Polikarbonat panel ve cam cephelerin enerji performanslarının ofis yapısı örneği üzerinden simülasyon yöntemiyle değerlendirilmesi
Evaluation of energy performance of polycarbonate panel and glass facades by simulation method on the example of office building
Yazar: FİLİZ İREM MEMİŞOĞLU
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Yapı cepheleri tarihsel süreç boyunca geçmişten günümüze transparanlaşmaktadır. Cephelerdeki bu dönüşümde bilim ve teknolojiyle hızla gelişen malzeme biliminin etkisi büyüktür. Diğer taraftan günümüzde hemen her alanda en önemli konu başlıklarından birisi enerji korunumudur. Yapılar dünya üzerinde tüketilen toplam enerjinin oldukça büyük bir kısmından sorumludur. Transparan yapı cepheleri ise, binalarda enerjinin en çok kazanıldığı ya da kaybedildiği elemanlar oldukları için yapıların enerji performansı üzerindeki etkisi büyüktür. Bu noktada transparan yapı cephelerinin enerji performansları önem kazanmaktadır. 
Bu araştırmanın amacı; yapı cephelerinde tarih boyunca saydam yapı malzemesi olarak kullanılan cam malzeme ile oluşturulmuş cam cepheler ile son yıllarda alternatif/yenilikçi transparan cephe malzemesi olarak üretilen polikarbonat paneller ile oluşturulmuş cephelerin iç mekan konfor koşullarından olan enerji ve ışık geçirgenlik performanlarının incelenmesi ve malzemelerinin üstün ve zayıf özelliklerinin değerlendirilmesinin yapılmasıdır. 
Çalışma kapsamında yapı cephelerinde kullanılan malzemelerin tarihsel süreçteki saydamlaşmasına vurgu yapılarak, inceleme konusu olan iki malzeme detaylı literatür taraması ile tanıtılmıştır. Malzemelerin zayıf ve güçlü yönleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. İç mekan konfor koşullarından ısıl ve görsel konfor sağlama analizleri ile enerji değerlendirmeleri Design Builder Bina Enerji Simülasyon programı aracılığıyla yapılmıştır. Değerlendirmeler enerji tüketiminde yüksek pay sahibi olan ofis yapıları üzerinden ele alınarak; İstanbul'da bulunan örnek bir ofis yapısı Design Builder programında modellenmiştir. Modellenen yapının cam cepheli olduğu durum ile polikarbonat panel cepheli olduğu durum olmak üzere iki grup için toplam yedi farklı alternatif üzerinden enerji analizleri yapılmıştır. 
Değerlendirmeler yapılırken malzemelerin, Isıl Geçirgenlik Değeri olan U değeri, Güneş Isı Kazanç Katsayısı olan SHGC değeri ve Gün Işığı Geçirgenlik Değeri olan VT değerleri dikkate alınmıştır. Değerlendirmeler 2022 yılı üzerinden yapılmıştır. En sıcak gün kabul edilen 21 Temmuz günü için saatlik ve günlük olarak soğutma yükü analizleri, en soğuk gün kabul edilen 1 Ocak günü için saatlik ve günlük olarak ısıtma yükü analizleri, günlük en kısa aydınlanma süresine sahip olan 21 Aralık günü üzerinden aydınlatma yükü değerlendirmeleri ve yıllık toplam enerji tüketim değerlendirmeleri şeklinde yapılmıştır. Yapılan simülasyonlarda çıkan sonuçlar tablolar ve grafikler halinde aktarılmıştır. Sonuçlar üzerinden malzemelerin ışık geçirme değerleri ile enerji kazançları arasında ve aydınlatma yükleri ile ışık geçirme değerleri arasındaki ilişkiler grafikler çizilerek gösterilmiştir.
Malzemelerin üretim aşamalarında yapılan değişiklikler ve ikincil işlemler sayesinde, tüm alternatiflerde performans gelişimi izlenmiştir. Yıllık toplam enerji tüketim yükleri üzerinden incelendiğinde PC-I'e kıyasla PC-II %8,9 oranında, PC-III ise %13,1 enerji tasarrufu sağlamıştır. Benzer şekilde en zayıf performans gösteren PC-I değerlendirmede başlangıç noktası kabul edildiğinde G-I %11 oranında, G-II %16,7 oranında ve G-III ise %16,3 oranında enerji yüklerinden tasarruf ederek performanslarını geliştirmişlerdir. 
Malzemelerin performansları kendi grupları içerisinde tutarlı dağılım göstermektedir. Polikarbonat panellerde malzemelerin ışık geçirgenlikleri ile enerji tasarruf performansları arasında ters orantı vardır. Polikarbonat panellerde iç yapılarındaki katmanlaşmaya bağlı olarak malzemenin VT değeri düştükçe enerji performansı artmaktadır, bu durumda kullanılacak mekanın ihtiyaçlarına uygun alternatifin seçilmesi en doğrusu olacaktır.
Her iki malzeme için de birim hacim ağırlıkları değişkenlik göstermekle birlikte, polikarbonat paneller camların yarısı hafifliktedir. Polikarbonatların birim hacim ağırlığının çok düşük olması özellikle ülkemiz gibi yüksek deprem riski taşıyan lokasyonlarda kullanılmasıyla yapı yükünü hafifleterek önemli avantajlar sağlamaktadır.
Polikarbonat paneller tasarımcıların taleplerine göre istenilen renk ve şekillerde kolaylıkla üretilebilmektedir. Nakliye ve montaj süreçleri camlara kıyasla kolaydır. Ayrıca iyi derecede ses yalıtımı sağlarlar. Sayılan tüm bu özellikler polikarbonatların gün geçtikte daha çok talep görmesini ve malzemenin ar-ge çalışmalarının  hızla devam ederek gelişmiş performansta yeni alternatiflerinin üretilmesini beraberinde getirmektedir. 
