Avlulu bina biçiminin farklı iklim bölgelerinde iklimsel performansa göre optimizasyonu için geliştirilen bir yöntem
A method developed for optimization in view of climatic performance of the form of the courtyard buildings in regions of different climates
Yazar: ENES YAŞA
Danışman: PROF. DR. VİLDAN OK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Binalarda iklimsel konforu sağlamak amacıyla mekânların ısıtılması soğutulması ve havalandırılması; ya mekanik veya pasif sistemler ile sağlanabilmektedir. Mekanik sistemlerde binanın ihtiyacı olan toplam enerji ihtiyacı maliyeti yüksek olduğundan mümkün olduğunca pasif sistemlere yönelimin teşvik edilmesi gerekir. Binalardaki toplam enerji kazanımı; en sıcak dönemde hava hareketini arttırmayı ve bina tarafından emilen güneş ışınımı miktarını azaltmayı hedefleyerek ortamdaki ısı kazançlarını minimuma indirme metodu olan pasif soğutma, ya da en az sıcak dönemde bina tarafından emilen güneş ışınımı miktarını artırarak ortamdaki ısı kazanımını maksimum orana çıkartarak mekanları ısıtma amacıyla ve de hem toplam enerji kazanımı sağlama hem de konfor elde etme amacıyla pasif sistemler daha binaların tasarım aşamasından itibaren tasarlandığında, mekanik sistemlere gerek kalmamakta ya da iklimlendirme için gerekli ekipman büyüklüğü ve maliyeti oldukça düşmektedir. Bu bağlamda sıcak-kuru iklim bölgelerinde gerek mikro klimayı düzenleyici olarak gerekse kent ölçeğinde iklim dengeleyici olarak karşımıza çıkan ve bu iklim bölgelerinin temel karakteristik bina biçimlerinden olan avlulu bina, kullanıldığı iklim bölgesi özelliklerine göre uygun biçimde ve formda uygulanması gerekmektedir.Avlulu binaların farklı iklim bölgelerine göre termal davranışları hakkında yapılan çalışmalar ve eldeki veriler yetersizdir. Yapılan bazı kabullerin ve belli başlı bazı metotların dışında ileri düzeyde yapılan çalışmaların sayısı oldukça azdır. Bugüne kadar ele alınan avlulu binalar ile ilgili çalışmalara bakıldığında, gerek enerji etkinlik gerekse iklimsel konfor açısından direkt olarak nasıl bir etkilerinin olduğu ve nasıl davrandıkları hakkında kapsamlı bir strateji ile araştırmadan uzak olduğu görülmektedir. Farklı iklim bölgesinin gerektirdiği iklimsel, meteorolojik farklılıklara göre optimizasyon modeli oluşturarak optimum avlu biçiminin belirlenmesi ve konfor koşullarının sağlanmasına yönelik bir model oluşturulmasına olanak sağlayan bir çalışma yapma ihtiyacı vardır.Bu çalışmanın amacı, sıcak-kuru iklim bölgelerinde gerek mikro klimayı düzenleyici olarak gerekse kent ölçeğinde iklim dengeleyici olarak kullanılan avlulu binaların enerji etkinliklerini araştırmak, bina içi ve avlu içi konfor durumlarını belirlemektir. Ayrıca farklı iklim bölgeleri için belirlenen farklı avlu biçim seçenekleri üzerinde bilgisayar enerji simülasyonu kullanarak farklı tasarım ve iklim koşulları altında gerçek meteorolojik verileri kullanarak bu binaların farklı termal davranışlarını tam olarak doğru bir şekilde tahmin ederek ortaya koymak ve böylece hem sıcak-kuru ve sıcak-nemli hem de soğuk iklim bölgeleri için; o iklim özellik ve verilerine uygun olarak optimum avlu biçimini ortaya koyma sürecinde tasarımcılara yeni bir bilgi sağlamaktır.Optimizasyon modeli, dört aşamadan oluşmuştur. Birinci aşamada; konuyla ilgili tüm iç ve dış kaynaklardan, gerek deneysel çalışmalar ve modellere ve gerekse