Redefining building envelope based on different urban texture for the goal of achieving near-zero energy residential building
Yaklaşık sıfır enerjili konut binası hedefi bağlamında yapı kabuğunun kent dokusuna bağlı olarak yeniden tanımlanması
- Tez No: 632901
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Mimarlık, Morfoloji, Energy, Architecture, Morphology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 203
Özet
Günümüzde binalarda çoğunlukla aktif enerji sistemlerinin işletilmesinde fosil yakıtların kullanılması yenilenebilir enerji kaynak kullanımının çok sınırlı olması sonucunda önemli bir problem olarak yer almaktadır. Bu bağlamda toplam enerji tüketiminin yaklaşık üçte birinin binalarda tüketilmesi nedeniyle enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik olarak özellikle bina ölçeğinde birçok araştırma yapılmıştır. Yapılan güncel araştırmalar“Net-sıfır enerjili bina”,“Sıfır enerjili bina”ve“Pozitif enerjili bina”gibi güncel kavramları ortaya çıkarmıştır. Bu kavramlar ile binalara yeni bir kimlik tanımlanmaktadır. Sözü edilen yeni kimlik tanımlaması kapsamında binaların enerji tüketimini azaltan sistemler olmasının yanı sıra enerji üreten sistemler olarak da işlev görmesi beklenmektedir. Bu kapsamda Türkiye'nin gündeminde de enerji talebini en aza indirgemek, yerel enerji üretimini sağlamak ve yeşil bina, pasif enerjili bina ve sıfır enerji konut tasarımı fikirlerinin yaygınlaştırılması gibi çalışmalar önemli adımlar olarak görülmektedir. Günümüzde özellikle sıfır enerjili bina kavramı ön plana çıkmaktadır. Sıfır enerjili bina kavramı, binaların sadece enerji tüketen sistemler yerine enerji üreten sistemler olması ve ihtiyaç duyduğu enerjinin tamamını üretebilmesini öngörmektedir. Güneşlenme potansiyeli yüksek kent dokusu içerisinde binalarda enerji üretimi güneş panelleri ile etkin bir şekilde sağlanabilmektedir. Ülkemizin yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi açısından önemli bir potansiyele sahip olduğu göz önünde bulundurulduğunda binaların ihtiyaç duyduğu enerjinin tamamını güneşten sağlanması olanaklıdır. Bu hedefin gerçekleştirilmesi özellikle az yoğunluklu kırsal alanda ve müstakil konutlarda daha erişilebilir görülmektedir. Ancak, ülkemizde büyük kentlerde, kent dokuları genellikle çok katlı ve yüksek yoğunlukta yapılardan oluşmaktadır. Yaygın olarak konut yerleşmelerinde güneş enerjisi panellerinin çatılara yerleştirildiği düşünülecek olursa, kentsel yoğunluğa bağlı olarak direkt güneş ışınımı alan çatı yüzeyleri azalabilecek ve dolayısıyla çatı için, metrekare başına enerji üretiminde bir düşüş olabilecektir. Bu durum, cephelerin güneş panelleri vasıtasıyla enerji üretimi için önemini artırmaktadır. Bununla birlikte, kentsel yoğunluğun artmasıyla binaların birbirlerini gölgelemeye başlaması kışın güneşten ısı kazancının azalması ve dolayısıyla bina ısıtma enerjisi tüketiminin artmasına yol açabilecek ve bina cephelerinin enerji üretim potansiyeli üzerinde de olumsuz etki yaratacaktır. Kentsel yoğunluğun yanında, bina tipolojisinin de enerji üretim ve tüketim potansiyeli üzerinde etkili olabileceği açıktır. Mevcut çalışmalar çoğunlukla kentsel dokunun vaka analizleriyle bina enerji performansı üzerindeki etkisini incelemektedir. Bununla birlikte, mevcut kentsel dokuların enerji tüketim ve üretim performansının irdelenmesine yönelik çalışmalar enerji ektin ve sürdürülebilir kent planlaması için önemli bir ihtiyaçtır. Türkiye'de ve özellikle İstanbul'da yaşanan büyük kentsel yenilenme sürecinden dolayı hızla değişen bina stoğunun ve kent dokusunun sürdürülebilir bir sisteme dönüştürülebilmesi için bu tür çalışmaların önemi açıktır. Mevcut kentsel dokuların enerji tüketim ve üretim performansına dayanan bir optimizasyonu hedefleyen bu tez çalışması, altı bölümü kapsamaktadır. Birinci bölümde problemin tanımı yapılmış ve problemle ilgili literatür irdelenerek bu çalışmanın önemi vurgulanmıştır. Diğer bir