Yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının değerlendirilmesine yönelik bir çalışma
A study on the evaluation of wind energy gain to reduce energy loads in settlements
Yazar: AYŞE YEŞİLYURT
Danışman: PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Enerji etkin planlama = Energy efficient planning ; Enerji etkin yerleşim birimi = Energy efficient settlement unit ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Sürdürülebilir kentleşme = Sustainable urbanization ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Küreselleşen dünyada karşılaşılan enerji sorunları ve karbondioksit (CO²) salımlarından kaynaklanan çevre kirliliği sorunları karşısında yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Bu bağlamda,  yenilenebilir enerji kaynaklarının kentsel alanlarda kullanımına ilişkin çalışmalar Dünya'da hız kazanmasına rağmen Türkiye'de hala sınırlıdır. 
Bilindiği üzere, enerji tüketiminin büyük çoğunluğundan sorumlu olan binalarda, kullanıcı konforunu sağlamak için harcanan enerji tüketimi gün geçtikçe artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisi kullanımını yaygınlaştıracak çalışmalar yapılması ve rüzgar enerjisinin binalarda kullanılması enerji ve çevre sorunlarının azaltılmasında çağdaş bir yaklaşım olarak görülebilir. Türkiye'de rüzgar potansiyelinin yüksekliği göz önünde bulundurulduğunda yerleşmelerde mevcut binalara ve yeni yapılacak binalara rüzgar enerjisini entegre etmek enerji etkin bir yaklaşım olarak önem taşımaktadır. Enerjinin üretildiği yerde kullanılması, iletim kayıpları ve taşıma maliyetlerinin azalması açısından da oldukça önemlidir. 
Rüzgar tarlalarında üretilen rüzgar enerjisinin kullanımı yaygınlaşırken, rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda üretildiği yerde kullanılması rüzgar enerjisi konusunda atılacak etkili bir adım olarak görülmektedir. 
Rüzgar enerjisinin optimizasyonuna yönelik bu tez çalışmasında geliştirilen yaklaşımın amacı; kentsel alanlarda rüzgar türbini kullanımına yönelik olarak; farklı parametrelere sahip kentsel doku alternatifleri için belirlenen referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızı açısından değerlendirilmesi, rüzgar türbini entegre edilebilecek kentsel doku alternatiflerinin belirlenmesi ve rüzgar türbininden üretilen enerjinin tüketilen enerjiyi karşılama oranlarının belirlenmesi ve yaya seviyesindeki rüzgar hızının belirlenmesi durumlarında rüzgar enerjisi kullanımı açısından optimum alternatiflerin değerlendirilmesi olarak belirlenmiştir. Ayrıca tez çalışması kapsamında yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda kullanımına yönelik çalışmalara temel oluşturması hedeflenmiştir. 
Çalışmada iki ayrı iklim tipi için 256 adet kentsel doku alternatifi oluşturulmuştur. Ilımlı nemli ve sıcak nemli iklim tiplerinin pilot illeri olan İstanbul ve Antalya için oluşturulan alternatifler kentsel alanlara ait 4 farklı parametre ile oluşturulmuştur. Çalışmada kullanılmak üzere;  
•	Kentsel dokuda bina formu
•	Kat sayısı
•	H/W oranı (Bina yüksekliği/Cadde Genişliği)
•	Kentsel doku yönelimi 
parametreleri belirlenmiştir. Belirlenen parametrelere bağlı geliştirilen alternatiflere ait gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda elde edilen sonuçlar iki ayrı il için farklı durumlarda değerlendirilmiştir. 
Çalışmanın ilk aşamasında kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımı ve kullanıma ilişkin örnekler değerlendirilmiştir. Kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımını etkileyen parametreler belirlendikten sonra oluşturulan alternatiflere ait rüzgar hızı simülasyonları ENVI-met 4.4.1 modeli aracılığıyla 21 Haziran yaz başlangıç günü için gerçekleştirilmiştir. 
Yapılan simülasyonlara ait analizler sonucunda değerlendirmeler dört ayrı adımda yapılmış, her bir adıma ait optimum alternatifler belirlenmiştir. 
Çalışmada oluşturulan alternatifler arasından referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızı 5 m/s değerini geçen alternatifler için çatıda türbin kullanımına ilişkin hesaplamalar yapılmıştır. Çalışmada 2.4 kW güce sahip yatay eksenli çatı monte bir rüzgar türbini kullanılmış, türbinden üretilen güç değerleri de açık erişimli bir hesaplama programı aracılığıyla elde edilmiştir. 
Yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının optimizasyonunu hedefleyen tez çalışması 7 bölümden oluşmaktadır. 
Bölüm 1'de tez çalışmasının önemi, amacı, kapsamı ve metodolojisi açıklanmıştır.
Bölüm 2'de kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımına yönelik; kentsel doku ve rüzgar ilişkisi üzerine çalışmalar, rüzgar ve bina ilişkisini CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) kullanarak belirleyen çalışmalar ve bina monte rüzgar türbini çalışmalarına ilişkin yöntemler irdelenmiş, ve açıklanmıştır. 
Bölüm 3'te kentsel alanlarda rüzgar enerjisini etkileyen parametreler, ve rüzgar enerjisi ölçüm araçları açıklanmıştır. 
Bölüm 4'te kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanım yöntemleri olan rüzgar türbinlerinin bina ile entegrasyonuna ve dönme eksenine göre sınıflandırılması yapılmış, bina ile entegrasyonuna göre sınıflandırılan rüzgar enerjisi tipleri ele alınmıştır. 
Bölüm 5'te yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının optimizasyonuna yönelik bir yaklaşıma ilişkin adımlar açıklanmıştır. 
Geliştirilen yaklaşımda ana adımlar; 
•	Kentsel dokularda oluşturulacak binalara ait tasarım kriterlerinin belirlenmesi
•	Oluşturulacak modele ilişkin verilerin belirlenmesi
•	Parametrelere bağlı kentsel doku alternatiflerinin geliştirilmesi
•	Geliştirilen alternatiflerin rüzgar hızı dağılımının hesaplanması
•	Kentsel doku alternatiflerinin farklı değerlendirme durumlar için değerlendirilmesi
•	Kentsel doku alternatiflerinden rüzgar enerjisi kazancı ile ilgili farklı durumlar için optimum performans gösteren alternatiflerin belirlenmesi ve optimum iyileştirme alternatiflerinin geliştirilmesi 
olarak belirlenmiştir. 
Bölüm 6'da çalışmada geliştirilen yaklaşımın uygulanmasını kapsayan çalışmanın adımları, izlenen yol, varsayımlar ve hesaplamalar açıklanmaktadır. Çalışmada 4 farklı parametreye bağlı oluşturulan alternatiflere ilişkin sonuçlar; 
•	Referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızına göre değerlendirme, 
•	Türbin sayısına göre rüzgar türbini kurulumuna elverişli alternatiflerin belirlenmesi ve bu alternatiflerde üretilen enerji ile tüketilen enerjinin karşılanması oranı değerlerinin belirlenmesi, 
•	Toplam doku alanında rüzgar hızı 5 m/s'yi geçen alanların yüzdesine göre değerlendirme, 
•	Yaya seviyesindeki rüzgar hızına göre değerlendirme,
başlıkları altında değerlendirilmiştir.
Yapılan değerlendirmelere göre alternatiflere ilişkin iyileştirme önerileri sunularak rüzgar enerjisi kazancının arttırılması ve yaya konforunun sağlanması hedeflenmiştir. Oluşturulan alternatiflere ilişkin iyileştirme önlemleri;
•	Hakim rüzgar yönüne ağaç vb. rüzgar kırıcı ögeler eklenmesi ile yaya seviyesindeki rüzgar hızının düşürülmesi 
•	Türbin tipinin ve gücünün değiştirilmesi ile türbinden üretilen enerjinin arttırılması olarak belirlenmiştir.
Belirlenen iyileştirme önlemlerinin uygulanması durumlarında elde edilen sonuçlar irdelenmiştir.
Bölüm 7'de çalışmaya ait sonuçlar ve öneriler açıklanmıştır.

Abstract:
The increase in the use of renewable energy is presented as a solution to the energy problems encountered in the globalizing world and environmental pollution problems brought on by CO² emissions. Although research on the use of renewable energy sources in urban areas developed as a solution have gained momentum in the world, they are still limited in Turkey. 
