Konut yerleşmelerinin tasarımında enerji ve günışığı performansını değerlendirmeye yönelik parametrik bir model önerisi: İstanbul örneği
A parametric model proposal to evaluate energy and daylight performance in design of housing settlements: The case of Istanbul
Yazar: İDİL ERDEMİR KOCAGİL
Danışman: PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Doğal aydınlatma = Daylighting ; Enerji etkin yaklaşım = Energy efficient approach ; Enerji etkin yerleşim birimi = Energy efficient settlement unit ; Kentsel konut = Urban housing ; Konut tasarımı = Housing design ; Parametrik tasarım = Parametric design

Özet:
İnsanın gereksinmelerini karşılaması için doğaya karşı verdiği çaba, hızlı yapılaşma ve plansız kentleşme, ekolojik yapının bozulmasına ve enerji kaynaklarının tükenmesine yol açmaktadır. Enerji ve çevre sorunlarına çözümler geliştirerek gelecek kuşakların gereksinmelerini karşılamalarına olanak sağlamayı hedefleyen sürdürülebilir yapma çevreleri oluşturulmasında güncel bir yaklaşım olarak enerji etkin tasarım anlayışı benimsenmelidir. Özellikle, küresel enerji tüketiminin önemli bölümünden sorumlu olan kentsel yerleşmelerin uzun yıllar boyunca değişmeden binaların konfor koşulları üzerinde etkili oldukları göz önünde bulundurulduğunda, enerji etkin olarak tasarlanmaları gerekmektedir. Bu doğrultuda, sürdürülebilir bir enerji kaynağı olan güneş enerjisinden optimum yarar sağlamak için ön tasarım sürecinde doğru kararlar alınarak uygun kentsel geometrilerin geliştirilmesi önemlidir. Bu sayede, yerleşme dokusunu oluşturan binaların güneş ışınımı ve günışığı kazançlarını optimize ederek, gerekli konfor koşullarını daha az aktif enerjiye ihtiyaç duyarak sağlamak mümkün olacaktır.
Diğer taraftan, enerji kaynakları açısından büyük oranda dışa bağımlı ve dünya ortalamasının üzerinde bir enerji talebi ile karşı karşıya olan Türkiye için enerjinin etkin kullanımı zorunludur. Türkiye'de yıllık toplam enerji tüketiminin yaklaşık dörtte birinden konut yerleşmelerinin sorumlu olduğu düşünülürse, sürdürülebilir konut üretiminde enerji etkin yaklaşımın uygulanmasının gerekliliği açıktır. Ancak, Türkiye'de konu alanındaki yasal mevzuatın çoğunlukla belirlenen enerji ve çevresel faktörlerin sağlanıp sağlanmadığının sorgulanması ile sınırlı kaldığı görülmektedir. Bu açıdan enerji etkin sürdürülebilir konut yerleşmelerinin üretilmesine altyapı sağlayacak kapsamlı çalışmaların yapılmasına ve uygulanabilir kriterlerin tanımlanmasına ihtiyaç vardır. Bu amaçla, bu tez kapsamında enerji etkin sürdürülebilir konut yerleşmelerinin üretilmesine yönelik olarak ön tasarım sürecinde proje paydaşlarına yol gösterecek veriyi derlemek amacıyla binaların enerji ve günışığı performansının değerlendirilmesine olanak sağlayan bir model önerisi sunulmaktadır. 
Bu hedef doğrultusunda sunulan model, dört adımdan oluşmaktadır:
Birinci adımda; mevcut ulusal yönetmeliklerin konut üretimi üzerindeki kısıtlamaları dikkate alınarak, çalışma kapsamında analiz edilecek referans konut binasını tanımlamak amacıyla iklime ilişkin tasarım parametreleri, kullanıcıya ilişkin tasarım parametreleri, yerleşme ve binaya ilişkin tasarım parametreleri ve aktif bina alt sistemlerine ilişkin tasarım parametreleri için uygun değerler belirlenmektedir.
