Kayseri mahallesinde yer alan özgün taş bina kabuğunun enerji korunumu açısından higrotermal analizi ve iyileştirme önerileri
Hygrothermal analysis and improvement recommendations in terms of energy conservation of the original stone building envelope in Kayseri neighborhood
Yazar: TUĞBA YILDIZ
Danışman: PROF. DR. LEYLA TANAÇAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Mimarlık = Architecture

Özet:
Tarihi yapı mirasının iklim değişikliği nedeniyle maruz kaldığı zorluklara karşı, binaların dayanıklılığı ve enerji verimliliğinin artırılmasına yönelik çalışmalar son yıllarda önem kazanmıştır. Bu çalışmada, korunarak günümüze ulaşmış kültürel mirası sürdürülebilirlik açısından geleceğe aktarmak için kabuk bazında higro-termal enerji performansı analizi yapılmıştır. 
Çalışma alanı olarak Kayseri kentsel sit alanı içerisindeki Tavukçu Mahallesi belirlenmiştir. Analiz için birinci derece koruma bölgesinde bulunan Camcıoğlu Konağı seçilmiştir. 19.yy. sivil mimari örneği olan Camcıoğlu Konağı 2007 yılında restore edilmiştir. Halihazırda ofis olarak kullanılmakta olan konak, bodrum, zemin ve zemin üstü kat olmak üzere toplam üç kattan ibarettir. Binada teras çatı mevcuttur. Bulunduğu sokakta yapılaşma bitişik nizamdadır. 
Tarihi konağın ısı ve nem kontrolü açısından kabuk performansı analizi için WUFI Plus simülasyon yazılımı kullanılmıştır. WUFI Plus yazılımı, Fraunhofer Institute of Building Physics tarafından geliştirilen bina kabuğunda ısı ve nem geçişini hesaplayan bütünsel bir modeldir. Bütünsel performans modellemesi, tüm bina kabuk sistemlerini, iç ve dış ortam çevresel yükleriyle ve HVAC (Heating, ventilation, and air conditioning) sistemleriyle birleştirmiştir. Bina kabuğundaki buhar difüzyonu, sıvı akışı ve ısı aktarımı için birleştirilmiş ısı ve kütle geçişi, modelin güçlü bir özelliğidir. Model simülasyon sonuçları, kapsamlı saha ve laboratuvar deneylerinin verileriyle ve diğer simülasyon yazılımlarıyla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. 
Kabuk performans analizi için ilk olarak tarihi binanın restorasyon projesi esas alınarak, Skech Up programında üç boyutlu hale getirilmiş ve Wufi Plus simülasyon yazılımına aktarılmıştır. Her bir yapı elemanı (duvarlar, pencere, döşemeler, çatı) için binanın restorasyon projesine uygun malzemeler atanmıştır. Atama yaparken Wufi malzeme veri tabanındaki her malzeme için tanımlı birim hacim ağırlık, porozite, özgül ısı kapasitesi, ısıl iletkenlik, su buharı difüzyon direnç faktörü değerleri dikkate alınmıştır. İklim dosyası kullanıcı tanımlı olarak, Kayseri ili için Meteoroloji Genel Müdürlüğünden alınmış verilerle oluşturulmuştur. İklim dosyasında sıcaklık, bağıl nem, rüzgar yönü ve hızı, yağış, küresel güneş radyasyonu, dağınık güneş radyasyonu, bulutluluk verileri saatlik olarak kullanılmıştır. Sadece dağınık güneş radyasyonu verisi Fraunhofer Enstitüsünden temin edilmiştir. 
Çalışmada, binada bulunan her bir iklimlendirme bölgesindeki:
-	İç dış sıcaklık durumu
-	Isıtma ve soğutma yükü 
-	Isı akışı 
-	Isı kazancı ve ısı kaybı 
-	İç dış nem durumu
-	Nemlendirme ve nemsizleştirme yükü 
-	Nem akışı 
-	Küf indeksi ve nem içeriği 
-	Hava akışı 
-	PMV - PPD 
-	CO2 konsentrasyonu 
-	Güneş radyasyonu ve güneş kazanımı 
-	Konforlu Hava sıcaklığı 
yapı elemanlarındaki:
-	Ortalama sıcaklık 
-	Ortalama bağıl nem
-	Isı kazancı ve kaybı
-	U etkinlik değerleri    
analiz edilmiştir. 
