Ilımlı-nemli iklim koşullarında keçe esaslı bitkilendirilmiş cephe sistemlerinin ısıl performansının değerlendirilmesi
Evaluation of thermal performance of felt type vegetated facade systems under temperate-humid climate conditions
Yazar: ELİF ÖZER YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. AYŞE NİL TÜRKERİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Sanayi devriminden bu güne dünyadaki ortalama sıcaklıklar 1°C artış göstermiştir. Herhangi bir önlem alınmazsa devam edecek bu artışın azaltılması amacıyla, ilgili aktörler ve sektörler için küresel ölçekte çeşitli stratejiler geliştirilmektedir. Bu bağlamda, tüm yaşam döngüsü boyunca yapılardan kaynaklanan fosil tabanlı enerji tüketiminin azaltılması veya durdurulması, yapı sektörünün önemli rollerinden biridir. Fosil tabanlı enerji tüketiminin indirgenmesi amacıyla, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ve/veya enerji tüketiminin azaltılması gereklidir. Yapı sektöründen kaynaklanan enerji tüketimde, yapılarda kullanım aşamasında tüketilen enerjinin önemli bir payı vardır. Dolayısıyla, yapılarda kullanım aşamasındaki enerji tüketimlerinin azaltılması amacıyla enerji etkin yapı/sistem tasarımları geliştirilmektedir. Enerji etkin sistemlerden biri olarak kullanılan bitkilendirilmiş cephe sistemlerinin ısıl performansının ortaya konulduğu çeşitli uluslararası bilimsel çalışmalar vardır. Ancak, kaynak araştırması sonucunda, "C" iklimindeki bölgelerde keçe sistemlere ait ısıtma dönemini kapsayan bir çalışma olmadığı, ayrıca, keçe esaslı sistemlerin "Csa" iklim bölgesinde ısıtma ve soğutma dönemindeki ısıl performasının ölçüldüğü ve değerlendirildiği herhangi bir çalışma olmadığı görülmüştür. Türkiye'de ise artan sıcaklık artışının önüne geçilmesi amacıyla yapılarda enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik çeşitli eylem planları yapılmaktadır. Uluslararası çalışmalarda enerji etkin sistemlerden biri olarak ortaya konulan bitkilendirilmiş cephe sistemlerinin ısıl performansının ülkemizdeki gerçek hizmet koşullarında ölçüldüğü herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. Bu tezde, Köppen iklim sınıflandırmasına göre "Csa" iklim bölgesinde ve Zeren ve diğ'nin sınıflandırmasına göre "ılımlı-nemli" iklim bölgesinde, keçe esaslı bitkilendirilmiş cephe sisteminin ısıl performansının ısıtma ve soğutma dönemlerini kapsayacak şekilde, gerçek hizmet koşullarında ve sürekli ölçüm yöntemiyle ölçülmesi ve değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, keçe esaslı bitkilendirilmiş cephe sisteminin ve referans cephe ile bitkilendirilmiş cepheye ilişkin deney düzeneklerinin kurulacağı bina ve duvar yüzeyleri, keçe esaslı bitkilendirilmiş cephe sistemi katmanları, bitkilendirilmiş ve referans cephe sistemlerine ilişkin ölçüm parametreleri, ölçüm noktaları ve aletleri belirlenmiştir. Böylece, 07-09 Eylül 2016 tarihlerinde, Gebze Teknik Üniversitesi Kimya Mühendisliği Binası'nın güney yönünde yer alan opak duvar yüzeylerinden biri üzerine keçe esaslı bitkilendirilmiş cephe sistemi ve deney düzeneği kurulmuştur. Aynı bina üzerinde güney yönüne bakan diğer bir opak duvar yüzeyi ise referans cephe olarak belirlenmiş ve bu duvar üzerinde söz konusu tarihlerde referans cepheye ilişkin deney düzeneği kurulmuştur. Ölçüm parametreleri; deney düzeneğinin bulunduğu alandaki mikroiklim verileri, referans ve bitkilendirilmiş cepheye gelen güneş ışınımı değeri, referans ve bitkilendirilmiş cepheden yansıyan güneş ışınımı değerleri, referans ve bitkilendirilmiş duvar iç ve dış yüzey sıcaklıkları, bitkilendirilmiş duvardaki 2.kat keçenin yüzey sıcaklığı, panel ön ve arka yüzey sıcaklıkları ile referans ve bitkilendirilmiş cephenin arkasındaki odaların iç ortam hava sıcaklıklarıdır. 
