|
Doğal havalandırma, binalarda, soğutma ve hava üflemeye ilişkin elektrik enerjisi tüketimini azaltma potansiyeline sahiptir. İki ana fonksiyonu: (i) havanın hareket ettirilmesi için elektrik harcanmadan iyi bir iç mekan hava kalitesi sağlanması ve (ii) gün içinde hava hızının artırılması ve gece boyunca yüksek havalandırma oranları aracılığıyla yaz aylarında konfor sıcaklığının iyileştirilmesidir. Esas fayda, dışsal enerji gereksinimine ihtiyaç duymaksızın, yaz aylarında soğutma için gerekli olan yüksek havalandırma oranlarına ulaşılması olasılığıdır. Ancak ana sorun, kış aylarında, ılık oda sıcaklığından ısının geri kazanılmasıdır. Doğal havalandırma, çok katlı ofis binaları için hala yaygın olarak tercih edilen bir havalandırma yöntemi değildir. Konfor sıcaklığı kestirimlerindeki belirsizliklere bağlı olarak, mimar ve mühendisler, pasif teknolojilerin uygulanmasına hala çekinceli yaklaşmaktadırlar.
Bunun nedeni, klima tesisatı olmadan iyi bir konfor sıcaklığı ve iç mekan hava kalitesinin elde edilebilmesi için gerekli olan elverişli sistem tasarımı konusunda sınırlı düzeyde bilginin var olmasıdır. Plancıları doğal havalandırma sistemlerinin tasarımı konusunda destekleyebilecek, hazır standartlar bulunmamaktadır. Hava deliklerinin efektif olarak boyutlandırılması için ön değerlendirme araç ve aygıtları bulunsa da, bunlar sadece bazı bina ve havalandırma tasarımları için geçerlidir ve karmaşık akım yolu tasarımlarında kullanılmak için elverişli değildir. Doğal olarak havalandırılan çok katlı ofis binalarının, özellikle enerji korunumu ile ilgili performansları konusunda, yok denecek kadar az sonuca rastlanmaktadır. Akım yolu tasarımının içerdiği ögelerin boyutları ve havalandırma stratejilerinin araştırılması konusunda nihai bir ihtiyaç bulunmaktadır. Pasif soğutma yaklaşımının sadece sağlam bir doğal havalandırmaya değil, aynı zamanda ısı kazanımlarının azaltılmasına ve gece soğuğunun depolanması sistemlerine de dayandığı görülmüştür.
Bu tez, bahsi geçen araştırma açığına dayanmaktadır ve dolayısıyla amaçlanan, ılıman Avrupa iklimlerinde enerji korunumu sağlanabilmesi için doğal havalandırmadan faydalanılmasının elverişliliğini incelemektir. Bu amaç doğrultusunda tezin başlangıç noktası, doğal havalandırma için büyük bir uygulama alanı olan ofis binalarına yoğunlaşarak, doğal havalandırma kavramını incelemektir. Buradaki ana önerme, pasif teknolojilerin etkin şekilde uygulanması yoluyla, sürdürülebilir binalar tasarlanması ve inşa edilmesinin mümkün olduğudur. Esasen, doğal havalandırmanın soğutma potansiyeli üzerine vurgu yapılmaktadır. En önemli kapsayıcı hedef, yeni binaların tasarlanması ve mevcut olanların geliştirilmesi ile bağlantılı enerji tasarrufu önlemleri konusundaki bilimsel anlayışı derinleştirmektir. Tasarım süreciyle ilgili bütün girdi parametrelerini tanımlayan, ölçülebilir bir çerçeve yaratılması aracılığıyla, pasif teknolojilerin pratik olarak uygulanabilmesi önündeki mevcut engellerin azaltılması sağlanabilir. Bu hedefe ulaşmak amacıyla, gerekli sistem tasarımı için bir planlama ve simülasyon yaklaşımı geliştirilmiş ve ardından, kontrollü doğal havalandırmanın fonksiyonelliği değerlendirilmiştir. Simülasyon sonuçları, referans alınan örnek alan ile karşılaştırılmıştır.
