Sıcak - Kuru İklim Bölgelerinde Bina Kabuğu Isıl Performansının Yaz Konfor Koşulları Açısından Değerlendirilmesine Yönelik Bir Çalışma

Abstract

Günümüzde artan enerji harcamaları sonucu; dünyada doğal kaynaklar azalmış ve bu durum enerji maliyetlerinin artmasına neden olmuştur. Fosil enerji kaynaklarına dayalı aşırı tüketim sonucu ortaya çıkan sera gazları, hava kirliliğine ve yeryüzüne ulaşan güneş ışınlarının yansıdıktan sonra atmosferden çıkamamasına neden olmaktadır. Bu durum iklim değişikliğinin başlıca nedenlerinden biridir. Enerji harcamalarının önemli bir kısmı, binalarda ısıl konfor koşullarını sağlamak amacıyla ısıtma ve soğutma sistemleri tarafından gerçekleştirilmektedir. Dünyada, çeşitli yönetmelik ve standartlarla, binalarda tüketilen enerjiyi azaltma çalışmaları hızla artmaktadır. Bu doğrultuda Türkiye’de 2009 yılında yürürlüğe girmiş “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği”, tasarım aşamasında bina kabuğunun ısıl performansıyla ilgili kriterler için TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları’nı referans göstermektedir. Ancak TS 825’e uygun bir binanın, kış şartları için yeterli olmasına rağmen yaz şartlarında aşırı ısınması ve ısıl konfor şartlarının sağlanamadığı için mekanik soğutmaya ihtiyaç duyabilmesi söz konusudur. Son yıllarda, tüm dünya ülkelerinde etkisi hissedilmeye başlanan iklim değişikliğinin yanı sıra, aşırı yapılaşma ve yanlış kentleşme sonucu şehirlerin birer ısı adasına dönüşmesi, soğutma enerjisi harcamalarının sadece sıcak iklimlerde değil, ılımlı iklimlerde de artmasına neden olmuştur. Dünyada yapılan çalışmalarda, ısıtmanın istenmediği dönemin uzun ve gece gündüz sıcaklık farklarının yüksek olduğu sıcak iklim bölgelerinde; özellikle bina kabuğuna ilişkin alınabilecek önlemlere önem verildiği görülmektedir. Enerji etkin tasarımda bina içi ve bina dışı çevreyi ayıran, bina cephesinde gerçekleşen ısı geçişini kontrol ederek enerji harcamalarını da belirleyen bina kabuğunun, kontrol edilmesi esastır. Soğutma enerjisi harcamalarını azaltmak için bina cephesinde güneş kontrol elemanı kullanarak ısıtmanın istenmediği dönemde güneş ışınımından korunmak, bina kabuğunda en çok uygulanan yöntemlerden biridir. Bir diğer yöntem ise; dinamik ısıl özelliklerinin kontrol edilmesi ile, bina kabuğunun yaz konfor koşulları için performansının arttırılması ve minimum soğutma enerjisi harcamasını gerçekleştiren bina kabuğunun tasarlanmasıdır. Bu çalışma kapsamında, Türkiye’nin sıcak kuru iklim bölgesini temsil eden Diyarbakır şehrinde yer alan bir binada soğutma enerjisi harcamalarını azaltmak amacıyla yaz konfor koşullarının değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Bu hedefe yönelik olarak bina kabuğunun dinamik ısıl özelliklerinin hesaplanmasında, EN ISO 13786 ve EN ISO 13790 standartlarında belirtilen hesap yöntemlerine göre yazılmış “Dynamic Thermal Properties Calculator” programı kullanılmıştır. Yaz dönemi soğutma enerjisi harcamaları ve iç hava ve iç yüzey sıcaklıkları değerlerinin hesaplamalarında ise tam dinamik ısıl denge hesap yöntemini kullanan EnergyPlus yazılımına ait bir arayüz olan DesignBuilder programı kullanılmıştır. Hesaplamalar sonucunda, geliştirilen bina kabukları için gerçekleşen yıllık soğutma enerjisi harcamaları ile günlük ve haftalık iç hava - iç yüzey sıcaklığı değişim değerleri; bina kabuklarının