Thermal and daylight performance of double-skin facades; case study of an office building

Abstract

Depending on the climatic region, double-skin facade structures can aid in achieving human comfort and save building energy through controlling the interaction between indoor and outdoor environments. Sustainable designs aim to maximize admitted indoor daylighting to help reduce energy consumption. The study analyses different variables of double-skin facades that may affect the thermal performance and daylighting of the building. The main objective is (a) investigate the thermal effect in office buildings (b) analyze admitted daylight into the building (c) propose a flexible model that contribute to the overall performance and formation of the building façade. The framework consisted of investigating an office building located in Eskisehir, Turkey. The research evaluates performance-based computational simulations using Rhinoceros, Ladybug, and climate studio combined with Energy-Plus. The assessment focuses on the various characteristics of the façade, such as; façade distance, solid to void ratio and rotation degree. Four different façade iteration were designed and tested on all four façade directions of the office building. The results of all four different proposals have reduced the highest radiation value indoors significantly in both seasons. The highest radiation reduction reached 32.12% in summer and 22.82% winter. The highest increase in daylighting reached 83.78% in summer and 45.58% in winter. The results confirm that the use of wider panels provides lower concentrated solid areas of panels and admits more radiation and daylight levels into the building.İklim bölgesine bağlı olarak, çift cidarlı cephe sistemleri, iç ve dış ortamlar arasındaki etkileşimi kontrol ederek, konforun sağlanmasına ve bina enerjisinden tasarruf edilmesine yardımcı olabilir. Sürdürülebilir tasarımlar, enerji tüketimini azaltmak için, binaya giren gün ışığını arttırmayı amaçlar. Ancak kontrol altına alınmamış güneş ışınları, yetersiz gün ışığı veya uygun olmayan ısıl koşullar oluşturarak iç ortamda olumsuz etkilere yol açabilir. Çalışmanın öncelikli amacı, çevreye duyarlı bir tasarım için ısıl konforsuzluğunu azaltmak ve iç mekâna ulaşan gün ışığını kontrol etmek için kullanılacak çift cidar cephe yapılarını analiz ederek farklı senaryoların etkisini ortaya koymaktır. Çalışma, çift cidarlı cephelerin binanın termal performansını, binaya giren gün ışığını etkileyebilecek temel yönlerini ve farklı değişkenlerini analiz etmektedir. Ayrıca bu çalışmanın genel amacı (a) ofis binalarında çift cidarlı cephelerin ısıl etkisini araştırmak (b) binaya giren gün ışığını analiz etmek (c) bina cephesinin genel performansına ve oluşumuna katkıda bulunan esnek bir model önermektir. Çalışma kapsamında, Eskişehir'de tasarlanan bir ofis binası ele alınmıştır. Araştırmada, Rhinoceros, Ladybug ve Energy-Plus ile ClimateStudio yazılımları kullanılarak, performansa dayalı hesaplama simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Çift cidarlı cepheler, birçok parametre sebebiyle performansları etkilendiği için sıradan cephelere göre oldukça karmaşıktır. Değerlendirmede, cephe cidarları arasındaki mesafe, doluluk-boşluk oranı ve modüllerin dönme derecesi gibi çeşitli cephe özelliklerine odaklanmıştır. Bu özellikler dikkate alınarak, sıradan bir ofis binasının dört cephesini kapsayan dört farklı çift cidar cephe tasarlanmış ve analiz edilmiştir. Dört cephe önerisinin analiz sonuçunda da, yaz ve kış mevsimlerinde iç mekanlardaki en yüksek radyasyon değerini önemli ölçüde azalttığı görünmüştür. Bu konu kamaşmaya olasılığını azaltılmış olduğu anlamına gelmektedir. Yaz aylarında, en yüksek radyasyon en çok%32.12 ve en az %18.50 azaldığı görünmüştür. Kış aylarında ise, en yüksek radyasyon en çok %22.82 ve en az %7.59 azaldığı görülmüştür. Öte yandan, hemen hemen tüm katlar için ortalama radyasyon değerinin arttığı gözlendi. Bu konu ise içerideki yeterli ve gerekli aydınlık seviyesine ulaşmak için gereklidir ve yarar sağlamaktadır. Elde edilen bulgulara göre dört önerinin tamamında ortalama ve ortanca (medyan) gün ışığı değerlerinde bir artış kaydedilmiştir. Yaz aylarında, ortalama gün ışığındaki en az artış %36,47'ye, en yüksek artış ise %83,78'e ulaşmaktadır. Kış aylarında ise, ortalama gün ışığındaki en düşük artış %19.90'a, en yüksek artış ise %45.58'e ulaşmaktadır. Sonuçlara göre, daha geniş panellerin kullanımının, panellerde daha çok boşluk kullanıldığında, binaya daha fazla homojen gün ışığı sağlandığı ve ayrıca dönüş açısının da bu konu üzerinde önemli bir rol oynadığını görünmektedir.