İstanbul / Türkiye'de yer alan çok katlı ofis kulesi Kanyon (28 kat), yüksek konfor beklentileri ve karmaşık mekanik sistemleri ile en son teknoloji ile inşa edilmiş bir bina olarak temsili özellikler taşıması nedeniyle, uygulamayı göstermek amacıyla seçilmiştir. Binanın ölçülen enerji tüketiminden yola çıkarak, solar ve içsel ısı kazanımı ile temiz hava kontrolünün, mekanik soğutma ve havalandırma için önemli düzeyde elektrik tüketimine neden olduğu sonucuna varılmıştır. Bina ve işletme konusundaki detaylı bilgi, bina yönetimi tarafından sağlanmıştır. Esas alan araştırmasına ek olarak, üç farklı ılıman iklim konumunun etkisi üzerine bir karşılaştırmalı değerlendirme yapmak üzere, İstanbul, Torino ve Stuttgart sistematik olarak analiz edilmiştir. Bu değerlendirme, farklı iklim koşullarının, tasarım ve performans üzerindeki etkilerini daha iyi anlamak için gerçekleştirilmiştir. Kapsamın bu şekilde genişletilmesi ile öngörülen, pasif soğutma sistem tasarımları için anlamlı sınır koşullarının sağlanmasıdır.
Tezin başlıca hedefleri şu şekilde sıralanabilir: (i) çok katlı ofis binalarının pasif soğutma ve havalandırması için bir tasarım yaklaşımı geliştirmek, (ii) önerilen tasarımın fizibilitesini incelemek adına, özellikle bu amaç için sanal olarak uyarlanmış mevcut bir binaya dayalı alan araştırması gerçekleştirmek.
Doğal havalandırma tasarımının farklı analiz araçları ve örnek alan entegrasyonu ile planlanması için bir yaklaşım geliştirilmiştir. Yöntem üç aşamadan oluşmaktadır: (i) ilgili bina tipi üzerindeki mimari sonuçlara odaklanan kavramsal tasarım değerlendirmesi, (ii) havalandırma sistemini boyutlandırmak için elektrik devresi analojilerine dayalı özgün bir ön tasarım aracının geliştirilmesi ve (iii) isteğe bağlı havalandırma kontrolünü de içeren, yıllık bina enerji performansı simülasyonlarına dayalı daha detaylı bir tasarım geliştirilmesi.
İlk aşamada, basit çapraz havalandırma ya da tek yönlü havalandırma uygulamalarının imkânsız olduğu geniş yapılı çok katlı binalarda, pasif soğutma için genel bir kavram geliştirilmiştir. Tasarım yaklaşımına ilişkin araştırma sorusu mimarı sonuçlar üzerine yoğunlaşmıştır. Bulgular, dikkate alınan spesifik bina türünün incelenmesine ek olarak, örnek alan olan Kanyon binasının ve iklim değerlendirmesinin incelenmesinden elde edilen bulgulara dayanmaktadır. Kavramsal tasarım sürecinde bir takım zorluklar ortaya çıkmıştır. Akım yolu tasarımına yönelik kavramsal uyarlamalar şunlardır: (i) bina genişliğine bağlı olarak merkezi baca stratejisi, (ii) her biri orta yükseklikte bir bina olarak değerlendirilebilecek izole, modüler parçalar ve (iii) istenilen akım yönünü garantilemek ve rüzgâr basınç farklılıklarını maksimize etmek için karşılıklı, rüzgâra göre ayarlanmış açıklıklar. Pasif soğutma için önerilen diğer kavramsal tasarım çözümleri şunlardır: (iv) binaya giren solar radyasyon miktarını düşürme kapasitesine sahip, iyileştirilmiş dışsal gölgelik aygıtları ve (v) gece havalandırması için binanın yapısal kütlesinin aktive edilmesi.
