A real time experimental data-based method for assessing the impact of glazed curtain walls with trickle vents on indoor environmental quality
Doğal havalandırma kanallı giydirme cephelerin iç ortam konfor koşullarına etkisinin gerçek zamanlı deneysel veri ile değerlendirilmesi için bir yöntem
- Tez No: 911016
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLTEN ASLIHAN ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 368
Özet
Trickle Vents, genellikle pencere veya giydirme cephe çerçevelerine entegre edilen bir pasif havalandırma yöntemidir. Bu teknoloji, açılabilir kanat ihtiyacını ortadan kaldırarak kat yüksekliğinde cam uygulamasını sağlar ve panel cephe sistemlerinde daha geniş cam yüzeylerinin oluşturulmasına olanak tanır. Bu tezde sunulan araştırma, ofis binalarında kullanılan giydirme cephelere entegre edilmiş Trickle Vent kontrol stratejilerinin optimizasyonunu ele almaktadır. Araştırmanın temel amacı, iç hava kalitesi (IAQ), termal konfor ve gürültü kontrolü açısından iç çevre kalitesini (IEQ) iyileştirmektir. Ayrıca, Trickle Vent'in iç ortam termal konforu ve hava kalitesi üzerindeki etkisi; Trickle Vent'in yönü, yüksekliği, uygulandığı iklim, ofis alanı/hacmi ve kullanıcı varlığı gibi parametreler açısından detaylı olarak incelenmiştir. Çalışma, aynı zamanda rüzgar etkisi ve gece soğutması (night cooling) etkisi durumlarını da analiz etmektedir. Araştırma, COVID-19 pandemisinin etkili havalandırma gerekliliğini küresel çapta ön plana çıkarmasıyla daha da önem kazanmıştır. Kapsamlı bir literatür incelemesi, Trickle Vent'lerin değerlendirilmesinde, özellikle kullanım performansı, çevresel faktörlerin etkisi ve kontrol stratejileri açısından önemli bilgi eksikliklerini ortaya koymuştur. Bu inceleme, Trickle Vent'lerin çeşitli koşullar altında nasıl çalıştığını anlamak için deneysel verilerin ve ileri düzey simülasyonların gerekliliğini vurgulamıştır. Bu eksiklikleri gidermek amacıyla, bu çalışmada deneysel veriler ve simülasyonlar bir arada kullanılarak Trickle Vent performansı detaylı bir şekilde değerlendirilmiştir. Araştırma metodolojisi, kış ve yaz dönemlerinde bir ofis ortamını simüle eden bir deneysel ofis ortamında gerçekleştirilen ayrıntılı bir ölçüm izleme çalışmasını içermektedir. Deneysel süreç kapsamında çeşitli IEQ parametreleri ölçülmüştür, bunlar arasında iç mekan CO2 seviyeleri, sıcaklık, bağıl nem, hava hızı, basınç farkı ve ses seviyeleri bulunmaktadır. Dış mekan ölçümleri ise CO2 seviyeleri, sıcaklık, bağıl nem, rüzgar hızı, rüzgar yönü ve ses seviyelerini içermektedir. Toplanan veriler, Trickle Vent kontrol stratejilerinin IAQ (iç ortam hava kalitesi), termal konfor ve iç ortam gürültüsü üzerindeki etkileri hakkında içgörüler sağlamıştır. Bulgular, kış aylarında CO2 seviyelerinin genellikle 1500 ppm'in altında kaldığını ve bu durumun Approved Document F'e göre yetersiz havalandırma kriterlerini karşıladığını ortaya koymuştur. Trickle Vent'ler, hem kış hem de yaz aylarında, çoğu kontrol stratejisi için BS EN 16798-1'e göre CAT II (Kategori 2) gereksinimlerini genellikle karşılamıştır. Optimal termal konfor ve gürültü seviyelerini korumak, değişen çevresel koşullar altında zorluklar yaratmıştır. Çalışma, iç ortam hava kalitesi (IAQ) için kışın W4 (TV her 2 saatte bir değişim) ve yazın S12 (TV sürekli açık) stratejilerini en iyi kontrol stratejileri olarak belirlemiştir. Termal konfor için ise kışın W8 (TV CO2 = 700 ppm'in üzerinde açık) ve yazın S11 (TV açık) en etkili stratejiler