A new approach to guide early stages of building design to improve passive performance through the time-based thermal resilience metrics

Günümüzde artmakta olan küresel iklim değişikliği sonucu bina kodları ve standartları, bina enerji verimliliğinin artırılması ve karbon ayak izlerinin azaltılmasını destekleyici yönde değişikliklere gitmektedir. Ayrıca, binaların, özellikle konutların, aşırı soğuk ve sıcak havalarda uzun süreli elektrik kesintilerine dayanabilmelerini sağlamak, pasif olarak yaşanabilir ortamlar tasarlamak mimaride önem kazanmıştır. Bu tezde, zamana dayalı termal direnç ölçevleri olan 'thermal autonomy ' ve 'passive survivability ' kullanılarak binalarin pasif performanslarını artırmaya yönelik yeni bir yaklaşım sunulmuştur. Çalışmada, TA herhangi bir ek aktif sistem olmaksızın, bir binanın pasif bir şekilde belirli konfor koşullarını sağlayabileceği sürenin yüzdelik ölçüsüdür. PS ise, bir binanın sıra dışı hava koşulları nedeniyle uzun süreli bir elektrik kesintisi gerçekleşmesi durumunda, yaşanabilir ortam koşullarının sağlanabildiği sürenin ölçüsüdür. Önerilen yaklaşım doğrultusunda simülasyonlarda tipik apartman modülleri 3 farklı iklimde değerlendirilmiştir: Toronto, Kanada, sıcak nemli yazların, soğuk kışların görüldüğü ılımlı güneşli bir iklim; Vancouver, Kanada, genel olarak serin ve nemli; Adana, Türkiye ise sıcak ve kurak yazların, ılık ve yağışlı kışların hakim olduğu iklim türüdür. Simülasyon sonuçlarına göre bu çalışma, zamana dayalı bina direnç ölçevleri ile konvansiyonel enerji performans ölçevleri arasındaki ilişkiyi göstermeyi amaçlamaktadır. Temel hedef, pratik bir görselleştirme tekniği ile mühendisler ve mimarlar arasında ortak bir dil sağlayarak iletişim boşluğunu doldurmaktır. Sonuç olarak, mimarların tasarımla ilgili düşüncelerini entegre tasarım aşamasında daha iyi kontrol edebilecekleri ve aynı zamanda çevresel bina performansını geliştirebilecekleri düşünülmektedir. Günümüzde, bina performans simülasyon araçlarının tasarım kararlarını yönlendirmek için mimarlar tarafından erken tasarım aşamalarında nadiren kullanıldığı kabul edilmektedir (Hemsath, 2013). Bununla birlikte, tasarımın erken aşamalarında alınan kararlar en büyük enerji ve maliyet tasarrufu sağlanmakta iken (Hensen, 2011), günümüzde yaygın olan bina tasarım uygulamaları enerji azaltma stratejilerini tasarım sürecinin ancak sonunda göz önünde bulundurmaktadır (Samuelson ve ark., 2012). Bu aşamada gerçekleştirilen değişikliklerin pahalı ve yıkıcı sonuçları olabileceği göz önünde bulundurulmalıdır (Attia ve ark., 2012). Bu tezin temel odak noktası, mimarların yüksek performanslı binalar elde etmek için tasarımın mümkün olan en erken aşamalarında entegre tasarım sürecine planlı ve hazırlıklı bir şekilde katılmaları gerektiğidir. Bu odak noktasında, mimari tasarım sürecinde enerji simülasyonunu yüksek performanslı binaların erken tasarım aşamasına entegre eden pratik yaklaşımlara ve grafiksel geri bildirim yöntemlerine olan ihtiyacı gündeme getirmektedir. Ayrıca, mevcut bina performans simülasyon yöntemleri, belirli hedefler için uygun performans ölçevlerine ve göstergelerine gerek duymaktadır (Samuelson ve ark. 2016). Mevcut simülasyon yaklaşımlarının çoğu kapsamlı girdi verileri gerektirmektedir (Ochoa ve Capeluto, 2009) ve bina performans simülasyonundan büyük miktarlarda çıktı sağlamaktadırlar (Attia ve ark. 2013). Tasarım ekipleri için, analiz çıktılarından en baştan ne çıkarılacağını bilmek çok daha iyi bir tasarım elde etmek için oldukça önemlidir ve zaman açısından çok verim sağlayacaktır (Ulukavak ve ark. 2006). Bu şu anda çoğu mimar tarafından bilinmemektedir. Literatürde, erken tasarım aşamasında bina simülasyon araçlarının kullanılması ile ilgili konuları ortaya koyan birçok çalışma olduğu halde, erken tasarım sürecini daha iyi bilgilendirmek için zamana dayalı metrikleri kullanarak binaların ısıl performansını görselleştirmeye yönelik oldukça az calışma vardır. Belirtilen bu sebepler ışığında bu tez, pratik bir simülasyon yaklaşımı ve görselleştirme tekniklerinin geliştirilmesine odaklanmıştır. Bu yaklaşımın kullanılmasıyla bina simülasyon araçları, erken tasarım aşamalarında pasif sistem entegrasyonu ve optimizasyonu için daha basit değerlendirmeler sağlayabilecektir. Tezde esas olarak, 'Thermal Autonomy' ve 'Passive Survivability' değerlerini ölçmek için simulasyonların kullanılmasına yönelik bir yaklaşım sunulmuştur. Tipik apartman daireleri için on farklı tasarım örneği, önerilen yaklaşımı test etmek ve göstermek için üç farklı iklimde modellenmiş ve simüle edilmiştir. Sonrasında TA sonuçları, pratik grafiksel geri bildirim yöntemleri ile yaklaşımı açıklamak için analiz edilmiştir. Daha sonra, TA değerleri, bu zamana dayalı metriği doğrulamak için Enerji Kullanımı Yoğunluğu sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Son olarak, PS analizleri, TA ve PS arasındaki pozitif ilişkiyi göstermek için belirli sonuçlar incelenerek tartışılmıştır. Ayrıca, önerilen yaklaşımın etkinliği analizlerin görselleştirilmesini örnekleyen bir anket çalışması ile de test edilmiştir. Genel olarak veriler, TA'nın, HVAC ve aydınlatma gibi aktif sistemler içeren daha karmaşık simülasyon modellerine ihtiyaç duymadan tasarımın erken aşamalarında alan ısıtma ve soğutma enerjisi taleplerinin yaklaşık bir göstergesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Gelecekteki çalışmalarda, sadece apartman birimleri değil tüm bina için TA ile ısıtma ve soğutma enerjisi kullanım yoğunluğu arasındaki ilişki araştırılmalıdır. Bu yönlenmeye bağlı ısı kazançlarının ısıtma ve soğutma üzerindeki etkisini incelemek açısından daha yararlı olacaktır. Bu aşamada, 'Thermal Autonomy' verilerinin, ısıtma ve soğutma enerjisi kullanım yoğunluğu ile güçlü bir şekilde ilişkili olduğu ve genel olarak, daha yüksek TA, daha düşük EUI olduğu sonucuna varılabilir. Bunlara ek olarak, TA değerleri yüksek olan tasarımların, aynı zamanda daha iyi PS değerlerine sahip olma eğilimi gösterdiği görülmüştür. Literatürde PS iklim değişikliğinin sıra dışı hava olaylarının ciddiyeti üzerindeki etkisini ve bu durumlardaki elektrik kesintisi sürelerini dikkate alan önemli bir metrik haline gelmektedir. Son zamanlarda iklim değişikliği, daha şiddetli rüzgarlar, daha yoğun yağışlar, ve hatta uzun süreli sıcak hava