An Approach for the determination of the facade texture which aims cooling energy conservation

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2002Bu çalışmada, soğutma enerjisi korunumunu hedefleyen cephe dokusunun belirlenmesinde kullanılabilecek yeni bir yaklaşım tanıtılmaktadır. Yaklaşımın amacı; soğutmanın istendiği dönemde, bina kabuğu opak bileşeni aracılığı ile soğutma enerjisi harcamalarının minimize edilmesini olanaklı kılan cephe dokularının belirlenmesidir. Bu çalışma, istanbul yöresi için uygulamasını da içeren altı bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1'de, yapılan çalışmayla ilgili genel bir bilgi verilerek, enerji harcamalarını minimum düzeyde tutmak için binaların; ısıtmanın istendiği dönemde oluşan ısı kayıplarının ve soğutmanın istendiği dönemde oluşan ısı kazançlarının azaltılmasını olanaklı kılan pasif sistemler olarak tasarlanması zorunluluğu ele alınmaktadır. Soğutma enerjisi maliyeti, ısıtma enerjisi maliyetinin yaklaşık olarak 4-5 katı olduğu için, bina cephesinden ısı kazançlarını azaltmak için;. Cephe opak ve saydam bileşenine ait toplam ısı geçirme katsayısı için uygun değerlerin belirlenmesi,. Isı kazancının yüksek olduğu opak veya saydam yüzey alanlarını azaltmak ve. Cephede gölgeli alanlar yaratarak güneş ışınımının ısıtıcı etkisini azaltıcı önlemler almak gerekmektedir. Bölüm 2'de, soğutma enerjisi korunumu, soğutma enerjisi korunumunu zorunlu kılan değişkenler ve soğutma enerjisi korunumu sürecinde etkili olan değişkenler aracılığı ile anlatılarak, cephe dokusundan bahsedilmekte ve soğutma enerjisi korunumu ve cephe dokusu ilişkisi açıklanmaktadır. Bölüm 3'de, soğutma enerjisi korunumu ve cephe dokusu ilişkisini ele alan mevcut yöntemler ve bu yöntemlerin tartışılması yer almaktadır. Bu yöntemler incelendiğinde, cephede ısı kazançlarını azaltmak amacıyla yapılan çalışmaların, çoğunlukla gölgeli alanların hesaplanmasına yönelik olduğu görülmüştür. Bölüm 4'de, soğutma enerjisi korunumunu hedefleyen cephe dokusunun belirlenmesi için geliştirilen yaklaşım tanıtılmaktadır. Yaklaşımın adımlan ise aşağıdaki gibidir: 1. Cephe Dokusu ve Cephe Dokusunu Oluşturan Opak Bileşene Ait Alternatiflerin Belirlenmesi Cephe dokusunu oluşturan cephe opak bileşenine ait alternatiflerin toplam ısı geçirme katsayılarının ve optik özelliklerinin belirlenmesi ve bu değerlere bağlı olarak opak bileşenlere ait katmanlaşma detayları için yapım sektöründe kullanılabilecek çeşitli alternatifler geliştirilmesi yolu ile en uygun cephe opak bileşeni ve katmanlaşma detayı alternatiflerinin belirlenmesi gereklidir. Cephe opak bileşeninin bazı bölümlerinde, dokudan dolayı farklı kalınlıklar mevcuttur. Bu nedenle, farklı kalınlıklardaki kesitlerin toplam ısı geçirme katsayıları da birbirinden farklı olacaktır. Cephe opak bileşeninin toplam ısı geçirme katsayısı (U0), alanlarla ağırlıklı olarak aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Ut. Aı + U2. A2 +....+ Un. An Uo = (1) At+A2 + +An U0 : Cephe opak bileşenine ait toplam ısı geçirme katsayısı, W7m2oC U^U^-Un : Cephe opak bileşeninin farklı kesitlerindeki toplam ısı geçirme katsayıları, W/m2oC Aı,A2...An : Cephedeki farklı kesit kalınlıklarına ve katmanlaşmalara sahip olan her bir opak bileşenin alanı.m2 Yukarıdaki bağıntıda yer alan cephe opak bileşeninin farklı kesitlerindeki toplam ısı geçirme katsayıları (Uı, U2... U"), aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanmaktadır. 