Binalarda enerji korunumu açısından yapı bileşenlerinde kullanılan faz değiştiren malzemelerin performansının değerlendirilmesi
Evaluation of the performance of building components constructed with phase-change materials in terms of energy conservation in residential building
Yazar: EDA KÖSE
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, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Günümüzde dünya genelinde enerji kullanımındaki artış ve buna bağlı olarak enerji kaynaklarındaki azalma enerjiye duyulan ihtiyacın önem kazanmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle, enerji konusu dünya gündeminin en önemli konularından biri haline gelmiştir. Dünyada tüketilen enerjinin büyük bir miktarı binalarda kullanılmaktadır. Türkiye'de ise binalar için bu oran yaklaşık %30'dur. Buna ek olarak kentlerdeki nüfus artışı sonucu konut binalarının ve yerleşme alanlarının artması ile binalar için harcanan enerji miktarları da artmıştır. Bina stoğunun hızla artmasıyla binalarda tüketilen ısıtma ve soğutma enerjisi miktarları da artmakta ve bu durum binalarda enerji korunumu kavramının öncelikli olmasına yol açmaktadır. Binalarda harcanan enerjinin büyük bir bölümü binalardaki konfor koşullarının sağlanabilmesi içindir. Bina tasarım aşamasında binanın bulunduğu bölgenin iklimsel özellikleri dikkate alınmadığında ve buna bağlı olarak iklimle dengeli bir tasarım yapılmadığında; öncelikle binada iklimsel konfor koşulları sağlanamamakta sonrasında da bu koşulların sağlanabilmesi için aşırı enerji tüketen mekanik sistemler kullanılmaktadır.  Dolayısıyla enerji etkin tasarım kriterlerine göre tasarlanmış binalar ile iç ortam konfor koşulunun sağlanması, binaların mekanik sistemlere duyduğu ihtiyacın azaltılması ve binalarda harcanan enerji miktarlarının da azaltılması olanaklıdır. Binalardaki enerji harcamalarının azaltılması, binaların mimarlar tarafından enerji etkin tasarım stratejileri ile tasarlanması ile olanaklıdır.
Türkiye'de binaların büyük bir bölümünü konutlar oluşturmaktadır. Konutlar, farklı iklim bölgelerindeki ısıtma ve soğutma dönemlerinde ihtiyaç duyulan enerji miktarı bakımından değerlendirildiğinde, farklı iklim bölgelerinin farklı gereksinimleri olduğu görülmektedir. Tasarımın erken aşamalarında bu gereksinimler dikkate alınarak binalar toplam enerji harcamaları bakımından değerlendirildiğinde enerji harcamalarının azaltılması olanaklıdır. Binanın toplam enerji harcamalarının yanında  binayı oluşturan hacimlerde meydana gelen konfor koşulları ve dolayısıyla buna bağlı olarak gerçekleşen enerji harcamaları da dikkate alınmalıdır. Binadaki hacimlerde, hacimlerin binadaki konumları, yönlendiriliş durumları ve dış duvar alanlarına bağlı olarak farklı konfor koşulları meydana gelebilmektedir. Ayrıca hacimlerde komşu hacimlerin koşullarına da bağlı olarak ısı kazancı ve kayıpları oluşabilmektedir. Bu nedenle hacimlerin enerji giderlerinde farklılıklar ve dolayısıyla dengesizlikler meydana gelmektedir.
Binalarda iklimsel koşullar dikkate alınarak öncelikle yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamalarının azaltılması daha sonra da hacimler arasında enerji harcamalarının dengelenmesi veya minimuma indirilmesi enerji korunumunun sağlanması açısından öncelikli bir konu haline gelmiştir. Bu hedefe yönelik olarak, bu çalışmada binaların tasarım aşamasında, enerji etkin tasarım değişkenlerine ilişkin alınacak önlemlerle yıllık ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamalarının azaltılması ve binaları oluşturan hacimler arası enerji harcamalarının dengelenmesi ele alınmıştır.
Binalarda ısıtma ve soğutma yüklerinin azaltılması için bu yükleri etkileyen değişkenlere yönelik pasif tasarım stratejileri kullanılarak doğru kararlar alınmalıdır. Binalarda ısıtma ve soğutma yüklerinin üzerinde etkili olan en önemli pasif tasarım değişkeni bina kabuğudur. Bina kabuğu; iç ve dış ortamı birbirinden ayıran, dış iklim koşullarının etkilerini sahip olduğu termo-fiziksel özellikler, yüzey alanı ve yönlendiriliş durumuna bağlı olarak dönüştürerek içeri aktaran ve iç ortam konfor koşullarının oluşumunda etkili olan bir değişkendir. Dolayısıyla bina kabuğuna ilişkin alınan her karar kabuğun çevrelediği hacmin enerji harcamalarını da doğrudan etkileyecektir.
