Opak, inorganik cephe kaplama malzemeleri ve uygulama yöntemlerinin bina enerji performansına etkileri
Effects of opaque, inorganic facade cladding materials and application methods on building energy performance
Yazar: BURÇİN BALIKÇI
Danışman: PROF. DR. HÜLYA KUŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Cephe malzemeleri = Facade materials ; Cephe özellikleri = Facade properties ; Enerji benzetimi = Energy simulation ; İnorganik maddeler = Inorganic substances

Özet:
Binalarda enerji korunumuna verilen önemin giderek artması, iç ve dış ortam koşulları arasında bir çevreleyici işlevi gören yapı kabuklarının genellikle en geniş yüzey alanına sahip olmasından dolayı binaların enerji tüketiminde önemli rol oynayan cephe sistemlerine odaklanmaya neden olmuştur. Cephe sistemlerinin pasif tasarım stratejileri ile doğa enerji akışlarından yararlanarak kurgulanması aktif sistemlere olan ihtiyacı azaltır. Bu bağlamda, enerji etkin çözümlerin öneminin giderek arttığı günümüzde, ısıtma ve soğutma kaynaklı enerji tüketimi için kullanılan aktif sistemlerin en aza indirgenmesi, yüksek enerji performanslı yapı kabuklarının oluşturulmasında büyük önem taşır.
Enerji etkin çözümler, bina ölçeğinde form, bina yüksekliği, yalıtım katmanı gibi kararlar; yapısal ölçekte malzeme, uygulama yöntemi kararları ve çevresel etmenlerin birlikte ele alınarak tasarlanmasıyla elde edilebilir. Özellikle, yapısal ölçekte cephe kaplama malzemeleri çevresel etmenlerle doğrudan temas halinde olarak enerji performansı ve uzun dönemde hizmet ömrünün şekillenmsinde etkin bir rol üstlenir. Bu bakış açısıyla yapılan tez çalışmasının amacı, cephe kaplama malzemeleri özellik ve uygulama yöntemlerinin binaların bütüncül enerji performansına olası etkilerinin araştırılmasıdır. 
Tez çalışmasının kapsamı genel olara; (i) referans kitaplardan konunun genel tanıtımı ve işlenmesi (ii) cephe kaplama malzemeleri ve uygulama yöntemleri araştırmalarına odaklanan özgün literatür özeti ve derlemesi, (iii) mevcut bazı uygulanmış projelerden tipoloji çıkarılması, cephe malzemeleri ve özgün özelliklerinin araştırılması, (iv) benzetim çalışmaları ve değerlendirmeleri olarak özetlenebilir. 
Özgün literatür derlemesi, özellikle, benzetim programları ile hesaplama ve deneysel ölçmeler olarak kullanılan araştırma yöntemleri ve cephe kaplama sistemi özelliklerine bağlı olarak sistematik bir şekilde ele alınmıştır. 