1 Uı, U2... Un = (2) 1/ccı +d1/Xı +d2/A,2 + +dn/Xn + 1/a.d a,-, otd : İç ve dış yüzeysel ısı iletkenlik katsayıları, W/m2oC dt,d2... dn : Her bir katmanın kalınlığı, m h\Xz -K '. Her bir malzemenin ısı iletkenlik katsayısı, W7m°C 1,2... n : Katman numaraları Soğutma enerjisi korunumu sürecinde etkili olan cepheye ilişkin diğer değişkenlerin seçilmesi için, cephenin baktırılabileceği yönler ve cephe dokusuna ait cephe opak bileşenlerinin optik özellikleri belirlenmelidir. 2. Cephe Dokusu Alternatifleri İçin Birim Alandan Kazanılan Isı Miktarlarının Hesaplanması Cephe dokusu alternatifleri için farklı katmanlaşma detaylarına bağlı olarak birim alandan kazanılan ısı miktarlarını hesaplamak için izlenen yol aşağıda açıklanmıştır.. Hesaplamaların Yapılacağı Tasarımın Dayandırıldığı Günün Belirlenmesi. Tasarımın Dayandırıldığı Dış Koşullarının Belirlenmesi Tasarımın dayandırıldığı gün için; güneş ışınımı, dış hava sıcaklığı gibi İklim elemanlarına art: değerler gerçek atmosfer koşullarına göre belirlenmelidir.. Tasarımın Dayandırıldığı iç Koşullarının Belirlenmesi Tasarımın dayandırıldığı iç koşullar, iklimsel konfor açısından cephe opak bileşenine ait termofiziksel özelliklerin belirlenmesinde uygulanan tasarım değişkenleridir. İklimsel konfor açısından bir hacimdeki iç yüzey sıcaklıklarının, iç hava sıcaklığı kadar önemli olduğu bilinmektedir. XI Soğutmanın istendiği dönemde cephe opak bileşeninden olan ısı geçişi, bina dışı çevreden bina içi çevreye doğru olacağından opak bileşen iç yüzey sıcaklığının günlük ortalamasının iklimsel konfor açısından izin verilebilir sınır değeri; tjy0 = tj + e (3) tiy0 : Cephe opak bileşenine ait iç yüzey sıcaklığı günlük ortalamasının iklimsel konfor açısından izin verilebilir sınır değeri,°C ti : İç hava sıcaklığının (kuru termometre sıcaklığı) konfor değeri, °C e : İklimsel konfor açısından cephe opak bileşenine ait iç yüzey sıcaklığı ile iç hava sıcaklığı arasındaki izin verilebilir sınır fark değeri, °C. bağıntısı ile hesaplanır.. Ele Alınan Cephe Dokusu Alternatiflerine Göre Tasarımın Dayandırıldığı Gündeki Tüm Saatler İçin Cephede Oluşan Gölgeli ve Güneşli Yüzeylerin Belirlenmesi ve Alanlarının Hesaplanması Cephede oluşan gölgeli alanları hesaplayabilmek için, profil açılan ve genişlik açılan kullanılır. Genişlik açılan, cepheye dik konumlandırılmış düşey elemanların duvara paralel kenarlarının gözleme noktası ile oluşturduktan düzlemlerin duvar düzlemi ile yaptıkları açılardır. Profil açılan, güneşin yükseliş açısı ve cephe-güneş azimut açılarına bağlı olarak aşağıdaki gibi hesaplanabilmektedir. Q = tan"1 (tanp/cosy) (4) Q ; profil açısı 3 : güneşin yükseliş açısı y : cephe-güneş azimut açısı. Tüm Saatlere Göre Cephede Oluşan Gölgeli ve Güneşli Yüzeyler İçin Sol-Air Sıcaklıkların Hesaplanması Sol-air sıcaklık, dış hava sıcaklığı ve güneş ışınımının birleşik etkisini ifade eden teorik bir sıcaklıktır ve dış hava sıcaklığından daha yüksektir. Cephe opak bileşeni için saatlik sol-air sıcaklık aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir. t80= td+^£o (5) «d td : Dış hava sıcaklığı, °C.t : Opak bileşenin dış yüzeyini etkileyen toplam güneş ışınımı şiddeti, W/m2 3o : Opak bileşenin güneş ışınımına karşı yutuculuğu, boyutsuz. «d : Dış yüzeysel ısı iletim katsayısı, W/m^C Günlük ortalama sol-air sıcaklık (teoo) ise, aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanmaktadır. 24 teoo13 (2 teo)/24 (6) i=1 XII . Soğutmanın İstendiği Dönemin Belirlenmesi Bu çalışmada soğutmanın istendiği dönem süresi iklimsel Konfor Grafiği aracılığı ile belirlenmektedir. İklimsel Konfor Grafiği'nde görülen 'Durgun Hava Koşullan İçin Konfor Bölgesi'nin üst sınırını belirleyen 0,25 m/sn hava hareketi hızı eğrisi ve iç çevrede izin verilebilen maksimum hava hareketi hızını belirleyen 0.8 m/sn iç hava hareketi hızı eğrisi arasında kalan dönem, doğal vantilasyonla konforun ihtiyaçlar açısından sağlanabileceği dönemdir. 