Tez Arşivi

Hakkımızda

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


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Anabilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı

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

Uyarlanabilir bina kabuklarının enerji etkinliğinin istanbul'daki bir ofis binası için incelenmesi ve detaylı bir katlanan uyarlanabilir bina kabuğu sistemi önerilmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 559421 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Increased energy consumption is a topic that has been widely discussed all over the world recently. With the advancing technology, increasing world population, and growing big cities overall energy consumption is come to a threatening level. It afffects the economy, increases the use of limited natural sources, damages ecological system and contributes to climate change in a negative way. An unignorable part of the global energy consumption is caused by buildings. Designers and architects are tending towards energy efficient buildings for decades. Various design approaches are emerged which are putting energy in the center such as passive houses, net zero energy buildings, double skin facade systems and so on. Lately, adaptive building skins that are developed with the same intentions, are focused on to discover their potentials by designers and researches. Adaptive building skins have the possibility to create comfortable interior environment conditions for users by acting and adjusting themselves with regard to changing exterior conditions with less energy use. Several buildings are constructed which are designed with adaptive skins in Germany, Australia, United Arab Emirates etc. However, in the design process of high-rise buildings and building complexes that are possibly at the top of the energy consumption amongst other buildings, adaptive building skins are not even considered in Turkey. In İstanbul, where the construction industry has the biggest share in the whole country industry, many high-rise office buildings have fully glazed facades that reminds of glass boxes. This study firstly aims to explore the energy saving potential of an adaptive skin for a high-rise office building in Istanbul. Then, the energy efficiency performance of an adaptive skin concept which is designed in detail to suit an exemplary office building is intended to be evaluated. Finally, it is aimed to propose the system of an adaptive building skin and its connection to an exemplary existing office building in Istanbul. Istanbul gets high level of solar radiation in summer which increases the cooling energy demand in especially fully glazed high-rise buildings. A study that explores the potential of an adaptive skin for such a building can encourage both designers and investors to implement that system in a building. In the scope of this study, high-rise office buildings are selected to focus on for several reasons. First, fully glazed facade designs are mostly seen in high-rise office buildings because they are considered aesthetic and prestigious. Yet, they mostly cause high cooling energy demand in summer and high heating energy demand in winter. Secondly, big companies invest a large amount of money in their office buildings and try to implement high technology systems to make the office building look prestigious on the outside and have a comfortable environment for employees on the inside. Therefore, a high-rise office building is most in need of an adaptive skin and also most likely to have one implemented on its glazed curtain wall. In the first chapter purpose and scope of the study is explained. Definition of building skin and other terms that are used for the building element that is seperating exterior and interior is analysed. Evolution of building skin technologies parallel to technological developments in building materials and construction methods is investigated. After that, terminology from kinetic architecture to adaptive building skins are evaluated to track the interpretation of movement into architecture. Since this is a rather new area to study, unclear terminology and classifications are introduced to be able to place this study in the existing literature. In order to find the adaptive skin concept that is most suitable and energy efficient for a high-rise office building in Istanbul a series of simulations are made. Four adaptive skin concepts that have different movement types are generated. Three control strategies are proposed to direct the behaviour of adaptive skins. A base office unit is representing a segment of a high-rise office building is formed. Each adaptive skin concept is implemented with three different control strategies to base office unit to run the simulations. Simulation strategy is developed with some assumptions for all adaptive skin concepts and base office unit. Thus, the results are consistent with easch other and analysed in a comperative manner. Resuts are compared to each other with regard to annual heating and cooling energy demands. Each adaptive skin concept showed a significant decrease in energy demands compared to base unit. Adaptive skin concept with the folding movement type is accepted as the one with the best result amongst others. Last step of the study was to design the best performing adaptive skin in detail to fit an exemplary high-rise office building and test its energy performance. On the basis of simulation results, a folding adaptive skin unit is developed with the inspiration from origami patterns. The miura-ori pattern is used for the design of the adaptive skin's folding pattern due to some of its features; ease of foldability only from one point and possibility to create an infinite number of patterns changing the parameters of the pattern. An adaptive skin unit based on miura-ori pattern is designed and its performance is evaluated with same simulation strategy used for adaptive skin concepts. Simulation results of folding adaptive concept and proposed folding adaptive skin developed based on miura-ori pattern are compared. Finally, system components and movement mechanism of proposed folding adaptive skin is designed with its connection details to an exemplary existing office building in Istanbul. With the increasing concerns on the energy consumption, decreasing the energy consumption of existing building stock and designing new buildings with an energy efficient approach is essential. Purpose of this study is to prove the potential of adaptive building skins in energy saving and introduce their applicability to existing high-rise office buildings in Istanbul. This study can encourage designers and investors to implement adaptive building skins to existing office buildings. Glare, visual comfort and artificial lighting energy may be investigated in simulations of adaptive skins as a further study. Also, potential of adaptive skins for cities in Turkey other than İstanbul may also be investigated.

Summary:

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 gözardı 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 bir çok 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 bir çok 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.