Farklı coğrafi konumlarda yer alan cephe sistemlerinin; (i) havalandırma boşluklu asılan cephe kaplamaları sistem özEllikleri dikkate alındığında havalandırma olup olmamasına göre, ve (ii) yüzeye sürülerek uygulanan sürekli temas eden cephe kaplama sistemlerinin davranışına bağlı olarak binaların enerji performansına etkilerinin araştırıldığı çalışmalarda benzer özellikler, özgün sonuçlar ve genellenen ortak sonuçlar irdelenmiştir. Yayınlarda, genel olarak hava boşluğunun boyutları, açık derzlerin varlığı ve hava deliklerinin özellikleri ile birlikte kaplama malzemelerinin özgün özelliklerinin etkinliğine dikkat çekilmiştir. Referans kitaplar, standartlar ve firma kataloglarından yararlanılarak, cephe sistemleri öncelikle hava boşluklu ve hava boşluksuz olarak sınıflandırılmıştır. Cephe kaplama malzemelerinin uygulama yöntemleri, (i) noktasal tespit ile asılarak uygulananlar ve (ii) sürekli temas şeklinde sürülerek veya harç ile yapıştırılarak uygulananlar olarak ele alınarak incelenmiş, havalandırma olup olmamasına göre çalışma prensipleri açıklanmıştır. Opak, inorganik cephe kaplama malzemelerinin enerji performansıyla ilişkili karakteristik ve yüzey özellikleri (i) doğal taş, (ii) metal, (iii) kil, (iv) çimento esaslı malzemeler özelinde ayrıntılı olarak işlenmiştir. Opak, inorganik cephe kaplama sistemleri ve uygulama yöntemlerinin bina enerji performansına etkilerini Türkiye'deki uygulamalar üzerinden çalışmak amacıyla öncelikle İstanbul ili için bir bina tipolojisi çalışması yapılmıştır. Bazı belediyelerden sağlanan belirli sayıdaki uygulanmış konut projeleri gözden geçirilerek, binaların kütlesel tasarımı ve cephe sistemlerinin özellikleri belirlenmiş, benzetim programında kullanılacak bina modeli için referans veri tabanı oluşturulmuştur.
Benzetim çalışmalarında Design Builder programı kullanılmıştır. Programın etkin ve doğru kullanımı için çalışmada öncelikle bir hazırlık aşaması yer almıştır. Gerçeğe en yakın sonuçları verecek bazı kütlesel ve yapısal kararları almak için ön benzetim çalışmaları yapılmış; bina formu, bina yüksekliği, bina yönelimi, cephe boşluk-doluluk oranı, duvar yalıtım katmanı, havalandırma boşluğu genişliği, cephe kaplama malzemesi kalınlığı gibi parametrelerin etkileri denenerek esas çalışma için en uygun bina modeline, en uygun parametrelere ve cephe sistem özelliklerine karar verilmiştir. Ayrıca, farklı havalandırma boşluğu genişliklerinde farklı iklimlerin havalandırılan ve havalandırılmayan cephelerdeki etkisini görmek ve tartışabilmek amacıyla ön benzetim çalışmaları yapılmıştır. 
Ön denemeler sonucunda dikdörtgen formda, 10 katlı, batı yönelimli, %40 cephe boşluk-doluluk oranlı ve 4 cm yalıtımlı bir model bina oluşturulmuştur. Yalıtım malzemeleri uygulamalardaki kullanımlarına göre sürekli temas ile uygulanan sistemlerde EPS, asılarak uygulanan sistemlerde taş yünü olarak seçilmiştir. Çalışmada cephe kaplama malzemeleri ve uygulama yöntemlerinin bina enerji performansına etkisinin net görülebilmesi için referans kitaplar ve firma katalogları incelenerek, ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlikleri eşdeğer olan örnekleri kullanılmıştır. Gerek literatür araştırmalarından edinilen bilgilere bağlı olarak gerekse yapılan ön benzetim çalışmalarıyla, hava boşluğu genişliğinini; havalandırılmadan asılan uygulamalar için 2,5 cm, havalandırılarak asılan uygulamalar için 10 cm oalrak çalışılması uygun bulunmuştur. Benzetimde yaygın kullanılan farklı tür ve özelliklerdeki cephe kaplama malzemeleri ve kalınlıklarının değerlendiirlmesi ön görülmüştür.