olarak bulunmuştur. Gürültü kontrolü ise en iyi W10 (TV her üç saatte bir değişim) ve S11 ile yönetilmiştir. Ağırlıklı toplam yöntemi (weighted sum method), en iyi performans gösteren seçeneklerin kışın W5 (TV her saatte bir değişim) ve yazın S12 (TV sürekli açık) olduğunu göstermiştir. Trickle Vent'lerin yaz aylarında sürekli açık bırakılması, hem her bir konfor değişkeni için hem de bütüncül IEQ açısından en iyi seçenek olduğunu kanıtlamıştır. Kış aylarında, bağıl nem kriterleri çoğu zaman karşılanmış ve bu nedenle nem kontrolünün genellikle gereksiz olduğu belirlenmiştir. Kullanıcı seviyesindeki hava hızı dalgalanmaları, hem kış hem de yaz aylarında belirlenen gereksinimleri karşılamış ve bu nedenle kabul edilebilir bulunmuştur. Bu çalışma, IAQ, termal konfor ve gürültü kontrolünü etkin bir şekilde dengeleyen bir strateji önermektedir. Önerilen strateji, Trickle Vent'lerin 1 Mayıs'tan 30 Eylül'e kadar sürekli açık tutulmasını ve kalan dönemde saatlik açık/kapalı döngüsünün uygulanmasını içermektedir. Eğer tüm yıl boyunca kullanılabilecek tek bir strateji önerilecek olursa, TV'nin 30 dakika açık/kapalı döngüsü en iyi seçenek, TV'nin sürekli açık olması ise ikinci en iyi seçenek olarak belirlenmiştir. Rüzgar etkisinin analizinde, Trickle Vent seviyesindeki hava hızı ile rüzgar hızı arasındaki en yüksek korelasyonlar kuzey (0.74) ve güneybatıdan (0.73) esen rüzgarlarda gözlemlenmiştir (İstanbul'un hakim rüzgar yönleri). Trickle Vent'ler aracılığıyla gece soğutma (night cooling) senaryoları, yaz durumunda ofis günü başlamadan önce IAQ ve termal konforda önemli iyileşmeler sağlamıştır; bu da sabah saatlerindeki soğutma yükünü azaltmaktadır. Monitoring çalışmasındaki başlıca sınırlamalardan biri, değişen çevresel koşullar olmuştur. Doğrulanmış CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) modeli, dış ortam koşullarını eşitleyerek Trickle Vent'lerin etkisini daha net belirlememize olanak tanımıştır. Deney verileri ve test sonuçlarıyla doğrulanan CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) simülasyon çalışmaları, çeşitli konfigürasyonları incelemiştir. İstanbul koşullarında, Trickle Vent'in kuzey tarafında konumlandırılması, doğu tarafına kıyasla kış aylarında hava akışını 5.1 kat, yaz aylarında ise 3.9 kat artırmıştır. Genel olarak, Trickle Vent'in hakim rüzgar yönüne (İstanbul'da kuzey) yerleştirilmesi her iki mevsimde de avantaj sağlarken, kış aylarında termal konfor açısından bir dezavantaj oluşturmuştur. Buna rağmen en iyi yön kuzey olarak bulunmuştur. Simule edilen yükseklikler arasında (1.7 m, 2.1 m ve 2.5 m), 1.7 m yüksekliği PPD (Tahmini Memnuniyetsizlik Yüzdesi) ve IAQ (İç Hava Kalitesi) açısından en dengeli sonuçları vermiştir. İklim analizleri, kış mevsiminde Kahire'nin en iyi performansı gösterdiğini, Londra'nın ise ikinci sırada yer aldığını ortaya koyarken, yaz aylarında en iyi performansın Londra'da, ardından Mumbai'de elde edildiğini göstermiştir. Bu çalışma ayrıca, 150 m³'e kadar olan ofis hacimleri için parametrik olarak ofis alanı ve PPD-CO₂ verisini veren denklemleri tanımlamıştır. Simülasyon değerlendirmelerine dayanarak, Londra'da Trickle Vent'in 1.7 m yüksekliğinde ve güneybatı yönünde (Londra'nın hakim rüzgar yönü) yerleştirilmesinin optimal performansı sağlayacağı sonucuna ulaşılmıştır. Yöntem ve Bulguların Ayrıntıları Literatür İncelemesi (Bölüm 2): Araştırmanın ilk aşaması, Trickle Vent'ler ile ilgili mevcut çalışmaları kapsamlı bir şekilde incelemeyi içermektedir. Bu