Duvar ve çatı elemanlarında faz değiştiren malzeme kullanımına dayalı ısıl performansın farklı iklim koşullarına bağlı olarak değerlendirilmesi
Evaluation of the thermal performance based on the use of phase change materials in wall and roof components depending on different climate conditions
Yazar: MERVE ANAYURT
Danışman: DOÇ. DR. İKBAL ÇETİNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Mimari = Architectural

Özet:
Enerji kaynaklarının tükenmeye başlamasıyla ihtiyaca yönelik yeni yöntemler araştırılmıştır. Enerji tüketim sorununa çözüm olarak enerji depolamadan faydalanılan yenilikçi depolama yöntemleri incelenmiştir. Enerji tüketiminde yaşanan yoğunluğa en fazla inşaat sektörünün sebep olduğu belirlenerek sorunun çözümüne yönelik arayışlar gerçekleştirilmektedir. Bina kabuklarında enerji depolama performansının çevresel etmenlere göre değişiklik gösterdiği bilinmekle birlikte; bina elemanlarının da depolamada taşıdığı önem gözardı edilmemelidir. Yenilikçi depolama malzemesi olarak kullanılan faz değiştiren malzemelerin bina elemanlarında kullanımı ile enerji verimlilik arttırılabilmektedir. Tez çalışmasının birinci bölümünde; enerji depolamanın öneminden bahsedilerek, çalışmanın amacı, kapsamı ve yöntemi açıklanmıştır. Enerji depolama yöntemi ile binalarda ısıl enerji depolama malzemelerinin kullanımına yönelik oluşturulan çalışma amacı ve kapsamı ile ilgili bilgi verilmiştir. İkinci bölümde; yenilenebilir enerji kaynaklarının etkin kullanılamaması kaynaklı enerji tüketimi artışından ve enerji depolamaya duyulan ihtiyaçtan bahsedilmiştir. Enerji depolama sistemleri olan duyulur ısı, gizli ısı ve termokimyasal reaksiyon ısısı ile ilgili bilgi verilmiştir.  Maddenin hal değişimi sırasında aldığı veya verdiği ısı olan gizli ısının; diğer ısıl depolama yöntemlerinden farkı belirtilerek, çevresel etmenlerin enerji verimliliğinin ve ısıl konforun iyileştirilmesine sağladığı katkı vurgulanmıştır. Üçüncü bölümde; gizli ısı depolama malzemelerinden biri olan FDM'ler ve binalarda uygulanma yöntemleri ile ilgili bilgi verilmiştir. Deney ve benzetim yöntemi ile duvar ve çatı elemanlarında FDM uygulamalarının yapıldığı araştırmalar incelenerek, çalışma sonuçları değerlendirilmiştir. Dördüncü bölümde; çalışmada kullanılacak benzetim yöntemi belirlenerek, program verilerinin girilmesi sağlanmıştır. TS 825'te verilen beş farklı derece-gün bölgelerinden birinci bölge için İzmir, ikinci bölge için İstanbul, üçüncü bölge için Ankara, dördüncü bölge için Van ve beşinci bölge için Erzurum illeri seçilmiştir. DesignBuilder benzetim programı aracılığıyla bölgelere göre duvar ve çatı elemanlarında enerji tüketim değerlendirilmesinin yapılmasına yönelik bina modellemesi oluşturulmuştur. İklim veri dosyaları, bina ısıtma-soğutma değerleri, kullanıcı yoğunlukları, havalandırma sistemleri gibi veriler programa eklenmiştir. Sonrasında sadece yalıtım malzemesinin olduğu ve yalıtım ile birlikte FDM'nin kullanıldığı duvar ve çatı katmanlaşma seçenekleri oluşturulmuştur. Farklı derece-gün bölgelerine göre yapılan çalışmada, farklı erime sıcaklıklarına, farklı FDM şilte kalınlıklarına ve katmanlaşmada bulunan farklı konumlarına göre aylık/yıllık enerji yükü değerleri incelenmiştir.
Beşinci bölümde; benzetim çalışmalarından çıkan veri sonuçlarının değerlendirilmesi yapılmıştır. Farklı derece-gün bölgelerinde, FDM erime sıcaklıklarına, FDM şilte kalınlıklarına ve FDM konumuna göre oluşturulan seçeneklerin enerji yükleri esas alınarak etkinlikleri karşılaştıırlmış ve her bölge için ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyacına göre etkin FDM'li seçenekler tespit edilmiştir.  
Çalışmada farklı derece-gün bölgelerine göre temsil edilen beş farklı ilde; duvar ve çatı katmanlaşmasında yalıtım ile birlikte FDM kullanımının yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji yüküne olan etkileri değerlendirilmiştir ve oluşturulan FDM'li seçeneklerinin bölgelere göre etkinlik oranları değerlendirilmiştir.

