Farklı iklim bölgelerinde yapı kabuğunda ısıl kütlenin   bina enerji etkinliğine ve ısıl konforuna  olan etkisi
The influence of building envelope thermal mass  on building energy efficiency and thermal comfort in different climate zones
Yazar: İBRAHİM AGAH TAŞTEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ÜMİT TURGAY ARPACIOĞLU
Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Fiziği ve Malzemesi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture

Özet:
Mimarlık, yapıların belirlenen koşullarda düşünülerek organize edilmesi ve bunun sonucunda tasarlanmasının yanında , yapıların mekanlarda  yapılan eylem sürecinde kullanıcı için uygun konfor koşullarının da sağlanmasını gerektirmektedir. Dünya genelinde enerji harcamalarının önemli bir kısmı binaların ısısal konforunun sağlanması için ısıtma ve soğutma enerji giderlerinden oluşmaktadır.
 Günümüzde artan enerji tüketimi birincil enerji tüketimi olarak kullanılan yenilenemez enerji kaynaklarının tükenmesine, bu kaynakların tüketiminde ortaya çıkan karbon salınımı ve sera gazı, hava kirliliği, küresel ısınma ve buna bağlı olarak iklim değişikliğine sebep olarak dünya ekosistemi için olumsuz bir durum teşkil etmektedir. Dünya üzerinde bu enerji tüketiminde binaların yapımında ve kullanımında kullanılan enerji miktarı önemli yer teşkil etmektedir. Türkiye'de binalarda enerji tüketiminin büyük bir çoğunluğu konut yapılarının ısıtılması ve soğutulası ve havalandırılması için mekanik sistemler ile harcanan  enerji giderlerinden oluşmaktadır. 
Konut yapılarında enerji etkinliğini etkileyen en önemli yapı bileşenlerinden birisi yapı kabuğudur. Yapı kabuğu bileşeni, ,yapının iç ortamı ile dış ortamı birbirinden ayıran, yapının iç ortamı için gerekli konfor şartlarını sağlayan aynı zamanda kullanıcıların ihtiyaç duyduğu iç mekan konforunu oluşturmak için ısı, ışık ve ses gibi çevresel etmenlerin kontrolü için uygulanan yapı elemanlarıdır. Binaların enerji etkin tasarlanabilmesi, yapı kabuğunun bulunduğu çevresel koşullara, iklim verilerine göre tasarlanması ile mümkün olmaktadır. Türkiye'de enerji etkin bina tasarımı açısından uygulanan Enerji Performansı yönetmeliği uyarınca yapı kabuğu tasarımında TS825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı referans gösterilmektedir. Bu standarttaki uygulamalar yapı kabuğunda sabit rejim koşullarında ısı geçişinin kontrolünü sağlasa da , yapı kabuğunun geçici rejim koşullarında dinamik ısıl özelliklerine bağlı olarak ısıtma ve soğutma enerji giderlerinin pasif olarak sağlanmasında etkili olan  ısıl kütle özelliğini dikkate almamaktadır. Yapı kabuğunun ısıl kütle özelliği kullanılarak dış çevresel etmenlerin de dikkate alınmasıyla birlikte  ısıtma ve soğutma enerji giderlerinden tasarruf sağlamak mümkündür. 

Çalışma kapsamında Türkiye'de tanımlanan ılıman kuru, ılıman nemli, sıcak kuru, sıcak nemli ve soğuk iklim bölgelerinde konut yapılarında yapı kabuğunda ısıl kütle kullanımının ısısal konfora ve enerji etkinliğine olan etkisi incelenmiştir. Çalışmada konut tipi olarak Türkiye'de konut üretiminde önemli bir yeri olan Toplu Konut İdaresi'nin kullandığı Y  tipi konut yapısının verileri kullanılmıştır. Yapı kabuğunda ısıl kütle özelliklerinin incelenebilmesi için 27 farklı duvar tipinden oluşan yapı kabuğu alternatifleri oluşturulmuştur. Bu yapı kabuğu alternatiflerinin ısıl kütle kabiliyetlerini gösteren dinamik ısıl özelliklerinin hesaplanması için ISO 13786 standardını kaynak alan "Dynamic Thermal Properties Calculator" ve "HTflux Thermal Mass Calculation Tool" programları kullanılmıştır. Yapı kabuklarının  yıllık ısıtma ve soğutma enerji harcamaları ile birlikte yüzey sıcaklığı ve iç mekan sıcaklığı gibi ısıl performanslarının ölçülmesi için Energy Plus tabanlı Design Builder yazılımı kullanılmıştır. Enerji simülasyonun sonucunda elde edilen veriler ile yapı kabuğu alternatiflerinin dinamik ısıl özellikleri karşılaştırmalı olarak veri-grafik yöntemiyle değerlendirilmiştir. 

