Yenilikçi ısı depolama sistemi faz değiştiren malzemelerin bina enerji verimliliği üzerindeki etkisinin analizine yönelik yaklaşım: Diyarbakır ve Erzurum örnekleri
The approach of the analysis of the effect of phase change materials as the innovative heat storage system on the building energy efficiency: Diyarbakir and Erzurum samples
Yazar: DAMLA DEPE
Danışman: PROF. DR. AYŞE ZERRİN YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Günümüzde enerji kaynaklarının azalması fakat enerji ihtiyacının artarak sürmesi, fosil yakıtların çevreye verdiği ciddi zararlar, enerji tüketim maliyetlerinin artması, sürdürülebilirlik ve enerji verimliliği kavramlarını öne çıkaran belli başlı etmenlerdir. Binalarda enerji verimliliği ve sürdürülebilirlik kavramları, bina enerji tüketimini en az düzeyde tutmayı amaçlayan yaklaşımlardır.
Günümüz yapıları hangi iklim koşulunda yer alırsa alsın, aynı yapım sistemiyle inşa edilmekte, iklim unsuru bir tasarım parametresi olarak ele alınmamaktadır. Bu iklime duyarlı olmayan tasarım kararları binalardaki enerji tüketim oranını arttırmaktadır. Bina enerji tüketim miktarının azaltılması, büyük ölçüde ilk tasarım kararlarıyla mümkün olmaktadır. Tasarım aşamasında iklim değerleri dikkate alınarak alınan mimari kararlar, bina enerji tüketim optimizasyonunun sağlanması için oldukça önemlidir. 
Bina kabuk tasarımının belirlenmesi, tasarım aşamasında karar verilmesi gereken ve binanın enerji tüketim değerlerini doğrudan etkileyen en önemli unsurlardandır. Kabuk tasarımında enerji verimliliğini sağlayan en önemli tasarım kararlarından biri ısı depolama sistemleridir. Faz değiştiren malzemeler, bu bağlamda bir yeni dönem ısı depolama sistemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Geleneksel mimaride olduğu gibi kalın ısıl kütleler, günümüz mimarisinde hem geniş duvarlar olması hem de yerel malzeme temin sıkıntısı gibi sorunlardan dolayı uygulanamamaktadır. Isıl kütleye enerji etkin bir alternatif olarak faz değiştiren malzemeler düşünülmelidir. Bu çalışmada, bir kabuk elemanı olarak, dış duvar ele alınmış ve içinde faz değiştiren malzemenin de yer aldığı çeşitli duvar alternatifleri oluşturularak, faz değiştiren malzemelerin farklı kullanım koşullarında enerji verimliliğine olan etkisinin analizi gerçekleştirilmiştir.
Bu tez çalışması kapsamında; birinci bölümde; Türkiye ve dünyadaki enerji problemine dikkat çekilmiş, bu problem sonucunda ortaya çıkan enerji verimliliği ve enerji korunumu kavramlarının öneminden bahsedilmiştir. Enerji verimliliği kavramının öneminden referans alınarak çalışmanın amacı anlatılmıştır.
İkinci bölümde; binalarda enerji kullanımından ve bu tüketimin toplam enerji tüketimindeki payından bahsedilmiştir. Bina enerji tüketim miktarlarındaki bu yüksek oranın, enerji etkin bina tasarımının önemini vurguladığından bahsedilerek, enerji etkin bina tasarımını etkileyen parametreler açıklanmıştır. Enerji etkin bina tasarımını etkileyen parametreler açıklanırken, iklim, topoğrafya ve bitki örtüsü gibi dış  çevreye ait tasarım parametrelerinden ve bina konumu, aralıkları, yönlendiriliş durumu, formu, güneş kontrolü ve doğal havalandırma sistemleri, bina kabuğu optik ve termofiziksel özellikleri gibi binaya ait tasarım parametrelerinden bahsedilmiştir. Bina kabuğu optik ve termofiziksel özelliklerin binaya ait tasarım kararları arasında önemli bir yeri olduğundan, binadaki ısı geçişlerinin büyük oranda bina kabuğunda meydana geldiğinden bahsedilmiştir. Bu çalışmada bina kabuğunun önemli özelliklerinden olan ısı depolama üzerine çalışmalar yapılacağı anlatılmıştır.
