Konutlarda akıllı oda termostatı kullanımı ile sağlanacak enerji tasarruf potansiyelinin belirlenmesi
Determining the energy saving potential to be provided by using smart room thermostat in residences
Yazar: FATİH BUĞRA GÜRKAN
Danışman: PROF. DR. SERMİN ONAYGİL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Enerji tasarrufu = Energy saving ; Enerji verimliliği = Energy efficiency

Özet:
Dünya genelinde ülke ekonomileri üzerindeki etkileri dikkate alındığında, enerji sektörünün uygun enerji politikaları ile planlı gelişmesinin önemli olduğu bilinmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı tarafından yapılan tahminlere göre, mevcut enerji politikaları ile devam senaryosunda 2040 yılında dünya birincil enerji talebinin 2020 yılına oranla yaklaşık %45 artması beklenmektedir.
Yakın gelecekte tükenebileceği öngörülen fosil enerji kaynaklarının kısıtlı olması ve bu enerji kaynakları kullanılırken etrafa yayılan zararlı emisyon gazları yenilebilir ve alternatif enerji kaynaklarına yönelimi artırmış, enerjinin daha verimli kullanılma gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Ekolojik dengenin korunması ve dünyanın yaşanabilir bir çevre olarak kalabilmesi için, zararlı çevresel faktörlerin analiz edilmesi ve sosyal olarak makro düzeyde önlemlerin alınması, bu doğrultuda gerekli adımların atılması gerekmektedir. 
Türkiye'de tüketilen enerjinin %75'i ithal edilmekte ve dışa bağımlılık gün geçtikçe artarak devam etmektedir. Ülkemizde enerji yoğunluğuna bakıldığında, gelişmekte olan ülke ortalamalarının üzerinde olduğu ve enerji verimliliği alanında iyileştirme potansiyelinin olduğu anlaşılmaktadır. Türkiye İstatistik Kurumu verilerine göre 2017 yılı sonu itibariyle 9.1 milyon adet bina bulunmakta olup, bu miktarın yaklaşık %87'sini konut nitelikli binalar oluşturmaktadır. Hane sayısı ise 22 milyonun üzerindedir. Enerji tüketiminin sektörlere dağılımı incelendiğinde, bina sektörünün enerji tüketiminde yıllık %4,4 talep artışı gerçekleştiği görülmektedir.
Binalarda tüketilen enerjinin etkin bir şekilde kullanılabilmesi için mevzuatlara uyumlu enerji verimli bina tasarımlarının geliştirilmesi gerekmektedir. Bir binanın enerji ihtiyacını belirleyen birçok parametre mevcuttur. Binanın coğrafi konumu, cephesi, mimari yapısı, yapı bileşenlerinin özellikleri, ısıtma ve soğutma sistemi tasarımı bunlardan başlıcalarıdır.
Türkiye'de 2 Mayıs 2007 tarihinde resmi gazetede yayımlanarak yürürlüğe giren Enerji Verimliliği Kanunu ile enerji israfının önlenmesi ve enerjinin etkin kullanımı hedeflenmiştir. Bu kapsamda kurum ve kuruluşların yetki çerçeveleri belirlenerek enerji yöneticisi kavramı ortaya konulmuş ve görev yapmalarının zorunlu olduğu alanlar belirlenmiştir.
2012 yılında yürürlüğe giren Enerji Verimliliği Strateji Belgesi ile enerji verimliliği alanındaki stratejik amaçlar açıklanmıştır. Bu kapsamda binaların enerji talepleri ve karbon emisyonları azaltılacak, sürdürülebilir çevre dostu binalar yaygınlaştırılacak, binalara azami enerji ihtiyacı ve emisyon sınırlamaları getirilecek ve ısı yalıtımı olmayan binalara her yıl artan emisyon vergisi uygulanacaktır.
Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı yeni binalara ruhsat verme sürecinde 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanunu ve buna bağlı olarak çıkarılan Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği ile enerji israfını önlemek amacıyla Enerji Kimlik Belgesi zorunluluğunu getirmiştir. İlgili uygulama 2011 yılı Ocak ayında uygulamaya alınmış, mevcut binalara ise 2017 yılına kadar süre tanınmış ve sonrasında bu tarih 2020 Ocak ayına uzatılmıştır.
2019 yılında onaylanan 11. Kalkınma Planına göre mevcut binalarda enerji verimliliğini teşvik edici desteklemeler yapılacak ve Ulusal Yeşil Bina Sertifika Sistemi kurularak çevre dostu uygulamalar geliştirilecektir.
