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
- Tez No: 948654
- Danışmanlar: PROF. MEHMET EMİN BAŞAR, DOÇ. DR. ENES YAŞA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Konya Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 447
Özet
Çalışma, tarihî çevrede çağdaş müdahale tartışmaları bağlamında, 16-17. yüzyıl Osmanlı dönemine ait açık-avlulu medrese yapılarının avlu üst örtülerinin kapatılmalarında koruma, estetik, mikroklima, termal konfor ve enerji performansı bakımından nasıl optimize edilebileceğini araştırır. Araştırma, tarihî yapılardaki ek ve yeni yapı olgusunun yalnızca strüktürel veya görsel uyumla sınırlı kalmayıp; iç ortam koşulları, enerji tüketimi ve malzeme dayanımı gibi sürdürülebilirlik odaklı kritik başlıkları da kapsaması gerektiği varsayımına dayanır. Bu gereklilik, Venedik Tüzüğü'nün“ayırt edilebilir fakat tamamlayıcı”yaklaşımını, ICOMOS Geleneksel Mimari Miras Tüzüğü'nün güncel kullanım gereksinimleriyle uyumlu değişiklik iznini ve ulusal/uluslararası enerji-verimlilik standartlarının zorunlu kıldığı performans kriterlerini aynı çerçevede ele almayı zorunlu kılar. Araştırma probleminin çıkış noktasını tarihî medreselerin avlularının, işlev kaybı, kullanıcı konforu düşüklüğü ve artan işletme giderleri nedeniyle özellikle soğuk mevsimlerde atıl kalmasıdır. Mevcut restorasyon uygulamalarında avlu üstlerinin çoğu kez çelik-cam konstrüksiyonla kapatıldığı, fakat tasarım sürecinde mikroklimatik etkilerin yeterince simüle edilmediği; ortaya çıkan sera etkisi, bağıl nem artışı ve aşırı soğutma yükleri nedeniyle kısa vadede ek HVAC yatırımlarına, orta-uzun vadede ise malzeme yıpranması ve yapısal bozulmalara yol açtığı gözlemlenmiştir. Bu bağlamda temel araştırma sorusu,“Parametrik tasarım araçlarını kullanarak açık-avlulu tarihî yapılarda enerji, termal konfor ve koruma ilkelerini eşzamanlı optimize eden bir üst örtü tasarımı geliştirilebilir mi?”biçiminde tanımlanmıştır. Araştırmanın amacı üç aşamada özetlenir: (1) Tarihî yapının çizgisel-biçimsel kimliğini nicel veriye dönüştürüp çağdaş üst örtü tasarımında görsel uyumu sayısallaştırmak, (2) mikroklima, termal konfor ve enerji performansını birlikte değerlendirecek parametrik bir karar-destek modeli geliştirmek, (3) modelin geçerliliğini özgün mimari, strüktürel bütünlük ve koruma mevzuatına bağlı kalarak bir uygulama örneği üzerinde kanıtlamak. Araştırma kapsamında örneklem tarihî yapı Osmanlı klasik döneminin hemen her vilâyetinde bulunan, açık avlulu ve revaklı şemaya sahip medreselerle sınırlıdır. Envanter taramasında 16-17. yüzyıla tarihlendirilen 100'ün üzerinde medrese incelenmiş; plan şeması, özgünlük seviyesi, iklim bölgesi ve bakım geçmişi parametrelerine göre örneklem olarak Mimar Sinan'ın çıraklık eseri kabul edilen ve İstanbul'un Csa (Akdeniz yazı kurak, ılık kış) ikliminde yer alan Şehzade Mehmet Medresesi seçilmiştir. Hipotez seti dört ana eksenden oluşur: (H1) çizgisel uyum algoritması, çağdaş deseni tarihî oranlarla uyumlu kurar; (H2) çift katmanlı ETFE malzemesi şeffaf-yarı şeffaf modülasyonu sayesinde toplam enerji tüketimini düşürür; (H3) parametrik optimizasyon, ısıtma-soğutma yüklerini dengelerken PMV-PPD ve SET göstergelerini ASHRAE 55 sınırları içinde tutar; (H4) seçilen tasarım, Venedik Tüzüğü'nün geri dönüştürülebilir ve ayırt edilebilirlik koşullarını, malzeme hafifliği ve sökülebilir strüktür detaylarıyla yerine getirir. Yöntem literatür taraması, parametrik modelleme, bütünleşik simülasyon ve doğrulama adımlarından oluşur. İlk adımda, adaptif yeniden kullanım, çağdaş ek, ETFE teknolojisi, mikroklima yönetimi ve çok hedefli optimizasyon konularındaki güncel araştırmalar sentezlenmiştir. Modelleme aşamasında Rhinoceros-Grasshopper ortamında Tekin vd. (2022) tabanlı“çizgisel yoğunluk”algoritması ile medresenin yatay, dikey ve diyagonal çizgi oranları elde edilmiştir. Parakeet eklentisi kullanılarak iki geleneksel İslâmî yıldız örgüsü, bir kare modüler grid, bir adaptif grid, Voronoi ve Delaunay diyagramlarından oluşan altı desen üretilmiştir. Malzeme parametresinde ETFE'nin tam şeffaf (Işık geçirgenliği %80, SHGC 0,82) ve üç frit yoğunluklu varyantı (%43/0,46; %28/0,33; %20/0,25) kullanılmıştır. Desen, malzeme ve iki geometrik değişkenin (fritli şeridin konumu ile yüzey alanı) kombinasyonu 576 varyasyon oluşturmuştur. Enerji ve konfor simülasyonları Ladybug-Honeybee aracılığıyla EnergyPlus motorunda, İstanbul TMY dosyasıyla saatlik çözünürlükte yürütülmüştür. Modelde bina kabuğu için literatürde önerilen küfeki taşı, horasan harcı ve tuğla bileşimli duvar kesitleri ile mevcut çatı tonoz kesitlerinin termofiziksel eşdeğerleri tanımlanmış; U-değerleri TS 825 veri tabanına göre ayarlanmıştır. İç yükler yapının güncel kullanım senaryosuna uygun büyük ofis programından türetilmiştir. Kapalı hacimlerde HB Ideal Air modülü %70 ısı geri kazanım verimliliğiyle çalışacak biçimde kurgulanmış; avluda doğal havalandırma ile kışın ısıtma, yazın gecelik soğutma stratejileri denenmiştir. Üretilen varyasyonlar TT-Toolbox ve Colibri ile Excel-CSV biçiminde toplanmış, Design Explorer üzerinde Pareto analiziyle enerji-konfor-estetik korelasyonları görselleştirilmiştir. Modelin güvenilirliği için aynı parametrik hacim IES-VE'de yeniden kurulmuş; toplam EUI, PMV, operatif sıcaklık ve bağıl nem verileri karşılaştırılmış, sapma %-5-+5 aralığında kalmıştır. Bulgular özetle şu şekildedir: Çizgisel uyum skorlarına göre gridal-modüler C1/C2 desenleri tarihî cephenin yatay-dikey-diyagonal oranlarıyla %85'in üzerinde korelasyon sağlamış, Pareto cephesinde enerji-konfor açısından da ilk sırada yer almıştır. Bu varyasyonlarda %28 fritli ETFE, SHGC 0,33 değeriyle ısıtma-soğutma dengesini optimize etmiş; yazın aşırı ısınmayı engellerken kışın pasif ısı kazançlarını korumuştur. Mevcut medresede yıllık toplam enerji kullanım yoğunluğu 713 kWh m⁻² seviyesindedir; bunun 609 kWh m⁻²'si ısıtmaya, 104 kWh m⁻²'si soğutmaya aittir. Avlu üst örtüsü senaryolarında toplam EUI 376-437 kWh m⁻² bandına düşmüş; ısıtma yükü %52-57, toplam tüketim %38-47 azalmıştır. Soğutma yükü tam şeffaf varyasyonlarda %40'a varan artış gösterse de fritli ETFE kullanımıyla artış %4 düzeyine kadar sınırlanabilmiştir. Kış tasarım haftasında avlu, revak ve eyvanda iç hava sıcaklığı 10-11 °C'den 18-19 °C'ye yükselmiş; PMV değeri –1,4'ten –0,5'e, PPD %26'dan %10-12 aralığına gerilemiştir. Yaz tasarım haftasında SET 30-31 °C'den 26-28 °C'ye, PMV +1,1'den +0,36-0,76 aralığına inmiş; PPD %25 civarından %8-17 bandına düşmüştür. Ortalama ışınım sıcaklık ve operatif sıcaklık değerleri de benzer iyileşme göstermiştir. Sonuç ve öneriler beş başlıkta toplanır: (1) Parametrik model, çok-kriterli restorasyon kararlarında sayısal temel oluşturur; benzer avlulu han, kervansaray ve arkeolojik koruma çatılarında uyarlanabilir. (2) Çift kat ETFE yastık sistemi, tarihî dokuya minimal temasla %50'ye varan ısıtma enerjisi tasarrufu ve kabul edilebilir yaz konforu sağlar. (3) Koruma kurulları açısından çizgisel-uyum algoritması,“orijinal-yeni”ilişkisinin nesnel denetimini mümkün kılar. (4) Uygulama sonrası RH sensörlü izleme ve sökülebilir strüktür bakımı, malzeme ömrünü uzatır. (5) Gelecek çalışmalarda kavisli kabuk geometrileri, dinamik frit oranları ve yaşam döngüsü maliyeti analizi eklenerek model genişletilmelidir. Böylece araştırma, tarihî yapılarda çağdaş ek tasarımını yalnızca biçimsel bir tamamlama değil, aynı zamanda enerji-termal konfor optimizasyonu ve malzeme sürdürülebilirliği gözeten bütüncül bir restorasyon stratejisi olarak ele almanın mümkün ve gerekli olduğunu ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
This study investigates how courtyard coverings in open-courtyard madrasas from the 16th–17th century Ottoman period can be optimized in terms of conservation, aesthetics, microclimate, thermal comfort, and energy performance within the context of contemporary interventions in historic environments. The research is based on the premise that additions and new constructions in historic buildings should not be limited to structural or visual compatibility alone but must also address critical sustainability-related issues such as indoor environmental conditions, energy consumption, and material durability. This necessity requires integrating the“distinct yet