Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Anabilim Dalı / Yapı Bilim Dalı

2017

A new approach to increase energy efficiency of luxury high-rise residential buildings through an advanced facade component

Yüksek katlı lüks konut binalarının enerji verimliliğini gelişmiş bir cephe bileşeni ile artırmak üzere yeni bir yaklaşım önerisi

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 486565

Tezi Bul
Özet:

Günümüzde, yaklaşık olarak tüm ülkelerde binalardan kaynaklı yıllık enerji ihtiyacını azaltmaya yönelik araştırmalar yapılmakta ve bu araştırmalar öncelik taşımaktadır. Bilindiği üzere, küresel ısınma hem dünyayı hem de dünyada yaşayan canlıların yaşamını tehdit etmektedir. Küresel ısınmanın bilinen en önemli sebeplerinden biri binalardan kaynaklı sera gazı salınımıdır. Avrupa Birliği'nde, binalarda enerji verimliliğini sağlamaya yönelik çok önemli gelişmeler olmaktadır. Bu gelişmeler içerisinde en önemlisi "EPBD – Binalarda Enerji Performansı Direktifi" ve yaptırımlarıdır. Üye ülkelerin yeni ve mevcut binalarda enerji performansını artırmalarına yönelik zorunlu maddeler içermektedir. Türkiye, üye ülke adayı olarak Avrupa Birliği'ndeki bu gelişmeleri ve EPBD'nin yaptırımlarını takip etmektedir. Türkiye enerji kaynaklarını sağlama bakımından yüksek oranda dışa bağımlı olduğu için bina enerji performansını artırmak büyük önem taşımaktadır. Bu sayede ihtiyaç duyulan enerji miktarı azalabilecektir. Avrupa Birliği'ndeki gelişmeler Türkiye tarafından takip edildiği üzere, bu gelişmeler ülkeye uyarlanmaktadır. Son olarak yayınlanan ve tüm üye ülkelerin bina enerji performansı iyileştirmeleri için uygulaması zorunlu olan maddeleri içeren direktif EPBD 2010/31/EU Türkiye'de bina enerji tedbirlerini yönlendiren ana kaynak olmuştur. EPBD 2010/31/EU kapsamında 2020 yılına kadar tüm AB'nin enerji tüketimi 1990 yılındaki seviyelerin % 20 altına düşecektir ve tüm enerji tüketimi % 20 azaltılacaktır. Bu hususta yenilenebilir enerji kullanım oranı da artırılacaktır. Bu net karar sonrası Türkiye bu direktifi bir temel olarak kabul ederek Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı'nı hazırladı. Bu plan kapsamında aynı zorunluluk 2023 yılına kadar olacak şekilde belirlendi. Yani, Türkiye'de de 2023'e kadar toplam enerji tüketiminin % 20 oranında azaltılacağı ve bunda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasının da önemli bir payı olacağı öngörüldü. Baz alınan Direktif bu yaptırımı sağlamak amacı için bir metodoloji sistemi önermiştir. Bu sistem kısaca; referans binaların tanımlanması, referans binalarda enerji verimliliği tedbirlerinin belirlenmesi, referans binaların ve enerji verimliliği tedbirlerinin son ve birincil enerji ihtiyaçlarının belirlenmesi, enerji verimliliği tedbirlerinin maliyetlerinin belirlenmesidir. Türkiye'de bu metodolojiyi ülke koşullarına uyarlamak amacı ile TUBITAK destekli bir ulusal araştırma projesi geliştirilmiştir. Tez