0.80 m/sn'nin üzerinde iç hava hareketi ihtiyacı istenen dönem ise doğal vantilasyonun yetersiz kaldığı ve istenen iç iklimsel koşulların sağlanabilmesi için soğutma enerjisine ihtiyaç duyulan dönemdir. Her ayın 21. günlerine ait 10 yıllık saatlik ortalama dış hava sıcaklığına bağlı olarak hesaplanan sol-air sıcaklıklar ve bağıl nemlilik değerleri İklimsel Konfor Grafiğine işlenerek hacim içersinde istenen hava hareketi hızları (V^) belirlenebilmektedir.. Soğutmanın İstendiği Dönem İçin Cephe Dokusu Alternatiflerinin Birim Alanlarından Kazanılan Isı Miktarlarının Hesaplanması Cephe opak bileşeninden geçen ısı kazancı miktarı aşağıdaki formül yardımı ile hesaplanmaktadır. Q = U0.(teo-« (7) Q : Cephe dokusunun birim alanından kazanılan günlük ortalama ısı miktarı, W/m2 U0 : Cephe opak bileşenine ait toplam ısı geçirme katsayısı, W/m2oC te0: Cephe dokusunu etkileyen sol-air sıcaklık, °C tj : İç hava sıcaklığı, °C Cephede oluşan gölgeli ve güneşli alanlar dikkate alındığında, cephede oluşturulan farklı girinti ve çıkıntılardaki farklı toplam ısı geçirme katsayısı değerlerine bağlı olarak, ısı kazancı miktarı aşağıdaki formülle hesaplanabilir. [(UvA1go.(teogo4i))+(U1.A1gu.(t80gU4i))+(U2.A2go.(te0go-ti))+(U2.A2gu.(t80gu-ti))] Q3, (8) Algo + A-lgu + A2go + A^u Uı : Cephe dokusundaki girintili bölümün toplam ısı geçirme katsayısı, W/m^C U2 : Cephe dokusundaki çıkıntılı bölümün toplam ısı geçirme katsayısı, W/m^C A1go : Cephe dokusundaki girintili bölümün gölgede kalan kısmının alanı, m2 A1gu : Cephe dokusundaki girintili bölümün güneşte kalan kısmının alanı, m2 A2go : Cephe dokusundaki çıkıntılı bölümün gölgede kalan kısmının alanı, m2 A2gu '. Cephe dokusundaki çıkıntılı bölümün güneşte kalan kısmının alanı, m2 teogo : Cephe dokusundaki gölgeli kısmı etkileyen sol-air sıcaklık, °C teogu : Cephe dokusundaki güneşli kısmı etkileyen sol-air sıcaklık, °C Cephe dokusunun birim alanından kazanılan dönemlik ısı miktarları, yönlere göre birim alandan kazanılan günlük ortalama saatlik ısı miktarlarının soğutmanın istendiği dönemin saat sayısı ile çarpılması sonucunda bulunmaktadır. XM 3. Soğutmanın istendiği Dönem İçin Yönlere ve Cephe Dokusu Alternatiflerine Bağlı Olarak Hesaplanan Isı Kazancı Miktarlarının Karşılaştırılması 'Soğutmanın istendiği dönemde minimum ısı enerjisi kazancını sağlayan alternatif en uygun alternatiftir1 kriteri uyarınca karşılaştırma yapılmaktadır. Bu kriter uyarınca soğutmanın istendiği dönem süresinde en düşük ısı enerjisi kazancını sağlayan alternatif belirlenebilmektedir. Hesaplanan ısı kazancı miktarlarının karşılaştırılması ve uygun katmanlaşma detayı ve cephe dokusu alternatifinin seçilmesi grafikler yardımıyla yapılabilir. Yönlere göre her bir katmanlaşma detayı ve cephe dokusu alternatifinin saatlik ısı kazancı miktarları aynı grafiğe işlenerek gün saatlerinde her saat için farklı alternatiflerin karşılaştırılması mümkün olabilir. Bu grafikler yardımı ile ele alınan farklı doku alternatiflerinde minimum ısı kazancını sağlayan alternatif, yapma soğutma enerjisi harcamalarının minimize edilmesini sağlayacağından soğutma enerjisi tasarrufu açısından en uygun alternatif olarak seçilebilmektedir. Bölüm 5'de, soğutma enerjisi korunumunu hedefleyen cephe dokusunun belirlenmesinde kullanılabilecek yaklaşım, istanbul yöresi için uygulanmıştır. Yapılan uygulamada, konut binaları için kullanılabilecek cephe dokuları ve cephe opak bileşeni değerlerinin değişim alan ve aralıkları belirli varsayımlar çerçevesinde seçilmiş ve elde edilen sonuçlar grafikler aracılığı ile karşılaştırmıştır. Ayrıca, sonuçların yıllık enerji harcamaları açısından irdelenmesi