Binalarda cephe eğiminin enerji yükleri üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of the effect of the facade inclination on energy loads in buildings
Yazar: EBRU YÜKSEL
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, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture
Dizin: Bina cephesi = Building facade ; Enerji = Energy ; Enerji etkin yaklaşım = Energy efficient approach ; Enerji etkinliği =   ; Enerji tüketimi = Energy consumption ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Konut tasarımı = Housing design

Özet:
Dünyada enerji tüketimindeki hızlı artış sebebiyle enerji kaynakları gün geçtikçe azalmaktadır. Bu nedenle, enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik çalışmalar günümüzde oldukça önem kazanmıştır. Tüm dünyada artan nüfus, sanayileşme ve kentleşmenin etkisiyle yeni yapılan binaların sayısı çoğalmakta ve buna bağlı olarak binalar için harcanan enerji miktarı da artmaktadır. Binalarda tüketilen enerjinin büyük bir kısmı konfor koşullarını sağlamaya yönelik olan ısıtma ve soğutma gereksinimlerine ait harcamalardır. Enerji tüketiminin oldukça fazla olduğu inşaat sektöründe binalarda enerji etkinliğinin sağlanması sürdürebilir bir gelecek için gereklidir. Bu doğrultuda binanın ilk tasarım aşamasında, bulunduğu iklim bölgesine bağlı olarak alınan enerji etkin tasarım kararları; iç konfor koşullarının iyileştirilmesine ve mekanik sistemlere duyulan ihtiyaçların azaltılmasına olanak sağlar.
Farklı iklim bölgelerinde ısıtma veya soğutma dönemlerinin öncelikli olmasına bağlı olarak iç konforun sağlanmasına yönelik gereksinimler değişmektedir. Kullanıcılar için gerekli olan konfor koşullarının, pasif sistemlerden mümkün olduğunca faydalanarak ve minimum enerji harcaması ile sağlanması, enerji etkin tasarım için öncelikli hedeflerdendir. Bu nedenle bina enerji performansını doğrudan etkileyen yerleşme dokusu, yönlenme, bina aralıkları, bina formu ve bina kabuğu gibi tasarım parametrelerinin iklimle uyumlu olacak şekilde belirlenmesi gereklidir. Bina formu, binanın, özellikle güneş ışınımından faydalanma veya korunma düzeyini, belirleyen en önemli parametrelerden biridir. Bina formu; biçim faktörü, bina yüksekliği, çatı türü ve eğimi, cephe eğimi gibi geometrik değişkenlere bağlı olarak tanımlanır.  Bina formunun geometrik değişkenlerinden olan cephe eğim açısının değişimi, saydam ve opak bileşenden oluşan bina kabuğuna gelen güneş ışınım miktarını değiştirerek binanın ısıtma ve soğutma yüklerini etkiler. Bina kabuğuna gelen güneş ışınımıyla iç mekân pasif olarak ısıtılır ve mekânın ihtiyaç duyacağı ısıtma yükleri azalır. Ancak, soğutma istenilen dönemde, özellikle saydam bileşen etkisiyle bina kabuğuna gelen güneş ışınımı aşırı ısınmaya sebep olabilir ve soğutma yüklerini artırır. Bu nedenle, iklim bölgesine göre, binalarda güneş ışınımından yararlanma ve korunmada cephe eğimi ve saydamlık oranının yöne bağlı olarak optimizasyonu, enerji yüklerinin azaltılması açısından oldukça önemlidir.
Bu çalışmada Türkiye'nin farklı iklim bölgelerinde bulunan 5 il (İstanbul, Diyarbakır, Ankara, Erzurum ve Antalya) için, A/V ( toplam dış yüzey alanı / bina hacmi) oranı sabit olacak şekilde saydam bileşenin bulunduğu cephenin alanı sabitken, cephe eğim açısı değiştirilerek  (9 farklı eğim derecesi) 9 farklı bina formu seçeneği üretilmiştir. Güneş ışınımından kazanılan ısı miktarı bina cephesinin baktığı yönün bir fonksiyonu olduğundan binanın yönlendiriliş durumu iç mekânda oluşan ısıtma ve soğutma yüklerini etkileyecektir. Bu nedenle, yönlendiriliş durumunun eğimli cepheye sahip binanın ısıtma ve soğutma yükleri üzerindeki etkisinin incelenmesi için 16 farklı yönlendiriliş durumu belirlenmiştir. Bina kabuğun saydamlık oranı, bina kabuğundan geçen güneş ışınım miktarını dolayısıyla iç mekânda gerçekleşen iç hava sıcaklığı ile iç yüzey sıcaklıklarının belirlenmesinde etkilidir.  Ele alınan binada saydamlık oranı için 8 farklı saydamlık durumu belirlenmiştir. Oluşturulan, farklı cephe eğim açısı, yönlendiriliş durumuna ve saydamlık oranına sahip bina formlarının ısıtma ve soğutma yükleri üzerindeki etkisi, enerji simülasyon programı aracılığı saptanmıştır ve toplam yükleri azaltan uygun alternatiflerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu çalışma beş ana bölümden oluşmaktadır.
