ABSTRACT
ETFE (ethylene tetrafluoroethylene) is a lightweight material increasingly used in building applications. It has gained popularity mainly due to its daylight transmittance and the potential for energy savings. When used as cladding ETFE sheets are usually assembled into cushions, which are inflated for structural reasons. ETFE cushions can provide thermal insulation with reduced initial costs and less structural supports as compared with a conventional glazed roof. Limited research regarding the modelling of ETFE in building applications and limited availability of information on material properties led to the present study. Designers are currently facing difficulties when carrying out energy optimisation studies as part of the design process. For example, since ETFE is not entirely opaque to longwave radiation, merely treating the material as a standard glass layer can lead to errors when evaluating its thermal performance. In order to enable building designers to assess the performance of these systems, maximising performance and managing risk, it is essential to gain knowledge and develop methods to model this novel material. This study takes into account the longwave transmission properties of the ETFE material and discusses the need for a methodology for estimating surface temperatures, heat losses, and solar gains. Guidelines for integration are needed to define its properties and to evaluate performance during the building design process.
INTRODUCTION
ETFE is a relatively new, lightweight material increasingly used in buildings, mainly due to its lightweight properties, its high daylight transmittance and the potentials for energy savings. When used for cladding, sheets of ETFE are usually assembled into cushions which are inflated (for structural reasons) by means of compressors. The system consists of two or more sheets of foil laid on top of each other and joined at the edges to form the cladding equivalent of an inflatable cushion. As stated, ETFE cushions can provide thermal insulation, with reduced initial cost investments and fewer supports compared with a glazed roof (Robinson, 2005). However, due to the lack of information on the material properties it becomes difficult for designers to deliver energy performance optimised designs. Additionally, since ETFE is not opaque to longwave radiation, treating it as a glass layer can lead to errors, when evaluating its performance. Therefore, it becomes essential to gain knowledge and develop methods to model this material in order to maximise performance (and minimise risk).
AIM OF THE STUDY
This paper deals with energy transmission aspects of ETFE in building design. The study focuses on thermal and optical performance of ETFE. Initially, a brief description of the ETFE material is given in order to reach a fundamental understanding of its performance. Calculation methods and approaches for existing projects are mentioned and a first evaluation of these methods is outlined. The paper presents recommendations for further studies of ETFE energy transfer modelling for building performance simulation.
BACKGROUND
ETFE in building design ETFE has approximately 95% light transmittance, but does not offer the clear visibility/transparency of glass (Robinson, 2005). As a result, ETFE solutions therefore initially found use on projects such as botanical gardens, zoological gardens, swimming pools, and exhibitions spaces. However, ETFE is increasingly finding its place in more traditional buildings as roofing for courtyards, shopping malls, atria and stores. The ETFE material has been used on prominent architectural projects such as the Eden Centre and the Water Cube and it is currently considered for a number of high profile international sports venues. Previous ETFE studies have focused mainly on structural properties and related issues, while little research has been carried out in order to determine energy transmission properties and characteristics in terms of environmental building design.
Modelling of ETFE in building simulation tools
Implementing ETFE cushions in building design is a complicated task due to the unusual transmission characteristics of the material. Since currently available commercial software tools are not developed to take into account the longwave transmittance through the ETFE layers, in practice ETFE foils are usually modelled as glazing units. Depending on the building use, the building design, the site, and geographical location of the building, this simplification may impact on the accuracy of the simulated building performance, as discussed in the following.
Shortwave and longwave radiation
This section presents a brief theoretical background, in order to gain an understanding of the particular properties of ETFE and the resulting potential shortcomings of current energy modelling tools and methods.
Electromagnetic radiation is an energy form, which comprises what we refer to as heat and light. The electromagnetic spectrum is outlined in Figure 2. The term ‘thermal radiation’ (relating to heat transfer) ranges from a wavelength of approximately 0.1μm to 100μm and includes part of the ultraviolet (UV) and all of the visible light and infrared (IR) radiation.
All bodies emit and absorb energy in the form of electromagnetic radiation. At a given temperature, the thermal radiation emitted from a surface varies for different wavelengths. The term ‘spectral’ is used to indicate this dependence. The spectral distribution depends on the characteristics and temperature of the emitting surface. In order to accurately quantify radiative heat transfer, the spectral and directional effects should be taken into account (Incropera et al., 2002).
Bu Yazı http://www.damtp.cam.ac.uk/ adresinden alıntıdır. Tamamını Okumak için Lütfen TIKLAYINIZ.
