FARKLI İKLİM BÖLGELERİNDE FAZ DEĞİŞTİREN MALZEME ERİME SICAKLIĞININ BİNA KABUĞU ISIL PERFORMANSINA VE ENERJİ YÜKLERİNE ETKİSİ

Abstract

Binalarda enerji verimliliğinin artırılması, büyük ölçüde ısıtma ve soğutma enerjisi gereksinimlerini belirleyen parametrelerin doğru analiz edilmesiyle mümkündür. Bu bağlamda iç ve dış çevre koşulları arasında bir bariyer işlevi gören bina kabuğu; yönelim, geometri ile optik ve termofiziksel özellikleri aracılığıyla yapıların toplam enerji tüketimini ve iç mekân termal konforunu doğrudan etkilemektedir. Artan enerji ihtiyacı ve sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda pasif enerji tasarrufu sağlayan yenilikçi malzemelerin kullanımı önem kazanmış; bu kapsamda faz değiştiren malzemeler (FDM), ortam sıcaklığına bağlı gizli ısı depolayabilme özellikleriyle binaların ısıl performansını artırmada dikkat çekici bir potansiyel sunmuştur. Bu çalışmada Türkiye’nin beş farklı iklim bölgesi (1. Bölge: Antalya, 2. Bölge: İstanbul, 3. Bölge: Elazığ, 4. Bölge: Erzurum, 5. Bölge: Kars) esas alınarak 21 °C, 23 °C, 25 °C, 27 °C ve 29 °C erime sıcaklıklarına sahip beş FDM türünün entegre edildiği duvar sistemlerinin ısıtma ve soğutma enerji yükleri üzerindeki etkileri simülasyonlarla karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre; sıcak iklim koşullarındaki Antalya’da 29 °C erime sıcaklığına sahip FDM kullanımı soğutma yükünü %15 azaltmıştır. Ilıman iklimi temsil eden İstanbul’da 29 °C FDM ile toplam enerji yükünde %15, Elazığ’da ise 25 °C FDM ile %18 oranında azalma elde edilmiştir. Isıtma yükünün baskın olduğu Erzurum ve Kars’ta 23 °C erime sıcaklığına sahip FDM kullanımı, ısıtma enerjisi tüketimini yaklaşık %10 düşürmüştür. Bu bulgular, FDM erime sıcaklığının iklim koşullarına göre seçilmesinin duvar sistemlerinin enerji performansını belirgin biçimde iyileştirdiğini ve farklı iklim bölgelerinde hedeflenen enerji tasarrufu düzeylerine ulaşmada etkili bir tasarım parametresi olduğunu göstermektedir.

Keywords

• Faz değiştiren malzeme
• bina enerji simülasyonu
• DesignBuilder
• enerji etkin bina kabuğu

EFFECT OF PHASE CHANGE MATERIAL MELTING TEMPERATURE ON THERMAL PERFORMANCE OF BUILDING ENVELOPE AND ENERGY LOADS IN DIFFERENT CLIMATE ZONES

Abstract

Improving energy efficiency in buildings largely depends on accurately analyzing the parameters that determine heating and cooling energy requirements. In this context, the building envelope, which functions as a barrier between indoor and outdoor environmental conditions, directly affects total energy consumption and indoor thermal comfort through its orientation, geometry, and optical and thermophysical properties. With rising energy demand and sustainability goals, innovative materials that enable passive energy savings have gained increasing attention. Among these, phase change materials (PCMs) offer notable potential to enhance building thermal performance due to their ability to store and release latent heat as a function of ambient temperature. This study comparatively investigates, via simulations, the impacts of PCM-integrated wall systems on heating and cooling energy loads across five climatic regions of Türkiye represented by Antalya (Region 1), Istanbul (Region 2), Elazığ (Region 3), Erzurum (Region 4), and Kars (Region 5). Wall assemblies incorporating five PCM options with melting temperatures of 21°C, 23°C, 25°C, 27°C, and 29°C were evaluated, and their performance was assessed in terms of heating, cooling, and combined energy demand relative to a reference wall without PCM. The simulation results show that under the hot climatic conditions of Antalya, a PCM with a melting temperature of 29°C reduced the cooling load by 15%. For the temperate climate represented by Istanbul, the 29°C PCM achieved a 15% reduction in total energy demand, while in Elazığ the 25°C PCM provided an 18% reduction. In cold-climate regions where heating is dominant, namely Erzurum and Kars, the PCM with a melting temperature of 23°C decreased heating energy consumption by approximately 10%. Overall, the findings indicate that selecting PCM melting temperature in accordance with local climatic conditions can markedly improve overall wall-system energy performance and constitutes an effective design parameter for reaching targeted energy-saving levels across diverse climate zones.