İkinci adımda; tüm binaların tasarım parametresi değerlerinin referans binanın değerlerine eşit olduğu varsayılarak, yerleşme dokusu ve binaya ilişkin tasarım parametrelerine (yer, yerleşme dokusunda bina aralıkları, bina ve yerleşmenin formu, bina ve yerleşmenin yönlendiriliş durumu, bina kabuğunun optik ve termofiziksel özellikleri) tanımlanan değerlerin çeşitli kombinasyonları ile yerleşme dokusu senaryoları üretilmektedir. 
Üçüncü adımda; tasarım parametrelerinin enerji ve günışığı performansına etki düzeylerinin tanımlanmasına ilişkin olarak geliştirilen model çerçevesinde yerleşme dokusu senaryolarında tanımlanan referans binanın enerji ve günışığı performansı iki aşamalı bir değerlendirme süreci ile analiz edilmektedir. Birinci değerlendirme aşaması kapsamında tasarım parametrelerinin bina düzeyinde enerji performansına etkilerinin belirlenmesi amacıyla; öncelikle yerleşme ve binaya ilişkin tasarım parametreleri için tanımlanan alternatiflerin bina enerji tüketiminde yarattığı farklar karşılaştırılarak enerji etkin senaryolar belirlenmekte, ardından enerji etkin olarak belirlenen senaryolarda bina kabuğuna (dış duvar bileşeni ve saydamlık oranı) ve bina kabuğuna eklenen kontrol sistemlerine (güneş kontrolü sistemleri) ilişkin tasarım parametrelerine farklı alternatifler tanımlanarak bina enerji performansında sağlanan iyileştirme düzeyleri analiz edilmektedir. İkinci değerlendirme aşaması kapsamında ise yerleşme ve binaya ilişkin tasarım parametrelerinin modül düzeyinde enerji ve günışığı performansına etkilerinin karşılaştırılması amacıyla yerleşme dokusu senaryosu grupları belirlenerek sırasıyla; plan tipi, kat sayısı, H/W oranı ve yerleşme tipi parametrelerinin modül düzeyindeki etkileri analiz edilmektedir.
Dördüncü adımda; regresyon analizleri sayesinde tasarım parametrelerine ilişkin determinasyon katsayıları (R2) hesaplanarak her bir tasarım parametresinde yapılacak değişikliğin binaların enerji ve günışığı performansını hangi düzeyde etkileyeceği ortaya konulmaktadır. Bu sayede, proje paydaşları tasarım sürecinde değişkenler arası denge kurarak, üretilecek konut yerleşmelerinin enerji ve günışığı performansının iyileştirilmesine yönelik tasarım parametrelerine uygun değerler belirleyebilmeleri için yol gösterici önerilerin sunulması amaçlanmaktadır.
Türkiye koşullarına uygun enerji ve günışığı etkin konut yerleşmelerinin tasarım süreçlerine katkı sağlamak amacıyla tez çalışması kapsamında sunulan model, ülkede en yüksek nüfus yoğunluğu ve konut üretimi oranına sahip İstanbul ili (ılımlı nemli iklim bölgesi) için uygulanmıştır. Uygulama çalışması kapsamında; plan tipi (kare, dikdörtgen), kat sayısı (3, 5, 10, 15), H/W oranı (0.50, 1.00, 2.00), yerleşme tipi (nokta blok, sıra blok) ve yönlendiriliş durumu (0°, 45°, 90°, 135°) parametrelerinin çeşitli kombinasyonları ile geliştirilen 144 yerleşme dokusu alternatifi içerisinde uygulama açısından rasyonel olan 120 alternatif, yerleşme dokusu senaryosu olarak tanımlanmıştır. 
