Parametric façade optimization for natural ventilation and energy efficiency in high-rise buildings
Yüksek katlı binalarda doğal havalandırma ve enerji verimliliği için parametrik cephe optimizasyonu
- Tez No: 948475
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NURİ SERTESER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 190
Özet
Doğal havalandırma, iç hava kalitesinin artırılması, tüm mevsimler boyunca taze hava sağlanması ve enerji tüketiminin azaltılması yoluyla kullanıcı konforunun iyileştirilmesinde temel bir rol oynamaktadır, tabii ki uygun tasarım yaklaşımlarının erken tasarım aşamasında entegre edilmesi koşuluyla. Özellikle çok katlı ofis binalarında etkili doğal havalandırmanın sağlanması kritik öneme sahiptir, zira birden fazla kat boyunca sürekli hava akışını korumak özgün tasarım zorlukları doğurmaktadır. Geleneksel mekanik havalandırma sistemleri, binaların enerji talebi ve işletme maliyetleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir; bu da sürdürülebilir bina tasarımında pasif ve hibrit havalandırma stratejilerine olan ihtiyacı artırmaktadır. Bu bağlamda, doğadan esinlenen tasarım ilkelerinin bina kabuklarına entegre edilmesi, hava akışı, termal konfor ve enerji performansının optimize edilmesi amacıyla giderek daha fazla ilgi görmektedir. Gözenekli zarlar ve dallanan hava akış yapıları gibi biyolojik sistemlerden ilham alan bu çalışma, yüksek katlı ofis binalarında doğal havalandırma verimliliğini artırmak, mekanik sistemlere bağımlılığı azaltmak ve genel enerji performansını iyileştirmek amacıyla doğadan esinlenilmiş gözenekli cephelerin potansiyelini araştırmaktadır. Pasif havalandırma stratejilerine yönelik artan ilgiye rağmen, yüksek katlı binalarda hava akışının homojen bir şekilde dağıtılması konusunda önemli zorluklar devam etmektedir. Özellikle üst katlarda rüzgar basıncı farklılıkları, termal tabakalaşma ve baca etkisi gibi faktörler, doğal havalandırmanın etkinliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Çift Kabuk Cepheler (DSF) bu zorluklara bir çözüm olarak araştırılmış olsa da, bu sistemlerin performansı genellikle boşluk bölgelerinde ısı birikimi ve yetersiz hava akışı dağılımı nedeniyle sınırlı kalmaktadır. Mevcut çalışmalar çoğunlukla statik DSF konfigürasyonlarına odaklanmış olup, değişen çevresel koşullara dinamik olarak yanıt verebilen uyarlanabilir, parametrik cephe tasarımlarına yönelik araştırmalar oldukça sınırlıdır. Doğadan esinlenilmiş tasarım ilkeleri uygulansa bile, bu tasarımların etkinliği, çevresel kuvvetlerle ve hava akışı desenleriyle ne derece uyumlu entegre edildiklerine bağlıdır. Sistematik bir parametrik optimizasyon yaklaşımı olmadan, doğadan esinlenilmiş kavramlar tam potansiyeline ulaşamayabilir ve enerji verimliliği ile kullanıcı konforunu aynı anda sağlayacak esnekliği kazanamayabilir. Bu sınırlamaların aşılması, yalnızca hava akışını dinamik olarak düzenlemekle kalmayıp, aynı zamanda doğadan esinlenen tasarımın tüm potansiyelini kullanarak termal performansı artıran ve enerji tüketimini azaltan gelişmiş bir cephe sistemi gerektirmektedir. Bu ihtiyaca cevap vermek amacıyla, bu tez çalışması, doğal havalandırmalı bir DSF sistemi içerisinde parametrik olarak tasarlanmış hava ile çalışan kanalların entegre edildiği optimize edilmiş bir gözenekli cephe sistemi önermektedir. Çok değişkenli bir parametrik optimizasyon yaklaşımı kullanılarak, geliştirilmiş havalandırma performansı için optimum cephe açıklık konfigürasyonları, DSF boşluk derinliği ve kanal boyutları belirlenmiştir. Enerji modelleme, hesaplamalı simülasyonlar ve genetik algoritmaların sıralı bir iş akışı içerisinde uygulanmasıyla, tasarım varyasyonları sistematik bir şekilde değerlendirilmiş ve Enerji Kullanım Yoğunluğu (EUI) ile Saatlik Hava Değişim Sayısı (ACH) değerlerinin iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, İstanbul, Türkiye'de bulunan varsayımsal bir yüksek katlı ofis binası vaka çalışması olarak seçilmiş ve önerilen metodolojinin test edilmesi için kontrollü bir ortam sağlanmıştır. Doğal havalandırmalı DSF sistemine sahip temsili bir üst kat, rüzgar akış dinamikleri nedeniyle havalandırma problemlerinin daha belirgin olduğu bölgeler dikkate alınarak analiz edilmiştir. Cephe tasarımı, parametrik olarak şekillendirilmiş hava kanalları ve ayarlanabilir açıklıkları