Tasarım yaklaşımının ikinci aşamasında, iklime özgü yaz gündüz tasarımı için gerekli olan hava değişimi oranını ve sistem boyutunu belirlemek amacıyla özgün olarak geliştirilmiş 'HighVent' ('YüksekHavaDeliği') planlama aracı tanıtılmıştır. Basit elektrik devre analojileri, hem havalandırma hem termal modellerde, doğal havalandırma sistemleri odaklı pasif sistem planlamasını desteklemek için uygun görülmüştür. Sonuçların geçerliliği, 'EnergyPlus' bina enerjisi simülasyon programı ile karşılaştırmalı doğrulama yapılması yoluyla kanıtlanmıştır. Mekanik tesis boyutlandırması ile ilgili klasik gündüz koşulları tasarımının, pasif soğutma sistem tasarımı için fazla katı olduğu ve uyarlanmış konfor yaklaşımını yansıtmadığı sonucuna varılması neticesinde anlamlı tasarım sınır koşulları, yaz günü profillerinin özgün olarak geliştirilmesi aracılığıyla sağlanmıştır. Yaklaşım, aşırı sıcak ve normal yaz dönemleri için ortalama hava sıcaklığı, nem oranı, radyasyon ve rüzgâr bilgisini organize etmektedir. Açıklıklar, optimizasyon sürecini de içeren ters çözücü yöntemi ile otomatik olarak boyutlandırılabilmektedirler. Yöntem, arazi ve kat yükseklikleri için düzeltme faktörü önermektedir. Varsayılan basınç dağılımı ve akım dirençleri düzenlenebilmektedir. Kanyon binası için, basınç katsayıları, rüzgâr tüneli ölçülerinden elde edilmiştir. Program öncelikle, değişmeyen sınır koşulları ile verilmiş hava akımı oranına göre akım yolu tasarımını hesaplamaktadır. İlk modülden alınan bu değerler, dinamik konfor ısısını hesaplayan termal modüle aktarılmaktadır. Ardından, işlemler, sistem boyutu pasif soğutma için yeterli olana dek tekrarlanmaktadır. Bina, hava sızdırmazlığı, yönelim, solar kontrol, parlama oranı, ısı kütlesi, konumu ve içsel ısı kazanımları gibi tasarım seçenekleriyle tanımlanabilmektedir. Termal modeli de içeren dinamik gündüz simülasyon tasarımları, tek bölge modeli için yürütülmektedir. Bu tasarımlar, seçilen havalandırma stratejisi ve boyuta göre binanın termal davranışı üzerindeki etki değerlendirmesinin yapılmasına olanak tanımaktadırlar. Araç sonuçları, eğer yaz günü tasarımları için belirli bir uyarlanmış konfor ısısı ölçütü elde edilebilirse, öneriler de içermektedir.
Üçüncü aşamada, uyarlanmış Kanyon binasının yıllık performansı, hava akımı ağlarını da içeren EnergyPlus bina enerji simülasyonları ile örnek oluşturacak şekilde modellenmiştir. Model, 'HighVent' aracının ilk havalandırma tasarım sonuçlarını, 'işlem sonrası' model girdilerini, iyileştirilmiş gölgelik ve ısı kütle aktivasyonları için yapılmış kavramsal uyarlamaları ve bina yöneticileri tarafından sağlanmış veriler doğrultusunda Kanyon binasının uygulama çizimlerine ilişkin diğer özelliklerini de içermektedir. Belirli parametrelerin etkilerinin incelenebilmesi için kullanıcılara duyarlılık analizi yürütme olanağı tanınmaktadır. Programlanmış isteğe bağlı havalandırma kontrolü ile dinamik olarak elde edilmeye çalışılan: (i) EN 13779'a bağlı yüksek iç mekân hava kalitesi elde edilmesi ve (ii) EN 15251 kategori II'ye bağlı olarak uyarlanabilir konfor sınırları içerisinde kalmasıdır. Hedeflenen hava değişimi oranı, uygulanması amaçlanan hava miktarını temsil ederken, ulaşılan hava değişimi oranı, simülasyonda ortaya çıkan havalandırmanın küçük olan miktarıdır. Yıllık konfor ısısı, pasif soğutma kavramlarının değerlendirilmesi için en önemli göstergedir; dolayısıyla son karar alma aşaması için önerilmiştir. Bina hacminin pahalı bir kaynak olmasından dolayı, tasarımcının, beklenen uyarlanabilir konfor ve doğal havalandırma sistem boyutu arasında bir önem değerlendirmesi yapması gerekmektedir. Tasarım özelliklerinin göreli etkisinin araştırılması için duyarlılık analizi yapılması suretiyle sistem yeniden boyutlandırılabilir. Karma bir yaklaşımın benimsenmesi durumunda, mekanik sistem donanımı ve enerji tüketim parametrelerinin de dikkate alınması gerekmektedir.
