BİNA ENERJİ YÜKLERİ PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BEYKENT ÜNİVERSİTESİ PROF. DR. SALİH OFLUOĞLU

(1)

1

BİNA ENERJİ YÜKLERİ

PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BEYKENT ÜNİVERSİTESİ

PROF. DR. SALİH OFLUOĞLU

THE COURSE MATERIAL WAS ADAPTED FROM BUILDING PERFORMANCE ANALYSIS FROM CERTIFICATE PROGRAM BY AUTODESK http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/bpac

(2)

Tanıtım

PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -2-

KONU BAŞLIKLARI

• Binaların enerji kullanımı,

• Enerjinin binadaki hereketi,

• Bina enerji ihtiyacına etki eden faktörler

• Binanın toplam enerji

tüketimi/kullanımı

AMAÇLAR

• Isıtma/soğutma çizelgeleri üretmek

• Kavramsal bir enerji analizi tamamlamak

• Bina kütlesi ve yönlenmesi ile yapının enerji

kullanımını azaltmak

VAKA ÖRNEĞİ:

Audubon Center

Yer: Columbus, Ohio, ABD Proje Yılı: 2009

İnşaat alanı: 1710 m2 Mimar: Design Group Ohio sıcak ve nemli yaz ve soğuk kış iklimine sahiptir İç/Dış Mekanlar:

• Kütüphane

• Kuş izleme alanı

• Sınıflar

• Yönetim ofisleri

• Dış anfi

• Yerel bitki gösterim bahçeleri

(3)

Binada ısı enerji hareketi

Ortamlar arasındaki sıcaklık farkı olduğunda ısı sıcaktan soğuğa geçer. Nem de yoğun alanlardan daha az yoğun alanlara geçer.

Binadaki ısı geçişlerini anlamak, enerji etkin bina tasarımı için önemlidir.

Binanın içini dış ortamdan ayıran bina kabuğu ile ilgili kararlar ilk önceliklidir:

Isı

geçişi/iletkenliği (conduction):

Birbirine değen maddeler arasındaki ısı transferidir.

Binalarda ısı iletkenliği veya geçişi kabuğu meydana getiren elemanların temas ettiği yüzeylerde olur.

Isı taşınımı (convection): Isı transferi nedeniyle gaz ve sıvıların hareketidir. Gaz veya sıvı ısındığında sıcaklaşır, genişler ve daha az yoğun olduğu için yükselir Taşınım, rüzgar ve basınç farklılıkların dayalı hava hareketleriyle gerçekleşir

Işıma/ışınım (radiation):

elektromanyetik dalgalar mekanda yol aldığında ışıma oluşur.

Bu dalgalar (örnek güneşten gelenler) bir yüzeye çarptığında o yüzeyi ısıtırlar. Işınım güneş ışınlarının bina içine ulaşarak

meydana getirdiği sıcaklıkla kendini gösterir.

Isı geçişi video’su

• Malzeme kararları (ısısal özellikler)

• Pencere sayısı

(4)

Bina kabuğu ve Malzeme Isısal Özelliği

KABUK:

Kabuk bina içi ve dışını ayıran fiziksel bölücüdür.

Duvarlar, çatılar, pencere boşlukları (normal, çatı, üst düzey penceresi) ve kapılar farklı kabuk elemanlarıdır. İyi kabuk yerel iklime en iyi cevap verendir. Aşırı uçtaki eklim tipleri ve kabuk yaklaşımları:

Kuru İklim kabuğu kuru ve sıcak

Tropik iklim kabuğu sıcak ve nemli

Soğuk İklim kabuğu çok soğuk

Karışık (karasal) iklim kabuğu kış soğuk, yaz sıcak/nemli

MALZEME:

U-Faktörü (Kabuk ve Cam yüzeylerde): Yapı elemanın genel ısı iletkenliğidir. Düşük olması, malzemenin daha az iletken olduğunu gösterir.

Bodrum duvarlarda kullanılmaz örneğin. Birimi kw/saat m2 ^oC

R-faktörü (Duvarlarda): R = 1/U

Isısal dirençtir (thermal resistance –R) . Herhangi bir malzemenin yalıtım amaçlı ne kadar etkin olduğunu gösterir. Yüksek olması malzemenin iyi yalıtım performansı verdiğini gösterir. Birimi

kw/saat m2 ^oC

(5)

Bina Enerji Yükleri

Isısal (thermal) yükler:

(thermal loads) kullanıcı konforu için ısısal dengeyi kurmak (algılanan ısı - sensible heat) ve nemi (yoğuşma ısısı - latent heat) kontrol etmek için ısı enerjisi eklenmesi veya çıkarılmasını gerektiren yüklerdir. Dış ve İç ısısal yükler olarak ikiye ayrılır.

