Uyum gösteren gölgeleme bileşenlerinin parametrik tasarım araçlarıyla performans değerlendirmesi
Performance evaluation of adaptive shading components with parametric design tools
Yazar: DİLAN ÖNER
Danışman: PROF. DR. GÜLTEN ASLIHAN ÜNLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bina benzetimi = Building simulation ; Bina cephesi = Building facade

Özet:
Dünya'daki enerji tüketiminin artış göstermesiyle birlikte ortaya çıkan çevresel ve ekonomik sorunlar, bu konudaki endişelerin artmasına neden olmuştur ve bununla birlikte enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik çalışmalar artırılmış ve ülkeler çeşitli önlemler almaya başlamışlardır. Enerji verimliliğinin artırılması noktasında birçok ülkenin enerji tüketimini azaltmak için hedeflediği alan bina sektörü olmuştur. Ayrıca Avrupa Komisyonu tarafından da, bina sektöründeki enerji tasarrufu potansiyelinden yararlanma konusunda hedeflerin belirlenmesi ve yaptırımların gerçekleştirilmesi amacıyla Binalarda Enerji Performansı Revize Direktifi (2010/31/EU) yayımlanmıştır.
Dış ortam faktörlerine en çok maruz kalan bina kabuklarında ısı ve enerji akışı oldukça yoğundur. Bundan dolayı enerji tasarrufu sağlamak için öncelik bina kabuklarındadır. Enerji etkin tasarım ve sürdürülebilirlik gibi konularında önem kazanmasıyla birlikte yapı kabukları üzerinde araştırmalar ve çalışmalar artış göstermiştir. Bu bağlamda gelişen teknolojiyle birlikte oldukça yenilikçi ve yaratıcı çözümler yapı kabuklarında uygulanmaktadır. Uyum gösteren kabuklar başlığı altına alınabilecek bu teknolojiler ve tasarımlarla birlikte iklimsel değişen şartlara ve kullanıcı ihtiyaçlarına dinamik olarak cevap verebilen, maksimum verimlilik ve minimum enerji hedefleriyle oluşturulan kabuk teknolojileri geliştirilmeye başlanmıştır. 
Bu çalışmada, farklı hareket kabiliyetlerine sahip, cepheye düşey veya yatay olarak konumlanmış uyum gösteren gölgeleme bileşen tiplerinin İstanbul iklim koşullarında görsel ve ısıl performansının değerlendirmesini yapmak ve hangi tipin optimum performans sağladığını bulmak amaçlanmıştır.
Tez beş bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde; çalışmanın konusu, amacı, kapsamı ve amaca ulaşmak için izlenen yöntem hakkında bilgi verilen giriş bölümü yer almaktadır. Ayrıca ana amaca ek olarak alt problemler belirlenerek çalışma boyunca izlenecek yol belirlenmiştir.
İkinci bölümde UGK araştırılarak uyum göstermenin tanımı yapılmış ve UGK'ın işlevi ve amacı üzerine araştırmalar yapılarak UGK'ın potansiyeli belirlenmiştir. Aynı zamanda UGK'ın özellikleri belirlenerek diğer kabuklardan farkları ortaya konulmaya çalışılmıştır. Bu özellikler uyum gösterme özellikleri olarak adlandırılmış olup; etki, tepki, ölçek, kontrol tipi, sistem konfigürasyonu, zaman, uyum yapısı, hareket türü, görünebilirlik, uyum ölçeği ve hareket kabiliyeti olarak belirlenmiştir ve bu özellikler üzerinden sınıflandırma tablosu oluşturulmuştur. İnşa edilmiş mevcut örnekler araştırılarak iklim haritasındaki yerleri, yapım yılları ve fonksiyonları belirlenmiştir. Oluşturulan sınıflandırma tablosu üzerinden uyum gösterme özellikleri araştırılarak değerlendirilmiştir ve bu teknolojinin kullanımında uyum gösteren gölgeleme bileşenlerinin (UGGB) kullanımının diğerlerine oranla daha çok olduğu gözlemlenmiştir. 
Üçüncü bölümde UGGB'nin performans değerlendirilmesinin nasıl yapıldığı üzerinde literatür araştırması yapılmıştır. Parametrik tasarım araçları üzerinde durularak literatürdeki çalışmalar incelenmiştir. Parametrik tasarım araçlarından en çok Rhinoceros'un eklentisi olan Grasshopper'ın kullanıldığı gözlenmiştir. 