Çalışmada yapılan analiz sonunda, birinci derece koruma bölgesinde bulunan Camcıoğlu Konağı kabuğunun, özgün tasarımına ve kullanım amacına uygun olarak yeniden kullanımı için, higro-termal performansının yeterli olup olmadığı hakkında değerlendirme yapılmıştır. Ardından tarihi özgün taş bina kabuğunun iyileştirilmesi için kabuk alternatifleri üretilmiş ve tarihi yapının higrotermal performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Kabuk iyileştirme için geliştirilen önerilerin ısı kayıplarını azalttığı, ancak buhar bariyerli taşyünü hariç arayüzde yoğuşmayı önleyemedikleri sonucuna varılmıştır. Bunun nedenin buhar bariyerli taş yünü yalıtımlı duvar alternatifinin, yüksek buhar difüzyon değerine sahip buhar bariyeri katmanı olduğu sonucuna varılmıştır. Tek başına taş yünü yalıtım uygulamasındaki küf indeksi değerinin çok yüksek çıkması bunun ispatıdır. Buhar bariyeri taş yünü uygulaması ile yoğuşma önlense de duvarın ısı geçirme katsayısı olan (U) değeri TS 825'de verilen maksimum değerin altına çekilememiştir.
 Genel olak önerilen duvar alternatiflerinin mevcut duvarın ısı geçirme katsayısı (U) değerini iyileştirdiği ancak TS 825'de verilen maksimum değerin altına indiremedikleri sonucu elde edilmiştir. Mevcut duvarın ısı geçirme katsayı (U) değerini, TS 825 U değeri standartına uygun hale getiren sadece XPS yalıtımlı duvar önerisi olmuştur. Dolasıyla ısı kaybını en yüksek oranda (%80) azaltan duvar önerisi de XPS yalıtımlı duvardır. XPS uygulaması ile buharın dışarı atılamamasından kaynaklanan duvarın iç yüzeyinde oluşacak küf oluşumuna rastlanmıştır. 
Kapiller aktif yalıtımlar arasında en iyi iyileşme sonucu veren alternatif AAC 100 mm gazbeton yalıtımlı duvar olmuştur. Ancak 100 mm bir kalınlığa sahip olması, yoğuşmayı engelleyememesi, mevcut duvarı istenilen U değerine taşıyamaması göz önünde bulundurulmalıdır. Genel olarak tüm yalıtım alternatiflerinde ısı kaybını azaltma açısından bakıldığında içi alçı kaplı duvardaki iyileşmelerin içi ahşap kaplı duvara göre daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Emprenye uygulamasının, taşın su emme katsayısının düşük olmasından dolayı, alternatifler üzerindeki etkisinin azımsanacak seviyede olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In recent years, efforts to increase the resilience, envelope retrofit, and energy efficiency of buildings have gained importance against the difficulties that historic building heritage is exposed to due to climate change. In this study, hygrothermal energy performance analysis was carried out on the basis of envelope in order to transfer the preserved cultural heritage to the future in terms of sustainability.
As the study area, Tavukçu Neighborhood in Kayseri urban protected area was determined. Camcıoğlu Mansion, located in the 1st degree protection zone, was chosen for the analysis. 19th century Camcıoğlu Mansion, an example of civil architecture, was restored in 2007. The mansion, which is currently being used as an office, consists of a total of three floors, the basement, the ground floor and the above ground floor. The building has a terrace roof. On the street where it is located, the construction is adjacent.
WUFI Plus simulation software was used to analyze the envelope performance of the historic consruction in terms of temperature and humidity control. WUFI Plus software is a holistic model developed by the Fraunhofer Institute of Building Physics that calculates heat and moisture transfer in the building envelope. Holistic performance modeling combined all building envelope systems with indoor and outdoor environmental loads and HVAC systems. Combined heat and mass transfer for vapor diffusion, fluid flow and heat transfer in the building envelope is a strong feature of the model. Model simulation results have been validated by comparison with data from extensive field and laboratory experiments and other simulation software.