inceleme, Trickle Vent'lerin tipolojileri, tasarım parametreleri, performans kriterleri ve önceki simülasyon, deney, izleme (monitoring), anket ve maliyet çalışmalarını kapsamaktadır. Ayrıca, havalandırma performansı, ses azaltma ve ısı iletimi üzerine mevcut test verilerinin değerlendirilmesini de içermektedir. İç ortam hava kalitesi, gürültü kontrolü ve termal konfor performansında ürünlerin havalandırma performansı, U değerleri (termal performans) ve ses azaltım endeksleri önem arz etmektedir. Yapılan araştırmalara göre ürünlerin havalandırma performansları 10 Pa basınç farkı altında 21 m³/h ve 242 m³/h aralığında, termal performansı 2.1 W/m² K ve 2.8 W/m² K aralığında, ve ses azaltım endeksi (Dn,e sound reduction index) ise Trickle Vent açık iken 27 dB ve 40 dB aralığında, kapalı iken ise 33 dB–49 dB aralığında olmuştur. Bileşen Tabanlı Performans Değerlendirmesi (Bölüm 3): Literatür incelemesinin ardından, Trickle Vent'lerin bileşen özelinde performans değerlendirmesine odaklanılmaktadır. Bu aşama, mevcut Trickle Vent sisteminin test sonuçlarını, simülasyon sonuçlarının test sonuçları ile doğrulanmasını, havalandırma performansının İngiliz ve Avrupa standartları ile uyumluluğunu inceler. Ayrıca, ısı transfer ve CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) simülasyonları ile ürünün havalandırma kapasitesini, metal yüzeyi üzerindeki yoğuşma risklerini ve U-değerlerini değerlendiren analizler içermektedir. Kullanım Performansının Analizi (Bölüm 4): Araştırmanın en önemli kısmı bu aşamadır. Bu bölümün ilk kısmı ürünün kullanım performansının değerlendirmesi amacıyla yeni bir ofis deney alanının tasarlanması, inşa edilmesi, ölçüm ekipmanlarının seçilmesi, satın alınması ve kalibre edilmesi, ölçüm parametrelerinin ve bölgelerinin belirlenmesi ve deney alanının iç tasarımının iyileştirilmesini kapsamaktadır. Ayrıca, bu aşama, Trickle Vent'in güney cepheye entegre edildiği deney ofis alanının kurulmasını, kış ve yaz dönemlerinde çeşitli iç çevre kalitesi parametrelerinin ölçülmesini ve farklı kontrol stratejilerinin IAQ, termal konfor ve gürültü seviyeleri üzerindeki etkilerini değerlendirmeyi içermektedir. Toplanan veriler, CFD simülasyonlarını doğrulamak ve rafine etmek için kullanılmıştır. İç ve dış koşulları anlamak, sağlam bir kontrol stratejisi oluşturmak ve beklenen konforu sağlamak için önemlidir. Bu sonuçlar mevcut ürünlerin performansı ile beraber değerlendirilmelidir. Basınç Farkı: Kışın -3.6 Pa ile +1.6 Pa arasında, yazın ise -1.6 Pa ile +1.1 Pa arasında değişmiştir. Ortalama basınç farkları kışın 0.24 Pa, yazın ise 0.21 Pa olarak ölçülmüştür. Hava Girişi: Taze hava akış hızı kışın ortalama 34.1 m³/h, yazın ise 32.7 m³/h olarak ölçülmüştür. CO2 Seviyeleri: 311 ppm ile 2330 ppm arasında değişmiştir. Sıcaklık: Kışın dış ortam sıcaklıkları -6.5°C ile 19°C arasında değişmiş (ortalama 4.5°C), yazın ise 16.2°C ile 33.3°C arasında değişmiştir (ortalama 24.2°C). İç ortam sıcaklıkları kışın 7.2°C ile 31.8°C arasında değişmiş (ortalama 18.1°C), yazın ise 15.6°C ile 48.5°C arasında değişmiştir (ortalama 27.1°C). Bağıl Nem: Kışın dış ortam bağıl nemi %33 ile %100 arasında değişmiş (ortalama %78), yazın ise %30 ile %96 arasında değişmiştir (ortalama %72.7). İç ortam bağıl nemi kışın ortalama %46.6, yazın ise %59.2 olarak ölçülmüştür. Hava Hızı: Kışın 0 ile 0.4 m/s arasında, yazın ise 0 ile 0.39 m/s arasında değişmiştir. Kullanıcı seviyesindeki ortalama hava hızı kışın 0.01 m/s, yazın ise 0.04 m/s olarak ölçülmüştür. Ses