Binalarda tüketilen enerji yüksek oranda ısıtma ve soğutma ihtiyaçları için kullanılmaktadır. Bu alanda fosil kaynaklı enerji tüketiminin azaltılması ve enerji verimliliğinin artırılması amacıyla yapılan bilimsel çalışmalar, hem CO₂ emisyonları azaltılarak çevreye verilen zararın önlenmesi, hem de enerjide yüksek oranda olan dışa bağımlılık azaltılarak ülke ekonomisine sağlanacak pozitif etki açısından büyük önem taşımaktadır.
Binalarda kullanım amacı ve büyüklüğüne göre merkezi ve bireysel olmak üzere iki farklı ısıtma tipi tercihi yapılmaktadır. Yapılan araştırmalara göre bireysel ısıtma sistemi kullanan yaklaşık 10 milyon konutun %72'sinde yanlış kullanım kaynaklı gereksiz enerji tüketimleri olduğu ortaya konulmuştur. Ayrıca mevzuatlarda ısıtma sistemlerinde termostat kullanım zorunluluğunun olmamasından kaynaklı, oda termostatı kullanım oranının %10'un altında olduğu ifade edilmektedir.
Gelişen teknoloji ile son yıllarda artarak popülerlik kazanan akıllı ev sistemleri, yaşam konforu ve kalitesini artırmaktadır. Nesnelerin interneti alanındaki gelişmeler akıllı ev sistemlerinin önemli uygulamalarından biri haline gelmiş ve akıllı oda termostatları da bu sistemlerin ürünleri arasında yer almıştır. Yapılan çeşitli araştırmalar ve dünyada önde gelen akıllı termostat üreticilerinin açıkladığı oranlara göre, akıllı oda termostatı kullanımı ile yaklaşık %20 ile %54 arasında enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında DOE-2.2 yazılım tabanlı E-Quest arayüz programı kullanılarak, bakanlıklar tarafından yürürlüğe alınan kalkınma planı ve stratejiler doğrultusunda binalarda ısıtma amaçlı tüketilen doğal gaz enerjisinde, gelişen yeni teknoloji ürünü akıllı oda termostatı kullanımı ile sağlanabilecek olan enerji tasarruf potansiyelinin belirlenmesi konusu üzerine çalışılmıştır. Konutlarda ısıtma için kullanılan fosil yakıt kaynaklı enerji tüketimi ve bu tüketim kaynaklı salınan sera gazı emisyonları azaltılarak çevreye olan zararlı etkilerinin önlenmesi ve ülke ekonomisi açısından pozitif etkilerinin kazanımı amaçlanmıştır.
Türkiye'de ikinci iklim bölgesi dahilinde bulunan ve il bazında en yüksek doğal gaz tüketiminin gerçekleştiği İstanbul ilinde bir konut binası TS 825 standartında belirlenen sınır değerlere göre modellenerek, belirlenen üç farklı kullanım senaryosu için binaya ait ısıtma sisteminin enerji tüketim simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Kullanıcıların evde, uykuda ve dışarıda olduğu durumlara göre üç farklı çalışma modu üzerinden kurgulanan senaryolarda, uyarlanabilir konfor modeline göre kabul edilebilir çalışma sıcaklığı aralıkları belirlenerek binaya ait bir yıllık enerji tüketimleri hesaplanmıştır. Konut binalarında akıllı oda termostatı kullanımı ile sağlanacak enerji tasarruf miktarı hesaplanarak, bu tasarrufun ülke ekonomisinin iyileştirilmesi ve doğal gazda dışa bağımlılığın azaltılması konularına sağlayacağı katkı ve gerçekleştirilecek tasarruf miktarı ile enerji tüketiminde sağlanacak azalmanın çevresel etkileri değerlendirilmiştir. İçinde bulunduğumuz pandemi dönemi de simüle edilerek, COVID-19 salgınının ısıtma amaçlı doğal gaz enerji tüketimine etkileri incelenmiştir.
Tez çalışmasında belirlenen Senaryo 1'de model binada tüm gün ev modunda 22°C set sıcaklık değerine ısıtılacak şekilde ısıtma sisteminin kontrol edilmesi sağlanmıştır. Bu senaryo standart oda termostatıyla kullanımı temsil etmektedir. Senaryo 2'de binanın set sıcaklık değerinin gün içinde ev modunda yine 22°C, uyku saatlerinde ise uyku modunda 20°C olacak şekilde ayarlanarak ısıtılması sağlanmıştır. Senaryoda 3'te ise kullanıcıların iş için ev dışında oldukları zaman diliminde model binanın dışarıda modunda 18°C set sıcaklık değerine ısıtılması sağlanmış, diğer saat dilimleri Senaryo 2'de olduğu şekilde programlanmıştır. 
