Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
322835		An approach to the evaluation of daylight impact and contribution to the energy demand of office buildings in the urban context / Şehirsel dokuya bağlı gün ışığı katkısının ofis binalarındaki enerji ihtiyacına etkisinin değerlendirilmesi amacıyla kullanılabilecek bir yaklaşım Yazar:DİLAY KESTEN ERHART Danışman: PROF. DR. ALPİN KÖKNEL YENER ; PROF. DR. URSULA EİCKER Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı Konu:Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2012 258 s.
Günümüz mimarları ve şehir plancıları enerji verimliliği politikaları kapsamında çalışma ortamlarında konfor koşullarının sağlanması amacıyla mevcut çevresel kaygıları da göz önünde bulundurarak, günışığının şehirsel dokuda daha etkin kullanımı konusunda yeni çözüm önerileri aramaktadırlar.Güneş her ne kadar tükenmeyen bir doğal aydınlatma kaynağı ve çevre dostu olsa da, bazı durumlarda görsel konfor sorunlarına yol açabilmekte, direkt güneş ışınımının etkisi ile de termal konforsuzluk yaratabilmektedir. Binaların yıllık toplam aydınlatma, ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyacının belirlenebilmesi amacıyla şehirsel dokuya bağlı gerçekçi hesaplamaların yapılabilmesinin gerekliliği açıktır.Bu çalışma kapsamında eksikliğine dikkat çekilen, incelenen ve çözülmeye çalışılan konular şunlardır:?Isıtma, soğutma ve aydınlatma hesaplamamalarını bir arada aynı doğruluk ve detayda yapabilen bir tekniğin ve bilgisayar tabanlı bir yöntemin olmaması?Bina enerji ihtiyacını belirlemeye yönelik kullanılan programların bir kısmının hesaplama sürelerinin uzun olması, farklı bir bilgisayar alt yapısı ve kurulumu gerektirmeleri bununla birlikte program kullanıcısından beklenen özel bilgi ve donanım ihtiyacı?Bütünleşmiş enerji ihtiyacı hesaplaması yapan programların; ısıtma, soğutma ve aydınlatma enerjilerinin birbirleriyle olan etkileşimlerini hesaplamalara dahil eden, gerektiğinde fiziksel çevreye ait yapılan değişiklikleri de dikkate alan bir aydınlatma ve termal enerji simülasyon kombinasyonunun bulunmayışı?Hesaplamalarda kullanılan parametrelerin dokümanlarda kullanıcıya yeterince açık olarak ifade edilememiş olması ve bu durumun hesaplama sonuçlarının değerlendirilmesinde yarattığı yanlış yorumlama olasılığı.Son on yılda geliştirilen dinamik - iklim tabanlı günışığı hesaplama modelleri, kamaşma analizleri, görsel konfor ve aydınlatma enerjisinin etkin kullanımına ait yeni yöntemler sayesinde aydınlatma alanında büyük bir ilerleme kaydedilmiştir. Bu yenilikler, teorik bilgi ve bilgisayar tabanlı programlamanın bir araya gelmesiyle araştırmacıların ve bu alanda çalışanların kullanımına sunulmuştur.Aydınlatma alanında yapılan çalışmaların çoğunluğu çevre binaların etkisi değerlendirilmeden yahut sadece belli etkileri değerlendirilerek ele alınmıştır. Şehirsel dokuda bina enerji performansını değerlendirmek için, çevre binaların yükseklikleri ve incelenen binaya uzaklıkları, ısıtma, soğutma ve özellikle aydınlatma enerjisi analizleri açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma kapsamında şehir dokusunda yer alan ofis binalarının enerji performanslarının değerlendirilmesi için bütüncül bir yaklaşım önerilmiştir. Önerilen yaklaşımda, günışığının aydınlatma enerjine katkısı detaylı olarak incelenmiş olup, yapma ve doğal aydınlatma hesaplarının ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyacı hesaplamalarına dahil edilebilmesi yolunda bir öneride bulunulmuştur. Önerilen yöntem önce bilgisayar ortamında bir ofis hacminde incelenmiş, ardından analiz sonuçları Almanya Stuttgart şehir merkezinde yer alan örnek ofis hacminde yapılan ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Simülasyon sonuçları ve