Bina kabuğu uygulamalarında, yenilikçi bir malzeme olan Faz Değiştiren Malzemelerin (FDM) ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamalarının azaltılmasında ısıl enerji depolama özelliklerinden yararlanılmaktadır. FDM'ler ısıl enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan malzemelerdir. FDM'ler uygulandıkları yapı bileşenlerinde meydana gelen ısı kayıplarını engelleyici prensipte çalışırlar. FDM'ler, ısıyı emen, uygulandığı bina bileşeninin bünyesinde depolayan, dış iklim elemanlarının etkilerini geciktirerek ve genliklerini küçülterek iç mekâna aktaran ve böylece iç mekânda oluşabilecek aşırı ısınmayı engelleyen ısıl kütlenin bir versiyonu olarak tanımlanabilmektedir.  
FDM'ler iklim tiplerine göre gündüz ve gece depolayıp ortama saldıkları ısıl enerjiyle, hem kış dönemi ısıtma enerjisi tüketiminde hem de yaz dönemlerinde  soğutma enerjisi tüketiminde azaltıcı bir etkiye sahiptirler. Sıcak iklim bölgelerinde gece depoladığı gizli ısı sayesinde gündüz iç mekanda oluşan hava sıcaklığını düzenleyebilmekte, soğuk iklim bölgelerinde ise iç ortam sıcaklığının aşırı düşmesini engelleyecek prensipte çalışmaktadır. Buna dayanarak, sıcak iklim bölgelerinde soğutma enerjisi ihtiyacını soğuk iklim bölgelerinde de ısıtma enerjisi ihtiyacını azaltma eğilimindedir. Bu çalışma kapsamında binada gerçekleşen yıllık toplam enerji harcamaları hesaplanarak, hacimlerin bulundukları farklı iklim koşulları ve toplam enerji harcama oranları karşılaştırmalı olarak incelenecektir. Daha sonra da önerilen çalışma ile iç ortam konfor koşullarının optimizasyonu için karşılaştırmalı değerlendirme yapılacaktır.
Çalışmanın birinci bölümünde; yapılan tez çalışmasının amacı, kapsamı ve çalışma için kullanılan yöntemi detaylı bir şekilde açıklanmıştır.
İkinci bölümde; binalarda enerji korunumu ve dairelerde gerçekleşen ısıtma ve soğutma yüklerinin dengelenmesinde etkili olan tasarım değişkenleri ayrı ayrı ele alınarak açıklanmıştır. 
Üçüncü bölümü; yenilikçi bir malzeme olan Faz Değiştiren Malzemeler hakkında kapsamlı bilgi verilmiştir. Bu bölümde, FDM'ler tanıtılmış olup, malzemenin çalışma prensibine ilişkin detaylı bilgi verilmiştir.  Daha sonra da FDM'lerin binalarda uygulanması ile ilgili dünyada ve Türkiye'de yapılmış çalışmalar ve uygulamalar ile ilgili örnekler verilerek özetlenmiştir.
Çalışmanın dördüncü bölümünde, TS 825 Binalarda Isı Yalıtımı Kuralları Standardında tanımlanan bölgeler içerisinde 2. Derece Gün Bölgesi grubunda yer alan İstanbul ve Diyarbakır illeri, bu tez çalışması için referans iller olarak seçilmişlerdir. Aynı derece gün bölgesinde yer almalarına rağmen iklimsel açıdan farklı özelliklere sahip olduğu bilinen bu iller için FDM'nin bina bileşeninde uygulanması sonucu gösterdiği performansların karşılaştırmalı olarak değerlendirmesinin yapılması hedeflenmiştir. Ele alınan bir konut binası üzerinde enerji korunumu açısından değerlendirmeler yapılmıştır. Binanın mevcut durumu (TS 825 Standardına uygun bina kabuğu katmanlaşma detayları ile) için yıllık toplam ısıtma, soğutma ve toplam enerji harcamaları belirlenen modelleme ve simülasyon yöntemleri aracılığıyla hesaplanmıştır.  Daha sonraki aşamada, binada tüketilen yıllık toplam enerji harcamaların azaltılması ve binayı oluşturan hacimler arasında meydana gelen enerji  harcamaların dengelenmesi amacıyla öncelikle bina kabuğunda (dış duvar, çatı ve zemine oturan döşeme), daha sonra iç duvar ve iç döşemelerin uygun yüzeylerinde FDM kullanılarak hesaplamalar tekrarlanmıştır. FDM'nin farklı yapı bileşenlerinde uygulanması sonucu iç ortam konfor koşullarında meydana gelen değişim incelenmiş ve yapılan hesaplamalar sonucunda, elde edilen veriler grafikler yardımıyla karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.

Abstract:
Recently, the increase in energy use in the world and as a result of this, the decrease in energy resources has caused the need for energy to gain importance. Hence, energy has become one of the most important issues in the world on agenda. A large amount of the consumed energy in the world has been used for buildings. This rate is almost 30% for the buildings in Turkey. In addition, as a result of the population growth in urban residential buildings and the amount of energy expended for the building with the increase in settlement areas also increased. With dramatic increase in the number of buildings, the amount of consumed heating and consumed cooling energy in buildings raises and this situation leads to the concept of energy conservation as a priority in buildings. A large part of the energy are consumed is to ensure the comfort conditions in buildings. If the climatic features are not taken into consideration for the building design where the building is located, and accordingly a balanced design with the climate is not done; firstly, climatic comfort conditions can not be provided in the building. And then in order to satisfy these conditions, mechanical systems are utilized which consume excessive energy. Thus, it is possible to provide the interior comfort conditions, to reduce the need of the buildings for mechanical systems and it is also possible to reduce the amount of consumed energy on buildings by the buildings which are designed according to energy efficiency criteria. With Reducing energy consumption in buildings, it is possible to design buildings with energy efficient design strategies by architects.
