Sıcak nemli iklim bölgelerinde hacim ölçeğinde doğal havalandırma etkinliğinin değerlendirilmesi
An evaluation of natural ventilation effectiveness at the space scale in hot humid climate regions
Yazar: HANDE ACARI
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture

Özet:
İklim değişikliği ve küresel ısınmanın bir sonucu olarak sıcak iklim bölgelerinde hacim içi iklimsel konfor koşullarının sağlanabilmesi mekanik soğutma ve havalandırma sistemlerine daha fazla gereksinim duyulmasına yol açmaktadır. Ancak bu sistemlerin çalışabilmesi için fosil yakıt kullanılması, fosil yakıt kullanımının daha fazla CO2 salımına ve çevresel problemlere yol açması ve tüm bu sürecin iklim değişikliğine ve küresel ısınmaya katkı sağlaması artık söz konusu mekanik sistemlerin yerine sürdürülebilir alternatiflerin üretilmesini gerekli kılmaktadır. Mimarlık alanında sürdürülebilir çözümler üretebilmek, mimari planlamaya entegre edilen pasif tasarım stratejileriyle olanaklıdır. Sıcak iklim bölgelerinde; yerleşmede gölgeli alanlar üretecek şekilde binaları konumlandırmak, bina ölçeğinde bina formu ile kendine gölge atan binalar tasarlamak, hacim ölçeğinde de güneş ışınımının ısıtıcı etkisini yönlendirme ve güneş kontrol elemanları ile azaltmak en yaygın pasif tasarım stratejilerindendir. Ancak sıcak nemli iklim bölgelerinde bu stratejilere ek olarak, hava akımını artırmak konfor koşullarının sağlanmasında çok önemli bir rol oynadığından planlamada hava akımına olanak verecek stratejiler uygulamak ve böylece pasif soğutma ile yüksek sıcaklık ve nemin bileşik etkisini azaltmak en önemli tasarım kararlarından biridir. 
Binalarda havalandırma ve soğutmayı pasif şekilde sağlamanın en etkili yollarından biri olan doğal havalandırma, özellikle sıcak nemli iklim bölgelerinde konforsuzluk yaratan yüksek nemliliği önlemek açısından çok önemlidir. Mekanik sistemler kullanılmadan havalandırılan binalar kullanıcı açısından daha konforlu ve sağlıklı olmakta, ayrıca binaların enerji tüketimi önemli ölçüde azaltılmaktadır. 
Bu nedenle bu çalışmada, Türkiye'nin sıcak-nemli iklim bölgesinde bulunan Antalya ilinde ele alınan bir hacimde, cepheye dik gelen rüzgar etkisi altında, açıklık boyutu ve konumu değişkenlerine bağlı olarak üretilen 15 farklı model alternatifi için gerçekleşen havalandırma koşulları değerlendirilmiştir. Doğal havalandırma yapılan bir hacimde oluşan hava akımı hızları, hız dağılımının kontur ve vektörel olarak ifade edilmesi, sıcaklık değerleri, basınç alanları ve açıklıkların akış karakteristikleri gibi hacimde oluşan hava hareketinin sayısal çözümleri için gerekli olan hesaplamalar sadece "Computational Fluid Dynamics (CFD) - Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)" yazılımları ile yapılabildiğinden, çalışmada, CFD modelleme işlemleri Design Builder v6.1.0.6 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Design Builder, simülasyon motoru olarak bütünleşik bir simülasyon programı olan Energy Plus programını kullanan, kullanıcı kolaylığı için geliştirilmiş görsel bir ara yüz programıdır. Dinamik termal bir program olan Design builder enerji hesaplamalarında "sonlu farklar hesaplama yöntemi (finite difference)" kullanılmaktadır. Design Builder programı kullanılarak, ısıl performans hesaplamaları için üretilen geometrik model ve iç ısı kaynakları ve HVAC sistemleri göz önünde bulundurularak Energy Plus simülasyonu yardımıyla elde edilen sıcaklıklar, yüzey sıcaklıkları ve hava akış verileri sınır koşulları olarak CFD hesaplamalarına aktarılabilmektedir. 
