Türkiye'de uygulanacak eğitim yapılarının mimari tasarım ve dış cephe kaplama malzemesi özelliklerine göre çevresel etki yüklerinin değerlendirilmesi
Evaluation of environmental impact loads based on architectural design and exterior cladding material characteristics in educational buildings
- Tez No: 949524
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CANER GÖÇER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 185
Özet
Yapı sektöründe enerji tüketiminin ve çevresel etkilerin azaltılması, sürdürülebilir tasarımın temel hedeflerinden biridir. Özellikle eğitim yapıları gibi yoğun kullanıcıya sahip kamu binalarında, dış duvarların enerji etkin, düşük karbon salımlı ve çevresel sürdürülebilirlik ilkelerine uygun biçimde tasarlanması; hem yapı performansını artırmak hem de uzun vadeli çevresel etkileri en aza indirmek açısından büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle, sürdürülebilir tasarımın temel hedeflerinden biri olarak enerji tüketiminin ve çevresel etkilerin azaltılması, dış duvar sistemlerinin bütüncül bir yaklaşımla ele alınmasını gerektirmektedir. Türkiye'deki eğitim yapılarında dış duvar sistemleri çoğunlukla maliyet odaklı yaklaşımlarla şekillenmiş; iklime duyarsız, düşük performanslı malzemeler, yetersiz yalıtım sistemleri ve sınırlı cephe organizasyonları tercih edilmiştir. Bu durum hem kullanıcı konforunu hem de yapıların çevresel etkilerini olumsuz yönde etkilemektedir. Betonarme ve yığma taşıyıcı sistemlerde dış duvarların yalnızca dolgu işlevi görmesi, malzeme çeşitliliğini ve katmanlaşma entegrasyonunu sınırlandırmakta; özellikle yalıtım eksiklikleri, yapı ömrünü kısaltmakta ve karbon salımını artırmaktadır. Bu nedenle, dış duvarların sağlık, güvenlik, enerji verimliliği ve çevresel sorumluluk ilkeleri doğrultusunda yeniden ele alınması gerekmektedir. Konuya ilişkin yapılan literatür inceleme verilerine göre yaşam döngüsü analizi, gömülü enerji hesaplamaları ve malzeme sürdürülebilirliği gibi kavramlar çerçevesinde cephe sistemlerinin değerlendirilmesine yönelik çok sayıda çalışma bulunsa da hazır dış cephe sistemlerinin tüm bileşenleriyle birlikte diğer duvar katmanlarının da dikkate alındığı çok katmanlı, bütüncül bir yaklaşımla yapılan çalışmaların sınırlı olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada, öncelikle Türkiye genelinde ortaöğretim binalarının plan tipi, cephe düzeni ve dış cephe kaplama malzemesi özelliklerine bağlı seçenekler belirlenmiştir. Söz konusu seçeneklerin çevresel etkileri bağlamında karbon salınım yükleri One Click LCA yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Hesap verilerine göre ilgili binaların mimari tasarım ve dış cephe kaplama malzeme özelliklerine göre çevresel etkilerinin değişimi karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bulgular, mimari ve cephe kaplama malzemesi özelliklerinin belirleyici etkiler yarattığını ortaya koymuştur. Çalışmanın sonuçları mimari ve malzeme özelliklerinin birbirinden bağımsız olarak değil, entegre biçimde ele alınmasının sürdürülebilir tasarım açısından önemli olduğunu göstermektedir. Çalışmada analiz edilen altı farklı cephe kaplama malzemesi – alüminyum kompozit panel, masif ahşap, ahşap kompozit, granit, seramik ve porselen levha – üretim süreçlerindeki karbon salımı potansiyelleri açısından karşılaştırılmıştır. Alüminyum kompozit yüksek karbon salımı ile en dezavantajlı malzeme olarak öne çıkarken, masif ahşap düşük karbon salımıyla en çevreci alternatif olarak belirlenmiştir. Ancak malzemelerin iklime, yapım sistemine, bakım gereksinimlerine ve cephe düzenine göre performansları farklılaşmakta; buna bağlı olarak tasarım kararlarının bu bağlamda ele alınması zorunlu hale gelmektedir Cephe düzenleme biçimleri (düz, yatay, düşey, modüler, strüktürel) ve mimari plan tipleri (dikdörtgen, avlulu, L tipi, H tipi) arasındaki kombinasyonlar, her cephe sisteminin karbon salımı üzerindeki etkisini doğrudan değiştirmektedir. Örneğin, alüminyum kompozit + modüler cephe + avlulu plan tipi bileşimi karbon salımı bazında en yüksek değeri üretirken; masif ahşap + düz cephe + dikdörtgen plan tipi bileşimi salım değeri olarak en düşük değeri göstermiştir. Bu veriler, plan tipi ve cephe düzeninin, malzeme kadar karbon salımını etkileyen yapısal kararlar olduğunu göstermektedir. Bu bağlamda, dış duvar sistemlerinin tasarımında sadece malzeme seçimi değil; plan tipolojisi ve cephe düzenleme biçimi de karbon salımı açısından kritik öneme sahiptir. Elde edilen veriler, kompakt plan tiplerinin çevresel performans açısından daha avantajlı olduğunu; düz cephe etkisinin ise karbon salımını azaltmada etkili olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, malzeme türleri arasında masif ahşabın tüm kombinasyonlarda düşük karbon salımı değerleri sunduğu; buna karşılık alüminyum kompozitin her senaryoda en yüksek değeri ürettiği görülmüştür. Bu durum, yapı tasarımında çevresel etkileri azaltmaya yönelik kararların yalnızca tekil değil, bütüncül biçimde alınması gerektiğini göstermektedir. Sürdürülebilir dış duvar tasarımında bu üç temel bileşenin bütünleşik olarak ele alınması, çevresel etkilerin ve karbon salımının azaltılması, enerji verimliliğinin artırılması ve dirençli yapılaşmanın sağlanması bakımından önemlidir. Gelecek çalışmalarda, bu üçlü tasarım bileşeninin farklı iklim bölgelerinde uzun vadeli performans analizleri, kullanıcı konforu, bakım maliyetleri ve enerji tüketimi ile ilişkilendirilerek modellenmesi; sürdürülebilir mimari tasarıma yönelik daha güçlü karar mekanizmalarının oluşturulması bakımından katkı sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Reducing energy consumption and mitigating environmental impacts in the construction sector represent fundamental goals of sustainable architectural practice. As buildings