Fotobiyoreaktör ile bütünleşik yenilikçi bir çift kabuk cephe önerisi
An innovative double skin facade proposal integrated with photobioreactor
Yazar: İLKNUR KÜKDAMAR
Danışman: PROF. DR. TÜRKAN GÖKSAL ÖZBALTA ; PROF. DR. MELTEM DALAY
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mimarlık = Architecture
Dizin: Fotobiyoreaktör = Photobioreactor ; Gölgeleme = Shading

Özet:
Bina enerji verimliliğini artırmada önemli bir rol oynayan çift kabuk cepheler (ÇKC), sıcak iklim bölgelerinde uygulandığında iç mekanda sera etkisi gibi sorunlara neden olabilmektedir. Fotobiyoreaktör (FBR) cephe uygulamasında, mikroalglerin mimariye entegre edilmesiyle hem enerji verimliliği sağlanabilmekte hem de aşırı ısınma sorunlarına gölgeleme etkisiyle çözüm bulunabilmektedir. Ayrıca, karbondioksit (CO2) emilimiyle kullanıcı konforuna katkıda bulunulabilmekte ve çevreye karbon salımı azaltılabilmektedir. Üçüncü nesil biyoyakıt kaynağı mikroalgal biyokütlenin cepheden hasat edilmesiyle, yenilenebilir enerji çeşitlerinden biyoenerji üretimi sayesinde yapılarda enerji etkinliği aktif şekilde sağlanabilmektedir. Bu tez çalışmasında, çok işlevli bir cephe elemanı olarak önerilen FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminde, FBR iç kabuğa uygulanmıştır. FBR tabakasının ve içinde yetiştirilen mikroalglerin, iklimsel faktörlere bağlı olarak ısıl geçirgenlik katsayısı (U değeri) ve ışık geçirgenliğine (gölgeleme) olan etkisi deneysel yöntemlerle araştırılmıştır. Bu sayede, FBR'lerin ÇKC sistemlerinde enerji verimliliğine sağladığı katkı belirlenmiştir. Çevresel açıdan binaların sıfır karbon salımı hedefine uygun olarak, mikroalglerin CO2 emilimi ve üretim verimliliği araştırılmıştır. FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminin mekanın enerji tüketimini nasıl değiştirdiği simülasyon modellemesiyle incelenmiştir.
Çalışmada, sıcak ve nemli iklim koşullarına sahip İzmir'de, güneye yönlendirilerek dış ortamda FBR ile bütünleşik ÇKC sistemi ve deney kontrol düzeneği FBR cephe sistemi prototipleri kurulmuştur. Her iki sistemde bir yıl süresince mikroalg yetiştirilip, hücre yoğunluğundaki değişikliklere bağlı olarak U değeri ve ışık geçirgenliği ölçülmüştür. Ayrıca, sistemlerden kültür ortamı örnekleri alınarak, mikroalg sayımı ve spektrofotometrik ölçümler yapılmıştır. Bunun yanında alınan örneklerden mikroalglerin CO2 emilimi klorofil-a ölçümleriyle incelenmiştir. Araştırma sonuçlarına göre FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminde mikroalglerin yüksek hava sıcaklığı ve aşırı güneş ışığından daha az etkilendiği görülmüştür. Mikroalg sayısı deney kontrol düzeneği FBR cephe sisteminde yüksek olmuştur. Mikroalg yoğunluğuna bağlı, ışık geçirgenliği daha düşük olduğundan özellikle yaz döneminde FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminin gölgeleme etkisi daha yüksek olmuştur. FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminde yaz mevsiminde U değeri daha yüksek olmuş, cephenin ısıl yalıtım niteliği azalmıştır. Klorofil-a ölçümlerine göre CO2 emilimi FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminde daha fazla olmuştur. Simülasyon sonuçlarına göre, sıcak ve nemli iklim bölgelerinde yaz dönemlerinde ÇKC'ye göre FBR ile bütünleşik ÇKC sisteminin binanın enerji performansını artıracağı belirlenmiştir. Ayrıca yenilenebilir enerji kaynaklarından biyokütle üretimi açısından sahip olduğu potansiyel, FBR ile bütünleşik ÇKC sistemini gelecekte kullanılabilecek bir yenilenebilir enerji teknolojisi haline getirmektedir.

Abstract:
Double skin facades (DSF), which play an significant role in increasing building energy efficiency, can cause problems such as greenhouse effect in interior spaces when applied in hot climate regions. In photobioreactor (PBR) facade applications, by integrating microalgae into the architecture, both energy efficiency can be achieved and overheating problems can be solved with shading effect. In addition, user comfort can be contributed to by carbondioxide (CO2) absorption and carbon emission to the environment can be reduced. By harvesting the third generation biofuel source microalgal biomass from the facade, energy efficiency can be actively provided in buildings through bioenergy production, one of the renewable energy types. In this thesis, PBR was applied to the inner shell in the DSF system integrated with PBR, which is proposed as a multifunctional facade element. The effect of the PBR layer and the microalgae grown in it on the heat transfer coefficient (U value) and light transmittance (shading) depending on climatic factors was investigated by experimental methods. In this way, the contribution of PBRs to energy efficiency in DSF systems was determined. In accordance with the zero carbon emission goal of buildings from an environmental perspective, the CO2 absorption and production efficiency of microalgae were investigated. How the DSF system integrated with PBR changes the energy consumption of the space was examined with simulation modeling.
In the study, DSF system integrated with PBR and experimental control setup PBR facade system prototypes were installed in the outdoor environment by directing to the south in Izmir, which has hot and humid climate conditions. Microalgae were cultivated in both systems for a year and U value and light transmittance were measured depending on the changes in cell density. In addition, culture medium samples were taken from the systems, microalgae count and spectrophotometric measurements were made. In addition, CO2 absorption of microalgae from the samples taken was examined with chlorophyll-a measurements. According to the research results, it was observed that microalgae were less affected by high air temperature and excessive sunlight in the DSF system integrated with PBR. The number of microalgae was high in the experimental control setup PBR facade system. Due to the microalgae density, especially in the summer period, the shading effect of the DSF system integrated with PBR was higher since the light transmittance was lower. The U value of the DSF system integrated with PBR was higher in the summer season and the thermal insulation quality of the facade decreased. According to chlorophyll-a measurements, CO2 absorption was higher in the DSF system integrated with PBR. According to the simulation results, it was determined that the DSF system integrated with PBR would increase the energy performance of the building compared to the DSF, especially in the summer months in hot and humid climate regions. Moreover, the potential it has in terms of biomass production from renewable energy sources makes the DSF system integrated with PBR a renewable energy technology that can be used in the future.