dinamik ısıl özellikleri açısından karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Çalışma 5 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, öncelikle dünyadaki yüksek enerji harcamalarına, bu harcamaların nedenleri ve sonuçlarına, binaların enerji harcamaları üzerindeki rolüne ve binalarda enerji verimliliğinin sağlanması için dünya genelinde yapılan uygulamalara değinilmiş, daha sonra çalışmanın amacı, literatür araştırması ve hipotez anlatılmıştır. İkinci bölümde, binalardaki enerji harcamalarının, kullanıcının fiziksel ve zihinsel performansının istenen düzeyde olması için uygun konfor koşullarını oluşturma gereksiniminden kaynaklandığına değinilmiştir. Sıcak kuru iklim bölgelerinde bina kabuğunun ısıl performansını etkileyen; kullanıcıya, iklime ve binaya ilişkin değişkenler anlatılmış, bina kabuğunun dinamik ısıl özelliklerine ilişkin bilgiler verilmiştir. Üçüncü bölümde, özellikle soğutma enerjisi harcamalarının çok daha fazla olduğu sıcak kuru iklim bölgelerinde bina kabuğunun ısıl performansını belirlemek için kullanılan statik, yarı-dinamik ve tam dinamik hesap yöntemleri ve bu yöntemler kullanılarak geliştirilmiş yazılımlar hakkında bilgi verilmiştir. Soğutma enerjisi harcamalarını hesaplamaktaki karmaşık yapıyı çözebilmek için ortamda gerçekleşen ısı transfer sürecini doğru analiz etmek gerekir. Bu süreçte önemli rol oynayan ısıl kütle etkisinin miktarı ve çalışma prensibi, farklı hesap yöntemleri tarafından ele alınışı kapsamında incelenmiştir. Dördüncü bölümde, Türkiye’nin sıcak kuru iklim bölgesini temsil eden Diyarbakır şehrinde yer alan bir binada soğutma enerjisi harcamalarını azaltmak amacıyla yaz konfor koşullarının değerlendirilmesine yönelik bir uygulama çalışması yapılmıştır. Çalışma kapsamında çağdaş ve geleneksel malzemeler kullanılarak aynı U değerine sahip farklı bina kabuğu alternatifleri oluşturulmuş ve tüm kabuk alternatifleri için dinamik ısıl özellikler hesaplanmıştır. Daha sonra bu kabuk alternatifleriyle oluşturulmuş örnek bir bina için yıllık soğutma enerjisi harcamaları hesaplanmış, aynı toplam ısı geçirme katsayısına sahip bina kabuğu alternatifleri için, farklı ana duvar malzemeleri ve iç yüzey malzemeleri kullanımının, soğutma enerjisi harcamaları üzerindeki etkileri; kabuk alternatiflerinin özellikle iç yüzey malzemelerinin etkisinin gözlemlendiği dinamik ısıl özellikleri ile birlikte ele alınarak analiz edilmiştir. Çalışmanın son adımında; her ana duvar malzemesi grubundan hesaplamalar sonucunda en düşük soğutma enerjisi harcamalarını gerçekleştiren kabuk alternatifleri için iç hava sıcaklığı ve iç yüzey sıcaklığı değişim eğrileri oluşturularak, binada oluşan iç konfor koşulları değerlendirilmiştir. Beşinci bölümde, yapılan çalışmanın sonuçları anlatılmış ve sıcak kuru iklimdeki binalarda soğutma enerjisi harcamalarının düşürülmesine yönelik öneriler ortaya koyulmuştur. Gelecekte yapılacak çalışmalar için referans oluşturabilecek konulara değinilmiştir. Ekler bölümünde, çalışma kapsamında oluşturulan bina kabuğu alternatifleri için, hesaplanan tüm dinamik ısıl özellikler ve yaz dönemi soğutma enerjisi harcamaları, çizelgeler halinde verilmiştir. Bu çalışmanın; iklim değişikliği ve yol açtığı olumsuz sonuçlara karşı mimar ve mühendislerin enerji etkin tasarım yaklaşımını, meslek anlayışlarının merkezine koymalarına önayak olması amaçlanmıştır.

