Shading device design and optimization via genetic algorithm by using surface temperature metric and electricity load

Abstract

Dünya nüfusu yıllar içerisinde artmaktadır. Artan nüfusun ihtiyaçlarını karşılamak için her geçen gün daha fazla doğal kaynak kullanılması gerekmektedir. Ancak doğal kaynaklar sınırlıdır ve ileriki yıllarda da kullanılabilmesi için tamamının tüketilmemesi gerekmektedir. Bu bağlamda mimar ve mühendisler üzerinde kaynakların yönetilmesi ile ilgili büyük sorumluluk mevcuttur. Gelecek nesillere yeterli miktarda kaynak bırakılması ve günümüzün ihtiyaçlarının karşılanması onların sorumluluğundadır. Bu nedenle, sürdürülebilirlik kavramı yıllar içerisinde ortaya çıkmış ve günümüzde üzerinde en çok durulan konulardan biri olmuştur. Sürdürülebilirlik, mimari tasarımda da önemli bir yer edinmektedir. Binalarda enerji kullanımı azaltılarak kaynakların sürdürülebilir kullanımı desteklenmektedir. Çünkü insanlar, vakitlerin önemli bir kısmını iç mekanlarda geçirmektedirler. Gündüz gün ışığından en çok yararlanılan saatlerde çoğu insan ofis mekanları içindedirler. Bu tez kapsamında da gölgeleme elemanı kullanılarak ofis binalarında enerji kullanımının düşürülmesi ile ilgili optimizasyon çalışması yapılmıştır. Gölgeleme elemanları özellikle güney cephesi cam olan binalarda güneş ışınımının kontrolünü sağlayarak aşırı ısınmaya engel olmaktadır. Bu çalışmada, güney cepheye entegre edilmiş organik, üçgensel geometrili gölgeleme elemanının değişkenleri, evrimsel algoritma olan HypE genetik algoritmasıyla çok amaçlı optimizasyon problemi olarak çözülmüştür. Problemin iki amacından biri cam iç yüzey sıcaklığının yıl içerisindeki her saat için 20℃ ile 27℃ dereceler arasında değer almasının maksimum seviyede olması diğeri ise iç mekanın aydınlatılması için minimum enerji harcanmasıdır. Önerilen bu organic üçgensel geometrili gölgeleme elemanının performans değerledirmesi için bilinen yatay gölgeleme elemanı ve düz üçgensel geometrili gölgeleme elemanı ile beraber gölgeleme elemanının bulunmadığı örnekler çalışılmış ve karşılaştırılmıştır. Öncelikle her bir gölgeleme elemanı için test geometrisinin gölgeleme elemanlı ve elemansız enerji simulasyonu Rhinoceros eklentisi olan Grasshopper'da modellenmiş ve onun eklentisi olan Ladybug-Honeybee programında değişkenler belirlenmiştir. `Octopus` Grasshopper eklentisi hazırlanan değişkenlere bağlanarak iki amaçlı optimizasyon problemine `pareto front` temelli sonuç kümesi vermektedir. Alınan sonuçlar kümeden seçilerek değerlendirilir. Değerlendirme kriterleri operatif sıcaklık, iç mekan sıcaklığı, toplam güneş ışığından kazanılan enerjidir. Özet olarak, üç ana konu sonuçlandırılmıştır. İlk önce hangi tipin organik, üçgen tabanlı geometri olan daha iyi performansa sahip olduğu görülmektedir. İkinci olarak, gölgelendirme aygıtı geometrisi, evrimsel algoritmalar yoluyla üretken modelde bulunabilir. Evrimsel algoritmaların karmaşık mimari problemlere uygulanabileceği bir kez daha gösterilmiştir. En azından, gölgelendirme düzeneklerinin değerlendirme aşamasında, çalışmada yüzey sıcaklığı metriği olan yeni bir metrik belirtilmiştir. Yeni metriğin başarısı, çalışma için iyi bir karşılaştırma elemanıdır ve metrik, literatürdeki diğer çalışmalara yardımcı olabilir.

The world population is increasing over the years. More and more natural resources are needed to meet the growing population needs. However, natural resources are limited and should be consumed wisely in order to be used in the following years. In this context, architects and engineers have great responsibility for the management of resources. It is their responsibility to provide adequate resources for future generations and to meet the needs of today. Therefore, the concept of sustainability has emerged over the years and has been one of the most emphasized issues today. Sustainability also has an important place in architectural design. Sustainable use of resources is supported by reducing energy use in buildings. Because people spend an important part of their time indoors. Most people are in office space during the daylight hours. In this thesis, an optimization study was carried out to reduce energy use in office buildings by using shading element. Shading elements, especially in the south facade of glass with solar radiation control by preventing overheating. In this study, the variables of the organic, triangular geometry shading element integrated into the southern façade are solved as a multi-objective optimization problem by the evolutionary algorithm which is HypE genetic algorithm. One of the two purposes of the problem is keeping the internal temperature of the glass between 20℃ and 27℃ for every hour of the year and the other is the minimum energy consumption for the interior lighting. The horizontal shading element and the flat triangular geometry shading element together with the shading element without the shading element have been studied and compared for the performance evaluation of this proposed organic triangular geometry shading element. Firstly, the shading element and without energy simulation of the test geometry for each shading element was modeled in the `Grasshopper`, which is an add-on of Rhinoceros, and the variables `Ladybug- Honeybee` were identified in its program. The `Octopus` Grasshopper plug-in connects the prepared variables to give a two-dimensional optimization problem `pareto front` based result set. The results are evaluated by selecting from the group. The evaluation criteria are the operative temperature, the indoor temperature, the energy obtained from the total sunlight. As a summary, three main issues have been concluded. First it is seen that which type has better performance which is organic, triangular based geometry. Secondly, Shading device geometry can be found with generative model via evolutionary algorithms. It is shown one more time that evolutionary algorithms are applicable to complicated architectural problems. At least, in the evaluating phase of the shading devices, a new metric which is surface temperature metric is referred in the study. The success of the new metric is a good comparing element for the study and the metric may help the further studies in the literature.