District morphology impact on environmental control, energy performance, indoor and outdoor comfort

Abstract

Technological developments have provided significant architectural changes in the developing world in the last century, as in all other sectors. Nowadays, it cannot be denied that all the changes cause challenges like increasing carbon emissions, climate change, scarcity of resources, depletion of fossil fuels, population growth, and urbanization. Therefore, providing an efficient living environment, economy, and society are essential current targets for countries. The European Commission, which provides regulations to decrease the negative impacts of the building sector, is shifting the attention from the building level to the urban level. Since urbanization and the growth rate of the population is increasing rapidly, all countries like Turkey, need to take the responsibility of decreasing the adverse impacts of building stock. This study aims to evaluate the impact of district morphology on environmental control, energy performance, and comfort levels in different climatical regions of Turkey. The prominent uniqueness of the thesis is the integration of three key parameters. These are examining environmental control parameters for the urban morphologies' sun and wind potential, analyzing indoor and outdoor thermal conditions, also indicating energy performance calculations. Therefore, it is aimed to do inclusive research by considering the environment, energy, and human being together. In the methodology, a case study urban block is selected to analyze in Ankara, Turkey. It has 76,183 m² and includes approximately 2,400 dwellers. The case study urban block investigated two different climatical conditions. Ankara has a temperate-dry climate, and İzmir is selected as the representative city of a hot-humid climate. The research methodology consists of three main steps: arranging parametric modeling, conducting performance simulations, and making a comparative assessment. The parametric modeling includes data collection of the site, determining urban scenario variables, and organizing alternative urban block models. Regarding the urban scenario parameters, 28 alternative urban models are arranged. The performance analysis and comparative assessment process are conducted in Grasshopper/Rhinoceros software using a variety of plug-ins like Ladybug 1.4.0, Honeybee 1.4.0, Butterfly 0.0.05, and ClimateStudio1.1.9. The results show that all the beneficial alternatives have a 135° orientation regarding solar radiation analysis, energy performance simulations, computational fluid dynamic analysis outdoor and indoor comfort simulations. The best optimum urban scenario for Ankara belongs to the alternatives of Irregular X-Axis. The model produces the highest electricity thanks to solar streets and provides the lowest final district T.P.E. The final district T.P.E. of Ankara's best district model is 33% lower than the current value. The best optimum urban model for İzmir belongs to the Detached category. The model provides the lowest final district T.P.E, nearly half of the existing situation's final district T.P.E. Eventually, comprehensive research is needed to ensure the best optimum district morphology regarding the urban context and climate. Conducting all important parameters as much as possible highlights the best solution regarding environment, energy, comfort, and renewables.

Son yüzyılda yaşanan teknolojik gelişmeler dünyada önemli gelişmeleri beraberinde getirirken da bazı olumsuzluklara da sebep olmaktadır. Bunların başında iklim değişikliği, kaynakların kıtlığı, fosil yakıtların tüketimindeki artış, nüfus ve kentleşmenin artışı gelmektedir. Mimarlık ve inşaat sektörünün sera gazı emisyonlarının ve enerji tüketiminin önemli bir kısmından sorumlu olduğu bilinmektedir. Yapı stoğunun sebep olduğu olumsuzlukların etkisini azaltmak için hem bina hem de kent ölçeğinde çalışmalar yapılmasına dikkat çekilmektedir. Son yıllarda, kentleşme ve nüfus oranlarındaki artış göz önüne alındığında tüm ülkeler de olduğu gibi Türkiye'de de kent ölçeğinde araştırmalar yaparak yapı stoğunun olumsuz etkilerini azaltmak için çalışmalar sürdürülmesi gerekmektedir. Bu çalışma, yerleşke morfolojisinin fiziksel çevre kontrolünü, enerji performansını ve konfor seviyesini nasıl etkilediğinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu durumda Türkiye'nin farklı iklim bölgeleri de göz önünde bulundurulmuştur. Çalışmanın özgünlüğünü belirleyen üç durum vardır. Birincisi, çevre kontrolü, enerji performans çalışması ve termal konfor beraber ele alınmıştır. Çevre kontrolü incelemelerinde güneşin ve rüzgârın parseldeki hareketi incelenmiştir. Ayrıca, termal konfor hem dış çevrede hem de iç ortamda analiz edilmiştir. İkinci durum, kent senaryoları oluşturulurken hem homojen hem de heterojen parsel dokusu oluşturmaya gayret edilmiştir. Üçüncü olarak, yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinin farklı yerleşke morfolojisindeki potansiyelleri analiz edilmiştir. Bu yüzden, yapılan araştırmada çevre, enerji ve insan kapsayıcı bir bakış açısıyla incelenmiştir. Tezin yöntemi aşamasında öncelikle Ankara'da 76,183 m²'lik bir yerleşke seçilmiştir ve yerleşkede yaklaşık 2,400 kişi ikamet etmektedir. Ankara ılımlı-kuru iklime sahiptir. Çalışmada iklimin etkisini incelemek için ayrıca sıcak-nemli iklim bölgesinde yer alan İzmir ili seçilmiştir. Araştırmanın yöntemi üç temel aşamadan oluşmaktadır: modellemenin yapılması ve alternatiflerin düzenlenmesi, performans simülasyonlarının yapılması ve karşılaştırmalı değerlendirme için analizlerinin yapılmasıdır. Modelleme aşamasında parselde yeni alternatiflerin oluşturulması için değişkenler belirlenmiştir. Bu bağlamda 28 adet alternatif yerleşke modeli oluşturulmuştur. Yapılan analizler Grasshopper/Rhinoceros programı kullanılarak tamamlanmıştır. Algoritmik simülasyon modellerinin oluşturulması için Ladybug 1.4.0, Honeybee 1.4.0, Butterfly 0.0.05, ve ClimateStudio 1.1.9 gibi eklentiler kullanılmıştır. Güneş radyasyonu, enerji performans analizi, akışkan dinamiği simülasyonu, dış ve iç konfor analizleri tamamlanmıştır. Araştırmanın temel sonuçları şu şekildedir. Ankara ve İzmir için başarısını koruyan alternatiflerdeki binalar 135° yönelime sahiptir. Ankara için en başarılı sonuç veren alternatif "IrregularX-Axis" grubuna aittir. Bu alternatifte yerleşkenin final primer enerjisinde Ankara için %33 oranda bir düşüş sağlamaktadır. İzmir iklimi için en başarılı model "Detached" kategorisine aittir. Bu alternatifte yerleşkenin final primer enerjisinde %52 oranında bir düşüş sağlanmaktadır. Kapsamlı bir araştırma yürütmenin önemli olduğu vurgulanan bu çalışmanın çıktıları değerlendirildiğinde; çalışma alanı genişletilebilir, değişken sayısı arttırılarak daha fazla alternatif değerlendirilebilir, peyzaj ile ilgili değişkenler de eklenerek araştırmanın kapsamı genişletilebilir. Ayrıca, "solar street" fikrinin öneminin anlaşıldığı için bu fikir daha fazla geliştirilerek kent ölçeğine nasıl daha verimli şekilde entegre edilebileceği ile alakalı çalışmalar ortaya çıkartılabilir.