içermekte olup, kontrollü hava akışı ile hem havalandırma verimliliğini artırmakta hem de enerji talebini azaltmaktadır. Bu sistem, sadece soğutma yüklerini azaltmakla kalmamakta, aynı zamanda şiddetli hava koşullarında dahi yıl boyunca sürekli taze hava temini sağlamakta ve ACH değerlerini standart aralıklarda tutmaktadır. Sistemin performansı, parametrik enerji modelleme simülasyonları, optimizasyon teknikleri ve CFD analizleri ile değerlendirilmiş, çevresel değişkenliklere karşı uyarlanabilirliği sağlanmıştır. Bu tez çalışması, yüksek katlı ofis binalarında doğal havalandırmayı artırmak ve EUI değerini azaltmak amacıyla doğadan esinlenilmiş bir gözenekli cephe sistemi geliştirmeyi amaçlamaktadır. Parametrik bir çalışma yoluyla hava kanallarının entegre edilmesi ve cephe açıklıklarının optimize edilmesi sayesinde, mekanik havalandırmaya olan bağımlılığı azaltacak etkili bir hava akışı düzenleme stratejisi oluşturulmuştur. Önerilen sıralı optimizasyon yaklaşımının etkinliğini doğrulamak amacıyla, CFD simülasyonları ve enerji modelleme teknikleri uygulanarak hava akışı davranışı ve termal performans kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Araştırma, yapılandırılmış bir parametrik optimizasyon iş akışını takip etmektedir. İlk olarak, pasif havalandırmayı desteklemek amacıyla Rhino-Grasshopper platformu kullanılarak sistematik parametrik kontrol imkanı sunan bir mimari konsept geliştirilmiştir. Ardından, ön optimizasyon aşamasında ANSYS FLUENT kullanılarak bina ve cephe çevresindeki rüzgar davranışını değerlendiren CFD analizleri gerçekleştirilmiş ve havalandırma açısından kritik kat belirlenmiştir. Takiben, Honeybee ve EnergyPlus kullanılarak EPW iklim verileri ve ASHRAE standartları altında enerji modellemesi yapılmış, termal performans değerlendirilmiştir. Cephe açıklıkları, boşluk derinliği ve hava kanalı boyutlarının optimize edilmesi amacıyla Galapagos genetik algoritması uygulanarak EUI değeri sistematik olarak azaltılmıştır. Son aşamada ise, optimizasyon sonrası CFD simülasyonları yapılarak hava akışı performansı değerlendirilmiş ve optimize edilmiş tasarım ile optimize edilmemiş tasarım karşılaştırılmıştır. Önerilen optimize edilmiş gözenekli cephe sistemi, enerji verimliliği ve doğal havalandırma performansında önemli iyileşmeler sağlamış ve yüksek katlı ofis binaları için uygulanabilir bir strateji sunmuştur. Referans modellere kıyasla %66 oranında EUI azaltımı elde edilmiş ve binanın Enerji Performans Sertifikası (EPC) derecesi G'den C'ye yükselmiştir. Ayrıca, optimize edilen yapılandırma, ASHRAE standartları dahilinde ACH değerlerini koruyarak sürekli taze hava temini sağlamış ve iç mekan konforunu iyileştirmiştir. DSF boşluğu ve iç mekanlar boyunca hava akışının geliştirilmesi, aşırı ısınma risklerini azaltarak termal konforu artırmıştır. Parametrik tasarım ve hava akışı optimizasyonunun etkin bir şekilde entegre edilmesi sayesinde, mekanik havalandırmaya olan bağımlılık azaltılmış ve yüksek katlı binalarda enerji tasarrufu stratejilerine destek olunmuştur. Genel olarak, bu araştırma, doğadan esinlenilmiş gözenekli cephe sistemi ile doğal havalandırmayı artırarak ve enerji tüketimini azaltarak sürdürülebilir yüksek katlı bina tasarımına katkı sağlamaktadır. Çalışmanın temel katkılarından biri, DSF sistemi içerisine parametrik hava kanallarının entegre edilmesi ve doğal hava akışı ile soğutma performansının optimize edilmesine yönelik yeni bir yaklaşım sunmasıdır. Araştırma, genetik algoritmalar ve CFD simülasyonlarının birlikte nasıl kullanılabileceğini gösteren sistematik bir parametrik optimizasyon çerçevesi geliştirmektedir. Yöntemsel katkılarının ötesinde, bulgular, erken aşama mimari ve mühendislik tasarımı için pratik rehberlik sunmakta ve havalandırma performansı ile enerji verimliliğini dengeleyen yüksek katlı bina kabuğu optimizasyonu için yapılandırılmış bir yaklaşım ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Natural ventilation plays a fundamental role in enhancing indoor air quality, delivering fresh air year-round and improving occupant comfort, while also contributing to reduced energy consumption, provided that appropriate design considerations are integrated during the early stages of design. Achieving effective natural ventilation is particularly critical in high-rise office buildings, where