Konut binaları enerji performansının cephe tasarım parametreleri açısından değerlendirilmesine yönelik bir karar destek modeli
A decision support model for the evaluation of residential buildings energy performance in terms of facade design parameters
Yazar: HİLAL PARLAK ARSLAN
Danışman: PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Dünya nüfusunun ve sanayileşmenin hızla artması ile dünya nüfusunun büyük bölümü kentlerde yoğunlaşmış, bununla birlikte gelen hızlı yapılaşma ve plansız kentleşme, enerji kaynaklarının tükenmesine ve ekolojik yapının bozulmasına yol açmıştır. Binalar küresel enerji tüketiminin önemli bir kısmından sorumlu olduğundan, enerji ve çevre sorunlarına çözümler geliştirmeyi hedefleyen yapma çevrelerin oluşturulmasında enerji etkin tasarım anlayışının benimsenmesi ve binalarda artan enerji tüketiminin azaltılması amacıyla enerji performanslarının geliştirilmesi zorunlu olmaktadır. Binaların enerji performansının geliştirilmesi amaçlandığında, bina tasarım süreci çok sayıda kriterin gözetildiği yinelemeli bir süreç haline gelmektedir. Bu kriterlere ilişkin seçim yapılırken binanın enerji performansına yönelik çözümlerin geliştirilmesinde özellikle erken tasarım aşamasında alınan kararlar önemli bir etkiye sahiptir ve bu aşamada alınacak kararlar için karar destek sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Karar destek sistemleri, tasarım parametrelerinin enerji performans çıktıları üzerindeki etkisine bakılarak seçim yapabilme konusunda tasarımcıya yol göstermektedir. Bu sistemlerin kullanılmasındaki amaç, tasarım parametreleri ile belirli kısıtlamalara tabi olan kriterler arasında en iyi dengeyi sağlamaktır. Binalarda enerji performansının geliştirilebilmesi konusunda, binalardaki ısı kayıp ve kazançlarının büyük kısmı iç ve dış çevreyi birbirinden ayırması nedeniyle cepheleri aracılığı ile olduğundan, bina cepheleri önem kazanmaktadır. Enerji kayıplarını azaltabilmek için güneye yönlendirilmesi beklenen binaların, manzara yönleri kuzeyde olduğunda kuzeye yönlendirilmesi durumunda bina cepheleri daha da önemli hale gelmektedir. Isıtma döneminin daha uzun olduğu soğuk ve ılımlı iklim bölgelerinde güneş ışınımı kazancını optimize etmek amacıyla (kuzey yarım kürede) binaların geniş cephelerinin güneye yönlendirilmesi enerji etkin yaklaşım açısından önem taşımaktadır. Bu bağlamda kuzey bölgesi ısı kayıplarını engellemek için mekân organizasyonunda tampon bölge olarak kullanılırken, gün içinde sıklıkla kullanılan yaşama mekanları güneye yönlendirilir. Ancak yerey parçasının yönü, eğimi ve konumu açısından kuzey yönünün hâkim olduğu yerleşimlerde, manzaranın kuzey yönünde olması sebebiyle binanın en geniş cephe açıklığının kuzey cephesinde olması ısıtmanın istendiği dönemde enerji kayıplarını artırmaktadır. Bu durum ısıtma döneminin daha uzun olduğu soğuk ve ılımlı iklim bölgelerinde ısıtma yüklerinin artmasına ve dolayısıyla toplam enerji yüklerinin artmasına neden olmaktadır. Enerji kayıplarını azaltabilmek için güneye yönlendirilmesi beklenen binaların, manzara yönlerinin kuzeyde olduğu yerleşimlerde kuzeye yönlendirilmesi; enerji etkin tasarım parametrelerinin ideal şekilde uygulanmasına olanak vermeyen durumlar bağlamında dikkat çekmektedir. Bu sebeple tasarım sürecinde alınan kararlar ile parametreler arasında seçim yapılması cephe tasarımında optimum yarar sağlama konusunda önemlidir. Bu doğrultuda çalışmada, binaların enerji performansını geliştirmeye yönelik cephe tasarım parametrelerinin enerji yükleri üzerindeki