Keywords

• Phase change material
• building energy simulation
• energy-efficient building envelope
• DesignBuilder

References

1. Akgüç, A. (2017). Energy Plus ve DesignBuilder simülasyon araçlarının işlevi ve kullanımına yönelik genel bir bakış. TTMD Dergisi, Sayı-11 (Ek).
2. Anter, A. G., Sultan, A. A., Hegazi, A. A., & El Bouz, M. A. (2023). Thermal performance and energy saving using phase change materials (PCM) integrated in building walls. J. Energy Storage, 67, 107568.
3. Arıcı, M., Bilgin, F., Krajčík, M., Nižetić, S., & Karabay, H. (2022). Energy saving and CO2 reduction potential of external building walls containing two layers of phase change material. Energy, 252, 124010.
4. Aydın, Ö., & Marangoz, D. B. (2022). Mimaride sürdürülebilir malzeme “bambu”. Bodrum Journal of Art and Design, 1(1), 77-94.
5. Bakırhan, E. K. (2023). Faz değiştiren malzemelerin bina yaşam döngüsü evrelerindeki mevcut potansiyelleri ve gelişmeye açık yönleri. Mekansal Araştırmalar Dergisi, 1(1), 109-126.
6. Bayraktar, F. S., & Köse, R. (2024). Yapı Malzemelerinde PCM Kullanımının Binaların Isıl Özelliklerine Etkisi. Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 10(1), 66-76.
7. Chan, Y., Hoke, T., Meredith, K., & Chen, X. (2025). Annual simulation of phase change materials for enhanced energy efficiency and thermal performance of buildings in Southern California. Energies, 18(4).
8. Ekici, B. B., Orhan, G., & Yüksel, E. N. (2022). Investigation of the effect of window and shading elements on building energy needs. PLANARCH-Design and Planning Research, 6(2), 40-46.

9. Frahat, N. B., Ustaoglu, A., Gencel, O., Sarı, A., Hekimoğlu, G., Yaras, A., & del Coz Díaz, J. J. (2023). Fuel, cost, energy efficiency and CO2 emission performance of PCM integrated wood fiber composite phase change material at different climates. Sci. Rep., 13(1), 7714.
10. Georgiou, L., Konatzii, P., Morsink-Georgali, P.-Z., Klumbyte, E., Christou, P., & Fokaides, P. A. (2023). Numerical and environmental analysis of post constructive application of PCM coatings for the improvement of the energy performance of building structures. Constr. Build. Mater., 364, 129984. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129984
11. İlgar, G., & Terhan, M. (2024). Dış duvara entegre edilen faz değiştiren malzemenin kalınlığı ve erime sıcaklığının bina enerji performansı ve CO2 emisyon azalımına etkisi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 39(2), 959-976.
12. Imafidon, O. J., & Ting, D. S. K. (2022). Energy consumption of a building with phase change material walls – The effect of phase change material properties. J. Energy Storage, 52.
13. Izadi, M., Taghavi, S. F., Safavi, S. H. N., Afsharpanah, F., & Yaici, W. (2023). Thermal management of shelter building walls by PCM macro-encapsulation in commercial hollow bricks. Case Studies in Thermal Engineering, 47, 103081.
14. Jha, S. K., Sankar, A., Zhou, Y., & Ghosh, A. (2024). Incorporation of phase change materials in buildings. Constr. Mater., 4(4), 676-703.
15. Nizovtsev, M. I., & Sterlyagov, A. N. (2024). Increasing the thermal inertia of building walls when using phase change materials. Thermophysics and Aeromechanics, 31(2), 273-284.
16. Özel, M., & Çakmak, F. A. (2023). Farklı Yönlendirmeli Bina Dış Duvarlarında Faz Değiştiren Malzeme Kullanımının Isı Kazancına Etkisinin Araştırılması. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 35(1), 413-424.
17. Sarcinella, A., de Aguiar, J. L. B., Jesus, C., & Frigione, M. (2023). Thermal properties of PEG-based form-stable Phase Change Materials (PCMs) incorporated in mortars for energy efficiency of buildings. Journal of Energy Storage, 67, 107545.
18. Saylam Canım, D., & Maçka Kalfa, S. (2022). Havalandırmalı Duvar Konstrüksiyonlarında Faz Değiştiren Malzeme Kullanımının Konut Binalarının Enerji Yüklerine Etkisinin İncelenmesi. Duzce University Journal of Science & Technology, 10(2).
19. Tamer, T., Dino, I. G., Baker, D. K., & Akgül, C. M. (2023). Coupling PCM wallboard utilization with night ventilation: Energy efficiency and overheating risk in office buildings under climate change impact. Energy & Buildings, 298, 113482.
20. Yemenici, D. K., & Barış, K. E. (2025). Combined use of phase change material and thermal insulation in the building envelope to enhance the thermal comfort and energy-saving. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 30(2), 439-458.
21. Yüksel, E. N., & Ekici, B. B. (2022). Enerji Etkin Bina Tasarımı İçin Çift Kabuk Cephelerin Isıl Performansı. Journal of New Results in Engineering and Natural Sciences, (17), 21-34.