Sıcak nemli iklim bölgelerinde hacim ölçeğinde doğal havalandırma etkinliğinin değerlendirilmesi

Abstract

İklim değişikliği ve küresel ısınmanın bir sonucu olarak sıcak iklim bölgelerinde hacim içi iklimsel konfor koşullarının sağlanabilmesi mekanik soğutma ve havalandırma sistemlerine daha fazla gereksinim duyulmasına yol açmaktadır. Ancak bu sistemlerin çalışabilmesi için fosil yakıt kullanılması, fosil yakıt kullanımının daha fazla CO2 salımına ve çevresel problemlere yol açması ve tüm bu sürecin iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya katkı sağlaması artık söz konusu mekanik sistemlerin yerine sürdürülebilir alternatiflerin üretilmesini gerekli kılmaktadır. Mimarlık alanında sürdürülebilir çözümler üretebilmek, mimari planlamaya entegre edilen pasif tasarım stratejileriyle olanaklıdır. Sıcak iklim bölgelerinde; yerleşmede gölgeli alanlar üretecek şekilde binaları konumlandırmak, bina ölçeğinde bina formu ile kendine gölge atan binalar tasarlamak, hacim ölçeğinde de güneş ışınımının ısıtıcı etkisini yönlendirme ve güneş kontrol elemanları ile azaltmak en yaygın pasif tasarım stratejilerindendir. Ancak sıcak nemli iklim bölgelerinde bu stratejilere ek olarak, hava akımını artırmak konfor koşullarının sağlanmasında çok önemli bir rol oynadığından planlamada hava akımına olanak verecek stratejiler uygulamak ve böylece pasif soğutma ile yüksek sıcaklık ve nemin bileşik etkisini azaltmak en önemli tasarım kararlarından biridir. Binalarda havalandırma ve soğutmayı pasif şekilde sağlamanın en etkili yollarından biri olan doğal havalandırma, özellikle sıcak nemli iklim bölgelerinde konforsuzluk yaratan yüksek nemliliği önlemek açısından çok önemlidir. Mekanik sistemler kullanılmadan havalandırılan binalar kullanıcı açısından daha konforlu ve sağlıklı olmakta, ayrıca binaların enerji tüketimi önemli ölçüde azaltılmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada, Türkiye'nin sıcak-nemli iklim bölgesinde bulunan Antalya ilinde ele alınan bir hacimde, cepheye dik gelen rüzgar etkisi altında, açıklık boyutu ve konumu değişkenlerine bağlı olarak üretilen 15 farklı model alternatifi için gerçekleşen havalandırma koşulları değerlendirilmiştir. Doğal havalandırma yapılan bir hacimde oluşan hava akımı hızları, hız dağılımının kontur ve vektörel olarak ifade edilmesi, sıcaklık değerleri, basınç alanları ve açıklıkların akış karakteristikleri gibi hacimde oluşan hava hareketinin sayısal çözümleri için gerekli olan hesaplamalar sadece "Computational Fluid Dynamics (CFD) - Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)" yazılımları ile yapılabildiğinden, çalışmada, CFD modelleme işlemleri Design Builder v6.1.0.6 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Design Builder, simülasyon motoru olarak bütünleşik bir simülasyon programı olan Energy Plus programını kullanan, kullanıcı kolaylığı için geliştirilmiş görsel bir ara yüz programıdır. Dinamik termal bir program olan Design builder enerji hesaplamalarında "sonlu farklar hesaplama yöntemi (finite difference)" kullanılmaktadır. Design Builder programı kullanılarak, ısıl performans hesaplamaları için üretilen geometrik model ve iç ısı kaynakları ve HVAC sistemleri göz önünde bulundurularak Energy Plus simülasyonu yardımıyla elde edilen sıcaklıklar, yüzey sıcaklıkları ve hava akış verileri sınır koşulları olarak CFD hesaplamalarına aktarılabilmektedir. Çalışma altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm olan giriş bölümünde; Türkiye'de nüfus artışı ve şehirleşme nedeniyle bina yapımına duyulan talebin arttığı ve bunun enerji ithalatına bağımlılığı yükselttiği özetlenmiştir. Binaların enerji tüketiminin tasarım ve kullanım aşamasında ortaya çıkan ihtiyaçlardan kaynaklandığı vurgulanmış; enerji tasarrufu sağlamak için pasif tasarım yöntemlerinin önemine dikkat çekilmiştir. Küresel ısınma ve iklim değişiklikleriyle birlikte doğal havalandırma gibi pasif soğutma yöntemlerinin etkili çözümlerden biri olduğu ifade edilmiştir. Doğal havalandırmanın, rüzgar ve hava basıncını kullanarak taze hava sağladığı, enerji harcamalarını azalttığı ve sıcaklık ile nemin olumsuz etkilerini en aza indirdiği belirtilmiştir. Birinci bölümde giriş bölümünün