Faz değiştiren malzemelerin sıcak-kuru ve soğuk iklim bölgelerindeki yapı kabuğu enerji performansının karşılaştırmalı analizi
Comparative analysis of phase change material enhanced building envelopes and their energy performance analysis for hot-dry and cold climatic regions
Yazar: AYŞIL COŞKUNER
Danışman: DOÇ. DR. ÇİĞDEM TEKİN
Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Fiziği ve Malzemesi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Faz değişimi = Phase change ; Çevresel sürdürülebilirlik = Sustainable environment

Özet:
Günümüzde sürdürülebilirlik, enerji verimliliği, enerji etkin bina tasarımı gibi kavramlar; enerji kaynaklarının azalması ve buna bağlı olarak da enerji tüketim maliyetlerinin artmasıyla ilişkili olarak önem kazanmıştır. İnşaat sektörünün enerji tüketimi konusunda lokomotif kabul edilmesi gerekçesiyle, bina tasarım aşamasında iklim değerleri dikkate alınarak alınan mimari kararlar, bina enerji tüketim performansı açısından oldukça önemlidir. Bu bağlamda yapı kabuğu tasarımında yenilikçi bir yaklaşım olan faz değiştiren malzemeler ile ısı depolama sistemleri bina enerji tüketim değerlerini etkileyen önemli bir etken kabul edilmektedir. Bu yeni nesil sistemler, geleneksel mimari sonucunda ortaya çıkmış kalın ısıl kütlelere yeni bir alternatif olarak son dönemde çokça araştırılmıştır. Kalın duvarlar hem malzeme temini açısından hem de özellikle hafif yüksek yapılarda kullanılamaması açısından yeni alternatiflerin geliştirilmesine sebep olmuştur. Bu nedenle faz değiştiren malzemeler farklı yerlerde, farklı miktarlarda, farklı tür ve sıcaklıklarda kullanılabilme imkanlarınlarıyla bahsedilen alternatiflere örnek gösterilmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında; birinci bölümde; Dünya'daki ve Türkiye'deki enerji talebi sorunsalına dikkat çekilmiş olup özellikle yapı sektöründe sürdürülebilirlik ve enerji verimliliği kapsamında temel eğilim ve hedeflerin üzerinde durulmuştur. Bu bağlamda günümüzde kullanılan yenilenebilir ve yenilenemez enerji kaynaklarından detaylıca bahsedilmiş ve özellikle ikinci bölümde; yenilenebilir enerjilerden olan güneş enerjisinin, binalarda ısıtma ve soğutma amaçlı faydalanma yöntemlerine değinilmiştir. Öncelikle pasif ve aktif şekilde güneş enerjisi sistemlerinden faydalanılan enerji etkin bina kabuğu tasarımının ısı depolamadaki önemi vurgulanmıştır.
Üçüncü bölümde; ısıl kütle tanımlanmış, termal kütlenin ısı depolama sistemlerinde uygulanma yöntemleri ve yapı bünyesine entegrasyonuna değinilmiştir. Enerji verimliliği ve enerjinin sürdürülebilirliği açısından yeni bir depolama yöntemi olarak tanımlanan 'Faz Değiştiren Malzemeler ile Depolama' konusu yine bu bölümde araştırılmış olup uygulama alanlarında kullanım olanaklarına değinilmiştir. Bu depolama sisteminin çalışma prensibi, 'Faz Değiştiren Malzemelerin Sınıflandırılması', türlerin özellikleri, yapılarda kullanımında karşılaştırmalı avantajları-dezavantajları ve yapı elemanlarında kullanılma yöntemleri detaylıca açıklanmıştır. Yapı elemanı olarak piyasada en çok kullanılan alçıFDM Panolar ve panellerin özelliklerinden bahsedilmiştir. Yapı elemanlarında dış ortam ile doğrudan ilişkili bina kabuğunu oluşturan yapı bileşenleri duvar ve çatılardır. Bu yüzden dördüncü bölümde; özellikle duvar ve çatı yüzeylerine FDM katmanı eklenerek çeşitli hesaplamalar yapılmıştır.
Dördüncü bölümde; genel olarak yapı kabuğu bileşenlerinden dış duvar elemanlarında FDM'nin çalışma performansı incelenmiştir ve bu bölüm iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda, yurtdışı ve yurtiçi kaynaklı yaklaşık 100 adet makale incelenmiş olup makalelerde yer alan dış duvar katmanları katman dizilişlerine göre gruplandırılmış ve kodlandırılmıştır. Bu sınıfladırmalarda kaynak isimleri, duvarda kullanılan FDM türleri, yalıtıma göre FDM'nin konumu, kaynakların çalışıldığı iklim bölgeleri ve duvar katmanları detaylandırılmıştır. Tüm duvar tipleri lejandlarıyla 'Ekler' kısmında tariflenmiştir. Araştırma çalışması kapsamında en fazla tekrar eden duvar tiplerinin çekirdekli geleneksel mantolama tipi dış duvarların ve çekirdeksiz sandviç sistemlerin olduğu tespit edilmiştir. 
Türkiye'de görülen beş iklim bölgesinden, mevsimler arası ve gece-gündüz sıcaklık farkları en ekstrem olan sıcak-kuru (Diyarbakır) ve soğuk iklim bölgesi (Erzurum) kullanımı uygun görülmüştür. TS 825'te belirtilen U değerini sağlamayan yalıtımsız ve yalıtımlı dış duvarlara ek yalıtım katmanı eklenerek hesaplamalara katılmıştır.
Beşinci bölümde; DesignBuilder simülasyon programı aracılığıyla yapılan hesaplarda, her duvar grubunun en iyi performans gösteren tipi belirlenmiştir. Daha sonra bu duvar tiplerinin FDM malzeme türü ve FDM konumu sabit tutulmak üzere farklı erime sıcaklıklarına ve kalınlıklarına sahip FDM alternatifleriyle günlük ortalama operatif sıcaklık hesapları pasif ve aktif koşullarda hesaplanmıştır.
5.bölümün devamında; yalıtımsız, yalıtımlı FDM'siz ve FDM'li alternatiflerin karşılaştırmalı değerleri, tablo ve grafiksel anlatımlar ile ifade edilmiştir. Ayrıca, her grubun en iyi performans gösterdiği başlıca duvar tipleri, pasif koşullar altında çalışılmış; bölgelere göre en sıcak gün kabul edilen; 21 Temmuz ve en soğuk gün kabul edilen 21 Ocak'taki operatif günlük ortalama sıcaklık değerleri hesaplanmıştır.
6.bölüm sonuç ve öneriler kısmında; ısı depolama sistemlerinden FDM ile ısı depolama sisteminin ileriki yıllarda daha çok inovasyon ve araştırma çalışmalarında yer almasıyla yenilikçi bir sistem olacağı tahmin edilmiştir. Bu bağlamda faz değiştiren malzeme kullanımının yapı kabuğunda kullanımı ile bina enerji verimliliğine etkileri özetlenmiştir. Ek olarak faz değiştiren malzemenin enerji verimliliğini etkileyebilecek fakat bu çalışmada yer almayan ve gelecek çalışmalarda kullanılabilecek farklı alternatiflerden bahsedilmiştir

