Binalarda güneş kontrol elemanlarının soğutma enerjisi yüklerine etkisinin irdelenmesine ilişkin bir çalışma
An evaluation study on the effect of solar control devices onto cooling energy loads in buildings
Yazar: AYŞEGÜL CİRİT
Danışman: PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL ; YRD. DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture

Özet:
Dünya genelindeki sanayileşme ve kentleşmenin etkisiyle birlikte, artan nüfus için gerekli enerjiyi sağlamak giderek daha zor bir hale gelmiştir. Pek çok ülkede fosil yakıtların büyük bir bölümü binalar tarafından harcandığından, binalar yüksek miktardaki karbon dioksit salınımından da sorumlu tutulmaktadır. Yenilenebilir kaynakların kullanımı hem doğal kaynakların kullanımına hem de çevre kirliliğine engel olacaktır. Yenilenebilir enerji, güneş, rüzgar, su ve toprak gibi sürekli kaynaklardan elde edilen bir enerji türüdür. Bu nedenle günümüzde, yenilenebilir enerji kaynaklarının en etkin şekilde kullanılması büyük önem taşımaktadır.Binalarda enerji harcamalarını azaltmanın yolu öncelikle binanın enerjiye olan gereksinimini eneji etkin tasarım değişkenleri yardımıyla azaltmakla mümkündür.Yönlendirme ve bina kabuğu gibi tasarım değişkenlerinin binalarda enerji etkinliğini etkileyen en önemli parametrelerden olduğu söylenebilir. Dış ve iç ortamı birbirinden ayıran bir ayırıcı olması nedeniyle, bina kabuğu enerji kazanç ve kayıplarında bir arayüz olarak tanımlanabilir. Bina kabuğu, binanın enerji sistemlerini kontrol eden ve enerji harcamalarını azaltan en önemli elemandır. Aynı şekilde bina kabuğunda yönlendirmenin de toplam enerji harcamaları üzerindeki etkisi küçümsenemeyecek kadar fazladır. Bina kabuğundan kazanılan güneş ışınımı yeğinliği yönlendirmeye göre farklılık göstermektedir. Farklı yönlere yönlendirilmiş bir bina kabuğunun ısıtma ve soğutma enerji yüklerini etkileyen en önemli eleman olmasından dolayı, bina kabuğunun enerji etkin kontrolü binanın pasif sistemlerinin performansının artması ile mümkün olabilecektir.Güneş ışınımı etkisinde olan bir bina kabuğu soğutma amaçlı enerji ihtiyacını artırabilir. Direkt ya da dolaylı ısı geçişini engellemek için güneş ışınımlarının değdiği yüzey korunmalıdır. Güneş kontrol elemanları, özellikle sıcak iklim bölgelerinde, cam yüzeylerden iç mekana geçerek fazla ısınmaya yol açan güneş ışınımına karşı koruma gerçekleştiren en önemli pasif sistem elemanlarıdır. Bir güneş kontrol elemanının en önemli görevi güneş ışınlarını binanın iç mekanına girmeden kesmektir. Eğer güneş kontrol elemanları pencerelerin dış yüzeylerine yerleştirilirse, güneş ışınımlarını cadan geçmeden önce engellemekte daha efektif olabilirler.Bu çalışma seçilen bir bina üzerinde yatay ve düşey güneş kontrol elemanlarının etkisini incelemektedir. Dış güneş kontrol elemanlarının farklı yerleştirilmelerinin etkisini araştırmak amacıyla, yatay ve düşey güneş kontrol elemanları dış cephede farklı yönlere yerleştirilmişlerdir. Farklı pozisyonlardaki güneş kontrol elemanlarının performansını incelemek amacıyla, iç hava sıcaklığı, direkt güneş ışınımı kazancı ve soğutma yükü harcamalarının değişimleri, Energyplus simülasyon programının bir arayüzü olan Designbuilder