Bitkilendirilmiş cephe sistemi ve deney düzeneklerinin kurulumu gerçekleştirildikten sonraki beş ay boyunca deneme ölçümleri yapılmış, dolayısıyla 06 Şubat 2017 tarihinden itibaren elde edilen ölçüm verileri analiz edilmiştir. Hafta içi günlerinde, bitkilendirilmiş ve referans cephenin arkasındaki odaların iç ortam sıcaklıkları kullanıcı davranışına bağlı olarak değişkenlik gösterdiği için iç yüzey ve iç ortam sıcaklıkları hafta sonu günlerine ait veriler üzerinden değerlendirilmiştir. Veriler, sonbahar, kış, ilkbahar ve yaz olmak üzere dört farklı mevsim/ dönem altında ele alınmıştır. Her dönemi temsil eden aylara ait güneş ışınım şiddetinin ve referans cephe dış yüzey sıcaklığının yüksek olduğu birer haftasonu günü seçilmiştir. Bu tarihler için, referans ve bitkilendirilmiş cephenin dış yüzey sıcaklığının en yüksek olduğu saatler belirlenmiş ve bu saatlere ait sıcaklık kesitleri oluşturulmuştur. Bu saatlere ait referans ve bitkilendirilmiş cephe kesitleri üzerinden her iki cepheye ilişkin dış yüzey, iç yüzey ve iç ortam sıcaklıkları karşılaştırılmıştır. Referans ve bitkilendirilmiş cephenin dış yüzey sıcaklıkları arasındaki farklar ve her iki cephenin iç yüzey sıcaklıkları arasındaki farklar ortaya konulmuştur. Ayrıca, bitkilendirilmiş ve referans cephenin iç ortam sıcaklıkları, ülkemizde binalarda ısı yalıtımı kuralları için geçerli olan TS 825 Standardı'na ve uluslararası bir standart olan ISO 7730 standardına göre değerlendirilmiştir. Yanı sıra, referans ve bitkilendirilmiş duvarın iç ortam ve iç yüzey sıcaklıkları arasındaki farklar TS 825 Standardı'na göre değerlendirilmiştir. Ayrıca, bu tarihlerdeki bitkilendirilmiş ve referans cephenin yansıtıcılık oranları karşılaştırılmıştır.
Sonuç olarak, bitkilendirilmiş cephe sisteminin, gündüz saatlerinde, mevcut duvarın dış yüzey sıcaklıklarının azaltılmasında oldukça etkili olduğu görülmüştür. Bu durum, soğutma döneminde mevcut duvarın ısıl performansı açısından olumludur. Buna karşın, kış döneminde, güney yönünde yer alan duvarın güneş ışınımına maruz kalarak dış yüzey sıcaklığının yükselmesi beklendiği için bu durum ısıtma dönemi için olumlu değildir. Ancak, kışın, gece saatlerinde, bitkilendirilmiş duvar dış yüzey sıcaklıkları referans cepheninkinden düşüktür. Bu durum ise, ısıtma döneminde mevcut duvarın ısıl performansı açısından olumludur. Bitkilendirilmiş duvar iç yüzey sıcaklıkları, tüm dönemlere ait temsili günlerdeki gündüz saatlerinde, referans cepheninkinden düşük çıkmıştır. Ancak, her iki cephenin dış yüzey sıcaklıkları arasındaki farklar yüksek olmasına karşın iç yüzey sıcaklıkları arasındaki farklar düşüktür. Bunun nedeni, mevcut dış duvarın ısı yalıtım katmanı içermesidir. Benzer şekilde, her iki cephe arkasında yer alan odaların iç ortam sıcaklık değerleri birbirine oldukça yakındır. İlgili standartlara uygunluğu açısından değerlendirildiğinde, yaz ve kış döneminde her iki cephenin arkasında yer alan odaların iç ortam sıcaklıklarının konfor sıcaklığı sınır değerlerinin dışında olduğu görülmüştür. Ancak, ilkbahar ve sonbahardaki soğutma gereksinimi olan bazı temsili günlerde, bitkilendirilmiş cephe iç ortam sıcaklıkları konfor sıcaklığı aralığında iken referans cephenin iç ortam sıcaklıkları konfor aralığının biraz üzerine çıkmıştır. 
Söz konusu bitkilendirilmiş cephe sistemi, ısı yalıtımsız bir duvar üzerine uygulandığında, bitkilendirilmiş duvar dış yüzey sıcaklıklarındaki azalmanın duvar iç yüzey ve iç ortam sıcaklıklarını daha belirgin bir şekilde etkileyeceği ve referans cephe ile bitkilendirilmiş cephe iç yüzey sıcaklıkları ve iç ortam sıcaklıkları arasındaki farkın artacağı açıktır.
