Building Performance Optimization Through Design Decision Process With A Holistic Approach

Abstract

The energy consumption is becoming a fundamental subject through the world due to increasing amount of consumption. When comparing to the other economic sectors, the buildings have significant amount of energy consumption which could be differing along countries. However, the energy usage percentage is around 30 and 45 of the global energy request. According to researches, these numbers will be increased in the future, which is depending on growing population, increase of building services and comfort demand. Therefore, the energy efficient buildings at regional, national and international levels are becoming to be prevalent purpose. The energy efficient buildings have better energy performance. In order to achieve high performance buildings such as low-energy buildings, passive houses, green buildings, net zero-energy buildings, zero-carbon buildings, there is some considerations and tight necessities. During the building design process, the more design alternatives should be examined and should give enlightened multidisciplinary and interdisciplinary decisions by designers to reach high energy performance. For these concerns, there should be an optimization method during development of design objective, which offers an opportunity to design team to select a proper process. The main objective of building performance optimization should be providing inhabitants better spaces in aspect to better indoor environment quality, thermal comfort and efficient energy usage. On the other hand, it requires detailed evaluations and visualizations in order to achieve the precise construction performance of various design alternatives in the context of the complexity of the Architecture, Engineering and Construction (AEC) processes as well as the integration of newly developed technologies. Building Information Modeling (BIM) provides a platform to incorporate various stages of the design process for the investigation of buildings' performance. BIM platform includes all the characteristics of the building with its involved disciplines and systems. It offers a suitable platform for co-working between multidisciplinary and interdisciplinary during all process of the project. That supplies the collaborative process to optimize efficiency through building design stages. In addition, the BIM capability of modeling helps architects and engineers to examine various design alternatives. BIM-based interactive design methods is integrated with dynamic architecture in order to suggest a systematic design decision process. When used BIM for building energy performance analysis, it not only saves considerable time and effort but also reduces inconsistencies and mistakes because of BIM conserve necessary information about energy performance analysis. Thus, this method becomes an encouraging way to obtain various design purposes for architects and engineers. In this study, the aim is to generate the building design optimization method based on BIM. The proposed methodology is applied for building energy performance in aspect to design, thermal comfort, and energy consumption within the various design alternatives. During the implementation of the proposed methodology in a case study, different tools and their applications has been used. Thus, another objective for this study is to emphasize the interoperability between used tools with BIM approach. The proposed methodology is consisted of three design stages, which have different purposes and considerations. Although, each design stages have own purposes and considerations, they are connected and dynamically influenced with each other. To sum up, the proposed methodology within BIM platform is handling as a holistic approach with the consideration of building energy performance optimization through the building design process. In detail, the proposed building design optimization methodology has the conceptual, schematic, detail design stages. In the conceptual design stage, the building envelope related to windows size and window wall ratio (WWR) optimization is aimed. For this aim, the 3D conceptual model and the dynamic relations according to windows size and WWR have been created. The purpose of the schematic design stage is the model based predicted energy performance and its optimization. In this context, the daylighting and solar radiation analysis have been conducted. Also, the building parameters which are effected building energy performance have been examined according to the divided classes which are insulation integration, lighting & HVAC, and PV integration. Thus, the model based predicted energy performance and its optimization has been occurred on energy use intensity (EUI) results. In the detailed design stage, the investigation of design quality with standards and criteria in respect to indoor air quality, human comfort conditions and energy consumption is the goal. Therefore, the computational fluid dynamics (CFD) analysis and detailed energy analysis has been carried in the detailed design stage. For this goal, the natural ventilation has been examined via CFD analysis. The CFD analysis has its own methodology which contains the integration of 3D building model and CFD model with BIM platform. The main objective in the detailed design analysis is to determine exact energy consumption and building energy class. Owing to this purpose, the detailed energy analysis has been conducted. The results from CFD analysis has been evaluated for the detailed energy analysis as an input. Finally, the calculated building energy performance and the comparison with standard, the building energy class has been figured out. The results from the implementation of proposed methodology on a case study shown that there were 11664 design alternatives with the consideration of windows size and WWR in the conceptual design stage. The maximum windows size and WWR has been choose for the schematic design which is next design development stage. The daylighting analysis results indicated the possible use of daylighting which passed 75 % at morning and the 27 % of towards the evening. The solar radiation analysis outcomes showed annual solar radiation gains of Niğde house roof surface outcome with average 11 kWh/m2 thus the PV integration could be beneficial for this building. The model-based predicted energy performance and its optimization exhibited that could be reached up to 75 % of energy saving with the adjustment of building input parameters as insulation integration, lighting & HVAC, and PV integration. The CFD analysis showed that natural ventilation was the acceptable level for the human sensation as PMV between 0 and 3. Therefore, it could be considered that there is no need for the cooling system for in summer times. The detailed energy analysis result was 17865 kWh as annually total energy consumption. The building energy performance should be quantitatively obtained in order to investigate the building design quality within standard. For this reason, the reference building has been developed according to standard and compared the building and reference building as annual primary energy consumption. The detailed energy analysis put forward that the energy performance class of building was in A class. Consequently, the proposed methodology for optimizing the building performance with a holistic approach through the decision making process has been implemented on a two story hypothetical building design. Finally, a high level energy efficient building has been generated.