Çalışma altı ana bölümden oluşmaktadır.
Birinci bölüm olan giriş bölümünde; Türkiye'de nüfus artışı ve şehirleşme nedeniyle bina yapımına duyulan talebin arttığı ve bunun enerji ithalatına bağımlılığı yükselttiği özetlenmiştir. Binaların enerji tüketiminin tasarım ve kullanım aşamasında ortaya çıkan ihtiyaçlardan kaynaklandığı vurgulanmış; enerji tasarrufu sağlamak için pasif tasarım yöntemlerinin önemine dikkat çekilmiştir. Küresel ısınma ve iklim değişiklikleriyle birlikte doğal havalandırma gibi pasif soğutma yöntemlerinin etkili çözümlerden biri olduğu ifade edilmiştir. Doğal havalandırmanın, rüzgar ve hava basıncını kullanarak taze hava sağladığı, enerji harcamalarını azalttığı ve sıcaklık ile nemin olumsuz etkilerini en aza indirdiği belirtilmiştir. Birinci bölümde giriş bölümünün devamında tezin amacı, kapsamı, yöntemi, literatür araştırması ve hipotezi hakkında bilgi verilmiştir. Literatür araştırmasında iç hava hareketinin etkinliği kapsamında farklı iklim koşullarında ve yapı türlerinde iç mekan havalandırması, termal performans ve hava akışı gibi parametrelerin değerlendirildiği çalışmalar özetlenmiştir. Doğal havalandırmanın optimizasyonu, enerji verimliliği ve iç mekan konforu üzerinde yapılan simülasyonlar incelenmiş; Design Builder ve CFD yöntemleri kullanılarak rüzgar yönü, açıklık boyutları ve konum gibi faktörlerin etkileri analiz edilmiştir. Bu çalışmalarda genellikle konutlar ve farklı iklim koşullarında yapılan simülasyonlarla iç hava akışının enerji tasarrufu ve konfor üzerindeki rolü araştırılmıştır. Açıklık konumlarının ve boyutlarının tasarım kararlarının, hava hareketi etkinliği üzerinde önemli bir etkisi olduğu vurgulanmış; bu doğrultuda farklı kombinasyonların üretilmesiyle çalışmanın literatüre katkı sağlanması hedeflenmiştir.
İkinci bölümde, hacim ölçeğinde doğal havalandırma etkinliğini etkileyen faktörler kullanıcıya ilişkin değişkenler, iklime ilişkin değişkenler ve hacme ilişkin değişkenler olmak üzere üç ana başlık altında incelenmiştir: Kullanıcıya ilişkin değişkenler başlığı altında aktivite düzeyi, giysi türü ve kullanıcının mekandaki konumu ve duruşu tanımlanmıştır. İklime ilişkin değişkenler, dış iklim elemanları (dış hava sıcaklığı, dış hava hareketi, güneş ışınımı, dış hava nemi) ve iç iklim elemanları (iç hava sıcaklığı, iç yüzey sıcaklıkları, iç hava hareketi ve iç hava nemi) olmak üzere iki alt başlıkta ele alınmıştır. Hacme ilişkin değişkenler başlığı altında ise havalandırma etkinliğini etkileyen hacmin yeri ve diğer engellere göre konumu, hacmin formu, hacmin yönlendiriliş durumu ve hacimdeki açıklıkların boyutları ve konumları incelenmiştir. Bu değişkenlerin doğal havalandırma performansı üzerinde önemli etkileri olduğu vurgulanmıştır.