Yansıma oranı sonuçlarına bakıldığında; referans cephe yansıma oranının bitkilendirilmiş cephe yansıma oranından 3-8 kat daha fazla olduğu görülmektedir. Referans cephenin yansıma oranının bitkilendirilmiş cephenin yansıma oranına göre oldukça fazla olması, bitkilendirilmiş cephe sistemlerinin kent ısı adası etkisinin azaltılmasındaki önemli rolünü göstermektedir. 
Bu çalışmanın, uluslararası ve ulusal düzeyde, mimarlara, peyzaj mimarlarına, akademisyenlere, cephe mühendislerine ve danışmanlarına, yerel yönetimlere, ilgili bakanlıklara ve tüm karar vericilere yol gösterici olması beklenmektedir. Ayrıca, bu çalışmanın sonuçlarının, Türkiye'nin 2030 yılına kadar sera gazı salınımlarının azaltılması konusundaki hedeflerine yönelik eylem planlarına ışık tutacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Average air temperature on earth has increased by 1°C from the industrial revolution until today. There are two main reasons which cause to increase ambient air temperatures. Urban heat island effect which occurs through degradation of green surfaces and usage of materials with high albedo value cause to increase ambient air temperatures. Another factor that cause ambient air temperatures to increase is the greenhouse effect caused by the use of fossil fules. Use of vegetated surfaces and materials with high albedo value play an important role in reducing urban heat island effect. Also, in order to decrease the greenhouse effect it is essential to use renewable energy sources instead of fossil fuels and/or reduce energy consumption. The energy consumed in the usage phase of buildings has a significant role. Energy efficient buildings/ systems are being designed in order to reduce energy consumption caused in the usage phase. Vegetated facade systems have been used as energy efficient systems in recent years. Using vegetated facade systems for ecological strategies and evaluating thermal performance of these sytems are not a new concept. There are various numerical and experimental international studies investigating the contribution of vegetated facade systems used as energy efficient systems on enhancing the thermal performance of existing building facade. However, there is not any study in literature which measures and evaluates thermal performance of felt type vegetated facade system located in "C" Köppen climate during heating period. Also, there is not any study in literature which measures and evaluates thermal performance of felt type vegetated facade system applied on a insulated existing building wall which is located in "Csa" climate during cooling and heating periods. In Turkey there are some strategies and action plans in order to reduce the energy consumption in buildings. Nevertheless, in Turkey there is not any experimental study which has measured and evaluated the thermal performance of vegetated facade systems. Hence, in the present phd thesis, thermal performance of felt type vegetated facade system in "Csa" and "temperate-humid" climate conditions during heating and cooling periods are aimed to be measured and evaluated. 
An existing building whose exterior wall will be vegetated and used as reference was chosen. Also, the layers of felt type vegetated facade systems were specified. In addition, measurement parameters of vegetated and reference facades, location and types of sensors were established. Measurement parameters and location of sensors were specified by means of the literature review, and having regard to existing experimental setups. Based on the criteria, an existing building located at Gebze Technical University Campus was selected. Two rooms whose opaque exterior walls face south and are exposed to solar radiation for the majority of the day were selected. Existing building exterior wall assemblies consist of 2cm thick interior plaster, 19cm thick hollow brick, 3cm thick exterior plaster and 5cm thick expanded polystrene foam thermal insulation, from inside to outside. In addition to these layers, vegetated facade assemblies consist of 40x40mm galvanized steel box profiles, PVC panel, 2 layers of felt and evergreen plants named as eounymus japonica, from inside to outside. Measurement parameters were determined as ambient air temperature, humidity, wind direction and velocity, solar radiation reaches to the referance and vegetated facades, solar radiation reflected from the reference facade, solar radiation reflected from the vegetated facade, air temperature among leaves, surface temperature of 2.layer of felt, surface temperature of back and front side of PVC panel, exterior surface temperature of reference facade, interior surface temperature of vegetated facade, indoor air temperature and humidity behind the vegetatede facade, exterior surface temperature of reference facade, interior surface temperature of reference facade, indoor air temperature and humidity behind the reference facade. Surface temperature sensors will be mounted on the interior surface and the exterior surface of the vegetated wall, the back and front side of the PVC panel, on the second layer of felt and on the interior surface and the exterior surface of the reference wall. A temperature sensor will also be placed inside the leaves to measure the air temperature among leaves. A Pyranometer will be mounted vertically in front of the vegetated facade in order to measure solar radiance reflected from the vegetated surface. Two pyranometers will be also mounted in front of the reference facade vertically. These two pyranometers will be mounted back to back; one of them measures solar irradiation reflected from the reference facade while the other measures solar radiation reaches to the reference and vegetated facades. Additionally, indoor temperature and humidity sensors will be placed 20 cm in front of the interior wall surfaces of the vegetated and reference facades. Also, ambient air temperature, humidity sensors, wind direction sensor and wind velocity sensor were mounted on the roof parapet. Data obtained through instruments measuring parameters regarding microclimate variables, reference facade and vegetated facade are collected with a datalogger which was mounted on the interior side of wall behind the vegetated facade system. For each instrument, data was recorded every 10 minutes through datalogger and transferred directly to a computer via wireless connection.    
