Experimental and analytical examination of the effect of double skin facade system on building thermal performance

Çift kabuk cephe sistemleri, bina enerji tüketiminde büyük paya sahip olan bina kabuğuna, iç ortam konfor koşullarını ve enerji verimliliğinin sağlanması amacıyla uygulanır. Doğal ve/veya mekanik havalandırmayı ve aydınlatmayı olanaklı kılan bu sistemler, bina kabuğunun ses yalıtımını da arttırmaktadır. Geleneksel tek kabuk cephe sistemlerine ikincil bir cephenin ara boşluk bırakılarak entegre edilmesiyle oluşturulan çift kabuk cephe sistemlerindeki ısı transferi analizi, ara boşluklarındaki hava hareketinin de ayrıntılı değerlendirilmesini gerektirmektedir. Çalışmada, çift kabuk ve geleneksel tek kabuk cephe sistemlerindeki ısı transferi tek boyutlu zamana bağlı kararlı durum yaklaşımıyla ele alınarak, deneysel ve sayısal olarak incelenmiş ve cephelerin bina enerji performansına özellikle de ısıtma enerjisine etkisi araştırılmıştır. Bu kapsamda tek kabuk ve kutu tipi tampon bölge kullanımındaki çift kabuk cephelerdeki ısı transferinin hesaplanması için bölgesel analiz yöntemiyle kullanıcı davranışı ve pencere alüminyum çerçeve eleman etksini de göz önünde bulunduran bir matematiksel model kurulmuş, kurulan model deneysel olarak doğrulanmıştır. Deneysel çalışma Ege Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü binasının güney cephesinde yer alan, tek kabuk ve çift kabuk cephe kuruluşlarına sahip ofis mekanlarında 2017 Ocak ayı içerisinde ölçümler alınarak gerçekleştirilmiştir. Ardından, doğrulanan model, iki farklı iklim kuşağında bulunan illerde yıl içerisinde meydana gelen ısı transferini aylık ortalama günlük zaman dilimlerinde incelemek üzere kullanılmıştır. Sert karasal iklime sahip Erzurum İli ve Akdeniz ikliminin hüküm sürdüğü İzmir İlinin 10 yıllık ortalama iklim verileri kullanılarak, tek kabuk ve tampon bölge çift kabuk cephe sistemlerinin ısıl performansının yıl içerisinde iklime bağlı olarak değişimi araştırılmıştır. Tampon bölge kullanımında çift kabuk cephelerin ısıl performansının incelediği bu çalışmada, çift kabuk cephelerin ısı yalıtımı işlevini görerek iç ortamda meydana gelebilecek çok yüksek ve çok düşük sıcaklık değerlerini dengelediği, dolayısıyla değişen dış ortam koşullarına karşın iç ortamda konforun sağlanmasına katkıda bulunduğu görülmüştür. Çift kabuk cephe kullanımıyla güneş ısısı kazanımının yaklaşık %17 oranında azaldığının belirlenmesine karşın, tek kabuk cepheye kıyasla sert karasal iklimde ısı kayıplarını %39 oranında azaltılabileceği, akdeniz ikliminde ise ısıtma döneminde ısı kazancını %64 oranında arttırılabileceği ortaya konmuştur.Double skin facade systems are technology applied to the building envelope, which has a large share in building energy consumption, to provide indoor comfort conditions and energy efficiency. These systems enable natural or/and mechanical ventilation and lighting while increasing the sound insulation of the building envelope. The heat transfer in these systems, which are formed by integrating a secondary facade to traditional single facade systems by leaving an air cavity, becomes complex due to air movement in the interstitial spaces. In this study, heat transfer in conventional single skin facade and double skin facade system was studied experimentally and numerically by using one dimensional time dependent steady state approach and the effects of facade systems on building energy performance especially heating energy was investigated. In this context, a mathematical model considering user behavior and window aluminum frame element effect was build by zonal analysis method to calculate the heat transfer in single and box type closed cavity double skin facade systems, and build model has been experimentally verified. Experimental study was conducted in office spaces having single and double skin facade system in Ege University Civil Engineering building south facade in January 2017. Next, verified model was used to study the heat transfer in facade systems from two different climatic zones with the monthly average daily time periods. The change in thermal performance of single and double skin facade systems due to climatic condition during a year was investigated by using the 10 year average climate data of İzmir (Mediterranean climate) and Erzurum (Continental climate). According to the results, it has been found that double skin facade systems act as an insulator preventing extreme indoor temperature values, thus contributing to indoor comfort against changing external conditions. Although it is determined that the solar heat gain reduced about 17% by using double skin facade, compare to single facade heat losses can be reduced 39% in continental climate and heat gain in heating period can be increased 64% in mediterranean climate