Geri Dön

An approach for simulation-based multi-objective optimization of dynamic shading devices

Dinamik gölgeleme elemanlarının simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyonuna yönelik bir yaklaşım

  1. Tez No: 895520
  2. Yazar: AYÇA KIRIMTAT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimarlık Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 189

Özet

Küresel ısınma nedeniyle dünya genelinde ortalama sıcaklıkların artması binalarda da soğutma gereksinimini dolayısıyla soğutma için harcanan enerji miktarını arttırmaktadır. Ofis binaları; yüksek enerji tüketim profilleri, işleve bağlı planlama stratejileri ve çoğunlukla prestij amaçlı yapılan giydirme cam cephe tasarımlarıyla sağlıklı ve enerji etkin olmaktan uzak binalardır. Özellikle sıcak iklim bölgelerinde bulunan ofis binalarında cam cepheler nedeniyle oluşan aşırı ısınma sonucunda ofis mekanlarının konfor koşullarının yeterli düzeyde tutulabilmesi için aktif sistemlerin çalışması gerekmektedir. Bu durum yüksek miktarda soğutma enerjisi harcamasına neden olmaktadır. Aynı şekilde cam cepheler, ofis mekanlarındaki görsel konfor seviyelerini dolayısıyla aydınlatma için harcanan enerji miktarlarını da etkilemektedirler. Ofis binalarında, ısıl ve görsel konforun minimum enerji harcanarak sağlanması, cephe tasarımının bütüncül bir yaklaşımla yeniden ele alınmasını gerektirmektedir. Ofis bina cephelerinde cam cephenin iç mekan konfor koşulları dolayısıyla enerji harcamaları üzerindeki etkisi pasif sistemlerle kontrol edilebildiğinde hem kullanıcının konfor koşullarının sağlanabildiği hem de bina enerji performansının önemli oranda arttırılabildiği görülmektedir. Gölgeleme elemanları, aşırı güneş ışınımı kazancını dolayısıyla aşırı ısınmayı önlemede ve böylece soğutma için harcanan enerji miktarlarının azaltılmasında etkili olan en önemli pasif tasarım stratejileridir. Ayrıca birincil aydınlatma kaynağı olan günışığının gölgeleme elemanları ile kontrolü de görsel konfor koşullarının minimum enerji ile sağlanmasına katkıda bulunmaktadır. Gölgeleme elemanları bina kabuğuna entegre olacak şekilde, iç mekanları doğrudan ve dolaylı güneş ışınımından korumak için tasarlanmış cephe sistemleridir. Gölgeleme elemanları güneş ışınımını bloke ederek soğutma sistemlerinin enerji ve işletme maliyetlerini azaltır; ancak bu, soğutma için gereken enerji ile istenen ısıl konfor düzeyi arasında ters bir ilişki oluşmasına neden olur. İklim değişikliğinin neden olduğu aşırı ısınma ve sıcaklık artışları nedeniyle günümüzde tasarım kararlarında soğutmanın öncelikli hale geldiği bilinmektedir. Bu koşullar altında dinamik ve iklime uyumlu bina kabuğu tasarımı, bina cephelerini sadece bir kabuktan daha fazlası haline getirecek şekilde düşünülmelidir. Özellikle Sıcak iklim bölgelerinde, cam cepheli ofis binalarının cephelerinin, minimum soğutma ve aydınlatma enerjisi tüketerek, ısıl ve görsel konfor koşullarını sağlayacak şekilde tasarlanması öncelikli bir tasarım problemi haline gelmiştir. Tasarım sürecinde farklı amaçları olan çok sayıda hedefe ulaşabilmek çok amaçlı optimizasyon araçlarıyla olanaklı olabilmektedir. Tasarıma ilişkin tüm değişkenlerin optimal değerleri, girdi verilerinin alınması ve buna göre çıktıların güncellenebilmesini sağlayan genetik algoritmalar yardımıyla sağlanabilmektedir Genetik Algoritma, doğada gözlemlenen evrimsel sürece benzer bir şekilde çalışan, arama ve eniyileme yöntemidir. Bu nedenle, bu araştırmada, mimari tasarım sürecinin en başından başlayarak, sıcak ve nemli bir iklimde bulunan bir ofis binası için dinamik gölgeleme araçlarının simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyonuna yönelik yeni bir yaklaşım önerilmektedir. Yaklaşım; Türkiye'nin sıcak ve nemli iklim bölgesinde yer alan bir cam cepheli ofis binasının soğutma ve aydınlatma enerji tüketimini azaltırken iç mekandaki ısıl konforu artırmayı hedeflemektedir. Yaklaşımın uygulanması İzmir Bayraklı bölgesindeki cam cepheli bir ofis binasının farklı yönlendiriliş durumlarına göre, gölgeleme elemanının farklı hücre boyutu, hücre formu ve kanatçık açısı için gerçekleştirilmiştir. Grasshopper algoritmik modelleme ortamını ve Honeybee ve Ladybug eklentilerini kullanarak, parametrik bir model geliştirilmiştir. Ofis binasının güney, doğu ve batı olmak üzere farklı yönlendiriliş durumları için dinamik gölgeleme elemanlarının uygun hücre boyutu ve kanat açılarını bulmak amacıyla simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyon yöntemi tanıtılmış ve Grasshopper programının Octopus optimizasyon eklentisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Önerilen dinamik gölgeleme elemanlarının potansiyeli, İzmir Bayraklı'da 38° 27' 44.00“ Kuzey ve 27° 10' 0.00”Doğu ofis binasında soğutma ve aydınlatma yüklerinin azaltılması ve ısıl konforun artırılması olmak üzere üç temel performans göstergesine dayalı olarak da araştırılmıştır. Çalışma 7 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde; çalışmanın konusu, problemin tanımı, çalışmanın amacı ve kapsamı ile birlikte amaca ulaşmak için izlenen yöntem hakkında bilgi verilen giriş bölümü yer almaktadır. İkinci bölümde; literatür çalışmasında gölgeleme elemanları ve simülasyon modellemesi üzerine yapılan tezler, konferans bildirileri ve makaleler incelenerek çalışmalardaki genel yaklaşımlar açıklanmıştır. Bu makalelerdeki genel yaklaşımlar detaylarıyla birlikte incelenerek bir literatür tablosunda karşılaştırılmıştır. Bu literatür tablosuna göre elde edilen sonuçlarla birlikte bu çalışmanın diğer çalışmalardan farkı açıklanarak çalışmanın özgün yönü belirtilmiştir. Üçüncü bölümde; binalarda soğutma enerji yüklerini ve termal konfor koşullarını etkileyen tasarım değişkenleri, kullanıcıya ilişkin parametreler, çevreye ilişkin parametreler ve binaya ilişkin parametreler olarak üç ana başlıkta incelenmiştir. Binaya ilişkin parametreler başlığı altında binalarda kullanılan gölgeleme elemanları sabit ve hareketli gölgeleme elemanları olarak kategorilendirilmiş ve her bir kategori detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca dinamik gölgeleme elemanlarına ilişkin kontrol sistemleri ile birlikte gölgeleme elemanları ve binalardaki enerji harcamaları ve görsel ve termal konfor ilişkisi de detaylı olarak açıklanmıştır. Dördüncü bölümde; dinamik gölgeme elemanlarının simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyonuna ilişkin yeni bir yaklaşım tanıtılmıştır. Bu yaklaşım kullanıcıya ilişkin değişkenler, iklime ilişkin değişkenler, binaya ilişkin değişkenler, dinamik gölgeleme elemanlarına ilişkin değişkenler ve hesaplamalara ilişkin değişkenler alt başlıkları altında detaylı olarak açıklanmıştır. Beşinci bölümde; dördüncü bölümde tanıtılan yaklaşımın Türkiye'nin sıcak ve nemli iklim bölgesi olarak bilinen İzmir, Bayraklı'da bulunan yüksek katlı ve cam cepheli bir ofis binası için tasarlanan dinamik gölgeleme elemanlarına uygulanması ve farklı dinamik gölgeleme elemanları tasarım alternatiflerinin güney, doğu ve batı yönlendirilişleri için ofis binasının soğutma ve aydınlatma yükleri ile termal konforu üzerindeki etkisi incelenmiştir. Uygulama çalışması aylık ve günlük hesaplamalar olarak iki aşamadan oluşmaktadır. Aylık hesaplamalar, yılın soğutmanın istendiği bölümünün belirlenmesi için aylık hesaplamalar yapılmıştır. Farklı dinamik gölgeleme elemanı tasarım alternatifleri farklı yönlendiriliş durumu ve farklı hücre boyutları ile birlikte ele alınarak toplamda 9 senaryo üretilmiştir. Bu senaryoların her birinde hücrelerin kanatçık açıları 150, 300, 450, 600, 750 ve 900 olacak şekilde uygulanmıştır. Hesaplamaların ikinci aşamasında ise çok amaçlı optimizasyon hesaplamaları 22 Temmuz saat 12:00 için günlük olarak yapılmıştır. Günlük optimizasyon hesaplamalarında; ofis binasının tüm yönlendiriliş durumları, gölgeleme elemanlarının tüm hücre boyutları ve gölgeleme elemanının her bir kanatçığı için olası tüm kanat açıları ele alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Hesaplamalarda önce hücre alanı 10000 cm2 olacak şekilde alınmış ve üç farklı hücre boyutu (50x200 cm, 100x100 cm ve 200x50 cm) için hesaplamalar tamamlanmıştır. Çalışmanın sonraki adımında hesaplamalar; hücre alanı 1600 cm2, 2500 cm2, 3600 cm2, 4900 cm2, 6400 cm2 ve 8100 cm2 olan gölgeleme elemanları için en uygun hücre formu belirlenerek tekrar edilmiştir. Altıncı bölümde; simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyon yöntemiyle elde edilen dinamik gölgeleme elemanları tasarım alternatifleri farklı hücre boyutları, kanatçık açıları ve 3 farklı bina yönlendirilişi ile birlikte değerlendirilip en düşük soğutma yüküne sahip tasarım alternatifi diğer tasarım alternatifleri ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiş ve sonuçlar tartışılmıştır. Farklı hücre alanları için en uygun hücre boyutları ise 40x40 cm, 50x50 cm, 60x60 cm, 70x70 cm, 80x80 cm ve 90x90 cm olarak belirlenmiştir. Çalışmanın son bölümü olan yedinci bölümde; çalışmadan elde edilen sonuçlar açıklanmış ve çalışma kapsamında ele alınan öneriler çalışmanın son bölümünde değerlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