The majority of the buildings consists of the residential buildings in Turkey. When residential buildings are evaluated in terms of the amount of energy needed periods of heating and cooling for the different climates, it is seen that the different requirements should be taken into consideration according to different climatic regions. Considering these requirements in the early stages of the design, it is possible to reduce the total energy consumptions in buildings when the buildings are evaluated in terms of total energy consumptions. In addition to the total energy consumption of the building, the comfort conditions occurring in the unit of the building and therefore the related energy consumptions should be taken into account. In the building units, different comfort conditions may occur by depending on the location of the units in the building, their orientation and external wall areas. Also, unit heat gains and heat losses may occur when depend on the conditions of side-by-side units. Hence, differences in the energy costs  of the units and relatively imbalances have occurred.
In buildings, considering the climatic conditions, first of all, in terms of providing energy conservation annual  heating, cooling, total energy consumption are reduced, and then energy consumptions between units are  balanced or minimized as a priority. To achive these goals, the aim of this study has been decided to reduce the annual heating, cooling and total energy consumptions and the balancing of inter-units that make up the building energy consumptions with the measures to be taken regarding the energy efficient design variables in the design process of the buildings.
In order to reduce heating and cooling loads on buildings, the right decisions should be taken by using passive design strategies for the variables that affect these loads. The most important passive design variable is the building envelope that affects the heating and cooling loads in buildings. Building envelope; It is a variable that separates the internal and external environment, the effects of the external climatic conditions and it affects the transformation of the indoor environment comfort conditions depending on the thermo-physical properties, surface area, and orientation. Hence, every taken decision for the building envelope will directly affect the energy consumption of the unit surrounded by the envelope.
Thermal energy storage features of phase change materials (PCM), which is an innovative material in building envelope applications are used to reduce heating, cooling and total energy consumption. PCMs are the materials that store thermal energy in the form of latent heat. PCMs operate with the principle of preventing heat losses occurring in the building components. PCMs can be defined as a version of the thermal mass that absorbs heat. These materials store inside the building component that it is applied to, and impair the effects of the external climate elements and transmit its by decreasing decrement factor to the interior, thereby preventing overheating in the interior.
PCMs have a decreasing effect on both the consumption of heating energy in the winter period and the consumption of cooling energy in the summer period due to the released thermal energy by the PCMs during the day and night according to the climate types. For the hot climates, it can regulate the temperature of the air during daytime due to the stored latent heat in the zones during the night, and for the cold climatic regions, it works with principle to prevent excessive temperature of the indoor environment. Based on this, PCMs have a tendency to reduce the need for cooling energy in the hot climatic regions and the need for heating energy in cold climate zones. Within the scope of the study, the total annual energy consumptions in the building are calculated and the different climatic conditions and total energy consumption ratios of the units are examined comparatively. And then, comparative evaluations are made for the optimization of indoor comfort conditions with the proposed work.
In the first part of the study; the purpose, scope and method of the thesis study are explained in detail.
In the second part; energy conservation in residential buildigs and design variables affecting the balancing of heating and cooling loads in the units are explained separately.
The third part; comprehensive informations about Phase Change Materials which is an innovative material are given. In this section, PCM are introduced and detailed information is given on the working principle of the material. Later related to the implementation of PCMs in building studies examples carried out in the world and Turkey by giving are summarized and related applications.
In the fourth part of the study, within the regions defined by TS 825 Thermal Insulation Requirements in Buildings in Turkey, İstanbul and Diyarbakır provinces in the 2nd Degree Day Region group were selected as reference provinces for thesis study. Although it is located in the same degree day region, it is aimed to make a comparative evaluation of the performances of the PCM as a result of the implementation of the building component in these provinces which are known to have different climatic characteristics. In term of energy conservation has been evaluated on a residential building. Total heating, cooling and total energy consumptions for the current state of the building (with building envelope details according to TS 825) were calculated by modelling and simulation which were determined. For the determined building energy conservation has been evaluated. Total heating, cooling and total energy consumptions for the current state of the building (with building envelope details according to TS 825) were calculated by modelling and simulation. At a later stage, with the purpose of decreasing the annual total energy consumptions that are consumed in the building and balancing of the expenditure of energy occurring between the units, the calculations firstly were repeated by using PCM on the appropriate surfaces of the building wall (exterior wall, roof, ground floor) and then all calculations are repeated for the inner walls and the inner floors. Application of PCM in different building components has been investigated. As a result of these calculations, and obtained data were compared with the help of graphs.