için, soğutma enerjisi tasarrufu açısından en düşük ısı kazancını sağlayan cephe dokusu alternatifinin yıllık ısı kaybı ve kazancı miktarlarına bağlı olarak düz cepheyle karşılaştırması yapılmıştır. Bölüm 6'da, cephelerde uygulanabilecek farklı cephe dokuları soğutma enerjisi korunumu açısından değerlendirilmiş ve elde edilen sonuçlar açıklanmıştır.In this study, a new approach which can be used for the determination of the facade texture which aims cooling energy conservation, has been introduced. The aim of the approach is to determine facade textures designed to minimize cooling energy consumption during the overheated period, by means of the opaque component of building envelope. This study consists of six main chapters including also an application for Istanbul region. In chapter 1, while giving a general information concerning the study, the necessity to design passive systems for reducing heat gains during the underheated period and for reducing heat loss during the overheated period, is given. Since the cost of cooling energy is approximately 4 or 5 times the cost of heating energy, to minimize the heat gains;. Definition of appropriate values for the heat transfer coefficient of opaque and transparent facade component,. Reduction of opaque and transparent surface areas where the heat gain is high, and. Prevention for the reduction of solar radiation by the way heating shaded areas at the facade are necessary. In chapter 2, first, the cooling energy conservation is explained by the help of necessary parameters of cooling energy conservation and parameters effecting the period of cooling energy conservation. Then, facade texture is introduced and the relationship between the cooling energy conservation and facade texture is explained. In chapter 3, current methods related to the relationship between the cooling energy conservation and facade texture and the consumption between these methods are given. When these methods are discussed, it is seen that the applications to reduce the heat gains at the facade are generally aimed to calculate the shading areas. In chapter 4, a new approach aimed to cooling energy conservation for the determination of the facade texture is introduced. The steps for this approach are as following: 1. To determine alternatives belonging to facade texture and opaque component of facade texture In this step, the coefficients of heat transfer alternatives belonging to the opaque component of the facade texture and optical properties are determined. The most appropriate facade opaque component and details have to be defined by the way of developing various alternatives to be used in construction sector for the opaque component details related to these healtransfer coefficients. In some parts of the facade opaque component, there are some different thicknesses that will be different from each other. The overall heat transfer coefficient of facade opaque component can be calculated by means of weighted average areas as following: U-.. A< + U2. Ai + + Un. Aft U0= (1) Ai+A2 + +An U0 : The overall heat transfer coefficient of facade opaque component W^C Ui,U2...Un : The overall heat transfer coefficient of each different section created by facade opaque component, W/m^C Ai,A2...An : The area of each opaque component which have different sections and details caused-by facade texture, m2 The overall heat transfer coefficients of facade opaque component at different sections (Ut, U2... Un) which are not mentioned at the equation above, can be calculated by the following formula. 