Yöntem yaklaşımının uygulanabilirliği, mevcut Kanyon ofis kulesinin sanal olarak uyarlanması yoluyla tanıtılmış ve değerlendirilmiştir. Sanal izleme, modelleme ve simülasyon aracılığıyla, yöntem, hava sıcaklığı dağılımı ve hava akımı örüntülerini, doğal olarak havalandırılan bir ofis kulesi binasının prototipinde öngörebilmektedir. İşleyiş düzeyi, bina enerji performansı simülasyon sonuçlarının Avrupa standartları veya diğer referans ölçütlerine göre sınıflandırılabilmesi için performans göstergelerinin kullanılması yoluyla tasdik edilmektedir. Farklı iklimsel koşulların etkisi, üç farklı iklimsel konumdaki örnek binanın karşılaştırmalı performans değerlendirmeleri aracılığıyla ortaya koyulmakta, böylece, Avrupa Birliği'nin, Bina Enerji Performansı Yönergesinde belirlenen iddialı hedefler desteklenmektedir.
Açıklıkların kontrol edilmesinin bütün örneklerde önemli olduğu görülmüştür; aksi takdirde, havalandırma oranları fazla yükselerek, yaz aylarında bile ofis odalarının fazla soğumasına neden olmaktadır. Haftalık tasarım simülasyonlarının karşılaştırılması ile geliştirilen 'uyarlanabilir hava sıcaklığı yükselticisi' kontrol algoritmasının, aşırı soğuma olmaksızın ve sıklıkla yüksek ayarı yapılmasına gerek kalmaksızın pasif soğutma için gerekli akım oranlarının uyarlanmasında, basit kontrollerden daha dirençli olduğu gösterilmiştir.
Sonuçlar, doğru tasarlanan ve kontrol altındaki doğal havalandırmanın iyi işlediğini ve EN 15251 kategori II'deki uyarlanmış konfor sınırlarının nadiren aşıldığını göstermektedir. Stuttgart ikliminde, ileri tasarım uyarlamalarına ya da karma soğutmaya ihtiyaç olmadığı sonucuna varılmıştır. İstanbul'da, %3 ile %5 arasında ortalama bir aşma sıklığı ile ileri tasarım uyarlaması ya da karma soğutma makul ancak zorunlu değildir. Ancak, Torino'daki konfor beklentilerinin karşılanması için, daha fazla tasarım uyarlaması veya bir karma soğutma kavramına ihtiyaç olduğu saptanmıştır. Duyarlılık analizi, parlama alanı ya da teçhizat ısı kazanımının yarıya indirilmesi veya binanın ağır olması durumunda, Torino'daki ortalama aşma sıklığının %3'ün altında bir değere düşürülebileceğini göstermektedir. Nem değerlerinin konfor beklentilerini karşılaması tartışılmalı ve tüm proje taraflarınca kabul edilmelidir, aksi takdirde karma operasyon yaklaşımı iyi bir alternatif oluşturabilir.
Kontrol edilen tüm örneklerde, EN 13779'a uygun olarak, dış mekân havası üzerinde 400 ppm'nin altında CO2 seviyesine rastlanmış, yüksek iç mekân hava kalitesine erişilmiştir. Bunun nedeni, bir saniyede kişi başı en az 14 litre ile tanımlanan gerekli hava akım oranlarının sağlandığı, mekanik ve doğal havalandırma sistem boyutunun yeterli olmasıdır.