Çalışmada ısıl kütlenin 5 farklı iklimde ısıtma ve soğutma enerji giderlerine etkisinin dışında, yapı kabuğu tasarımında kullanılan katmanlaşma modelinde iç kaplama, dış kaplama ve ana duvar malzemesinde ısıl kütle kullanımının  farklı iklimlerde binanın enerji harcamalarına ve ısısal konforuna olan etkisinin değerlendirilmesi hedeflenmiştir. 

Çalışma 5 bölümden oluşmaktadır.

Birinci bölümde dünya genelinde enerji tüketimi, bu tüketimin nedenleri ve binaların enerji tüketimindeki rolüne değinilmiş, binalarda enerji etkinliği için yapı kabuğunun önemi ve bu bağlamda çalışmanın amacı ve hipotezi anlatılmıştır.
İkinci bölümde binaların enerji etkinliğini ve ısısal konfor koşullarını etkileyen dış çevresel faktörler, binaya ilişkin tasarım faktörleri ve kullanıcıya ilişkin tasarım faktörlerinin prensipleri literatürden de yararlanılarak incelenmiştir.
Üçüncü bölümde mimaride ısıl kütle kavramı açıklanış, ısıl kütleyi etkileyen sabit rejimde ısıl hareketlerden ve geçici rejimde ısıl hareketlerinden  oluşturan yapı kabuğunun dinamik ısıl özelliklerinden bahsedilmiştir. Bölüm sonunda ısıl kütlenin mimaride uygulama yöntemleri açıklanmıştır.
Dördüncü bölümde Türkiye'de toplu konut yapılarının gelişimi ve toplu konutların enerji etkinliğini açıklanmıştır.
Beşinci bölümde Türkiye'nin 5 iklim bölgesinin karakteristik özelliklerini taşıyan sıcak nemli iklim bölgesinden Antalya, sıcak kuru iklim bölgesinden Diyarbakır, ılıman nemli iklim bölgesinden İstanbul ve İzmir, ılıman kuru iklim bölgesinden Ankara ve soğuk iklim bölgesinden Erzurum illeri seçilmiş, seçilen illerin iklimsel özellikleri Design Builder Enerji Simülasyonu yazılımına tanımlanmıştır. Yapı kabuğunun ısıl kütle özelliklerinin belirlenen iklim bölgelerinde enerji verimliliği ve ısısal konfor açısından değerlendirmek için 3 farklı ana duvar malzemesi, dış kaplama malzemesi ve iç kaplama malzemesinden oluşan 9 farklı yapı kabuğu malzemesi ve bu malzemelerin kombinasyonundan oluşan 27 farklı yapı kabuğu katman modeli alternatifi belirlenmiştir. Yapı kabuğu alternatiflerinin ısıl kütle kabiliyetini belirleyen  dinamik ısıl özelliklerini hesaplamak için  "Dynamic Thermal Properties Calculator" ve "HTflux Thermal Mass Calculation Tool" programları kullanılmıştır. Belirlenen yapı kabuğu alternatifleri  Design Builder yazılımının Energy Plus arayüzü ile ısıtma ve soğutma enerji harcamaları ve pasif koşullarda iç mekan sıcaklığı performansları hesaplanmış , sonraki bölümde her bir il için hesaplanan veriler grafik veri yöntemiyle , yapı kabuğu alternatiflerinin dinamik termal özellikleri ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Değerlendirme bölümünde hesaplanan enerji grafiklerinin sonuçları tartışılmış, yapı kabuğundan ısıl kütlenin , farklı katman modellerinde , farklı illerde hangi tasarım sonuçlarını verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
One of the main function of architecture is providing interior comfort conditions for building occupants in addition organizing and designing spaces  by considering the determined conditions.Significant part of energy consumption in world  arises from the heating and cooling systems loads of buildings to provide thermal comfort conditions. İncreasing energy consumption cause to reduction natural energy source such a petrol, natural gas and coal. Carbon emission and greenhouse gases that emerge in the consumption of these resources constitute a negative situation for the world ecosystem by causing air pollution, global warming and consequently climate change. Residental building  construction and use of building is play a big part of   energy consumption in the world. In Turkey a significiant energy consumption.
Building envelope is   important building component that affect energy efficiency in residential buildings  The building envelope component is the building elements that separate the internal and external environment of the building, provide the necessary comfort conditions for the internal environment of the building, and are applied for the control of environmental factors such as heat, light and sound in order to create the interior comfort required by the occupants.
Energy efficient design of the buildings is possible by designing them according to the environmental conditions and climate data where the building envelope is located. In Turkey, according to the Energy Performance of energy efficient building design regulations applied in terms of the building envelope design TS825 Building Heat Insulation Rules in Standard reference is shown. Although the applications in this standard provide the control of heat transfer in the building envelope under constant regime conditions, it does not take into account the thermal mass feature that is effective in providing passive heating and cooling energy expenses due to the dynamic thermal properties of the building envelope in temporary regime conditions. By using the thermal mass feature of the building envelope, it is possible to save energy and heating costs by considering external environmental factors.