Dördüncü bölümde çalışmada kullanılan yazılımlar incelenmiştir. Rhino ve Grasshopper tanıtılıp çevresel analiz eklentisi olan DIVA ve altyapısında kullandığı simülasyon motorları anlatılmıştır. Simülasyon modelini oluşturmak için binaya ait boyutsal ve geometrik özellikler belirlenmiş ardından referans olarak kullanılan standartlara göre iç mekan özellikleri ve bina alt sistemine ilişkin girdiler belirlenmiştir. İstanbul'da bulunduğu varsayılan ofis binası Grasshopper'da modellenmiştir. Daha sonra düşeyde katlanma hareketi (A1), yatayda katlanma hareketi (A2), düşeyde dönme hareketi (B1), yatayda dönme hareketi (B2), düşeyde kayma hareketi (C1) ve yatayda kayma hareketi (C2) yapan UGGB tiplerinin uyum gösterme özellikleri belirlenmiştir ve kontrol stratejileri geliştirilerek ardından Grasshopper'da modellenmiştir. Görsel performans ve enerji performansı değerlendirme ölçütleri referans olarak alınan standartlara göre belirlenerek simülasyon metodolojisi tamamlanmış, güney ve batı yönüne bakan bir ofis birimi üzerinden simülasyonları çalıştırma aşamasına geçilmiştir. 
Öncelikle aydınlık düzeyleri hesaplanarak çalışma düzleminde oluşan aydınlık dağılımlarına bakılmıştır. Her iki yön içinde 21 Haziran günü için saat 8.00 ile 18.00 arası, önünde herhangi bir UGGB bulunmayan durum (referans durum) simüle edilmiştir. Daha sonra UGGB tipleri her iki yön içinde aynı gün ve saat aralıklarında belirlenen hareket adımları ile simüle edilmiş ve çalışma düzleminde en iyi aydınlık düzeyi yüzdesini veren (D2) hareket adımları belirlenmiş ve optimum saat\açılar elde edilmiştir. Daha sonra temel durum ve UGGB için ofis biriminde çalışan bir kullanıcı için DGI ve DGP değerleri hesaplanmış, ofis birimindeki aydınlık dağılımı incelenmiştir. Güney ve batı yönü kendi içinde değerlendirilerek UGGB tipleri karşılaştırmalı olarak incelenmiş ve görsel performans değerlendirmesi tamamlanmıştır. 
Görsel performans değerlendirmesi sonucu bulunan optimum saat\açılar üzerinden referans durum ve UGGB tiplerinin 21 Haziran günü seçildiği için sadece soğutma yükleri hesaplanmıştır. Optimum saat\açılar üzerinden elde edilen D2 yüzdeleri ile karşılaştırmalı grafikler üzerinden değerlendirme yapılmıştır. Son bölümde genel bir değerlendirme yapılarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. 
Mevcut bina stokunun enerji tüketimini azaltmak ve enerji etkin yaklaşımlarla yeni binalar tasarlamak enerji tüketiminin artmasıyla önem kazanmıştır. Bu çalışmanın amacı, uyum gösteren bina kabuklarının görsel ve ısıl performansını İstanbul iklim koşullarında değerlendirmek ve en uygun UGGB tipini seçmektir. Çalışmanın devamı olarak UGGB tiplerinin yapay aydınlatma sistemleri ile ofisin aydınlık düzeylerinin iyileştirilmesi ve aydınlatma yüklerinin hesaplanması planlanmaktadır. Ayrıca farklı aylardaki ve illerdeki performansı incelenebilir.

Abstract:
Environmental and economic problems that have arisen due to the increase in energy consumption in the world have increased the concerns about this issue, and efforts to reduce energy consumption have been increased and countries have started to take various measures. In order to increase energy efficiency, many countries targeted the construction sector to reduce its energy consumption. This situation can be explained by the fact that the construction sector has a high share in energy consumption and the intervention to it is easier compared to the other sectors. In addition to that, the European Commission has published the Revised Energy Performance of Buildings Directive (2010/31 / EU) in order to set aims and implement sanctions for the utilization of energy saving potential in the construction sector.
The heat and energy flow are quite intense on the building shells, which are exposed to the external factors the most. Therefore, in order to enable energy saving, the priority is given to building shells. Researches and studies on building shells have increased as a result of the subjects such as energy efficient design and sustainability had gained importance.
