Urban heat island effect on building energy consumption: A case study using thermal load calculation tool
Şehir ısı adası etkisinin binalarda enerji tüketimine etkisi: Isıl yük hesaplama programı kullanılarak yapılan örnek bir çalışma
- Tez No: 639421
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Şehirleşme, insan kaynaklı yapılaşma ile insan yaşamını ve konforunu arttıran bir olgudur. Bina yüzeyleri, yol, kaldırım, çatı vb. şehirleşmeyi oluşturan temel bileşenlerdir. 21. yüzyıl şehirleşme açısından ciddi bir gelişmeye sahne olmuştur. Kırsal kesimlerdeki sorunlar, altyapı eksiklikleri, şehirlerde sunulan hizmetler ve daha iyi yaşam beklentisi, kırsal kesimlerden şehirlere yoğun bir göçe neden olmuştur. Bu yoğun göç, hızla artan plansız bir yapılaşmaya neden olmuştur. Şehirler temel olarak, çevrelendikleri kırsal kesimlerden, farklı malzemeye sahip olmaları, geometri ve şekillerinin farklı olması dolayısı ile ayrılırlar. Şehirleşme nedeni ile, karakteristiği değişen rüzgâr/hava akımları, gökyüzü görüş oranının azalması, kullanılan malzemelerin özelliği nedeni ile güneş ışınlarının daha fazla soğurulması, şehirlerdeki yeşil alanların az olması ile birleşince, şehirlerin, kırsal alanlara göre daha sıcak olmasına neden olmaktadır. Bu ısı fazlalığı, Şehir Isı Adası olarak isimlendirilmektedir. Bu etki, şehirlerin ısıl dengesini bozmaktadır. Şehir ısı adası etkisi uzun zamandır bilinen ve araştırılan bir mikro-iklim oluşumudur. Özellikle büyük şehirlerde insanların sağlığını tehdit eder hale gelmiştir. Küresel iklim değişikliği ile birleşince, şehir ısı adası etkisi birçok farklı soruna neden olmaktadır. Şehirlerdeki yapılaşmadan kaynaklı sıcaklık artışı, insan kaynaklı atık ısı, güneş ışınları ve soğurulan ışınların ışıma ile yayılması kaynaklı ısınma ile birleşince, şehirlerin soğutma ihtiyacını artırmaktadır. Ancak, soğutma ile de çevreye atık ısı verildiği için, şehirlerin sıcaklığı daha da artar. Probleme çözüm olarak sunulan daha fazla soğutma yapmak, aksine durumu daha da olumsuz hale getirerek bir kısır döngü oluşturmaktadır. Şehir ısı adası etkisini oluşturan faktörler, şehir planı ve malzemesi, şehrin havalanması (rüzgâr/hava akımı), şehrin yansıtıcılığı ve şehrin gökyüzünü görme oranı şeklinde sıralanabilir. Şehir ısı adası etkisini azaltmak için, soğuk/açık renkli malzemeler, süper soğuk malzemeler, şehirlerin içine rüzgâr nüfuzuyetini artırmak, şehirlerde yeşil alanların artırılması, yansıtma ve geri yansıtma katsayısı yüksek malzemeler kullanılması gibi stratejiler bulunmaktadır. Tezin genel amacı, şehir ısı adası etkisi oluşumunun dinamiklerini ve kırsal kesimler ile olan etkileşimini, faktör ve değişkenler ile göstererek, bu konu ile ilgili yapılacak sonra ki çalışmalara destek olmaktır. Şehir ısı adası etkisi, yapısı gereği birçok farklı daldan araştırmacının beraber çalışmasını gerekli kılan bir konudur. Bu konuyu çalışırken kullanılacak araçlar, nümerik modelleme, saha ölçümleri ve uydu verileri ile analizdir. Sıcak iklimler, soğutma ihtiyacının ısıtma ihtiyacından daha fazla olmasından dolayı, şehir ısı adası etkisinden, daha olumsuz etkilenirler. Şehir ısı adası etkisi, bu iklimlerde, şehirlerin ortalama sıcaklığını, ısıl stres kaynaklı ölüm oranlarını, soğutma yüklerini, pik ve toplam elektrik ihtiyacını, şehirlerdeki hava kirliliğini artırarak, şehirlerin konforuna ve halk sağlığına olumsuz etki yapmaktadır. Şehirler ve çevrelerinde bulunan kırsal kesimler güneşten eşit miktarda ışınım almaktadır. Şehirlerin rengi/yansıtıcılığı, (Beyazlık/Albedo) güneşten gelen kısa-dalga boyundaki ışınların ne kadarının soğurulacağını