hassasiyetinin analiz edilebilmesi ve optimum cephe çözümlerinin belirlenmesine olanak sağlayan bir karar destek modeli önerisi sunulmaktadır. Bu hedef doğrultusunda tez çalışması, beş bölümden oluşmaktadır: Bölüm 1'de tez çalışmasının amacı ve kapsamı açıklanmakta, bu amaca yönelik yapılmış literatür araştırmasında önceki çalışmalar incelenmekte ve yöntemler tartışılmaktadır. Bölüm 2'de konut binalarında enerji performansı tanımlanmakta, konut binalarının enerji performansının cephe tasarım parametreleri açısından değerlendirilmesinde etkili olan parametreler ve konut binaları enerji performansının değerlendirilmesine yönelik karar destek sistemleri açıklanmaktadır. Bölüm 3'de konut binalarının enerji performansını geliştirmeye yönelik cephe tasarım parametrelerinin enerji yükleri üzerindeki hassasiyetinin analiz edilebilmesi ve optimum cephe çözümlerinin belirlenmesinde kullanılabilecek karar destek modeli açıklanmaktadır. Geliştirilen modelin başlıca adımları, bina modelinin tanımlanması, hassasiyet analizinin yapılması, optimizasyonun yapılması olarak tanımlanmaktadır. Bölüm 4'te, geliştirilen model çerçevesinde Türkiye koşullarına uygun enerji etkin konut binalarının tasarım süreçlerine katkı sağlamak amacıyla sunulan model, son yıllarda yüksek konut üretimi oranına sahip illerden biri olan Samsun ili için uygulanmıştır.  Samsun ilinde manzaranın kuzeyde olması sebebiyle, binaların en geniş cephe açıklıkları kuzey yönünde bulunmaktadır. Bu durum ısıtma döneminin daha uzun olduğu ılımlı iklim bölgesinde bulunan Samsun ilinde ısıtma yüklerinin artmasına ve dolayısıyla toplam enerji yüklerinin artmasına neden olmaktadır. Uygulama çalışması kapsamında; modellerin tamamen opak cephelerinin farklı yönlerde (dört cephesi açık, üç cephesi açık, iki cephesi açık ve tek cephesi açık) tanımlanması ile elde edilen 8 bina modeli ve bu modellerin kuzey cephelerinde %80 saydamlık oranının kullanılarak üretilmesi ile elde edilen 8 bina modeli ile toplamda 16 bina modeli alternatifi olarak tanımlanmıştır. Yapılan uygulama çalışması sonucunda belirtilen amaca uygun olarak konut binalarının enerji etkinliği açısından optimum performanslarının değerlendirilebildiği görülmektedir. Bölüm 5'de, tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar açıklanmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, farklı tamamen opak cephe alternatiflerine ve farklı saydamlık oranına sahip bina modellerinin cephe tasarım parametrelerinde farklı değerler alarak optimum enerji yükü sonuçlarına ulaştığı tespit edilmiştir. Bu sonuç yönlenme, pencere genişliği, pencere yüksekliği, cam türü, yalıtım malzemesi türü, gölgeleme elemanı derinliği, gölgeleme elemanı açısı, hava değişim oranı parametrelerine uygun değerler belirlenerek, oluşturulan 16 alternatif modelden her birinde enerji etkinliğinin önemli düzeyde arttırılabileceğini kanıtlamaktadır. Tez çalışmasında, ön tasarım sürecinde cephe parametrelerine ilişkin optimum tasarım kararlarının alınabilmesi için üretilen konut modeli alternatiflerinde yapılan analizler aracıyla tasarım parametrelerini enerji yükleri üzerinden değerlendiren performans odaklı bir karar destek modeli sunulmuştur. İleriki çalışmalarda Türkiye'de üretilecek konut binalarının tasarım süreçlerinde doğru kararların alınması için geliştirilen modelin farklı iklim bölgelerinde, maliyetin de sürece dahil edildiği biçimde, gelecek iklim senaryoları için uygulanarak, enerji etkin yapma çevrelerin gelişimine katkı sağlayacak verilerin derlenmesi hedeflenmektedir.

