Enerji Etkin Bina Tasarımında Isıtma Enerjisi Harcamalarını Azaltmaya Yönelik Bir İyileştirme Çalışması

Abstract

Dünya genelindeki sanayileşme ve kentleşmenin etkisiyle birlikte, artan nüfus için gerekli enerjiyi sağlamak giderek daha zor bir hale gelmiştir. Pek çok ülkede fosil yakıtların büyük bir bölümü binalar tarafından harcandığından, binalar yüksek miktardaki karbon dioksit salınımından da sorumlu tutulmaktadır. Aşırı fosil yakıt kullanımı sonucu doğal kaynakların tükenme noktasına gelmesi, çevre kirliliği ve sera etkisi, iklim değişikliklerine sebep olan küresel ısınmanın başlıca sorumlularından biridir. Bu nedenle günümüzde, var olan alternatif enerji kaynaklarının en etkin şekilde kullanılması büyük önem taşımaktadır. Türkiye’de tüketilen enerjinin büyük bir bölümü ithal edilmekte ve her sene enerji bakımından diğer ülkelere daha da bağımlı hale gelinmektedir. Toplam tüketilen enerjinin oldukça büyük bir bölümü yerleşmelerde, özellikle binaların ısıtılmasında kullanılmaktadır. Tasarım aşamasında enerji etkinliği açısından doğru değerlendirilmemiş binalar ise, gereğinden fazla enerji ve kaynak tüketmektedir. Mimarlar, enerjiyi daha etkin kullanabilmek için, binaların farklı iklim koşulları altındaki gereksinimlerini değerlendirerek iklimsel konforu etkileyen binaya ilişkin değişkenlerin değerlerini optimize etmelidirler. Özellikle tasarım aşamasında yapılacak bu değerlendirme, binanın ömrü boyunca harcayacağı enerji miktarını belirlemede yardımcı olacaktır. Bu çalışmada henüz inşa edilmemiş bir binanın, tasarım kararlarının daha enerji etkin bir hale dönüştürülmesi hedeflenmiştir. Böylece, tasarım aşamasındaki bir binada sadece binaya ilişkin tasarım değişkenlerin değerlerini değiştirerek ısıtma enerjisi harcamaları azaltılabilecektir. Bu amaçla tasarım aşamasındaki bir bina referans olarak seçilip, yönetmeliklere uygunluğu kontrol edilmiştir. Daha sonra, pasif tasarım değişkenlerine ilişkin ısıtma enerjisi harcamalarında azalma gerçekleştirecek farklı bina alternatifleri önerilmiş ve bu alternatifler ısıtma enerjisi harcamalarının önemli olduğu ılımlı-nemli, ılımlı-kuru ve soğuk iklim bölgelerini temsil eden İstanbul, Ankara ve Erzurum illerine uygulanmıştır. Çalışma altı bölümden oluşmaktadır. Giriş bölümünde, yaşanan enerji sıkıntısına zemin hazırlayan gelişmeler özetlenmiştir. Sanayi devrimi etkisiyle gerçekleşen hızlı kentleşme ve nüfus artışı ile birlikte enerji gereksinimindeki artış, enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılan fosil yakıtların çevreye verdiği zarar ve küresel ısınma hakkında bilgi verilmiştir. Binaların enerji etkinliğinin önemi ve konuyla ilgili yapı sektöründe yapılan çalışmalar açıklanmıştır. İkinci bölümde, günümüzde zorunlu hale gelen enerji etkin bina tasarımında etkili olan pasif tasarım değişkenleri açıklanmış ve bu değişkenler, kullanıcıya, iklime ve binaya ilişkin olmak üzere üç başlık altında incelenmiştir. Kullanıcıya ilişkin değişkenler aşağıdaki gibi; - metabolizma düzeyi, - giysi türü ve - kullanıcının mekandaki konum ve duruş şekli olarak sınıflandırılabilir. İklime ilişkin değişkenler, dış ve iç iklimsel değişkenler olarak ikiye ayrılmaktadır. Dış iklimsel değişkenler; güneş ışınımı, dış hava sıcaklığı, dış hava nemliliği ve rüzgardan oluşurken; iç iklimsel değişkenler, iç hava sıcaklığı, iç yüzey sıcaklığı, iç hava hareketi ve iç hava nemi olarak açıklanabilir. Binaya ilişkin değişkenler ise binanın bulunduğu yer, yönlendiriliş durumu, diğer binalara göre konumu, formu ve bina kabuğunun optik ve termofiziksel özellikleri olarak sınıflandırılmıştır. Bu değişkenlerin tasarım aşamasında doğru değerlendirilmesinin enerji etkin bina tasarımı için öneminden ve enerji etkin bina tasarımında gelişmenin gerekliliğinden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde, enerji etkinliğine ilişkin gelişmelerden bahsedilmiştir. Enerji etkinliği ile ilgili dünya genelinde ve Türkiye’de kullanılan teşvik vb. uygulamalardan, Kyoto Protokolü ve Binaların Enerji Performansı Yönergesi’nden bahsedilmiş, konuyla ilgili yasa, yönetmelik ve standartlar özetlenmiştir. Daha sonra, günümüzde giderek popüler hale gelen gönüllü yeşil bina değerlendirme sistemlerinden örnekler verilmiş, BREEAM, LEED, Green Star, CASBEE, DGNB ve SbTool gibi yaygın olarak kullanılan