Enerji tüketimi, artan tüketim miktarından dolayı dünya genelinde temel bir konu haline gelmektedir. Diğer ekonomik sektörlerle karşılaştırıldığında, binaların enerji tüketimleri yüksek miktarlardadır. Her ne kadar enerji tüketim miktarları ülkeler arasında farklılık gösterse de, binalarda enerji kullanım yüzdesi küresel enerji talebinin yaklaşık 30'u ve 45'i kadardır. Araştırmalara göre, artan nüfus, bina hizmetleri ve konfor talebine bağlı olarak gelecekte bu rakamların artacağını öngörülmektedir. Bu nedenle, bölgesel, ulusal ve uluslararası düzeylerde enerji verimli binalar gün geçtikçe yaygın bir amaç haline gelmektedir. Enerji verimli binalar, üst seviye enerji performansına sahiptir. Düşük enerjili binalar, pasif evler, yeşil binalar, net sıfır enerjili binalar, sıfır karbonlu binalar gibi yüksek performanslı binalar elde etmek için bazı hususlar ve zorlu gereksinimler vardır. Ayrıca, bina tasarım sürecinde daha fazla tasarım alternatifi incelenmeli ve yüksek enerji performansına ulaşmak için tasarımcılar tarafından aydınlanmış birbirinden farklı çok disiplinli ve disiplinler arası kararların verilmesi gerekmektedir. Bu gereksinimler doğrultusunda, tasarımının geliştirilmesi sırasında tasarım ekibinin uygun bir süreç ve tasarım alternatifi seçmesi için bir optimizasyon yönteminin olması ve en uygun tasarım alternatifini seçmesi gerekmektedir. En uygun bina tasarım alternatifini seçerken, bina performansı optimizasyonunun temel amacı, daha iyi bir iç ortam kalitesi, ısıl konfor ve verimli enerji kullanımı için sakinlere daha iyi alanlar sağlamak olmalıdır. Öte yandan, mimarlık, mühendislik ve inşaat süreçlerinin karmaşıklığı ve yeni geliştirilen teknolojilerin bu alana entegrasyonu açısından, çeşitli tasarım alternatiflerinin kesin yapım performansını elde etmek için detaylı değerlendirmeler ve görselleştirmelere gereksinim duyulmaktadır. Bu kapsamda, Yapı Bilgi Modellemesi (BIM), bina performansının araştırılması için tasarım sürecinin tüm aşamalarını içeren bir platform sağlamaktadır. BIM platformu, binanın tüm özelliklerini, ilgili disiplinlerini ve sistemlerini bir arada kapsamaktadır. Projenin tüm süreçlerinde çoklu disiplinler ve disiplinler arası işbirliği için uygun bir platform sunmaktadır. Böylece, bina tasarım aşamalarında verimliliği optimize etmek için uygun işbirliği süreci sağlanır. Ayrıca, BIM'in modelleme yeteneği, mimarların ve mühendislerin çeşitli tasarım alternatiflerini incelemelerine yardımcı olur. BIM tabanlı etkileşimli tasarım yöntemleri, sistematik bir tasarım karar süreci önermek için dinamik mimariyle bütünleştirilir. Bina enerji performansı analizi için BIM kullanıldığında, sadece zaman ve emek tasarrufu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda BIM enerji performans analizi hakkında gerekli bilgileri koruduğu için tutarsızlıkları ve hataları da azaltır. Böylece, bu yöntem mimarlar ve mühendisler için çeşitli tasarım amaçlarını oluşturmada cesaretlendirici bir yol haline gelmektedir. Bu çalışmada amaç, BIM tabanlı bir bina tasarım süreci optimizasyon yönteminin oluşturulmasıdır. Önerilen yöntem bina tasarımında enerji performansı çeşitli tasarım alternatifleri dâhilinde tasarım, ısıl konfor ve enerji tüketimi için uygulanmaktadır. Önerilen bu yöntemin bir vaka çalışmasında uygulanması sırasında, farklı araçlar ve bu araçlara ait uygulamalar kullanılmıştır. Dolayısıyla, bu çalışmanın diğer bir amacı, BIM yaklaşımı ile kullanılan bu araçların arasındaki