ölçümler arasındaki fark kabul edilebilir düzeyde saptanmış olup, önerilen yaklaşımın uygulanabilirliği ortaya konulmuştur. Ortaya konulan yöntem ile binalar arası uzaklıkların değiştiği çeşitli şehirsel doku örneklerinde enerji performansı değerlendirilmiş ve sonuçlar farklı parametreler açısından (yükseklik farkının binaların y aksı yönündeki uzaklığa oranı, bina boyunun binaların x aksı yönündeki uzaklığa oranı ve bina eninin binaların x aksı yönündeki uzaklığa oranı) değerlendirilmiştir. Bununla birlikte her parametrede şehirsel dokudaki bina yoğunluğu yüzdesi de göz önünde bulundurulmuştur.Tez kapsamında yapılan simülasyonların istatistik analizi sonucunda belirlenen modelde, şehir dokusunda yer alan ofis binalarının günışığına bağlı aydınlatma enerjisi ihtiyacını belirlemek için şehir plancıları ve mimarların proje geliştirme aşamalarında kullanabilecekleri uzaklık değişkenlerine bağlı bir denklem önerilmiştir.Tezin amacı doğrultusunda ilk bölümde dünya ve Avrupa ölçeğinde güncel enerji ihtiyacına dair tahminlere yer verilmiş, kentsel dokuda yer alan binalarda enerji ihtiyacının azaltılabilmesine yönelik enerji verimliliği doğrultusunda alınan önlemler açıklanmıştır. Mevcut enerji performans değerlendirme yöntemleri ve günışığının binalarda etkin kullanımına yönelik yöntemlerdeki eksikliler işaret edilerek, yeni bir yaklaşımın gerekliliğinin altı çizilmiştir.Çalışmanın ikinci bölümünde ofis binalarında konfor koşulları ve enerji performansı kriterleri incelenmektedir.Binalarda çeşitli amaçlarla tüketilen enerji miktarları da göz önüne alınarak, aydınlatma amacıyla tüketilen enerjinin en aza indirilmesi için aydınlatma sistemlerinin doğru olarak tasarlanmaları gerekmektedir. Bu amaçla bina tasarım ve yenileme sürecinde alınacak kararlarla günışığının etkin kullanılması sağlanarak yapma aydınlatma siteminin devrede olması gereken süre olabildiğince kısaltılabilmektedir. Özellikle gün boyu kullanılan binalarda görsel ve termal konfor koşullarından ödün vermeksizin, gün saatleri içindeki yapma aydınlatma kullanımının düşürülmesiyle aydınlatama enerjisi tüketiminin önemli ölçüde azaltılabilmesi olanaklıdır. Günışığının etkin kullanımını sağlayan bir tasarım, yerleşme ölçeğinden başlamak üzere tüm aşamalarda alınacak kararlara bağlıdır. Bu bölümde, enerji etkin bina tasarımı ve yenileme sürecinde ele alınması gereken parametreler ve bu parametreler için belirlenecek uygun değerler açıklanmıştır. Görsel ve termal gereksinimlerin karşılanması ve enerji verimliliği açısından etkili olan parametreler; doğal ve yapma çevreye ilişkin parametreler başlıkları altında tartışılmıştır. Dış aydınlık düzeyi, iklim, coğrafi durum, atmosferin bulanıklığı doğal parametreler arasında yer alıp, gün içinde ve yıl içinde farklı değerlerde gerçekleşmektedirler. Yapma çevreye ilişkin parametreler ise; yerleşme, bina, hacim, yapı elemanları ve malzemeye ilişkin değişkenler olarak sınıflandırılmıştır.Dış aydınlık düzeyinin belirlenmesindeki temel bilgi olan gök modelleri de ikinci bölüm kapsamında incelenmiştir. Günışığı simülasyon algoritmaları, performans ölçütleri, gölgeleme ve yapma aydınlatma cihazlarıyla kontrol sistemleri, görsel konfor koşulları ve enerji performansı başlığı altında açıklanmıştır. Enerji performans standartları termal, görsel konfor ve yapma aydınlatma sistemlerine ait standartlar da bu bölümde ele alınmıştır.Doktora çalışmasının üçüncü bölümünde, şehirsel yapı ve enerji kullanımı baslığı altında; öncelikli olarak dünyadaki şehirleşme oranları verilmiş ve buna bağlı olarak şehirlerin enerji ihtiyacındaki artışın altı çizilmiştir. Bir yandan dünya nüfusu hızla artarken diğer yandan da tüm dünyada küçük şehirlerden büyük şehirlere / metropollere doğru büyük bir