Yaşayan duvar sistemlerinin bina enerji performansına katkısını değerlendirmeye yönelik karar destek modeli
Decision support model to evaluate the contribution of living wall systems to building energy performance
Yazar: HATİCE MERVE YANARDAĞ ERDENER
Danışman: PROF. DR. FETHİYE ECEM EDİS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilgisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bina benzetimi = Building simulation ; Enerji benzetimi = Energy simulation ; Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy

Özet:
Bitkilendirilmiş dış duvar sistemlerinden yaşayan duvar sistemleri, yetişme katmanının bitkinin arkasında duvarla bütünleşik olarak yer aldığı sistemlerdir. Binaların enerji verimliliğini arttırması gibi birçok faydası nedeniyle yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Yaşayan duvarlar, gölgeleme, yalıtım sağlama ve rüzgârdan koruma etkileri ile duvarın ısıl performansına ve dolayısı ile binanın enerji verimliliğine katkıda bulunabilmektedirler.
Yaşayan duvarların ısıl performansı çeşitli faktörlerden etkilenmektedir. Bunlar, yapısal ve iklimsel etmenler olarak iki ana gruba ayrılabilir. Yapısal etmenler bitki özellikleri (örn yaprak alan indeksi, yaprak albedosu (yaprak aklığı) vb), bitkinin yetişme katmanının özellikleri (su emme oranı, sulanma oranı vb) ve yaşayan duvar sisteminin diğer bileşenlerinin özellikleri (malzemeler ve kalınlıkları vb) olarak sıralanırken, iklimsel etmenler ise rüzgâr, sıcaklık, güneş ışınımı ve nem olarak sıralanabilir. Bu değişkenlerin duvarın ısıl davranışına ve bina enerji performansına bağıl etkileri ise tam olarak bilinmemektedir.
Çalışmada yaşayan duvar kullanılması düşünülen bir bina kabuğunda, karar verilmesi gereken değişkenlerin ısıl performansa etkilerini öngörebilmek için hızlı ve kolay sonuç verebilen bir web tabanlı karar destek aracı üretme hedeflenmiştir. Bu doğrultuda, yaşayan duvar sistemlerindeki değişkenlerin etkilerine yönelik olarak yapılacak diğer araştırma çalışmaları için, yaşayan duvarların binanın enerji etkinliğine katkısını hesaplamak üzere yeni bir karar destek modeli oluşturulmuştur. Bu modelleme, tek bir benzetim programı kullanılarak hesaplamanın yapılamaması nedeniyle, iki farklı benzetim programının tek yön çiftlenmesi (one way coupling) ile yapılan hesaplamalara dayanmaktadır.
Tez çalışması dört ana adımda gerçekleştirilmiştir. Bunlar her zaman ardışık olmayan; araştırmanın kavramsal çerçevesinin oluşturulma, bilgisayarla benzetimin ilk adımı olarak bitkilendirmenin etkisiyle bina cephesinde oluşan mikro iklime ilişkin verileri Envi-met benzetim programı kullanılarak elde edilmesi, elde edilen mikro iklim verilerini girdi olarak kullanarak bina enerji harcamalarının EnergyPlus program ile hesaplanması ve karar destek modelinin ön ve kesin tasarımı ile yapılan hesaplamalar sonucu elde edilen verilerin bir veritabanında toplanarak araca dönüştürülmesi adımlarıdır.
Çalışmanın ilk adımını oluşturan araştırmanın kavramsal çerçevesinin oluşturulması adımında öncelikle, bitkilendirilmiş dış duvar sistemlerinin (BDDS) farklı türlerinin, dünyadaki mevcut uygulamalarının vb ile binanın ısıl performansına etki mekanizmalarının ve bunda etkili özelliklerinin anlaşılabilmesi için gerekli yazın taramaları ve analizleri yapılmıştır. Ayrıca, Türkiye'deki kullanımın ve uygulama problemlerinin anlaşılması için, yaşayan duvar uygulaması yapan firmalar ile yarı yapılandırılmış görüşmeler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaların bulguları ile, araştırmanın ve yaşayan duvarın ısıl etkilerini değerlendirme çalışmasının kavramsal çerçevesi oluşturulmuştur. Buna göre, karar destek modeli oluşturulurken keçe tabakalı yaşayan duvar üzerinden modelin oluşturulmasına, bitki özellikleri olarak Yaprak alan indeksi, yaprak geçirgenliği ve yaprak albedosunun etkilerinin ele alınması ve bilgisayarlı benzetim için mikroiklim ve bina enerji benzetim programlarının tek yönlü çiftlenmesine karar verilmiştir.