belirler. Genel olarak şehirlerin düşük yansıtıcılık kabiliyetine sahip olmalarından dolayı, güneşten gelen kısa-dalga boyundaki ışınlar, şehirde bulunan malzemeler tarafından soğurulmaktadır. Soğurulan bu ışınlar, belirli bir zaman aralığından sonra, uzun-dalga boyunda kızıl-ötesi ışın olarak yayılmaktadır. Bu da şehirlerde kızıl-ötesi ışıma ile ısınmaya sebep olmaktadır. HVAC ekipmanları, ulaşım araçları, güç çevrim santralleri vb. gibi insan faaliyetleri kaynaklı atık ısılar da şehirlerde ısınmaya sebep olmaktadır. Atık ısı ve nem, şehrin havasına hemen karışmakta ve sıcaklık artışına sebep olmaktadır. Şehirlerde, soğurganlığı (yutma) düşük (yansıtıcılığı yüksek) ve ısıl yayıcılığı yüksek, soğuk/açık renkli malzemelerin tercih edilmesi durumunda, yüzey sıcaklıkları daha düşük olacaktır. Daha düşük yüzey sıcaklıkları sayesinde, binalarda iletimle olan ısı geçişi, taşınımla havaya olan ısı geçişi ve kızıl-ötesi ışınım azaltılabilecektir. (Bundan dolayı insan kaynaklı yapılar kendi mikro-iklimlerini oluştururlar.) Bu da binalarda ısı kazanımını azaltacağı için soğutma yüklerini de düşürecektir. Hava akımlarını kullanarak/faydalanarak da şehir ısı adası etkisini azaltmak mümkündür. Hava akımları, kışın ısıtma ihtiyacını artırır, yazın ise soğutma ihtiyacını düşürür. Şehir/Bölge planlaması yapılırken, hava/rüzgâr akımları hesaba katılarak, şehir/bölge oryantasyonu ve yaz-kış farklı rüzgâr yönlerinin de yardımı ile, şehir ısı adası etkisi azaltılabilir. Tipik bir şehir tasarımında, şehir-kanyon etkisini oluşturan, bir caddenin her iki tarafındaki yüksek katlı yapılar, gelen güneş ışınları için yansıtıcı yüzey işlevini görerek (cam yüzeyler), şehir yüzeylerinde ışınımın hapsolmasına neden olmaktadır. Bu ışınlar ısı'ya dönüşerek, bina yüzeyi ve şehir yüzeyinde sıcaklık artışına neden olmaktadır. Cam yüzeylere çarpan ışınlar, şehir yüzeyine yönlendirilirse, yaya seviyesinde konforsuzluğa ve sıcaklık artışına sebep olur. Yüzeye gelen ışınların geri yansıması ve soğurulan ışınların, malzemeler tarafından kızıl-ötesi olarak yayılması, düşük gökyüzü görüş oranları nedeniyle çok mümkün olmamaktadır. Cam yüzeylerin yansıtıcılığı ayna yansıtmasından, yansıtma yönünün gökyüzüne çevrilerek, geri yansıtma özelliği kazandırılması durumunda, güneşten gelen kısa-dalga boylu ışınlar, şehir yüzeyine yönlendirilmeden gökyüzüne geri yansıtılabilir. Şehirlerde yeşil alanların oluşturulması, şehir ısı adası etkisine yönelik olarak en fazla kullanılan hafifletme stratejilerindendir. Yeşil alanlar, gölge oluşturmalarının yanı sıra, özellikle kuru iklimlerde (nem miktarının az olduğu) suyu tutarak buharlaşma gizli ısısı ile soğutma etkisi oluştururlar. Elektrik enerjisi tüketimini etkileyen parametreler incelendiğinde; nem miktarı, hava sıcaklığı, güneş ışınları, rüzgâr hızı, bulut miktarı ve destekleyici faktör olarak iklimlendirme cihazlarının kullanım oranı görülmektedir. Şehir ısı adası etkisi, soğutma talebini artırıcı etkisinden dolayı pik ve toplam elektrik talebini artırmaktadır. Binalar, HVAC ekipmanları için yazın elektrik enerjisi kullanırlar. Genel olarak, elektrik enerjisi doğal gaz ve kömür ile çalışan güç çevrim santralleri vasıtasıyla arz edilmektedir. Bundan dolayı şehirlerdeki ısı adası etkisi, direk olarak tüketilen elektrik enerjisini artırmakta dolaylı olarak, kullanılan kömür ve doğal gaz miktarını artırmaktadır. Bunun sonucu olarak, atmosfere daha fazla kirletici gazlar ve daha fazla atık ısı salınmaktadır. Bunlar da tekrar şehir ısı adası etkisinin oluşumuna ve etkisinin artmasına neden olurlar. Binalarda ısı kazancı ve soğutma yükü