1 Ui, U2... Un = (2) 1/ctj +di/A.i +d2A,2 + +dnA-n + 1/(Xd cti, ccd : Inner and outer surface heat transfer coefficients, W/m^C di,d2... dn : Thickness of each layer, m Xi,A,2... Xn : Thermal conductivity of each layer, W/m°C 1,2... n : Layer numbers To select other variables related to the facade effecting the period of cooling energy conservation, the orientations and optical properties of facade opaque components have to be determined. 2. The calculation of heat gains per unit area for alternatives of facade texture in order to calculate heat gains per unit area for alternatives of facade texture, the following method is given:. Determination of the design day for calculations. Determination of the outdoor design conditions For the design day, climate elements like solar radiation, outdoor air temperatures have to be determined in accordance with real sky conditions.. Determination of the of the indoor design conditions The indoor design conditions are design variables applied to determine thermophysicai properties belonging to facade opaque component for a climatic comfort. It is known that inner surface temperatures in a room are as important as indoor air temperature from the climatic comfort point of view. XVI In overheated periods, permissible limit value of inner surface temperature for an opaque component is as follows: tjy0*tj + 8 (3) tjyo : Permissible limit value of the inner surface temperature of the facade opaque component for the design day of overheated period, °C t( : Comfort value of Indoor air temperature, °C e : Permissible limit value for difference between inner surface temperature and indoor air temperature, °C. * Determination of-shaded-and- sunny emasand-ealGulation o/ 'these areas for each hour in design day To calculate shaded areas, profile angle and the angle which are formed between wall plane and planes created by the parallel sides of vertical elements, situated perpendicular to the facade with the observation point, are used. Profile angles can be calculated according to sun altitude angle and wall-solar azimuth angles, as following: Q = tan"1 (tanp/cosy) (4) Q : Profile angle p : Sun altitude angle y : Wall-solar azimuth angle. Calculation of sol-air temperature for shaded and sunny surfaces at facade Sol-air temperature is a theoretical external temperature that determines a temperature equal to the combined effect of solar radiation and outdoor temperature on any building component so that it is higher than actual air temperature. The hourly values of sol-air temperatures are calculated by means of following formula for opaque components; teo=td+^ (5) «d Jd.; Outdoor air temperature, °C It : Intensity of total solar radiation on the opaque component surface, W/m2 3o : Absorbtivity of the opaque component surface OdjuExtemal-surlace heat transfer coefficient, W/m2oC Daily values of sol-air temperatures (teoo) are calculated by means of following formula for opaque components; teoo = (l teo)/24 (6) F1 XVU . Determination of Overheated Period In this study, the cooling period is determined by the help of Bioclimatic Chart. At the Bioclimatic Chart, for "Comfort Region for Steady Air Conditions", it can be seen that the area is between 0.25m/s indoor air movement velocity line that determines upper limit of comfort area for air conditions and 0.8 m/s indoor air movement velocity line that determines maximum air speed for indoor environments. Comfort climatic conditions can be provided by natural ventilation in this area. The area where an indoor air movement velocity of more than 0.80 m/s is needed, is the area where the natural ventilation is not enough and where the cooling energy is required to provide indoor climatic conditions. Sol-air temperatures and relative humidity values calculated on every 21st. of each month according to average ten years hourly outdoor air temperature, are plotted on Bioclimatic Chart.. Calculation of heat gain per unit area of facade texture alternatives for the overheated period The heat gain passed through the facade opaque component can be calculated according to the formula below: Q = U0.