Increased energy consumption has led to reduction of natural resources; therefore, cost of energy has increased. Greenhouse gases, as a result of excessive consumption based on fossil energy resources, causes air pollution and absorbs sun light in the atmosphere after the reflection on earth and this is one of the main reasons of climate change. Major part of energy consumption arises from the heating and cooling systems of buildings to provide thermal comfort conditions. There have been many global studies to reduce energy consumption in buildings via various regulations and standardizations. “Regulation of Energy Performance in Buildings”, started in Turkey in 2009, references TS 825 Thermal Insulation Requirements for Buildings. However, a building that is suitable for TS 825 criteria, may still need a mechanical cooling system as it might face with overheating problems in summer and therefore violate thermal comfort conditions. Impact of climate change has been observed all around the world recently. Besides, cities transformed into heat islands as a result of excessive construction and unplanned urbanization. Therefore, cooling energy consumption has increased not only in hot climates, but also in mild climates. Many global researches show that it is important to focus precautions related to building envelope, during the undesired heating period, when day & night temperature difference is high. In an energy efficient design, it is important to control building envelope that separates indoor and outdoor environment and determines energy expenditures by controlling heat transmission. Using sun light control mechanism in facade prevents sun light when heating is not desired and this is one of the mostly used methods in building envelope to reduce cooling energy consumption. Another precaution is increasing the performance of building envelope for summer comfort conditions and designing the building envelope for minimum cooling energy consumption by controlling its dynamic thermal conditions. In this study, it is aimed to evaluate summer comfort conditions to reduce cooling energy consumption in a building in Diyarbakır, the representative city of hot-dry climatic zone in Turkey. “Dynamic Thermal Properties Calculator” software, which is suitable for calculation methodologies in “EN ISO 13786” and “EN ISO 13790” standards, is used to calculate dynamic thermal properties of building envelope. In order to calculate summertime cooling load, air temperature and inside surface temperature values, Design Builder software is used. This software is an interface of EnergyPlus, which utilizes heat balance method algorithms. Based on calculations, annual cooling loads, and daily/weekly inside air – inside surface temperature changes are compared for different building envelopes in terms of dynamic thermal properties of building envelopes. This study consists of five sections: In the first section, reasons and consequences of high-energy consumption, its effects on energy consumptions in buildings, and worldwide energy efficiency strategies are examined. In addition, objectives of this study, literature review, and initial hypothesis are presented. In the second section, energy consumption in buildings depends on the desire of the users for suitable comfort conditions to maintain their physical and mental performance is discussed. Energy efficient design parameters, which affected thermal performance of the building envelope in hot–dry climates, are defined in terms of user, climate and the building, and dynamic thermal properties of building envelope are explained. In the third section, steady state, semi-dynamic and full dynamic cooling load calculation methods in hot–dry climates, where cooling energy consumption is much higher, are explained in order to define thermal performance of building envelope. Softwares developed by using these methods are introduced. As it is so important to analyze heat transfer process in order to understand complex structure in cooling energy consumption calculations, amount of thermal mass effect and its working principle within the scope of different calculation methods are examined. Fourth section contains a case study to evaluate the summer comfort conditions for reducing cooling load in a building in Diyarbakır, the representative city of hot-dry climatic zone in Turkey. In this case study, different modern and traditional building envelope alternatives with the same U value are developed and dynamic thermal properties are calculated for all envelope alternatives. Then, annual cooling energy consumptions are calculated for the model building. Utilization of different main materials and internal covering materials for walls, which designed by the same heat transmission coefficient, has an effect on annual cooling energy consumptions. This effect is contextualized with dynamic thermal properties of the building envelope. At the final phase of the case study, building envelope alternatives which have the lowest cooling energy consumption results, are chosen from each material group and thermal comfort conditions are evaluated with internal air temperature and inside surface temperature graphics. In the fifth section, overall results of this study and the recommendations to reduce cooling energy consumption for buildings in hot-dry climate are presented. Subjects and proposals are refered for the future studies. All backup calculations and results for summertime cooling loads and dynamic thermal properties of building envelope combinations developed in this study are given in tables in the appendix section. As a result of this study, it is aimed to take architects and engineers’ attention on energy efficient design approaches, against the climate change and its negative consequences.