Enerji verimliliği odaklı yapı yönlendirmesi için BIM tabanlı bir model önerisi: Kentsel dönüşüm örneği
A BIM-based model proposal for energy efficiency focused building orientation: An urban transformation area example
Yazar: MÜBERRA DOLDUR
Danışman: PROF. DR. REHA METİN ALKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Şehircilik ve Bölge Planlama = Urban and Regional Planning
Dizin: Enerji analizi = Energy analysis ; Enerji etkin planlama = Energy efficient planning ; Enerji modelleri = Energy models ; Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Enerji performans analizi = Energy performance analysis ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Kentsel dönüşüm = Urban transformation ; Yapı bilgi modellemesi = Building information modeling ; Yapı optimizasyonu = Structural optimization

Özet:
Tüm dünyada geçmişten günümüze, nüfusun ve şehirleşme oranının hızla artmasıyla beraber fosil yakıtların kullanımına bağlı olarak karbon salınımı da artmıştır. Nüfusun artmasıyla enerjiye olan talep artarken, fosil yakıtlar bu artan enerji talebine cevap vermekte yetersiz kalmaktadır. Zira fosil yakıtlar olarak tabir edilen yenilenemez enerji kaynakları sınırlıdır ve bugünkü kullanım ile yaklaşık yarım yüzyıl içerisinde petrol rezervlerinin; yaklaşık olarak 200 yıl içerisinde de doğalgaz ve kömürün tükeneceği tahmin edilmektedir. Öte yandan, fosil yakıtlar çevreye zararlıdır. Bu durum tüm dünyada artan bir enerji ve iklim krizine sebep olmuş ve dünya çapında tüm devletleri yenilenebilir enerji kullanımına yönlendirmiştir.
Dünyadaki enerji tüketiminin %35'i ve karbon emisyonlarının %38'i binalardan kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde Türkiye'de enerji tüketiminin yaklaşık olarak üçte birinin ticari, kamu ve konut yapılarından kaynaklandığı bildirilmektedir. Bu kapsamda, AB tarafından binalar enerji tasarrufunda öncelikli alan ilan edilmiş ve binalarda enerji verimliliğinin sağlanmasına yönelik olarak NSEB (Neredeyse Sıfır Enerjili Bina), nSEB (Net Sıfır Enerjili Bina), yeşil bina gibi kavramlar önem kazanmıştır. Bu kapsamda dünya genelinde ve Türkiye'de binalarda enerji verimliliği ve yenilenebilir enerjinin kullanımının yaygınlaşması ile ilgili birçok önemli adım atılmış ve yasal çerçeve güçlendirilmiştir. NSEB, Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği'nde yüksek enerji performanslı ve belli bir oranda yenilenebilir enerji kullanan bina olarak tanımlanmaktadır. Bu çerçevede Yapı Bilgi Modelleme (Building Information Modeling- BIM) ve Bina Enerji Modelleme (Building Energy Modeling- BEM) teknolojileri, NSEB hedefinin gerçekleştirilmesinde önemli fırsatlar sunan araçlardır. Zira BIM teknolojisi; sahip olduğu gelişmiş bilgi paylaşımı, gelişmiş üretkenlik, tüm yaşam döngüsü boyunca kullanım, çevresel analizler, artırılmış sürdürülebilirlik, nesne yönelimli modelleme gibi faydalar sebebiyle binalarda enerji verimliliğinin sağlanmasında kilit bir rol oynamaktadır. BIM teknolojisi sayesinde yapının daha tasarım aşamasında yapı bilgi modeli üretilebilmekte ve BEM ile enerji analizleri yapılabilmektedir.