Abstract:
At the present day, conceptions such as sustainability, energy efficiency, energy efficient building design; has gained importance in relation to the reduction of energy resources and consequently the increase in energy consumption costs. Architectural decisions taken in consideration of climate values during building design, phase change materials are very important in terms of energy consumption performance of the building due to the acceptance of the construction industry as a locomotive for energy consumption. In this context, phase change materials and heat storage systems, which are an innovative approach to building shell design, are considered as an important factor affecting building energy consumption values. These new generation systems have been extensively researched recently as a new alternative to thick thermal masses that have emerged as a result of traditional architecture. Thick walls have caused new alternatives to be sought both in terms of material and in particular in lightweight high-rise structures. For this reason, phase change materials are examples of alternatives mentioned at different locations, different quantities, different types and temperatures.
In this thesis; in the first chapter; the world energy demand in Turkey is particularly pointed out and focused on the objectives and scope of the basic trends of sustainability and energy efficiency in the building sector. In this context, the renewable and non-renewable energy sources used today are mentioned in detail and also the methods of utilization of solar energy for heating and cooling purposes are explained within the importance of heat storage in energy efficient building envelope, which is benefited from passive and active solar energy systems, has been also emphasized in second chapter. In the third chapter, thermal mass is defined, the methods of applying thermal mass in thermal storage systems, and the integration into building structure. Phase Change Thermal Storage System, which is defined as a new storage method in terms of energy efficiency and energy sustainability, have been researched in this section and possible fields in application have been mentioned. The operating principle of this storage system is explained through the classification of PCMs, their properties and application methods in building elements and materials. Particularly the most commonly used building elements are gypsum
 
plasterboards and panels that conation PCMs. So in the fourth chapter the properties of phase change materials used to enhance these wall elements are mentioned according to their melting temperatures, position in wall / thickness / application surface area, measurement techniques, etc. which affect the production and implementation of the panels. The main building components that are directly related to the external environment and which builds the building envelope, are walls and roofs. So in parallel in the fifth section, the performance of PCM in exterior walls as building components was researched. About 100 articles from local and foreign sources were examined and exterior wall layers in the articles were grouped and coded according to their layer sequences.
This classification includes references, PCM types, PCM location according to isolation, climate zones which authors determine and wall layer sequences are detailed. In this research study, it was determined that the most repetitive wall types are the traditional sheathing type exterior walls and sandwich systems.
Turkey has five climte zones and in research day hot-dry and cold climate regions which have the most extreme temperature difference between the seasons and between the day and night shifts. Additional insulation layer had to be added to the insulated or uninsulated exterior wall types which do not provide the U value stated in TS 825 regulations. In the calculations made through the DesignBuilder simulation program, the best performing type of each wall group was determined. The average daily operative temperature calculations of the PCM enhanced walls were then calculated under active (HVAC) and passive conditions with different melting temperatures and thicknesses by keeping the PCM position and PCM type constant. The results are stated and plotted within tables and graphs including insulated, uninsulated, PCM- free and PCM-based wall alternatives.
In the conclusion, it is mentioned that PCM thermal heat storage systems will be an innovative system by working on more research projects in following years. In this context, the use of phase change materials in building envelopes and their effects on building energy efficiency are summarized. Different PCM application alternatives can be used in future works that are not included in this study, which may affect the energy efficiency of the phase change materials.