli bir bağ vardır. Araştırmalara göre ısıl konforun sağlandığı ortamlarda, kişilerin algı ve iş yapma performansı en üst seviyeye ulaşmaktadır. Isıl konfor, kişinin bulunduğu ortamda hissettiği ısıl rahatlık olarak tanımlanmaktadır. İnsan vücudu çevresiyle, ısı üretimi, iletimi ve kütle transferi olmak üzere 3 farklı mekanizma vasıtası ile etkileşim halindedir. Bu etkileşimi modelleyebilmek, uzun yıllardır araştırmacıların odak noktası olmuştur. Deri sıcaklığının 34°C'nin altına düştüğü ya da 37°C'nin üstüne çıktığı durumlarda, deri altındaki reseptörler tarafından beyine impuls gönderilerek vücuttaki ısıl dengenin korunması sağlanır. Herhangi bir impulsun oluşmadığı durumlarda ise ısıl dengenin oluştuğu ve dolayısıyla "ısıl tarafsızlık" ile beraber konforun sağlandığı ortaya konulmuştur. Isıl dengeye dayalı bu konfor modeli ilk defa P.O Fanger tarafından incelenmiş olup, daha sonra da kendi ismiyle "Fanger Isıl Konfor Modeli" olarak anılmıştır. Fanger modeli bu tezde de detaylı bir şekilde inceleneceği üzere ısıl denge üzerine kurulmuştur. Fanger'in oluşturmuş olduğu ısıl konfor denklemini kullanarak, bir hacimdeki kişilerin ısıl konforunu tahmin edebilmek olasıdır. Isıl konforun tayini için fiziksel olgularla beraber kişilerin psikolojik faktörlerinin de değerlendirildiği Tahmini Ortalama Oy (Predicted Mean Vote – PMV) ve Tahmini Konforsuzluk Yüzdesi (Percentage of People Dissatisfied – PPD) İndeksleri geliştirilmiştir. Günümüzde bu geliştirilen PMV ve PPD'ye dayanan bu model, en yaygın kullanılan ısıl konfor değerlendirme metodudur. Araştırmalara göre PMV ve PPD indeksi, dolayısıyla ısıl duyum, çeşitli parametrelere dayanmaktadır. Bunlar: ortalama iç sıcaklık, ortalama iç bağıl nem, ortalama bağıl hava hızı, ortalama yüzey sıcaklığı, aktivite tipi ve seviyesi ve giysilerin ısıl değeridir. Bu çalışmanın amacı yukarıda bahsi geçen ısıl konfor parametrelerini de göz önünde bulundurarak, bir binanın ısıl konfor durumunu daha önce tanımlanan Fanger'in ısıl denge metodu ile inceleyip, ısıl konforu hesaplamak; ve sonrasında geliştirilen tasarım ve işletme stratejileriyle var olan konforu ve buna ek olarak üretkenliği optimize etmeye çalışmaktır. Tezde açık ve adım-adım bir metodoloji izlenmiştir. İlk kısımda, çalışmanın amaç, kapsam ve yönteminin belirtildiği giriş kısmı yer almaktadır. Tezin ikinci kısmında, kaynak taraması yapılmış ve ısıl konfor ile ilgili daha önce yapılmış çalışmalar incelenmiştir. Bu kısımdaki kaynak taraması, ısıl konfor modelleri, ısıl konforun belirlenmesi, üretkenliğe olan etkisinin incelenmesi, parametrik analizi ve binalara uygulanan farklı stratejilerin ısıl konfora etkilerinin belirlenmesi olmak üzere değişik kapsamlarda değerlendirilmiş ve sunulmuştur. Kaynak taramasına ek olarak, günümüzde Amerika Birleşik Devletleri'nde ve Avrupa'da en sık kullanılan ısıl konfor standartları olan ASHRAE 55 ve ISO 7730 standartları da bu kısımda incelenmiştir. Üçüncü kısımda ısıl konfor daha derinlemesine incelenerek, ısıl konforun geçmişten bugüne nasıl ele alındığı ortaya konulmuştur. Daha önce de bahsi geçtiği üzere, en önemli ısıl konfor modeli olan "Fanger Isıl Konfor Modeli" detaylı bir şekilde tanıtılmıştır. Fanger'in insan bedeninin ısıl dengesine dayanan konfor modeli ısıl dengeyi oluşturan her bir bileşen için tek tek irdelenmiştir. Isıl dengenin sağlanabilmesi için, metabolik iç ısı üretimi, deriden difüzyonla olan ısı geçişi (terleme), solunum yoluyla olan ısı geçişi, ışınım yoluyla meydana gelen ısı geçişi, taşınım yoluyla meydana gelen ısı geçişi, iletim yoluyla meydana gelen ısı geçişinden her biri detaylı bir şekilde Fanger yöntemine bağlı kalarak etüd edilmiştir. Tezin dördüncü kısmında ısıl konfor göstergeleri ve ısıl konforu etkileyen değişkenler yer alır. Daha önce tanıtılan ısıl konfor parametreleri,ortalama iç sıcaklık, ortalama iç bağıl nem, ortalama bağıl hava hızı, ortalama yüzey sıcaklığı, aktivite tipi ve seviyesi ve giysilerin ısıl değeri ayrı ayrı incelenmiştir. Bu altı faktörden ilk dördü ortamın fiziksel durumu ile alakalıyken, diğer ikisi kişilere bağlıdır. Ayrıca bu bölümde ısıl konfor göstergesi olarak Tahmini Ortalama Oy (PMV), Tahmini Konforsuzluk Yüzdesi (PPD) ve Yerel Isıl Konforsuzluk (LTD) indekslerinden de bahsedilmiştir. Beşinci bölüm ise, daha önce bahsi geçen ısıl konfor hesaplamalarının