Çalışmanın mikroiklim hesaplamalarını kapsayan ikinci adımında, hesaplamalar için Envi-met programı kullanılmıştır. Karar destek modelinin tek bir iklim bölgesi için yapılacak hesaplamalarla oluşturulmasına karar verildiğinden, Koppen Geiger iklim bölgesi sınıflandırmasına göre Cfa grubuna dahil olan, sıcak-nemli iklime Antalya, temsili şehir olarak belirlenmiş ve 5 kat yüksekliğindeki kare planlı konut binası için benzetimler yapılmıştır. Oluşturulan benzetim modelinin doğruluğunu denetleme amacıyla Gebze'de keçe tabakalı bir yaşayan duvar üzerinde yapılmış başka bir deneysel çalışmanın ham sonuçları kullanılarak doğrulama (verification) çalışması yapılmıştır. Doğrulamanın ardından, her ay için temsili günler belirlenerek iklim verileri oluşturulmuş ve parametrik mikroiklim hesaplamaları yapılmıştır. Parametrik hesaplamalarda, bina kabuğunun u değerindeki farklılaşmalar ile seçilen bitki özelliklerindeki değişimlerin etkisinin görülmesi hedeflenmiştir. Bina kabuğunun U değeri için TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları standardında Antalya ili için verilen sınır değere yakın bir U değeri ve iyi U değeri olarak iki farklı U değerine sahip duvar katmanlaşmaları ele alınmıştır. Çalışmanın ana değişkenleri olarak bitkiye ait özelliklerden yaprak alan indeksi (LAI), yaprak albedosu ve yaprak geçirgenliği özellikleri için ise, yaprak dökmeyen bitkiler için üst ve alt sınır değerleri ile ara değerlerin etkisi incelenmiştir. Bu doğrultuda 27 farklı yaşayan duvar tipi için benzetimler yapılmıştır. Ayrıca karşılaştırma amaçlı olarak yaşayan duvar bulunmayan bina için de benzetimler yapılmıştır. Mikroiklim benzetim sonuçları, hassasiyet analizi yöntemi ile değerlendirilerek bir sonraki adımı oluşturan bina enerji benzetimlerinde ele alınacak değişkenler belirlenmiştir. Bu analize göre, yaprak alan indeksi, yaprak geçirgenliği ve yaprak albedosunun mevsimsel koşullar, yön ve kat yüksekliğine göre etki düzeyleri değişmekle beraber her üçünün de etkili olduğu görülerek, bina enerji benzetimlerinde bu üç özelliğin etkilerinin de parametrik olarak irdelenmesine karar verilmiştir. Ayrıca analizler sonucunda, kuzey yönünde uygulanacak yaşayan duvarın avantaj sağlamayacağının anlaşılması sebebiyle, çalışmanın sadece doğu, güney ve batı yönleri için devam edilmesine karar verilmiştir.