Konfor ısısının devamlılığı sağlanırken olası enerji korunumunun incelenebilmesi için, simülasyon aracılığıyla, birbiriyle aynı olup varyantları (pasif/karma/aktif) farklı olan binalar karşılaştırılmıştır. Enerji tüketimi için uygulanmış senaryolar referans alınmıştır. Kanyon ofis binasının başlıca enerji girdisi, pasif işlem için yaklaşık olarak %30-40 arasında ve karma işlem için %28-34 arasında düşürülmüştür. Kontrollü doğal havalandırmayı da içeren pasif soğutmada, soğutma ve havalandırma için enerji tüketimi yoktur ve pompa işlemi ısıtma sezonuyla sınırlandırılmıştır. Bu durum, ilk başta yapılan varsayımı doğrulamaktadır; tamamen pasif olarak soğutulan ve havalandırılan ofis mekânları için enerji korunumu kayda değerdir, özellikle de yüksek enerji tüketen son teknoloji ofis kuleleri ile kıyaslandığında. Karma stratejilerin, işlem için maksimum 26 °C hava sıcaklığı sınırı sağlaması nedeniyle, pasif soğutma ve havalandırma kaynaklı enerji korunumunda en yüksek paya sahip olduğu görülmüştür. Yıllık küresel ısınma potansiyelinde azalmanın, yaklaşık olarak, Stuttgart'ta 1 200 ton CO2'ye, Torino'da 1 300 CO2'ye ve İstanbul'da 1 700 ton CO2'ye eşdeğer olduğu görülmektedir.
|
|
Natural ventilation of buildings has the potential to significantly reduce energy consumption related to cooling and fanning. This can be achieved by (i) providing good indoor air quality without any electricity demand and (ii) improving thermal comfort in the summer through increased daytime airspeed and high night ventilation rates. In high-rise office buildings, however, natural ventilation is still not a widely preferred means of ventilation.
The main reason is the lack of information on the required system design. There are neither standards nor tools and instrument that support planners in the design of natural ventilation systems. Evaluation tools and instruments that are usually applied for effective vent sizing during preliminary planning are not suitable for complex flow path design. Only few results, if any, are available on the performance of naturally ventilated high-rise office buildings, especially where energy conservation is considered. In addition, a passive cooling approach can rely not only on intense natural ventilation but also on the reduction of heat gains, and on night cold storage systems. Considering these aspects together, there is a definitive need for research on the flow path design taking vent sizing for the provision of good indoor air quality and thermal comfort into account..
The current thesis is predicated on the above mentioned research gap. Towards this end, the thesis sets out to explore the concept of natural ventilation with focus on office buildings as a major application area. Emphasis is laid on the cooling potential of natural ventilation. The existing barriers for practically implementing passive technologies can be lowered by creating a quantifiable framework that accounts for all the relevant input parameters in the design process. In order to reach this goal, a planning and simulation approach is developed for the required system design, and the functionality is subsequently evaluated. The results of simulations are compared to those of a reference case-study.
The 28-floor Kanyon high-rise office tower, situated in Istanbul, Turkey, is selected to demonstrate the applicability as it is considered to be a representative, state-of-the art building. From the energy metering, it is concluded that mechanical cooling and ventilation result in significant electricity consumption. Detailed information on the building and its operation has been made available by the building management. In addition to the primary case-study, a comparative assessment of the impact of three different moderate climate locations, viz., Istanbul, Turin and Stuttgart, is systematically analysed.
The primary objectives of the thesis can be stated as (i) the development of a design approach, and (ii) the investigation of the feasibility of the proposed design, based on an existing case-study building virtually adapted specifically for this purpose.
The approach is developed in three steps, including (i) conceptual design considerations with focus on the architectural consequences on the building type of concern, (ii) the original development of a preliminary design tool based on electrical circuit analogies for sizing the natural ventilation system, and (iii) a more detailed design development based on annual building energy performance simulations including custom ventilation control.
In the first step, an architectural concept is developed for passive cooling in wide-shaped high-rise buildings where it is impossible to realise simple cross ventilation or single-sided ventilation. During the conceptual design process several challenges emerged. Conceptual adaptations addressing the flow path design are (i) a central chimney strategy in respect to the building width, (ii) isolated, modular segments, as each can then be treated as a medium-rise building and (iii) opposed, wind adapting openings to guarantee the intended flow direction and to maximise the wind pressure differences. Other solutions proposed for passive cooling are (iv) improved external shading devices (v) activation of the structural mass for night-time ventilation.