deyişle literatürde konu alanına yönelik boşluklar tartışılmış çalışmanın gerekçesi açıklanmıştır. İkinci bölümde bina ve kent dokusu için mevcut durum analizi yapılmıştır. Bina ölçeğinde mevcut bina stoğu istatistiksel olarak irdelenerek referans bir bina tanımlanmaya çalışılmıştır. Referans binanın tanımlanabilmesi için öncelikle kentsel ölçekte de referans kent dokuları belirlenmiştir. Üçüncü bölüm çalışmanın yöntemini tanımlamaktadır. Çalışmanın yöntemi sayısal tabanlı bir simülasyon çalışmasına dayanmakta olup bu bölümde çalışma ile ilgili kabuller ve çalışmanın adımları detaylı bir şekilde tanımlanmış ve hesaplama adımları açıklanmıştır.Dördüncü bölüm açıklanan yöntemin uygulamasını kapsamaktadır. Beşinci bölümde, EnergyPlus simulayon motoru kullanılarak referans binaların referans kent dokuları içerisinde enerji tüketim performansları hesaplanmış ve sonuçları grafik olarak sunulmuştur. Sonuçlar detaylı analiz edilerek değerlendirilmiştir. Çalışmada simülasyon tabanlı sayısal yöntem aracılığıyla kent dokusu, konut bina tipolojisi ve yapı kabuğu değişkenlerine bağlı olarak bina enerji tüketim ve üretim performansları irdelenmiştir. Bu bağlamda birinci adımda, planlı kent dokusu kapsamında İstanbul Kadıköy ilçesindeki sokak örnekleri incelenerek kent dokusu tanımlanmış ve analiz edilmiştir. İkinci değişken olarak konut bina tipleri belirlenmiştir. Toplamda 6 faklı konut bina tipi belirlenmiştir: katta tek daire, katta çift daire-1, katta çift daire-2, katta çift daire-3, katta dört daire, ve bitişik nizamlı apartman tipleri. Diğer bir değişken olarak yapı kabuğu alternatifleri tanımlanmıştır. Yalıtım katmanı olmayan mevcut kabuk, TS-825 standardına uygun kabuk ve maliyet optimizasyonu yapılarak geliştirilen yaklaşık sıfır enerji yapı kabuğu alternatiflerinin bina enerji üretim ve tüketim performanslarına olan etkileri irdelenmiştir. Sonuç bölümde ise çalışmanın sonuçları, çalışmanın kısıtlamaları, ve geleceğe yönelik öneriler yer almaktadır. Seçilen kent dokusu için yapılan çalışmanın sonucunda çatı ve cephede uygulanan güneş panellerinden üretilen enerji ile kent dokusu ve bina tiplerine bağlı olarak binaların enerji tüketimlerinin 20,1% - 69% oranında karşılanabileceği görülmüştür. Bu durum kent dokusunun bina enerji tüketim performansı üzerinde olduğu kadar enerji üretim performansı üzerinde de önemli oranda etkisi olduğunu göstermektedir. TS-825 standardına uygun modellenen katta tek dairesi bulunan müstakil konut binası için yıllık toplam enerji tüketiminin %69'u çatı ve cephede enerji üretilerek karşılanabilmektedir. Çalışmada katta dört daire bulunan konut binası tipi enerji üretimi açısından en olumsuz performans gösteren bina tipidir. Bunun nedeni cepheleri kuzeye ve doğuya bakan birimler ile kuzeye ve batıya bakan birimlerin cepheleri enerji üretimi için uygun olmamasıdır. Artan kentsel yoğunluktan dolayı cephelere ulaşan direkt güneş ışınımı miktarının azalması enerji üretimini azaltmakta ve enerji tüketimini de arttırmaktadır. Diğer taraftan cephelerde pencerelerin konumlandırılması cephelerinden enerji üretilen binalarda daha fazla önem kazanmaktadır. Sonuç olarak çalışmada planlı kentsel doku için çeşitli bina alternatifleri analiz edilmiş olup, farklı kentsel dokulara bağlı olarak binanın enerji üretim performansının daha fazla artırılmasının mümkün olabileceği ortaya konulmuştur. Genelleştirilebilir sonuçlara ulaşabilmek ve en yüksek enerji üretimini sağlamak, enerji tüketimini de minimum seviyeye indirebilmek amacıyla daha farklı alternatiflerin geliştirilmesi ve analiz edilmesi gerekmektedir. Çalışmada ele alınan yöntem farklı ikim bölgeleri ve farklı kentsel dokulara uygulanabilecek niteliktedir. Bu yöntemin uygulanmasıyla farklı kent dokularının binaların enerji tüketim ve üretim performanslarına etkileri analiz edilebilir. Kentsel ölçekte alınabilecek temel kararlardaki herhangi bir hatanın binalarda yüksek enerji tüketimlerine yol açacağı düşünülecek olursa, sözü edilen analizler aracılığı ile özellikle ülkemizde büyük kentlerde devam eden kentsel yenileme çalışmaları için karar alıcılar ve tasarımcılara çok önemli girdi verileri sunabileceği açıktır.