Architecture is often seen as a static element that remains indifferent to changing needs and conditions of its environment, but this perception has begun to change in the buildings that were constructed recently and technological products of increasing use. In this respect, as a result of the developing technology, innovative and creative solutions are now being applied in building shells. Thanks to these technologies and designs, which can be placed under the heading of adaptive shells, shell technologies that can respond dynamically to climatic changing conditions and user needs, have been developed with maximum efficiency and minimum energy consumption targets. Building shells, which are compatible with the ability to change their behaviour in real time according to their users and the external parameters, are promising to improve the energy efficiency and economy of buildings.
The high cost of these technological products and the complexity of the design processes have increased the importance of the decisions to be taken in the early design stage.
In this study, it is aimed to evaluate the visual and thermal performance of the shading component types which are adaptable vertically or horizontally to the façade with different mobility and to find out which type provides the optimum performance.
The thesis consists of five chapters. The first chapter is the introduction where the subject of the study, its purpose, scope and the method applied to achieve this purpose are presented. Moreover, sub-problems were determined in addition to the main purpose and therefore, the path to be followed throughout the study was determined.
In the second chapter, the definition of compliance was investigated by researching the adaptive envelope and the potential of the adaptive envelope was determined by conducting research on the function and purpose of the adaptive envelope. At the same time, the characteristics of adaptive envelope were determined and their differences from other shells were tried to be revealed. These characteristics were named as adaptation characteristics and were identified as effect, response, scale, control type, system configuration, time, adaptation structure, motion type, visibility, adaptation scale and mobility and a classification table was created on these properties. The existing examples constructed were investigated and their place, construction years and functions in the climate map were determined. According to the classification table, conformity characteristics were investigated and evaluated and it was observed that the use of adaptive shading components was higher in the use of this technology than the others.
In the third chapter, a literature search is made on how performance evaluation of adaptive shading components is performed. Parametric design tools were emphasized and studies in the literature were examined. It was observed that one of the parametric design tools, Grasshopper, which is an add-on to Rhinoceros, was used the most frequently.
In the fourth chapter, the software that were used in the study is examined. Rhino and Grasshopper are introduced and the simulation engines used in DIVA, which is an environmental impact add-on, and its infrastructure are explained. Dimensional and geometric features of the building were determined to create the simulation model, and then interior features and inputs to the building subsystem were determined according to the standards used as reference. The office building assumed to be located in Istanbul is modelled in Grasshopper. Then, the adaptation characteristics of the adaptive shading components types that make vertical folding movement (A1), horizontal folding movement (A2), vertical rotation movement (B1), horizontal rotation movement (B2), vertical sliding movement (C1) and horizontal sliding movement (C2) were determined. and control strategies were developed and then modelled in Grasshopper. The visual performance and energy performance evaluation criteria were determined according to the standards taken as reference and the simulation methodology was completed. After then the stage of working on simulations on an office building which faces to south and west directions was initiated.
First of all, the luminance distributions on the working plane were examined by calculating the luminance levels. The case (reference case) when there is no adaptive shading components in both directions from 8.00 am to 6.00 pm on 21 June, was simulated. Then adaptive shading components types were simulated with motion steps determined in the same day and time intervals in both directions and motion steps giving the best percentage of luminance (D2) in the working plane were determined and optimum hours\angles were estimated. Then, DGI and DGP values were calculated for a user working in the office unit for the baseline and adaptive shading components and the luminance distribution in the office unit was examined. The south and west directions were evaluated separately and the adaptive shading components types were examined comparatively and visual performance evaluation was completed.
Since the reference case and adaptive shading components types were selected on June 21 at the optimum hours \ angles found as a result of visual performance evaluation, only cooling loads were calculated. D2 percentages obtained from optimum hours \ angles were evaluated by using comparative charts.
In the last section, a general evaluation is made and the results obtained are evaluated. The horizontal folding movement (A2) in the south direction and the horizontal rotation movement (B2) in the west direction indicate the best performance.
Decreasing the energy consumption of the existing building stock and designing new buildings with energy efficient approaches have gained importance as a result of increasing energy consumption. The aim of this study is to evaluate the visual and thermal performance of the adaptive building shells in Istanbul climatic conditions and to select the most suitable adaptive shading components type. As a continuation of the study, it is planned to improve the luminance levels of the office with the artificial lighting systems of adaptive shading components types and to calculate the lighting loads. In addition to that, performance in different months and provinces can be examined.