Işık Rafı Başarımlarının Genetik Algoritma ile Eniyilenmesi
Optimization of Light Shelf Performance by Genetic Algorithm
Yazar: HIZIR GÖKHAN UYDURAN
Danışman: DOÇ. DR. ŞENSİN YAĞMUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Günışığının binalarda enerji etkin bilinç ile kullanımı yapay aydınlatma yükü üzerindeki etkisi kadar, ısıtma ve soğutma yükleri üzerindeki etkisinin de etüt edilmesi ile mümkündür. İklim, mevsim ve günün saatine göre koşulların değişken olması sebebiyle bahsedilen çok yönlü değerlendirmelerin yapılması güç olmaktadır. Bu çalışmada amaç; günışığının verimli kullanılmasına yönelik geliştirilmiş ışık rafı sistemleri ile ilgili tasarım kararlarının kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi ve enerji tüketiminin tüm yönleri ile incelenip eniyilenmesidir.

Çalışmada öncelikle ışık rafı sistemi başarımlarının değerlendirilmesine yönelik günümüze kadar yapılan çalışmaların yöntemleri incelenmiştir. Daha sonra, araştırmada kullanılan benzetim araçları ve eniyileme yöntemi hakkında bilgi verilmiş ve Rhino programının görsel kodlama eklentisi olan Grasshopper kullanılarak iş akışı oluşturulmuştur. Benzetimler ise Radiance ve EnergyPlus benzetim motorlarına bir ara yüz sağlayan Ladybug/Honeybee eklentileri tarafından yürütülmüştür.

İki aşamalı çalışmanın ilk aşamasında benzetim yöntemi kullanılarak ışık rafının sadece içeride ya da sadece dışarıda olması durumu ele alınmıştır. 9 farklı hacim ve 90 farklı ışık rafı durumu için 810 seçenek sınanmıştır. Hesaplamalarda ışık raflarının; doğal aydınlatmaya katkısı ile yapay aydınlatma, ısıtma ve soğutma yüklerine etkileri bir arada değerlendirilmiştir. Bu sayede eniyileme aşamasında gözlemlenmesi mümkün olmayan sistematik bir inceleme yapılmıştır. İkinci aşamada, ışık raflarının başarımlarının genetik algoritma ile eniyilenmesi için, 6 farklı hacim senaryosunda 6.900.000 elemana sahip çözüm kümesi oluşmuş ve 1.250 çözüm denenerek en iyi çözümler kümesi elde edilmiştir. Eniyi çözümler kümesinde doğal aydınlatma kazanımı ile soğutma, ısıtma ve yapay aydınlatma yükleri açısından eniyi başarım gösteren elemanlar incelenmiş ve ışık rafının bulunmadığı duruma göre daha iyi olan elemanlar kümesi filtrelenmiştir. 

Yapılan çalışmada benzetim yöntemi kullanılarak ışık raflarının; eğim açısı, raf yüksekliği, raf derinliği, hacim derinliği ve cephenin saydamlık oranı durumlarının doğal aydınlatmaya etkisinin yanı sıra enerji tüketimine etkisi de değerlendirilmiştir. Yapılan bu çok yönlü değerlendirmeler, ışık raflarının enerji etkin kullanımının bütüncül değerlendirilmesi açısından literatüre yeni bir bakış açısı kazandırmıştır. Ayrıca evrimsel algoritma ile yapılan eniyileme sayesinde tasarımcılar için pratik çözüm önerileri ortaya konulmuştur.

Abstract:
The use of daylight in buildings with energy efficient consciousness is possible by studying the effect on the heating and cooling loads as well as the effect on the artificial lighting load. It is difficult to make comprehensive assessments because the conditions are variable according to climate, season and time of day. The aim of this study is; comprehensively evaluating the design parameters of light shelf systems and energy consumption and optimizing them.

In this study, the literature about evaluating the performance of the light shelf systems were researched. Then, the simulation and optimization method used for the research is given and the workflow created by using Grasshopper which is the visual coding plugin of the Rhino software is declared. The simulations are carried out by the Ladybug/Honeybee plugins which is an interface of Radiance and EnergyPlus simulation engines and modelling steps are explained.

In the first stage of this is; the case of only interior or only exterior light shelves is examined by using the simulation method. 810 options were tested for 9 different volumes and 90 different light shelf situations. Light shelves's contributions to natural lighting and its effects on artificial lighting, heating and cooling loads were evaluated together. In this stage, a systematic review was made that could not be observed during the optimization phase. In the second stage, in order to optimize the performance of the light shelves by genetic algorithm, a solution set with 6.900.000 elements was created for 6 different volume scenarios and 1.250 solutions were evaluated to create the best solution set. In the set of optimal solutions, the solutions with the best performance in terms of daylight performance and cooling, heating and artificial lighting loads were examined, and the set of elements that were better than the base case where there was no light shelf was filtered. 

In the study, in addition to natural lighting efficiency; the effects of tilt angle, shelf height, shelf depth, volume depth and the transparency ratio of the façade is evaluated, in terms of energy consumption by using the simulation method. This study shall be a new perspective for evaluating efficient use of light shelves in consideration of the energy. The optimization made with the evolutionary algorithm, practical solution suggestions for the designers are presented.