Bir binanın NSEB olabilmesi ancak hem yıllık enerji tüketiminin en az olmasıyla hem de yenilenebilir enerji kaynaklarından yıllık enerji üretiminin en fazla olmasıyla sağlanabilmektedir. Buradan hareketle bu çalışmada, bir kentsel dönüşüm bölgesinde yer alan referans bir binanın enerji etkin şekilde en iyi yönlendirilmesi amacıyla BIM tabanlı bir model kullanılarak enerji simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Enerji simülasyonu için bina kabuğu bileşenlerinin ısıl özellikleri TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları'na uygun olacak şekilde belirlenmiştir. Üzerinde çalışılan binanın
yönlendiriliş durumu 16 farklı yöne göre (4 ana, 4 ara, 8 ikincil ara yön) değiştirilerek 16 farklı alternatif senaryo üretilmiştir. Projede yer alan mevcut yönlendiriliş durumu da dikkate alınarak 1 adet mevcut durum senaryosu oluşturulmuştur. Ayrıca, NSEB konsepti kapsamında yenilenebilir enerji kullanımının binadaki payını artırmak amacıyla binanın tüm çatı alanına fotovoltaik paneller yerleştirilmiştir. Bu çalışmada yöntem olarak BIM-BEM yarı otomatik entegrasyonu seçilmiştir. BIM yazılımı olarak Autodesk Revit, ara yazılım olarak SketchUp Pro ve BEM yazılımı olarak ise EnergyPlus 9.5 kullanılmıştır.
Çalışma kapsamında binanın enerji tüketimi hesaplanırken bina cephesine düşen güneş ışınımı miktarının yanında duvar, pencere, kapı vb yapı elemanlarının malzeme özellikleri ve ısı iletim katsayıları da parametre olarak dikkate alınmıştır. Yapılan enerji hesaplamalarında binada her katta yer alan 5 dairenin her biri birbirinden bağımsız tek bir termal bölge olarak tanımlanmıştır. Ayrıca her dairede 3 kişinin yaşadığı ve bu kişilerin belirli zaman aralıklarında evde oldukları varsayılmıştır. Yukarıdakilere ek olarak binada kullanılan elektrikli ekipmanlardan ve aydınlatmadan yayılan ısı enerjisi de hesaplamalara katılmıştır.
Elde edilen sonuçlara göre, en az yıllık enerji ihtiyacı (yıllık enerji tüketimi) GGB (güney-güneybatı) yönü için bulunmuştur. En yüksek yıllık enerji gereksinimi, KKD (kuzey-kuzeydoğu) ve GGB (güney-güneybatı) yönleri için bulunmuştur. Fotovoltaik panellerle enerji üretimine bakıldığında ise en verimli yönün güney yönü, en az verimli yönün ise kuzey yönü olduğu sonucuna varılmıştır. Üretimin tüketimi karşılama oranları karşılaştırılarak enerji etkinliği ölçülmüştür. Buna göre, üretimin tüketimi karşılama oranının yaklaşık %15 olduğu kuzey yönü enerji verimliliği en düşük yön olarak belirlenmiştir. Öte yandan, yaklaşık %20 üretimin ihtiyacı karşılama oranı ile güney yönü optimum enerji verimli yön olarak belirlenmiştir. Genel olarak tüm sonuçlara bakıldığında optimum yönlendiriliş sıralaması şu şekilde elde edilmiştir: G (güney), GGD (güney-güneydoğu), GGB (güney-güneybatı), GB (güneybatı), GD (güneydoğu), GBB (güneybatı-batı), GDD (güneydoğu-doğu), B (batı), D (doğu), KBB (kuzeybatı-batı), KDD (kuzeydoğu-doğu), KB (kuzeybatı), KD (kuzeydoğu), KKB (kuzey-kuzeybatı), KKD (kuzey-kuzeydoğu) ve K (kuzey).
Çalışma sonucunda elde edilen bulgulara göre yapı projelerinde BIM-BEM birlikte çalışabilirliği ile yapıların doğru yönlendirilmesiyle enerji verimliliğinin artırılabileceği ve temiz enerjiden ve güneş ışınımından daha fazla yararlanılabileceği görülmüştür. Bununla beraber, kentsel ölçekte çalışmalar yapılırken tüm binaların enerji verimliliği ilkesi de göz önünde bulundurularak yönlendirilmesiyle ülkesel bazda ciddi enerji tasarruflarının sağlanabileceği sonucuna varılmıştır. Bu doğrultuda çeşitli önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
With the rapid increase in population and urbanization rate all over the world, carbon emissions have increased due to the use of fossil fuels. While the demand for energy increases together with the increase in population, fossil fuels are insufficient to meet this increasing energy demand. Since non-renewable energy resources, called fossil fuels, are limited and it is estimated that with today's use, oil reserves will be depleted in about half a century and natural gas and coal will be depleted in approximately 200 years. On the other hand, fossil fuels are harmful to the environment. This situation has caused an increasing energy and climate crisis all over the world and has led all states around the world to use renewable energy.