• Bina yükleri video’su

Enerji kullanımı:

Konforu sağlamak için HVAC sistemi için olan dahil binada ne kadar enerji kullanıldığıyla ilgilidir.

Isısal yükleri anlama, pasif

iklimlendirmeden faydalanma ve arsada enerji üretme, enerji

kullanımını ve HVAC hesabını etkiler.

(6)

Dış Isısal yükler

• Güneş ve dış hava ortamından bina kabuğu yoluyla gelen ısı transferidir. Bu kategoriye havadaki nem de dahildir.

Binaya ısısının girdiği ve çıktığı genel yollar:

1. Bina kabuğu yoluyla dış havaya veya zemine ısı transferi

2. Pencerelere çarpan güneş ışığı ile iç

mekanların ısınması (doğrudan güneş ısısı kazanımı)

3. Güneş ışığının binanın dış yüzeyini ısıtması (dolaylı güneş ısısı kazanımı) 4. Boşluklar ve sızıntılarla dış

ve iç ortam arasında hava geçişi

• Kabuk malzeme seçimi, cephe tasarımı ve kabuğun sızdırmazlığı dış ısısal yükler için önemlidir

• Isının nereden kazanıldığı ve kaybedildiği pasif tasarım

stratejileri için önemlidir. Güneşli ve sıcak olduğunda güneş kırıcılarla güneş ışınımı yüklerini azaltmak, soğukta ise bu enerjiyi binaya kazanmak önemlidir.

(7)

İç Isısal yükler

• Bina kullanıcıları, aydınlatma (ışıklar), fiş (küçük ev aletleri) ve ekipmanlardan (HVAC,

ısıtma/soğutma sistemleri) kaynaklanan yüklerdir.

• Soğutma ihtiyacını arttırır. Çok kullanıcılı ve fiziksel eyleme dayalı mekanlarda üretilen ısı yüksek olur.

• İç yükler aynı zamanda bina tipine, mekanların kullanım amaçlarıyla ve süresine göre de değişir.

(8)

Isıtma ve Soğutma İhtiyaçları

Ekipman Aydınlatma Kullanıcılar

Pencere radyasyon (ışınım) Pencere kondüksiyon Konveksiyon (infiltrasyon) Zemin yüzeyleri

İç yüzeyler Çatılar Duvarlar

İÇ YÜKLER

DIŞ YÜKLER

• BPA yazılımları bu enerji ihtiyacını doğuran

sınıflandırmayla ısıtma ve soğutma yüklerini sağlar.

Bu enerji analizi grafikleri ekipman

boyutunu değil enerji akışını göstermek amaçlıdır. Bu araçlar aşırı ekipman boyutlandırması yapmamak için ihtiyacı anlama ve hesaplamaya yardım eder.

(9)

Isıtma ve Soğutma İhtiyaçları

• Isıtma/soğutma yük çizelgeleri ısı kazanımının veya kaybının

nerelerde olduğunu gösterirler.

Bunlar HVAC sisteminin bu yükü karşılamak için gerçekte

kullanacağı enerji değildir.

• (İç) ısı kazanımları, kabuk ve havalandırma yollu

kayıplardan yüksekse net soğutma yükü oluşturur (bina sıcaktır)

• (Dış) ısısal kayıplar iç ısısal kazanımlardan yüksekse net ısıtma yükü oluşturur (bina soğuktur)

• Pasif sistemler enerji ihtiyacını azaltıp ve doğal yollardan karşılanmasını teşvik eder. Aktif sistemler, gaz ve elektrik

kullanarak ısı ve neme karşı konfor ortamı sağlar.

AYLIK ISITMA YÜKLERİ

AYLIK SOĞUTMA YÜKLERİ iç yüklerin

yarattığı ısı

dış yüklerin kaybettirdiği ısı kazanılan ısı mekansal konfor için ısı azalmalı kaybedilen ısı mekansal konfor için ısı artmalı

Değerler kBTU/ft2/yr cinsindendir. 1 kwh=~3kBTU

(10)

Görsel konfor için bina kütlesi ve konumu

• Görsel konfor için güneş erişimi önemlidir. Doğu-batı ekseni binanın uzun yönü için tercih edilir. Bu

yönlenme tutarlı bir şekilde günışığı alınımı sağlar.

Ancak kamaşma için önlem alınmalıdır.

• Daha iyi ışık alımı için ince uzun bina tasarımı tercih edilir.

• Büyük ve geniş yapılarda ise boşluklar sağlayarak gün ışığı arttırılır.