1. Giriş
Geniş anlamıyla ‘spor yapıları’, spor faaliyetlerinin yapılması için inşa edilmiş yapılardır. Takım sporları (futbol, basketbol, beysbol, buz hokeyi vb.), atletizm, jimnastik, bisiklet, buz sporları, yüzme vb. pek çok spor dalındaki müsabakaların yapılabilmesi için gerekli spor mekânlarını (saha, parkur vb.) bunların izlenebilmesi için gerekli mekân düzenlemeleri ile birlikte sunan, kalıcı, yarı açık veya kapalı yapılar (stadyum, spor salonu, arena, velodrom, kapalı yüzme havuzu vb.) bu başlık altında toplanmaktadır. Dünyada özellikle 1990 sonrasında küreselleşen dünya ekonomisinin sonucu olarak futbol başta olmak üzere spora daha geniş bütçeler ayrılırken stadyumlar başta olmak spor yapıları da dönüşmeye başlamıştır. Günümüzde küresel spor organizasyonlarının önemi ve yaygınlığı artarken, sporun profesyonelleşmesine – ve hatta ticarileşmesine – bağlı olarak spor yapıları da giderek çeşitlenmekte ve prestij yapıları haline gelmektedir. Giderek artan küresel çevre sorunlarına çözüm olarak “sürdürülebilir mimarlık” yaklaşımının mimarlığın tüm alanlarında destek görmeye başlamasıyla birlikte, spor yapıları için de “sürdürülebilirlik” kavramı önem kazanmaya başlamış, özellikle son on yılda “çevre dostu”, “enerji etkin”, “ekolojik”, “yeşil” vb. pek çok sıfatla anılan sürdürülebilir spor yapıları inşa edilmiştir.
Günümüzde, spor organizasyonları da sürdürülebilirliğin yaygınlaştırılmasına faal olarak hizmet etmektedir. Örneğin, FIFA (Uluslararası Futbol Federasyonları Birliği) dünya kupaları başta olmak üzere düzenlediği küresel futbol organizasyonları için 2005 yılında bir sürdürülebilirlik programı olan “Yeşil Gol” girişimini başlatmış ve modern stadyumlarda sürdürülebilirlik için bir dizi kapsamlı hedef belirlemiştir [1]. Programının anahtar hedefleri arasında su tüketiminin azaltılması, enerjinin daha verimli kullanılması, iyi bir atık yönetimi ve stadyumun inşası sürecinde malzemelerin nakliyesinde ve stadyuma geliş gidişlerde karbon ayak izinin azaltılması vardır [2]. Bu hedeflerin önemli bir kısmı çalışmada değinilen spor yapılarının tasarımında da dikkate alınmıştır.
Sürdürülebilirlik, çevresel, ekonomik ve sosyal boyutları olan bir olgudur. Bu boyutlar çoğu durumda birbirlerini bütünler. Örneğin: bir spor yapısında cephede fotokatalitik malzeme kullanılması cepheye gün ışığında UV ışıkla kendini ve havayı temizleme özelliği sağlaması nedeniyle çevresel açıdan, dolayısıyla cephe temizliği maliyetinin ortadan kalkması nedeniyle ekonomik açıdan, cephe temizliği sırasında olabilecek yaralanma ve ölüm riskinin ortadan kalkması nedeniyle de sosyal açıdan sürdürülebilir bir niteliktir. Bu çalışmada, spor yapılarının çatı ve cephelerinin çevresel açıdan sürdürülebilirlik nitelikleri ana hatlarıyla irdelenecektir. Yukarıda değinilen, ‘spor yapılarının prestij yapıları haline gelmesi’ olgusu sürdürülebilir mimarlık yaklaşımının vazgeçilmez hale gelişiyle birlikte özellikle 2000 yılı sonrasında belirgin hale gelerek önemli mimari örnekler vermiştir. Bu nedenle, çalışmada son on yılda yapılan örneklere yer verilecektir.
Türkiye günümüze kadar Üniversite Yaz Oyunları (İzmir, 2005) ve Üniversite Kış Oyunları (Erzurum, 2011) dışında küresel spor organizasyonu düzenleyememiş; İstanbul, 2000 oyunları ile başlayarak yaz olimpiyat oyunlarına 5 kere aday olmasına rağmen seçilememiştir. Spor yapılarının inşasını ticari, kültürel ve ekonomik olarak teşvik eden önemli küresel spor organizasyonlarına ev sahipliği yapamamamız Türkiye’de sürdürülebilirlik nitelikleriyle öne çıkan spor yapılarının yapımını güçleştirmektedir. Günümüz itibariyle Türkiye’de inşaatı devam eden önemli spor yapıları şunlardır: Vodafone Arena (İstanbul), Timsah Arena (Bursa), Başakşehir Stadı (İstanbul), Akyazı Stadı (Trabzon), Malatya Arena (Malatya), Konya Şehir Stadı (Konya) [3]. Çalışmada Türkiye örneği olarak, mevcut ve inşaatı devam eden spor yapıları arasından ele alınan sürdürülebilirlik niteliklerine uygunluğu nedeniyle Vodafone Arena seçilmiştir.