The increase in the average temperatures across the world due to global warming increases the cooling requirement in buildings and therefore the amount of energy spent for the cooling. In the office buildings, which are far from being healthy and energy efficient with their high energy consumption profiles, the function-related planning strategies and the curtain glass facade designs mostly designed for prestige purposes. Particularly in the office buildings located in the hot climatic regions, active systems must work to maintain the comfort conditions of the office spaces at an adequate level as a result of the overheating caused by the glass facades. This situation causes high amounts of cooling energy to be consumed. Similarly, the glass facades affect the visual comfort levels in the office spaces and therefore the amount of energy spent for the lighting. In the office buildings, ensuring thermal and visual comfort with minimum energy consumption requires reconsidering the facade design with a holistic approach. It is seen that when the effect of the glass facades on the office building facades, due to the indoor comfort conditions and therefore on the energy expenditure, can be controlled with passive systems, both the user's comfort conditions can be ensured and the building energy performance can be increased significantly. Shading devices are the most important passive design strategies that are effective in preventing excessive solar radiation gain and thus overheating, thus reducing the amount of energy spent on cooling. In addition, the control of daylight, which is the primary lighting source, with shading devices contributes to providing visual comfort conditions with minimum energy. Shading devices are facade systems designed to protect the interior spaces from excessive direct and indirect solar radiation, and they are integrated into the building envelopes. Shading devices also reduce the energy and operating costs of the cooling systems by blocking the solar radiation; however, this situation creates an inverse relationship between the energy required for the cooling and the desired level of the thermal comfort. It is known that cooling has become a priority in design decisions today due to overheating and temperature increases caused by the climate change. Under these conditions, dynamic and climate-adaptive building envelope design should be considered to make building facades more than just a shell. Especially in hot climate regions, designing the glass-facade office buildings to provide thermal and visual comfort conditions while consuming minimum cooling and lighting energy has become a priority design problem. Achieving several goals with different purposes during the design process is possible with multi-objective optimization tools. Optimal values of all variables related to the design can be provided with the help of genetic algorithms that allow input data to be received and the outputs updated accordingly. Genetic Algorithm is a search and optimization method that works similar to the evolutionary process observed in nature. Therefore, this research proposes a new approach for simulation-based multi-objective optimization of dynamic shading devices for an office building located in a hot and humid climate, starting from the very beginning of the architectural design process. The approach aims to increase the thermal comfort in the interior while reducing the cooling and lighting energy consumption of a glass-facade office building located in the hot and humid climate region of Turkey. The application of the approach is carried out for different cell dimension, cell form and wing angle of the shading device, according to different orientations of a glass-facade office building in Bayraklı, İzmir region. Using the Grasshopper algorithmic modeling environment and Honeybee and Ladybug plugins, a parametric model is developed. In order to find the appropriate cell dimension and wing angles of dynamic shading devices for different orientations of the office building, namely south, east and west, a simulation-based multi-objective optimization method is introduced and implemented using the Octopus optimization plug-in of the Grasshopper program. The potential of the proposed dynamic shading devices is also investigated based on three key performance indicators: reducing cooling and lighting loads and increasing thermal comfort in the 38° 27' 44.00“ North and 27° 10' 0.00”East office building in Bayrakli, Izmir. The study consists of seven chapters. In the first chapter; there is an introduction section that provides information about the subject of the study, the definition of the problem, the purpose and scope of the study, and the method followed to achieve the goal. In the second chapter; in the literature, the theses, the conference proceedings and the articles on shading devices and simulation modeling are examined and the general approaches in these studies are explained. The general approaches in these articles are examined in detail and compared in a literature table. Along with the results obtained according to this literature table, the difference of this study from other studies is explained and the unique aspect of the study is stated. In the third chapter; the design variables affecting cooling energy loads and thermal comfort conditions in buildings are examined under three main headings, which are user-related variables, environment-related variables and building-related variables. Under the heading of the building-related variables, the shading devices used in the buildings are categorized as fixed and movable shading devices, and each category is examined in detail. In addition, the control systems for dynamic shading devices, as well as the relationship between the shading devices and the energy expenditures in the buildings and visual and thermal comfort, are explained in detail. In the fourth chapter; a new approach is introduced as simulation-based multi-objective optimization of dynamic shading devices. This approach is explained in detail under the subheadings of user-related variables, climate-related variables, building-related variables, variables related to dynamic shading devices and variables related to calculations. In the fifth chapter; the approach introduced in the fourth chapter is applied to the dynamic shading devices designed for a high-rise and glass-facade office building in Bayraklı, İzmir, known as the hot and humid climatic region of Turkey, and different dynamic shading device design alternatives are used for the south, east and west orientations of the office building and their effects on the cooling and lighting loads and the thermal comfort are examined. The application consists of two stages: monthly and daily calculations. Monthly calculations are made to determine the part of the year where cooling is desired. A total of nine scenarios are produced by considering different dynamic shading device design alternatives with different orientations and different cell dimensions. In each of these scenarios, the wing angles of the cells are applied as 150, 300, 450, 600, 750 and 900. In the second stage of the calculations, the multi-objective optimization calculations are made daily for 22 July at 12:00. In the daily optimization calculations; the calculations are made by considering all orientations of the office building, all cell dimensions of the shading devices and all possible wing angles for each wing of the shading device. In the calculations, the first the cell area is taken as 10000 cm2 and the calculations are completed for three different cell sizes (50x200 cm, 100x100 cm and 200x50 cm). In the next step of the study, for the calculations; the most suitable cell form is determined and repeated for the shading devices with the cell areas of 1600 cm2, 2500 cm2, 3600 cm2, 4900 cm2, 6400 cm2 and 8100 cm2. In the sixth chapter; the dynamic shading device design alternatives obtained by the simulation-based multi-objective optimization method are evaluated with different cell sizes, wing angles and three different building orientations, and the design alternative with the lowest cooling load is evaluated in comparison with other design alternatives and the results are discussed. The most suitable cell dimensions for different cell areas are determined as 40x40 cm, 50x50 cm, 60x60 cm, 70x70 cm, 80x80 cm and 90x90 cm. In the seventh chapter, which is the last part of the study; the results obtained from the study are explained and the recommendations discussed within the scope of the study are evaluated in the last part of the study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421065