göç yaşanmaktadır. Tahminlere göre 2030`a gelindiğinde dünya nüfusunun %70 `i şehirlerde yaşar hale gelecektir. Artan nüfusa ve yoğunlaşan şehirlere paralel olarak enerji ihtiyacı da artmaktadır. Şehirsel strüktür ve imar kanunlarının bölgesel planlamadaki yeri kent tasarımı için önemi Almanya örneğinden yola çıkılarak bölüm kapsamında tartışılmıştır. Şehrin oluşturduğu mikro klimanın enerji üzerindeki etkisi ve bu konu ile ilgi yapılmış çalışmaların bir kısmı da yine bu kapsamda incelenmiştir. Şehir ve imar planlarında binaların güneş mimarisine uygun şekilde tasarımı ve yapımı ile güneş enerjisinin bina enerji tüketiminin azaltılmasındaki katkısı göz ardı edilemez bir faktördür. Kentsel bağlamda güneş enerjisinin ve günışığının kullanılabilirliği; şehir formu tanımı ve komşu binaların gölgeleme etkisi alt başlıkları altında iki grupta incelenmiştir. Yerleşme ölçeğinde yapılan çeşitli bilimsel çalışmalarda şehir geometrisinde sadeleştirilmelere gidilmiş ve binaların oluşturduğu gruplar formlarına göre sınıflandırılmıştır. Bu genel kentsel yapılar; pavyon, plaka, teras, bahçeli teras, orta bahçeli pavyon ve bahçeli formlar olarak literatürde yerini almıştır. Çalışma kapsamında burada yer alan sadeleştirilmiş kent formlarından yararlanılmıştır. Bölümün sonunda, güneş enerjisi ve günışığının binaya olan erişiminin ve katkısının hesaplandığı mevcut yöntemler karşılaştırmalı olarak incelenmiş ve yerleşim ölçeğinde ısıtma, soğutma ve aydınlatma enerjilerinin bütüncül olarak hesaplanabildiği yeni bir yaklaşımın ihtiyacı ortaya koyulmuştur.Tezin dördüncü bölümünde şehirsel dokuda yer alan ofis binalarının enerji ihtiyacının belirlenebilmesi için önerilen yeni yaklaşım tanıtılmıştır. Ortaya konulan yöntem ile binanın günışığı performansı belirlenebilmekte ve günışığı katkısına bağlı yapma aydınlatma enerjisi ihtiyacı hesaplanabilmektedir. Yapma aydınlatmadan kaynaklanan ısısal iç kazançlar da göz önünde bulundurularak binanın yıllık toplam enerji ihtiyacı farklı şehirsel doku alternatifleri için hesaplanabilmektedir. Metodun her basamağı ve basamaklarda yer alan parametreler bu bölümde ayrıntılı olarak açıklanmıştır.Doğal parametrelerin belirlemesinde; iklim, coğrafi durum ve dış aydınlık düzeyleri göz önünde bulundurulmuştur. Yapma çevreye ilişkin parametrelerin belirlenmesi aşamasında ise; öncelikle, hacimim genişlik, derinlik ve yüksekliği ile ayrıca hacmin duvar, döşeme ve tavan gibi yüzeylerinin ışık yansıtma katsayıları ve termal özellikleri, yapma aydınlatma ve kontrol sistemleri belirlenmiştir. Hacimde yer alan pencerelerin boyutları, üzerinde bulunduğu alandaki konumu, camın ışık ve ısıl enerji geçirme katsayıları da hacme ilişkin parametreler kapsamında incelenmiştir. Binanın biçimi, yönlendirilişi, cephesinde yer alan girinti, çıkıntıların boyutları ve biçimleri, bina kullanım saatleri ve işlevine bağlı olarak direkt güneş ışığının engellenmesi amacıyla yer alan güneş kontrolü sistemlerinin konumları ve boyutu binaya ilişkin parametrelerin belirlenmesine yönelik aşamada yer almaktadır. Son olarak, çevre binaların yükseklikleri, birbirine göre uzaklıkları ve yerleşme dokusu özellikleri: ?Yerleşme birimine ilişkin parametreler? baslığı altında tariflenmiştir.Günışığına duyarlı aydınlatma enerjisinin hesabı için kullanılabilecek hesaplama alternatifleri ile termal enerji hesaplamalarına yönelik alternatifler ve önerilen yöntemde kullanılan EnergyPlus bina enerji simülasyon programının hesaplama adımlarına ve kullandığı modellere ilişkin bilgilere bu bölümde detaylı olarak yer verilmiştir. Gün ışığına duyarlı aydınlatma enerjisi hesabının, termal enerji hesabı yapan EnergyPlus programına aktarılabilmesi için tüm bir yıla ait yapma aydınlatmanın ve gölgeleme sisteminin