Investigating the energy efficiency of adaptive building skins and proposing a detailed folding adaptive skin system design for an office building in istanbul

Artan enerji tüketimi, son zamanlarda tüm dünyada yaygın olarak tartışılan bir konudur. Gelişen teknoloji ile beraber artan dünya nüfusu ve genişleyen büyük şehirlerde enerji tüketimi tehdit edici bir seviyeye gelmektedir. Ekonomiyi, sınırlı doğal kaynak kullanımını, ekolojik sistemi ve iklim değişikliğini olumsuz yönde etkileyen bir hal alan bu tüketimin göz ardı edilemez bir parçası binalardan kaynaklanmaktadır. Tasarımcılar ve mimarlar, onlarca yıldır enerji tasarruflu binalara yönelmektedirler. Pasif evler, net sıfır enerji binaları, çift cidarlı cephe sistemleri vb. gibi enerjiyi merkeze koyan çeşitli yaklaşımlar bu süreçte ortaya çıkmıştır. Günümüzde binalardaki enerji tasarrufunu ısı ve enerji akışının gerçekleştiği bina kabuğunda çözmeye yönelen araştırmalar öne çıkmaktadır. Dış ortam ile bina iç ortamını birbirinden ayıran eleman olan bina kabuğuna, ısı ve enerji geçişini kontol etme, filtreleme ve yönlendirme gibi yeni görevler yüklenmiştir. Bu görevleri yerine getirebilmek adına hareket eden bileşenlere sahip olan kabuklar geliştirilmeye başlanmıştır. Hareketli bina kabukları geniş kapsamlı bir tanım olup mikro ölçekte hareketli olan elektrokromatik camlardan, yapı elemanı bileşeni ölçeğinde hareketli olan farklı ölçekteki birçok sistemi içermektedir. Hareketli bina kabukları kapsamında olan uyarlanabilir bina kabuklarının potansiyellerini keşfetmek için tasarımcılar ve araştırmacılar tarafından son zamanlarda çok sayıda çalışmalar yapılmaktadır. Uyarlanabilir bina kabukları, değişen dış koşullara bağlı olarak kendilerini harekete geçirip ayarlayarak, kullanıcılar için konforlu iç ortam koşullarını daha az enerji kullanarak yaratma olanağına sahiptir. Almanya, Melbourne, Birleşik Arap Emirlikleri ve diğer birçok yerde uyarlanabilir kabuklarla tasarlanan birçok bina inşa edilmiştir. Ancak, diğer binaların yanı sıra, enerji tüketiminin en üst seviyede olduğu yüksek katlı binaların ve bina komplekslerinin tasarım sürecinde, uyarlanabilir bina kabukları Türkiye'de göz önünde bulundurulmamıştır. İnşaat sektörünün tüm ülkede en büyük paya sahip olduğu İstanbul'da, birçok yüksek ofis binası, cam kutuları anımsatan tamamen cam kaplı cephelere sahiptir. Bu çalışma, İstanbul'da yüksek katlı bir ofis binası için uyarlanabilir bir kabuğun enerji tasarrufu potansiyelini araştırmayı amaçlamaktadır. Daha sonra, örnek teşkil eden bir ofis binasına uyacak şekilde enerji tasarruflu, uyarlanabilir bir kabuk konseptinin detaylandırılarak enerji tasarruf performansının incelenmesi amaçlanmaktadır. Son olarak detaylandırılan uyarlanabilir kabuk sistemin elemanları, sistem detayları ve mevcut bir ofis binası ile bağlantısının önerilmesi amaçlanmaktadır. İstanbul yaz aylarında yüksek düzeyde güneş ışınımına maruz kalmakta ve bu durum özellikle tamamen camlı yüksek binalarda soğutma enerjisi talebini artırmaktadır. Bu tür bir bina için uyarlanabilir bir kabuğun potansiyeline yoğunlaşan bir araştırma, hem tasarımcıları hem de yatırımcıları bu sistemi bir binada uygulamaya teşvik edebilir. Bu çalışma kapsamında, çeşitli nedenlerden dolayı yüksek katlı ofis binaları üzerine odaklanmakta karar kılınmıştır. İlk olarak, tamamen camlı cephe tasarımları estetik ve prestijli kabul edildikleri için çoğunlukla yüksek katlı ofis binalarında görülmektedir. Ancak, çoğunlukla yazın yüksek soğutma enerjisi talebine sebep olurken aynı şekilde kışın da yüksek ısıtma enerjisi talebine neden olmaktadırlar. İkincisi, büyük şirketler ofis binalarına büyük miktarda yatırım yapmakta ve ofis binasının dışarıdan prestijli görünmesini ve içerideki çalışanlar için rahat bir ortam oluşturmasını sağlamak için yüksek teknoloji sistemleri uygulamaya çalışmaktadırlar. Bu nedenle, yüksek katlı bir ofis binası uyarlanabilir bina kabuğuna en çok ihtiyaç duyan ve sahip olduğu cam giydirme cephe üzerine uygulanması en