değerlendirme sistemlerinin çalışma prensipleri, mevcut türleri, değerlendirme kategorileri, sertifikalandırma süreçleri ve verilen sertifikalar açıklanmıştır. Dördüncü bölümde, enerji etkin bina tasarımında ısıtma enerjisi harcamalarını azaltmaya yönelik bir iyileştirme çalışması sunulmuştur. Bu çalışmada öncelikle, çalışmanın uygulanacağı referans binanın sahip olması gereken özellikler tanımlanmaktadır. Referans binanın, Türkiye’de geçerli olan TS – 825: Binalarda Isı Yalıtım Kuralları’na uygun, henüz inşa edilmemiş bir bina olması gerekmektedir. Daha sonra referans binanın bulunduğu yer, diğer binalara göre konumu ve bina kullanıcılarının aktivite düzeyi, giysi türü, mekandaki konum ve duruş şekli ve kullanıcı sayısı belirlenmelidir. İklimsel koşullar için ise, çalışmada kullanılan hesaplama için hem ısıtmanın istendiği döneme ilişkin dış iklimsel veriler hem de iç hava sıcaklığı gibi iç iklimsel verilerin göz önünde tutulmasına ihtiyaç vardır. Son olarak da referans binanın bina kabuğuna ilişkin değişkenler belirlenmelidir. Bu değişkenler; - Opak bileşenin dış yüzeyinin yutuculuk katsayısı - Saydamlık oranı - Saydam bileşenin toplam ısı geçirme katsayısı - Opak bileşenin toplam ısı geçirme katsayısı - Opak bileşen katmanlaşma detayları olarak sıralanabilir. Referans bina ile ilgili özellikler belirlendikten sonra, seçilen bir simülasyon programı (DesignBuilder) ile referans binanın mevcut durumunun ısıtma enerjisi harcamaları hesaplanmalıdır. Çalışmanın devamında, ısıtma enerjisi harcamalarını azaltmak için tasarım aşamasında hangi pasif tasarım değişkenlerinin göz önünde bulundurulması gerektiğinden bahsedilmektedir. Önerilen iyileştirme alternatifleri ile ısıtma için harcanan enerjinin önemli olduğu iklim bölgelerinde, ısıtmanın istendiği dönemde ısıtma enerjisi harcamalarını azaltmak amaçlanmaktadır. İyileştirme alternatifleri; - Binanın bulunduğu yer - Bina formu - Saydamlık oranı - Opak bileşenin toplam ısı geçirme katsayısı - Saydam bileşenin toplam ısı geçirme katsayısı gibi pasif tasarım değişkenlerine ilişkin olarak belirlenmiştir Daha sonra, referans binanın ve iyileştirme alternatiflerinin ısıtmanın istendiği dönemde ısıtma enerjisi harcamaları hesaplanırken, hangi adımların kullanılacağı açıklanmaktadır. Bu adımlar aşağıdaki gibidir; 1.Adım: Mevcut bina ve önerilen diğer bina formları, önerilen saydamlık oranları ile belirlenen temsili iller için DesignBuilder’da modellenerek ısıtmanın istendiği dönem için ısıtma enerjisi harcamaları hesaplanır. 2.Adım: En az ısıtma enerjisi harcamasını gerçekleştiren alternatif için, opak ve saydam bileşenin toplam ısı geçirme katsayısına ilişkin iyileştirme alternatifleri geliştirilerek tüm hesaplamalar tekrarlanır. Referans binanın mevcut durumu ve binanın bulunduğu yer, bina formu, saydamlık oranı, opak ve saydam bileşenin toplam ısı geçirme katsayıları gibi değişkenlere ilişkin geliştirilen iyileştirme alternatifleri, seçilen bir simülasyon programında modellenerek, ısıtmanın istendiği dönemde ısıtma enerjisi harcamaları hesaplanmalıdır. En az ısıtma enerjisi harcamasını gerçekleştiren alternatifler, farklı iklim bölgelerinin temsili illeri için ayrı ayrı belirlenmelidir. Belirlenen alternatiflerin ısıtma enerjisi harcamaları referans bina harcamaları ile karşılaştırılarak, il il gerçekleştirilen iyileşme yüzdesel olarak ifade edilebilir. Son olarak da, referans bina için geliştirilen en iyi alternatifin sağladığı iyileşme yüzdesinin, mevcut bir gönüllü yeşil bina değerlendirme sistemindeki puanlama sisteminden alacağı puan hesaplanmalıdır. Beşinci bölümde, yukarıda açıklanan çalışmanın uygulama kısmı yer almaktadır. Referans bina seçilip ısıtma enerjisi harcamaları hesaplanmıştır. Daha sonra, temsili iller olarak seçilen İstanbul, Ankara ve Erzurum için ısıtmanın istendiği dönemler belirlenmiş, buna göre iyileştirme önerileri ve belirlenen adımlar referans binaya uygulanmış ve elde edilen bulgular, çizelgeler yardımıyla karşılaştırılmıştır. Altıncı bölümde ise, yapılan çalışmanın sonuçlarının değerlendirmesi yer almaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, ısıtma enerjisi harcamalarının özellikle önemli olduğu iklim bölgelerinde, tasarım aşamasında yalnızca pasif tasarım değişkenlerine yönelik önlemler alınarak, ısıtmanın istendiği dönemde ısıtma enerjisi harcamalarında %20’lere varan iyileşme sağlanabildiği görülmüştür.

