Sıcak-nemli iklim bölgelerinde avlu boyutlarının binalardaki konfor koşullarına etkisinin değerlendirilmesi
An evaluation of the effects of courtyard dimensions on thermal comfort conditions in buildings in hot-humid climatic regions
Yazar: MEHMET BEKAR
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Dünyada hızla artan enerji kullanımı sebebiyle enerji kaynakları giderek azalmakta, bunun sonucunda enerji verimliliği önem kazanmaktadır. Binalarda kullanılan enerji, toplam tüketilen enerjinin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Türkiye'de sanayileşme ve kentleşmenin artması ve hızla artan nüfus yeni binaların yapımının artmasına sebep olmuştur. Yeni yapılan binalarda, geleneksel binalardaki enerji etkin ve iklimle dengeli yaklaşım göz ardı edilmekte ve bunun bir sonucu olarak enerji giderlerinin arttığı görülmektedir. Binalarda enerjinin büyük bir bölümü ısıtma ve soğutma gereksinimleri için harcandığından bu alanda yapılan harcamaların azaltılması ve binalarda enerji etkinliğinin sağlanması öncelikli bir sorun haline gelmiştir. Mimarların tasarım aşamasında enerji etkin tasarım değişkenleri için doğru kararlar almasıyla binaların enerji harcamalarını azaltmak olanaklıdır.
Her iklim bölgesinde mevcut iklimsel koşullar düşünülerek gerçekleştirilen iklimle dengeli bina tasarımı, binalarda konfor koşullarını sağlamanın en etkili yollarından birisidir. Bu amaçla sıcak-nemli iklim bölgelerinde, gölgeli alanları arttırarak güneşin ısıtıcı etkisinden korunmak ve doğal havalandırmayı sağlamak iç konfor koşullarının sağlanmasında en önemli tasarım kararlarındandır. 
Avlulu bina formu özellikle sıcak iklimlerdeki mevcut iklimsel koşullar düşünülerek tasarlanmıştır. Avlu, etrafı duvarlar ve yapı alanlarıyla tamamen veya kısmen çevrilmiş üstü açık alandır. Avlunun temel fonksiyonu yapının etrafındaki mikro klimayı etkileyerek binanın konfor koşullarını iyileştirmektir. Avlunun boyutları, bina kabuğunda oluşan gölgeli alanı etkileyen en önemli değişkenlerdendir ve bunun sonucunda hacme ulaşan güneş ışınımı miktarını dolayısıyla iç mekan konfor koşullarını etkilemektedir. Bunun yanı sıra, avlular doğal havalandırmayı sağlamakta ve aşırı nemin etkisinin azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Doğal havalandırma sayesinde kullanıcılara daha konforlu ve sağlıklı yaşam alanları oluşturulmakta, ayrıca mekanik havalandırma ve soğutma sistemlerine olan ihtiyaç azaltılarak binaların enerji tüketimi önemli ölçüde azaltılmaktadır. Avlu boyutları değiştiğinde avluya bakan hacimlerde oluşan hava akımı hızı ve bağıl nem değerleri değişiklik göstermekte, buna bağlı olarak iç mekan konfor koşulları değişmektedir.
Bu çalışmada farklı avlu boyutlarına sahip binalarda, binanın yönlendiriliş durumu, havalandırma süresi ve havalandırma seçeneklerinin binalardaki konfor koşulları üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Tüm hesaplamalar avluya bakan hacim için yapılmıştır. Seçilen hacmin iç mekan konfor koşullarına ait değişkenler Türkiye'nin sıcak-nemli iklim bölgesini temsil eden Antalya ili için 21 Temmuz günü seçilerek hesaplanmıştır. Bina enerji simülasyon programı kullanılarak operatif sıcaklık, bağıl nem ve güneş ışınımı kazancı değerleri hesaplanmış ve iç mekan konfor koşulları üzerine kapsamlı bir değerlendirme gerçekleştirilmiştir. 
Operatif sıcaklık, bağıl nem ve güneş ışınımı kazancı değerleri hesaplandıktan sonra avlu derinliğinin ve havalandırma seçeneklerinin hacim içinde oluşan hava akımına etkisini incelemek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı yardımıyla sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Farklı avlu derinliklerinde ve havalandırma seçeneklerinde hacim içinde oluşan hız dağılımları kontur ve vektörel olarak incelenmiş, hacim içinde oluşan hava akımının hızı ve hareketi değerlendirilmiştir.
Çalışma beş ana bölümden oluşmaktadır.
Birinci bölüm olan giriş bölümünde, azalan enerji kaynakları ve artan enerji tüketimi özetlenmiştir. Binaların enerji tüketimindeki payı ve enerji etkin bina tasarımının önemi üzerinde durulmuştur. Pasif tasarım kararları ile binaların ısıtma ve soğutma ihtiyacının dolayısıyla enerji tüketiminin azaltılacağına değinilmiştir.