Üçüncü bölümde; bina kabuğunda ısı depolama sistemleri tanımlanmış ve geleneksel mimaride ısı depolama sistemlerinin değerlendirilmesi yapılmıştır. Öncelikle bina kabuğunun ısı depolamadaki önemi vurgulanmış, daha sonra ısıl kütlenin de bir ısı depolama sistemi olarak yer aldığı güneş enerjisinden yararlanmak için uygulanan temel sistemler konusu kısaca açıklanmıştır. Geleneksel mimaride ısı depolama sistemlerinin değerlendirilmesi yapılırken, ısıl kütlenin iklimle ilişkisi açıklanmış, Türkiye'de görülen beş iklim tipine göre ısıl kütle sistemlerinin değerlendirmesi gerçekleştirilmiştir.
Dördüncü bölümde; bir yeni dönem ısı depolama sistemi olarak faz değiştiren malzemelerin tanımı yapılmış ve kısaca özelliklerinden bahsedilmiştir. Faz değiştiren malzemelerin ısıl performansa ve enerji verimliliğine etkisinin tespitine yönelik yapılan çalışmalar yurtdışı, yurtiçi ve diğer çalışmalar başlıkları altında toplanmıştır. Bu çalışmalarla birlikte faz değiştiren malzemenin kullanım yeri, kalınlığı ve erime noktasının enerji verimliliğine yönelik performansını etkilediği ortaya çıkmıştır. Yapılan çalışmalardan referans alınarak, özgün çalışma bölümü olan beşinci bölüme geçiş yapılmıştır.
Beşinci bölümde; yenilikçi bir ısı depolama sistemi olan faz değiştiren malzemelerin enerji verimliliği üzerindeki etkisinin analizine yönelik yapılan çalışma, Diyarbakır ve Erzurum örnekleri olarak bu bölümde açıklanmıştır. Öncelikle DesignBuilder model verileri belirtilmiş, elde edilen kütle, dış çevre koşulları, iklim verileri ve bina kabuğu katmanlaşma tipleri tek tek detaylandırılmıştır. Döşeme, çatı ve duvar katmanları tablolarla ifade edilmiştir. Çalışmada kullanılan uygulama yönteminin tarifi tapılmıştır. Daha sonra Diyarbakır ve Erzurum örnekleri üzerinden,  pasif ve aktif koşullar altında yapılan ısıl değerlendirmeler grafikselleştirilmiştir. Pasif ve aktif koşullar altında, yaz ve kış dönemleri için iç hava sıcaklık ve operatif sıcaklık değerlerine göre ısıl değerlendirmeler yapılmıştır. Aktif koşullar altında yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji tüketimleri hesaplanmıştır. Erzurum ve Diyarbakır iklim koşulları için tespit edilen iç hava sıcaklık, operatif sıcaklık ve yıllık enerji tüketim değerleri tüm duvar alternatifleri için değerlendirilmiştir. Faz değiştiren malzemenin yerinin, kalınlığının ve erime noktasının her iklim tipi için de değerlendirilmesi yapılmıştır.
Altıncı yani sonuç bölümünde, enerji tüketiminin öneminden ve yol açacağı sorunlardan kısaca bahsederek, ısı depolama sistemlerinin enerji verimliliğine yapacağı olumlu etkilerden söz edilmiştir. Bir yeni dönem ısı depolama sistemi olarak ortaya çıkan faz değiştiren malemelerin irdelenmesi gereken yenilikçi bir sistem olacağından bahsedilmiştir. Faz değiştiren malzeme kullanımının bina enerji verimliliğine etkisinin tespiti amacıyla ortaya konan çalışmanın sebebinden ve genel aşamalarından bahsedilmiştir. Beşinci bölümde bahsedilen çalışmanın gövdesi kısaca özetlenmiş ve sonuçlar ana hatlarıyla aktarılmıştır. Ayrıca faz değiştiren malzemenin enerji verimliliğini etkileyeceği düşünülen ve bu çalışmada yer almayan bazı noktalar aktarılmış ve gelecek çalışmalar için bir hatırlatma notu bırakılmıştır.
Bu tez ile, sıcak-kuru iklim bölgesini temsilen Diyarbakır şehri, soğuk iklim bölgesini temsilen Erzurum şehri iklim verileri baz alınarak, içinde faz değiştiren malzemenin de yer aldığı çeşitli dış duvar alternatifleriyle, enerji verimliliği değerlendirmesi yapılmış ve yenilikçi bir ısı depolama sistemi olan faz değiştiren malzemelerin bina enerji verimliliği üzerindeki etkisinin analizine yönelik bir çalışma gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Nowadays, reducing energy sources but remaining energy demand, crucial damage to environment of fossil fuels , increasing the cost of energy consumption are the major factors that highlights "sustainability and energy efficiency" conceptions. Energy efficiency of buildings and sustainability are conceptions that aim to keep building energy consumption at the lowest level.