Çalışmanın birinci bölümü olan giriş bölümünde; azalan enerji kaynaklarına değinilmiş ve artan enerji tüketiminin çevreye verdiği zararlar açıklanmıştır. Enerji tüketiminin büyük bir kısmının gerçekleştiği binaların enerji etkin olarak tasarlanmasının önemi üzerinde durulmuştur. Pasif tasarım parametrelerinden olan bina formunun geometrik bir özelliği olan cephe eğiminin bina yüklerine üzerine etkisi ve uygulama alanlarının değerlendirilmesine ait çalışmalar incelenmiştir. Cephe eğiminin, bina kabuğuna gelen direkt güneş ışınım miktarını değiştirerek binanın ısıtma ve soğutma yüklerini etkileyebileceği açıklanmıştır.
İkinci bölümde; binalarda cephe eğimine bağlı olarak ısıtma ve soğutma enerji yüklerini etkileyen tasarım değişkenleri, kullanıcıya ilişkin parametreler, çevreye ilişkin parametreler ve binaya ilişkin parametreler kapsamında üç ana başlıkta incelenmiştir. Çalışma için seçilen farklı iklim bölgelerine ait tüm değişkenler için güneş ışınımının ve bina formunun önemi vurgulanmıştır.
Üçüncü bölümde; yenilebilir bir kaynak olan güneşten binalarda yararlanma veya korunma ihtiyacını anlamak için güneş ışınımı ve güneş açıları detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Binalarda cephe eğimin açısına bağlı olarak bina kabuğuna gelen toplam güneş ışınımının miktarının hesaplama bilgileri detaylı olarak verilmiştir.  Çalışma için seçilen farklı iklim bölgelerinde bulunan 5 şehre ait yıllık güneş ışınımı dağılımları, yıllık ve aylık ortalama güneş ışınım miktarları karşılaştırılmıştır. 
Dördüncü bölümde; Türkiye'de farklı iklim bölgelerinde bulunan iller için farklı cephe eğimlerine sahip binaların ısıtma ve soğutma yükleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. A/V ( toplam dış yüzey alanı / bina hacmi) oranı sabit olacak şekilde, saydam bileşenin bulunduğu cephenin alanı sabit tutulup, cephe eğim açısı değiştirilerek (9 farklı eğim derecesi ile) 9 farklı bina formu oluşturulmuştur. Tek hacimden oluşan binada saydamlık oranı için 8, yönlendirme için ise 16 farklı seçenek önerilmiş ve hacimler EnergyPlusTM 9.0.1 adlı bina enerji simülasyon programı yardımıyla karşılatırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bina bileşenlerine ait toplam ısı geçirme katsayı değerleri ve bina kabuğu katmanlaşma detayları TS-825 'Bina Isı Yalıtım Kuralları' Standardına göre tavsiye edilen U değerleri dikkate alınarak belirlenmiştir. Ele alınan illeri için farklı yönlere yönlendirilmiş olan hacimde cephenin yer düzlemi ile yaptığı açıya bağlı olarak gerçekleşen ısıtma, soğutma ve toplam enerji yükleri radar grafikler yardımıyla gösterilmiştir. En düşük toplam enerji yükünün gerçekleştiği cephe eğim açısı ile dik (90°) cephenin karşılaştırılması sonucunda ortaya çıkan toplam ısıtma ve soğutma enerji yükü farkı grafikler yardımıyla karşılaştırmalı olarak açıklanmıştır.
Çalışmanın son bölümü olan beşinci bölümde; farklı cephe eğimlerine sahip olan tek hacimli binaya ait ısıtma ve soğutma yüklerinin sonuçları değerlendirilmiştir. Tasarım aşamasında, pasif tasarım kriterlerinden olan bina formunun geometrik bir özelliği olan cephe eğimi ile toplam enerji yüklerinin azaltılabileceği ve değerlendirilen konunun daha kapsamlı çalışmalar ile desteklenmesiyle enerji etkinlik açısından daha detaylı verilere ulaşılabileceği vurgulanmıştır.

Abstract:
The available sources on the earth are diminishing day by day due to rapid increase of the total energy consumption at worldwide. As a result, the significance of energy saving projects is increased considerably. The rapid increase on population and industrial growth result in fast urbanization. Fast urbanization triggers the numbers of the newly constructed buildings that causes a higher demand on total energy consumption. The big portion of the energy consumption belongs to heating and cooling requirements to establish the required comfort standards in buildings. Energy efficient projects on buildings are required to offer a sustainable future since the construction sector takes a big pie from the total energy consumption. Therefore, the energy efficient design decisions based on climate regions have a significant importance on the improvement of internal comfort standards while reducing the necessity of mechanical systems at the initial design stage of a building.