(11)

Isısal konfor için bina kütlesi ve konumu

• Güneş ışınım (ısı) etkisinin kazanımına dayanır.

Güneşin yolu dışında kalan duvarlarda (kuzey) ısı

kazanımı olmaz.

• Güneş ısısı, ısısal kütle

(thermal mass-malzemenin sıcaklıktaki değişime

direncidir) tarafından depolanabilir. Batı

duvarlarında gece için ısı tutumunda faydalıdır.

• İnce ve özellikle yüksek binalarda ışınıma bağlı ısınma daha az olur çünkü çatı alanları daha azdır.

Şekil olarak yüzey alanı ve hacim arasında farkın az olduğu şekillerde örneğin küp veya yarım küre daha az ısı kaybı oluşturur.

• BIM yazılımları her duvar yüzeyine gelen güneş ışınımı miktarını

sayısallaştırılabilir; Detaylı cam ve cephe tasarımı için binayı etkileyen güneş ışınımının düzenini bilmek gerekir. 

YATAY YÜZEYLER (ÇATI)

GÜNEY CEPHESİ

DOĞU CEPHESİ

BATI CEPHESİ

KUZEY CEPHESİ sabah saatleri

öğleden sonra saatleri gün boyunca

değerler Wh/m2

(12)

Isısal konfor için malzeme seçimi

• Isı depolama veya ısıdan

kaçınmak için malzeme seçimi ve camlar önemlidir.

• Güneye bakan yüzeylerde geniş pencereler ve ısısal kütleli

malzemeler ile güneş ısı kazanımı sağlanır. Gün doğuşu ve

batımında sıcaklığı dengelemek için doğuda daha fazla cam, batıda ise küçük camlar ve gece ısısını yaymak için ısı tutan

malzemeler seçilir.

• Gelişmiş camlar günışığını ısısından ayırabilir. Az güneş gören

cephelerde dahi, yüksek yalıtımlı camlarlar az ısı kaybıyla günışığı elde edebilirler.

(13)

Isısal konfor için doğal havalandırma

• Sıcak havalarda serin esintileri almak, soğuk havalarda ise istenmeyen rüzgarlardan korunmak için rüzgar gülü gibi grafikler incelenir. Hangi rüzgarın hakim rüzgar olduğu görülür, yararlanma veya korunma stratejileri belirlenir.

• Genelde binanın kısa aksı hakim rüzgara verildiğinde en yüksek havalandırma sağlanır.

• Doğrudan rüzgara yüzünü dönmemiş binalarda ise iç mekanlar ve yapısal elemanlar ile havanın binada farklı yönlenmesi sağlanabilir.

• Avlusu olan ve soğutma istenen bir yerdeki binalar için avluyu hakim rüzgardan 45 derecelik bir konuma yöneltmek avludaki rüzgarı ve binadaki çapraz havalandırmayı yükseltir.

(14)

Bina tipi ve kütle biçimi ilişkisi

• Doğru kütle şekli bina tipine de bağlıdır.

• Konutlar:

Az kişinin yaşadığı, ekipmanın az olduğu , aza eylemli

yerlerde iç yükler min. Isı oluşturur. Soğuk iklimlerde küçük kat planları dışarıya ısı kaçışını önler. Bu, yüzey- hacim oranını azaltır ve

rüzgara bağlı ısı kaybı az olur.

• Ticari yapılar:

Çok sayıda kişinin olduğu, çok ekipman ve eylemli

mekanlarda yüksek ısı oluşur ve iç soğutma yükü fazladır.

(15)

Vasari Kavramsal Enerji Analizi: Süreç

(16)

Vasari Kavramsal Enerji Analizi: Süreç

1-Kavramsal modeli oluştur

3-Enerji modelini oluştur:

AnalyzeEnergy Analysis paneliEnergy Settings iletişim kutusu aşağıdaki alanları kontrol et:

AnalyzeEnergy Analysis paneliEnable Energy Model’i seç

2-Modele katları ekle

(17)

Vasari Kavramsal Enerji Analizi: Süreç

4-Enerji simülasyonunu çalıştır Analyze Energy Analysis

paneliEnergy SettingsRun Energy Simulation

5-Analize isim ver ve Green Building Studio Project’i tanımla Run Energy Simution iletişim kutusunda analiz için bir isim ver veya varolan Building Studio Project’i kullan. Continue ile devam et.

6-Simüle edilen eleman görüntülenir:Görünüm mass zone ve mass shades’leri gösterir ve bu simülasyonda yer

almayan elemanları geçici olarak soluklaştırır.

