Termo bi-metallerin uyum gösteren cepheler bağlamında kullanımı: trombe duvar sistemi gölgeleme bileşeni örneği
The use of thermo bi-metals within the context of adaptive walls: trombe wall system shading component example
Yazar: CEREN TEKİN
Danışman: DOÇ. DR. FETHİYE ECEM EDİS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Son yıllarda artan enerji ihtiyacıyla birlikte fosil yakıt tüketiminin çevreye verdiği önemli zararlar sonucunda; yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim, sürdürülebilirlik, enerji talebinin azaltılması, enerji verimliliği gibi kavramlar öne çıkarılmaya başlamıştır. Yapılarda enerji tüketiminin minimum seviyede tutulması amaçlandığında; enerjinin büyük bir kısmının ısıtma, soğutma ve havalandırma ihtiyaçları nedeniyle harcandığı görülmüştür. 
Türkiye'nin coğrafi olarak avantajlı olduğu göz önünde bulundurulduğunda; güneşten verimli şekilde faydalanılan politikaların izlenmesinin, yapılardaki iklimlendirme kaynaklı enerji harcamalarını azalttığı daha önceki çalışmalardan ve uygulamalardan bilinmektedir. Güneş enerjisinin farklı enerji türlerine çevrilerek kullanılması yaygınlaşmış olsa da, iklimlendirme yüklerini azaltma konusunda yapılan uygulamaların görece sınırlı olduğu görülmektedir.
Çevresel etkenlerin tasarım kararlarına etkili şekilde yön vererek mimariyi biçimlendirdiği noktada ''iklime uyumlu mimarlık (climate adaptive architecture)'' kavramı karşımıza çıkmaktadır. İklime uyumlu mimarlık; iklimsel etkenlerin öncelikli olarak tasarımı biçimlendirmesinin yanı sıra, enerji korunumu ve sürdürülebilirlik kavramları yönünden de önemli bir kinetik yaklaşımdır. Özellikle son yıllardaki iklim değişikliğinin süreklileştiği bölgelerde bu yaklaşımın benimsenmesinin çok daha önemli olduğu görülmektedir.
Binalarda, henüz tasarım aşamasındayken dikkate alınması ve alınacak tasarım kararlarında etkili olması gereken önemli değişkenlerden birisi iklimdir. Çevresel koşulların biçimlendirdiği bu kararlar sayesinde enerji tüketimi büyük ölçüde azaltılabilir. Binanın enerji verimliliğinin büyük ölçüde arttırılmasını sağlayan, iklim unsuru dikkate alınarak planlanan sistemlerden biri ısı depolama sistemleridir. Trombe duvarlar diğer adıyla güneş duvarları, bu bağlamda karşılaşılan dolaylı pasif ısı depolama sistemlerinden biridir. Binaların ısıtma-soğutma giderlerini optimize etmek amacıyla tasarlanan; güneş enerjisinden maksimum seviyede yararlanılması üzerine kurgulanmış bu edilgen sistemin, günümüz mimarisi ve gelişen teknolojik imkanlar sayesinde farklı amaçlara yönelik olarak kullanılabilen farklı türleri de bulunmaktadır.
Şekil hafızalı (shape memory) malzemeler, gelişen teknolojik imkanlar sayesinde son zamanlarda karşılaşılan yenilikçi malzemelerden biridir. Termo bi-metal sistemler de, şekil hafızalı malzeme sınıfı içerisinde yer alan, ısıya duyarlı yenilikçi malzemeler arasındadır. Termo bi-metal malzemeler, iki veya üç farklı metalin levha haline getirilerek birleştirilmesiyle elde edilen; farklı genleşme katsayılarının etkisiyle, ısıya maruz kaldığında bir tarafa doğru kıvrılma hareketi yapan malzemelerdir. Bu malzemelerin çevresel etkenler karşısında kendiliğinden uyarlanabilme özelliğinden yararlanılarak, enerji giderlerinin en aza indirgendiği sistemler düşünülebilir.
Bu bilgiler doğrultusunda, bu çalışmada Trombe duvar sistemleri ele alınmış; bu sistemlerde termo bi-metal malzeme ile kurgulanan iklime uyumlu/ kinetik gölgeleme bileşeni alternatifleri oluşturularak, termo bi-metal malzemenin çeşitli kullanım koşullarında Trombe duvarda oluşturduğu gölgeleme miktarlarına olan etkisi incelenmiştir. 