Abstract:
The rapid increase in world population and industrialization has caused the rate of urbanization to increase and most of the world's population to be concentrated in cities. Rapid construction and unplanned urbanization lead to the deterioration of the ecological structure and the depletion of energy resources. Since buildings are responsible for a significant part of global energy consumption, it is necessary to adopt an energy-efficient design approach and improve the energy performance of buildings in the creation of built environments that aim to develop solutions to energy and environmental problems. When it is aimed to improve the energy performance of buildings, the design process emerges as an iterative process where many criteria are taken into consideration. When choosing these criteria, decisions taken especially at the early design stage have a significant impact on the development of solutions for the energy performance of the building, and decision support systems are needed for the decisions to be taken at this stage. Decision support systems guide the designer in making choices by looking at the impact of design parameters on energy performance outputs. The purpose of using these systems is to provide the best balance between design parameters and criteria subject to certain restrictions. Most of the heat loss and gain in buildings occurs through their facades, as they separate the interior and exterior environments. Especially in settlements where the view is in the north, building facades become more important when buildings that are expected to be oriented to the south in order to reduce energy losses are oriented to the north. Generally, in energy efficient design, it is important to direct the wide facades of buildings to the south (in the northern hemisphere) in order to optimize solar radiation gain, especially in cold and temperate humid climate regions where the heating period is longer. In this context, when organizing space, living spaces that are frequently used during the day are directed to the south, while the northern region is used as a buffer zone to prevent heat losses. However, in settlements where the north direction is dominant in terms of the direction, slope and location of the ground part, in other words, where the view is to the north since the widest façade opening of the building is in the north direction, energy losses increase during the period when heating is required. This situation causes the heating loads and therefore the total energy loads to increase in temperate humid climate regions where the heating period is longer. Buildings that are expected to be oriented to the south in order to reduce energy losses are oriented to the north in settlements where the view is in the north, which draws attention in the context of energy efficiency. For this reason, it is important to make the right decisions during the design process to achieve optimum benefit in facade design. Accordingly, in this study, a decision support model proposal is presented that allows analyzing the sensitivity of facade design parameters on energy loads and determining optimum facade solutions to improve the energy performance of buildings. The model presented in line with this goal consists of five parts: In Chapter 1, the purpose and scope of the thesis study are explained, previous studies are examined and methods are discussed in the literature research conducted for this purpose. In Chapter 2, energy performance in residential buildings is defined, parameters that are effective in evaluating the energy performance of residential buildings in terms of facade design parameters, and decision support systems for evaluating the energy performance of residential buildings are explained. In Chapter 3, the decision support model that can be used to analyze the sensitivity of facade design parameters on energy loads and determine optimum facade solutions to improve the energy performance of residential buildings is explained. The main steps of the developed approach are defined as, defining the building model, performing sensitivity analysis, performing optimization. In Chapter 4, within the framework of the developed approach, the model presented in order to contribute to the design processes of energy-efficient residential buildings suitable for Turkey's conditions has been applied to the province of Samsun, one of the provinces with a high housing production rate in recent years. Since the view in Samsun is in the north, the widest façade openings of the buildings are in the north direction. This situation causes an increase in heating loads and therefore an increase in total energy loads in Samsun, which is located in a moderate climate region where the heating period is longer. Within the scope of the study, a total of 16 building models were created by defining the blind facades of the buildings in different directions (8 building models with four open facades, three open facades, two open facades and one open facade) and 8 building models obtained by producing these models using 80% transparency on the northern facades defined as an alternative. As a result of the study, it is seen that the optimum performance of residential buildings in terms of energy efficiency can be evaluated in accordance with the stated purpose. In Chapter 5, the results obtained within the scope of the thesis are explained. With this approach, it was determined that building models with different blind facade alternatives and different transparency rates achieved optimum energy load results by taking different values in the facade design parameters. This result proves that energy efficiency can be increased significantly in each of the 16 alternative models created by determining appropriate values for orientation, window width, window height, glass type, insulation material type, shading element depth, shading element angle, and air change rate parameters. In the thesis study, a performance oriented decision support model is presented that evaluates the design parameters based on energy loads through analyzes made on the housing model alternatives produced in order to make optimum design decisions regarding the facade parameters during the preliminary design process. In future studies, it is aimed to compile data that will contribute to the development of energy efficient built environments by applying the model developed to make the right decisions in the design processes of residential buildings to be produced in Turkey, for future climate scenarios in different climatic regions, with the cost included in the process.