    A methodology for energy optimization of buildings considering simultaneously building envelope HVAC and renewable system parameters

    Binalarda yapı kabuğu, mekanik sistemler ve yenilenebilir enerji sistemleri parametrelerinin eş zamanlı enerji optimizasyonu için bir yöntem

    MELTEM BAYRAKTAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ZERRİN YILMAZ

    PROF. DR. MARCO PERINO

  2. Tez No

    463597

    Optimization of types, numbers and locations of sensors and actuators used in modal analysis of aircraft structures using genetic algorithm

    Uçak yapılarının modal analizlerinde kullanılacak algılayıcı ve uyarıcıların tip, adet ve konumlarının genetik algoritma ile optimizasyonu

    NIMA PEDRAMASL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN

    DOÇ. DR. ERDEM ACAR

  3. Tez No

    338224

    Dinamik ortamlar için yeni bir gerçek zamanlı evrimsel seyrüsefer planlama ve güdümleme sistemi

    A new real time evolutionary navigation planning and guidance system for dynamic environments

    FERHAT UÇAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DENİZ TURGAY ALTILAR

  4. Tez No

    855270

    Kinetik mimari cephe tasarımına bütünleşik bir yaklaşım: Üretken tasarım araçları ile çok kriterli optimizasyon ve karar destek sistemlerine dayalı bir yöntem önerisi

    An integrated approach to kinetic architecture facade design: A method proposal based on multi-criteria optimisation and decision support systems via generative design tools

    ABDUL SAMET ENGİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    MimarlıkKarabük Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET EMRE DİNÇER

  5. Tez No

    178681

    Design optimization and control of a parallel lower-arm exoskeleton

    Paralel mekanizma tabanlı alt kol dış iskeletinin kontrolü ve tasarım eniyileştirmesi

    RAMAZAN ÜNAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU

Geri Dön