değerlendirildiği bölümden oluşmaktadır. Isıl konforu hesaplayabilmek ve örnek bir model üzerinde çalışabilmek için İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Yerleşkesi'nde yer alan Merkezi Derslik Binası (MED) seçilmiştir. MED, içerisinde amfi tipi sınıflar, seminer odaları, akademisyen ofisleri, bilgisayar laboratuvarları, kafeteryalar gibi pek çok farklı kullanıma sahip alanı bulunan bir yapıdır. Beşinci bölümde MED'in bu yapısı ile birlikte, tasarım özellikleri, yapı elemanlarının termo-fiziksel özellikleri, iklimlendirme sistemleri tanıtılmıştır. Binanın enerji ve ısıl analizini yapabilmek için dinamik simülasyon programlarından faydalanılmıştır. MED'in modeli, fonksiyonel bir analiz programı olan DesignBuilder'da yapılmıştır. DesignBuilder, EnergyPlus eklentisi ile birlikte tanımlanan, yapının hem enerji hesaplarını, hem de ısıl konfor hesaplarını yapabilen bir simülasyon aracıdır. Binanın simülasyon modeli DesignBuilder'da yapı elemanları, işletme takvimi ve tasarım durumları göz önünde bulundurularak aslına uygun olarak modellenmiştir. Modelin oluşturulmasından sonra, modelin gerçekliğinin ve tutarlılığının doğrulanmasının gerçekleştirilmesi amacıyla binadaki bir amfide bir haftalık süreyle sıcaklık ve nem ölçümü yapılmıştır ve elde edilen ölçüm sonuçları simülasyon verileriyle karşılaştırılarak modelin doğrulanması sağlanmıştır. Modelin doğrulanmasının ardından, tezin altıncı kısımında binanın mevcut halinin ısıl yük, enerji ve ısıl konfor durumları irdelenmiş ve simülasyon sonuçları baz alınarak ortaya konmuştur. MED, ortak alanların dışında 3 farklı ısıtılıp soğutulan hacimden meydana gelmektedir: kuzey cephede yer alan amfiler, güney cephede yer alan seminer sınıfları ve ofisler. Bu üç zon grubunun PMV ısıl konfor indeksi incelendiğinde özellikle kuzey cephedeki amfi tipi sınıfların oldukça soğuk hissettirdiği ve zaman zaman ısıl konforsuzlukların meydana geldiği görülmüştür. Bunlara temel sebep olarak, kuzey cephedeki amfilerin güneş ışığı almaması ve amfilerin yalnızca 07.00-17.00 arasında ısıtılıp/soğutulması dolayısıyla binada ısıtmayan süreçte ısıl yığılmaların oluşması ve sabah saatlerinde ısıl konforun oldukça düşük olması gösterilebilir. Güney cephedeki zonlarda ise, boydan boya cam olması ve taze hava santralinde soğutucu serpantinin olmaması yaz aylarında sıcaklıkların artmasına sebep olup, konforun azalmasına yol açmıştır. Tüm bunlar göz önünde bulundurularak farklı stratejiler geliştirilmiş, hem bu stratejilerin konfora olan etkisi gözlenmiş; hem de binada daha önce bahsi geçen "ısıl tarafsızlığa" ulaşmaya ve üretkenliğin artırılmasına çalışılmıştır. Çalışmada, taze hava santralinin optimizasyonu, gölgeleme elemanının konumlandırılmasının tayini, sıcaklık ayar noktasının (set-point) optimizasyonu, ön-ısıtma/soğutma ve kıyafetlerin ortamdaki konfora aylık etkisinin incelenmesi stratejileri hesaplanmış ve değerlendirilmiştir. Taze hava santralinin optimizasyonu ve gölgeleme elemanı stratejisi özellikle ofislerin yaz koşullarındaki şartlarını iyileştirirken; sıcaklık ayarı optimizasyonu ve ön ısıtma/soğutma ise %5 ila 9 bir enerji tüketimi artışına yol açsa da, amfi sınıflardaki ısıl duyumu çok soğuktan, "nötr – biraz soğuk" arasına çekmiş ve standartlara yakın bir hale getirmiştir. Çalışmanın son bölümünde sonuç olarak tüm stratejilere tek tek değinilmiş ve en son tüm senaryoların birlikte uygulandığı bir model oluşturulmuştur. Bu modelde bina genelinde ve zon gruplarında PMV değeri istenen -0,5 ve +0,5 aralığında kalmış, ancak stratejiler yıllık ısıtma tüketiminde toplam %8,5, soğutma tüketiminde ise %14,2'lik bir artışa yol açmıştır. Binada ısıl konforla birlikte, üretkenlik de yakından araştırlmıştır. Özellikle binanın bir okul binası olduğu gözönünde bulundurulacak olursa, iç ortam konforunun üretkenliğe olan etkisinin ne denli önemli olduğu da ortadadır. Bu açıdan iç ortam kalitesinin içeride bulunan kişilerin düşünme ve yazma, okuma gibi faaliyetlerine etkisi ayrı ayrı denklemler ile hesaplanmış ve en son oluşturulan stratejide ne kadarlık bir iyileştirme yapılabileceği ortaya konulmuştur. Sonuçlara göre bütün uygulanan senaryolar hem kullanıcıların ısıl konforu hem de üretkenliğine olumlu yönde etki etmiştir. Geliştirilen senaryolar ile ortalama yazma ve düşünme faaliyetlerinde yaklaşık %10 artırım mümkün olmaktadır.