isimli bir bilgisayar programı yardımıyla incelenmiştir. Çalışma; ılımlı-nemli, sıcak-kuru ve sıcak-nemli iklim bölgelerinin temsili şehirleri olan, İstanbul, Diyarbakır ve Antalya illeri için gerçekleştirilmiştir. Çalışma aşağıdaki adımlardan oluşmaktadır.Giriş bölümünde, yaşanan enerji sıkıntısına zemin hazırlayan gelişmeler özetlenmiştir. Sanayi devrimi etkisiyle gerçekleşen hızlı kentleşme ve nüfus artışı ile birlikte enerji gereksinimindeki artış, enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılan fosil yakıtların çevreye verdiği zarar ve küresel ısınma hakkında bilgi verilmiştir. Binaların enerji etkinliğinin önemi ve bina kabuğunun soğutma yükleri üzerindeki etkisi açıklanmıştır.İkinci bölümde, enerji yükleri üzerinde etkili olan enerji etkin pasif tasarım değişkenleri açıklanmıştır. Bu değişkenler;-Yerleşme-Bina aralıkları-Binanın yönlendiriliş durumu-Bina formu-Bina kabuğunun ıoptik ve termofiziksel özellikleriolarak sayılabilir.Bina kabuğunun, soğutma yükleri üzerinde etkili olan en önemli değişken olması nedeniyle bu ölçekte çeşitli önlemler alınması gerektiği vurgulanmıştır.Üçüncü bölümde, direkt, yaygın ve yansımış güneş ışınımı, güneş ışınımının etkileri, geleneksel güneş kontrol elemanları ve cephelerdeki güneş kontrol elemanlarının etkilerinden bahsedilmiştir. Güneş kontrol elemanları, iç güneş kontrol elemanı, dış güneş kontrol elemanı ve pencere arası güneş kontrol elemanı olarak üç farklı başlıkta incelenmiştir.Dördüncü bölümde, güneş kontrol elemanlarının soğutma enerjisi yüklerine etkisinin değerlendirildiği bir çalışma sunulmuştur. Bu çalışmada öncelikle, çalışmanın uygulanacağı binanın sahip olması gereken özellikler tanımlanmaktadır. Daha sonra referans binanın bulunduğu yer, diğer binalara göre konumu, bina formu ve , binanın yönlendiriliş durumu, bina kabuğunun optik ve termofiziksel özellikleri belirlenmelidir. İklimsel koşullar için ise, çalışmada kullanılan hesaplama için hem ısıtmanın istenmediği döneme ilişkin dış iklimsel veriler hem de iç hava sıcaklığı gibi iç iklimsel verilerin gözönünde tutulmasına ihtiyaç vardır. Son olarak dış güneş kontrol elemanlarının farklı biçimlerde yerleştirilmelerine bağlı olarak farklı soğutma yükü hesaplama alternatifleri belirlenmelidir. Bu alternatifler;-Binanın mevcut durumu (güneş kontrol elmanı yok)-Doğu ve batı yönlerinde düşey güneş kontrol elemanı kullanılması-Güney yönünde yatay güneş kontrol elemanı kullanılması-Doğu ve batı yönlerinde düşey, güney yönünde ise yatay güneş kontrol elemanı kullanılmasışeklinde sıralanabilir. Mevcut bina ile ilgili özellikler belirlendikten sonra, seçilen bir simülasyon programı (Designbuilder) ile binanın tüm hesaplama alternatifleri için iç hava sıcaklıkları, direkt güneş ışınımı kazançları ve soğutma enerjisi harcamaları hesaplanmıştır. Sonuçlar grafiklerle ifade edilmiştir.Son olarak, beşinci bölümde ise, yapılan çalışmanın sonuçlarının değerlendirmesi yer almaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, ılımlı ve sıcak iklim bölgelerinde, tasarım aşamasında cephede sadece güneş kontrol elemanı uygulamasıyla önlemler alınarak soğutma enerjisi harcamalarında %28-42'lere varan tasarruf sağlanabildiği görülmüştür.

