Çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir yaklaşım
A new approach for double skin envelope's heat loss calculation
Yazar: KEMAL  FERİT ÇETİNTAŞ
Danışman: PROF. DR. ZERRİN YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2004
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Günümüzde insan yaşamı teknolojiye ve onun yakıtı olan enerjiye bağımlı hale gelmiştir. Dünyada tüketilen enerji gün geçtikçe artmakta ve tüketilen enerjinin büyük bölümü fosil yakıtlarından karşılanmaktadır. Fosil yakıt rezervlerinin gelecekte tükenecek oluşu ve fosil yakıtlarının kullanımının neden olduğu çevre kirliliği gibi nedenlerden dolayı, enerji konusu toplumlar için ciddi bir sorun haline gelmiştir. Enerji sorunun çeşitli ülkelerde çeşitli platformlarda tartışılmış ve çeşitli çözüm önerileri ortaya konmuştur. Bu bağlamda, sürdürülebilirlik ve ekoloji gibi kavramlar ön plana çıkmış, enerji tasarrufunun önemi artmıştır. Ülkeler enerji üretimi için ihtiyaç olan fosil yakıtlarına bağımlılığı azaltmak için doğal enerji kaynaklarının kullanımına ağırlık vermişlerdir. Sürdürülebilirlik, ekoloji ve enerji tasarrufu gibi kavramlar tüm endüstri ve üretim dallarında olduğu gibi bina endüstrisinde de önem kazanmıştır. Konut ve işyerlerinde tüketilen enerji miktarı ülkenin tükettiği toplam enerji miktarı içinde önemli bir pay almaktadır. Bina endüstrisi bu duruma kayıtsız kalamamış ve bu alandaki çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu çalışmaların sonucu olarak, binalarda doğal enerji kaynaklarının doğrudan ve dolaylı kullanıldığı sistemler ve enerji tasarrufu sağlayan sistemler bu alanda önemli teknolojik gelişmeler olarak göze çarpmaktadır. Binalarda tüketilen toplam enerjinin %40'ını ısıtma enerjisi giderleri oluşturmaktadır. Bilindiği gibi, binalarda ısıtma enerjisi açısından enerji kaybının en yüksek olduğu yapı elemanı yapı kabuğudur. Bina endüstrisi binalardaki yaşanan bu sorunu çözmek üzere yaptığı çalışmaların sonucu olarak yapı kabuğundan kaynaklanan enerji kayıplarını azaltan sistemler ve bileşenler geliştirilmiştir. Akıllı bina kabuğu bu teknolojik gelişmeler içinde en yaygın olarak kullanılan sistemdir.Akıllı yapı kabuğu literatürde, iç ortam ve dış ortam arasında bir dengeleyici olarak hizmet veren, aydınlatma, havalandırma ve ısısal konfor gibi birbiriyle çelişkili ihtiyaçları karşılamak üzere tasarlanmış çok işlevli bir eleman olarak tanımlanmaktadır. Çift kabuklu cepheler bu bağlamda tasarlanmış akıllı yapı kabuğu örneklerinden biridir. Günümüzde özellikle yüksek binalarda sıkça karşılaştığımız çift kabuklu cepheler, sağladığı akustik yalıtım ve ısıtma enerjisi tasarrufu gibi nedenlerden dolayı tercih edilmektedir. Bu çalışmada, çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir yaklaşım ortaya konmaktadır. Çalışmanın birinci bölümünde konunun daha iyi anlatılabilmesi için konuya geniş bir perspektiften bakılarak konu ile ilgili temel kavramlar ve enerji sorunu global ölçekte anlatılmaktadır. Birinci bölümde anlatılanları takiben ikinci bölümde enerji etkin tasarım anlayışının ortaya çıkış süreci anlatılmaktadır. Yine bu bölümde yapılarda enerji kullanımını ve korunumunu zorunlu kılan etmeler ile binalarda enerji etkin tasarım parametrelerine yer verilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde, yapı kabuğunda enerji korunumu sağlayan sistemler içinde akıllı yapı kabuğu anlatılmaktadır. Bu bölümde bu çalışmanın da konusu olan çift kabuklu cepheler ayrıntılı olarak anlatılmaktadır. Çift kabuklu cephelerin özellikleri, gelişme süreci, bileşenleri ve çift kabuklu cephelerin uygulama örnekleri bu bölüm içerisinde incelenmiştir. Çift kabuklu cephelerin ısıtma enerjisi tasarrufuna etkisi çalışmanın dördüncü bölümünde anlatılmaktadır. Bu