Üçüncü bölümde, hacimlerde doğal havalandırma ele alınmış ve bu kapsamda doğal havalandırma mekanizması, doğal havalandırma yöntemleri, havalandırmalı soğutma ve havalandırmanın etkinliğinin değerlendirilmesi başlıkları altında detaylı incelemeler yapılmıştır. Doğal havalandırma mekanizması kısmında hava akımları, çekiş etkisi ve rüzgar gibi faktörlerin havalandırma üzerindeki rolü açıklanmıştır. Hacimlerde doğal havalandırma yöntemleri başlığı altında ise tek yönlü havalandırma, çapraz havalandırma ve baca havalandırması gibi yöntemler açıklanmıştır. Ayrıca, havalandırmalı soğutma yöntemleri gündüz ve gece havalandırması yoluyla soğutma prensipleri üzerinden tartışılmıştır. Son olarak, hacimlerde doğal havalandırmanın etkinliğinin değerlendirilmesi kısmında doğal havalandırmanın ısıl konfor ve hava  
hareketi hızı açısından analizleri yapılmış, bu değerlendirme ile doğal havalandırmanın iç mekan konforunu sağlama ve iyileştirme açısından önemine dikkat çekilmiştir.
Dördüncü bölümde, sıcak-nemli iklim bölgelerinde doğal havalandırma etkinliğinin optimize edilebileceği tasarım parametreleri ve doğal havalandırmanın etkinliği, hacim içi hava hareketi ve açıklıkların etkisinin incelenmesi için koşullar belirlenmiştir. Antalya ili örneği üzerinden yapılan çalışmada, farklı açıklık boyutları ve konumları kullanılarak toplamda 15 model oluşturulmuş ve simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla DesignBuilder simülasyon programı ve CFD analizleri kullanılmıştır. Hacimlerin rüzgar yönü, açıklık boyutları ve açıklık konfigürasyonları arasındaki ilişkilerin değerlendirilmesi için simülasyon koşulları oluşturulmuştur. Simülasyon sonuçlarının değerlendirilmesinde esas alınacak kriterler belirlenmiş ve hacimde gerçekleşen rüzgar hızları değerlendirilmiştir.
Beşinci bölümde çalışmadan elde edilen bulgular değerlendirilmiş ve tartışılmıştır. Yapılan çalışmanın sonuçları, modellerin ayrı ayrı değerlendirilmesi ve karşılaştırmalı analizler üzerinden ele alınmıştır. Modellerin her biri, açıklıkların konumu ve boyutlarına bağlı olarak doğal havalandırma etkinliği, hacim içi hava hareketi ve açıklıkların etkisi açısından detaylı bir şekilde incelenmiştir. 
Altıncı bölümde, yapılan çalışmadan elde edilen sonuçlar verilmiştir.

Abstract:
As a result of climate change and global warming, providing in-space climatic comfort conditions in hot climate regions leads to a greater need for mechanical cooling and ventilation systems. However, the use of fossil fuels to operate these systems, the fact that fossil fuel use causes more CO2 emissions and environmental problems, and the fact that this whole process contributes to climate change and global warming, now requires the production of sustainable alternatives instead of the mechanical systems in question. Producing sustainable solutions in the field of architecture is possible with passive design strategies integrated into architectural planning. In hot climate regions; Positioning buildings to produce shaded areas in settlements, designing buildings that cast a shadow on themselves with the building form at the building scale, and reducing the heating effect of solar radiation at the space scale with directing and solar control elements are among the most common passive design strategies. However, in addition to these strategies in hot humid climate regions, since increasing airflow plays a very important role in providing comfort conditions, applying strategies that will allow airflow in planning  and thus reducing the combined effect of passive cooling and high temperature and humidity is one of the most important design decisions. 
Natural ventilation, which is one of the most effective ways to passively provide ventilation and cooling in buildings, is very important to prevent high humidity that creates discomfort, especially in hot humid climate regions. Buildings that are ventilated without the use of mechanical systems are more comfortable and healthier for the user, and the energy consumption of the buildings is significantly reduced. 
For this reason, in this study, the ventilation conditions for 15 different model alternatives produced depending on the opening size and position variables, under the  influence of wind perpendicular to the facade, were evaluated in a space in Antalya province, located in the hot-humid climate region of Turkey. Calculations required for numerical solutions of air movement in a space, such as air flow velocities in a naturally ventilated space, contour and vector expression of velocity distribution, temperature values, pressure fields and flow characteristics of openings, can only be made with "Computational Fluid Dynamics (CFD) software. For this reason, in the study, CFD modeling operations were carried out using Design Builder v6.1.0.6 software. Design Builder is a visual interface program developed for user convenience that uses the Energy Plus program, an integrated simulation program, as the simulation engine. "finite difference calculation method" is used in Design Builder calculations, which is a dynamic thermal program. Using the Design Builder program, temperatures, surface temperatures and air flow data obtained with the help of Energy Plus simulation, taking into account the geometric model produced for thermal performance calculations and internal heat sources and HVAC systems, can be transferred to CFD calculations as boundary conditions. 
The study consists of six main sections.
In the first chapter, the introduction; It has been summarized that the demand for building construction has increased in Turkey due to population growth and urbanization and this has increased the dependence on energy imports. It was emphasized that the energy consumption of buildings arises from the needs that arise during the design and use phase; Attention was drawn to the importance of passive design methods to save energy. It has been stated that with global warming and climate changes, passive cooling methods such as natural ventilation are one of the effective solutions. It has been stated that natural ventilation provides fresh air by using wind and air pressure, reduces energy expenditures and minimizes the negative effects of temperature and humidity. In the first part, information about the purpose, scope, method, literature research and hypothesis of the thesis is given, following the introduction. In the literature research, studies evaluating parameters such as indoor ventilation, thermal performance and air flow in different climatic conditions and building types within the scope of the effectiveness of indoor air movement were summarized. Simulations on optimization of natural ventilation, energy efficiency and indoor comfort were examined; The effects of factors such as wind direction, opening dimensions and location were analyzed using Design Builder and CFD methods. In these studies, the role of indoor air flow on energy saving and comfort was generally investigated through simulations made in residences and different climatic conditions. It is emphasized that design decisions of opening locations and sizes have a significant impact on air movement efficiency; In this regard, it is aimed to contribute to the literature by producing different combinations. 
In the second chapter, the factors affecting natural ventilation effectiveness on a space scale were examined under three main headings: user-related variables, climate-related variables and space-related variables: Under the heading of user-related variables, activity level, clothing type and the user's position and posture in the space are defined. Climate-related variables are discussed under two subheadings: external climate elements (outdoor air temperature, outdoor air movement, solar radiation, outdoor air humidity) and internal climate elements (indoor air temperature, indoor surface temperatures, indoor air movement and indoor air humidity). Under the heading of space related variables, the location of the space and its location relative to other obstacles that affect ventilation efficiency, the form of the space, the orientation of the space, and the dimensions and positions of the openings in the space are examined. It has been emphasized that these variables have significant effects on natural ventilation performance.
In the third chapter, natural ventilation in space was discussed and in this context, detailed examinations were made under the headings of natural ventilation mechanism, natural ventilation methods, ventilated cooling and evaluation of the effectiveness of ventilation. In the natural ventilation mechanism section, the role of factors such as air currents, traction effect and wind on ventilation is explained. Under the heading of natural ventilation methods in space, methods such as one-way ventilation, cross ventilation and chimney ventilation are discussed. Additionally, ventilated cooling methods are discussed based on the principles of cooling through day and night ventilation. Finally, in the evaluation of the effectiveness of natural ventilation in space, natural ventilation was analyzed in terms of thermal comfort and air movement speed, and with this evaluation, attention was drawn to the importance of natural ventilation in terms of providing and improving indoor comfort.
In the fourth chapter, the design parameters by which natural ventilation effectiveness can be optimized in hot-humid climate regions and the conditions for examining the effectiveness of natural ventilation, in-space air movement and the effect of openings are determined. In the study conducted on the example of Antalya province, a total of 15 models were created and simulations were carried out using different opening sizes and locations. For this purpose, DesignBuilder simulation program and CFD analyzes were used. The criteria to be used for evaluating the simulation results have been determined, and the wind speeds occurring in the defined space have been analyzed.
In the fifth chapter, the findings obtained from the study were evaluated and discussed. The results of the study were discussed through separate evaluation of the models and comparative analysis. Each of the models was examined in detail in terms of natural ventilation effectiveness, in-space air movement and the effect of the openings, depending on the location and size of the openings. 
In the sixth chapter, the results obtained from the study are given.