devamında tezin amacı, kapsamı, yöntemi, literatür araştırması ve hipotezi hakkında bilgi verilmiştir. Literatür araştırmasında iç hava hareketinin etkinliği kapsamında farklı iklim koşullarında ve yapı türlerinde iç mekan havalandırması, termal performans ve hava akışı gibi parametrelerin değerlendirildiği çalışmalar özetlenmiştir. Doğal havalandırmanın optimizasyonu, enerji verimliliği ve iç mekan konforu üzerinde yapılan simülasyonlar incelenmiş; Design Builder ve CFD yöntemleri kullanılarak rüzgar yönü, açıklık boyutları ve konum gibi faktörlerin etkileri analiz edilmiştir. Bu çalışmalarda genellikle konutlar ve farklı iklim koşullarında yapılan simülasyonlarla iç hava akışının enerji tasarrufu ve konfor üzerindeki rolü araştırılmıştır. Açıklık konumlarının ve boyutlarının tasarım kararlarının, hava hareketi etkinliği üzerinde önemli bir etkisi olduğu vurgulanmış; bu doğrultuda farklı kombinasyonların üretilmesiyle çalışmanın literatüre katkı sağlanması hedeflenmiştir. İkinci bölümde, hacim ölçeğinde doğal havalandırma etkinliğini etkileyen faktörler kullanıcıya ilişkin değişkenler, iklime ilişkin değişkenler ve hacme ilişkin değişkenler olmak üzere üç ana başlık altında incelenmiştir: Kullanıcıya ilişkin değişkenler başlığı altında aktivite düzeyi, giysi türü ve kullanıcının mekandaki konumu ve duruşu tanımlanmıştır. İklime ilişkin değişkenler, dış iklim elemanları (dış hava sıcaklığı, dış hava hareketi, güneş ışınımı, dış hava nemi) ve iç iklim elemanları (iç hava sıcaklığı, iç yüzey sıcaklıkları, iç hava hareketi ve iç hava nemi) olmak üzere iki alt başlıkta ele alınmıştır. Hacme ilişkin değişkenler başlığı altında ise havalandırma etkinliğini etkileyen hacmin yeri ve diğer engellere göre konumu, hacmin formu, hacmin yönlendiriliş durumu ve hacimdeki açıklıkların boyutları ve konumları incelenmiştir. Bu değişkenlerin doğal havalandırma performansı üzerinde önemli etkileri olduğu vurgulanmıştır. Üçüncü bölümde, hacimlerde doğal havalandırma ele alınmış ve bu kapsamda doğal havalandırma mekanizması, doğal havalandırma yöntemleri, havalandırmalı soğutma ve havalandırmanın etkinliğinin değerlendirilmesi başlıkları altında detaylı incelemeler yapılmıştır. Doğal havalandırma mekanizması kısmında hava akımları, çekiş etkisi ve rüzgar gibi faktörlerin havalandırma üzerindeki rolü açıklanmıştır. Hacimlerde doğal havalandırma yöntemleri başlığı altında ise tek yönlü havalandırma, çapraz havalandırma ve baca havalandırması gibi yöntemler açıklanmıştır. Ayrıca, havalandırmalı soğutma yöntemleri gündüz ve gece havalandırması yoluyla soğutma prensipleri üzerinden tartışılmıştır. Son olarak, hacimlerde doğal havalandırmanın etkinliğinin değerlendirilmesi kısmında doğal havalandırmanın ısıl konfor ve hava hareketi hızı açısından analizleri yapılmış, bu değerlendirme ile doğal havalandırmanın iç mekan konforunu sağlama ve iyileştirme açısından önemine dikkat çekilmiştir. Dördüncü bölümde, sıcak-nemli iklim bölgelerinde doğal havalandırma etkinliğinin optimize edilebileceği tasarım parametreleri ve doğal havalandırmanın etkinliği, hacim içi hava hareketi ve açıklıkların etkisinin incelenmesi için koşullar belirlenmiştir. Antalya ili örneği üzerinden yapılan çalışmada, farklı açıklık boyutları ve konumları kullanılarak toplamda 15 model oluşturulmuş ve simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla DesignBuilder simülasyon programı ve CFD analizleri kullanılmıştır. Hacimlerin rüzgar yönü, açıklık boyutları ve açıklık konfigürasyonları arasındaki ilişkilerin değerlendirilmesi için simülasyon koşulları oluşturulmuştur. Simülasyon sonuçlarının değerlendirilmesinde esas alınacak kriterler belirlenmiş ve hacimde gerçekleşen rüzgar hızları değerlendirilmiştir. Beşinci bölümde çalışmadan elde edilen bulgular değerlendirilmiş ve tartışılmıştır. Yapılan çalışmanın sonuçları, modellerin ayrı ayrı değerlendirilmesi ve karşılaştırmalı analizler üzerinden ele alınmıştır. Modellerin her biri, açıklıkların konumu ve boyutlarına bağlı olarak doğal havalandırma etkinliği, hacim içi hava hareketi ve açıklıkların etkisi açısından detaylı bir şekilde incelenmiştir. Altıncı bölümde, yapılan çalışmadan elde edilen sonuçlar verilmiştir.