Seviyeleri: Hafta içi günlerde 7:00 ile 19:00 saatleri arasında, izleme (deney) alanı boş ve kapı kapalıyken 35 dB ile 83 dB arasında değişmiştir. Rüzgar: Yıllık ortalama rüzgar hızı 1.47 m/s olup, ağırlıklı olarak kuzey yönünden esmiştir. Kışın rüzgar hızları 0 ile 6.5 m/s arasında değişmiş (ortalama 1.66 m/s), yazın ise 0 ile 6.2 m/s arasında değişmiştir (ortalama 1.19 m/s). Optimize Edilmiş Kontrol Stratejisinin Geliştirilmesi: Son aşama, izleme ve simülasyon çalışmalarından elde edilen bulgulara dayanarak optimize edilmiş bir kontrol stratejisinin geliştirilmesini içermektedir. Bu, kış ve yaz için BS EN 16798-1 ve ISO 7730'ya göre PMV ve PPD değerlerini hesaplayarak termal konfor kategorileri belirlemeyi, BS EN 16798-1'e göre havalandırma oranları ve CO2 seviyelerine göre IAQ kriterleri belirlemeyi, Türk Akustik Yönetmelikleri'ne uygun olarak iç ortam gürültü seviyelerine dayalı gürültü kontrol kriterleri tanımlamayı, en iyi performans gösteren durumları belirlemek için ağırlıklı toplam yöntemini (Weighted sum method) kullanarak çok kriterli karar verme sürecini uygulamayı ve optimize edilmiş bir kontrol stratejisini sonuçlandırmayı içermektedir. Simülasyon Çalışmaları: Simülasyon çalışmaları, Trickle Vent'in pozisyonu, genişliği ve yönünün iç ortam üzerindeki etkilerini ve kontrol stratejilerine yansımalarını incelemektedir. Bu süreçte, hava akışı, iç ortam hava kalitesi (IAQ), PMV, PPD ve cereyan riski detaylı CFD analizleriyle değerlendirilmiştir. Çalışmada, Trickle Vent'in yüksekliği, yönü, uygulandığı iklim ve ofis hacmi gibi tasarım varyasyonlarının iç çevre kalitesi (IEQ) üzerindeki etkileri araştırılmıştır. CO₂ azalımı ile hacim arasındaki ilişkiyi temsil eden denklem y = 218.44ln(x) − 1095.7 olup, bir metre genişliğinde bir Trickle Vent için 150 m³'e kadar olan alanlarda doğru tahminler sunmuştur. PPD artışı ise y = 630.74x−0.907 denklemiyle ifade edilmiş olup, hacim genişledikçe PPD artış hızında kademeli bir azalmanın olduğunu göstermiştir. Bu tez, ofis binalarında giydirme cephelere entegre Trickle Vent kontrol stratejilerinin geliştirilmesiyle sürdürülebilir bina uygulamalarına önemli katkılar sunmaktadır. Araştırma, iç çevre kalitesinin değerlendirilmesine gürültü kontrolünü de dahil ederek BS EN 16798-2 standardındaki önemli bir boşluğu doldurmakta ve Trickle Vent'lerin giydirme cephelerde entegre edilmesiyle daha geniş cam yüzeylerin açılabilir kanat gereksinimi olmadan kullanılabilmesine olanak vermektedir. Tezde önerilen optimizasyon stratejileri, iç ortam hava kalitesi (IAQ), termal konfor ve gürültü kontrolünü iyileştirerek daha sağlıklı iç ortamlar oluşturmakta, bu da çalışan sağlığı, konforu ve verimliliğini artırmakta; aynı zamanda mekanik havalandırmadaki düşüş sayesinde enerji tasarrufu sağlayarak sürdürülebilir tasarım yaklaşımlarını desteklemektedir. Araştırmanın bulguları, yeni inşa edilecek binalar ve mevcut yapılarda iç hava kalitesinin etkin yönetimi için pratik çözümler sunarak mimarlar, mühendisler ve bina/tesis yöneticileri için değerli bilgiler sağlamaktadır. Bu çalışma, Trickle Vent'lerin çeşitli iklimlerde ve yapı konfigürasyonlarında dayanıklı ve uyarlanabilir ofis ortamları oluşturulması için etkin entegrasyon ve kontrol yöntemlerine rehberlik edecek önemli içgörüler sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis focuses on optimising Trickle Vent control strategies within glazed curtain walls in office buildings to enhance indoor environmental quality (IEQ). It