sayısal simülasyon programları ile yapılmış çalışmalar ve bunlar hakkında bilgilere ulaşılmıştır, toplanan bilgiler yorumlanmış, optimizasyon modelinde kullanılacak programa, karşılaştırma örnek ve analizler çıkarılarak belirlenmiştir. Öncelikle avlu bina biçiminin gerek avlu içi gerekse bina içi toplam enerji performans analizini, enerji tüketimini, kullanıcı konfor koşullarını gerçekleştirmek, geleneksel bina biçimlerine göre daha karmaşık olaylar ve bunların birbirleri ile olan etkileşimi daha kompleks olduğu için bu modele uygun simülasyon programı seçimi üzerinde durulmuş ve pek çok farklı simülasyon modelleri incelenmiştir.İkinci aşamada; optimizasyon modelinde ele alınacak avlu biçimlerine karar verme ele alınan farklı avlu modellerini, Ansys Fluent Gambit programında oluşturup tanımlanan binalara ait modellerin sayısal ağları oluşturulmuş, ele alınan modellerin ısıl bölgelerinin tanımlanmış ve modellere ait yüzeyler oluşturulmuş, sınır şartlara karar verilmiştir.Üçüncü aşamada ise yapılan her bir analiz için; optimizasyon çalışmasının ölçütleri olarak; yaz ayları soğutma dönemi için 7. ayın 21.; ısıtma dönemi için ise 1. ayın 21. günlerinde saatlik, günlük, gündüz ve gece sürelerince; avlu içi sıcaklık ve ortalama sıcaklık dağılımları, bina içi toplam ısı kazanç ve kayıp değerleri, avlu içi hava hızı hareketleri, havanın yönü, doğrultusu, hava tabakalaşması, avlulu bina ısıl bölgelere (zone) ait hava değişim oranı, avlulu bina içi ısıl bölgelere (zone) ait ortam sıcaklıkları, tüm bina yüzeyleri ve çatı alanı için; toplam ve ortalama ısı gecisi miktarı, yüzey sıcaklıkları, basınçları, ve hız dağılımları, bina içi ve avlu içi 1.60m, 3.20m ve 6.50m seviyesinde yatay kesitteki sıcaklık, basınç ve rüzgar hızı değerleri analiz edilmiş ve bu değerlere göre avlulu bina yüzeyindeki iç sıcaklık ve ortalama sıcaklık dağılımları, toplam ısı kazancı, toplam ısı kaybı hesapları ve ayrıca güneş ışınım kazançları belirlenmiş ve hesabı yapılmıştır. Soğutma dönemi boyunca daha iyi soğutma ve havalandırma, ısıtma sezonu boyunca ise bina içi ısı kazanç kayıplarını optimize etme amacıyla değişik mimari çözümlerin araştırılması ve bu sonuçların soğutma ve havalandırma yüküne etkilerini ortaya koyacak değerlendirmeler yapılmıştır.Dördüncü aşamada; üçüncü aşamada gerçekleştirilen tüm değerlendirme parametrelerine göre yapılan sayısal analizlerden elde edilen sayısal ve görsel sonuçlar, literatürdeki bulgularla karşılaştırılarak değerlendirmeler yapılmış ve yorumlanmıştır. Bu aşamada çıkan sonuçlara göre; her bir iklim bölgesi için en sıcak dönem ve en az sıcak dönem boyunca hem gündüz güneşli saatleri döneminde hem de gece dönemi için gerek avlu içi gerekse bina içi toplam enerji performansı ve termal konfor performansı açısından optimum avlu biçimleri ortaya konulmuştur.Ayrıca avlu içi ve bina yüzeylerine gelen güneş ışınlarının ve gün içerisinde güneşin hareketinin bina üzerindeki termal performansa etkisini analiz etmek ve güneş-gölge ilişkisini incelemek, gölgeli alanlar ile güneş alan alanlar arası termal performans farklarını görebilmek için her üç iklim bölgesini temsilen Diyarbakır, Antalya ve Erzurum için Kış-Isıtma günlerini temsilen güneşin en düşük enlemde olduğu 21 Ocak; Yaz-soğutma günlerini de temsilen güneşin en yüksek enlemde olduğu 21 Temmuz günleri için avlu içi güneş-gölge analizleri çıkartılmıştır.