birlikte çalışabilirliği vurgulamaktır. Önerilen yöntem, farklı amaç ve değerlendirmelere sahip üç tasarım aşamasından oluşmaktadır. Her tasarım aşamasının kendine ait amaçları ve değerlendirmeleri olmasına rağmen, birbirleriyle bağlıdırlar ve birbirlerini dinamik olarak etkilenirler. Özetlemek gerekirse, BIM platformunda önerilen yöntem, bina tasarım süreci boyunca bina enerji performansının optimizasyonunu dikkate alınarak bütüncül bir yaklaşım ile ele almaktadır. Önerilen yöntem ayrıntılı olarak incelendiğinde, bina tasarımı optimizasyon yöntemi üç ana tasarım sürecini içermektedir bu süreçler kavramsal, şematik, detaylı tasarım aşamalarıdır. Kavramsal tasarım aşamasında, pencerelerin boyutlarını ve pencere duvar oranını (WWR) içermekte olup bina zarfının optimizasyonunu amaçlanmaktadır. Bina zarfı optimizasyonu için, 3B kavramsal model ve bu model üzerinden pencere büyüklüğüne ve pencere duvar oranına bağlı dinamik ilişkiler kurulmuştur. Şematik tasarım aşamasının amacı, model tabanlı öngörülen enerji performansı ve onun optimizasyonudur. Bu kapsamda gün ışığı ve güneş ışınımı analizleri yapılmıştır. Ayrıca, bina enerji performansını etkileyen bina parametreleri yalıtım entegrasyonu, aydınlatma & HVAC ve PV entegrasyonu olarak ayrılmış olan üç sınıfa göre incelenmiştir. Bina giriş parametreleri bu üç sınıf göz önünde bulundurularak değiştirilmiş ve değişime karşılık gelen enerji kullanım yoğunluğuna (EUI) göre inceleme yapılmıştır. Böylece model tabanlı öngörülen enerji performansı ve öngörülen enerji performansının optimizasyonu enerji kullanım yoğunluğu sonuçlarının değişimine göre gerçekleşmiştir. Detaylı tasarım aşamasında ise, tasarım kalitesinin iç mekân hava kalitesi, insan konforu koşulları ve enerji tüketimi ile ilgili standartlar ve ölçütlere göre araştırılması amaçlanmaktadır. Bu nedenle, detaylı tasarım aşamasında CFD analizi ve detaylı enerji analizi yapılmıştır. Bu doğrultuda, doğal havalandırma CFD analizi ile incelenmiştir. CFD analizi, 3B bina modelinin ve CFD modelinin BIM platformuyla entegrasyonunu da kapsayan kendine ait bir metodolojiye sahiptir. Detaylı tasarım analizinde temel amaç, binanın kesin enerji tüketimini belirlenmek binanın enerji sınıfını ortaya koymaktır. Bu amaçla, detaylı enerji analizi yapılmıştır. CFD analizinden elde edilen sonuçlar, ayrıntılı enerji analizi için girdi olarak değerlendirilmiştir. Bu nedenle detaylı enerji analizinin de kendine ait bir yöntemi vardır. CFD analizi ve detaylı enerji analizi yürütülürken, bu analizlere ait kendi yöntemlerini doğrultusunda CFD modeli ve enerji modeli oluşturulmuştur. Bu nedenle çalışmada, önerilen bina tasarım optimizasyonu yönteminin son aşaması olan detaylı tasarım aşamasında gerçekleştirilen CFD ve detaylı enerji analizleri ayrı ayrı bölümler halinde ele alınmıştır. Neticede, hesaplanan kesin bina enerji performansı ve bina enerji performansının standart ile karşılaştırması sonucu bina enerji sınıfı tespit edilmiştir. Bu çalışma kapsamında önerilen yöntemin bir vaka çalışmasına uygulanmasından elde edilen sonuçlara göre, kavramsal tasarım aşamasında pencerelerin boyutları ve pencere duvar oranı (WWR) arasında kurulan dinamik ilişki dikkate alınarak 11664 tasarım alternatifinin olduğu gözlenmiştir. Bir sonraki tasarım geliştirme aşaması olan şematik tasarım için maksimum pencere boyutu ve pencere duvar oranına (WWR) sahip olan tasarım alternatifi seçilmiştir. Günışığı analizinin sonucuna göre, sabah saat 9'da gün