35% of the world's energy consumption and 38% of carbon emissions originate from buildings. Similarly, it is reported that approximately one third of the energy consumption in Turkey originates from commercial, public and residential buildings. In this context, buildings have been declared a priority area in energy saving by the EU and concepts such as NZEB (Nearly Zero Energy Building), nZEB (Net Zero Energy Building), green building have gained importance in order to ensure energy efficiency in buildings. In this context, many important steps have been taken and the legal framework has been strengthened in the world and in Turkey regarding energy efficiency in buildings and the widespread use of renewable energy. NZEB is defined in the Building Energy Performance Regulation as a building with high energy performance and using a certain percentage of renewable energy. In this context, BIM (Building Information Modeling) and BEM (Building Energy Modeling) technologies are tools that offer significant opportunities in achieving the NZEB target. Because BIM technology plays a key role in providing energy efficiency in buildings due to its benefits such as enhanced information sharing, enhanced productivity, use throughout the entire life cycle, environmental analysis, increased sustainability, and object-oriented modeling. Thanks to BIM technology, a building information model can be produced at the design stage of the building and energy analyzes can be made with BEM.
A building can be NZEB only if its annual energy consumption is the lowest and the annual energy production from renewable energy sources is the highest. From this point of view, in this study, an energy simulation was carried out using a BIM-based model in order to orient a reference building located in an urban transformation area in an energy efficient way. For energy simulation, the thermal properties of the building envelope components have been determined in accordance with TS 825 Thermal Insulation Rules in Buildings. The orientation of the building was changed according to 16 different directions (4 main, 4 intermediate, 8 secondary intermediate directions) and 16 different alternative scenarios were produced. Considering the current orientation situation in the project, 1 current situation scenario was created. Moreover, within the scope of the NZEB concept, photovoltaic panels were placed on the entire roof area of the building in order to increase the share of renewable energy use in the building. In this study, BIM-BEM semi-automatic integration was chosen as the method. Autodesk Revit was used as BIM software, SketchUp Pro software was used as intermediate software and EnergyPlus 9.5 was used as BEM software.
Within the scope of the study, many parameters (the amount of solar radiation falling on the facade of the building, the material properties and heat transmission coefficients of the building elements such as walls, windows, doors, etc.) were taken into account while calculating the energy consumption of the building. In the energy calculations, each of the 5 apartments in the building is defined as a single thermal zone independent of each other. In addition, it is assumed that 3 people live in each flat and these people are at home at certain time intervals. In addition, the heat energy emitted from the electrical equipment and lighting used in the building was also taken into account in this study.
According to the results obtained, the least annual energy requirement (annual energy consumption) was found for the SSW (south-southwest) direction. The highest annual energy requirement was found for the NNE (north-northeast) and SSW (south-southwest) directions. Considering the energy production with photovoltaic panels, it is concluded that the most efficient direction is the south direction and the least efficient direction is the north direction. Energy efficiency was measured by comparing the ratio of production to meet the needs. Accordingly, the north direction, where the ratio of production to meet the needs is approximately 15%, was determined as the lowest energy efficiency direction. On the other hand, the south direction was determined as the optimum energy efficient direction, with the ratio of production to meet the needs is approximately 20%. In general, when looking at all the results, the most optimum orientation order is as follows: S (south), SSE (south-southeast), SSW (south-southwest), SW (southwest), SE (southeast), SWW (southwest-west), SEE (southeast-east), W (west), E (east), NWW (northwest-west), NEE (northeast-east), NW (northwest), NE (northeast), NNW (north-northwest), NNE (north-northeast), and N (north).
According to the findings obtained as a result of the study, it has been seen that energy efficiency can be increased by orienting the buildings correctly with BIM-BEM interoperability in building projects and more benefits can be made from clean energy and solar radiation. However, it has been concluded that significant energy savings can be achieved on a national basis by orienting all buildings by considering the energy efficiency principle while conducting studies on an urban scale. In this context, various suggestions were made.