With the effect of worldwide industrialization and urbanization, providing energy for the increasing population has become more difficult. In most countries, buildings are the major consumer of fossil fuels and are responsible for a large fraction of carbon dioxide (CO2) emissions. Overusing of fossil fuels causes the depletion of natural resources, environmental pollution and greenhouse effect, which are the main reasons for global warming and climate changes. Therefore, efficient use of existing alternative energy resources is of great importance nowadays. As Turkey imports most of the energy that it consumes, it becomes more dependent to the other countries for energy year by year. Most of the consumed energy is used in residential sector, especially for heating. Buildings which are not evaluated properly from the energy efficiency point of view during the design process, consume more energy and resources than they need. In order to provide energy efficiency, architects should pay attention to optimize the combination of design parameters affecting the indoor climate by analyzing building response to all climatic conditions. Especially an analysis realized during the design process will help to determine the amount of energy of the building over its lifetime. The aim of this study is to transform design decisions of an unconstructed building more energy efficient. Thus, the heating energy consumption will be reduced in the design process only by changing the values of design parameters of building. For this purpose, a building in design stage is chosen as a reference building and compatibility of the building for the current legislation is checked. Following that, different building alternatives developed with different design decisions are proposed to reduce the heating energy consumption of the building. These alternatives are tested for İstanbul, Ankara and Erzurum, which are representative cities for temperate-dry, temperate-humid and cold climate zones where the heating energy consumption is significantly important. This study consists of six chapters. In introduction, developments causing current energy crisis are summarized. The increasing energy requirement with the effect of industry revolution, urbanization and population growth and the environmental results of burning fossil fuels and global warming are mentioned. The importance of building energy efficiency and studies about energy efficiency in building sector are explained. In second chapter, passive design parameters effective on energy efficient building design are explained. These parameters are examined under three headings such as; design parameters related to users’, design parameters related to climate and design parameters related to building. Design parameters related to user, are classified as follows: - Activity level - Insulation value of clothing - Posture of the person in the room Design parameters related to climate are classified as outdoor and indoor climatic parameters. Outdoor climatic parameters are solar radiation, outdoor air temperature, outdoor air humidity and wind. Indoor climatic parameters are air temperature, indoor surface temperature, indoor air movement and indoor air humidity. Design parameters related to building consist of building site, orientation of building, building location according to other buildings, building form and optical and thermophysical properties of building envelope. The importance of accurate evaluation of these parameters in design process and the necessity of improvement in energy efficient building design are clarified. Third chapter deals with the improvement studies regarding energy efficiency. Current incentives and practices in Turkey and worldwide related to energy efficiency are mentioned, Kyoto Protocol and Energy Performance of Buildings Directive are explained, relevant laws, regulations and standards are summarized. Moreover, examples of most popular Voluntary Green Building Assessment Systems such as BREEAM, LEED, Green Star, CASBEE, DGNB and SbTool are briefly stated. Main principles, available schemes, assessment categories, certification processes and certificate types of these common assessment