Investigation of Thermal Performance of Double Skin Facade Systems for Hot and Cold Climate Regions

Öz

Double skin facades are effective systems developed to improve building energy performance and comfort conditions. If equipped with appropriate components, oriented and dimensioned correctly, they significantly reduce building thermal loads, and improve indoor air quality, noise and solar control. This study aims to evaluate the performance of these systems, which have been widely used in recent years, for hot and cold climate zones. For this purpose, simulations were carried out on an office building example in the geographical and climatic conditions of Adana (hot zone) and Erzurum (cold zone) provinces located in different degree day zones. The heating and cooling energy requirements of the alternative conditions of the double shell facades with 8 different orientations and gap widths for each region were determined by Design Builder software. As a result, it was determined that the most suitable orientation for reducing the cooling loads, which have an important place in 92.91% of the thermal loads in Adana conditions in the hot climate zone, would be towards the north, and for Erzurum, the most suitable orientation for optimizing the amount of energy needed for both heating and cooling would be towards the south. It was determined that the most appropriate value of the gap width, which is one of the important parameters affecting the double shell performance, is 60 cm for both regions.

Anahtar Kelimeler

• Double skin facade systems
• heating and cooling energy requirement
• orientation
• solar gain.

Çift Kabuk Cephe Sistemlerinin Sıcak ve Soğuk İklim Bölgeleri için Isıl Performanslarının İncelenmesi

Öz

Çift kabuk cepheler bina enerji performansı ve konfor koşullarının iyileştirilmesi için geliştirilmiş etkin sistemlerdir. Uygun bileşenlerle donatıldıkları, doğru yönlendirilip boyutlandırıldıkları takdirde bina ısıl yüklerinin azaltılması, iç hava kalitesinin arttırılması, gürültü ve güneş kontrolünün sağlanması noktasında önemli katkılar sağlamaktadırlar. Bu çalışmanın amacı son yıllarda kullanımı yaygınlaşan bu sistemlerinin sıcak ve soğuk iklim bölgeleri için performanslarının değerlendirilmesidir. Bu amaçla farklı derece gün bölgelerinde bulunan Adana (sıcak bölge) ve Erzurum (soğuk bölge) illerine ait coğrafi ve iklim koşullarında bir ofis binası örneği üzerinden simülasyonlar yapılmıştır. Çift kabuk cephelerin her bir bölge için 8 farklı yönlenme ve boşluk genişliği ile oluşturulan alternatif durumlarına ait ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyaçları Design Builder yazılımı ile belirlenmiştir. Sonuç olarak sıcak iklim bölgesindeki Adana koşullarında ısıl yükler içinde %92.91 oranında önemli yer tutan soğutma yüklerinin azaltılması için en uygun yönlenmenin kuzey, Erzurum için ise hem ısıtma hem de soğutma amaçlı ihtiyaç duyulan enerji miktarının optimize edilmesi için en uygun yönlenmenin güney yönüne doğru olacağı belirlenmiştir. Çift kabuk performansını etkileyen önemli parametrelerden olan boşluk genişliğinin en uygun değerinin iki bölge için de 60 cm olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Çift kabuk cephe sistemleri
• ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyacı
• yönlenme
• güneş kazancı

Kaynakça

1. Labaran YH, Mathur VS, Farouq, MM. The carbon footprint of construction industry: a review of direct and indirect emission. J Sustain Const Mater Technol 2021; 6(3): 101–115.
2. Zainordin N, Zahra, DBF. Factors contributing to carbon emission in construction activity. Aer-Adv Eng Res (2020); 200: 176-182.
3. Yıldız Y. Impact of energy efficiency standard and climate change on summer thermal comfort conditions: a case study in apartment building. GU J Sci 2015; 27(3): 1005-1013.
4. Akpan UF, Akpan GE. The contribution of energy consumption to climate change: a feasible policy direction. Int. J. Energy Econ. Policy 2012; 2 (1): 21-33.
5. Aqilah N, Rijal HB, Zaki SA. A review of thermal comfort in residential buildings: comfort threads and energy saving potential. Energies 2022; 15(23): 9012.
6. Niemann P, Schmitz G. Impacts of occupancy on energy demand and thermal comfort for a large-sized administration building. Build Environ 2020; 182: 107027.
7. Abanda FH, Byers L. An investigation of the impact of building orientation on energy consumption in a domestic building using emerging BIM (Building Information Modelling). Energy 2016; 97: 517-527
8. Lapisa R. The effect of building geometric shape and orientation on its energy performance in various climate regions. Int J GEOMATE 2019; 16 (53): 113-119.

