Yüksek yapılarda bütünleşik rüzgar türbinlerinin örnek yapılar üzerinden irdelenmesi
Examination of tall building integrated wind turbines through example structures
Yazar: ALİ RIZA İLHAN
Danışman: PROF. DR. AYŞİN SEV
Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Dünya genelinde birçok farklı bölgede meydana gelen nüfus artışı ve endüstrileşme kentsel nüfusun çok hızlı bir şekilde artmasına neden olmuştur. Mevcutta var olan yapı stoğu ve imara açık yapı alanları konut ihtiyacını karşılamada yetersiz kalınca, düşey yükselme kaçınılmaz bir sonuç olarak karşımıza çıkmıştır. Bu doğrultuda yüksek yapı kavramı, yapı endüstrisinde bu sorunun çözümü olma noktasında çok önemli bir konuma gelmiştir. Günümüzde yapı sektöründeki teknolojik gelişmelerin sağladığı imkanlar ile birlikte yüksek yapıların gelişimi devam etmiştir. Yapı yükseklik ve boyutlarındaki artış sürekliliğini korumuştur. Aynı zamanda artan nüfus, endüstrileşme ve kentleşme ile birlikte enerji tüketim oranları ve karbon salımı da artış göstermiştir. Bu hızlı değişim küresel ısınma, iklim değişikliği ve enerji kaynaklarının tükenmesi gibi çevresel sorunların ortaya çıkmasında etkili olmuştur. Yüksek enerji tüketimi oranları ve çevresel etkileri ile yapı sektörü bu çevresel sorunların oluşumunda önemli bir konumda bulunmaktadır. Çevre sorunlarının ve enerji ihtiyacının önem kazandığı ortamda yüksek enerji tüketimi ve çevresel etkileri nedeniyle yapı sektörü de  yüksek yapılar da karbon salımlarını azaltmaya, fosil kaynak kullanımını azaltarak, yenilenebilir enerji kaynaklarından yerinde enerji üretimine yönelik çözümler büyük önem taşımaktadır. Bu noktada yüksek yapılarda yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisinin kullanımı büyük potansiyel içermektedir. Yükseklik ile rüzgar enerjisinden alınan verimin artması, yapı bütünleşik rüzgar türbinlerinin yüksek yapılarda kullanımını diğer yapı türlerine göre daha önemli hale getirmektedir. Bu çalışmada literatür araştırması ve karşılaştırmalı analiz yöntemlerinden yararlanılarak, yapılmış olan yapı bütünleşik rüzgar türbinleri doğrultusunda, tasarımları ile sağlanan avantajlar ortaya koyulmuştur. 

Çalışmanın giriş bölümü; problemin tanımı, çalışmanın amacı, çalışmanın yöntemi, kapsam ve sınırlamalar alt başlıklarından oluşmaktadır.

Yüksek Yapı ve Enerji İlişkisi başlıklı ikinci bölümde; öncelikle yüksek yapı tanımı ve yüksek yapının özellikle Endüstri Devrimi ile tarihsel süreçteki gelişimi açıklanmıştır. Yüksek yapı örnekleri incelenmiştir. Yüksek yapılarda enerji tüketimi araştırılmış, yüksek yapılar ile daha düşük kat adedine sahip yapıların enerji tüketim oranları karşılaştırılmıştır. Devamındaki alt başlıklarda rüzgarın oluşumu ve temel özellikleri, hızını etkileyen faktörler, Dünya'da ve özel olarak Türkiye'de rüzgar enerjisi potansiyeli üzerinde durulmuştur. Rüzgarın sağladığı olanaklar dikkate alınarak, yüksek yapılarda rüzgar enerjisinden yararlanma konusunda pasif ve aktif tasarım stratejileri  incelenmiştir. Devamında, rüzgar tüneli testlerinin önemine işaret edilmiştir. Rüzgar tüneli testlerinin inşaat alanındaki uygulamaları yapılar üzerindeki rüzgar etkilerinin ve rüzgarın çevre üzerindeki etkilerinin hesaplanmasına yönelik faydaları ortaya koyulmuştur. Bu bölümün devamındaki Yapı Bütünleşik Rüzgar Türbinleri başlığı altında; rüzgar türbinlerinin tarihçesi açıklanmış ve sınıflandırılması yapılmıştır. Yapı bütünleşik rüzgar türbinleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Yeni tasarım stratejilerinin belirlenmesinde büyük katkı sağlayacağından ötürü, var olan yapı ile bütünleşik yüksek yapı örneklerinin sınıflandırılması yapılmıştır. Yeni tasarım stratejilerine değinilmiştir.

