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

Transkript

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 1

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

3 Binada ısı enerji hareketi Ortamlar arasındaki sıcaklık farkı olduğunda ısı sıcaktan soğuğa geçer. Nem de yoğun alanlardan daha az yoğun alanlara geçer. Malzeme kararları (ısısal özellikler) Pencere sayısı 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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -3-

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: MALZEME: Kuru İklim kabuğu kuru ve sıcak Soğuk İklim kabuğu çok soğuk 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 o C Tropik iklim kabuğu sıcak ve nemli Karışık (karasal) iklim kabuğu kış soğuk, yaz sıcak/nemli 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 o C PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -4-

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. 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. Bina yükleri video su PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -5-

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. PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -6-

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. PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -7-

8 Isıtma ve Soğutma İhtiyaçları 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. İÇ YÜKLER Ekipman Aydınlatma Kullanıcılar Pencere radyasyon (ışınım) Pencere kondüksiyon DIŞ YÜKLER Konveksiyon (infiltrasyon) Zemin yüzeyleri İç yüzeyler Çatılar Duvarlar PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -8-

9 Isıtma ve Soğutma İhtiyaçları iç yüklerin yarattığı ısı kaybedilen ısı mekansal konfor için ısı artmalı kazanılan ısı mekansal konfor için ısı azalmalı dış yüklerin kaybettirdiği ısı AYLIK ISITMA YÜKLERİ AYLIK SOĞUTMA YÜKLERİ 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. Değerler kbtu/ft2/yr cinsindendir. 1 kwh=~3kbtu PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -9-

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. PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -11-

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 gün boyunca DOĞU CEPHESİ sabah saatleri BATI CEPHESİ öğleden sonra saatleri KUZEY CEPHESİ değerler Wh/m2 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -12-

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. PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -13-

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. PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -14-

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, yüzeyhacim 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. PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -15-

15 Vasari Kavramsal Enerji Analizi: Süreç PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -16-

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: 2-Modele katları ekle Analyze Energy Analysis paneli Enable Energy Model i seç PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -17-

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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -18-

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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -19-

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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -20-

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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -21-

21 Örnek Çalışma Konsept 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 YAŞAYAN İLİŞKİLERİ BİNA BİÇİMİ, YÖNÜ VE İKLİMLEN- DİRME Konut alanları ile bütünleştirilen kreş, market ve etkinlik merkeziyle yaşayanları kaynaştıran, kendi içinde yeterli, ve güvenli bir ortam oluşturmak 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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -22-

22 Örnek Çalışma - Sürdürülebilirlik Hedefleri EUI-METRE ile enerji hedefi hesaplama 2030 Challenge 2014 için karbon salınım hedefi %60 CO 2 azaltımı EUI (Energy Use Intensity) ölçütü (eia.gov) birim kbtu/sf/yr EUI hesaplaması ve bina modellemesi Autodesk Vasari ile yapıldı PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -23-

23 Örnek Çalışma Fiziki-Sayısal Modellerle Analiz PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -24-

24 Örnek Çalışma Tasarım Evreleri PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -25-

25 Örnek Çalışma Enerji Analizleri %45 Fosil kaynaklı yakıt 4552 ton CO 2 salınımı %41 Fosil kaynaklı yakıt 4279 ton CO 2 salınımı %37 Fosil kaynaklı yakıt 4238 ton CO 2 salınımı PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -26-

26 Örnek Çalışma 5 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -27-

27 Örnek Çalışma %37 Fosil kaynaklı yakıt 4238 ton CO 2 salınımı PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -28-

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 PERFORMANSA DAYALI MİMARİ TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -29-