İki malzemenin de zayıf ve güçlü yanları vardır. Değerlendirmesi yapılan alternatiflerden yalnızca birisini öne çıkartmak doğru bir yaklaşım olmayacaktır. Mekanın, zamanın ve kullanıcının ihtiyaçları bir arada değerlendirilerek uygun malzeme seçimini yapmak en iyi sonucu verecektir.

Abstract:
Building facades have been becoming transparent from past to present throughout the historical process. In this transformation of facades, science and technology and rapidly developing material science have a great impact. On the other hand, one of the most important topics in almost every field today is energy conservation. Buildings are responsible for a large portion of the total energy consumed in the world. Transparent building facades, on the other hand, have a great impact on the energy performance of buildings as they are the elements where the most energy is gained or lost in buildings. At this point, the energy performance of transparent building facades gains importance. 
Nowadays, transparent facade elements, especially glass, have ceased to be just elements that provide a minimum level of light into the building, and have turned into elements that play a decisive role on the building from the design stage as the building envelope, and often even determine the characteristics of the building.  Aesthetic concerns in design and rapidly developing technology have a great impact on this situation. Thanks to technology, transparent building materials with improved performance properties continue to be developed day by day without compromising transparency.
Today, when the world's resource consumption is at its peak, energy conservation is one of the most important topics of discussion in every aspect. Buildings have a large share in the world's energy consumption. From this point of view, almost every element of buildings should be selected and designed very carefully. As an important element of buildings, building facades have become one of the most important components in energy conservation in buildings, as it is the component of a building where most heat is lost in winter and most heat is gained in summer.
As a result of the changes that have emerged over time in both the principles of space construction and the building envelope that carries / covers / separates the constructed spatial order, it has brought about the rapid spread of buildings with almost completely transparent building shells today. Developing technology responds rapidly to the increasing transparency demands of designers, and as a result, the number of buildings with transparent facades is increasing in our country as well as all over the world.
In addition to having a determining effect on indoor comfort conditions, building shells play a very effective role in the gain and loss of energy in buildings. For this reason, transparent facades, which are widely used today, have been the determining subject of this research.
Transparent surfaces are very important in determining the quality of comfort in buildings. Transparent surfaces are more permeable to heat gain and loss than other building elements. Therefore, the most energy gain and loss situations occur on transparent facades. In cases where the appropriate material selection is not made for the facade, the energy loads spent for heating the building in winter or cooling the building in summer increase significantly. Similarly, in cases where the interior space does not receive enough natural light, energy loads increase due to the use of artificial lighting, and vice versa, uncontrolled daylighting negatively affects comfort conditions by causing glare problems. Since it will be difficult to correct such negative situations later, appropriate material selection and energy load calculations should be made during the design phase of the buildings.
The aim of this research is to examine the energy and light transmittance performances of the facades formed with glass material, which has been used as a transparent building material throughout history in building facades, and the facades formed with polycarbonate panels produced as alternative / innovative transparent facade material in recent years, and to evaluate the superior and weak properties of the materials.
Within the scope of the study, the transparency of the materials used in building facades in the historical process is emphasized and the two materials that are the subject of investigation are introduced with a detailed literature review. Weaknesses and strengths of the materials are analyzed comparatively. Thermal and visual comfort analyses and energy assessments were made through the Design Builder Building Energy Simulation program. A sample office building in Istanbul was modeled in the Design Builder program by considering office buildings, which have a high share in energy consumption. A total of seven different alternatives were analyzed for two groups, one with glass facades and the other with polycarbonate panel facades.
While making the evaluations, U value which is the Heat Transmittance Value, SHGC value which is the Solar Heat Gain Coefficient and VT value which is the Daylight Transmittance Value of the materials were taken into consideration. Assessments were made over the year 2022. Hourly and daily cooling load analyses for July 21, the hottest day, hourly and daily heating load analyses for January 1, the coldest day, hourly and daily heating load analyses for December 21, the day with the shortest daily illumination period, and total annual energy consumption assessments. The results of the simulations are presented in tables and graphs. The relationships between the light transmittance values of the materials and energy gains and between lighting loads and light transmittance values are shown by drawing graphs.
Due to the changes made in the production stages of the materials and secondary treatments, performance improvement was observed in all alternatives. When analyzed in terms of total annual energy consumption loads, PC-II saved 8.9% and PC-III saved 13.1% compared to PC-I. Similarly, when the poorest performing PC-I is taken as the starting point in the evaluation, G-I improved its performance by saving 11%, G-II by 16.7% and G-III by 16.3% of energy loads. 
The performances of the materials show a consistent distribution within their groups. In polycarbonate panels, there is an inverse correlation between the light transmittance of the materials and their energy saving performance. In polycarbonate panels, energy performance increases as the VT value of the material decreases due to the layering in their internal structure, in this case, it would be best to choose the alternative suitable for the needs of the space to be used.
Polycarbonate panels can be easily produced in desired colors and shapes according to the demands of designers. Transportation and assembly processes are easy compared to glass. They also provide good sound insulation. All these features make polycarbonates more and more in demand day by day and the R&D studies of the material continue rapidly and new alternatives with improved performance are produced.
Although unit volume weights vary for both materials, polycarbonate panels are half the weight of glass. The very low unit volume weight of polycarbonates provides significant advantages by lightening the building load, especially when used in locations with high earthquake risk such as our country.
Both materials have weaknesses and strengths. It would not be the right approach to emphasize only one of the alternatives evaluated. Choosing the appropriate material by evaluating the needs of the space, time and user together will give the best result.