Biyomimetik tasarım metodolojisi ile termoregülatif yapı kabuğu birimi tasarımı
Thermoregulative building envelope unit design with biomimetic design methodology
Yazar: BANU ÇİÇEK AVCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. HÜDAYİM BAŞAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Yaşamını sürdürebilmesi için vücut ısısının sağlıklı bir aralıkta olması insanoğlunun ilk ihtiyaçlarından birisidir. Bu ihtiyacın barınma ile karşılanmasında ise termal konfor kavramı ortaya çıkmaktadır. Termal konforun sağlanabilmesi için kullanılan enerji kaynaklarından doğal gaz, kömür, petrol ve bunlara alternatif olarak yönelinen elektrik enerjisi ise sınırlı rezerve sahip olma, ulaşılabilirlik, mevcut talebe cevap verememe, dağıtım sorunu ve sera gazı salınımı sebebiyle küresel ısınmaya sebep olma gibi birtakım dezavantajları da beraberinde getirmektedir. Bu noktada doğadaki canlıların temel enerji kaynağı olan güneş enerjisi, yenilenebilir ve temiz oluşuyla yapılarda termal konfor ihtiyacının karşılanmasında diğer enerji kaynaklarına en iyi alternatiftir. Bu çalışmada, doğada ekstrem sıcaklık koşullarında yaşayan canlıların vücut ve yuva sıcaklıklarını optimum aralıkta tutabilmeleri için sahip oldukları morfolojik özellikler ve uyumlanma davranışları biyomimetik tasarım metodolojisi ile incelenerek, benzer uyumlanmanın yapılara uygulanması ile güneş enerjisinin termal ihtiyaçların karşılanmasında kullanımı amaçlanmıştır. Enerjinin etkin kullanımı ile maksimum verimin sağlanması için doğadaki canlıların mevcut ortam şartlarına uyumlanma becerileri referans alındığında, farklı mevsimlere geçişte benzer uyumlanmanın yapılara uygulanabilmesi için dinamizmin gerekli olduğu görülmüştür. Dinamizm ise morfolojik yapıların akıllı malzemeler ile bir araya getirilmesiyle elde edilen kinetik yapı kabuğu tasarım önerileriyle sağlanmıştır. Mevcut yapı kabuğu tasarımlarında olduğu gibi spesifik bir iklime özel tasarlanan yapı kabuklarına sentezleyici bir yaklaşım ile yenilik getirilmiş ve gerçekleştirilen üç farklı kinetik yapı kabuğu tasarımı önerisi ile hem soğuk hem de sıcak iklime uyumlanabilen tasarım önerileri sunulmuştur. Tasarımı yapılan kinetik yapı kabuğu birimleri arasında termal konfor sağlama performansının karşılaştırılabilmesi için ise ANSYS Workbench analiz programı ile CFD analiz (Computational Fluid Dynamics - Hesaplamaları Akışkanlar Dinamiği) kullanılarak solar termal analiz gerçekleştirilmiş ve sıcak ve soğuk iklim şartlarında en iyi performansı gösteren yapı kabuğu birim tasarımları belirlenmiştir.

Abstract:
It is one of the first needs of human beings to have a healthy body temperature in order to survive. In meeting this need with accommodation, the concept of thermal comfort emerges. Natural gas, coal, oil, and alternatively electrical energy, which are among the energy sources used to provide thermal comfort, bring along some disadvantages such as having limited reserves, accessibility, inability to respond to current demand, distribution problem and causing global warming due to greenhouse gas emissions. At this point, solar energy, which is the main energy source of living things in nature, is the best alternative to other energy sources in meeting the thermal comfort needs in buildings with its renewable and clean nature. In this study, the morphological features and adaptation behaviors of creatures living in extreme temperature conditions in nature to keep their body and nest temperatures in the optimum range were examined with biomimetic design methodology, and it was aimed to use solar energy to meet thermal needs by applying similar adaptation to buildings. Considering the ability of living things in nature to adapt to the current environmental conditions in order to ensure maximum efficiency with the effective use of energy, it has been seen that dynamism is necessary in order to apply similar adaptation to the buildings in the transition to different seasons. The dynamism is provided by the kinetic structure envelope design proposals obtained by combining morphological structures with smart materials. As with the existing building envelope designs, the building envelopes designed specifically for a specific climate have been innovated with a synthesizing approach, and design proposals that can be adapted to both cold and hot climates are presented with three different kinetic building envelope design proposals. In order to compare the thermal comfort performance among the designed kinetic building envelope units, solar thermal analysis was carried out using CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis with ANSYS Workbench analysis program and the building envelope unit designs showing the best performance in hot and cold climate conditions were determined.