hesabı, tüm ısı geçiş türlerini içeren (iletim, taşınım, ışınım) bir mahiyete sahiptir. Tüm ısı geçişleri birbirleri ile ilişkili ve zamana bağlıdır. Isı kazancı, bina kabuğundan geçen ısı miktarı ile, soğutma yükü ise, odadaki sıcaklık değeri ile ilişkilidir. Soğutma yükü, HVAC ekipmanları vasıtasıyla ısı çekilerek karşılanmalıdır. Genellikle, ısı kazancının, soğutma yüküne dönüşmesi arasında bir zaman aralığı vardır. Isıl kapasitesi yüksek bina kabukları daha fazla bir zaman aralığına sebep olurlar. Şehir ısı etkisini incelemek için, tez kapsamında bir bina üzerinde örnek bir çalışma yapılmıştır. Örnek çalışma, İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa kampüsünde, 25m x 25 m boyutlarında, 3 metre yüksekliğinde, toprak zemin üzerinde hayali bir araştırma enstitüsü binasıdır. Örnek binada, hava kaynaklı ısı pompası dış ünitesi ile, fan-coil iç üniteleri ve taze hava üfleme kanalına bağlı bulunan kanal tipi sulu batarya sistemi bulunmaktadır. Tezin temel amacı, bina kabuğunun ısıyı soğurma (yutma) seviyesinin, (yansıtıcılık/albedo) binanın ısı kazancı ve soğutma yüküne etkisini incelemektir. Binanın soğutma yükü, farklı şehir ısı etkisi koşullarında (+1°C, +2°C, +3°C, +5°C) ve bina kabuğunun soğurma katsayısı (0.3, 0.6, 0.9) değiştirilerek incelenmiştir. İkincil değişkenler içinde, yazın oda termostat derecesinin artırılması gibi bir mevzuatın yürürlüğe konulması durumundaki etkisi incelenmiştir. Bununla birlikte, bina çevresinin yansıtıcılığının, bina soğutma yüküne etkisi de incelenmiştir. Örnek çalışma sonuçlarına göre, her bir derece dış ortam hava sıcaklığının artması, pik ve toplam elektrik talebini artırmaktadır. Bina kabuğunun, ısıyı soğurma katsayısının düşürülmesi (yansıtıcılığın artırılması) şehir ısı adası etkisinin azaltılması için uygun bir strateji olduğu görülmüş, soğurma katsayısının düşürülmesi, soğutma yükünü azaltmıştır. Bina kabuğunun yansıtıcılığının artırılması, soğutma yükleri açısından avantaj sağlarken, bina kabuğu tarafından soğurulmayıp, şehir yüzeyine yansıtılan ışınlar, yaya seviyesindeki ısıl konforu düşürmektedir. Bununla birlikte, bina çevresinin de yansıtıcı olması, bina çevresinden binaya doğru olan yansımayı artırarak soğutma yüklerinin artmasına sebep olabilmektedir. Binalarda enerji tüketimi ve şehirlerdeki çevresel konfor aynı derecede önemli olarak görüldüğü taktirde, binaların yansıtıcı yüzeylerinin, soğutma yüklerini azaltmasının yanı sıra, şehir yüzeylerine yansıttıkları ışınımdan kaynaklı ısıl konforun düşmesine neden olabileceği için, iki durumun dengelenmesi ile ilgi mevzuat ve standartların oluşturulması gerektiği görülmektedir. Yüksek yansıtma katsayısına sahip bina yüzeylerinden yansıtılan ışınların, şehir yüzeylerinde çevresel ve ısıl konforu düşürmemesi için, bu ışınların şehir yüzeyine yansıtılmadan, gökyüzüne doğru geri yansıtılması gerekliliği ortaya çıkabilir. Bundan dolayı geri-yansıtma özelliğine sahip malzemelerin kullanılması tercih edilebilir. Şehir ısı adası etkisinin giderilmesi için, soğutmanın bir çözüm olarak değil, aynı zamanda bir atık ısı kaynağı olduğu için, problemi artıran bir olgu olarak görülmesi gerekmektedir. Gelecekteki şehir ısı adası çalışmaları 3 aşama halinde yapılabilir. İlk aşamada, örnek bir bina için, CFD analizi ve ısıl yük hesaplama programı ile hesaplamalar yapılabilir. 2. Aşamada, küçük ölçekli saha ölçümleri ile bu veriler doğrultusunda simülasyonların kalibrasyonları yapılmalıdır. Daha sonra daha büyük ölçekli saha ölçümleri yapılabilir. 3. Aşamada ise, şehir ısı adası etkisinin azaltılması ile ilgili kriter ve standartlar ortaya konulabilir.