İkinci bölümde, binalarda konfor koşullarını etkileyen değişkenler açıklanmış ve bu değişkenler kişisel değişkenler ve çevresel değişkenler başlıkları altında incelenmiştir. Kişisel değişkenler, kullanıcı niteliğine ve durumuna ilişkin değişkenler ve fizyolojik değişkenler, çevresel değişkenler ise dış iklim elemanları ve iç iklim elemanları başlıkları altında tanımlanmıştır.
Üçüncü bölümde, binalarda konfor koşullarını etkileyen binaya ilişkin değişkenler açıklanmış ve bu değişkenler binanın yeri, bina aralıkları, hacim organizasyonu ve hacimlerin yönlendiriliş durumu, bina formu ve bina kabuğu başlıkları altında incelenmiştir. Tüm değişkenler farklı iklim bölgeleri için, hem güneş ışınımına hem de hava hareketine göre irdelenmiştir.
Dördüncü bölümde, avlu boyutlarının binalardaki konfor koşullarına etkisinin değerlendirildiği bir çalışma ortaya konulmuştur. Avlu genişliği aynı (400 cm.), derinliği farklı (50, 100, 150, 200, 250, 300 cm.) olan 6 avlulu bina formu üretilmiştir. Avluya bakan hacim bütün seçeneklerde sabit tutulmuştur (400 x 400 cm.). Avluya bakan hacim için avluya bakan duvarında tek pencere olan (tek taraflı havalandırma) ve avluya bakan duvarı ve karşı duvarında iki penceresi olan (çapraz havalandırma) iki farklı havalandırma seçeneği üretilmiştir. 6 farklı avlu formunun,  avluya bakan hacminin kuzey, doğu, güney ve batıya yönlendirilmesiyle, farklı havalandırma süreleri (bütün gün açık, bütün gün kapalı, gece havalandırması) ve havalandırma seçenekleri (tek taraflı ve çapraz havalandırma) uygulanmasıyla toplam 144 bina enerji simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar EnergyPlus 8.3.0 bina enerji simülasyon programı kullanılarak, Antalya ilinde en sıcak günü temsil eden 21 Temmuz için yapılmıştır. Hacimde oluşan operatif sıcaklık, bağıl nem ve güneş ışınımı kazancı değerleri incelenmiştir. Avlu boyutları, hacmin yönlendiriliş biçimi, havalandırma süresi ve havalandırma seçeneklerinin konfor koşullarına etkisi, bina enerji simülasyonları yardımıyla karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
İç hacimde oluşan operatif sıcaklık, bağıl nem ve güneş ışınımı kazancı değerleri incelendikten sonra hacimde oluşan hava hareketinin sayısal analizleri yapılmıştır. Sayısal analiz için incelenecek hacimlerin geometrik modelleri bir akış alanı içerisinde oluşturulmuş daha sonra bu alana çözüm ağı tanımlanmıştır. Geometrik modeller ve çözüm ağı ANSYS Workbench platformu yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Sayısal analizler bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı olan ANSYS FLUENT 16.2 programında gerçekleştirilmiştir. Avlu derinliği farklı (50, 100, 150, 200, 250, 300 cm.) olan 6 avlulu bina formunda tek taraflı ve çapraz havalandırma yapıldığı toplam 12 model için analizler gerçekleştirilmiştir. Düşey ve yatay düzlemler oluşturularak hız dağılımının kontur ve vektörel olarak sonuçları değerlendirilmiştir. Hacim içinde oluşan hava akımının hızı ve hareketi hesaplanarak, avlu derinliği ve havalandırma seçeneğinin hacimde oluşan hava hareketine etkisi ve bunun sonucunda  iç mekan konfor koşullarına etkisi incelenmiştir.
Beşinci bölümde, yapılan çalışmanın sonuçlarının değerlendirilmesine yer verilmiştir. Avlu boyutları, hacim yönlendirişi ve havalandırma seçenekleri ile hacimlerde oluşan operatif sıcaklık, bağıl nem, güneş ışınımı kazancı değerlerinin ve hava akımı hızının dolayısıyla iç mekan konfor koşullarının önemli ölçüde değiştiği ve tasarım aşamasında bu değişkenlere ait verilecek doğru kararlar ile hacimlerde istenen konfor koşullarının sağlanabileceği vurgulanmıştır.

Abstract:
Energy sources are constantly diminishing due to increasing global energy use and thus energy efficiency has become very important.  Energy used in buildings constitutes a major portion of the total consumed energy. Increased urbanization and industrialization as well as fast growing population in Turkey resulted in an increase in construction of new buildings.  Energy efficient and climate responsive approach is ignored in new buildings and this has caused an increase in energy costs. Since most of the energy in buildings is used for heating and cooling, reducing consumption in this area and achieving energy efficiency in buildings have become a priority. If architects take correct decisions about energy efficient design variables reducing energy consumption in residential buildings can be possible.