As technology is advancing day by day, air-conditioning technology is also being expanded. Since the increasing energy consumption is reaching at an alarming rate, many researches emphasise the significance of energy efficiency. Yet, for a qualified engineer, the main purpose should be obtaining comfortable places for inhabitants as well as enhancing energy efficiency. According to Environmental Protection Agency, people spend nearly 90% of their time indoors. Furthermore, there are vast of researches indicating the relativity between indoor comfort, productivity and health. In this sense, indoor environmental quality has an important place in human life. Thermal comfort is one the leading issues as far as indoor environmental quality is concerned. Thermal comfort can be described as feeling comfortable in an environment based on the thermal conditions of the place. The most widely accepted thermal comfort model is "Fanger's Thermal Comfort Method" and it relies on heat balance equations between the human body and its surroundings. According to Fanger Method, six parameters affect thermal comfort which are, air temperature, relative humidity, mean readiant temperature, air velocity, activity type/level and thermal resistance of clothes. At this study, significance of thermal comfort parameters will be addressed. The main goal of the thesis is to assess the present thermal comfort scale of a selected building and investigate the ways of optimizing thermal comfort. In order to evaluate the thermal comfort, a case study is followed in a school building, Merkezi Derslik (MED). MED is a multi-functional school building placed in Istanbul Technical University Ayazaga Campus which has different usages of areas. To evaluate the building's overall energy performance and thermal comfort analysis, simulation tools have been utilized. In the study, dynamic simulation model of MED is generated via DesignBuilder which is capable of modelling both energy and thermal comfort model of a given building. In the simulation tool, MED is defined with respect to its actual state of construction elements, HVAC systems and working schedules. After generation of the model, verification work is carried out. In order to verify the simulation model, one-week measurement is taken place in an amphitheater classroom in MED. After the measurement, measured air temperature and relative humidity have been compared to the simulation model; accordingly verification of the model has been done. After the verification of the model; building's existing loads, energy consumptions and thermal comfort status are calculated and investigated. Apart from common zones, MED consists of three different types of heated/cooled zone groups; North-oriented lecture halls, South-oriented seminar rooms and offices. Analysis showed that especially in northern lecture halls, thermal sensation is rather cold and thermal comfort index is significantly poor. Also it has been noticed that there is thermal discomfort during some periods in the building. One of the main reasons for that is North-oriented lecture halls do not recieve any solar iraddiation. Besides, classrooms are only occupied between 07.30 and 17.00, accordingly mechanical systems of the refferred zones are only utilized in that time period. Consequently, till 17.00 to 07.00, the zones are not heated or cooled for a long time period which causes thermal discomfort especially during morning hours. In South-oriented zones, on the other hand, having floor-height glazings and no cooling serpantine in AHU, has resulted with increased temperatures during the summer months. Taking into account all these information, a set of design and operational strategies developed and their affect on thermal comfort and thermal comfort parameters are evaluated with the purpose of optimizing the indoor environmental quality and productivity of the building. In the study, optimisation of AHU, optimisation of the shading element, pre-heating/cooling, set-point variation and effect of clothing strategies are evaluated and investigated. While AHU and shading element optimisation contributed office zones to be more comfortable during summer; set-point variation and pre-heating/cooling enhanced the thermal comfort sensation in northern-oriented lecture halls with the increase of annual energy consumption by 5 to 9%. On the other hand enhanced thermal environment has resulted with better productivities. It is presented that better indoor environmental quality corresponds to up to 10% productivity increase in both typing and thinking tasks. In the study, each strategy is addressed separately, and as a conclusion, a final model that consists of combination of each strategy is generated. Combination of each strategy has resulted with obtaining a PMV value in the desired and reccommended interim which is -0,5 and +0,5 in both overall building and pre-defined zone groups. However, enhancing thermal comfort has lead the annual heating and cooling consumption of the building 8,5% and 14,2% respectively.