2. Spor Yapılarında Sürdürülebilir Çatı ve Cepheler
Günümüzde dünyanın dört bir tarafında, mimari açıdan “sürdürülebilir” olarak tariflenen, bitmiş veya yapımı devam eden pek çok spor yapısı vardır. Genel bir kabulle “sürdürülebilir spor yapıları” olarak tanımlanabilecek bu yapıların çatı ve cephe sistemlerinin ‘sürdürülebilirlik’ nitelikleri açısından dikkate değer örneklerine, kronolojik sırada aşağıda değinilecektir.
2.1. Allianz-Arena (Münih, Almanya, 2005, Herzog & de Meuron)
71,137 kapasiteli bir futbol stadyumudur (Şekil 1.a). Dünyadaki en büyük membran kabuğa sahip olan yapının [4] cephesinde ve çatısında 2.874 adet baklava biçimli, pnömatik ETFE (Etilentetrafloroetilen) panel kullanılmıştır (Şekil 1.b). Pnömatik ETFE paneller 350 g/m² ağırlığa sahip, UV geçirgenliği %95, görünür ışık geçirgenliği %93 olan 0.2 mm kalınlığında ETFE folyodan yapılmıştır. Yapının tasarımında doğal çimler için gerekli güneş ışığının sağlanması önemli bir ölçüt olmuştur. Münih’in yüksek enlemlerde yer alması nedeniyle güneş ışınları eğimli gelir. Bu nedenle seyircileri dış etkilerden korurken günışığını etkin kullanmak üzere çatıda ve cephede ETFE kullanımı tercih edilmiştir [5]. Yapının güney kısımlarında çimlerin gelişmesi için UV ışık geçirgenliği %98 olan şeffaf ETFE kullanılmıştır. Maç sırasında seyircileri güneşten korumak üzere, çatıda gömülü ileri geri sürülebilen makaralı güneşlikler vardır. ETFE paneller ev sahibi takıma göre beyaz, kırmızı ve mavi aydınlatılabilmektedir [4].
2.2. Pekin Ulusal Yüzme Merkezi (Pekin, Çin, 2007)
2008 Yaz Olimpiyat Oyunları için inşa edilmiş yüzme sporları kompleksidir. Daha çok “Su Küpü” adıyla bilinen yapının, çatısında ve cephesinde 100,000 m2 yüzey örten pnömatik ETFE yastıklar kullanılmıştır. Yüzme havuzları ısıtma gereksinimi yüksek binalardır. Yapının havalandırılmış boşluklu ETFE kabuğu, üzerine düşen güneş ışığını %90 geçirerek iç mekânların ve havuzların ısıtılmasını kolaylaştırmakta dolayısıyla yapının ısıtma giderlerini düşürmektedir. Rüzgâr yüklerine karşı dayanım ve yalıtım sağlamak üzere düşük basınçlı hava ile şişirilen pnömatik ETFE yastıklar, hafif bir çelik strüktür tarafından desteklenen alüminyum çerçeveler içine gerilmiştir. İç ve dış ETFE yastık cidarları arasında kalan havalandırılmış boşluğun çalışma ilkesi Şekil 2.a da gösterilmiştir [6]. ETFE yastıkların cepheden görünümü (Şekil 2.b) yan yana gelmiş sabun köpüklerinin doğal geometrisini esas alan bir yaklaşımla tasarlanmıştır. Sürdürülebilir spor yapılarında ETFE malzeme kullanımı diğer örnekleriyle birlikte sonuç bölümünde irdelenmiştir.
3. Sonuç
Çalışmada ele alınan yapılarda çatı ve cephelerin sürdürülebilirlik açısından öne çıkan başlıca nitelikleri şunlardır:
1) Çatıda yağmur suyu toplama
2) Ekolojik malzeme kullanımı
3) Hafif, enerji etkin çatı/cephe strüktürü
4) FV (fotovoltaik) sistem kullanımı
5) Etkin gün ışığı kullanımı
6) Enerji etkin hareketli çatı
7) Kendini/havayı temizleme
Ele alınan yapıların ‘sürdürülebilirlik nitelikleri’ açısından değerlendirilmesi Tablo 1’de yapılmıştır. Görüldüğü gibi “hafif, enerji etkin çatı/cephe strüktürü” ve “etkin gün ışığı” kullanımı sürdürülebilir spor yapıları için başat sürdürülebilirlik niteliklerdir.
Tablo 1: Çalışmada ele alınan yapılarda çatı ve cephelerin ‘sürdürülebilirlik nitelikleri’.