Özet (Çeviri)
Urbanization increases human comfort and quality of living by altering ground canopy layer. Building façades, roads, pavements, roofs and other urban materials are parts of urban formation. 21st century has seen a rapid urbanization. Conflicts, better life expectancy and lack of resources in rural areas have drawn people into the large cities. Rapidly increasing population in the cities paved the way to the increased anthropogenic formation on the ground canopy layer and the release of the anthropogenic heat. Urban formation differs from its surrounding rural areas by having different material, shape and geometry. Altered air flow throughout the city and reduced sky-view factor because of the urban design, increased solar absorption because of the urban material combined with the lack of green areas led to the increased ambient temperatures in the urban areas. This heat content is called as Urban Heat Island which damages thermal balance of cities. Coupled with Climate Change, UHI Effect induces lots of problems. Tackling the temperature increase caused by anthropogenic formation, solar and infrared heating requires additional cooling which causes additional anthropogenic heat release. In return, it also causes temperature increase as in vicious circle; solution to the problem increases severity of the problem. Factors that form UHI could be listed as sky view factor, urban design and material, urban ventilation (air flow) and urban albedo. Mitigation strategies of UHI could be listed as, cool urban materials, super-cool materials, urban ventilation, urban greening and reflective/retro-reflective materials. Aim of the thesis is to show dynamics of urban formation and its relation with the surrounding rural areas by explaining factors, variables that form UHI and related mitigation strategies in order to build a ground and related common language for those who wants to study and research UHI which requires extensive multi-disciplinary contribution. Tools used while studying UHI could be listed as; numerical modelling, field measurements and satellite sensors. Hot Climates that require cooling more than heating are especially vulnerable to UHI effect which increases urban temperature, mortality rates, cooling loads, peak and total electricity demand, causing air pollution and decreasing environmental comfort and public health Both urban and rural areas receive the same solar radiation from the sun. Albedo meaning fraction of incident radiation reflected by a body or surface determines the amount of short-wave solar radiation absorbed. Due to the low albedo values, short-wave solar radiation is absorbed by the urban materials. Absorbed solar radiation is then re-radiated to the urban area with a longer wave-length thus causing infrared heating. Anthropogenic heat is the heat content that is released as waste heat from buildings (HVAC Equipment), transportation systems(vehicles) and power plants. Anthropogenic Heat (AH) and moisture enter urban area simultaneously as it is generated and causes temperature increase. Using cool materials for urban formation that absorb less (high reflectance) and emit more (high thermal emittance) helps to keep surface temperatures low. Cooler surfaces convect less heat to the air, reducing ambient air temperature, conduct less heat to the buildings, reducing heat gain. Mitigation of UHI effect by air flow is an important countermeasure thus should be taken into account in the design phase of an urban area. Air flow increases heating load in the winter and reduces cooling load in the summer. By careful selection of the orientation of the urban formation with the help of different prevailing wind directions in the summer and winter which makes air flow an important asset of mitigating UHI. High rise buildings on both sides in a typical urban canyon configuration, creates reflective surfaces for radiation incident upon it thus, entrapping the radiation within built area and converting it to the heat. If reflected radiation by the window (as it is a mirror like reflection) is directed downwards onto the urban area (pavements, sidewalks etc.) causes discomfort and temperature rise on the ground level. From the ground level, infrared radiation goes upwards but due to the reduced sky view factor, it is possible that it is going to return to the ground level. By changing reflection direction of the windows to the sky by having retro-reflection capability means, reflecting the incident radiation towards its incoming direction. By that, it is possible to send NIR radiation back to the sky without directing it to the ground. Urban greening is most widely applied mitigation strategy for UHI Effect. Vegetation provides shade and increases evapotranspiration by retaining water especially in hot and arid climates. UHI effect increases total and peak energy consumption of buildings because of higher cooling demands. Buildings in the summer consume electricity to run HVAC equipments. Generally, electricity