bölümde çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılan yöntemlere yer verilmiştir. Bu yöntemlerden birincisi, çift kabuklu cam cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılan WIS programıdır. İkinci yöntem ise B. Todorovic tarafından geliştirilen 'iç kabuğu saydam opak bileşenden oluşan çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının ara boşluk sıcaklığına bağlı olarak hesaplanması' adlı yöntemdir. Bu çalışmada geliştirilen yeni yaklaşımda Todorovic tarafından geliştirilen yöntem bazı değişiklikler yapılarak kullanılmıştır. B. Todorovic tarafından geliştirilen yöntem kabuklar arasındaki boşluğun sıcaklığının hesaplanmasına dayanmaktadır. Ara boşluk sıcaklıklarının hesaplanması için bir saat aralıklarla matematiksel simülasyonlar yürütülmektedir. Bu matematiksel simülasyonlar, çift kabuklu cepheyi oluşturan modüllerin ısıl denge xıdenklemleri yazılarak elde edilmektedir. Ara boşluk sıcaklığı dış ortam sıcaklığı kabul edilerek çift kabuklu cephenin ısı kayıpları hesaplanmaktadır. Bu çalışma kapsamında geliştirilen, çift kabuklu cephelerin ısı kayıplarının hesaplanmasında kullanılabilecek yeni bir yaklaşım çalışmanın beşinci bölümünde anlatılmaktadır. Yaklaşım üç ana aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşama, hesaplamalarda gerekli olan binaya ilişkin ve iklimsel elemanlara ilişkin verilerin belirlendiği aşamadır. İkinci aşamada ara boşluk sıcaklıkları hesaplanmaktadır. Bu aşamada Todorovic tarafından geliştirilen yöntem bazı değişiklikler yapılarak kullanılmıştır. Todorovic' in yönteminde çift kabuklu cepheyi oluşturan bileşenlerin ısıl denge denklemlerinde güneş ışınımı kazancı doğrudan ve yaygın ışınım olarak ayrı ayrı kabul edilmediği görülmüştür. Yapı kabuğundaki saydam bileşenlerin her iki ışınım türüne karşı farklı davranış gösterdiği bilinmektedir. Saydam bileşenlerin üzerine düşen yaygın ve doğrudan ışınım miktarları farklı olduğu gibi saydam bileşenlerin bu ışınımları geçirgenlik oranı da farklıdır. Bu nedenle bileşenlerin ısıl denge denklemleri yazılırken, bileşenlerin güneş ışınımı kazancı kısmında bu kabulün yapılması daha doğru olacağı düşünülerek denklemlerde yapılan bazı düzeltmelerle bu eksiklikler giderilmiştir. Üçüncü aşamada ise, ikinci aşamada hesaplanan ara boşluk sıcaklıkları dış ortam sıcaklığı olarak kabul edilerek, iç kabuktaki opak bileşenden geçen ısı miktarı, iç kabuğu oluşturan bileşenlerin iç yüzey sıcaklıkları ve hacmin iç hava sıcaklığı zamana bağlı rejimde sonlu farklar yaklaşımı ile. hesaplanmaktadır. Çalışmanın altıncı bölümünde, geliştirilen yeni yaklaşım örnek bir büro binası üzerinde uygulanmıştır. Uygulama çalışmasının amacı, uygulama çalışması yapılan hacmin tek kabuklu veya çift kabuklu cepheye sahip olması durumundaki ısısal performansını ortaya koymaktır. Yedinci bölümde, bir önceki bölümde yapılan uygulama çalışmasından elde edilen bulgulara yer verilmiştir. Elde edilen bulgulara göre, çift kabuklu cephe tek kabuklu cepheye göre çok daha iyi bir ısısal performans göstermektedir. xııÇalışmanın sekizinci bölümünde, çalışmaya ilişkin genel sonuçlara yer verilmiştir. Yedinci bölümde verilen bulgulardan da görüldüğü gibi, çift kabuklu cepheler tek kabuklu cephelere göre çok daha iyi bir ısısal performans göstermektedir. Çift kabuklu cephelerin yapıya getirdiği ek maliyet ve sağladığı ısıtma enerjisi tasarrufu göz önüne alınarak uzun dönem yaşam maliyeti analizi yapılmalıdır. Sonuç olarak, çift kabuklu cepheler yeni uygulanacak binalar için iyi bir alternatif olduğu kadar mevcut binaların enerji etkin yenilenmesi için de iyi bir alternatif olduğu görülmüştür. Henüz Türkiye de uygulanmamış olan çift kabuklu cephelerin ülkemizde de uygulanması gerekliliği ortaya konmuştur.

