Binalarda yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacının kış bahçesi uygulaması ile azaltılması
Reducing annual heating energy consumption of a building by the sunspace application
Yazar: HÜSEYİN ENES HALİTOĞLU
Danışman: PROF. DR. DERYA BURCU ÖZKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji = Energy ; Enerji tasarrufu = Energy saving ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient ; Konut ısıtma = Residential heating ; Pasif ısıtma sistemi = Passive heating system

Özet:
Bu tezde bir binanın yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacının bir pasif sistem olan kış bahçesi uygulaması ile azaltılması üzerine çalışılmıştır. Binanın ısıtma enerjisi ihtiyacında tasarruf sağlamak amacıyla kış bahçesi tasarımları incelenirken ve analiz edilirken, kış bahçesinin sebep olduğu aşırı ısınma etkisi gölgeleme elemanlarının kullanımı ile kontrol edilmeye çalışılmıştır. Üç boyutlu tasarımlarda ve ısıtma – soğutma enerji ihtiyaçlarının hesaplanmasında IES paket programı kullanılmıştır. 
İlk olarak İstanbul iklim şartları için referans binanın ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyaçları hesaplanmıştır. Kış bahçesi referans binanın güney cephesinde olacak şekilde tasarlanmıştır. İlk olarak 3m genişliğe sahip ve bitişiğinde bulunan oda ile arasında duvar yapı elemanı bulunan ve bu duvarda menfez bulunmayan kış bahçesi analiz edilmiştir. Bu tasarıma sahip kış bahçesi ile referans binanın yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacından %19,3 tasarruf edilmiştir. Sıcak günlerde ve yaz aylarında kış bahçesinin tüm yüzeylerinde gölgeleme elemanı kullanılmasına rağmen bu tasarımına sahip kış bahçesi referans binanın yıllık soğutma enerjisi ihtiyacını %7,7 oranında artırmıştır. Bu tasarıma sahip kış bahçesinde duvara menfez açılması ile birlikte ısıtma enerjisi ihtiyacındaki tasarruf %25,5 değerine çıkmıştır. Bu durumda soğutma enerjisi ihtiyacındaki artışı aynı seviyede tutmak için gölgeleme elemanlarının kullanımına ek olarak olarak menfez kontrolü de yapılması gerekmektedir. Duvar yapı elemanına sahip kış bahçesinde genişlik 3m'den 4m'ye çıkartıldığında menfez bulunmayan tasarımda ısıtma enerjisi ihtiyacında tasarruf %20,9 olurken soğutma enerjisi ihtiyacındaki artış gölgeleme elemanları kullanımıyla %8,9 değerine ulaşmıştır. 4m genişliğe ve duvar yapı elemanına sahip kış bahçesinde menfez kullanılması durumunda ise ısıtma enerjisi ihtiyacında tasarruf %26,9 olmuştur. Kış bahçesinde bitişik oda ile temas eden yapı elemanı cam olarak tasarlandığında 3m genişliğe sahip ve menfez bulunmayan tasarımda ısıtma enerjisi ihtiyacında tasarruf %33,9 olmakta iken, aynı tasarım referans binanın soğutma enerjisi ihtiyacını %19,8 oranında artırmıştır. Cama menfez açılması durumunda ise ısıtma enerjisi ihtiyacında elde edilen tasarruf %34 olmaktadır. Soğutma enerjisi ihtiyacındaki artışın önüne geçebilmek için gölgeleme elemanlarına ek olarak menfez kontrolü gerekmektedir. Ancak ısıtma enerjisi ihtiyacı tasarrufunda meydana gelen %0,1'lik artış için cam tasarımı menfezli yapmak tartışmaya açık bir konudur. Cam yapı elemanı için kış bahçesinin boyu 4m'ye çıkartıldığında menfez bulunmayan tasarımda ısıtma enerjisi ihtiyacında elde edilen tasarruf %35,5 olurken soğutma enerjisi ihtiyacında meydana gelen artış %21,9 olmaktadır. Aynı uzunluğa sahip kış bahçesi için cama menfez açılması durumda ise ısıtma enerjisi ihtiyacında meydana gelen tasarruf %35,7 olmaktadır. Tüm bu sonuçlardan hareketle, İstanbul iklim şartlarında, 3m genişliğine sahip menfez bulunmayan ve bitişiğindeki oda ile arasındaki yapı elemanı cam olan kış bahçesi üzerine odaklanılmıştır. 