The changing necessities to establish the demanded comfort standards in buildings are caused by asynchronous occurrence order of heating and cooling periods at different climate regions. One of the prior aim is benefiting from passive systems, and providing the possible minimum energy consumption during the design stage of a building while maintaining the comfort standards of the building users. As a result, Building settlement, building direction, gaps between adjacent buildings, form and facades of buildings are important parameters to evaluate energy consumption performance. Thus, the mentioned parameters should demonstrate a harmony with the climate of the subjected region. Building form is one of the significant parameters that defines the gained benefit from solar radiation or protection. Building form definition depends on geometric components such as form factor, building height, roof type and inclination, facade slope. A change on the facade inclination, which is a subset of the above-mentioned geometrical parameters for building form, changes the amount of the solar radiation on the building envelope -composed of transparent and opaque elements- that affects the cooling and heating loads. Solar radiation heats passively interior environment by reaching building envelope, and the amount of the heating loads are reduced as a consequence. However, solar radiation on building envelope can cause extreme solar gains and increases cooling loads with the effects of transparent elements during the cooling period. Therefore, optimization of facade inclination, transparency ratio and building direction by considering climate regions are important to reduce energy loads for gaining benefit from solar radiation or protection.
In this study, 9 different building form choices ( with 9 different inclination angle) are proposed by changing facade inclination while keeping a constant facade area with a stable A/V- (total external facade/building volume)-ratio for 5 distinct provinces located in different climate regions in Turkey (İstanbul, Diyarbakir, Ankara, Erzurum, Antalya). Since, the direction of building facade is one of the major functions for the heat gained from solar radiation amount; the direction of a building will have significant effect on the heating and cooling loads at interior space of a building. Therefore, in this study, 16 different direction state is determined to evaluate heating and cooling loads by considering the effects of building direction for buildings with inclined facades. Transparency ratio of building envelope affects the transmitted solar radiation amount; thus, this ratio can be employed to measure interior air and surface temperature heat. 8 different transparency ratios are determined for the subjected building within this study. An energy simulation program is employed to demonstrate the changes on cooling and heating loads for different inclined facades, building directions and transparency ratios, and it is aimed to produce different alternatives for reducing total energy loads in buildings by using the above-mentioned parameters that are obtained from the energy simulations.
This study is composed of 5 main sections. In the first section, an evaluation on diminishing energy sources is presented, and subsequently, the harmful effects of increasing energy demand on environment are elaborated. The importance of an energy efficient building design is highlighted since conventional buildings are one of the biggest consumers of energy supply. The existing studies on facade inclination angle-which is a geometrical feature of building form and it is a passive design parameter- are summarized, and application fields of this parameter are demonstrated in Section1. 
It is explained that the slope of the facade can adjust the heating and cooling loads of the building by changing the amount of direct solar radiation coming to the building envelope.
In Section 2, subsections are divided into 3 parts, to present different parameters in which are effective on facade inclination of a building. These parameters are as the following: i) consumer-related, ii) environmental-related iii) building-related ones. The importance of solar radiation and building form for all variables of different climate regions selected for the study was emphasized.
In Section3, solar radiation and solar angles are explained in detail to understand the need of solar benefit or protection in buildings that caused from-a renewable source- the Sun. The calculation of total solar radiation amount that reaches building envelopes-in which depended on facade inclination angle on buildings-is given in detail. The annual solar radiation distributions and monthly solar radiation amounts are compared for the above-mentioned 5 provinces that are located on different climate regions in Section 3.
In Section 4, the effect of different inclined facades on heating and cooling loads of buildings are investigated for distinct provinces that are located on different climate regions in Turkey. 9 different building form choices (with 9 different inclination angle) are designed by differentiating facade inclination while preserving a constant facade area with a stable A/V- (total external facade/building volume)-ratio.
 The analyses based on a single volume building are compared for 8 different transparency ratio choices, and these analyses are rerun for 16 different building directions by employing EnergyPlus TM 9.0.1 program for all simulations. Overall heat transfer coefficient values and building envelope details of the building components have been determined by taking into consideration the U values recommended according to TS-825 ' Thermal Insulation Requirements for Buildings Standard. The total heat loads based on the above-mentioned single volume building-that are calculated by considering the angle between the earth surface and building facade- are illustrated and compared by the graphs for different building directions on different provinces. In these graphs, the difference of total heating and cooling loads are indicated by comparing the inclination angle that causes the lowest total energy load and the oblique (90°) angle for the facade of the single volume building. 
The last section of the study (Section5), the results of heating and cooling loads are evaluated for different inclination angles of the single volume building. It is demonstrated that facade inclination angle-which is a geometrical feature of building form and which is one of the passive design criteria be optimized during the design stage of a building to reduce total energy loads. The aforementioned design parameters are studied, and the employed examples for 5 distinct provinces for different climate areas are elaborated in more detail to contribute the state of the art in this research field within this study.