The amount of energy used to maintain user comfort in buildings, which account for the majority of energy use, is rising daily. Conducting research to expand the use of wind energy in buildings and using wind energy in buildings is a contemporary approach to energy and environmental problems. Considering the high wind potential in Turkey, integrating wind energy into both new construction and existing structures is seen as an energy-efficient approach. In order to reduce the cost of transportation and transmission, it is crucial to consume energy where it is produced. This thesis study is an important step towards optimizing wind energy in order to produce the energy to be consumed in the settlements and to reduce the dependence on fossil fuels for the energy used in the buildings. 
In this context, the aim of the approach in the research study is; evaluation of urban texture alternatives with different parameters for the use of wind turbines in urban areas in terms of wind speed at the roof level of the reference building, determination of urban texture alternatives that can be integrated with the wind turbine, determination of the ratio of the energy produced from the wind turbine to the consumed energy and determination of the wind speed at the pedestrian level. In addition, within the scope of the thesis, it is aimed to form a basis for studies on the use of wind energy as a renewable energy source in urban areas. 
In the study, 256 urban texture alternatives were created for two different climate types. Alternatives created for Istanbul and Antalya, the pilot provinces of moderate humid and hot humid climate types, were created with 4 different parameters belonging to urban areas. The following parameters were determined to be used in the study;
• Urban texture building form
• Number of floors
• H/W ratio (Building height/ Street width)
• Urban texture orientation.
The outcomes obtained as a result of the simulations of the alternatives developed according to the determined parameters were evaluated in different situations for two separate provinces.
In the first stage of the study, the use of wind energy in urban areas and examples of its use were evaluated. After determining the parameters affecting the use of wind energy in urban areas, the wind speed simulations of the alternatives created were carried out for the summer start day of June 21, using the ENVI-met 4.4.1 model.
As a result of the analyzes of the simulations, the evaluations were made in four separate steps, and the optimum alternatives for each step were determined.
Among the alternatives created in the study, calculations were made regarding the use of turbines on the roof for the alternatives whose wind speed exceeds 5 m/s at the roof level of the reference building. In the study, a horizontal axis roof-mounted wind turbine with a power of 2.4 kW was used, and the power values produced from the turbine were obtained through an open access calculation program. 
This thesis study consists of 7 chapters, that aims to optimize the wind energy gain in order to reduce the energy loads in the settlements.
In Chapter 1, the importance, purpose, scope and methodology of the thesis study are explained.
In Chapter 2, for the use of wind energy in urban areas; Studies on the relationship between urban texture and wind, studies that determine the relationship between wind and building using CFD (computational fluid dynamics), and methods for building-mounted wind turbine studies are discussed.
In Chapter 3, the parameters that affect wind energy in urban areas and the tools used to measure wind energy are discussed.
In Chapter 4, wind turbines, which are wind energy usage methods in urban areas, are classified according to their integration with the building and rotation axis, and wind energy types are explained that are classified according to their integration with the building.
In Chapter 5, the steps for a strategy to optimize wind energy gain to reduce energy loads in buildings are described.
The main steps in the developed approach are determined as follows;
• Determining the design criteria for the buildings to be created in urban textures,
• Determining the data related to the model to be created,
• Development of urban texture alternatives depending on parameters
• Calculation of the wind speed distribution of the developed alternatives
• Evaluation of urban texture alternatives for different evaluation situations
• Determination of alternatives with optimum performance for different situations related to wind energy gain from urban texture alternatives and development of optimum improvement alternatives
In Chapter 6, the study's methods, assumptions, and calculations pertaining to the use of the strategy created during the study are all described along with the steps taken. 
In the study, the results of the alternatives created depending on 4 different parameters were made under 4 different headings as;
• Evaluation according to the wind speed at the roof level of the reference building,
• Determining the alternatives suitable for wind turbine installation according to the number of turbines and determining the ratio of meeting the energy consumed with the energy produced in these alternatives,
• Evaluation according to the percentage of areas with wind speed exceeding 5 m/s in the total texture area,
• Evaluation based on wind speed at pedestrian level.
According to the evaluations made, it is aimed to increase the wind energy gain and to provide pedestrian comfort by presenting improvement suggestions regarding the alternatives. Improvement suggestions regarding the alternatives created has been determined as;
• Reduction of wind speed at pedestrian level by adding windbreak elements such as trees to the prevailing wind direction
• Increasing the energy produced from the turbine by changing the turbine type and power,
The results obtained in the implementation of the determined improvement measures were evaluated.
In Chapter 7, the results of the study are analyzed and explained.