Çalışmanın sonunda ise 3m genişliğinde menfez bulunmayan cam tasarıma sahip kış bahçesinin farklı derece-gün iklim bölgelerindeki ısıl davranışı incelenmiştir. İstanbul'da elde edilmiş olan 1,5832 MWh'lik tasarrufa karşılık, ısıtma enerjisi ihtiyacında tasarruf miktarı Erzurum'da 3,3366 MWh, Ankara'da 2,2192 MWh ve Antalya'da ise 1,2202 MWh olmaktadır. Kış bahçesinin ısıl verimliliği ise Antalya'da %52, İstanbul'da %34, Ankara'da %30,3 ve Erzurum'da %29,8 olarak hesaplanmıştır. Soğutma enerjisi ihtiyacı ise Antalya'da 0,4329 MWh, İstanbul'da 0,2018 MWh, Ankara'da 0,1749 MWh ve Erzurum'da 0,1050 MWh artış göstermiştir. Soğutma enerjisi ihtiyacında meydana gelen oransal artış ise Erzurum'da %39,7, Ankara'da %31, İstanbul'da %19,8 ve Antalya'da %14,9 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In this thesis, the purpose was to reduce the annual heating energy consumption of a building with a sunspace application, which is a passive solar system.  For the purpose of saving the heating energy consumption of the building, the sunspace designs were examined and analyzed, and the overheating effect that was caused by the sunspace was controlled by using shading elements. The IES package program was used in 3D designs and in calculating the heating-cooling energy needs. 
Firstly, the heating and cooling energy needs of the reference building were calculated considering the climate conditions of Istanbul. The sunspace was designed in a way that would be on the southern side of the reference building. Firstly, the sunspace that had 3m width and a wall element without vent holes, between the adjacent room was analyzed. With the sunspace that had this design, 19.3% of the annual heating energy consumption of the reference building was saved. Although shading element was used on all surfaces of the sunspace on hot days and in summer months, the sunspace increased the annual cooling energy consumption of the reference building at a rate of 7.7% with this design. In the sunspace that had this design, the rate of the saving in the consumption for heating energy increased to 25.5% with the opening of a vent hole on the wall. In this case, in addition to using shading elements, vent hole control must also be made to keep the increase in the cooling energy consumption at the same level. When the width is increased to 4m from 3m in the sunspace, the saving in heating energy consumption was 20.9% in the design that did not have vent hole; the increase in the cooling energy consumption reached 8.9% with the use of shading elements. In case vent hole was used, in the sunspace with wall construction element that had 4m width, the saving in the heating energy consumption was 26.9%. In the sunspace, when the building element that is in contact with the adjacent room was designed as a glass, although the saving in the heating energy consumption was 33.9% in the design that had 3m width and no vent hole, the same design increased the cooling energy consumption of the reference building at a rate of 19.8%. In case a vent hole was opened in the glass, the saving in the heating energy consumption became 34%. To prevent the increase in the cooling energy need, vent hole control is required in addition to shading elements. However, adding a vent hole to the glass design for an increase in the saving for heating energy consumption at a rate of 0.1% is questionable. When the length of the sunspace was increased to 4m for the glass element, the saving that was obtained in the heating energy consumption was 35.5%; however, the increase in the cooling energy consumption was 21.9%. In the case a vent hole was opened, in the sunspace that had the same length, the saving for heating energy consumption was 35.7%. Based on these results, the focus was on the design of the sunspace that had a 3m width, no vent hole, and has a glass element between the adjacent room, for İstanbul climatic conditions. 
At the end of the study, the thermal behavior of the 3m-wide sunspace, which had a glass design without vent hole, was examined for different degree-day climatic zones. The amount of the saving in heating energy consumption was 1.5832 MWh in Istanbul; 3.3366 MWh in Erzurum; 2.2192 MWh in Ankara; and 1.2202 MWh in Antalya. The thermal efficiency of the sunspace was 52% in Antalya; 34% in Istanbul; 30.3% in Ankara; and 29.8% in Erzurum. The increase in cooling energy need, on the other hand, was 0.4329 MWh in Antalya; 0.2018 MWh in Istanbul; 0.1749 MWh in Ankara; and 0.1050 MWh in Erzurum. The proportional increase in the cooling energy was calculated as 39.7% in Erzurum; 31% in Ankara; 19,8% in Istanbul; and 14.9% in Antalya.