Recent buildings whatever climate condition it has, are constructed with the same construction method and climate conditions are not taken account as a design parameter. This climate insensitive design decisions increase the rate of enegy consumption. Initial design decisions considerably make it possible to decrease energy consumption rate in buildings. Design decisions considering climate datas in design stage are quite important to provide energy consumption optimisation. 
Specifying building envelope design is one of the most important factor that should be decided at design stage and affect the value of energy consumption directly.        For envelope design, heat storage system is one of the most important design decision to provide energy efficiency. Phase change materials, for this context are called innovative heat storage system. It is not possible to build thick thermal walls like traditional architecture in today's architecture because of the problems such as lack of local material provision and its thickness, there is another energy efficient alternative, phase change materials. 
In this study, as an element of envelope, exterior wall is taken into account and by forming wall alternatives including phase change materials, it is aimed to analyse of effect of phase change materials under different usage conditions to energy efficiency.
Within the scope of this thesis,the first chapter; the energy problem in Turkey and the world is pointed out, the importance of energy efficiency and energy conservation, which arise as a result of this problem,  are mentioned. The aim is told by basing the importance of energy efficiency conception.
In the second chapter, the energy use of building and the allotment of energy use of buildng in total consumption are mentioned. It is told that this high rate of building energy consumption, emphasize the importance of energy effective building design. Then, the parameters which affect energy effective building design, are detailed. Design parameters belonging to external environment such as, climate, topography and vegetatation and design parameters belonging to building such as, building location, distance, directivity, form, sun control and natural ventilation systems, building envelope optic and thermophysical properties are explained.The importance of building envelope and thermophysical properties among the design parameters belonging to building is mentioned and it is emphasiezed that occurence of heat transmission substantially occurs in building envelope. In this work, Working on heat storage, which is one of the most important envelope properties, is mentioned.
In the third chapter, heat storage system in building envelope are defined and the heat storage in traditional architecture is evaluated. First of all, the importance of building envelope on heat storage is emphasized, afterwards basic systems benefit from solar energy, which include thermal mass as heat storage system, are sketched in. Heat storage systems in traditional architecture are evaluated, then connection between thermal mass and climate is explained. Thermal mass systems are evaluated with regard to five climate zones in Turkey
In the fourth chapter; phase change materials as innovative heat storage system are defined and their properties are mentioned briefly. The studies for determining the effect of phase change materials on thermal performance and energy efficiency are collected under the different titles, such as, foreign, local and other works. These studies prove that the location of phase change materials, thickness and melting point effect the performance of  energy efficiency. With basing these studies, the five chapter, which define as a unique study part, is reached. 
In the fifth chapter, the study of the analysis of the effect of phase change materials as innovative heat storage systems on the energy efficiency are explained in terms of Diyarbakır and Erzurum samples. Initially, Designbuilder model datas are explained, acquired mass, external environemntal conditions, climate datas and the types of envelope layers are explained one by one. Floor, roof and wall layers are revealed with tables. The method statement using in this study is described. After that, in terms of Diyarbakır and Erzurum climates, under the inactive and active conditions, thermal evaluation is shown with graph. Under the inactive and active conditions, summer and winter times indoor air temperature and operative temperature are evaluated in the context of  thermal evaluation. Under the active conditions annual heating, cooling and total energy consumption are calculated. For Diyarbakır and Erzurum climate conditions, indoor air temperature, operative temperature and annual energy consumption values are evaluated for all wall alternatives. The location, thickness and melting point of phase change material are evaluated for both climate types.
In the sixth chapter in other words conclusion part, the importance of energy consumption and leading problems are mentioned briefly. Then, the positive impacts of heat storage systems to energy efficiency are also mentioned. It is mentioned that phase change materials as the innovative heat storage systems should be analysed. The reason of the study, that is for determining the effect of use of phase change materials on building energy efficiency, and general stages of the study are mentioned. The body of the study which were mentioned in the fifth chaper, is summarised briefly and the results of this study are represented with the main lines. Besides some points, that affect the effect of phase change materials on energy efficiency and are not part of this study, are also mentioned and for the futher studies that would be reminder.
With this thesis, with basing to Diyarbakir as a represantitive city of hot-arid climate zone, Erzurum as a represantitive city of cold climate zone, with several wall alternatives including phase change materials, the evaluation of energy efficiency is represented and the analysis of the effect of phase change materials as the innovative heat storage system on energy efficiency are considered.