devreye girdiği saatlere göre oluşturulmuş girdi ve çıktı dosyalarının oluşturulması gerekmektedir. Doktora tezi kapsamında geliştirilmiş olan DRELAT (Günışığına duyarlı yapma aydınlatma analiz aracı) termal hesaplamalar için aydınlatma hesaplarından gerekli dosyaları oluşturan, hacim içindeki günışığı dağılımını yılın her saatinde mevcut çalışma düzlemi üzerindeki sanal ızgara sistem üzerinde eş aydınlık düzeyi (isolux) çizgileri ve renkleriyle görselleştirebilmektedir. DRELAT`in amacına ve kullanımına ait detaylar bu bölümde açıklamıştır. Bölüm sonunda şehir dokusunda yer alan bir hacme ait aydınlatma enerjisi ve termal enerji hesaplamalarının entegrasyonun nasıl yapılacağı belirtilmiştir.Beşinci bölümde, önerilen yaklaşımın şehirsel dokuda yer alan örnek bir ofis binası için uygulaması sunulmaktadır. Günışığı ve bina enerji performans parametreleri arasındaki etkileşimler kentsel geometri bağlamında basitleştirilmiş bir senaryo dahilinde incelenmiştir. Örnek ofis binasının Stuttgart, Almanya'da bulunduğu varsayılmıştır. Hesaplamalar için kullanılan çeşitli veriler bu kabule göre alınmıştır. Örneğin; termal analizler için Stuttgart TMY 2 (meteorolojik test yılı) dosyası kullanılmış, kentsel konumlandırmalar için de Baden Württemberg eyaletinin belirlediği bina aralıkları ile ilgili kısıtlamalar ve kurallar kullanılmıştır. Kabul edilen bina aralıkları ve yükseklikleri ile belirlenen şehir geometrisinin içinde yer alan örnek ofis binasına ait günışığı aydınlık dağılımları, günışığına duyarlı yapma aydınlatma sisteminin enerji ihtiyacı ile ısıtma ve soğutmaya ilişkin enerji ihtiyacının belirlenmesi beşinci bölüm kapsamında Radiance, Daysim, DRELAT ve EnergyPlus Programlarının yardımıyla hesaplanıp sunulmuştur.Altıncı bölüm önerilen yaklaşımın deneysel doğrulanmasına odaklanmıştır. Bu bölümde önerilen yaklaşım doğrultusunda tahmin edilen günışığı aydınlık değerleri, yapma aydınlatmaya bağlı elektrik enerjisi, ısıtma ve soğutma enerji harcamaları gibi değerler, Stuttgart şehir merkezinde bulunan ofis binasına ait çalışma odasında yapılan ölçümler ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Yapılan deneysel çalışma kapsamında ölçülen aydınlık düzeyi ve enerji tüketimi değerleri simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır.Doktora çalışmasının yedinci bölümü; şehirsel dokuda yer alan ofis hacmi için farklı senaryolarla üretilen simülasyon sonuçlarını inceleyerek günışığına duyarlı yapma aydınlatma sisteminin elektrik enerjisi ihtiyacının tahminine yönelik yüksek doğruluk derecesine sahip istatistiksel bir model ve bu modelin sonucu olarak şehir dokusunda yer alan ofis hacminin günışığına bağlı aydınlatma enerjisi ihtiyacı tahmini için uzaklık parametrelerine bağlı bir denklem önermektedir. Bu bölümde, yapılan istatistiksel çalışma incelenerek, geliştirilen regresyon modelinin tüm adımları açıklanmıştır. Ofis hacmi için yapılmış olan simülasyonlar ve hesaplamalar belirli ofis bina tipleri için yapılmış, bina ölçeğinde aydınlatmaya bağlı enerji ihtiyacı belirlenmiştir. Bina ölçeğinde belirlenen enerji ihtiyacı yine farklı bina aralıklarına sahip şehir geometrisi içinde analiz edilerek sonuçları karşılaştırılmıştır.Son olarak sekizinci bölümde elde edilen sonuçlar yorumlanarak, çıkarımlar yapılmıştır.Önerilen yaklaşım ile şehirsel dokuda yer alan ofis binasının termal ve aydınlatma enerjisi ihtiyacı, çevresindeki binaların gölgeleme etkileri değerlendirilerek bütüncül olarak hesaplanabilmektedir.Bu yaklaşım, şehir ve imar planlarındaki bina aralıkları ile ilgili kısıtlama ve kurallar, kullanıcı konforu ve uluslararası standartların temelleri üzerine kurulmuştur.Tez kapsamında geliştirilen DRELAT sayesinde, günışığına duyarlı aydınlatma hesaplamalarının sonuçları görselleştirilebilmekte ve termal hesaplamaların yapılabilmesi için uygun bir formata dönüştürülebilmektedir.Bu çalışma kentsel bağlamda gölgeleme etkilerinin önemini ve günışığı duyarlı elektrik enerjisi tüketimi hesaplamasındaki rolünü vurgulamaktadır.