maintaining consistent airflow across multiple floors presents unique design challenges. Traditional mechanical ventilation systems noticeably contribute to a building's energy demand and operational costs, increasing the need for passive and hybrid ventilation strategies in sustainable building design. Integrating nature-inspired design principles into building envelopes has gained attention as a strategy to optimize airflow, thermal comfort, and energy performance. Inspired by biological systems, such as porous membranes and branching airflow structures, this research explores the potential of bio-inspired porous facades to enhance natural ventilation efficiency, reduce dependence on mechanical systems, and improve the overall energy performance of high-rise office buildings. Despite growing interest in passive ventilation strategies, high-rise buildings continue to face persistent challenges in achieving uniform airflow distribution. Natural ventilation effectiveness is often compromised by variations in wind pressure, thermal stratification, and stack effect influences, particularly on upper floors. While Double Skin Façades (DSFs) have been investigated as a potential solution, their performance can be limited by heat accumulation in cavity spaces and inefficient airflow distribution. Furthermore, existing studies primarily focus on static DSF configurations, with limited research on adaptive, parametric facade designs that can dynamically respond to changing environmental conditions. Even when natureinspired design principles are incorporated, their effectiveness depends on how well they integrate with environmental forces and airflow patterns to ensure optimized ventilation. Without a systematic approach to parametric optimization, bio-inspired concepts may remain underutilized, lacking the necessary adaptability to achieve both energy efficiency and occupant comfort. Addressing these limitations requires an advanced facade system that not only regulates airflow dynamically but also harnesses the full potential of bio-inspired design to improve thermal performance and reduce energy consumption. To bridge this gap, this thesis proposes an optimized porous facade system that integrates parametric wind-driven conduits within a naturally ventilated DSF. A multivariable parametric optimization approach is employed to determine the optimal façade opening configurations, DSF cavity depth, and conduit dimensions for enhanced ventilation performance. By implementing a sequential optimization framework that combines energy modeling, CFD, and genetic algorithms, the study systematically evaluates design variations to minimize Energy Use Intensity (EUI) and improve Air Change per Hour (ACH) levels. A hypothetical high-rise office building in Istanbul, Türkiye, serves as the case study for this research, providing a controlled setting for testing the proposed methodology. A representative upper floor within a naturally ventilated DSF system was selected for analysis, focusing on areas where ventilation challenges are more pronounced due to wind flow dynamics. The facade integrates parametric wind-driven conduits and adjustable openings, allowing for controlled airflow that enhances ventilation efficiency while minimizing energy demand. Beyond reducing cooling loads, the system ensures a continuous supply of fresh air throughout the year, maintaining ventilation rates and ACH within standard ranges, even under severe weather conditions. The performance of this system was assessed through parametric energy modeling simulations, optimization techniques, and Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses, ensuring its adaptability to diverse environmental conditions. This thesis aims to develop and validate a parametric optimization framework for bioinspired façade systems that enhance natural ventilation and reduce EUI in high-rise buildings. By integrating wind-driven conduits and optimizing façade openings through a parametric study, the research establishes an efficient airflow regulation strategy that reduces reliance on mechanical ventilation. The study systematically evaluates the impact of the optimized facade system on ventilation performance and energy efficiency, ensuring its adaptability to varying environmental conditions. To validate