account for a significant portion of global energy use and greenhouse gas emissions, enhancing the environmental performance of building envelopes—particularly exterior wall systems—has become increasingly critical. According to global estimates, nearly 40% of energy consumption and around 30% of total greenhouse gas emissions are directly associated with buildings during their construction and operational stages. Consequently, the building envelope, acting as a boundary between internal conditioned spaces and the external environment, plays a crucial role in regulating thermal behavior, air and moisture flow, natural lighting, and overall energy efficiency. Within this scope, educational facilities stand out as high-priority typologies due to their public character, intense occupancy patterns, large spatial requirements, and extended operational lifespans. These buildings, often in use for decades and serving diverse user groups daily, exhibit considerable environmental impact through their energy consumption and material demand. Therefore, the design of exterior walls in educational buildings must emphasize energy efficiency, low embodied carbon, and sustainable material choices, positioning façade systems as central elements within the broader framework of environmentally responsible design. To meet these performance goals, a systems-based design approach becomes imperative—one that simultaneously considers thermal insulation, material lifecycle, structural durability, environmental adaptability, and architectural articulation as interconnected design variables. In this integrated framework, exterior wall systems are no longer viewed as isolated surface treatments but rather as composite assemblies that contribute significantly to both building performance and user well-being. However, in Turkey, the design and construction of façade systems in educational architecture have traditionally been shaped by cost-driven considerations rather than long-term performance-based strategies. This tendency has led to the widespread use of economically accessible yet environmentally underperforming materials, minimal insulation standards, and façade designs that are indifferent to orientation, climatic context, or building usage patterns. As a result, the thermal, visual, and acoustic comfort levels within educational buildings are often compromised, and environmental efficiency targets remain unmet. Moreover, in most reinforced concrete and masonry structures, exterior walls function merely as non-loadbearing infill elements. This reductive interpretation not only marginalizes the technical potential of walls as multifunctional layers but also restricts the adoption of advanced façade strategies involving thermal zoning, solar control, moisture management, and renewable energy integration. The oversimplification of the wall's role results in underperforming building envelopes that contribute to higher levels of embodied carbon and prolonged operational energy consumption. While numerous studies have addressed individual aspects of façade performance—such as material properties, Life Cycle Assessment (LCA), and energy simulations—there remains a noticeable research gap in holistic evaluations that consider façades as integrated systems. These include substructures, cladding layers, insulation materials, fastening techniques, and articulation strategies. The lack of a comprehensive, systemic approach limits architects and engineers in making fully informed, environmentally sound decisions during early design stages, particularly in climate-sensitive geographies like Turkey. In response to this gap, the current study examines the relationship between environmental performance and design variables such as architectural plan typology, façade articulation, and cladding material alternatives within the context of Turkish secondary education buildings. Four common plan typologies were analyzed: courtyard, L-shaped, H-type, and rectangular configurations. Each was assessed for its surface-to-volume ratio, compactness, and potential impact on material usage and energy loss. Similarly, five façade organization types were included in the analysis: flat, vertical, horizontal, modular, and structural façade arrangements. To evaluate the environmental footprint of various design combinations, the study employed the One Click LCA platform—a recognized tool for assessing embodied carbon based on Environmental Product Declarations (EPDs). Six cladding materials frequently observed in Turkish educational architecture were selected for analysis: aluminum composite panels, solid wood, wood composite, ceramic tiles, granite, and porcelain panels (formerly referred to as sinterflex). Each material was analyzed in terms of its production-phase carbon emissions, recyclability, sourcing locality, and compatibility with architectural form and plan layout. The results indicated a wide range of carbon emissions depending on both material and configuration. Aluminum composite panels, while prevalent in current construction practice due to their durability and aesthetic flexibility, yielded the highest embodied carbon emissions across most scenarios—surpassing 450,000 kgCO₂e in courtyard + modular façade combinations. In stark contrast, solid wood emerged as the lowest-emitting material, attributed to its renewable origin, minimal processing energy, and low transportation impact when sourced locally. Porcelain panels and granite displayed intermediate emission profiles, with their environmental favorability heavily dependent on installation complexity and origin of raw materials. Beyond material data, the study highlighted the significant influence of spatial configuration. For instance, rectangular and H-type