çalışması da bu projeyi temel almaktadır. Çalışmalar, barındırdığı bina tipolojisi çeşitliliği göz önünde bulundurularak ve yapılan çalışmaların uygulanırlığı ele alınarak İstanbul ikliminde yapılmıştır. Bu amaçla, Türkiye'de bulunan mevcut bina tipleri ve yeni yapılmakta olan bina tipleri içerisindeki yoğunluğu değerlendirilerek, başlangıç olarak konut binaları seçilmiştir. Aynı zamanda Direktif de çalışmalara konut binalarından başlanmasını öngörmektedir. Türkiye İstatistik Kurumu'ndan (TÜİK) alınan veriler doğrultusunda konut binaları 3 tipolojiye ayrılmıştır: tekil aile konutları, standart apartmanlar, lüks yüksek konut binaları Bu bina tipolojileri arasında bir tanesi diğerlerinden farklılaşmıştır. Bu tipoloji Türkiye'de "rezidans" olarak adlandırılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında kısa bir tanımlayıcılık katarak bu bina tipolojisi "lüks yüksek konut binaları (luxury high-rise residential buildings)" olarak adlandırılmıştır. Bu bina tipi son yıllarda Türkiye'de, özellikle metropollerinde çok popüler olmuştur. Bunun sebebi artan arsa fiyatları ve orta-üst ve üst kesimin değişen ve artan konut binası içi ihtiyaçlarıdır. Bu bina tipolojisinin mevcut örnekleri ilgili standartlarda bina kabuğu için belirlenen ısıl geçirgenlik gereksinimlerini karşılamakta ve hatta daha üzerine çıkmaktadır. Ayrıca mekanik tesisat sistemleri için belirlenen kriterleri de karşılamaktadır, fakat enerji ihtiyacı yine de yüksektir. Ulusal projenin bir bulgusu olarak standart konut binalarının (diğer 2 tipoloji) aksine lüks yüksek konut binalarında geleneksel cephe iyileştirme önlemleri bina enerji performansının iyileştirilmesinde etkili olmamaktadır. Bu sebeple, bu bina tipolojisi için standart iyileştirme tedbirleri yerine ileri iyileştirme tedbirleri önerilmektedir. Sonuç olarak da ileri iyileştirme tedbirlerinin bu bina tipolojisi üzerinde daha etkili olduğu belirlenmiştir. Bu tez kapsamında, lüks yüksek konut binalarında enerji performansını artırmak amacı ile ileri bir cephe bileşeni geliştirilmiş ve kullanımı ve etkileri test edilmiştir. Araştırmalar kapsamında, farklı ülkelerde bina enerji performansını geliştirmeye ve sera gazı salınımlarını azaltmaya yönelik pek çok farklı yöntem önerisi içeren araştırma çalışmaları yapıldığı bulgusuna ulaşılmıştır. Ancak spesifik olarak standart iyileştirme tedbirlerinin etkisiz olduğu yerde ileri iyileştirme tedbirlerinin sunulmasını içeren, lüks konut binaları için bu konuyu ele alan ve bu tez kapsamında geliştirilen cephe bileşenini test eden herhangi bir araştırma bulunamamıştır. Tez çalışmasındaki yaklaşım, bina cephe bileşenlerinin birebir kendilerini bir yenilenebilir enerji sistemi gibi değerlendirmeyi öngörerek bina cephe iyileştirmelerine farklı bir bakış açısı önermektedir. Öte yandan, binalarda yenilenebilir enerji kullanım oranını arttırarak Avrupa Birliği'nin EPBD 2010/31/EU direktifinde tanımlı 2020 hedefleri