Rüzgar Türbinlerinin Kullanıldığı Yüksek Yapı Örnekleri başlıklı üçüncü bölümde ise; ABD, Bahreyn, Çin ve İngiltere' de 2008-2015 yılları arasında yapımı tamamlanmış olan; yapı bütünleşik rüzgar türbinlerine sahip yüksek yapılar incelenmiştir. Çalışmada; Bahreyn Dünya Ticaret Merkezi, Twelve West Kulesi, Kinetica Kulesi, Hess Kulesi, Strata Kulesi, San Francisco Kamu Hizmetleri Komisyonu Genel Merkezi, Pearl River Kulesi, Şanghay Kulesi yapılara ait mimari özelliklerin ve kullanılan yapı bütünleşik rüzgar türbini stratejilerinin ortaya çıkarılması öncelikli hedef olmuştur. Seçilen bu yapılar bulundukları coğrafi konum, yapım yılları, fonksiyonları, kat adetleri, rüzgar türbini adetleri, rüzgar türbinlerinin yapıda bulunduğu konumlar, rüzgar türbinlerinin çeşitleri, yapının taşıyıcı sitemi, yapının kütle adedi, yapının bulunduğu iklim kuşağı ve rüzgar hızı gibi değişkenler doğrultusunda dikkate alınarak incelenmiştir. 

Örneklerin Karşılaştırılması başlıklı dördüncü bölümde ise; birbirlerinden çok farklı boyut, form ve yüksekliğe sahip olan bu yapılar yapıların fonksiyonları, yükseklikleri ile tercih edilmiş olan yapı bütünleşik rüzgar türbinleri ve bu türbinlerin yapıdaki konumları dikkate alınarak kullanmış oldukları yapı bütünleşik rüzgar türbini tasarım stratejileri karşılaştırılmıştır. Bu doğrultuda yapı bütünleşik rüzgar türbini tasarım stratejilerinin belirlenmesinde bu değişkenlerin önemi vurgulanmıştır. Doğru tasarım stratejileri ile elde edilen verimin arttırılabileceği ifade edilmiştir.

Çalışmada ele alınan yüksek yapılarda yer alan yapı bütünleşik rüzgar türbini tasarımları ile yerinde enerji üretimi yanında taşıyıcı elemandan da tasarruf sağlanmasına olanak tanımaktadır. Sürdürülebilir temiz enerjinin yanı sıra bu yeni teknolojilerin kullanımı tasarımcılara da yeni olanaklar sağlayacaktır. Yapı bütünleşik rüzgar türbinleri tüm bu faydalarının yanında yenilenebilir enerji ve enerji tasarrufu konusunda toplumsal bilincin oluşmasına da katkı sağlayacaktır.

Abstract:
Population growth and industrialization occurring in many different regions around the world have caused the urban population to increase very rapidly. When the existing building stock and building areas zoned for hausing were insufficient to meet the housing need, the vertical rise emerged as an inevitable result. In this regard, the concept of high rise building has reached a very important position in terms of being the solution of this problem in the building industry. Today, with the opportunities provided by the technological developments in the building sector, the development of high-rise buildings has continued. The increase in height and dimensions of the building preserved its continuity. At the same time, energy consumption rates and carbon emissions have increased with the increasing population, industrialization and urbanization. This rapid change has been effective in the emergence of environmental problems such as global warming, climate change and the depletion of energy resources. With its high energy consumption rates and environmental effects, the building sector has an important place in the formation of these environmental problems. In an environment where environmental problems and energy needs are vital, solutions for reducing carbon emissions in high-rise buildings in the building sector and for on-site energy generation from renewable energy sources are of great importance due to high energy consumption and environmental effects. At this point, the use of wind energy, which is one of the renewable energy sources in high-rise buildings, has a great potential. The increase in the efficiency from wind energy with the height makes the high-rise buildings integrated wind turbines more important than other building types. In this study, using the literature research and comparative analysis methods, the advantages provided by the designs of the built wind turbines have been revealed.