Bu kapsamda; tezin birinci bölümünde, çalışmanın amacı, kapsamı, yöntemi açıklanmıştır.
İkinci bölümde, cephedeki ısı depolama sistemlerinden biri olan Trombe duvar sistemleri açıklanmış; mimarideki öneminin incelenmesinin yanı sıra değişen çevresel etmenlerle ilişkisi farklı iklim bölgelerindeki çalışma prensipleri ile incelenmiştir. Ayrıca, Trombe duvar sisteminin temel bileşenleri ve sistemin verimine etkilerinin incelenmesine yönelik yapılan çalışmaların sonuçları verilmiştir.
Üçüncü bölümde, yenilikçi bir malzeme olarak şekil hafızalı malzemelerin tanımı yapılmış ve temel özellikleri açıklanmıştır. Şekil hafızalı malzeme olarak termo bi-metal malzemelerin kinetik mimari ile ilişkisi incelenmiş ve bi-metal malzeme detaylı şekilde açıklanmıştır. Bu incelemelerden referans alınarak, temel çalışma bölümü olan dördüncü bölüme geçilmiştir.
Dördüncü bölümde, termo bi-metal ile oluşturulan Trombe duvar gölgeleme bileşeninin tasarımı ve elde edilen değerlendirme sonuçları açıklanmıştır. Gölgeleme bileşeni tasarımı kapsamda, öncelikle incelenecek Trombe sistem için şehir ve referans günler seçilmiş; bu konumun getirdiği iklim verileri ve bazı dış çevre kabulleri belirlenmiştir. Devamında, İzmir ilinde olacağı kabul edilen Trombe sisteme ilişkin değişkenler belirlenmiştir. Gölgeleme bileşeni tipolojilerinden yatay saçak ve yatay güneş kırıcı tipleri seçilerek bu tipler üzerinden çalışmalara devam edilmiş ve ısıtma ve soğutma dönemlerinde istenen açık/kapalı durumları tanımlanmıştır. Daha sonra termo bi-metal türü seçimi yapılarak İzmir ili iklim verileri ve diğer kabuller dahilinde, eş zamanlı yürütülen matematiksel hesaplamalar ve SketchUp programında gerçekleştirilen gölgeleme ön analizleri ile yatay güneş kırıcı alternatifinin geliştirilmesine karar verilmiştir. Seçilen alternatifin geliştirilmesi kapsamında, seçilen iki parametre olan 'gölgeleme modülü genişliği' ve 'modüller arası aralık' için farklı değerler kullanıldığında, ısıtma ve soğutma dönemleri için sırasıyla referans gün olarak belirlenen 31 Aralık ve 11 Ağustos tarihlerindeki Trombe duvarda oluşan gölgeleme miktarları incelenmiştir. Bu inceleme, Rhino, Groshopper ve Ladybug yazılımları/eklentisi kullanılarak yapılmıştır. Değerlendirme için, her iki tarih için bulunan ortalama güneşli alan miktarları dikkate alınarak faydalı olan alternatifler bulunmuştur. Buna göre, ısıtma mevsiminde 10 cm modül genişliğindeki 10 adet modülün; soğutma mevsiminde ise 30 cm modül genişliğindeki 30 adet modülün verimli olacağı görülmüştür. Hem ısıtma hem de soğutma mevsiminde çalışması göz önüne alındığında ise, modül genişliği 20 cm olan 20 cm adet modülün verimli olacağı sonucuna varılmıştır.
Tezin Sonuç bölümünde, termo bi-metal malzemeler gibi yeni teknoloji şekil hafızalı malzemelerin hali hazırda bildiğimiz enerji etkin sistemler ile entegre şekilde kullanıldığında doğurabileceği sonuçlardan bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde detaylandırılan sistem genel hatlarıyla değerlendirilmiş ve sonuçları aktarılmıştır.

Abstract:
In recent years, due to the increasing need for energy and the significant environmental damage caused especially bu the use fossil fuels, the tendency to renewable energy sources highlighted some concepts, which are sustainability, reduction of energy demand and energy efficiency. When it is aimed to minimize energy consumption in buildings, it is seen that most of the energy is spent for heating, cooling and ventilation purposes.