specifically aims to improve indoor air quality (IAQ), thermal comfort, and noise control, while examining the influence of Trickle Vent orientation, height, climate, office space and volume, and occupancy patterns. Additionally, the study investigates factors such as wind influence, night cooling, and discomfort conditions. This research is particularly motivated by the need for effective ventilation, highlighted by the global COVID-19 pandemic, which underscored the importance of ventilation in reducing airborne pathogen transmission. This technology also enables full-height glazing by eliminating the need for operable vents in curtain wall systems. A comprehensive literature review identified significant gaps in the evaluation of Trickle Vents, particularly regarding their in-use performance, the influence of environmental factors, and control strategies. This review highlighted the necessity for experimental data and advanced simulations to understand how Trickle Vents operate under varying conditions. The research methodology involved a detailed monitoring study conducted in a mock-up office environment over winter and summer periods. Various IEQ parameters were measured, including indoor CO2 levels, temperature, relative humidity, air velocity, pressure difference, and sound levels. Outdoor measurements included CO2 levels, temperature, relative humidity, wind velocity, wind direction, and sound levels. The collected data provided insights into the impact of Trickle Vent control strategies on IAQ, thermal comfort, and noise. The findings revealed that, during winter, CO2 levels often remained below 1500 ppm, achieving poor ventilation criteria from Approved Document F. Trickle Vents generally met CAT II requirements for CO2 levels according to BS EN 16798-1 across most control strategies in both winter and summer. Maintaining optimal thermal comfort and noise levels posed challenges under varying environmental conditions. The study identified W4 (TV phase change every 2 hours) in winter and S12 (TV on continuously) in summer as the best control strategies for IAQ. For thermal comfort, W8 (TV open above CO2 = 700 ppm) in winter and S11 (TV on) in summer were most effective. Noise control was best managed with W10 (TV phase change every three hours) and S11. The weighted sum method suggested that the best performing options were W5 (TV phase change each hour) in winter and S12 (TV continuously on) in summer. Leaving Trickle Vents open continuously during summer proved to be the best option for both individual and holistic aspects of IEQ. In winter, relative humidity criteria were met most of the time, indicating that humidity control was generally unnecessary. Air velocity fluctuations at the occupant level met established requirements in both winter and summer, thus considered acceptable. The proposed strategy involves keeping Trickle Vents continuously open from 1st May to 30th September, with an hourly open/close cycle during the rest of the year. For year-round use, a 30-minute on/off cycle proved the most balanced strategy, with continuous operation as a close second. The wind influence study showed strong correlations between wind velocity and air velocity at the Trickle Vent level, particularly with wind from the north (0.74) and southwest (0.73) (Prevailing wind directions). Night cooling scenarios significantly improved morning IAQ and thermal comfort before office hours, reducing the cooling load. The validated