the effectiveness of the proposed sequentialjavascript:eklecikar('Trans Anadolu Do%C4%9Fal Gaz Boru Hatt%C4%B1 = Trans Anatolian Natural Gas Pipeline','74312','85') optimization approach, CFD simulations and energy modeling techniques were employed, providing a comprehensive assessment of airflow behavior and thermal performance. The research follows a structured parametric optimization workflow. First, an architectural concept was developed for passive ventilation using the Rhino-Grasshopper platform, enabling systematic parametric control over design variables. The initial performance of conduits was evaluated through pre-optimization CFD simulations using ANSYS FLUENT to assess wind behavior around the building and façade. This analysis informed the selection of the one floor for ventilation challenges. In the next step, energy modeling was performed using Honeybee and EnergyPlus, incorporating EPW weather data under ASHRAE standards to evaluate thermal performance. Subsequently, a genetic algorithm (GA) was applied to optimize façade openings, cavity depth, and conduit dimensions, systematically minimizing EUI. Finally, CFD simulations were conducted post-optimization to assess airflow behavior, validate ventilation performance, and compare the results between optimized and nonoptimized configurations. The optimized porous facade system demonstrated substantial improvements in energy efficiency and natural ventilation performance, making it a viable strategy for highrise office buildings. The proposed design achieved a 66% reduction in EUI compared to the reference models, resulting in enhanced overall energy performance. The Energy Performance Certificate (EPC) rating improved from G to C, reflecting its contribution to reduced energy consumption. Additionally, the optimized configuration-maintained ACH values within ASHRAE standards, ensuring a consistent supply of fresh air and improved indoor comfort. The enhanced airflow distribution across the DSF cavity and occupied spaces minimized overheating risks, contributing to better thermal comfort. By effectively integrating parametric design and airflow optimization, the study successfully reduced reliance on mechanical ventilation, supporting energysaving strategies in high-rise building design. Overall, this research advances sustainable high-rise building design by introducing a bio-inspired porous façade system that enhances natural ventilation and reduces energy consumption. A key contribution of the study lies in integrating parametric wind-driven conduits within the DSF system, presenting a novel strategy for optimizing natural airflow and cooling performance. The research develops a systematic parametric optimization framework, demonstrating how genetic algorithms and CFD simulations can be combined to formulate an energy-efficient ventilation approach. Beyond its methodological contributions, the findings offer practical guidance for early-stage architectural and engineering design, providing a structured framework for optimizing high-rise envelopes that balance ventilation efficiency and energy conservation.
Benzer Tezler
- Tarihî yapılarda avlu üst örtüsü tasarım senaryolarına yönelik enerji-termal konfor odaklı parametrik bir model önerisi
A parametric model proposal focused on energy and thermal comfort for courtyard roof design scenarios in historic buildings
MİHRİMAH ŞENALP
Doktora
Türkçe
2025
MimarlıkKonya Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. MEHMET EMİN BAŞAR
DOÇ. DR. ENES YAŞA
- Biyomimetik cephelerde gün ışığı kontrolü
Daylight control in biomimetic facades
BERFİN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT TURGAY ARPACIOĞLU
- Doğadan esinli interaktif bina kabuğu tasarımı için örüntüye dayalı bir model
A model for nature inspired interactive building envelope design based on pattern
HÜLYA ORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
- Alüminyum ekstrüzyon kalıpları için kullanılan dağlama çözeltilerine alternatif yüksek performanslı yeni ürün eldesi
Obtaining high performance new product alternative to etching solutions used in aluminum extrusion molds
BARIŞ AKIN
- Performansa dayalı adaptif bina kabuğu tasarımı
Performance based adaptive building envelope design
ERHAN KARAKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