Given that Turkey is geographically advantageous, it is known from previous studies and practices that policies, which make efficient use of the sun, reduce the energy expenditure due heating-cooling in buildings. Although the use of solar energy by converting it to different energy types has become widespread in Turkey, it is seen that the practices on reducing heating-cooling loads are relatively limited
The concept of ''climate adaptive architecture'' appears at the point where environmental factors lead the architecture by effectively influencing the design decisions. Climate adaptive architecture is an important kinetic approach in terms of energy conservation and sustainability concepts. It is seen in recent years that adoption of this approach is more important especially in regions where climate change persists.
One of the important variables that should be taken into consideration and should be effective in building design decisions is the climate. With these decisions shaped by environmental factors, energy consumption can be greatly reduced. One of the systems, which greatly increase the energy efficiency of the building by considering the climate factor, is the heat storage systems. Trombe walls, otherwise known as solar walls are one of the indirect passive heat storage systems that come up in this context. This passive system, which is designed to optimize the heating-cooling costs of buildings and built on the maximum utilization of solar energy,has different types that can be used for different purposes thanks to today's architecture and developing technologies.
Shape memory materials are one of the innovative materials that emerge in this context. Thermo bi-metal systems, which belong to shape-memory material class, are heat-sensitive innovative materials. They are produced by combining two or three different metal sheets. The material bends towards one side when exposed to heat by the effect of different expansion coefficients of metal sheets. By utilizing the self-adaptability of these materials to environmental factors, systems that minimize energy costs can be considered.
In this study, in line with aforementioned information, Trombe systems are considered. In these systems, climate adaptive / kinetic shading component alternatives have been designed by using thermo bi-metal material. The effect of thermo bi-metal material on the shading amount of thrombe wall under various conditions of usage was investigated.
Within the scope of this thesis; in the first chapter, energy usage, energy efficient building design, energy conservation in terms of the principles affecting the Trombe wall design are summarized in general terms; and the purpose, scope and method of the study are explained.
In the second chapter, Trombe systems, which are one of the heat storage systems, are explained. In addition to examining its importance in architecture, its relationship with changing environmental factors has been examined by considering its working principles in different climate regions. The results of the scientific studies on the performance of Trombe walls and their components are given as well.
In the third chapter, as an innovative material, shape memory materials are defined and their basic properties are explained. The relationship between Thermo bi-metal materials as shape memory material and kinetic architecture has been investigated and explained. Based on these reviews, the fourth chapter which is the main study section, has been started.
In the fourth chapter, the design process and evaluation results of the trombe wall shading component are explained. Within the scope of the shading component design, the city and reference days were selected primarily for the Trombe system to be studied. Climatic data and some external environmental assumptions were determined. Afterwards, variables related to trombe system, which is assumed to be in İzmir, were determined. Horizontal overhang and horizontal louver types have been selected from the shading component typologies and studies have been continued on these types and the desired open / closed states during heating and cooling periods have been defined. Then, thermo bi-metal type selection was made and it was decided to develop horizontal louver alternative with the simultaneous mathematical calculations and preliminary shading analysis performed in SketchUp program considering İzmir's climate data and other assumptions. For the shading analysis, December 31 and August 11 were determined as reference days for the heating and cooling periods, and shading amounts were examined graphically.
In the design development stage, parametric analysis studies were conducted. With Rhino, Grasshopper and Ladybug programs/plug-ins, the effects of the width of sun-shading blades and the distance between them on obtaining the desired shading status were examined. The obtained values were compared with that of the classical Trombe system without any shadingfor the aforementioned dates. According to these comparisons it concluded that, when only the heating period (December 31) is considered, the 10 blades with a total width of 10 cm and placed will be efficient; when only the cooling period (August 11) is considered, the 30 blades with a total width of 30 cm each would be efficient. When both heating and cooling periods are considered, it was concluded that the 20 blades with a total width of 20 cm would be efficient.
In this study, thermal behavior of and air movement in trombe system and the conditions to be obtained in the indoor environment due to the movement of the shading component are not examined. The proposed shading component is thought to provide an alternative solution for further studies using computational fluid dynamics. In the future studies, by including the analyses of the performances in the equinox days in addition to the selected dates of December 31 and August 11, the study can be supported with comparative analyzes of four different seasons throughout the year.
In the conclusion part of the thesis, new technology shape memory materials such as thermo-bi-metal materials can be used when integrated with energy efficient systems that we already know. The system detailed in the fourth section is evaluated in general terms and the results are explained.