Özet (Çeviri)
Fossil fuels and other non-renewable resources are mostly used as the main energy source in the operation of active systems today. These types of resources cause global warming. According to calculations, these resources are facing a risk of extinction in the future. This is an important problem in countries' agenda. This increases importance of energy saving. About one third of total energy consumption happens in buildings; therefore, a number of studies focusing on reduction of energy consumption in buildings.“Near-zero energy buildings”,“Zero-energy buildings”, and“Positive-energy building”concepts are emerged as a result of these studies. In other words, a new identity it is defined to buildings. It is no longer expected buildings to only reduce energy consumption, buildings are also expected to generate energy and become self-sufficient. Each country has its own roadmap for the implementation of its decisions to achieve 2015 Paris Climate Change Conference outcomes. In the road map Turkey, a number of items stated to minimize the energy demand of buildings, such as disseminating the ideas of providing local and on-site energy generation, green building, passive energy building, and near zero-energy housing design. Developments and improvements in solar technology is initiated the change of identity from energy consuming buildings to energy producing ones. Buildings started to produce energy for last decades. Near-zero energy building concept aims to produce energy as much as the building's energy consumption. Considering important solar potential of Turkey, it is possible to obtain required amount of energy from the sun in this country. The realization of this objective is particularly more achievable in low dense urban areas or rural areas. Besides, detached single family suburban housing type may provide advantage for near-zero energy building target. High dense urban texture forms big cities of Turkey. The urban textures are usually made of multi-storey buildings. These influences building energy behavior of Turkish building stock. Solar energy panels are widely used in the roofs in residential settlements. Roof area per apartment unit in multi-family apartment buildings is significantly low comparing to single family residential units. This reduces energy production potential of each apartment unit. For this reason, the importance of facades, as the energy production components through solar panels for multi-family apartment buildings, is increasing. Besides, the buildings shade each other with the increase of urban density and this will affect the energy consumption behavior of buildings. Shaded facade due to urban density results a negative impact on energy production potential of building facades. In addition to urban density, the building typology would have influence on building energy production and consumption potential. Existing studies are mostly case studies and focuses on the relationship between urban texture and building energy performance. However, an optimization study based on energy consumption and production performance is an important need for sustainable city planning. Building stock and the cities of Turkey, particularly in Istanbul, are rapidly changing with urban renewal process. This study aims to provide proper data and information to decision maker to help for improving the exiting textures and cities as a sustainable system. A simulation based quantitative approach is used in this study. With the help of computer simulation program, the influence of independent variables on building energy performance is investigated. Defined three independent variables are urban texture, residential building