Abstract:
Nowadays human life become independent to technology and its fuel which is energy. Amount of energy supply has been increasing and most of the amount has been provided from fossil fuels. Energy become an important issue for human life because of limited amount of fossil fuels and environmental pollution. Energy issue has been discussed in many countries and many solutions to the issue has been developed. As a result of these discussions importance of some terms such as sustainability and energy save have been increased. Countries give importance to using natural energy sources to avoid from using fossil fuels. Sustainability and energy saving terms take place in building construction industry too. Energy consumption in dwellings and offices has a great rate in country's total energy consumption. Therefore, building industry focus on this point. As a result of this interest, many technologies which is used natural energy source and materials which provides energy save, have been developed. As it is known heating energy demand of a building has a great rate in building total energy consumption. In addition to that, most of the heating energy has been loosed from building envelope. That is why building industry gave importance to develop new envelope technology. Intelligent building envelope systems are the most common technology in these area. Intelligent building envelope systems are identified as a component which serve as a balance element between outer space and inner space. Moreover, it provides different requirements such as ventilating, lighting and inner climatic conditions. Double skin envelope systems are the most common systems in intelligent building skin systems. Nowadays double skin envelope is preferred because of its acoustic insulation and thermal performance. xivIn this study, a new approach was proposed for double skin facade' s heat loss calculation. In first chapter, general concepts of the subject are given. Energy terms and energy issue are explained from global perspective to understanding the subject better. In second chapter, history of energy conscious design, relationship between energy using and building, energy conscious design parameters are given. In the third chapter of the study, the systems which provide energy saving at building envelope are explained. Double skin envelope systems are mentioned in this chapter. Properties of double skin envelope, their components, history and examples are explained in detail. Effects of double skin envelopes to heating energy saving, is explained in chapter four. In this chapter, the methods which calculate double skin envelope's heat loss, are given. The first method is WIS computer program, which calculates double skin glass facades heat loss. The second method is ' double skin facade' s heat loss calculation based on inter-space temperatures' which is developed by B. Todorovic. In this study Todorovic' s method is used with some modifications. The method is based on calculation of inter-space temperatures. Inter-space temperatures are calculated with mathematical simulations. These mathematical simulations are obtained according to component's heat loss and gain. Inter-space temperatures are accepted as outdoor temperatures and then heat loss of the double skin are calculated according to this acceptance. A new approach for double skin facade' s heat loss calculation is explained in the fifth chapter. The approach is formed of three main steps. The first step is, determination of climatic and building data which are used in calculations. The second step is, calculation of inter-space temperatures. In Todorovic' s method solar gain is not accepted as direct and diffuse separately. As it is known transparent component's behavior against to direct and diffuse radiation is significantly different. Moreover, amount of direct and diffuse solar radiation, which effect transparent components, is different. Direct and diffuse solar radiation transmissivity of transparent component is also different. Therefore in heat balance equations these properties are considered and equations are developed. The third step, inter-space temperatures, which are calculated in previous step, are accepted as outdoor xvtemperature and heat flux in opaque component, inner surface temperature and indoor air temperature are calculated in unsteady-state conditions. In sixth chapter new approach is applied on example office building. The aim of this chapter is to compare double skin and single skin envelope performance in same building. The results of sixth chapter are given in seventh chapter. According to the results, double skin envelopes shows better thermophysical performance than single skin envelope can be said. In eight chapter, general results of the study are given. As it is seen in chapter seven, double skin facade has better thermophysical performance than single skin. In order to see the energy efficiency of the office buildings renovation with the proposed method the life cycle economical analysis of the double skin facade should be done. Finally, Although double skin facade is a good alternative for buildings which is not be constructed, it is a good alternative in energy efficient renovation of existing buildings. This study shows that double skin facade, which is not be applied in Istanbul, should have applied in Turkey.