complementary”approach of the Venice Charter, the permission for modifications aligned with current usage needs as stated in the ICOMOS Charter on the Built Vernacular Heritage, and performance criteria mandated by national/international energy-efficiency standards within a unified framework. The research problem stems from the observation that historic madrasa courtyards often remain underutilized during colder seasons due to functional obsolescence, poor user comfort, and rising operational costs. In current restoration practices, courtyard roofs are frequently constructed using steel-glass structures; however, the design process often lacks sufficient microclimatic simulation. This leads to greenhouse effects, increased relative humidity, and excessive cooling loads, which in turn result in short-term HVAC investments and, in the medium to long term, material degradation and structural deterioration. Accordingly, the core research question is formulated as follows:“Can a roof covering design be developed using parametric design tools that simultaneously optimizes energy, thermal comfort, and conservation principles in historic open-courtyard structures?”The research aims are structured in three stages: (1) To convert the linear-formal identity of the historic structure into quantitative data and numerically assess visual compatibility in the design of a contemporary roof covering; (2) To develop a parametric decision-support model that evaluates microclimate, thermal comfort, and energy performance collectively; (3) To validate the model on a case study in compliance with architectural authenticity, structural integrity, and conservation legislation. The case is limited to open-courtyard madrasas with arcaded layouts dating to the 16th–17th centuries, found throughout the Ottoman Empire. An inventory study of over 100 madrasas dated to this period was conducted; based on plan typology, authenticity, climate zone, and maintenance history, the case study selected was the Şehzade Mehmet Madrasa, considered an early work of Mimar Sinan and located in Istanbul's Csa (Mediterranean, dry-summer, mild-winter) climate. The hypothesis set is organized around four main axes: (H1) The linear conformity algorithm aligns contemporary patterns with historic proportions; (H2) Double-layer ETFE material, through transparent–semi-transparent modulation, reduces total energy consumption; (H3) Parametric optimization balances heating-cooling loads while maintaining PMV-PPD and SET indicators within ASHRAE 55 limits; (H4) The selected design fulfills the Venice Charter's criteria of reversibility and distinguishability through lightweight materials and demountable structural details. The methodology consists of literature review, parametric modeling, integrated simulation, and validation. In the first step, current studies on adaptive reuse, contemporary additions, ETFE technology, microclimate management, and multi-objective optimization were synthesized. In the modeling phase, the“linear density”algorithm developed by Tekin et al. (2022) was used in Rhinoceros–Grasshopper to extract the horizontal, vertical, and diagonal line ratios of the madrasa. Six patterns were generated using the Parakeet plugin: two traditional Islamic star patterns, a square modular grid, an adaptive grid, and Voronoi and Delaunay diagrams. In terms of material, fully transparent ETFE (light transmittance 80%, SHGC 0.82) and three variants with different frit densities (43%/0.46; 28%/0.33; 20%/0.25) were used. Combining pattern, material, and two geometric variables (frit band position and surface area) yielded 576 variations. Energy and comfort simulations were conducted using the Ladybug–Honeybee interface and the EnergyPlus engine, employing hourly resolution with the Istanbul TMY file. Building envelope definitions included wall sections composed of limestone, Horasan mortar, and brick, and vault roofing sections based on their thermophysical equivalents; U-values were adjusted according to TS 825 standards. Internal loads were derived from the“large office”schedule adapted to the building's current