Passive solar design strategies for buildings: A case study on improvement of an existing residential building`s thermal performance by passive solar design tools

Abstract

oz Bu tez enerji etkin yapı tasarımı çerçevesinde Edilgen-Pasif Güneş Tasarım ilkelerinin mevcut, az katlı konut binalarında kullanım olanaklarını araştırır. Enerji etkin yapı tasarımı gerçekleştirebilmek için 'etken' ve 'edilgen' çözümler söz konusudur. Tez, bu sistemler arasında mimari karakter ile enerji etkinliği stratejilerini daha sıkı bir biçimde entegre edebilen, bu yüzden de daha ucuz, uygulanabilir, ısıl konfor sağlamada etkili ve mimarlık pratiği ile daha yakın etkileşim içinde olabilen edilgen/pasif çözümler üzerinde yoğunlaşmaktadır. Çalışmanın amacı doğrultusunda oluşturulan yöntem öncelikle geniş bir literatür araştırması, ardından konu ile ilgili örneklerin bulunup özetlenmesi, mevcut bir konut yapısının geliştirilecek proje olarak seçilmesi ve Energy- 10 isimli termal analiz programı yardımı ile tamamlanan çalışma sonuçlarının yorumlanmasını kapsamaktadır. Binalarda kullanılan Edilgen Güneş Tasarım ilkeleri, ısıtma, soğutma ve aydınlatma ile ilgili temel konfor şartlarının sağlanmasını yada binaların konvansiyonel mekanik sistemlerine bu koşulların oluşturulmasında yardımcı olarak daha az enerji tüketmelerini sağlarlar. Vernaküler mimaride Edilgen Güneş Tasarımı ilkelerinden bazıları sert, soğuk iklimlerden nemli, sıcak iklimlere kadar çeşitli, yöresel çözümlerle enerji etkinliği ilkelerini içerecek şekilde kullanılmıştır. Güneşe yönelim, direk kazanım açıklıkları, ısıl kütleler, güneş bacaları, rüzgar tutucular, kafes güneş kırıcılar geleneksel mimaride kullanılan ve çevresel, doğal iklim dinamiklerinin oluşturduğu hava hareketleri ile çalışan Edilgen Güneş Tasarımı stratejileri ve bileşenleridir. Düşük enerjili yapı tasarımında, ısı yalıtımı öncelik verilmesi gereken bir konudur. Türkiye'de uygulanan 'TS 825' mevcut ısı yalıtım yönetmeliği enerji etkin tasarım konsepti anlayışında yapı yapmaya uygun olmadığı gibi kayda değer bir özendiriciliği ve teşvik ediciliği de yoktur. Diğer bir faktör de, binanın mekansal, yapısal ve malzeme özelliklerinin iklimle dengeli bir yapı tasarımı anlayışı içinde ele alınmasıdır. Binanın yapılacağı alanın mikro kliması, enerji etkinliğini etkileyecek en önemli faktörlerden biri olacaktır. Alanın güneşlenme durumu, enlemi, yüksekliği, rüzgar koşulları, bitki örtüsü, fiziki yapısı ve çevre yapılan alana özgü mikro iklimi oluşturan çevresel verilerdir.. IVBu çalışmanın sonunda elde edilen bulgular, edilgen güneş tasarımı ilkeleri ve bileşenleri ile sağlanacak enerji-etkin yapı tasarımı uygulamaları ile, seçilen mevcut konut yapısında yapılan ve bina maliyetinin yaklaşık %9'u oranındaki iyileştirme sonucunda mevcut haline kıyasla toplam enerji ihtiyacında %18'lik bir kazanç sağlanabileceğim göstermektedir. Mekanın ısıl ve görsel olarak şartlandırılmasında temel olarak üç tip enerji ihtiyacı söz konusudur (ısıtma, soğutma ve aydınlatma). Kazanımlar arasında en büyük payı %61 ile ısıtma enerjisi ve %40 ile aydınlatma enerj isindeki düşüş sağlamıştır. Ancak binanın soğutma yüklerinde %34'lük bir artış gözlenmiştir. Termal performansın, soğutma ihtiyacı açısından düşük çıkması kullanılan programın bazı yetersizliklerinden kaynaklanmaktadır ve binanın Enerj i- 10 isimli programında hesaplamada yetersiz kaldığı havalandırma stratejileri gözönüne alındığında binanın yıl boyunca konfor düzeyinde ısıl ve görsel performans sergileyeceği söylenebilir. V

ABSTRACT This thesis investigates the potentials of the use of Passive Solar Design strategies in existing low-rise residential buildings in the context of energy-efficient building design. Among the ways of developing energy-efficient building design, there are mainly active and passive systems to consider and the thesis focuses on passive ones which require integration of architectural characteristics and energy-efficiency strategies, which can likely be cost-effective and thermally comfortable as a result of that integration. In order to achieve the objective of the study, a methodology has been developed. Fist a thorough literature survey is conducted. Then examples related to subject are investigated. Finally an existing residential building is selected and analysed as the case study. Current thermal performance and improved thermal performance of this building are analysed by the help of a software called Energy-10. Results of both original and improved projects are interpreted accordingly. In buildings, Passive Solar Design strategies can provide fundamental comfort conditions related to heating, cooling for thermal and natural lighting for visual comfort or help building's conventional mechanical systems achieve these conditions requiring less amount of energy. Some of the Passive Solar Desgin strategies are seem in traditional architecture from harsh cold to hot humid climate, they have been in harmony with their environment and provide comfort conditions adjusting the outdoor climatic features by climatic design strategies and they are called as climate-responsive buildings. Solar orientation, solar apertures, thermal mass, solar chimneys, wind captures, lattice brise-soleils or mushrabiyas are the Passive Solar Design elements which have been used in traditional buildings, n ow abandoned, running by means of natural air currents. To achieve a low-energy building, thermal insulation ought to be considered as the main energy-efficiency feature. Turkish thermal insulation standarts 'TS 825' is deficient for designing low-energy buildings and there is no regulations that make the designers feel the desire to utilize low-energy concepts for their designs. Besides, the building's morphological organisation should be involved with respect to climatic and environmental data. One of the most important criterion in designing an energy-efficient IIbuilding is incoprating properties of microclimate of the site that the building is to be placed. Using environmental (climatic, geographic, etc.) data well in building designs can lead to energy efficiency. Solar geometry, latitude, altitude, wind patterns, vegetation, hills and neighbor buildings are the determinants of microclimate of a site. The findings of the study indicate that with the energy-efficiency design strategies by passive solar components having the additional cost of about 9% of the total building cost, it is possible to save the total annual energy used in this specific residential building by 18%. There are three types of energy need for the space conditioning and visual comfort (i. e., heating, cooling and lighting), the maximum energy saving is achieved in heating energy use by 61% decrease, lighting energy use is also decreased by 40%. However, in cooling energy need, there is an increase of 34%. This amount is overshadowed by passive solar gains in other energy savings (i. e., heating and lighting) and when the cooling strategies of the building (i. e., natural ventilation and stack effect ventilation) are considered, the building might be said to perform well in terms of thermaly in annual operation. m