Farklı iklim bölgelerinde yapı kabuğunda ısıl kütlenin bina enerji etkinliğine ve ısıl konforuna olan etkisi

Abstract

Mimarlık, yapıların belirlenen koşullarda düşünülerek organize edilmesi ve bunun sonucunda tasarlanmasının yanında , yapıların mekanlarda yapılan eylem sürecinde kullanıcı için uygun konfor koşullarının da sağlanmasını gerektirmektedir. Dünya genelinde enerji harcamalarının önemli bir kısmı binaların ısısal konforunun sağlanması için ısıtma ve soğutma enerji giderlerinden oluşmaktadır. Günümüzde artan enerji tüketimi birincil enerji tüketimi olarak kullanılan yenilenemez enerji kaynaklarının tükenmesine, bu kaynakların tüketiminde ortaya çıkan karbon salınımı ve sera gazı, hava kirliliği, küresel ısınma ve buna bağlı olarak iklim değişikliğine sebep olarak dünya ekosistemi için olumsuz bir durum teşkil etmektedir. Dünya üzerinde bu enerji tüketiminde binaların yapımında ve kullanımında kullanılan enerji miktarı önemli yer teşkil etmektedir. Türkiye'de binalarda enerji tüketiminin büyük bir çoğunluğu konut yapılarının ısıtılması ve soğutulası ve havalandırılması için mekanik sistemler ile harcanan enerji giderlerinden oluşmaktadır. Konut yapılarında enerji etkinliğini etkileyen en önemli yapı bileşenlerinden birisi yapı kabuğudur. Yapı kabuğu bileşeni, ,yapının iç ortamı ile dış ortamı birbirinden ayıran, yapının iç ortamı için gerekli konfor şartlarını sağlayan aynı zamanda kullanıcıların ihtiyaç duyduğu iç mekan konforunu oluşturmak için ısı, ışık ve ses gibi çevresel etmenlerin kontrolü için uygulanan yapı elemanlarıdır. Binaların enerji etkin tasarlanabilmesi, yapı kabuğunun bulunduğu çevresel koşullara, iklim verilerine göre tasarlanması ile mümkün olmaktadır. Türkiye'de enerji etkin bina tasarımı açısından uygulanan Enerji Performansı yönetmeliği uyarınca yapı kabuğu tasarımında TS825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı referans gösterilmektedir. Bu standarttaki uygulamalar yapı kabuğunda sabit rejim koşullarında ısı geçişinin kontrolünü sağlasa da , yapı kabuğunun geçici rejim koşullarında dinamik ısıl özelliklerine bağlı olarak ısıtma ve soğutma enerji giderlerinin pasif olarak sağlanmasında etkili olan ısıl kütle özelliğini dikkate almamaktadır. Yapı kabuğunun ısıl kütle özelliği kullanılarak dış çevresel etmenlerin de dikkate alınmasıyla birlikte ısıtma ve soğutma enerji giderlerinden tasarruf sağlamak mümkündür. Çalışma kapsamında Türkiye'de tanımlanan ılıman kuru, ılıman nemli, sıcak kuru, sıcak nemli ve soğuk iklim bölgelerinde konut yapılarında yapı kabuğunda ısıl kütle kullanımının ısısal konfora ve enerji etkinliğine olan etkisi incelenmiştir. Çalışmada konut tipi olarak Türkiye'de konut üretiminde önemli bir yeri olan Toplu Konut İdaresi'nin kullandığı Y tipi konut yapısının verileri kullanılmıştır. Yapı kabuğunda ısıl kütle özelliklerinin incelenebilmesi için 27 farklı duvar tipinden oluşan yapı kabuğu alternatifleri oluşturulmuştur. Bu yapı kabuğu alternatiflerinin ısıl kütle kabiliyetlerini gösteren dinamik ısıl özelliklerinin hesaplanması için ISO 13786 standardını kaynak alan "Dynamic Thermal Properties Calculator" ve "HTflux Thermal Mass Calculation Tool" programları kullanılmıştır. Yapı kabuklarının yıllık