usage scenario. In enclosed spaces, the HB Ideal Air module operated with 70% heat recovery efficiency, while in the courtyard, winter heating and summer night-cooling strategies with natural ventilation were tested. Variations were compiled using TT-Toolbox and Colibri in Excel-CSV format, and energy-comfort-aesthetic correlations were visualized using Pareto analysis on Design Explorer. For model reliability, the same parametric volume was reconstructed in IES-VE; comparisons of total EUI, PMV, operative temperature, and relative humidity showed deviations within a ±5% range. Key findings are as follows: Based on linear conformity scores, gridal-modular patterns C1/C2 achieved over 85% correlation with the historic façade's horizontal–vertical–diagonal ratios and ranked highest in energy-comfort on the Pareto front. Among these, 28% fritted ETFE (SHGC 0.33) optimized heating–cooling balance by preventing summer overheating while preserving passive heat gains in winter. In the existing madrasa, the annual total energy use intensity (EUI) is 713 kWh/m², of which 609 kWh/m² is for heating and 104 kWh/m² for cooling. In courtyard roof scenarios, total EUI decreased to the 376–437 kWh/m² range; heating demand dropped by 52–57%, and total consumption by 38–47%. Although cooling load increased by up to 40% in fully transparent variations, the use of fritted ETFE limited this rise to around 4%. During the winter design week, indoor air temperatures in the courtyard, arcade, and iwan rose from 10–11 °C to 18–19 °C; PMV improved from –1.4 to –0.5, and PPD declined from 26% to 10–12%. In the summer design week, SET fell from 30–31 °C to 26–28 °C, PMV from +1.1 to a +0.36–0.76 range, and PPD from around 25% to 8–17%. Mean radiant and operative temperatures showed similar improvements. Conclusions and recommendations are summarized under five points: (1) The parametric model provides a numerical basis for multi-criteria restoration decisions and can be adapted to similar courtyard structures like caravanserais and archaeological shelters; (2) The double-layer ETFE cushion system offers up to 50% heating energy savings and acceptable summer comfort with minimal intervention to the historic fabric; (3) The linear conformity algorithm enables objective verification of the“original–new”relationship for heritage committees; (4) Post-implementation monitoring with RH sensors and maintenance of demountable structures extends material life; (5) Future studies should expand the model with curved shell geometries, dynamic frit ratios, and life cycle cost analysis. Thus, the research demonstrates that contemporary additions to historic buildings should be conceived not merely as formal complements but as holistic restoration strategies that also account for energy–thermal comfort optimization and material sustainability.
Benzer Tezler
- Tarihi ticari merkezlerde sokak örtüsü tasarım kriterleri geliştirilmesi: Tarsus tarihi ticari merkezi için bir öneri
Developing of street cover design criteria in historical commercial centers: A proposal for Tarsus historical commercial center
DENİZ AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
MimarlıkMersin ÜniversitesiKültür Varlıklarını Koruma Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA AKAR
- Yeni Cami'nin akustik açıdan performans değerlendirmesi
Evaluation of the acoustical performance of the New Mosque
EVREN YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVTAP YILMAZ DEMİRKALE
- Darphane-i Amire'nin demir üst örtü sistemlerinin iki yapı üzerinden incelenmesi ve koruma önerileri
Surveying and conservation proposals of two iron roof structures of Imperial Mint buildings
RABİA ŞENGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. GÜLSÜM TANYELİ
- Amasya Merzifon tarihi taşhan binasının restore edilerek kütüphane olarak işlev kazandırılması
As a function of library Merzi̇fon Amasya was restored building improvement taşhan
MEHMET PAÇACIOĞLU
- 12. yüzyıl Anadolu Türk camileri
12th century Anatolian Turkish Mosques
MUSTAFA GÜLER
Doktora
Türkçe
2005
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKNUR AKTUĞ KOLAY