systems are discussed. In forth chapter, the approach to reduce heating energy consumption in energy efficient building design is introduced. Firstly, the essential properties of the reference building to be used in heating energy consumption calculations are defined. Reference building should be a project in design stage, an unconstructed building that is compatible to the current regulation and standard, TS – 825: Thermal insulation requirements for buildings. Afterwards, building site, orientation of building, location of building according to other buildings, activity level, insulation value of clothing, posture of the person in the room and number of users should be determined. For climatic conditions, outdoor climatic data for heating period and indoor climatic data such as indoor air temperature should be taken into consideration. Finally, parameters regarding building envelope should be specified. These parameters may be listed as; - Absorptivity of the opaque component - Transparency ratio - Overall heat transfer coefficient of the transparent component - Overall heat transfer coefficient of the opaque component - Detail of opaque component which satisfied the required overall heat transfer coefficient After determining the properties related to reference building, heating energy consumption for the current state of the reference building is calculated by using a simulation programme (DesignBuilder). Afterwards, passive design parameters that should be taken into consideration during the design process in order to reduce heating energy consumption are explained. With proposed improvement alternatives, it is aimed to reduce the heating energy consumption of proposed buildings, for the climatic zones where the heating energy consumption is significantly important. Improvement alternatives are determined according to passive design parameters such as; - Building site - Building form - Transparency ratio - Overall heat transfer coefficient of the transparent component - Overall heat transfer coefficient of the opaque component Below are the steps followed while calculating the heating energy consumption of reference building and improvement alternatives during the heating period. Step.1: Reference building and other proposed building forms are modeled with a simulation programme using the proposed transparency ratios and heating energy consumption during the heating period for all specified representative cities are calculated. Step.2: For the least energy-consuming alternative of the first step, improved values of the overall heat transfer coefficient of the opaque and transparent components are developed and all calculations are repeated. Heating energy consumption of reference building and improved building alternatives regarding building site, building form, transparency ratio and overall heat transfer coefficient of opaque and transparent components should be calculated for the heating period using a simulation programme (DesignBuilder). The least energy-consuming alternatives for the representative cities of different climatic zones (İstanbul, Ankara and Erzurum), should be specified. By comparing the results of these alternatives with the reference building’s results, improvement ratio for every climatic zone may be expressed in percentage. Finally, the improvement percentage of the least energy-consuming alternative should be evaluated using the point scoring system of a voluntary green building assessment system. Fifth chapter consists of the implementation of the previously explained method. The reference building is determined and its heating energy consumption is calculated. Heating periods for İstanbul, Ankara and Erzurum are determined. Improved alternatives are implemented to the reference building with previously explained steps and results of the calculations are compared by means of charts for every city. Finally, in sixth chapter, results of the implementations are evaluated. According to the simulation results, it is seen that during the heating period, in the climatic regions where the heating energy consumption is important, it is possible to accomplish 20% improvement in the heating energy consumption by only taking precautions about passive design parameters in the design process.