Örnek ofis ile ilgili yapılan çalışmalar, şehir dokusunda günışığına bağlı elektrik enerjisi ihtiyacında en önemli performans belirleyici faktörün ofis hacmin bulunduğu yükseklikle engel binanın yüksekliği arasındaki farkın binalar arasındaki uzaklığa olan oranının (Hdif/W) olduğunu ortaya koymuştur.Önerilen regresyon modeli sonucu, şehir dokusunda yer alan ofis hacmine ait günışığına bağlı elektrik enerjisi ihtiyacını başarılı bir şekilde tahmin edebilmektedir. Bu durum regresyon analizi sonuçları ile simülasyon sonuçları arasındaki korelasyonda kolayca görülebilmektedir.Tanımlanan sonuç denklem, mimarlar ve şehir plancılarının şehir dokusu içinde gerçekleştirecekleri tasarımlarda günışığına bağlı aydınlatma enerjisi ihtiyacına yönelik bir öngörüde bulunabilmeleri için yardımcı olacaktır.Bu doktora çalışması kapsamında yer almayan fakat gelecekte yapılabilecek olası araştırmalar için yol haritası çizilmiş ve önerilerde bulunulmuştur.
In response to environmental concerns, demands for improved energy efficiency and a desire to create a more pleasant working environment, building designers and urban planners are looking for ways to make better use of daylight in the urban context. Although daylight is free and non-polluting, it can cause visual comfort problems and under some conditions, thermal comfort problems such as unwanted heat related to the effect of direct sun beam.There are various tools and techniques that estimate natural illumination. Unfortunately, some of those models are just based on overcast sky conditions and some only consider direct sunlight and shading effects.The most important challenges in this field of study include:?A lack of an existing homogenous, all-in-one simulation environment.?Significant computational power and time is still required by simulations. Many environments are not optimised for multiple core CPUs. Thus, not everyone can fully participate in development of this field.?A present lack of a fully integrated daylight-glare-thermal simulation process.?A lack of a clear understanding of relevant parameters and simulation outcomes and misinterpretation.The last decade has seen many advances in dynamic daylight computation, climate- based daylighting calculation methodologies, glare studies, visual comfort and energy use analysis. These innovations have been put into practice through synergistic interaction of technical and computational expertise.Most researchers in this field are concerned with daylighting performance of individual buildings, often under isolated circumstances. If the urban surrounding is also considered, such as neighbourhoods buildings of various height and distance, then the problem becomes more realistic and of course, more complicated. To evaluate the energy performance of the urban quarters it is important to know the influence of surrounding urban structures. This work derives a method for urban quarters regarding daylight availability in a space. The interactions with heating, cooling and electrical energy demand are investigated and a regression model for this purpose is produced. The lighting, heating and cooling performance of a space in an urban structure with different distances between buildings is simulated in detail using software tools such as EnergyPlus, Radiance, Daysim and Insel8. Additionally, the interaction between energy performances has been considered. Further daylight responsive electric lighting consumption has