Standart bir oda termostatı ile kullanıma oranla, akıllı oda termostatı kullanımı ile kullanıcıların Senaryo 2'deki kullanımı tercih etmeleri durumunda yıllık %6,95, Senaryo 3'teki kullanımı tercih etmeleri durumunda ise yıllık %14,53 oranında tasarruf potansiyeli olduğu yapılan çalışma kapsamında belirlenmiştir. Ayrıca, Türkiye'de oda termostatı kullanım oranının düşük olduğu ve mevcut kullanıcıların ise yanlış kullanım kaynaklı enerji tüketimlerinin yüksek olması sebebi ile çalışmada tespit edilen orandan daha da yüksek bir oranda enerji tasarruf potansiyeli olabileceği de ifade edilmiştir.
Çalışma sonuçlarında tespit edilen enerji tasarruf oranı ile 2020 yılında İstanbul ilinde hane başına tüketilen ortalama doğal gaz miktarı üzerinden hesap yapıldığında, hane başına yıllık 128 m³ doğal gaz tasarrufu sağlanabileceği, bu tasarruf ile yılda yaklaşık 280 kg CO₂ salınımının önlenebileceği ve bu değerin yaklaşık 13 ağacın absorbe ettiği salınım değerine karşılık geldiği bulunmuştur. Konutlarda sağlanabilecek enerji tasarrufu ile ülke ölçeğinde toplam enerji tüketiminde %1'lik azalma gerçekleşebileceği vurgulanmıştır.
Akıllı oda termostatı kullanımıyla doğal gaz enerji faturalarında sağlanabilecek  azalma üzerinden gerçekleştirilen hesaplamayla, akıllı oda termostatı yatırımının kendisini beş sene içerisinde geri ödediği tespit edilmiştir. Yine ülkemizde oda termostatı kullanım oranının düşük olduğu ve kullanan kullanıcılarda ise yanlış kullanım oranının yüksek olduğu dikkate alındığında, sistemin kendisini geri ödeme süresinin daha da kısa olacağı tahmin edilmektedir.
Isıtma sistemlerine benzer şekilde, soğutma sistemlerinde de akıllı oda termostatı kullanımı ile enerji tasarrufu sağlanabileceği ve bu tasarrufun akıllı oda termostatı için yapılan yatırımların kendisini geri ödeme süresine etkilerinin de araştırılmasının önemli araştırma konuları olabileceği önerilmiştir.

Abstract:
Considering the effects on the country's economies around the world, it is known that the planned development of the energy sector with appropriate energy policies is of high importance. According to the estimates made by the International Energy Agency, in the continuation scenario with the current energy policies, the world primary energy demand is expected to increase by approximately 45% in 2040 compared to 2020.
The scarcity of fossil energy resources, which are predicted to be depleted in the near future, and the harmful emission gases emitted while burning these energy resources have increased the orientation to renewable and alternative energy sources, revealing the necessity of using energy more efficiently. In order for the ecological balance to be preserved and the world to remain a livable environment, it is necessary to analyze harmful environmental factors, take socially macro-level measures, and take the necessary steps in this direction.
75% of the energy consumed in Turkey is imported and foreign dependency continues to increase day by day. When we look at the energy density in our country, it is understood that it is above the average of developing countries and that there is a potential for improvement in the field of energy efficiency. According to the data of the Turkish Statistical Institute, there are 9.1 million buildings as of the end of 2017, and approximately 87% of this amount is residential buildings. The number of households is over 22 million. When the distribution of energy consumption by sectors is analyzed, it is seen that there is an annual increase in the energy consumption of the building sector by 4.4%.
In order to use the energy consumed in buildings effectively, it is necessary to develop energy efficient building designs in compliance with the legislation. There are many parameters that determine the energy need of a building. The geographical location of the building, its facade, its architectural structure, the characteristics of the building components, the heating and cooling system design are the main parameters.
With the Energy Efficiency Law, which was published in the Official Newspaper on May 2, 2007 in Turkey, it was aimed to prevent energy waste and to use energy effectively. In this context, the authority framework of institutions and organizations has been determined, the concept of energy manager has been put forward and the areas where they have to do their duty have been determined.
With the Energy Efficiency Strategy document, which entered into force in 2012, the strategic objectives in the field of energy efficiency were explained. In this context, energy demands and carbon emissions of buildings will be reduced, sustainable environmentally friendly buildings will be expanded, maximum energy requirements and emission limits will be imposed on buildings, and an emission tax that increases every year will be applied to buildings without thermal insulation.