9. Martinopoulos G, Papakostas KT, Papadopoulos AM. A comparative review of heating systems in eu countries, based on efficiency and fuel cost. Renew Sust Energ Rev 2018; 90: 687-699.
10. Crespi G, Abba I, Corgnoti SP. Innovative metrics to evaluate HVAC systems performances for meeting contemporary loads in buildings. Energy Reports 2022; 8: 9221-9231.
11. Alwetaishi M. Impact of glazing to wall ratio in various climatic regions: a case study. J King Saud Univ Eng Sci 2019; 31: 6-18.
12. Malka L, Kuriqi A, Haxhimusa A. Optimum insulation thickness design of exterior walls and overhauling cost to enhance the energy efficiency of Albanian's buildings stock. J Clean Prod 2022; 381: 135160.
13. Ghilardi LMP, Castelli AF, Moretti L, Marini M. Co-optimization of multi-energy system operation, district heating/cooling network and thermal comfort management for buildings. Appl Energ 2021; 302: 117480.
14. Ahmed MMS, Abel-Rahman AK, Ali AHH, Suzuki M. Double skin façade: the state of art on building energy efficiency. J Clean Energy Technol 2016; 4(1): 84-89.
15. Preet S, Mathur J, Mathur S. (2022). Influence of geometric design parameters of double skin façade on its thermal and fluid dynamics behavior: A comprehensive review. Sol Energy 2022; 236: 249-279.
16. Hülagü S, Köksal Özbalta T, Başaran T. Çift kabuk cephe sisteminin bina ısıl performansına etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi 2021; 41(1): 119-132.
17. Göksal Özbalta T, Yıldız Y. Sıcak-nemli iklimde çift kabuk cephe enerji performansının incelenmesi. Metu J Fac Archıt 2019; 36(1): 137-156.
18. Jankovic A, Goia F. Control of heat transfer in single-storey mechanically ventilated double skin facades. Energ Buildings 2022; 271: 112304.
19. Solmaz Z. Yüksek yapılarda çift cidarlı sistemlerin iç ortam konforuna etkisi, International Journal of Mardin Studies (IJMS) 2021; 2(2): 57-74.
20. Alqaed S. Effect of annual solar radiation on simple façade, double-skin facade and double-skin facade filled with phase change materials for saving energy, Sustain Energy Technol Assess 2022; 51:101928.
21. Kutluay P, İnan T, Ersoy U, Başaran T. (2015). Türkiye’den ve dünyadan örnekler ışığında çift cidarlı cephenin gelişimi. In: 12. Ulusal Tesisat mühendisliği Kongresi; 6-11 Nisan 2015; İzmir, Türkiye. Bildiriler Kitabı, 2249-2263.
22. https://www.meteoblue.com/tr/hava/hafta/erzurum_t%c3%bcrkiye_315368. Erişim Tarihi:16.02.2023
23. Kürekci NA, Kaplan S. Isıtma-soğutma yüklerinin hap ve revit Programlarıyla Hesaplanması. Tesisat Mühendisliği Dergisi 2014; 141: 5-15.
24. Safer N, Woloszyn M, Roux JJ. 2005. Three-dimensional simulation with a CFD tool of the air flow phenomena in single floor double-skin facade equipped with a venetian blind. Sol Energy 79; 79:193-203.