Benzetim çalışmaları İstanbul ili iklim verileri ile yapılmış, model bina üzerinde yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji yükleri hesaplanmış, elde edilen sonuçlar farklı cephe sistemleri uygualamaları ve cephe kaplama malzemenelerinin etkisine göre tartışılarak değerlendirilmiştir. Cephe sistemlerinde ısıl geçirgenliğin TS 825'te verilen en fazla U-değerini sağlamış olmasına dikkat edilmiştir. Benzetimlerde, doğal taş malzemelerden; granit, mermer, traverten, bazalt, kumtaşı, kireçtaşı, andezit türlerinin düşük ve yüksek yoğunluklu çeşitleri; metal ve metal esaslı kaplama malzemelerinden aluminyum, titanyum, çinko, bakır, titanyum-çinko, çelik, paslanmaz çelik ve aluminyum kompozit levha; kil esaslı prese örme tuğla, klinker kaplama tuğla, seramik ve porselen; çimento esaslı kaplama malzemelerinden sıva (ETICS) ve lifli çimento levha çalışılmıştır. 
Sonuç olarak, çalışmadaki iklim verilerine ve kabullere dayanarak, ayrıca, derlenen malzeme verileri kullanılarak; Design Builder ile yapılan benzetim hesaplamalarına göre; (i) doğal taş cephe kaplamaları uygulamalarında düşük yoğunluklu kireçtaşı ile havalandırılarak asılan uygulamalı sistemler; (ii) metal esaslı cephe kaplamaları uygulamalarında düşük yoğunluklu aluminyum kompozit levha ile havalandırılarak asılan sistemler; (iii) kil esaslı cephe kaplamaları uygulamalarında düşük yoğunluklu örme tuğla duvar (prese tuğla) ile havalandırılarak asılan sistemler; çimento esaslı cephe kaplamaları uygulamalarında düşük yoğunluklu lifli çimento levha ile havalandırılarak uygulana sitemler, binaların ısıtma ve soğutmada toplam yıllık enerji tüketimleri karşılaştırıldığında, çalışma kapsamında değerlendirilen diğer alternatiflerine göre, enerji etkinlik açısından daha iyi performans göstermiştir.
Ayrıca, İstanbul ili iklim şartlarında, konut yapıları için enerji etkimlik açısından değerlendirilen cephe sistemleri arasında, havalandırılarak asılan cephe kaplama malzemelerinin, genel olarak, havalandırılmayan hava boşluklu sistemler ve sürekli temas ile uygulanan sistemlere göre daha iyi bir performans gösterdiği; cephe kaplama malzemelerinin ise, genel olarak, düşük yoğunluk, düşük ısıl iletkenlik, düşük güneş emicilik ve yüksek özgül ısı özgün özelliklerinin enerji performansında daha etkili olduğu görülmüştür.

Abstract:
Since building envelopes, which serve as a boundary between internal and external conditions, have the largest surface area, the increasing importance of energy savings in buildings has led to focus on facade systems that play an important role in energy consumption. The construction of facade systems by using passive design strategies utilizing natural energy flow reduce the need for active systems. In this context, while the importance of energy efficient solutions is increased day by day, minimization of active systems used for energy consumption arises from heating and cooling is of great interest for the constitution of high-performance building envelopes. Energy efficient solutions can be obtained by approaching environmental factors, building scale parameters such as form, building height, insulation layer; structural scale parameters such as materials and application methods. Particularly, on a structural scale, the facade cladding materials play an important role in energy performance and in shaping the service life in the long-term since they are in direct contact with environmental factors. From this point of view, the aim of the thesis study is to investigate the possible effects of facade cladding material properties and application methods on the holistic energy performance of buildings.
The scope of this thesis study can be summed up as follows; (i) a general presentation and discussion of the subject by using the reference books, (ii) an original literature summary and review focused on facade cladding materials and application system researches, (iii) to obtain a typology by means of some existing applied projects, to research facade cladding materials and their characteristics, (iv) simulation studies and their evaluations.
The characteristic literature review has been approached systematically based on facade cladding system features and the calculations achieved by the use of simulation studies and the experimental measurements.
Similar features, unique results and generalized common results were examined by investigating the effect of the facade systems located in different geographical locations on the energy performance of the buildings, depending upon the variables as follows; (i) the availability of ventilation, considering the system features of ventilated/unventilated facade systems, and (ii) the behaviour of conventional facade cladding systems (applied the surface by coating). In general, the efficiency of the size of air gap (cavity), the existence of open joints, the features of air holes and the characteristics of facade cladding materials have been pointed out in the studies.