For the envelope performance analysis, firstly, based on the restoration project of the historical building, it was made three-dimensional in the Skech Up program and transferred to the Wufi Plus simulation software. For each component (walls, windows, floors, roof) materials suitable for the restoration project of the building have been assigned. While making the assignment, bulk density, porosity, specific heat capacity, thermal conductivity, water vapor diffusion resistance factor values defined for each material in the Wufi material database were taken into account. The climate file was created with user-defined data from the General Directorate of Meteorology for the province of Kayseri. In the climate file, hourly data on temperature, relative humidity, wind direction and speed, rain, global solar radiation, diffuse solar radiation, cloudiness are used.
In the study, in each air conditioning zone in the building:
-	Indoor outdoor temperature condition
-	Heating and cooling load 
-	Heat flow
-	Heat gain and heat loss 
-	Indoor external humidity condition
-	Humidification and dehumidification load 
-	Moisture flow
-	Mold index and moisture content 
-	Air flow 
-	PMV - PPD 
-	CO2 concentration 
-	Solar radiation and solar gain 
-	Comfortable Air temperature 
In building elements:
-	Mean temperature 
-	Mean relative humidity
-	Heat gain and loss 
-	U value
analyzed. In addition, the minimum, maximum and mean temperature and moisture content analysis of each material in the component were made. 
At the end of the analysis made in the study, an evaluation was made about whether the hygrothermal performance of the Camcıoğlu Mansion envelope, which is in the 1st degree protection zone, is sufficient for reuse in accordance with its original design and intended use. Then, envelope alternatives were produced to rehabilitate the historical original stone building envelope and the effects on the hygrothermal performance of the historical building were examined. 
It was concluded that the suggestions developed for envelope improvement reduced heat losses, but they could not prevent interstitial ccondensation, except for rockwool with vapor barrier. It has been concluded that the reason for this is the vapor barrier layer with high vapor diffusion value of the stone wool insulated wall alternative with vapor barrier. The fact that the mold index value in the stone wool insulation application is very high alone is proof of this. Even though condensation was prevented by the vapor barrier stone wool application, the thermal transmittancevalue of the wall could not be lowered below the maximum value given in TS 825. Only the U values of the stone wool and vapor barrier stone wool application and accordingly the heat loss reduction rates were close to each other.
In general, it was concluded that the proposed wall alternatives improved the thermal transmittance (U) value of the existing wall, but could not reduce it below the maximum value given in TS 825. It was only the XPS insulated wall proposal that made the thermal transmittance (U) value of the existing wall comply with the TS 825 U value standard. Therefore, the wall recommendation that reduces the heat loss at the highest rate (80%) is the XPS insulated wall. The possibility of mold index on the inner surface of the wall due to the inability to evacuate the steam with the XPS application was found in the results.
Among the capillary active insulations, the alternative that gave the best improvement result was the AAC 100 mm autoclaved aerated concrete insulated wall. However, the consequences such as having a thickness of 100 mm, not being able to prevent condensation, not being able to carry the original wall to the desired U value should be taken into consideration. In general, in terms of reducing heat loss in all insulation alternatives, it was concluded that the improvements in the plaster-covered wall were higher than the wooden-covered walls. It has been concluded that the effect of the impregnation application on the alternatives is negligible due to the low water absorption coefficient of the stone.
Due to the capillary properties of the capillary active insulation alternatives, steam and water flow from the inside to the outside and from the outside to the inside has been possible. However, due to the insulation's inability to reduce the heat flow sufficiently, condensation occurred at the stone and insulation interface that forms the wall body. Although such materials allow the water formed by this condensation to be carried in and out and dried thanks to their capillary feature, the relatively low capillary water absorption coefficient of the wall material chosen in this study kept the outward evaporation relatively limited; Evaporation towards the indoor environment was insufficient. There are only a few examples showing the positive effect of the applicability of capillary active insulation materials on the inner surface on the hygrothermal performance. Other conditions that affect my success, Capillarity coefficients of the materials in the wall section, their thickness, whether the wall is under the influence of rain can be counted. As a matter of fact, examples of capillary active insulation materials have been developed by adding components such as Polyurethane (PUR), vacuumed insulation (VIP) materials with higher thermal resistance in order to show better thermal properties without compromising the capillary active behavior. However, in the studies, it was observed that these samples were less vapor permeable, as expected. Examples have been developed by adding components such as vacuumed insulation (VIP) materials. However, in the studies, it was observed that these samples were less vapor permeable, as expected. Examples have been developed by adding components such as vacuumed insulation (VIP) materials. However, in the studies, it was observed that these samples were less vapor permeable, as expected.