Dikkat çeken bir diğer nokta, spor yapılarında elektrik üretmek üzere FV sistemlerin kullanımının giderek yaygınlaşmasıdır. Dünyada FV sistem kullanılan spor yapılarının önemli örnekleri gözden geçirilerek Tablo 2’de sistem özellikleriyle birlikte, yıllık üretim gücüne göre sıralanarak listelenmiştir. Bu yapıların tamamında FV sistemlerin çatıya entegre edildiği görülmüş, cepheye entegre FV sistemlere rastlanmamıştır. Yapılar spor aktiviteleri için kullanılmadığı zamanlarda ürettiği elektrikle şebekeyi beslemektedir.
Tablo 2: Dünyada FV sistem kullanılan önemli spor yapıları ve sistem özellikleri.
FV sistemli spor yapıları arasında enerji üretim kapasitesi açısından en büyüğü çalışmada ele alınan Kaohsiung Dragon Stadyumu (Kaohsiung, Tayvan, 2009) ve ikincisi de Stade de Suisse Wankdorf (Bern, İsviçre, 2005) (Şekil 9.a) yapılarıdır. Her iki yapı da tasarım kriterlerinde önemli rol oynayan çatıya entegre FV sistemler ile inşa edilmiştir. FV sistemlerin tasarım sürecine aktif olarak dâhil edilmesi giderek yaygınlaşmaya başlamakla birlikte mevcut spor yapılarına – özelikle stadyumlara – sonradan FV sistemler takılması da yaygın bir uygulamadır. Örneğin: 1963 yapım tarihli Bentegodi Stadyumu (Verona, İtalya) 2009 yılında (Şekil 9.b), 1928 yapım tarihli Easy Credit Stadyumu (Nuremberg, Almanya) 2006 yılında çatılarına FV sistem takılarak yenilenmiştir. Bentegodi Stadyumu günümüzde FV sistemli spor yapıları arasında enerji üretim kapasitesi açısından üçüncü sıradadır. Çalışmada ele alınan Brasilia Stadyumu, FV sisteminin tamamlanmaması nedeniyle listeye konulmamıştır; üretime geçtiğinde bu yapı listede ilk sıralarda yer alacaktır. Türkiye’de Türk Telekom Arena (İstanbul, 2011) stadyumuna çatıya sonradan FV sistem konulması için çalışma yapılmış ancak sistem günümüze kadar uygulamaya geçmemiştir.
Gün ışığının etkin kullanıldığı, hafif çatı ve cephe strüktürleri oluşturmaya izin vermesi nedeniyle günümüzde spor yapılarında ETFE (Etilentetrafloroetilen) malzeme kullanımı yaygınlaşmaktadır. ETFE geniş bir sıcaklık aralığında yüksek kimyasal ve mekanik dirence sahip bir plastik malzemedir. İnce katlar halinde kullanılan malzeme, bu tip plastikler gibi biçimleriyle çalıştırılmak üzere pnömatik (şişirme) zarlar ya da membranlar şeklinde kullanılmaktadır [17]. Normal camların ışık geçirgenliği %80 kadarken ETFE filmlerin ışık geçirgenliği %90’dan fazladır [5]. Işık geçirgenliği, dayanıklılığı, sağlamlığı, yüzeyinin yapışmazlık özelliği nedeniyle yağmurla kendini temizlemesi, UV ışık veya atmosferik kirlilik altında solmaması – dolayısıyla bakım gerektirmemesi - gibi avantajları malzemenin çatı ve cephelerde sürdürülebilir kullanımını sağlamaktadır. Yapı kabuğunda ETFE kullanılan spor yapılarının önemli örnekleri, kullanılan ETFE yüzey alanlarına göre sıralanarak Tablo 3’de listelenmiştir.
Tablo 3: Yapı kabuğunda ETFE kullanılan spor yapılarından örnekler. [18] [19]
Yakın zamanlarda yapılan ve yapımı devam eden örneklerde, örneğin: Brasilia Stadyumu, çalışmada belirlenen ‘sürdürülebilirlik niteliklerinin’ giderek daha fazla bir arada kullanılmaya başlandığı görülmüştür. Türkiye örneği olarak ele alınan Vodafone Arena yapısında da çalışmada özellikle vurgulanan çatıda ETFE örtü ve FV sistem kullanımı ön plana çıkmaktadır. ETFE ve FV sistem kullanımı hafif, şeffaf, kendini yağmurla temizleyen, bakım gerektirmeyen, uzun ömürlü, enerji üreten, ekonomik geri dönüşü çabuk yapı kabukları üretmeye olanak sağlaması nedeniyle gelecekte spor yapılarının üst örtülerinde daha fazla önem kazanacaktır.
Bu Yazı http://www.catider.org.tr/ adresinden alıntıdır. Tamamını Okumak için Lütfen TIKLAYINIZ.