Yerleşme dokusu senaryolarında yer alan referans binanın enerji ve günışığı performansı yapılan analizler aracılığıyla değerlendirilerek, elde edilen sonuçlar bina ve modül düzeyinde ortaya konmuştur. Bina düzeyinde elde edilen sonuçlara göre, geliştirilen 120 yerleşme dokusu senaryosu kıyaslandığında referans binanın toplam (ısıtma+soğutma+aydınlatma) enerji tüketiminde %33 oranına varan farklar ortaya çıkmıştır. Bu sonuç plan tipi, kat sayısı, H/W oranı, yerleşme tipi ve yönlendiriliş durumu parametrelerine uygun değerler belirlenerek belirli bir alan için oluşturulacak kentsel geometri aracılığıyla konut binalarının enerji etkinliğinin önemli düzeyde arttırılabileceğini kanıtlamaktadır. Ayrıca uygun opak dış duvar bileşeni, saydamlık oranı değeri ve güneş kontrol sistemi alternatiflerinin referans binaya uygulanması ile toplam (ısıtma+soğutma+aydınlatma) enerji tüketiminde %21 oranına varan azalmalar elde edilerek; kentsel geometrinin belirli olduğu durumlarda bina kabuğu ve bina kabuğuna eklenen kontrol sistemlerine ilişkin tasarım parametrelerinin değiştirilmesi ile bina enerji performansında kayda değer iyileştirmeler sağlanabileceği ortaya konmuştur. 
Modül düzeyinde elde edilen sonuçlara göre, aynı binada yer alan modüllerin bulundukları kata bağlı olarak güneş erişim düzeyleri ve enerji tüketimleri arasında kayda değer farklar oluşmaktadır.  Alt katlardaki modüllerin güneş erişimini arttıran ve üst katta yer alan modüllerin ise azaltan çözümlerin tasarıma uygulanması sayesinde modül düzeyinde yapılacak optimizasyonlar aracılığıyla aynı binada yer alan modüllerin enerji tüketimleri ve günışığı erişim düzeyleri arasındaki farkın azaldığı; bu sayede binanın enerji ve günışığı performansının bütüncül olarak arttırılabildiği görülmüştür. Ayrıca, aynı katta yer alan modüller arasında yönlendiriliş durumuna bağlı olarak katta iki modül bulunan dikdörtgen planlı binalarda yönler arası ortaya çıkan fark oldukça düşük iken, katta dört modül bulunan kare planlı binalarda bu farkın daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.
Tez çalışmasında, ön tasarım sürecinde doğru kararların alınabilmesi için farklı ölçeklerde yapılan analizler aracıyla tasarım alternatiflerini enerji tüketimi ve günışığı erişimi düzeyleri üzerinden değerlendiren performans odaklı bir model sunulmuştur. İlerleyen süreçlerde Türkiye'de üretilecek konut yerleşmelerinin ön tasarım süreçlerinde geri dönüşü olmayan hataların yapılmasına engel olmak için geliştirilen modelin farklı iklim bölgelerine uygulanarak, enerji ve günışığı etkin yapma çevrelerin gelişimine katkı sağlayacak kapsamlı verilerin derlenmesi hedeflenmektedir.

Abstract:
The effort of man against nature to meet his needs leads the world to the deterioration of the ecological structure and the depletion of energy resources due to unplanned urbanization. As a solution to these problems, energy efficient sustainable approach should be adopted in architecture in order to enable future generations to meet their needs while creating healthy and comfortable artificial environments. Energy efficient sustainable design of urban settlements, which are responsible for a significant part of global energy consumption, is considered as an effective approach in this regard. Considering that the urban geometry has been effective on the comfort conditions of the buildings for many years without changing, it is possible to minimize the energy consumption of the buildings by designing the settlements as energy and daylight efficient.  For this purpose, it is important to determine the appropriate urban geometry at the preliminary design stage in order to optimize solar energy as a sustainable energy source. Thus, buildings with optimum solar radiation gain and daylight penetration can provide the necessary comfort conditions by minimizing active energy use. 
On the other hand, it is important for Turkey, which is largely foreign-dependent in terms of energy resources and facing an energy demand above the world average, to adopt a sustainable design approach as soon as possible. Moreover, while the production of housing settlements, which are responsible for approximately one fourth of the annual total energy consumption, continues rapidly, it is of great importance to integrate the energy efficient sustainable design approach into the housing production process. However, the current legal regulations developed regarding energy efficient housing settlements in Turkey are mostly remained limited to questioning whether the determined energy and environmental factors are provided. In this respect, it is necessary to carry out comprehensive studies that will provide data for the production of energy efficient housing settlements and to determine applicable criteria for Turkey. Therefore, within the scope of this thesis, a model proposal is presented that allows the evaluation of the energy and daylight performance of buildings in order to compile data that will guide the project stakeholders in the preliminary design process for the production of sustainable housing settlements.