CFD model helped standardise outdoor conditions, clearly demonstrating Trickle Vent impact without environmental variability. Simulation studies using CFD, validated by monitoring and test data, explored various configurations and identified parametric equations for office area/volume versus CO₂ and PPD levels, applicable up to a 150 m³ office volume. Under Istanbul conditions, positioning the Trickle Vent on the north side improved airflow by 5.1 times in winter and 3.9 times in summer compared to the east side, with the prevailing wind direction proving advantageous despite winter thermal comfort drawbacks. Among the tested heights (1.7m, 2.1m, and 2.5m), a 1.7m height offered the most balanced outcomes for PPD and IAQ. Climate analysis indicated that Cairo achieved the best performance in winter, followed by London, while in summer, London ranked highest, with Mumbai as the second-best performer. This thesis not only advances understanding of Trickle Vent control in curtain walls for office buildings but also provides a significant impact on sustainable building practices. The research fills critical gaps in standards by incorporating noise control into the evaluation of IEQ, alongside IAQ and thermal comfort. It also pioneers the integration of automated Trickle Vents in curtain walls, enabling safer and more expansive glazed facades without operable windows. The study's optimised strategies improve IAQ, thermal comfort, and noise control, directly contributing to healthier indoor environments that support occupant well-being, reduce sick leave, and enhance productivity. By demonstrating the energy-saving potential of night cooling and reducing HVAC reliance, the findings support energy-efficient, sustainable design approaches that align with environmental goals. Furthermore, the results have practical implications for both new constructions and retrofits, particularly in urban areas where effective IAQ management is critical. This research provides essential insights for architects, engineers, and facility managers, guiding effective integration and control of Trickle Vents to achieve resilient, adaptable office environments across diverse climates and configurations.
Benzer Tezler
- Performance of laminated glass subjected to blast and impact loading
Patlama ve darbe yüklemesine maruz kalan lamine camın yapısal performansı
MOHELDEEN HEJAZI
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SARI
- Uydu verileri ile İstanbul Boğazı ve Haliç'de su kirliliğinin makro düzeyde belirlenmesi
Intrepretation at macro level as pollution of water resources of remotely sensed data of Bosphorus and golden horn estuary by an unsupervised and supervised classification method
H.GONCA COŞKUN
- Frequency-domain modeling and optimization of graphene FET-based molecular communication receivers
Grafen FET tabanlı moleküler haberleşme alıcılarının frekans-bölgesi modellemesi ve optimizasyonu
ALİ ABDALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU
- Simulator-based evaluation of human response in emergencies
Acil durumlarda ınsan faktörünün simülatör ortamında değerlendirilmesi
ESMA UFLAZ
Doktora
İngilizce
2023
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. ÖZCAN ARSLAN
- Petrol rafinelerindeki yangınların CFD ile modellenmesi
CFD modeling of fires in oil refines
AHMET ABDULLAH
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiYangın ve Yangın Güvenliği Anabilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN