Eğitim yapılarında pasif sistemlerle güneş enerjisinden yararlanılmasına yönelik bir yaklaşım
An approach utilizing solar energy through passive systems in educational buildings
Yazar: ÖZLEM ZEYBEK
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU ; PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Okul binaları = School buildings ; Sürdürülebilir mimari = Sustainable architecture

Özet:
Dünya nüfusunda ve dolayısıyla enerji gereksinimlerindeki artış, sınırlı miktarda bulunan fosil kökenli enerji kaynaklarının hızla azalmasına sebep olmaktadır. Enerji tüketiminde birinci sırada yer alan fosil kökenli kaynakların sınırlı olması ve kullanımının çevre sorunlarına neden olması sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönelik ilgi artmaktadır. Binalarda iklimsel konfor koşullarını sağlayabilmek için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, ülke ekonomisine katkıda bulunmanın yanında, doğaya verilen zararın önlenmesi açısından da çok önemlidir. 
Enerji etkin tasarımlar, kullanıcıların iklimsel ve görsel konforunun yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak sağlanmasını öngörür. Güneş enerjisi potansiyeli yüksek bir ülke olan Türkiye'de binalarda güneş enerjisi kullanımı oldukça düşüktür. Doğayla uyumlu sağlıklı binalar yaratmak için geleneksel tasarım stratejileriyle, mevcut teknolojilerin birleştirilerek yenilenebilir enerji kaynaklarından en önemlilerinden biri olan güneşten etkili bir biçimde yararlanılabilir. Ülkemiz genç nüfusun yoğun olduğu bir ülkedir ve eğitim yapılarının sayısı toplam bina stoğu içerisinde önemli bir paya sahiptir. Bu nedenle yeni yapılacak eğitim yapılarının enerji etkin tasarım stratejilerine göre tasarlanması, mevcut eğitim yapılarının ise enerji etkin tasarım stratejilerine göre iyileştirilmesi enerji korunumuna katkısı açısından önemlidir. 
Çift cidarlı cephe uygulamaları binalarda enerji tüketiminin azaltılması amacıyla yaygın olarak kullanılan enerji etkin tasarım stratejilerinden birisidir ve mevcut binalara da uygulanarak binanın enerji tüketimi açısından iyileştirilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada Konya-Ereğli'de yer alan tek katlı bir ilköğretim binasının güneye yönlendirilmiş iki benzer sınıfından birincisi çift cidarlı cephe uygulanarak test sınıfı haline getirilmiş, diğer sınıf ise temel sınıf olarak belirlenmiştir. Her iki sınıfta iç hava sıcaklığı ölçüm ve simülasyon yoluyla enerji tüketimi hesaplamaları yapılmıştır. Ölçümler 1 Eylül 2019-31 Ağustos 2020 tarihleri arasında yapılmış, ısıtma istenen dönem için 26 Ocak-1 Şubat, ısıtma istenmeyen dönem için 10 Ağustos-16 Ağustos tarihleri arasındaki ölçümler değerlendirilmiştir. Isıtma istenen dönem ve ısıtma istenmeyen dönemin her günü için menfez ve pencerelerin açık veya kapalı olma durumlarına göre farklı deney düzenekleri oluşturulmuştur. Daha sonra bahsedilen günler için iç hava sıcaklıkları ölçümleri yapılmış, simülasyon değerleri hesaplanmış ve bu değerler karşılaştırılarak kalibrasyonu yapılmıştır. Test sınıfı ve temel sınıf enerji harcamaları açısından değerlendirilmesi; ısıtma istenen dönem için 1 Ekim 2019-30 Nisan 2020 tarihi arasında, ısıtma istenmeyen dönem için ise 1 Eylül- 30 Eylül 2019 ile 1 Mayıs-31 Ağustos 2020 tarihleri arasında altı deney düzeneği için simülasyonlar yapılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Çalışma 6 bölümden oluşmaktadır.
Çalışmanın birinci bölümünde sürdürülebilirlik kavramı, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının önemi konularına değinilerek tezin amacı açıklanmış, konu ile ilgili yapılan çalışmalar anlatılmıştır.
İkinci bölümde binaların ısıl performansının değerlendirilmesinde etkili olan tasarım değişkenlerinden kullanıcıya ilişkin değişkenler, iklime ilişkin değişkenler, pasif güneş sistemleri, güneş kontrolü, doğal havalandırma sistemleri, rüzgâr kontrolü, aktif güneş enerjisi sistemleri ile ilgili kavramlar açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde binalarda pasif sistemlerle güneş enerjisinden yararlanılarak ısıl performans değerlendirmesine yönelik yaklaşım tanıtılmış ve adımları açıklanmıştır. Kullanıcıya, iklime ve binaya ilişkin değişkenlerin belirlenmesinin ardından, binanın ölçüm ve simülasyon yoluyla ısıl performansının değerlendirme aşamaları anlatılmıştır. Daha sonra ise ölçüm ve simülasyonların birlikte değerlendirilerek kalibrasyonlarının yapılmasında kullanılan yöntemler ve kriterlerin belirlenme aşamaları anlatılmıştır.
Dördüncü bölümde binalarda pasif sistemlerle güneş enerjisinden yararlanılarak ısıl performans değerlendirmesine yönelik geliştirilen yaklaşımın adımları bir ilköğretim binasına uygulanmıştır. Konya-Ereğli'de yer alan tek katlı bir ilköğretim binasının güney cephesine pasif sistem stratejilerinde yaygın olarak kullanılan çift cidarlı cephe uygulamasının inşa edilmesi, belirlenen sınıflarda ölçümlerin ve simülasyonların yapılması aşamaları açıklanmıştır. Daha sonra ise ölçüm ve simülasyon sonuçları birlikte değerlendirilerek kalibrasyonları hesaplanmıştır. Kalibrasyonun hesaplanmasının ardından ise ısıtma istenen dönem ve ısıtma istenmeyen dönemler için her bir deney düzeneğine ait enerji tüketimi simülasyonları yapılmıştır
Beşinci bölümde çalışmadan elde edilen ısıtma istenen dönem ve ısıtma istenmeyen dönem için iç hava sıcaklığı ölçüm ve simülasyonlara ait bulgular ile ölçüm ve simülasyon değerlerinin kalibrasyonunun hesaplanmasının ardından ısıtma istenen dönem ve ısıtma istenmeyen dönemler için her bir deney düzeneğine ait enerji tüketimi simülasyonlarına ait bulgular açıklanmış ve karşılaştırılarak değerlendirilmiştir.
Altıncı bölüm çalışmayla ilgili sonuç ve önerileri kapsamaktadır.

Abstract:
The increase in world population and therefore in energy needs causes the limited amount of fossil-based energy resources to decrease rapidly. Interest in the use of renewable energy sources is increasing due to the fact that fossil-based resources, which rank first in energy consumption are limited, and their use causes environmental problems. Using renewable energy resources to provide climatic comfort in buildings is very important in terms of preventing damage to nature, as well as contributing to the country's economy.
Energy efficient designs envisage providing users' with climatic and visual comfort by using renewable energy sources. In Türkiye, a country with a high solar energy potential, the use of solar energy in buildings is quite low within the total energy consumption. Sun, one of the most important renewable energy sources, can be effectively utilized by combining traditional design strategies with existing technologies to create healthy buildings compatible with nature. Türkiye with a dense young population and the number of educational buildings has a significant share in the total building stock. Therefore, it is important to design new educational buildings according to energy efficient design strategies while existing educational buildings should be improved according to energy efficient design strategies, contributing significantly to energy conservation. 
Double-skin façade applications are one of the energy efficient design strategies widely used to reduce energy consumption in buildings, and can be applied to existing buildings to improve the building in terms of energy consumption. In this study, the first of two similar classrooms south-oriented of a single-storey elementary school building located in Konya-Ereğli is turned into a test classroom by applying double-skin façade, and the other classroom was determined as the basic classroom. Energy consumption calculations have been performed through temperature measurement and simulation methods in both classrooms. Measurements were done between September 1, 2019 and August 31, 2020, and measurements were evaluated between January 26 and February 1 for the heating period and between August 10 and August 16 for the cooling period.Different experimental setups have been created based on the status of vents and windows being opened or closed for each day of heating and cooling period. Later, temperature measurements were taken for the mentioned days, simulation values were calculated, and these values were compared to calibrate them. The evaluation of the test class and basic class in terms of energy consumption was calculated by performing simulations for six experimental setups for the heating period from October 1, 2019 to April 30, 2020 and for the cooling period from September 1 to September 30, 2019, and from May 1 to August 31, 2020.The results obtained were evaluated comparatively. The study consists of six sections.
The first section of the study introduces the concept of sustainability, emphasizing the importance of utilizing renewable energy sources. The purpose of the thesis is explained within this context, along with a discussion on relevant studies conducted in the field.
In the second section, concepts related to user-related variables, climate-related variables, passive solar systems, natural ventilation systems, wind control and active solar energy systems which are effective in evaluating the thermal performance of buildings are explained. 
In the third section, the thermal performance evaluation approach by utilizing solar energy through passive systems in buildings is introduced and its steps are explained. After determining the variables related to users, climate and building, the evaluation stages of the thermal performance of the building through measurements and simulations are explained. Then the methods used in calibration by evaluating measurements and simulations together and the stages of determining the criteria are explained.
In the fourth section, the steps of the approach developed for evaluating thermal performance by utilizing solar energy through passive systems in buildings were implemented for an elemantary school building. The stages of constructing the double skin façade application, which is widely used in passive system strategies, on the south façade of a single-storey primary school in Konya-Ereğli and making measurements and simulations in designated classrooms are explained. In the measurement and simulation study; in order to better evaluate the thermal performance of the building depending on the direction and building envelope, two adjacent classrooms located on the south side of the building with a single external wall were determined as the test classroom and the basic classroom where the application would be made. First of all, the user-related variables have been determined for the period (January 26, 2020-February 1, 2020 and August 10, 2020-August 16, 2020) in which measurements and simulations were made in these determined classes  and the heating period (October 1, 2019-April 30, 2020) and the cooling period (September 1-30, 2019; May 1 2020-August 31 2020) in which energy simulations were made. Then among the climate variables for the period between September 1, 2019 and August 31, 2020 hourly global solar radiation, temperature, humidity, wind direction/speed, atmospheric pressure and cloudiness rate values were used to create new climate data. Among these variables, temperatures were measured in the field, and the humidity, wind direction/speed, atmospheric pressure, cloudiness rate, and solar radiation values were obtained from Ereğli and Ulukışla Meteorology Directorate. In order to evaluate the thermal performance through the measurement, variables related to the elementary school building and the measuring devices were determined, the experimental set-up was created, and the measuring devices were placed in appropriate positions with in the spaces. Then measurements were made for the heating and cooling periods. In order to evaluate the thermal performance through simulation, the building was modeled, after the variables related to climate, users, heating, cooling and ventilation system of the building were defined in the model, and simulations were made for the heating and cooling periods. The MBA (mean bias error) method was used for the calibration of measurement and simulation results. 
In the fifth chapter, the findings of indoor air temperature measurements and simulations and energy consumption simulations for the heating and cooling period are explained, compared and evaluated. In the measurements made with 6 different experimental set-ups in the heating period, temperatures were 0.3 ºC to 3.0 ºC higher in the test classroom than in the basic classroom; in the measurements made with 6 different experimental set-ups in the cooling period, temperatures were 1.2 ºC to 3.2 ºC lower in the test classroom than in the basic classroom. Following the calculation of calibration for measurement and simulation values, energy consumptions were conducted for each experimental setup for both heating and cooling periods. Energy consumption simulations were conducted for the one-year period covering September 1, 2019, to August 31, 2020 in the study. The period between September 1, 2019-September 30, 2019 and May 1 2020 -August 31 2020 was determined, as the cooling period, the period between October 1, 2019- April 30, 2020 was determined as the heating period and the variables related to the building, users, heating, cooling and ventilation system were defined in the simulation programme. When examining the energy consumption for the heating period, it was observed that in all options, the heating energy consumption for the test classroom was calculated to be lower than that of the basic classroom, resulting in energy savings in the test classroom compared to the basic classroom. During the heating period, the basic classroom consumed a minimum of 39.8% and a maximum of 45.4% more heating energy compared to the test classroom. When examining the energy consumption for the cooling period, it was found that the cooling energy consumption for the test classroom was calculated to be higher than that of the basic classroom. During the cooling period, the test classroom consumed a minimum of 6.4% and a maximum of 193.4% more cooling energy compared to the basic classroom.
The sixth chapter includes the results and suggestions regarding this study. According to the results obtained in this study, in the heating period and cooling periods; air transfer between the cavity and the test classroom through openings at different levels, using the curtain to prevent heat loss at night during the heating period and as a shading element in the cooling period, provided less energy consumption in the test classroom for both periods. When options using openings at different levels were examined; it was observed that in the lower level, both options had vents, and in the upper level, one option had a vent while the other had a window, the simulation results showed that less energy was consumed in the option with vents. In the conducted study, the aim was to achieve air movement through natural means without the use of any equipment that accelerates air movement (such as fans, etc). As evident from the measurement results, during the heating period, the test classroom was measured to be 0.3 ºC to 3.0 ºC higher than the basic classroom, while during the cooling period, the test classroom was measured to be 1.2 ºC to 3.2 ºC lower than the basic classroom.
The example of the primary school addressed in this study demonstrates that passive solar gain and control systems can be utilized in educational buildings during certain periods of the year to achieve energy conservation. In a country like ours with a high proportion of young population and consequently a high number of school buildings, it is important to reduce heating and cooling loads by utilizing clean energy sources like the sun. Taking advantage of this clean source in our country which has a high solar energy potential, is crucial not only for ensuring sustainability but also for reducing fossil fuel consumption and thus reducing external dependency. Therefore, it is necessary to improve existing primary schools according to energy-efficient design strategies and to determine appropriate values for design parameters ranging from settlement scale to material scale for effective utilization of solar gain and control systems in newly designed primary schools. This will contribute to the development of standard primary school projects implemented by relevant public institutions and authorities, thus contributing to the country's economy.