plan layouts generated higher emissions compared to compact courtyard or L-shaped buildings due to increased façade surface area and thermal exposure. Likewise, modular façade organizations, though visually dynamic, required more material and substructure support, leading to elevated embodied carbon. The most environmentally favorable outcome was achieved through a compact courtyard plan using solid wood cladding and a flat façade organization—illustrating how the alignment of plan typology, material, and geometry is essential for carbon-conscious design. These findings affirm that sustainability in exterior wall systems cannot be achieved through material selection alone. Instead, spatial planning, volumetric compactness, construction detailing, and envelope articulation play equally critical roles. Compact configurations, such as courtyard or L-shaped plans, inherently limit thermal bridges and external exposure, thereby reducing both material requirements and operational energy losses. Additionally, these forms often allow for more controlled orientation strategies, enhancing passive solar gains and daylight utilization. This integrated efficiency becomes particularly valuable in educational buildings, where long-term operational performance directly impacts user comfort and institutional resource management. Simplified façade designs, such as flat systems, further enhance material efficiency and installation speed while minimizing waste and transportation-related emissions. Notably, solid wood consistently outperformed other materials in low-carbon scenarios, validating its potential as a preferred material for educational building façades. Beyond environmental metrics, solid wood also contributes positively to indoor environmental quality, with studies showing its beneficial effects on cognitive performance, stress reduction, and biophilic engagement—factors of particular relevance in academic settings. In contrast, aluminum composite panels consistently underperformed environmentally, regardless of the plan type or façade articulation, warranting a re-evaluation of their widespread application in light of Türkiye's national carbon neutrality ambitions. Ultimately, the study underscores the necessity of integrated design thinking in sustainable architecture. Decisions about form, function, material, and detailing must be considered collectively rather than in isolation. A multidisciplinary approach—linking environmental science, architectural theory, building technology, and policy frameworks—is essential to guide future design practices toward decarbonized and resilient construction. In conclusion, the integrated assessment of architectural plan typology, façade organization, and cladding material selection presents a comprehensive framework for advancing sustainable exterior wall systems in educational buildings. The findings emphasize that sustainability cannot be achieved through material choice alone; rather, it requires a holistic approach where spatial planning, volumetric compactness, construction detailing, and façade articulation are all addressed in unison. Compact building forms—such as courtyard and L-shaped configurations—not only reduce material use and thermal exposure but also enhance overall energy efficiency. Similarly, simplified façade arrangements like flat systems promote material economy and ease of installation, while minimizing waste and transportation impacts. Among the materials analyzed, solid wood emerged as the most environmentally favorable option, offering both low embodied carbon and additional benefits related to indoor environmental quality—attributes that are especially valuable in academic settings. Conversely, aluminum composite panels consistently demonstrated poor environmental performance across all configurations, suggesting an urgent need to reassess their widespread use in light of Turkey's carbon neutrality targets. For these sustainable strategies to translate into mainstream practice, however, regulatory frameworks and institutional mechanisms must evolve in parallel. Incorporating LCA metrics into design guidelines, incentivizing the use of environmentally responsible materials, and fostering interdisciplinary collaboration among architects, engineers, and policymakers are critical steps forward. Through such integrated and policy-aligned efforts, educational buildings can be reimagined not just as functional spaces, but as active contributors to a low-carbon, resilient built environment.
Benzer Tezler
- İstanbul'da eğitim donatımlarının planlanmasına ve uygulanmasına yönelik model araştırması
Model research on planning and application of education infrastructures in Istanbul
SUAT ÇABUK
Doktora
Türkçe
2003
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜCEL ÜNAL
- Biyofilik tasarımda dikey bahçe kullanımı: Maslak no.1 örneği
Use of vertical garden in biophilic design: Maslak no.1 example
EBRU ÇARDAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İç Mimari ve DekorasyonBahçeşehir Üniversitesiİç Mekan Tasarımı Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EFSUN EKENYAZICI GÜNEY
- Sismik taban yalıtımı ve enerji sönümleyici sistemlerin mimari tasarıma etkileri
Effects of seismic base isolation and energy damping systems on architectural design
HİLAL GÜNAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECDET TORUNBALCI
- Mimarlıkta döngüsel tasarım yaklaşımı: Karar verme mekanizmaları için kavramsal bir çerçeve
Advancing circular design in architecture: A framework for decision-making mechanisms
AYŞE CEYLİN CEYDA HÜNDAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU
- Erken Cumhuriyet mimarisini Ernst Egli üzerinden okumak
Reading Early Republican architecture through Ernst Egli
MURAT ERDAL DERE