Abstract:
Today, with the depletion of energy resources, the search for energy efficiency and the examination of energy consumption have gained priority. It is determined that the construction sector is the cause of the most intense energy consumption, and searches are carried out for the solution of the problem. Energy storage systems are used to reduce energy expenditures, to provide indoor comfort conditions and to reduce the use of mechanical systems that cause energy consumption in buildings with the highest energy consumption. Although it is known that energy storage performance in buildings varies according to environmental factors; the importance of building elements in storage should not be overlooked. The needs for reducing energy consumption in buildings located in different regions differ according to regional climatic conditions. In order to reduce energy consumption from heating and cooling energy in buildings, buildings should be designed according to energy efficient design criteria. The thermal performance of the building envelope, which consists of building elements such as walls, roofs and ground level, which controls the effects of environmental climatic conditions by separating the interior from the exterior in buildings, affects the heating and cooling systems in buildings. Improving the thermal performance of the building envelope by increasing the thermal storage capacity of the building is important in reducing energy consumption. Building energy efficiency can be increased by adding phase change materials used in building envelope designs to the building envelope or building materials by making use of innovative storage systems. It is used as an alternative to reducing the need for heating and cooling in buildings by storing the energy released during phase change in the material as latent heat. Storage is realized with active or passive systems. In the first part of the thesis; By mentioning the importance of energy storage, the purpose, scope and method of the study are explained. Information about the purpose and scope of the study created for the use of thermal energy storage materials in buildings with the energy storage method is given. In the second part; The increase in energy consumption due to the ineffective use of renewable energy sources and the need for energy storage are mentioned. Information about sensible heat, latent heat and thermochemical reaction heat, which are energy storage systems, is given. Latent heat, which is the heat that the substance takes in or gives off during the process; It is more advantageous than other thermal storage methods in that it can store higher thermal energy per substance and store and release heat at a constant temperature during phase transition. Its contribution to the improvement of energy efficiency and thermal comfort according to environmental factors was emphasized. In the chapter, the effects of the building envelope on energy storage are mentioned and it is mentioned that the energy storage feature of the building elements varies according to the regional climatic conditions. In the third part; Information about PCMs, which is one of the latent heat storage materials, and their application methods in buildings is given. Information about parameters such as melting temperature, thickness, climate type and energy storage capacity are given for effective PCM use. Various scientific publications about the application methods in buildings and the product catalogs of companies containing information about the material were used. The results of the study were evaluated by examining the national/international studies on PCM applications in wall and roof elements by experiment and simulation method. In the third part; Information about PCMs, which is one of the latent heat storage materials, and their application methods in buildings is given. Information about parameters such as melting temperature, thickness, climate type and energy storage capacity are given for effective PCM use. Various scientific publications about the application methods in buildings and the product catalogs of companies containing information about the material were used. The results of the study were evaluated by examining the national/international studies on PCM applications in wall and roof elements by experiment and simulation method. In the fourth chapter; The simulation method to be used in the study was determined and the program data was entered. Among the five different degree-day regions given in TS 825, İzmir was chosen for the first region, Istanbul for the second region, Ankara for the third region, Van for the fourth region and Erzurum for the fifth region. Building modeling was created to evaluate the energy consumption of wall and roof elements according to the regions through the DesignBuilder simulation program. In the DesignBuilder simulation program, the effect of using PCMs in mattress form was investigated, and the effect of using PCMs at different melting temperatures was evaluated. The hypothetical office building was modeled, and data such as climate data files, building heating-cooling values, user densities, and ventilation systems were added to the program. Afterwards, wall and roof layer options were created where only insulation material is used and PCM is used together with insulation. In the study carried out according to different degree-day regions, monthly/yearly heating, cooling and total energy load values were examined according to different melting temperatures, different PCM mattress thicknesses and different positions in the layer.
In the fifth section; The data results obtained from the simulation studies were evaluated. In different degree-day regions, the efficiencies of the options created according to PCM melting temperatures, PCM mattress thicknesses and PCM position were compared on the basis of their energy loads, and options with effective PCM were determined for each region according to the heating and cooling energy needs. In the study, five different provinces represented according to different degree-day regions; In this study, the effects of PCM usage together with insulation in wall and roof stratification on annual heating, cooling and total energy load were examined and the efficiency ratios of the PCM options according to the regions were evaluated. The fact that the use of PCM reduces the heating and cooling load, leads to a decrease in electricity and natural gas consumption and the costs to be incurred. Conducting measurement-based experimental studies on wall or roof elements with PCM applied in real conditions in different degree-day regions and evaluating the results obtained from these studies in comparison with the simulation results will contribute to the reliability of the efficiency expected from thermal energy storage at a higher level.