Mikroiklim ve enerji benzetim programlarının tek yönlü çiftlenmesinde, dış duvar ve yetişme katmanı arkalığının yüzey sıcaklıkları ortalaması enerji benzetiminde yaşayan duvar bulunan cephe bölgeleri için iklim girdisi olarak kullanılmıştır. Karar destek modelinin altyapısını oluşturmak üzere yapılan enerji benzetimlerinde, iki farklı saydamlık oranının (%30 ve %50) ele alınmasına, yaşayan duvarın ise seçilen her uygulama yönünde (doğu, güney ve batı) bir, üç ve beş kat boyunca uygulandığı durum için analizlerin gerçekleştirilmesine karar verilmiştir. Bunlara dayanarak oluşturulan benzetim modelleri, yaprak alan indeksi, yaprak albedosu ve geçirgenliği farklılaşan sekiz farklı yaşayan duvar tipi için parametrik olarak çalıştırılmıştır. Hesaplamalar için tanımlanması gerekli iç kazançlar ve işletme programı standartlara dayanılarak belirlenmiştir. İncelenen yaşayan duvar türlerinin farklı uygulama yönü, alanı ve kat sayısı için farklı saydamlık oranlarındaki binalarda uygulanması durumunda oluşan soğutma ve ısıtma harcamalarını içeren toplam enerji tüketimi sonuçları, yaşayan duvar bulunmayan referans bina ile karşılaştırılmıştır. Böylelikle, bina enerji etkinliğinde rol oynayan yaşayan duvar ve bina özellikleri belirlenmiş ve karar destek modelinde yer alması gerekli bileşenler kesinleştirilmiştir. Ayrıca, farklı özelliklere sahip yaşayan duvar tipleri için enerji tüketimi kazançları bir veritabanında toplanmıştır. Değerlendirmeler, yaşayan duvarların uygulama yüksekliğinin, yönünün ve bina saydamlık oranının, yaşayan duvarın binanın enerji etkinliğine katkısı açısından oldukça önemli değişkenler olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, bitkiye ait değişkenlerin de bina enerji yüklerini etkilediği görülmektedir.
Karar destek modeli için çalışmanın başlangıç aşamalarında yapılan yazın taramaları ile oluşturulan ön tasarım, bina enerji benzetim sonuçları üzerinde yapılan değerlendirmeler ile kesinleştirilmiştir. Karar destek aracında bulunması gerekli yaşayan duvar ve bina özellikleri; yönleniş, cephenin saydamlık oranı, bina kullanım dönemi, yaşayan duvarın kaç katta uygulanacağı, kullanılacak bitkinin LAI, albedo ve yaprak geçirgenliği değeri olarak sıralanmaktadır. Karar destek modelinin kesinleştirilmesinin ardından, benzetim sonuçları uygun şekilde düzenlenerek web tabanlı 'living wall calculator' adında bir karar destek aracı oluşturulmuştur.

Abstract:
Living wall systems, among the vegetated external wall systems, are systems in which the substrate is integrated with the wall behind the plant. It has become widely used due to its many benefits, such as increasing the energy efficiency of buildings. Living walls can contribute to the thermal performance of the wall and therefore the energy efficiency of the building, with their shading, insulation and wind protection effects. 
The thermal performance of living walls is affected by various factors. These can be divided into two main groups: structural and climatic factors. While structural factors are listed as plant characteristics (e.g. leaf area index, leaf albedo, etc.), characteristics of the plant's substrate (water absorption rate, irrigation rate, etc.) and properties of other components of the living wall system (materials and thickness, etc.), climatic factors are can be listed as wind, temperature, solar radiation and humidity.  However, the relative effects of these variables on the thermal behavior of the wall and the building energy performance are not fully known.

The aim of the study is to produce a web-based decision support tool that can provide quick and easy results in order to predict the effects of the variables that need to be decided on thermal performance in a building envelope where living walls are planned to be used. In this regard, a new decision support model has been created to calculate the contribution of living walls to the energy efficiency of the building for further research studies on the effects of variables in living wall systems. This modeling is based on calculations made by one-way coupling of two different simulation programs, since calculations cannot be made using a single simulation program.
The study was carried out in four main steps. These are not always sequential;  Creating the conceptual framework of the research, as the first step of computer simulation, obtaining data on the microclimate on the building facade with the effect of vegetation using the Envi-met simulation program, calculating the building energy expenditures with the EnergyPlus program by using the obtained microclimate data as input, and preliminary and final analysis of the decision support model. These are the steps of collecting the data obtained as a result of the calculations made with the design in a database and converting it into a tool.