dalgalarının sonucu olarak kuraklık gibi daha sık ve daha şiddetli hava olaylarına neden olmaktadır. Bu nedenle günümüzde binalar, özellikle konutlar, iklim değişikliğinin etkilerine dayanmak için daha dirençli olabilecek ve bireylere uzun süreli elektrik kesintilerinde barınma imkanı sağlayabilecek şekilde tasarlanmak zorundadır. Analizlerin görselleştirilmesi ile önerilen yaklaşımın etkinliğini test eden anket calışmasının sonuçları özetle asağıdaki gibi maddelendirilmiştir:1. Anket sonuçları, mühendislerin mevcut enerji metriklerini bina performansının tartışılmasında mimarlardan daha fazla kullandığını ortaya koymuştur. Watt ve kilowatt-saat gibi enerji ölçütleriyle karşılaştırıldığında, 'zaman' ölçüsüne dayanan performans ölçevleri daha sezgiseldir ve geleneksel enerji performans ölçevleriyle iyi bir korelasyona sahiptir. 2. TA grafiklerinin bir bina tasarımının mekanik sistemlerden bağımsız pasif olarak nasıl çalıştığını gösterdiği ve binanın enerji performansını anlamak için yeterli zamansal çözünürlüğe sahip olduğu düsünülmektedir.3. Benzer şekilde, PS grafiklerinin bina seviyesinde pasif tasarım stratejilerini görselleştirmede etkili olduğu ve uzun süreli elektik kesintisi sırasında iç ortam konfor koşullarını anlamak için yeterli zamansal çözünürlüğe sahip olduğu düşünülmektedir. 4. PS grafikleri ayrıca, insan ölçeğinde alışılmış metrikler kullandığı için sıra dışı hava koşullarına dayanıklı tasarım kararlarının iyileştirilmesi için de yararlıdır.5. Edinilen önemli gözlemlerden biri de, katılımcılardan gelen, erken tasarım aşamasında, bina performans simülasyonunun bu görselleştirme tekniklerine ve ilgili metriklere odaklanarak, bunların enerji kullanımı yoğunluğu gibi geleneksel metriklerle ilişkilendirilmesi ve kod hedeflerine uyumun geliştirilmesi önerisidir. Sonuç olarak, tasarımın erken aşamalarında TA ve PS metriklerinin kullanımı, aktif system ilavesi olmaksızın binaların serbest çalışma modunda basitleştirilmiş enerji simülasyonlarının yürütülmesini içerir. Böylece pasif tasarim stratejileri gerek tekli gerekse kombinasyonları, etkinlik açısından hızlı bir şekilde değerlendirilebilir. Tasarımda bir araya getirilecek pasif sistemler kararlaştırıldıktan sonra, ilave aktif sistemlerin daha ayrıntılı enerji modellemesi yapılabilir. Pasif stratejiler ve zamana dayalı performans ölçütlerine odaklanarak, tasarım ekiplerinin bina performansı açısından daha iyi mimari çözümler sağlayabileceğine inanılmaktadır. Bu calismada geliştirilen yaklaşımın sağlayacağı en önemli bilimsel katkı bina simülasyonunun erken aşamalarda bina tasarım sürecine entegrasyonunu çözmeye yöneliktir. Bu projeye, yüksek performanslı sürdürülebilir bina tasarımı üzerine çalışan akademisyenlerin, tasarımcıların ve uygulama yapan mimar ve mühendislerin ilgi duyması beklenmektedir. Ayrıca, politika geliştiren yönetici gruplara enerji verimli binalarda pasif sistem entegrasyonunun nasıl ele alınacağı ve politikalarda etkin enerji kullanımı ve konfor hedeflerinin nasıl tasarlanacağı hakkında rehberlik sağlayabilir. Aynı ölçüde kamuoyu da daha iyi bina tasarım politikalarının uygulanmasından büyük yarar sağlayacaktır.