Abstract:
Either mechanical or passive systems are used for heating and ventilation of spaces for the purpose of ensuring climatic comfort in buildings. Since the cost of the total energy requirements of the building is high in mechanical systems, an inclination to passive systems should be encouraged as much as possible. Either mechanical systems are not needed any more or the quantity and cost of the equipment necessary for acclimatization shows a significant decrease when passive systems are used as from the design stage of the buildings in order to increase air circulation, and thus to reduce the amount of sun radiation absorbed by the building at the hottest period, or to increase the amount of sun radiation absorbed by the building at the hottest period, and thus to heat the spaces, resulting in both overall energy savings and obtaining comfort. In this context, courtyard buildings, which we face either as a micro climatic regulator in hot-dry climatic regions, or as a climatic regulator at city scale, and which constitute one of the fundamental characteristic building styles of such climatic regions, should be applied in a form compatible with the features of the climatic region it is used.Studies held on the thermal attitudes in various climatic regions of courtyard buildings and the data at hand are inadequate. The number of advanced studies apart from some acknowledgements and certain methods is quite few. Considering the studies related to the courtyards buildings discussed up until today, it can be seen that they are far from a comprehensive strategy and research on what kind of direct effects they have in terms either of energy or climatic comfort, as well as how they act. There is the need to a study that allows formation of a model toward determination of the optimum courtyard form and meeting the conditions of comfort by establishing an optimization model taking into consideration the climatic, meteorological differences the climatic region requires.The purpose of this study is to examine the energy efficiencies of the courtyard buildings used either as a micro climatic regulator in hot-dry climatic regions, or as a climatic regulator at city scale, and to determine intra-building and yard comfort statuses. Besides, it is to put forward different thermal behaviors of such buildings by estimating the same fully and accurately using real meteorological data under different design and climatic conditions with computer energy simulation on different courtyards form options put forth for different climatic regions, and thus to provide new information to designers at the process of putting forward the optimum courtyards form according to the characteristics and data of the specific climate for both hot-dry and hot-humid climatic regions.Optimization model consists of four stages. At the first stage; either experimental studies and models, or studies made using computational simulation programs as well as information regarding the same were reached from all internal and external resources related to the subject, the collected information was interpreted, and the program to be used in the optimization model was determined through comparison, sampling and analysis. First, choice of the simulation software in compliance with this model was deliberated and several different simulation models were examined in order to realize either the yard or intra-building total energy performance analysis, energy consumption and user comfort conditions, and because of more complicated events compared to traditional building forms, and because their interaction is more complex.At the second stage; in order to determine the courtyard forms to be elaborated in the optimization model, computational mesh networks of different courtyard models, and the building models formed and defined in Ansys Fluent Gambit program were formed, the heat zones of the elaborated models were defined, and surfaces of the models were formed, and restricting conditions were decided upon.As to the third stage, for each analysis made; as criteria of the optimization studies; on 21st day of the 7th month for the cooling period of the summer months, and 21st day of the 1st month for the heating period, hourly, daily, daytime and nighttime yard temperature and average temperature distributions, intra-building total temperature gain and loss values, courtyards air velocity movements, direction of air, layering of air, air change ratio pertaining to building heat zones, intra-building heat zones of buildings with a yard, for all building surfaces and roof area; overall and average heat transition amount, surface temperatures, pressures, and velocity distributions, intra-building and courtyards 1.60 m, 3.20m and 6.50m-level horizontal-section temperature, pressure and wind speed values were analyzed, and taking into consideration such values, internal temperature and average surface temperature distributions, overall temperature gain, total temperature loss calculations and also sunlight gains on the surface of the building with a yard were determined and calculated. For the purpose of better cooling and ventilation throughout the cooling season, and optimization of intra-building temperature gains and losses throughout the heating season, investigation of architectural solutions, and evaluations to reveal the effects of such results on cooling and ventilation load were held.At the fourth stage, the computational and visual results obtained from the computational analyses held according to all evaluation parameters realized at the third stage were compared to the findings at the literature and interpreted. In view of the results obtained at this stage; optimum courtyard forms were put forward both for the daylight and night period, in terms of either in-courtyards or intra-building total energy performance and thermal comfort performance throughout the hottest period and less hot period for each climatic zone.Besides, in order to analyze the sunlight to the courtyards and building surfaces, and the effect of sun movement on the thermal performance of the building, and to examine sun-shadow relationship and observe the thermal performance differences between the shadow areas and sunny areas, the sun-shadow analyses of the courtyards shall be made for January 21st when the sun is at the lowest latitude to represent winter-heating days, and for July 21st when the sun is at the highest latitude to represent summer-cooling days in Diyarbakir, Antalya and Erzurum to represent all three climatic zones.