(teo-ti) (7) Q : Daily average hourly heat gain amount per unit area of facade texture, W/m2 Uö : The overall heat transfer coefficient of facade opaque component, W/rn^C teo: Sol-air temperature of the facade texture °C tj : Indoor air temperature, °C When the shaded and sunny areas are taken into the consideration, heat gain related to various factor values of the overall heat transfer coefficient formed at various recessions and projections can be calculated by the formula below: [(Ui.A1^.(teogo-ti))+(U1.A1^ Q = (8) Algo + Algu + A2go + A2gu Ui : The overall heat transfer coefficient of the projections of facade texture, W/m2^ U2 : The overall heat transfer coefficient of the recessions facade texture, WmfC A1go : Shaded area of the projections of facade texture, m2 Ai8u : Sunny area of the projections of facade texture, m2 : Shaded area of the recessions of facade texture, m2 : Sunny area of the recessions of facade texture, m2 : Sol-air temperature effecting the shaded part of facade texture, °C teogu : Sol-air temperature effecting the sunny part of facade texture, °C Heat gains for overheated period per unit area of facade texture are calculated by multiplying daily average hourly heat amounts gained per unit area according to orientations with the number of hours of overheated periods. XVUl 3.The comparison of the heat gains calculated according to facade texture alternatives and orientations for the overheated period A comparison is done according to the main criterion which is given below: 'The facade texture that provides minimum heat gain for the overheated period is qualified as the most appropriate one'. According to this criterion, the alternative, which provides the lowest heat energy gain at overheated period, can be determined. The comparison of the heat gains calculated and the selection of the appropriate detail and alternative for facade texture can be realized by means of graphics. Hourly heat gain of facade texture alternative and detail according to orientation can be plotted on the same graphic, and by this way, different alternatives for each hour of the day can be compared with each other. Since the alternative that provides minimum heat gain among the different texture alternatives considered will provide to minimize artificial cooling energy consumptions, it can be selected as the most appropriate alternative as far as cooling energy conservation is concerned. In chapter 5, the approach that will determine the facade texture aiming to cooling energy conservation, is applied on Istanbul region. In the application considered, facade textures used for residential buildings and areas of variation and intervals for facade opaque component values are selected according to assumptions defined and the application results obtained are compared through the graphics. Furthermore, in order to evaluate these conclusions from the annual energy costs view point, the comparison of the alternative for facade texture which provides the lowest heat energy gain according to the cooling energy conservation as the result of the comparison and the facade which no projections and recessions, according to the heat gain and heat loss values was carried out for the overheated and the underheated period. In chap