been calculated for the cases. These results have been taken as input variables for the heating and cooling. In line with this objective, the first chapter describes the energy demand expectations and the energy efficiency measures in buildings, city quarters and urban areas. Pointing out the disadvantages of the current energy performance evaluation methods and daylight utilization schemes, the requirement of a method to quantify the energy performance concerning daylight in urban environment is underlined. The second chapter examines comfort conditions and energy performance in office buildings. Both thermal and visual comfort subjects are explained, divided into natural and built environmental parameters. Sky luminance distribution models, daylight simulation algorithms, performance metrics criteria, shading, artificial devices and control systems are explained in terms of visual comfort conditions and energy performance subtopic. Energy performance standards including thermal ? visual comfort and lighting systems are mentioned here as well.The third chapter mainly describes the urban environment and energy use through examples of urban structure and the legal framework for land use zoning and interactions between urban climate and energy. Solar energy and daylight availability in cities is examined in two groups: urban form characterisation for solar evaluation and shading effects from nearby buildings. The last part of the chapter gives an evaluation of the existing methods and points out the necessity for a new approach.In the fourth chapter, a principle for a new approach to assess the office building energy demand in urban context is described. Using the proposed methodology, the daylight performance is investigated and energy consumption of artificial lighting is calculated, taking daylight availability into account. Internal gains, caused by artificial lighting are also considered. Details of the each step and determination of the each parameter is explained within this chapter.Chapter five presents an example of the implementation of the proposed approach. The interactions between all parameters of daylight and energy performance of a building depend on the urban geometry are examined in a simplified scenario. The office building is assumed to be located in Stuttgart, Germany. Analyses were done with Stuttgart TMY2 (test meteorological year 2) weather data and the distance between buildings in urban context was chosen according to ?the permissible space distance? as defined by the federal state building ordinance of Baden-Württemberg. The daylight illuminance distributions in the simple side lit office room including supplementary lighting energy demand and heating and cooling within the defined urban configuration are presented here.Chapter six focuses on the comparative testing and experimental validation of the proposed approach. The accuracy of the predictions such as illumination level, lighting demand, heating and cooling demand are evaluated by comparing predicted values with monitored data of the test room. The accuracy of artificial lighting illuminance and energy use is evaluated by comparing simulation results using data provided by manufacturers.In the seventh chapter simulation results are examined. Furthermore a regression analysis based on the simulation results is performed. The analysis includes statistical analysis and a stepwise description from data to an applicable correlation. Afterwards, the lighting energy demand for each office building types were calculated and compared with simulation results.Lastly, section eight presents the conclusion and possible directions for further work which can be based on findings from this research.