3 boyutlu veriler kullanılarak yapıların üzerine düşen güneş enerjisi potansiyelini hesaplayan dinamik bir model ve yazılımın geliştirilmesi
Developing a dynamic model and software calculating solar energy potential using 3-dimensional data
Yazar: SÜMEYYE KAYNAK
Danışman: PROF. DR. AHMET ÖZMEN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Anahtar kelimeler: DSRM, GPU, güneş enerjisi, 3B binalar, sürdürülebilir çevre
Binalar, sürdürülebilir kalkınma hedefinde önemli bir paya sahiptir. Binaların topluca veya bireysel ölçekte güneş radyasyonu analizinin gerçekleştirilmesi bu hedef için önemli bir adımdır. Binalardaki güneş radyasyonu analizinin doğruluğu, binaların bütünsel analizine ve modelin verimliliğine bağlıdır. Geleneksel güneş radyasyonu analiz yaklaşımları, LIDAR, ALS, hava fotoğrafları, uydu görüntüleri ve MLS gibi bazı teknolojileri kullanır. Bu teknolojiler pahalıdır ve mevcut olmayan yapılar için uygun değildir. Bu çalışmada planlama aşamasında olan veya tamamlanmış binaların 3B planları kullanılarak topluca veya bireysel ölçekte binalar üzerindeki global güneş radyasyonu tahminini yüksek doğrulukta ve hassasiyette yapabilen dinamik güneş radyasyonu modeli (DSRM: Dynamic Solar Radiation Model) geliştirilmiştir. Bina yüzeylerindeki gölge alanlarının dinamik değişimi güneş enerjisi tahminlerini etkiler. Binaların hassas radyasyon analizleri için sadece radyasyon tahmin modellerinin kullanılması yeterli değildir, farklı algoritmalar gerekir. Önerilen yaklaşımda, daha kesin sonuçlar elde etmek için sonlu elemanlar yöntemi, arka yüz algılama ve ışın izleme algoritmaları kullanılmaktadır. Böylece, gerçek zamanlı gölgeleme analizleri ve talep edilen hassasiyette ve zaman aralığında analizler önerilen yaklaşımla gerçekleştirilebilmektedir.
Kentsel bir çevrenin dinamikleri ve karmaşıklığı içerisinde pasif parametrelerin optimum değerlerini bulmak zaman alıcı ve zor bir iştir. DSRM uygulamasının analiz süresini kısaltmak için GPU temelli yeni bir radyasyon analiz modeli geliştirilmiştir. GPU-DSRM esnek bir model olup, herhangi bir ev planına veya bir sitedeki birden fazla ev planına uygulanabilir. GPU-DSRM tabanlı yazılım aracı, NVIDIA tarafından sağlanan CUDA mimarisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, GPU-DSRM algoritmasını doğrulamak ve performansını analiz etmek için 10 binadan oluşan bir site çalışma alanı olarak seçilmiş ve bu alan üzerinde farklı senaryolarla birçok test işlemi gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda hem CPU ve hem de GPU temelli uygulamalardan elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış, GPU temelli uygulama ile 45 kat bir hızlanma elde edilmiştir. GPU-DSRM ile birlikte bina tasarımlarının veya mevcut kentsel oluşumların güneş potansiyeli analizi kabul edilebilir bir zamanda tamamlanabilir.

Abstract:
Keywords: DSRM, GPU, solar energy, 3D buildings, sustainable enviroment
Buildings play an important role in sustainable development. Performing solar radiation analysis on buildings at the multiple or individual scale is an important step for the formation of a sustainable environment. The accuracy of solar radiation analysis in buildings depends on the holistic an alysis of the buildings and the efficiency of the model. Traditional solar radiation analysis approaches use some technologies such as LIDAR, ALS, aerial photographs, satellite images, and MLS. These technologies are expensive and not suitable for non-existing structures. In this study, a dynamic solar radiation model (DSRM) has been developed to evaluate the global solar radiation on structures which can be either in planning stage or completed at the multiple or individual scale. Dynamical changes of shadow areas on building surfaces affect solar energy estimations. It is not enough to use only radiation estimation models for precise radiation analysis on buildings, different algorithms are required. In the proposed approach, finite element method, back-face detection and ray-tracing algorithms are utilized to obtain more precise results. Thus, real-time shadow analysis and analysis of the desired sensitivity and time interval can be obtained using the proposed approach.
Finding the optimum value of passive parameters within the dynamics and complexity of an urban environment is a time consuming and difficult task. A new GPU-based radiation model has been developed to shorten the analysis time of DSRM implementation. GPU-DSRM is a flexible model that can be applied to any home plan or multiple home plans in a site. The GPU-DSRM software tool is implemented using the C CUDA architecture provided by NVIDIA. In this study, a site consisting of 10 buildings has been selected as a study area to verify the GPU-DSRM algorithm and to analyze its performance. Many tests with different scenarios on this area have been performed. In the experimental studies, the results obtained from both CPU and GPU based applications were compared and a 45-fold acceleration was achieved with GPU based application. With this new approach, solar potential analysis of building designs or existing urban formations can be completed in acceptable time.