ısıtma ve soğutma enerji harcamaları ile birlikte yüzey sıcaklığı ve iç mekan sıcaklığı gibi ısıl performanslarının ölçülmesi için Energy Plus tabanlı Design Builder yazılımı kullanılmıştır. Enerji simülasyonun sonucunda elde edilen veriler ile yapı kabuğu alternatiflerinin dinamik ısıl özellikleri karşılaştırmalı olarak veri-grafik yöntemiyle değerlendirilmiştir. Çalışmada ısıl kütlenin 5 farklı iklimde ısıtma ve soğutma enerji giderlerine etkisinin dışında, yapı kabuğu tasarımında kullanılan katmanlaşma modelinde iç kaplama, dış kaplama ve ana duvar malzemesinde ısıl kütle kullanımının farklı iklimlerde binanın enerji harcamalarına ve ısısal konforuna olan etkisinin değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma 5 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde dünya genelinde enerji tüketimi, bu tüketimin nedenleri ve binaların enerji tüketimindeki rolüne değinilmiş, binalarda enerji etkinliği için yapı kabuğunun önemi ve bu bağlamda çalışmanın amacı ve hipotezi anlatılmıştır. İkinci bölümde binaların enerji etkinliğini ve ısısal konfor koşullarını etkileyen dış çevresel faktörler, binaya ilişkin tasarım faktörleri ve kullanıcıya ilişkin tasarım faktörlerinin prensipleri literatürden de yararlanılarak incelenmiştir. Üçüncü bölümde mimaride ısıl kütle kavramı açıklanış, ısıl kütleyi etkileyen sabit rejimde ısıl hareketlerden ve geçici rejimde ısıl hareketlerinden oluşturan yapı kabuğunun dinamik ısıl özelliklerinden bahsedilmiştir. Bölüm sonunda ısıl kütlenin mimaride uygulama yöntemleri açıklanmıştır. Dördüncü bölümde Türkiye'de toplu konut yapılarının gelişimi ve toplu konutların enerji etkinliğini açıklanmıştır. Beşinci bölümde Türkiye'nin 5 iklim bölgesinin karakteristik özelliklerini taşıyan sıcak nemli iklim bölgesinden Antalya, sıcak kuru iklim bölgesinden Diyarbakır, ılıman nemli iklim bölgesinden İstanbul ve İzmir, ılıman kuru iklim bölgesinden Ankara ve soğuk iklim bölgesinden Erzurum illeri seçilmiş, seçilen illerin iklimsel özellikleri Design Builder Enerji Simülasyonu yazılımına tanımlanmıştır. Yapı kabuğunun ısıl kütle özelliklerinin belirlenen iklim bölgelerinde enerji verimliliği ve ısısal konfor açısından değerlendirmek için 3 farklı ana duvar malzemesi, dış kaplama malzemesi ve iç kaplama malzemesinden oluşan 9 farklı yapı kabuğu malzemesi ve bu malzemelerin kombinasyonundan oluşan 27 farklı yapı kabuğu katman modeli alternatifi belirlenmiştir. Yapı kabuğu alternatiflerinin ısıl kütle kabiliyetini belirleyen dinamik ısıl özelliklerini hesaplamak için "Dynamic Thermal Properties Calculator" ve "HTflux Thermal Mass Calculation Tool" programları kullanılmıştır. Belirlenen yapı kabuğu alternatifleri Design Builder yazılımının Energy Plus arayüzü ile ısıtma ve soğutma enerji harcamaları ve pasif koşullarda iç mekan sıcaklığı performansları hesaplanmış , sonraki bölümde her bir il için hesaplanan veriler grafik veri yöntemiyle , yapı kabuğu alternatiflerinin dinamik termal özellikleri ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Değerlendirme bölümünde hesaplanan enerji grafiklerinin sonuçları tartışılmış, yapı kabuğundan ısıl kütlenin , farklı katman modellerinde , farklı illerde hangi tasarım sonuçlarını verdiği belirlenmiştir.