is generated by coal and gas fired powerplants. Process of thermal load calculation of buildings consist of all modes of heat transfer as conduction, convection, radiation. All modes play an important role in determining thermal loads. All modes are interrelated, vary with time leading to a transient nature of heat transfer rather than steady-state heat transfer. A case study is implemented in order to investigate some of the factors forming UHI. Case study building is an imaginary research institute building located in Istanbul Technical University's Ayazağa campus in İstanbul, Turkey. The building is 25 m by 25 m square building, one storey high on the ground soil. Main aim of the thesis is to show how absorptivity levels (albedo/reflectivity) of the building envelope affect heat gains and cooling loads. Case study building cooling loads have been analysed in the case of UHI effect (+1°C, +2°C, +3°C, +5°C) also by varying the building envelope absorptivity values. (as 0.3, 0.6, 0.9) For the secondary variable, also government mandated thermostat set temperature increase (in the summer) has been analysed. In order to show how ground reflectance should be carefully evaluated, ground reflectance of the case study building surrounding has been increased and cooling loads have been analysed. It's been concluded that; each degree of ambient air temperature rise caused by the UHI effect increases total and peak cooling loads in the summer. Decreasing absorptivity level of the building envelope (increasing albedo/reflectivity) is an effective counter-measure for UHI effect and could be used to mitigate UHI. Higher absorptivity levels of the building envelope cause higher building surface temperatures which leads to higher convection/radiation of heat to the surroundings of the building thus creating UHI effect hence built environment is called as micro-climatic formation. While increasing reflectivity of the building envelope is an effective measure for reducing cooling loads. Reflected heat/radiation might cause discomfort on the urban ground. Increasing reflectivity of the surrounding of a building might increase building's cooling load by reflecting heat/radiation onto the building envelope. When building energy consumption and urban environmental comfort (pedestrian comfort) are regarded as equally important. There should be criteria/metrics for regulation in order to achieve both as rejecting heat by having reflective building envelope and reflecting this heat/radiation to the urban area might contradict with having urban environmental comfort Rejecting heat by building envelope and not reflecting heat/radiation onto the urban ground might require to reflect heat/radiation to the sky, meaning retro-reflective building envelope and surroundings might be adopted. Also, solution to UHI effect cannot be more cooling, because cooling itself is one of the main sources of anthropogenic heat release in urban areas. Future UHI effect and related mitigation studies could be done in 3 stages. In 1st stage, a case study using thermal load calculation tool and CFD analysis should be done. In 2nd stage, small-scale experimental study similar to first stage case should be studied. In 3rd stage, criteria and metrics for regulation of all the parameters effecting UHI should be proposed.
Benzer Tezler
- Enerji verimliliğinin kent ölçeğinde planlanması ve mekan ile etkileşimi Milas örneği
Planning energy efficiency in urban scale, it's interaction with urban form Milas case
KEREM BEYGO
Doktora
Türkçe
2017
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET ALİ YÜZER
- Kentsel alanlarda oluşan ısı adası etkisinin kentsel tasarım yöntemleri ile azaltılması:aksaray meydanı örneği
Reducing the urban heat island effect by urban design strategies: aksaray square case
BÜŞRA EKİNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiKentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURGAY KEREM KORAMAZ
- Ilımlı-nemli iklim koşullarında keçe esaslı bitkilendirilmiş cephe sistemlerinin ısıl performansının değerlendirilmesi
Evaluation of thermal performance of felt type vegetated facade systems under temperate-humid climate conditions
ELİF ÖZER YÜKSEL
Doktora
Türkçe
2019
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE NİL TÜRKERİ
- Yer yüzey sıcaklığının uzaktan algılama verileri ve mekansal istatistik yöntemleri ile analizi: İstanbul örneği
Analysing the land surface temperature by using remote sensing data and spatial statistics techniques: Istanbul case study
HAZAL CİĞERCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ BEKTAŞ BALÇIK
- Climate sensitive design approach to reduce the urban heat island effect: Case of poligon stream and its surroundings, İzmir
Kentsel ısı adası etkisini azaltmak için iklim duyarlı tasarım yaklaşımı: Poligon deresi ve çevresi, İzmir örneği
LEYLA NUR TUNÇBİLEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Şehircilik ve Bölge Planlamaİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİCEL SAYGIN