The Ministry of Environment, Urbanization and Climate Change has brought an Energy Identity Certificate requirement in order to prevent energy wastage with the Energy Efficiency Law No. 5627 and the Energy Performance Regulation in Buildings issued accordingly, in the process of issuing licenses for new buildings. The relevant application was put into practice in January 2011, and the existing buildings were given time until 2017 and then this date was extended to January 2020.
According to the 11th Development Plan approved in 2019, support will be made to encourage energy efficiency in existing buildings and environmentally friendly practices will be developed by establishing the National Green Building Certificate system.
Depending on the purpose and size of the buildings, two different types of heating, central and individual, are preferred. According to the researches, it has been revealed that 72% of approximately 10 million houses using individual heating systems have unnecessary energy consumption due to misuse. In addition, it is stated that the room thermostat usage rate is below 10% due to the fact that there is no obligation to use thermostats in heating systems in the legislation.
Smart home systems, which have gained increasing popularity in recent years with the developing technology, increase the comfort and quality of life. The developments in the field of internet of things have become one of the most important applications of smart home systems and smart room thermostats are among the most important products of these systems. According to various researches and the rates announced by the leading smart thermostat manufacturers in the world, energy savings of approximately 20% to 54% can be achieved with the use of smart room thermostats.
Within the scope of this thesis, using the DOE-2.2 software-based E-Quest interface program, in line with the development plan and strategies put into effect by the ministries, the determination of the energy saving potential of the natural gas energy consumed for heating purposes in the buildings, which can be achieved by the use of a new technology product, smart room thermostat. has been studied. It is aimed to prevent the harmful effects on the environment and to gain positive effects in terms of the country's economy by reducing the fossil fuel-based energy consumption used for heating in the houses and the greenhouse gas emissions released from this consumption.
A residential building in Istanbul, which is located in the second climate zone in Turkey and has the highest natural gas consumption on a provincial basis, was modeled according to the limit values determined in the TS 825 standard, and energy consumption simulations of the heating system of the building were carried out for three different usage scenarios. One-year energy consumption of the building was calculated by determining the acceptable operating temperature ranges according to the adaptive comfort model, in scenarios constructed over three different operating modes according to the situations where the users are at home, asleep and outside. By calculating the amount of energy savings to be achieved by the use of smart room thermostats in residential buildings, the contribution of this savings to the improvement of the country's economy and the reduction of foreign dependency in natural gas, the amount of savings to be realized and the environmental effects of the reduction in energy consumption have been evaluated. By simulating the current pandemic period, the effects of the COVID-19 epidemic on natural gas energy consumption for heating purposes were examined.
In the Scenario 1 determined in the study, the heating system was controlled so that the model building would be heated to the set temperature value of 22°C all day in home mode, and this scenario represents the use with a standard room thermostat. In Scenario 2, the set temperature is adjusted to be 20°C in home mode during the day and 20°C in sleep mode during sleep hours, so that the building is heated. In Scenario 3, the model building is heated to a set temperature of 18°C in the outside mode during the time the users are out of the house for work, and the other time zones are programmed as in Scenario 2.
Compared to the use with a standard room thermostat, it has been determined within the scope of the study that there is a saving potential of 6.95% per year if the users prefer the use in Scenario 2, and 14.53 percent annually if they prefer the use in Scenario 3 with the use of smart room thermostats. It has also been stated that there may be a higher energy saving potential than the rate determined in the study due to the low rate of room thermostat usage in Turkey and the high energy consumption of users due to misuse.
When the energy saving rate determined in the results of the study is calculated over the average amount of natural gas consumed per household in the province of Istanbul in 2020, it is possible to save 128 m³ of natural gas per household per year, and with this savings, approximately 280 kg of CO₂ emission per year can be prevented and this value can be absorbed by approximately 13 trees. It is stated that it corresponds to the emission value. It has been emphasized that with the energy savings that can be achieved in the houses, a 1% reduction in total energy consumption can be achieved at the country level.
With the calculation based on the reduction in natural gas energy bills with the use of smart room thermostats, it has been determined that the smart room thermostat investment pays for itself within five years. Considering the low rate of room thermostat usage in our country and the high rate of misuse among users, it is estimated that the payback period of the system itself will be even shorter.
It has also be recommended that energy savings can be achieved by using smart room thermostats in cooling systems, similar to heating systems, and the effect of this savings on the payback period of the investments made for smart room thermostats.