ile Türkiye'nin bu direktife göre geliştirdiği Ulusal Eylem Planı'nda yer alan 2023 hedeflerine ulaşabilmesi için bir yöntem önerisi sunar. Bu doğrultuda, güneş kazançlarını ve havalandırma oranını iklimsel koşullara uygun olarak cephe yoluyla arttıran yeni bir dış duvar bileşeni önerilmiştir ve bu cephe detayının amaca uygunluğunun testleri için örnek binalar üzerinde teorik araştırmalar yapılmıştır. Bu amaçla 3 adet örnek/referans bina belirlenmiştir. Bu binalardan ilki İstanbul'da mevcut bir binadır, ikincisi pasif tasarım parametrelerine uygun sanal bir binadır, üçüncüsü ise ikinci binanın aynısı olup kat sayısı daha fazladır. Bu yöntemle geliştirilen cephe bileşeninin verimliliği üzerinde tasarım koşullarının da etkisi ortaya konmuştur. Genel olarak EPBD 2010/31/EU içerisinde yer alan metodolojinin ülke koşullarına adapte edilmesini öneren çalışmalarda veya Avrupa Birliği'nin 2020 hedeflerine ulaşmak için geliştirilen çalışmalarda yalnızca yıllık enerji ihtiyacının azaltılmasının üzerinde durulur. Oysa iç mekan koşullarının kalitesi için ısıl konfor çok önemlidir ve enerji ihtiyacının düşürülmesiyle ısıl konforu da arttıran öneriler hedeflere ulaşmada en uygun öneriler olarak belirlenmelidir. Özellikle, bu çalışmada olduğu gibi yeni bir bina elemanı önerilen çalışmalarda enerji performansı ile birlikte ısıl konfor da mutlaka değerlendirilmelidir. Bu sebeple, bu tez kapsamında enerji performansı analizlerinden sonra konforsuz saatlerin hesaplanması ile ısıl konfor analizleri de yapılmıştır. Sonuç olarak, önerilen dış duvar bileşeni detayının lüks yüksek konut binalarının yıllık birincil enerji ihtiyacını düşürmede geleneksel iyileştirme önerilerine göre çok etkili olduğu belirlenmiştir. Ayrıca önerilen cephe elemanının kullanıldığı durumlarda konforsuz saatler de elemanın kullanılmadığı baz durumlara göre oldukça azalmıştır. Bunlara ek olarak, Türkiye, barındırdığı farklı iklim bölgeleri ile birlikte Akdeniz ikliminin temsili ülkelerinden biridir. Bu sebeple, Türkiye'de yapılan araştırmalar ve sonucunda elde edilen bulguların uygulanması Akdeniz iklimine sahip diğer ülkelere de katkıda bulunacaktır. Bu bina tipi ve benzerleri diğer Akdeniz iklimine sahip ülkelerde de bulunmaktadır. Böylece, geliştirilen ve etkisi test edilen yeni bina elemanı diğer ülkelerde de potansiyel kullanıma ve etkiye sahip olabilecektir. Tez kapsamında; - Birinci bölüm: tezin amacı, özgün değeri, literatür araştırması ve hipotez - İkinci bölüm: Avrupa Birliği ve Türkiye'de bina enerji verimliliği konusunda olan gelişmeler - Üçüncü bölüm: lüks yüksek konut binalarında yıllık birincil enerji ihtiyacını azaltmaya yünelik bir yaklaşım önerisi ve metodolojisinin detaylı anlatımı - Dördüncü bölüm: üçüncü bölümde önerilen yaklaşımın örnek konut binalarına (3 adet) uygulanması - Beşinci bölüm: çalışma hakkında tartışma - Altıncı bölüm: çalışmanın sonuçları ve öneriler konularını içermektedir.

