Yapı bilgi modelleme aracılığı ile enerji etkin yapı tasarımı ve geliştirilmesi: Bir konut projesi örneği
Energy efficient design and enhance of buildings with building information modelling: The case of a multistory residential building
Yazar: DAMLA ELBİ
Danışman: PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture
Dizin: Enerji etkin planlama = Energy efficient planning ; Enerji etkin yaklaşım = Energy efficient approach ; Enerji performans analizi = Energy performance analysis

Özet:
Yapılarda enerji etkin tasarım ve geliştirme (enerji etkin iyileştirme) enerji sorunlarının çözümünde ve sürdürülebilirliğin sağlanmasında önemli bir adımdır. Diğer taraftan, mimari projelerde enerji etkinliğin planlanması, gelişen bilgisayarlı modelleme ve simülasyon programları ile gün geçtikçe kolaylaşmaktadır. Yapı bilgi modelleme programları, binalarda çok yönlü, güncel ve etkileşimli bir tasarım aracı olarak enerji etkinlik çalışmalarına katkı sağlayan çeşitli veri saklama ve simülasyon özelliklerine sahiptir.
Bu açıdan tez çalışmasında, giriş bölümünde çalışmanın amacı, kapsamı açıklandıktan sonra, ikinci bölümde öncelikle enerji etkin tasarım ve geliştirme iyileştirme teknikleri, dünyadaki ve ülkemizdeki ilgili yasal mevzuatlar, hedefler, sertifika ve mevcut çalışmalar derlenmiştir. Yapılarda enerji etkin ve iklime uyumlu tasarımların kullanımı ve endüstri devrimi sonrasında ortaya çıkan çevre sorunlarına duyarlı tarafların ele aldıkları kavramlar ayrıntılı olarak irdelenerek, gelişen bilgisayarlı enerji hesaplamaları açıklanmıştır. Daha sonra ülkemizdeki binalarda uygulanan standartlar ve yasal mevzuat tartışılarak, çevre üzerindeki istenmeyen etkileri azalttığı gibi yapılara değer kazandıran ve dünyanın birçok yerinde uygulanan sertifikasyon sistemleri örneklerle açıklanmıştır. Mimaride enerji korunumunu sağlamak için hazırlanmış uzun süreli enerji hedefleri kapsamında ise, gezegenimizin gelecekte sürdürülebilir ve enerji etkinliği sağlamaya yönelik ulusal ve uluslararası enerji stratejileri ele alınmıştır. Pasif sistemler kapsamında; günışığı kontrolü, gölgeleme ve ışık yansıtıcı elemanlar, pasif güneş enerjisi kullanımı, yapı elemanlarının yalıtımı, doğal havalandırma tasarımları, aktif sistemler kapsamında ise HVAC sitemleri açıklanmıştır. Yeni inşa edilecek yapılarda, araziye yerleşim, yapının yönlendirilmesi, iklime göre bina formu ve mekan yerleşimi, termal kütle ve doğrudan günışığı kazançları da açıklanmıştır.
Üçüncü bölümde, yapı bilgi modelleme kavramı ve gelişimi ele alınmış, konu alanındaki programların çalışma prensipleri incelenmiş, kullanımına ilişkin özellikler açıklanmıştır. Programların vektörel sistemlerden veri taşıyan objelere doğru gelişimi, desteklediği sistemler açısından olgunluk düzeyleri, kullanılabilen veri analizi türleri açısından boyutlarının yanı sıra ortak format ve özgün format özelliklerine açıklanmıştır. Projelerin çeşitli evrelerinde kullanım avantajları, dezavantajları, kullanıcıların yetkinlik ve sorumlulukları ile dünyadan uygulamalara ilişkin çalışma ve standartlar sunulmuştur. Ayrıca, programlar ve simülasyonları aracılığı ile yapılan enerji etkin yapı tasarım ve geliştirme çalışmaları ele alınarak, literatür araştırması içerisinde, bina enerji modeli, yeşil yapı bilgi modelleme, yaşam döngüsü analizi ile ilişki ve benzeri kavramlar ele alınmıştır.
Dördüncü bölümde, yapı bilgi modelleme aracılığı ile enerji etkinliğin geliştirilmesi için mevcut çok katlı bir konut projesi seçilerek, örnek bir uygulama çalışması gerçekleştirilmiştir. Seçilen proje, TS 825 ısı yalıtımı standartlarına göre inşa edilmiş, TOKİ (Toplu Konut Dairesi Başkanlığı) tarafından geliştirilmiş bir yapıdır.