In the second step of the design approach, the originally developed 'HighVent' planning tool is introduced with the aim to determine the design air change rate and system sizes necessary for climate specific summer design days. Simple electrical circuit analogies, for both ventilation and thermal models, are found to be suitable in supporting the passive system planning. As it is concluded that the classic design day conditions for mechanical plant sizing are too strict for passive cooling system design, meaningful design boundary conditions are provided. Openings can be sized automatically by the inverse solver method including an optimization process. For the Kanyon building, the pressure distribution is deduced from wind tunnel measurements. The program first calculates the flow-path design for a given airflow rate with unchanging boundary conditions. These values are then provided to the thermal module, which calculates the dynamic thermal comfort. The procedure is then repeated till the system size is sufficient for passive cooling. The tool outputs include advice if certain adaptive thermal comfort criteria can be reached for a summer design day.
In the third step, the annual performance is exemplarily modelled with EnergyPlus building energy performance simulations including airflow networks. This includes the 'HighVent' tool preliminary ventilation design outputs, further 'post-processed' as model inputs, the conceptual adaptations made for improved shading and thermal mass activation, and the remaining features of the as-built Kanyon building in accordance with the data provided by the building management. It allows the users to perform sensitivity analysis for the investigation of the impact of specific parameters. The custom ventilation control dynamically targets to achieve (i) good indoor air quality according to EN 13779, and (ii) stay within adaptive comfort limits category II according to EN 15251. Annual thermal comfort is the most crucial indicator for evaluating passive cooling concepts, and is therefore proposed for final decision making. As the volume of a building is an expensive resource, the designer needs to do a weighting between the expected comfort and the size of the natural ventilation system.
The applicability of the '3-step' design approach is then further evaluated by comparing the fully mechanical operated as-built Kanyon building with an operation based on passive and the hybrid control. The assessment is carried out with the help of performance indicators, and the results are intended to assist decision making in the design phase. Indicators proposed to evaluate the functionality are the energy consumption compared to that of mechanical ventilation and cooling systems, and compliance with the thermal comfort limits; additional aspects are the ventilation rates and the indoor air quality reached.
A significant result of this comparative study is that control over the openings is crucial for all the scenarios when it comes to natural ventilation applications; otherwise ventilation rates can get too high and the office rooms tend to cool down way too much even during summer. It is shown that the 'adaptive temperature amplifier' control algorithm developed is more robust than simplistic controls. Furthermore, simulation results indicate that properly designed and controlled natural ventilation shows a good functionality and the comfort limits are rarely exceeded. However, differences in climate among geographical regions have a varying impact on the simulation results. For example, in the climate of Stuttgart, further adaptations to the preliminary design of the 'HighVent' tool or hybrid cooling are not necessary, whereas in Istanbul adaptations might be reasonable. However, to satisfy the comfort expectations in Turin, there is a necessity for further passive design adaptations or a hybrid cooling concept. That humidity values meet comfort expectations must be discussed and accepted by all project stakeholders, else a hybrid operation approach might be a good alternative. Nonetheless, in all controlled scenarios, high indoor air quality is achieved.
To systematically study the possible energy conservation while maintaining thermal comfort, the energy consumption of identical buildings with different variants (passive/hybrid/active) is compared and benchmarked against the as-built scenario. Results show that the primary energy input for the Kanyon office-tower building can be reduced by approximately 30% to 40% for passive operation and by 28% to 34% for hybrid operation. For passive cooling including controlled natural ventilation, there is even no energy consumption for cooling and ventilation required, while energy usage for pump operation is limited only to the heating season. The hybrid strategies are found to be capable of exploiting the biggest share of passive cooling and ventilation energy conservation by providing a maximum operative temperature limit of 26 °C. This verifies the initial assumption that energy conservation of purely passively cooled and ventilated office spaces is significant, especially when compared to highly energy consuming state-of-the-art office towers.
The results of this research work are intended, on the one hand, to support building planners in better understanding and implementing passive cooling measures and, on the other hand, to contribute to further development of sustainable building practices. |