Abstract:
With the effect of worldwide industrialization and urbanization, providing energy for the increasing population has become more difficult. In most countries buildings are the major consumer of fossil fuels and are responsible for a large fraction of carbon dioxide (CO2) emissions. Using renewable resources will help to prevent the energy consumption, and environmental pollution.Renewable energy, is the energy derived from continous resources like the sun, wind, water or from heat generated deep within the earth.Therefore, efficient use of renewable energy resources is of great importance nowadays.One of the ways to decrease the amount of energy consumption in buildings is to minimize the energy need of the building first by means of energy efficient design parameters. Orientation and building envelope are the main design parameters affecting energy efficiency in buildings. Building envelope may be defined as an interface of the energy loss and gain as it is the separator between outside and inside of the building. Building envelope is the major element of a building with the aim of controlling energy systems and reducing energy consumption and energy expenses to a minimum. Evidently, the influence of the orientation of the building envelope has an important bearing on the overall energy consumption. The solar radiation intensity gain by means of building envelope varies according to orientation. As the major element in order to minimize heating and cooling energy load is differently oriented building envelope, energy efficient controlling of building envelope of a building will result in an increased performance of its passive system.Building envelope exposed to the sun can admit heat from solar radiation, leading to an increase in the amount of energy needed for cooling purposes. To avoid the inflow of heat, whether direct or indirect, the surfaces on which the sun?s rays fall must be protected. Sun control devices are the most important passive systems which protect the sun radiation from glazed windows which allow the penetration of incoming heat and consequently increases the risk of overheating especially in hot regions. The basic function of a sun control device is to intercept the sun?s rays before reaching the building interior. If sun control devices are installed on the exterior of the windows, they are able to block solar radiation effectively before it passes through the fenestration glazing.This study examines the effect of vertical and horizontal shading devices on a selected building. For the purpose of investigating the effects of different positions of external shading devices, vertical and horizontal shading devices were externally fixed on different directions. In order to find the performance of different positions of shading devices, the variations of the indoor air temperature, the direct solar gain and the cooling energy consumption are investigated by using a computer modeling techniques, Designbuilder software which is an interface of Energyplus simulation program. The study was conducted for Istanbul, Diyarbakır and Antalya which are the representative cities for temperate humid, hot and dry and hot and humidclimatic regions respectively. This study consists of five chapters.In introduction, developments causing current energy crisis are summarized. The increasing energy requirement with the effect of industry revolution, urbanization and population growth and the environmental results of burning fossil fuels and global warming are mentioned. The importance of building energy efficiency and the role of building envelope specially on cooling energy consumption are explained.In second chapter, energy efficient design parameters effective on energy loads of building are explaned. These parameters are-Site-Distance between building-Orientation of building-Building form-Optical and thermophysical properties of building envelopeSince building envelope is the most important components wich effect the cooling load of the whole building, the precautions taken on this scale should be investigated.In the third chapter; direct, diffuse and reflected sun radiations, the effect of sun radiation, traditional sun control devices and shading devices effects on sun control of a facade are explaned. Sun control devices types are examined under three headings such as; external sun control systems, mid pane sun control systems and internal sun control systems.In forth chapter, the approach to evaluate the effect of solar control devices onto cooling energy loads in buildings is introduced. Firstly, the essential properties of the selected building to be used in cooling energy consumption calculations are defined. Afterwards, building site, orientation of building, location of building according to the other buildings, building form and orientation, optical and thermophysical properties of building envelope should be determined. For climatic conditions, outdoor climatic data for cooling period and indoor climatic data such as indoor air temperature should be taken into consideration. Finally, different cooling loads calculation alternatives related to different positions of externalle sun control devices should be specified. These alternatives may be listed as;?Current state of selected building (without sun control devices)?Application of vertical sun control devices on west and east directions?Application of horizontal sun control devices on south direction?Application of horizontal sun control devices on south and vertical sun control devices on west and east directionsAfter determining the properties related to selected building, indoor air temperatures, direct solar radiations and cooling energy consumption for all alternatives are calculated by using a simulation programme (Designbuilder). Results are expressed with charts.Finally, in sixth chapter, results of the study are evaluated. According to the simulation results, it is seen that during the cooling period, in the temperate and hot climatic regions, it is possible to accomplish %28-42 improvement in the cooling energy consumption by taking precautions on the facade of building only by using sun control devices.