Summary:

Researches on reducing building originated yearly energy demand is one of the top issues in every country. Global warming threatens the life of all species and the Earth. One of the top reasons of global warming is greenhouse gases sourced by buildings. There are crucial developments in EU in order to provide energy efficiency in buildings. The most important improvement in EU is EPBD – Energy Performance of Buildings Directive and its enforcements. There are obligatory articles for Member States to provide performance improvement in new and existing buildings. Turkey as a member state candidate follows the developments in EU and therefore the enforcements of EPBD. Building energy performance has a high level of importance since Turkey is heavily foreign-dependent in terms of energy sources. So, improving building energy efficiency will provide reduction in required energy amount. Since, the developments in EU are followed in Turkey, EPBD 2010/31/EU became the lead document to direct Turkish building energy policy. According to EPBD 2010/31/EU, until 2020 overall greenhouse gas emmission will be at least 20% below 1990 levels, Union's energy consumption will be 20 % reduced and in this obligation the renewable energy use portion will be increased. This is a very clear enforcement. Turkey took this Directive as a base and National Energy Efficiency Action Plan was prepared. In accordance with this plan, the same obligation is valid until 2023. So, until 2023 energy consumption will be reduced 20% together with increasing renewable energy portion in Turkey. The Directive presents a methodology framework in order to provide this article. Basically, reference buildings should be defined, energy efficiency measures for reference buildings should be defined, final and primary energy need of reference buildings and measures should be assesed, costs of the energy efficiency measures should be calculated. Therefore, in order to adapt this methodology a national research project supported by TUBITAK was done in Turkey. This thesis study bases on the results of that national research. The research was took place in Istanbul climate because of the variation in building typology in Istanbul. To this aim, the density of the residential buildings within existing and new buildings was considered and the pilot building type was selected as residential buildings. Also, the Directive suggests to start from residential buildings. Three common residential types were designated through surveys by statistical data sourced by TUIK (Turkish Statistical Institute): single family houses, standard apartments, luxury high-rise residential buildings. Within this residential building types there is one different type distinguished from the common types that is called "residence" in Turkey. In this study, as a brief explanation, this type was named as "luxury high-rise residential buildings". This building type became popular in metropolises of Turkey in the last years. That is because of the rising land prices in the city center and the varied demands of the upper-middle and upper income group. The existing samples of this residential building type meets the building envelope thermal transmittance requirements in accordance with the related standards, also meets the HVAC requirements, however still have high energy demand. As a finding of the mentioned national research project, unlike the standard residential building types, standard retrofit measures does not have an important effect on energy performance improvement of luxury high-rise residential buildings.Therefore, instead of standard measures advanced retrofit measures are suggested for this building typology. Finally, it is obvious that advanced retrofits are more effective. In this thesis study, an advanced façade retrofit was developed and investigated to be used on luxury high-rise residential buildings. According to the investigations, there are lots of research projects proposing different methods to improve the energy performance of the buildings and so to reduce the greenhouse gas emmissions in different countries. However, there is not any research specifically focuses on advanced retrofits when the standard ones are not effective for luxury high-rise residential buildings. And also, there is not any other investigation with the façade component that is proposed within this study. The approach in this thesis study offers a different perspective on building envelope retrofits by thinking the building construction as a renewable energy system itself while reaching EU's 2020 target especially to increase renewable energy portion in building construction and 2023 targets of Turkish National Action Plan. Therefore, a new exterior wall component detail that increases the solar gain and ventilation rate through façade according to the climatic conditions were proposed and theoretical investigations were concluded on example buildings to reveal if the facade detail serves for the purpose. To this aim, three case study residential buildings was chosen. The first one is an existing building, the second one is a virtual building that suits with passive design parameters and the last one is the same building with the second one with more storey. Thus, the importance of the design conditions is also revealed. In addition, in studies about adopting the methodology of EPBD 2010/31/EU or reaching EU's 2020 target, the focus is mostly only on reducing the yearly energy demand, however thermal comfort of indoor environment is a very important aspect to designate the most proper suggestions for reaching the target. Especially, in these kinds of studies while proposing a new construction component as in this thesis study, it is very important to evaluate the energy performance of the proposed component together with its effect on thermal comfort. Therefore, after energy performance analyzes, thermal comfort analyzes were done by calculating uncomfortable hours. As a conclusion, it was shown that the proposed exterior wall component detail has big potential to reduce yearly primary energy demand of luxury high-rise residential buildings in comparison to the standard retrofit actions. Additionally, in the cases with the proposed component, uncomfortable hours are less than the base cases. Moreover, Turkey is one of the representative country of Mediterranean climatic countries with a wide variety in terms of climatic conditions. Therefore, researches in Turkey would effect the applications in other Mediterranean countries as reverse. And since this building type and its variations locates also in other Mediterranean countries, the research could be a reference for potential use of the countries with Mediterranean climate. Within the scope of the thesis; in the first part the purpose of the thesis study, the unique value, literature review and hypothesis, in the second part the progress in the field of building energy efficiency both in EU and Turkey, in the third part the approach to decrease yearly primary energy demand of luxury high-rise residential buildings and comprehensive explanation of the methodology, in the forth part application of the explained approach on three case study buildings, in the fifth part discussion of the study and in the sixth part conclusion of the study take place.