ışığının % 75'i geçmiş ve gün ışığının bina içinde oluşturduğu aydınlanma şiddeti çoğunlukla yaklaşık olarak 1400 lüks ile 2700 lüks arasındadır. Akşamüstü saat 3'te gün ışığının % 27'si geçmiş ve gün ışığının bina içinde oluşturduğu aydınlanma şiddeti 2000 lüks ile 4000 lüks arasındadır. Bu sonuçlar ışığında, gün ışığı kullanımının makul bir seviyede elde edilebileceği ve gün ışığı kullanımının mümkün olduğunu göstermiştir. Güneş radyasyonu analizinin sonuçları ise binanın çatısı yüzeyinde yıllık ortalama 11 kWh / m2 güneş enerjisi radyasyonu kazanımının olacağını göstermektir, bu sonuçlara göre PV entegrasyonunun bu bina için faydalı olabileceği söylenebilir. Bina giriş parametrelerinin yalıtım entegrasyonuna, aydınlatma & HVAC sistemlerine ve PV entegrasyonuna bağlı olarak değiştirilmesi sonucu model tabanlı öngörülen enerji performansı ve onun optimizasyonu gerçekleştirilmiştir Model tabanlı öngörülen enerji performansı optimizasyonuna göre enerji kullanım yoğunluğunda % 75'e ulaşabilen kümülatif bir enerji tasarrufunun olabileceğini göstermiştir. Doğal havalandırma incelenmesi için bina zarfı üzerinde bulunan açıklıkların kullanıcılar tarafından yönetildiği varsayılmış ve bu operasyonel bina zarfının optimizasyonu için dört senaryo oluşturulmuştur. Dört senaryo, doğal havalandırma ile sağlanabilecek en uygun iç ortam hava kalitesi ve insan termal koşulu için hava hızı, sıcaklık, PMV ve PPD değerleri bağlamında CFD analizinde incelenmiştir. CFD analizi sonuçlarına göre, doğal havalandırma 0 ile 3 arasında PMV olarak ölçülen insan hissi için senaryo 2'de kabul edilebilir bir seviyede olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, bina tasarımına senaryo 2'deki açıklıklar kullanılarak devam edilmiş ve yaz aylarında soğutma sistemine ihtiyaç duyulmayacağı varsayımında bulunulmuştur. Ayrıntılı enerji analizi binanın yıllık toplam enerji tüketiminin 17865 kWh olduğunu göstermiştir. Bina tasarım kalitesini standart dâhilinde incelemek için bina enerji performansı nicel olarak elde edilmelidir. Bu sebeple referans bina "Binalarda Enerji Performansı Ulusal Hesaplama" standarda göre geliştirilmiş ve bina ile referans binanın yıllık birincil enerji tüketimleri karşılaştırılmıştır. Detaylı tasarım aşamasının sonunda, binanın enerji performans sınıfının A sınıfında olduğu ortaya konmuştur. Sonuç olarak, bina performansını optimize etmek için önerilen yöntem, karar verme süreci boyunca bütünsel bir yaklaşımla iki katlı bir varsayımsal bina tasarımı üzerinde uygulanmıştır ve yüksek düzeyde enerji verimli bir binanın nihai tasarımı oluşturulmuştur. İstenilen performansı elde etmek için farklı araçlar ve uygulamaları kullanılmıştır. BIM yaklaşımı ile birlikte çalışabilirliğin, bu çalışma sırasında kullanılan programlar arasında vurgulanması amaçlanmıştır. Böylece, farklı yazılım entegrasyonunun komplikasyonu BIM bazlı önerilen yöntem ile elimine edilebilir. Çok disiplinli ve çok amaçlı bir yaklaşım olan bina tasarım süreci BIM platformu aracılığıyla optimize edilebilir. Pasif teknikler ve estetik kaygılar içeren bina zarfı tasarımı, önerilen yöntemde mimari açıdan geliştirilebilir ve optimize edilebilir. Ayrıca, CFD yaklaşımı BIM platformunun entegrasyonu ile uygulanılmıştır. CFD analizinin sonuçları dikkate alınarak, tasarım aşamasında uygun soğutma ve havalandırma sistemi binaya entegre edilebilir. Mimarlar ve mühendisler açısından, çok disiplinli bina tasarım süreci BIM platformu ile ele alınmaktadır.