In the step of creating the conceptual framework of the research, which is the first step of the study, the necessary literature reviews and analyzes were carried out in order to understand the different types of vegetated external wall systems (BDDS), their current applications in the world, etc., and their impact mechanisms on the thermal performance of the building and their effective properties. Additionally, semi-structured interviews were conducted with companies that apply living walls in order to understand the usage and application problems in Turkey. With the findings of these studies, the conceptual framework of the research and evaluation of the thermal effects of the living wall was created.  Accordingly, while creating the decision support model, it was decided to create a model based on a felt layer living wall, to consider the effects of leaf area index, leaf transmittance and leaf albedo as plant characteristics, and to one-way couple microclimate and building energy simulation programs for computerized simulation.
In the second step of the study, which includes microclimate calculations, the Envi-met program was used for calculations. Since it was decided to create the decision support model with calculations for a single climate zone, Antalya, which is included in the Cfa group according to the Koppen Geiger climate zone classification and has a hot-humid climate, was determined as the representative city and simulations were made for a 5-storey high square-plan residential building. In order to check the accuracy of the created simulation model, a verification study was carried out using the raw results of another experimental study conducted on a felt-layered living wall in Gebze. After verification, climate data were created by determining representative days for each month and parametric microclimate calculations were made. In parametric calculations, it is aimed to see the effects of variations in the u value of the building envelope and changes in selected plant characteristics. For the U value of the building envelope, wall design with two different U values, a U value close to the limit value given for Antalya province in the TS 825 Thermal Insulation Rules in Buildings standard and a good U value, are considered. As the main variables of the study, leaf area index (LAI), leaf albedo and leaf transmittance, which are among the plant characteristics, were examined for the upper and lower limit values for evergreen plants and the effect of intermediate values. In this regard, simulations were made for 27 different living wall types. Additionally, simulations were made for a building without living walls for comparison purposes. Microclimate simulation results were evaluated with the sensitivity analysis method and the variables to be considered in the building energy simulations, which constitute the next step, were determined. According to this analysis, although the effect levels of leaf area index, leaf transmittance and leaf albedo vary according to seasonal conditions, direction and floor height, it was seen that all three are effective, and it was decided to examine the effects of these three features parametrically in building energy simulations. Additionally, as a result of the analysis, it was understood that the living wall to be applied in the north direction would not provide an advantage, so it was decided to continue the work only for the east, south and west directions.
In the one-way coupling of microclimate and energy simulation programs, the average surface temperatures of the external wall and substrate layer back were used as climate input for the façade areas with living walls in the energy simulation. In the energy simulations carried out to form the infrastructure of the decision support model, two different transparency rates (30% and 50%) were considered and analyzes were carried out for the case where the living wall was applied for one, three and five floors in each selected application direction (east, south and west). Simulation models created based on these were run parametrically for eight different living wall types varying in leaf area index, leaf albedo and transmittance. The internal consumptions and operating program required to be defined for calculations have been determined based on standards. The total energy consumption results, including the cooling and heating expenses incurred when the examined living wall types are applied in buildings with different transparency rates for different application directions, application areas and number of floors, were compared with the reference building without living walls.  Thus, the living wall and building features that play a role in building energy efficiency were determined and the components that should be included in the decision support model were finalized. Additionally, energy consumption gains for living wall types with different features are collected in a database. Evaluations have revealed that the application height, direction and building transparency ratio of living walls are very important variables in terms of the living wall's contribution to the energy efficiency of the building. Additionally, plant variables also appear to affect building energy loads.
The preliminary design for the decision support model, which was created through literature review in the initial stages of the study, was finalized with the evaluations made on the building energy simulation results. Living wall and building features that should be included in the decision support tool; They are listed as orientation, transparency rate of the facade, building usage period, how many floors the living wall will be applied, LAI, albedo and leaf permeability value of the plant to be used. After the decision support model was finalized, the simulation results were arranged appropriately and a web-based decision support tool called 'living wall calculator' was created.