The facade systems were classified as wall with air gap and wall without air gap based on reference books, standards and company catalogues. The application methods of facade cladding materials were reviewed as (i) suspended applications, and (ii) those applied by coating continuously or gluing with adhesive mortar. Furthermore, their working principles were explained according to the existence of ventilation. The characteristics and surface properties related to energy performance of opaque, inorganic facade cladding materials such as (i) natural stone, (ii) metal, (iii) clay, (iv) cement based were elaborated in detail. In order to investigate the effects of opaque, inorganic facade cladding materials and the application methods on the building energy performance, primarily, a building typology study for Istanbul province was developed based on the applications using in Turkey. The mass design of the buildings and the speciality of facade systems have been determined by considering a definite number of housing projects providing from some municipalities and afterwards, a reference database was created for modelling the building to be used in the simulation program.
Design Builder was used for the simulation studies. For the effective and correct use of the program, firstly, a preparation step was involved in the study. Preliminary simulation studies have been carried out to make some mass and structural decisions that will give the most realistic results; the most suitable building model and the most suitable parameters were determined for the main study by examining the effect of the parameters such as building form, building height, building orientation, window to wall ratio, wall insulation layer, air gap width, facade cladding material thickness. In addition, preliminary simulation studies were conducted to obtain and discuss the effects of different climates on ventilated and unventilated facades with different air gap widths. A 10-storey, west-oriented, rectangular shaped building with 40% facade window-towall ratio and 4 cm insulation was modelled as a result of the preliminary examinations. Insulation materials have been selected according to their use in applications as EPS for conventional facade cladding systems (applied by continuous contact), and rock wool for systems suspended applications (ventilated/unventilated facade systems). Depending on the literature research and the information obtained from the preliminary simulations, it has been found appropriate to study the width of the air gap as 2,5 cm for applications unventilated facade and 10 cm for ventilated facade. In simulation, it was proposed to evaluate commonly used facade cladding materials with different type and properties and their thickness. Simulation studies have been made by using the climate data of Istanbul province; annual heating, cooling and total energy load have been calculated on the model building and the results have been evaluated by discussing the effects of different facade system applications and facade cladding materials. Careful attention has been paid to ensure that the thermal transmittance in facade systems provided the maximum U-value given in TS 825 standards. In simulation examinations, high and low density types of natural stone materials such as granite, marble, travertine, basalt, sandstone, limestone, andesite; metal and metal based cladding materials such as aluminum, titanium, zinc, titanium-zinc, steel, copper, stainless steel and aluminum composite sheet; clay based cladding materials such as brick, pressed brick, clinker brick, ceramic and porcelain; cement based cladding materials such as plaster (ETICS) and fiber cement board have been studied. 
In conclusion, based on the climate data and assumptions in the study, also according to the simulation calculations by Design Builder using the compiled material data, comparing the total annual energy consumption of buildings for heating and cooling, the followings are the ones that performed better in terms of energy efficiency than the other alternatives evaluated within the scope of the study; (i) the systems that ventilated with low density limestone in natural stone facade cladding applications, (ii) the systems that ventilated with low density aluminum composite sheet in metal-based facade cladding applications, (iii) the systems that ventilated with low density brickwork in clay-based facade cladding applications, (iv) the systems that ventilated with low density fiber cement board in cement-based facade cladding applications.
Furthermore, in the climatic conditions of Istanbul province, it has been observed that among the facade systems which is evaluated in terms of energy efficiency for residential buildings, ventilated facade cladding systems showed better performance than unventilated systems and conventional systems; in general, low density, the characteristics of facade cladding materials such as low thermal conductivity, low solar absorptivity and high specific heat have been found to be more effective in energy performance.