7-Simülasyon adına tıkla. Analiz tamamladığında bir uyarı

gözükür. Analiz adına tıklayarak simülasyon sonuçlarını görüntüle veya

AnalyzeEnergy Analysis paneliResults & Compare ve proje ağacından analizi seç

(18)

Vasari Kavramsal Enerji Analizi: Süreç

9-Simülasyon sonuçlarını incele Results and Compare iletişimde analiz sonuçlarını incele. Settings sekmesinden hangi çizelgelerin görüntüleceği ve Results

sekmesinden de enerji analiz verisi görünümü ayarlanabilir.

10-Değişiklikler yap, simüle et ve kıyasla- Kütle modelini ve enerji ayarlarını

gerektiği şekilde değiştir. 3-7 arasındaki adımları takip ederek değiştirilen model üzerinde simülasyonu yap. Karşılaştırma için multiple analyses seçip araç

çubuğunda Compare’e tıkla

(19)

Enerji Kullanımı

Enerji Kullanımı Şiddeti (Enerji Use Intensity-EUI)

Kat planında m2 veya feet2 başına düşen enerji ihtiyacıdır. Bina ile ilgili bir hedef koymak için kullanılır.

Bina tipi, iklim ve bina boyutuna göre farklılık gösterir.

Konumdaki enerji (site energy) Kaynak enerji (source energy) Enerji son kullanımı

(20)

Örnek Çalışma: Re-Link Karma Yapı Projesi

Transformation 2030

Öğrenci yarışması 3üncüsü

AIAS - Amerikan Mimarlık Öğrencileri Enstitüsü

Jacob Van de Roovaart

BİNA PROGRAMI:

(Konut, Ana okulu, Market, Ofis, Performans ve etkinlik alanları)

YER ve TARİH:

Güney Bronx, New York City - Nisan 2014

SAYISAL ARAÇLAR:

Vasari, Green Building Studio

(21)

Örnek Çalışma – Konsept

PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -22- YAŞAYAN

İLİŞKİLERİ Konut alanları ile

bütünleştirilen kreş, market ve etkinlik merkeziyle yaşayanları kaynaştıran, kendi içinde yeterli, ve güvenli bir ortam oluşturmak

BİNA BİÇİMİ, YÖNÜ VE İKLİMLEN- DİRME

Kış aylarında ısıtma ihtiyacını azaltmak için kütle doğu batı aksı boyunca geliştirmek ve maksimum güneş erişimi için bina biçimini dar tutmak ve kütlelerin birbirini

engellemesine mani olmak Binalar üzerinde yeşil çatılar, bitkisel örtüsü ve ağaçlar ile ısı adası etkisini azaltmak

KAMUSAL

ALANLAR Park eksikliği olan bölgede farklı erişimde açık veya korunan kamusal alanlar (avlular) parklar oluşturmak ve yaşayanların etkileşimde bulunmasını teşvik etmek, kreş bahçesi için tanımlı bir dış bahçe meydana getirmek

• Yaşayanlar için güvenli ve kaynaştıcı bir çevre oluşturmak

• Bina biçimi ve yönlenmesiyle doğal iklimlendirme sağlamak

• Binanın ihtiyaç duyduğu enerjinin bir kısmını arsada yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamak

(22)

Örnek Çalışma - Sürdürülebilirlik Hedefleri

EUI-METRE ile enerji hedefi hesaplama

• 2030 Challenge 2014 için karbon salınım hedefi %60 CO₂ azaltımı

• EUI (Energy Use Intensity)

ölçütü (eia.GOV) – birim kBTU/sf/yr

• EUI hesaplaması ve bina modellemesi Autodesk Vasari ile yapıldı

(23)

Örnek Çalışma – Fiziki-Sayısal Modellerle Analiz

(24)

Örnek Çalışma – Tasarım Evreleri

1 2

4

3

(25)

Örnek Çalışma – Enerji Analizleri

%45 Fosil kaynaklı yakıt

4552 ton CO₂ salınımı %41 Fosil kaynaklı yakıt

4279 ton CO₂ salınımı

%37 Fosil kaynaklı yakıt 4238 ton CO₂ salınımı 

(26)

Örnek Çalışma

5

(27)

Örnek Çalışma

%37 Fosil kaynaklı yakıt 4238 ton CO₂ salınımı

(28)

Örnek Çalışmalar

Transformation 2030 – bilgi ve projeler

Autodesk Sustainability Workshop Örnekleri

• Campus Kalvskinnet—Design of a Zero Emission Building

• Energy Efficiency and Aesthetics in Kazakhstan

• Messina Schoolhouse: High Efficiency Mediterranean Architecture

• Anna University College of Engineering (India)

Pennsylvania State University BIM works

• Integrated Design Studio + video dosyası

• Penn State University - Integrating BIM into Education