Örnek uygulama çalışmasında yapı bilgi modelleme programı ve ilgili simülasyonlar ile referans binanın modeli oluşturulmuş ve yapı, enerji etkinliği açısından irdelenmiştir. Güneş enerjisi potansiyeli ve gün ışığı alımı çalışmaları sonrasında, referans için enerji etkinliğini geliştirmek hedefine yönelik senaryo oluşturulmuştur. Sekiz senaryo, dört farklı simülasyon stratejisi ve iki yapı bilgi modelinden elde edilmiştir. Senaryo 1 ve 2, referans bina modeline, senaryo 3 ve 4 ise mevcut binaya alternatif olarak sunulan alternatif tasarım bina modeline dayanmaktadır. Simülasyon aracılığı ile elde edilen sonuçlar; referans bina için program içerisinde mevcut olan ve önerilen senaryolar ile yapı bilgi modeli üzerinde tasarım alternatifleri içeren senaryolar açısından karşılaştırılmıştır. Senaryo sonuçları incelenerek, mevcut ve alternatif tasarım modellerinde programın enerji etkin geliştirme (iyileştirme) potansiyeli oranları belirlenmiştir. 
Sonuç bölümünde, yapı bilgi modelleme ve simülasyon yöntemleri ile mevcut yapıların enerji etkin geliştirilmesi için çeşitli önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Energy efficient design and enhanced retrofitting of energy efficiency in buildings has taken its part in the construction sector as one of the main objectives of sustainability. Planning energy efficiency in architectural projects gradually facilitates with the advancing computer modelling and simulation programs. As versatile, contemporary and interactive design tools, building information modelling programs have various data storage and simulation properties that contribute to energy efficiency studies. 
Energy efficient design and retrofitting of buildings which include various energy efficiency enhancing retrofitting techniques, relevant legal regulations, objectives, challenges, certifications and academic research are compiled in this thesis.  
Research begins with the use of climate responsive and energy efficient design in construction and conceptual approaches of parties concerned about the emerging environmental problems after the industrial revolution and continues with development of computerized energy calculations.
Next, the study proceeds with baseline standards implemented in Turkey, legal statutes and referential official sources. Exemplary certifications which increase the value of buildings as well as minimize the undesirable effects on environment are explained. Long term energy challenges aspiring to improve energy usages in architecture to preserve the future of our planet include national and international energy strategies. Academic researches and application information are reviewed for energy efficient improvement strategies. Moreover the approaches commonly applied in the energy efficient enhance of buildings as passive systems and active systems are explained.
Building information modelling programs' evolution from vectorial systems to data carrier objects, maturity levels based on supporting systems, dimensions based on usable data analysis types are touched upon alongside with common and unique file formats. Advantages and disadvantages of using building information modelling programs in various project phases, competencies and responsibilities of users along with application studies and standards from the world are presented. Concepts such as building energy model, green building information modelling, lifecycle analysis relations and so forth are discussed among the literature research with mentions to energy efficient building design and retrofitting methods through programs and simulations.
In the following chapter, an example of the application is carried out by selecting an existing high rise residence building project for energy efficient development and retrofitting through building information modelling. Selected project belongs to TOKİ (housing development administration of Turkey) and it is built in accordance with TS 825 heat insulation standards.
In the application example, firstly, an information model of the building is created. Several energy efficient retrofitting scenario alternatives are generated with building information modelling program and related simulation tools.
Energy efficient scenarios are based on the following variables:
Building element variables: -roof construction, -wall construction, based on north/south/east/west directions, -windows, based on north/south/east/west directions: -window wall ratio, -shading element, -glass type, 
System variables which have an effect on energy consumption: 
-HVAC systems, -PV panels, -plug load efficiency, -lighting efficiency, -daylighting and occupancy controls, -infiltration.
Alternative scenarios are based on four types of simulation strategies and two building information models. First strategy is to select the best option in each energy variable category inside the Green Building Studio tool to obtain the most energy efficient result without any regard to feasibility or user comfort. Second is to apply the energy variables that transform the reference building to meet the embedded standards and objectives such as net zero energy building (nzeb), Arch 2030 and ASHRAE standard. Third is to interpret the previous simulations and select ideal energy variables inside the Insight tool to propose an optimized, user friendly, comfortable energy efficient building. Next, an alternative design model is created based on the reference model. For the second model, changes related to energy efficient retrofitting strategies that could not be done through the simulation are applied with building information modelling. Fourth strategy is to propose another optimized building, combining the building information model changes and applied energy variables of Insight simulation tool.
Eight scenarios are created for different types of comparisons. Scenario 1 and 2's are based on reference building model, scenario 3 and 4 are based on alternative design building model. In the application example, lastly, all energy efficiency and energy consumption results of alternative scenarios are reviewed and analyzed for the multistory residential building project. Energy efficient design and enhanced retrofitting study with building information modelling programs and simulation tools include; different types of reviews based on, effects of energy analysis (performance) variables, energy consumptions and energy conservations of scenarios. 
Lastly, the effects and benefits of using building information modelling programs and relevant energy analysis tools are discussed as a part of energy efficient design and enhance of buildings.