One of the most effective ways to have thermal comfort conditions in buildings is to design climate responsive buildings according to existing climate conditions for each climatic region. Protection from heating effect of the sun by increasing areas in shade and allowing natural ventilation are the most important design decisions to ensure indoor thermal comfort conditions. 
Building forms with courtyards have been especially designed to accommodate climate conditions of hot climates.  A courtyard is a circumscribed area, completely or partially surrounded by buildings and walls, which is open to the sky. The main function of a courtyard is to improve thermal comfort of a building by affecting the micro climate. Dimensions of a courtyard are the most important variables for the shade created by the building envelope and so these affect the amount of solar radiation the space is exposed to and thereby indoor comfort conditions.  Additionally, courtyards provide natural ventilation and play an important role in mitigating the effects of excessive humidity. Natural ventilation provides more comfortable and healthy living areas for occupants and furthermore by reducing the need for mechanical ventilation and cooling systems, significantly reduces the energy consumption of buildings. When a courtyard's dimensions change, air flow speed and relative humidity values in spaces facing the courtyard change leading to a change in indoor thermal comfort conditions.
This study intends to evaluate the effects of orientation, ventilation duration and ventilation options of buildings with varying courtyard dimensions on the thermal comfort conditions in buildings. All calculations were made for the space facing the courtyard. Variables of indoor thermal comfort of the chosen space were calculated for July 21st in Antalya which represents hot-humid climatic region in Turkey. 
Operative temperature, relative humidity and total solar radiation values transmitted through windows were calculated using a building energy simulation program and a comprehensive evaluation about indoor thermal comfort conditions was made. 
After operative temperature, relative humidity and total solar radiation values transmitted through windows were calculated, numerical analyses were done using a computational fluid dynamics (CFD) software to study the effect of courtyard depth and ventilation options on the air flow in the space. Distribution of velocity in different courtyard depths and ventilation options were examined using vector plots and contour plots and the air flow speed and movement in the space were evaluated.
The study consists of five sections.
The first section summarizes decreasing energy sources and increasing energy consumption. This section emphasizes the contribution of buildings in overall energy consumption and the importance of energy efficient building design. The section discusses that heating and cooling requirements and thus energy consumption of buildings can be reduced with passive design decisions.
The second section explains variables that affect thermal comfort conditions in buildings and these variables are further analysed under two groups: personal variables and environmental variables.  Personal variables are defined in two groups including variables related to occupant characteristics and conditions and physiological variables and environmental variables are defined in two groups: outdoor climate elements and indoor climate elements. 
Third section explains the variables that affect thermal comfort conditions in buildings and these variables are examined under various categories including building location, spaces between buildings, space organization and space orientation, building form and building envelope.  All variables were examined based on solar radiation and air movements for different climatic regions.
Fourth section presents an evaluation of the effects of courtyard dimensions on thermal comfort conditions. 6 building forms with different courtyards with the same width (400 cm.) but with different depths (50 cm., 100 cm., 150 cm., 200 cm., 250 cm., 300 cm.) were created. The space facing the courtyard remains unchanged (400 x 400 cm.). For the space facing the courtyard; two ventilation options were created: the first one has one window facing the courtyard (single - sided ventilation) and the second one has two windows on opposite sides (cross ventilation). A total of 144 building energy simulations were made by shifting the orientation of the space facing 6 different courtyard forms to north, east, south and west,  by applying different ventilation durations (open all day, closed all day, night time ventilation) and different ventilation options (single - sided and cross ventilation).  
Simulations were done for July 21st which represents the hottest day in Antalya, using EnergyPlus 8.3.0 building energy simulation software. Operative temperature, relative humidity and total solar radiation values transmitted through windows were analysed.  The effects of courtyard dimensions, orientation of space, ventilation duration and ventilation option on thermal comfort were evaluated by comparison using building energy simulations.
Indoor operative temperature, relative humidity and total solar radiation values transmitted through windows were analysed and then numerical analyses of indoor air movements were done. Geometric models of the spaces to be used in numerical analysis were created within a flow area and then this area was defined as the solution network. Geometric models and solution network were developed using ANSYS Workbench platform. Numerical analyses were done with ANSYS FLUENT 16.2, a computational fluid dynamics (CFD) software. Analyses were done for 12 models in which single - sided and cross ventilation in 6 building forms with courtyards with different depths (50 cm., 100 cm., 150 cm., 200 cm., 250 cm., 300 cm.) were used. The results of distribution of speed were evaluated on horizontal and vertical axis  in contour and vector plots.  The speed and movement of the air flow in the space were calculated and the effect of courtyard depth and ventilation option on the air movement and thereby on the indoor thermal comfort conditions were examined.
Fifth section includes the evaluation of the study findings. This section emphasizes that operative temperature, relative humidity, solar radiation values and air flow speed and therefore indoor thermal comfort conditions change significantly based on courtyard dimensions, space orientation and ventilation options and the desired comfort conditions in spaces can be achieved with correct decisions about these variables.