The model presented in line with this goal consists of four steps: 
In the first step; considering the limitations of current national regulations on housing construction, appropriate values are determined in order to define the reference residential building for the design parameters related to climate, design parameters related to occupants, design parameters related to settlement, and building and design parameters related to active building sub-systems. 
In the second step; assuming that all buildings have the same properties as the reference building, the settlement scenarios are generated based on the combinations of the values defined for design parameters related to settlement and building (site, distance between buildings, building and settlement form, orientation, optical and thermophysical properties of the building envelope). By generating various settlement textures, the parametric method enables to simplified hypothetical urban model, which enhanced control of analytical variability by removing limitations regarding the site used to investigate the correlation between design parameters and building performance.
In the third step; the correlation between design parameters and building performance is investigated by analyzing the energy and daylight performance of the reference building defined in the settlement scenarios with a two-stage evaluation process. Within the scope of the first evaluation stage, the effects of design parameters on the energy performance at building level are evaluated by comparing the results of final energy consumption (heating, cooling and lighting) per module (kWh/module/a) obtained from the energy analyzes performed for the reference building. First of all, energy efficient scenarios are determined by comparing the energy consumption of the reference building in different urban geometries generated from various combinations of design parameters related to settlement texture and building on building energy performance. Then, the improvement levels in the building energy performance of energy efficient scenarios are analyzed by defining different alternatives to the design parameters related to building envelope (opaque exterior wall component and transparency ratio) and control systems added to the building envelope (solar control systems).Within the scope of the second evaluation phase; the effects of design parameters on the energy and daylight performance at the module level are evaluated by investigating the results obtained from modules located on various floors and directed to various directions. As for the energy analyzes, the final energy consumption (heating, cooling and lighting) for a particular module (kWh/a) in the reference building is calculated. As for the daylight analyzes, the UDI (useful daylight illuminance) values and daylight distribution for design days (21 January and 21 July) obtained from a particular module in the reference building are calculated. In order to analyze the effects of various design parameters related to urban geometry as plan type, number of floors, H/W ratio and settlement typology, the results obtained are compared from the scenario groups determined.
In the fourth step; the coefficients of determination (R2) related to the design parameters are calculated to reveal how the alteration of each design parameter affects the energy and daylight performance of the buildings through regression analyzes. Thus, it is aimed to provide guidance for the project stakeholders in improving the energy and daylight performance of the housing settlements for the region implemented by establishing a well-balance between the design parameters.
To implement the model proposed, the fast-developing megacity of Turkey Istanbul was selected as the test area with respect to its urban opportunities and challenges. With an estimated population of 16 million, Istanbul exemplifies the effects of accelerating urbanization in temperate humid climate zones. A hypothetical site with a total area of 30,000 m2 was defined as the neighborhood template. As the heating period in Istanbul is longer than the cooling period, three different H/W ratios with values of 0.50, 1.00 and 2.00 were determined regarding the appropriate distance between buildings to achieve maximum benefit from solar radiation for 21 January, the winter design day of Istanbul. To evaluate the effect of outside climate conditions on building energy performance, orientation changes were implemented in 45˚ increments for the site. Based on the generic housing typology produced by the Housing Development Association (TOKI), two different types of plans that consisted of modules with a floor area of 100 m2 were used: a square floor plan and a rectangular floor plan. The two plan types and four different building heights (3, 5, 10, 15 storeys) were used to generate building design alternatives, with a floor-to-floor height of 3.00 m. To explore the interaction between building form, thermal behavior and solar gain, two archetypal urban typologies were analyzed: the pavilion and the slab. 120 settlement scenario alternatives were generated from various combination of the determined values for the design parameters related to settlement and building. Each scenario was based on a minimum of nine blocks in a 3x3 matrix in line with the uniform configuration and all blocks in the defined hypothetical site had the same properties. As for the analyzes of the reference building in the scenarios; the energy analyzes were carried out using the DesignBuilder energy simulation program, the daylight analyzes were carried out using the Daysim (UDI calculation) and Dialux Evo (daylight distribution) lighting simulation programs.