Vegetated facade system components and experimental set up of both vegetated and reference facades were installed in 07-09 September 2016. Subsequently trial tests were conducted for a duration of 5 months. Monitoring of the parameters was initiated on 06 February 2017. Data was analyzed weekly and thermal performance of both systems were evaluated for each season. Monitoring periods included months representing spring, summer and fall seasons of the year 2017 and winter season 2018. User behaviours were found to be different in office rooms during weekdays behind vegetated and reference rooms. Hence, two representative weekend days were chosen for each period. Weekend days when exterior surface temperatures of reference facade reached its maximum values and weekend days with maximum incident solar radiation observed along each month was selected as the representative days for each season. Hours when exterior surface temperature of reference wall and vegetated wall reached to their maximum values during these representative days were selected. Instant values of each parameter on the specified hours were given and cross sections of reference and vegetated facades were drawn. Exterior and interior surface temperatures and indoor air temperatures of vegetated and reference facades obtained on the specified hours of the representative weekend days were compared with each other. Differences between exterior and interior surface temperatures of vegetated and reference walls were indicated. Indoor air temperatures were evaluated according to comfort temperature range identified in TS 825 and ISO 7730 Standards. Differences between interior surface and indoor air temperatures of both facades were evaluated according to TS 825 Standard criteria. Also, solar reflectance ratio of reference facade and vegetated facades were compared with each other.
Exterior surface temperatures of vegetated wall were extremely lower than exterior surface temperatures of reference wall for each period during the day time. Differences between maximum exterior surface temperatures of reference and vegetated facades were 39.7°C, 24.4°C, 32.2°C and 37.2°C for spring, summer, fall and winter periods, respectively. Whereas this result is positive for cooling period, it is not favorable for heating period. Also, during the night time, exterior surface temperatures of vegetated wall is higher than exterior surface temperatures of reference walls. This case is positive to enhance thermal performance of exterior wall of existing building during heating period. Interior surface temperatures of reference facade were also higher than interior surface temperatures of vegetated facade along the day time. However, differences between interior surface temperatures of reference and vegetated facades are negligible. Differences between maximum interior surface temperatures of reference and vegetated facades were 1.1°C, 1.3°C, 1.8°C and 0.8°C for representative days in spring, summer, fall and winter periods, respectively. Although high differences between exterior surface temperatures of vegetated and reference walls were observed, there was no significant difference between interior surface temperatures of vegetated and reference walls. This is due to the fact that existing building exterior wall assembly includes 5 cm thickness expanded thermal insulation material which enchance thermal performance of brick wall. Also, indoor air temperatures behind both facades were close to each other. In addition, for representative summer days with high ambient air temperatures and representative winter days with very low ambient air temperatures indoor air temperatures behind both facades were not suitable according to comfort temperature ranges indicated in TS 825 and ISO 7730 Standards. Nevertheless, indoor air temperatures behind vegetated facade were in the comfort range in the fall and spring representative days which required cooling, while indoor air temperatures behind reference facade were not in the comfort range in these days. In the case the vegetated facade system is applied on a non-insulated wall, it is clear that the decrease in the exterior surface temperatures of the vegetated wall will affect the interior surface temperatures of the vegetated wall and indoor air temperatures behind the facade more dramatically. 
Solar reflectance of reference facade was 3-8 times higher than solar reflectance of vegetated facade. Although solar reflectance of reference facade was higher than solar reflectance of vegetated facade, exterior surface temperature of reference facade was significantly higher than exterior surface temperature of vegetated facade. That is because vegetated facade system transfers less energy to exterior wall of building even though vegetated facade system absorbs more solar radiation compared with reference facade system. Thus, it can be claimed that vegetated facade system uses most of energy reaching on its surface and so transfers less amount of energy to the exterior wall surface of building wall. Also, lower solar reflectance values of vegetated facade indicate that vegetated facade systems have positive impact on reducing urban heat island effect. 
It is expected that this phd thesis will guide the architects, landscape architects, academicians, facade engineers and consultants, local governments, ministries and all decision makers at the international and national area. In addition, it is assumed that the results of this study will shed light on national targets and strategies regarding the reduction of greenhouse gas emissions until 2030 in Turkey.