Introduction part of the study consists of the subheadings of definition of the problem, the purpose of the study, the method of the study, scope and limitations.

In the second chapter titled High Building and Energy Relationship; firstly, the definition of high-rise building and the development of the high-rise building in the historical process, especially with the Industrial Revolution, were explained. High-rise building examples were examined. Energy consumption in high-rise buildings has been investigated, and the energy consumption rates of high-rise buildings and buildings with lower number of floors have been compared. In the following subtitles, the formation and basic features of wind, factors affecting wind's speed, wind energy potential in the world and especially in Turkey are discussed. Considering the possibilities provided by wind, passive and active design strategies for using wind energy in high-rise buildings have been examined. Subsequently, the importance of wind tunnel tests was pointed out. Applications of wind tunnel tests in the field of construction have demonstrated the benefits of calculating the effects of wind on buildings and the effects of wind on the environment. In the next section, under the title of integrated wind turbines; the history of wind turbines has been explained and classified. Building integrated wind turbines have been studied in detail. Since it will make a great contribution to the determination of new design strategies, the classification of high-rise building examples integrated with the existing building has been made. New design strategies are also mentioned in this study.

In the third section titled Examples of High Buildings where Wind Turbines which are constructed in the USA, Bahrain, China and England between 2008-2015 are listed and high-rise structures with building integrated wind turbines have been studied. In the study; Bahrain World Trade Center, Twelve West Tower, Kinetica Tower, Hess Tower, Strata Tower, San Francisco Public Services Commission Headquarters, Pearl River Tower, Shanghai Tower and the architectural features of these buildings are listed with the building integrated wind turbine strategies which have been the primary goal to be revealed in this section. These selected structures have been examined by taking into account variables such as their geographical location, construction years, functions, number of floors, wind turbines, locations of wind turbines, types of wind turbines, carrier system of the building, number of mass of the building, climate zone and wind speed. 

As it is known, the need for on-site electricity generation from renewable energy sources is increasing. In this regard, interest and investments in building integrated wind turbines, which are seen as a solution, are gradually increasing. Globally, support for integrated wind turbine designs is encouraged by governments and international organizations. Despite this demand and support, the need for research and technological development in on-site electrical energy production with wind turbines in the urban areas is still existing. There is still no generally accepted design strategy in building integrated wind turbine design. Therefore, every research and example made contributes to the knowledge in this field. The data obtained by examining and comparing the examples will shed light on future studies and will play a major role in the widespread usage of building integrated wind turbines.

In the fourth section titled Comparison of the Examples; the functions of these structures, which have very different sizes, forms and heights, and the preferred building-integrated wind turbines and the building-integrated wind turbine design strategies used by these examples were compared. In this regard, the importance of these variables in determining building integrated wind turbine design strategies is emphasized. It has been stated that the efficiency obtained can be increased with the right design strategies.

Large energy losses occur during the production and transportation of energy from wind farms. Obstacles such as buildings and trees that can reduce the speed of wind in city centers are no longer a problem for high-rise buildings with design strategies. They have a great advantage in terms of wind energy with their height and on-site generation potential.It is possible to prevent these losses with high structures integrated with the building. The structure included in the high-rise buildings discussed in the study allows saving on the carrier element as well as on-site energy generation with integrated wind turbine designs. In addition to sustainable clean energy, the usage of these new technologies will provide new opportunities for designers. Building-integrated wind turbines will also contribute to the formation of social awareness about renewable energy and energy saving in addition to all these benefits.