The results obtained from the implementation of the model to İstanbul showed that the effects of urban geometry arouse differences up to 33% on energy performance at the building level and between 120 settlement scenarios the lowest total (heating+cooling+lighting) energy consumption was achieved by pavilion forms with square floor plan 15-storey buildings with an H/W ratio of 1.00 and a north-south orientation. When the effects of design parameters on building energy performance were examined; it is seen that rectangular plan had 10% more total (heating+cooling+lighting) energy consumption compared to square plan, 3-storey buildings had 9% more total (heating+cooling+lighting) energy consumption compared to 15-storey buildings and slab scenarios had 5% more total (heating+cooling+lighting) energy consumption compared to pavilion scenarios. In terms of the effect of orientation, it was determined that there was a difference of 3% in rectangular planned scenarios and 1% in square planned scenarios on total (heating+cooling+lighting) energy consumption. These results proved that the energy efficiency of the residential buildings to be built in the same area could be increased significantly, thanks to the designs to be developed by determining the appropriate values for the design parameters of plan type, number of floors, H/W ratio, settlement typology and orientation. Moreover, it was observed that significant improvements in building energy performance could be achieved by reducing the total (heating+cooling+lighting) energy consumption up to 21% with the application of appropriate opaque exterior components, transparency rate value and solar control system alternatives. That result was demonstrated that significant improvements in building energy performance could be achieved by alternating the design parameters of the building envelope and the control systems added to the building envelope in cases where the urban geometry is predefined.
When the effects of design parameters on module energy and daylight performances were examined; it was observed that significant differences arose between the performances of the modules located on different floors in the same building. It was determined that the solar radiation gains increased as the height of the floor where the module was located; the modules located on the upper floor gain an average of 23% more solar radiation compared to the ground floor where the solar radiation gain was the lowest. As for the UDI analyzes, it is seen that the modules located on the upper floor received an average of 17% more useful daylight illumination compared to the ground floor, where the lowest useful daylight illumination level was obtained parallel to the results of solar radiation gains. Although the modules located on the upper floor had the highest solar access, it was determined that the modules located on the intermediate floor had lower total energy consumption than those on the lower floors and upper floors related to the differences arose from heat lost through building envelope. The modules on the intermediate floor needed 3% lower total (heating+cooling+lighting) energy compared to the ones on the ground floor and 16% lower total (heating+cooling+lighting) energy compared to the ones on the top floor. In order to holistically increase the energy and daylight performance of the building, the difference between the energy consumption and daylight access levels of the modules in the same building could be reduced by applying design solutions that optimize the solar access of the modules both on the lower and upper floors based on distinctive requirements. Besides, depending on the orientation between the modules on the same floor, the differences in energy and daylight performance arose from direction were quite low in rectangular-planned buildings with two modules on the floor, while these differences were higher in square-planned buildings with four modules on the floor. As for the results obtained from the square-planned building, the performance difference between the southeast module with the highest solar access and the northwest module with the lowest solar access is calculated for an average of 35% in terms of solar radiation gain, for an average of 19% in terms of useful daylight illuminance, and for 15% in terms of total (heating+cooling+lighting) energy consumption. These results show that south-facing modules were more advantageous in terms of energy and daylight performance. However, it could be possible to eliminate the performance differences by differentiate the building envelopes based on distinctive requirements of the different directions.
This thesis presents a performance-oriented model that evaluates design alternatives on energy consumption and daylight access by utilizing the results from the analyzes conducted at building and module scales in order to make the right decisions during the preliminary design process. It is aimed to compile comprehensive data by applying the presented model to different climatic regions in order to contribute to the development of energy and daylight efficient built environments for preventing irreversible mistakes in the preliminary design processes of the housing settlements to be produced in Turkey.