muhtemel olan yapı tipidir. Birinci bölümde çalışmanın amacı ve kapsamı açıklanmıştır. Yapı kabuğunun tanımı araştırılmış ve bunun dışında binanın dış ortamı ile iç ortamını ayıran yapı elemanı için kullanılan diğer terimler incelenmiştir. Yapı kabuğu teknolojilerinin tarihsel süreci, yapı malzemeleri ve bina yapım metodlarındaki teknolojik gelişmelere paralel olarak incelenmiştir. Bundan sonra, kinetik mimariden uyarlanabilir bina kabuklarına kadar tüm terminoloji mimarlığa hareketin dahil oluş sürecini takip edebilmek adına incelenmiştir. Bu oldukça yeni bir alan olduğundan belirsiz olan terminoloji ve sınıflandırmalar yapılan çalışmanın literatürdeki yerini gösterebilmek için tanıtılmıştır. İstanbul'da yüksek katlı bir ofis binası için en uygun ve enerji açısından verimli olan uyarlanabilir bina kabuğu konseptini bulmak için bir dizi simülasyon yapılmıştır. Farklı hareket tipine sahip dört uyarlanabilir kabuk konsepti üretilmiştir. Uyarlanabilir kabukların davranışını yönlendirmek için değişen dış ortam şartlarına bağlı üç kontrol stratejisi önerilmiştir. Simülasyonlarda baz almak üzere, yüksek katlı bir ofis binasının bir bölümünü temsil eden bir temel ofis birimi hazırlanmıştır. Uyarlanabilir kabuk konseptleri, hazırlanan temel ofis biriminin cephesi önüne ikincil bir bina kabuğu olarak düşünülmüştür. Her uyarlanabilir kabuk konsepti, simülasyonları çalıştırmak için temel ofis birimine üç farklı kontrol stratejisiyle uygulanmıştır. Tüm uyarlanabilir bina kabuğu konseptleri ve temel ofis birimleri için bazı varsayımlar ile simülasyon stratejisi geliştirilmiştir. Bu sebeple, incelenen tüm konseptlerin sonuçları birbiriyle tutarlıdır ve karşılaştırmalı bir şekilde analiz edilmiştir. Sonuçlar yıllık ısıtma ve soğutma enerjisi talepleri bakımından birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Her bir uyarlanabilir kabuk konsepti, temel üniteye kıyasla ısıtma ve soğutma yüklerinde önemli bir düşüş göstermiştir. Katlanabilir hareket tipine sahip uyarlanabilir kabuk konsepti, diğerleri arasında en iyi sonucu veren konsept olarak kabul edilmiştir. Çalışmanın son aşaması, en iyi performans gösteren uyarlanabilir bina kabuğunu örnek bir yüksek katlı ofis binasına uyacak şekilde detaylandırarak bir öneri oluşturmaktır. Simülasyon sonuçlarında en düşük enerji tüketimine sahip katlanan uyarlanabilir kabuk konseptinin prensiplerine dayanarak, origami desenlerinden ilham alınarak katlanan uyarlanabilir bir bina kabuğu birimi geliştirilmiştir. Miura-ori modeli, sadece bir noktadan katlanabilme kolaylığı sağlaması ve desenin parametrelerini değiştirerek sonsuz sayıda desen oluşturma imkanı vermesi nedeniyle uyarlanabilir bina kabuğunun katlama modelinin tasarımı için kullanılmıştır. Miura-ori desenine dayanarak tasarlanan uyarlanabilir bina kabuğu, enerji performansını incelemek için uyarlanabilir kabuk konseptlerinde kullanılan modelleme stratejisi ile simülasyon programına tanıtılmıştır. Miura-ori desenine dayanarak detaylandırılan uyarlanabilir kabuk sistemi ile katlanan kabuk konseptinin simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Son olarak miura-ori desenine dayalı tasarlanan uyarlanabilir bina kabuğunun sistem bileşenleri, hareket mekanizması ve mevcut binaya bağlantı detayı tasarlanmış ve önerilmiştir. Enerji tüketimi konusundaki artan endişeyle, mevcut bina stoğunun enerji tüketimini azaltmak ve enerji verimli bir yaklaşımla yeni binalar tasarlamak önemlidir. Bu çalışmanın amacı, uyarlanabilir bina kabuklarının enerji tasarrufu potansiyelini kanıtlamak ve İstanbul'daki mevcut yüksek katlı ofis binalarına uygulanabilirliklerini tanıtmaktır. Bu çalışma, tasarımcıları ve yatırımcıları mevcut ofis binalarına uyarlanabilir bina kabukları uygulamaya teşvik edebilir. Bir başka çalışma olarak, uyarlanabilir bina kabuklarının simülasyonlarında parlama, görsel konfor ve yapay aydınlatma enerjisi incelenebilir. Ayrıca, Türkiye'de İstanbul dışındaki şehirler için uyarlanabilir bina kabuklarının potansiyeli araştırılabilir.