typology, and building envelope. Urban texture independent variable is defined by examining street samples of Kadıköy Municipality. Six different independent residential building types are defined which are Single standing apartment, Twin apartment-1, Twin apartment-2, Twin apartment-3, Quadruple apartment, and Row apartment types. The last independent variable is building envelope. Three different envelope alternatives are defined. The first one is commonplace existing envelope which has no insulation layer at all. The second one is improved envelope according to TS-825. The last one is near-zero proposed cost optimized envelope. It is found that multifamily residential buildings can produce a very significant percent of their energy consumption from roof and facade solar panels. The results show that urban texture and building typology have significant influence on solar energy production capacity of buildings. The study illustrates that a six-story Single Standing apartment building can generate around 70% percent of its annual energy consumption. In this respect, Single Standing apartment is the most energy efficient residential building type among alternatives. Comparing to Single Standing building type, Quadruple apartment building type is least energy efficient type because solar exposure area per unit is minimum in this type. Increased urban density reduces total direct solar radiation time which leads to an increase in energy consumption and it reduces the energy production potential of facade. The results revealed that window positioning decision becomes more important when energy is generated from the façade. As a result, it is found that the urban texture has a significant impact both on building energy consumption and production performance. Various facade alternatives and several urban texture were analyzed in the study. However, it could be possible to increase the energy production performance of the façade further via testing different urban textures. In order to have generalizable results, different textures alternatives could be developed and analyzed. In short, this analysis provides key input data for decision makers and designers for ongoing urban renewal process of Istanbul. It should be noted that basic decision-making mistakes could cause high energy consumption of urban textures and cities.
Benzer Tezler
- A biomimetic perspective on (retro) fitting of building envelopes
Yapı kabuklarının (retro) fiti üzerine biyomimetik bir bakış açısı
ZELAL ÖZTOPRAK
Doktora
İngilizce
2018
MimarlıkOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARZU SORGUÇ
DOÇ. DR. SEMRA ARSLAN SELÇUK
- Güncel mimarlık ortamında kabuk-bağlam ilişkisinin sorgulanması
Questioning architectural envelope-context relationship in contemporary architecture
HANDE DÜZGÜN BEKDAŞ
Doktora
Türkçe
2016
MimarlıkYıldız Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇİĞDEM POLATOĞLU
- 'Neredeyse sıfır enerji' ofis yapılarında yapı elemanlarının ortam konforuna etkisinin yapı enerji simülasyonu yardımıyla araştırılması
Investigation of the effect of building elements on environmental comfort in 'nearly zero energy' office buildings via building energy simulation
AYŞE SENA ÇILDIR
- Property problems in post-earthquake urban redevelopment process: A case study in city of Adapazarı
Deprem sonrası kentsel yeniden yapılanma sürecinde mülkiyet problemleri: Adapazarı şehri alan çalışması
MUSTAFA GÜVEN ERTEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Şehircilik ve Bölge PlanlamaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİH ERSOY
- Building logistical space for the anthropocene: A study on logistics and green logistics
Antroposen için lojistik alan üretmek: Lojistik ve yeşil lojistik üzerine bir araştırma
BUĞRA HAN ÇETİNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilim, Teknoloji ve Toplum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİNE ASLI ÇALKIVİK