The influence of the use of thermal mass in the building envelope on the thermal comfort and energy efficiency in residential buildings in the temperate dry, temperate humid, hot dry, hot humid and cold climatic zones determined in the scope of the study was investigated.. In the study, 27 different building envelope alternatives with thermophysical properties were tested in TOKİ Y plan type residences In order to examine the thermal mass properties in the building envelope, building envelope alternatives consisting of 27 different wall types have been created. "Dynamic Thermal Properties Calculator" and "HTflux Thermal Mass Calculation Tool" programs, which are sourced from ISO 13786 standard, were used to calculate the dynamic thermal properties of these building envelope alternatives showing the thermal mass capabilities. Energy Plus-based Design Builder software was used to measure the thermal performance of building envelopes such as indoor temperature along with annual heating and cooling energy periods. The dynamic thermal properties of the data obtained as a result of energy simulation and building envelope alternatives were evaluated comparatively with the data-graphic method. In the study, besides the effect of thermal mass on heating and cooling energy costs in 5 different climates, it was aimed to evaluate the effect of thermal mass usage on the energy expenditure and thermal comfort of the building in different climates in the layering model used in building envelope design. 
This study consists of 5 parts,
In the first part, energy consumption worldwide  and the reasons of this consumption and the role of buildings in energy consumption are mentioned, the importance of building envelope for energy efficiency in buildings, and the purpose and hypothesis of working in this context.
In the second part, the external environmental factors affecting the energy efficiency and thermal comfort conditions of the buildings, the design factors related to the building and the principles of the design factors related to the user are also examined by using the literature.
In the third chapter, the concept of thermal mass in architecture is explained, and the dynamic thermal properties of the building shell that constitute thermal movements in the fixed regime affecting the thermal mass and thermal movements in the temporary regime are mentioned. At the end of the chapter, application methods of thermal mass in architecture are explained.
The fourth chapter describes the energy efficiency of housing development and construction of public housing in Turkey.
The fifth chapter  Turkey's five climatic zones of the characteristics of the hot humid climate regions which have the properties Antalya, Diyarbakir from hot dry climates, Istanbul and Izmir from temperate humid climates, from temperate, dry climate of Erzurum from Ankara and cold climate regions of the province were selected, climatic characteristics of the selected provinces Designer Builder It is defined to the Energy Simulation software. In order to evaluate the thermal mass properties of the building envelope in terms of energy efficiency and thermal comfort in the specified climatic zones, 9 different building envelope materials consisting of 3 different main wall materials, outer coating material and inner coating material and 27 different building shell layer model alternatives consisting of these materials have been determined. "Dynamic Thermal Properties Calculator" and "HTflux Thermal Mass Calculation Tool" programs were used to calculate the dynamic thermal properties that determine the thermal mass capability of building envelope alternatives. Determined building envelope alternatives By calculating the heating and cooling energy expenditures with Energy Plus interface of the Design Builder software, the data calculated for each province was evaluated in comparison with the dynamic thermal properties of building envelope alternatives.
The results of the energy graphs calculated in the evaluation section were discussed, and the design results determined by the thermal mass from the building shell in different layer models in different provinces.