Tarihi yapıların enerji performansının maliyet etkin iyileştirilmesi üzerine bir çalışma : İzmir Tekel Başmüdürlük binası
A study on energy and cost efficient retrofitting of historic buildings: a case study on the building of Izmir Tekel Basmudurlugu
Yazar: SELİN KARAGÖZLER
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
1970'li yıllarda meydana gelen petrol krizinden sonra enerji konusu, küresel bir sorun haline gelmiştir. Fosil yakıtların kullanımı sonucunda salınan gazlar atmosferde birikerek sera etkisine neden olmakta, bunun sonucunda ise küresel ısınma ve iklim değişikliği başta olmak üzere küresel sorunlar ortaya çıkmaktadır. Hızlı nüfus artışı ve enerji talebindeki artış ise enerji kaynaklarının azalmasına neden olmaktadır. Tüm bu  nedenlerden dolayı günümüzde alternatif enerji kaynakları kullanımını ve enerji kullanımının azaltılması gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. 
Avrupadaki yapıların enerji tüketiminin %40'ından ve CO2 salınımının %36'sından sorumlu olduğu belirtilmektedir. Türkiye'de ise sektörel enerji hacama değerlerine bakıldığında yapılar %22 oranında enerji tüketimine neden olmaktadır. Bu nedenle yapıların enerji performanslarının iyileştirilmesinin küresel ölçekte enerji tasarrufu sağlayacağı açıktır. 
Günümüzde yapıların enerji performansları ile ilgili yönetmelik,yasa vb. birçok çalışma bulunmaktadır. AB'nin yayınladığı 'Binalarda Enerji Performans Direktifi'nde yapıların sağlaması gereken minimum performans değerleri belirlenmiş, varolan yapılar için enerji etkinliğin artırılması gerekliliği belirtilmiştir. AB'nin yayınladığı bu direktif, 2010 yılında revize edilerek yapının enerji performansının 'maliyet etkin' iyileştirilmesi gerektiği belirtilmiştir. 
Günümüzde yapı stoğunun büyük bir yüzdesi, yapılarda enerji etkinliğinin gündemde olmadığı dönemlerde yapılmıştır. Bu nedenle yeni yapılacak olan yapıların yüksek enerji performanslı tasarlanmasının yanısıra, mevcut yapıların enerji performanslarının iyileştirilmesi de büyük önem taşımaktadır. 
Mevcut yapı stoğunda önemli bir paya sahip olan tarihi yapıların enerji performanslarının iyileştirilmesi de enerjinin etkin kullanımı için önemlidir. Çalışmada vaka olarak ele alınan İzmir Tekel Başmüdürlük Binası'nın enerji performansının iyileştirilmesi enerjinin etkin kullanımı açısından önem taşırken, yapının gelecek kuşaklara taşınmasını da sağlayarak, sürdürülebilir olmasını sağlayacaktır.
Yapılan bu çalışmada ele alınan yapının enerji performansının maliyet etkin olarak iyileştirilmesi amaçlanmıştır. İlk olarak vaka olarak belirlenen yapının bütün bilgileri elde edilmiştir. Daha sonra yapının enerji performansının iyileştirilmesi amacı ile pasif iyileştirme önerileri, aktif iyileştirme önerileri ve pasif ve aktif iyileştirme önerilerinin beraber uygulandığı öneriler belirlenmiştir. Yapının tarihi değeri gözönüne alınarak oluşturulan bu önerilerin enerji performansları DesignBuilder adlı dinamik simulasyon programında değerlendirilmiştir. Çalışmada yapının enerji performans değerlerinden yalnızca ısıtma ve soğutma enerji tüketimleri değerlendirilmiştir. Daha sonra ise yapı için verilen enerji etkin iyileştirme önerilerinin maliyet etkinliği, 'Binalarda Enerji Performansı Direktifi'nde verilen yöntemlerden biri olan net bugünkü değer yöntemi ile değerlendirilmiştir. 
Yapının enerji performansını mali etkin olarak iyileştiren önerilerin saptanması amacı ile veriler değerlendirilmiştir. Enerji ve maliyet verilerinin değerlendirilmesi amacı ile veriler Minitab programına aktarılmıştır. Minitab programında verilerin analiz edilebilmesi amacı ile standardizasyon yapılmıştır. Maliyet etkin enerji iyileştirme önerisinin belirlenmesi amacı ile net bugünkü değer ve enerji tüketim değerlerinin birbiri ile ilişkisi analiz edilmiştir. Yapılan değerlendirme de verilen iyileştirme önerileri arasından mali etkin olan iki farklı öneri belirlenmiştir. Belirlenen önerilerin ikisi de hem yapı elemanlarında hem de ısıtma-soğutma sistemlerinde değişimin önerildiği(hem pasif hem aktif sistemin değiştirildiği) durumlardır. Bu önerilerden biri, VRF sisteminin tercih edildiği, çatı ve pencere yapı elemanlarının performanslarının iyileştiriliği VRF-d1-p3-ç3 önerisidir. Bir diğer öneri VRF sisteminin tercih edildiği ve yalnızca duvar yapı elemanının performansının iyileştirildiği VRF-d10-p1-ç1 önerisidir. 
Yapılan değerlendirme sonucunda enerji etkin öneri, mali etkin öneri ve eneri ve mali etkin önerilerin hepsinin farklı olduğu saptanmıştır. Bu durumda tarihi yapılarda yapılacak olan performans iyileştirme çalışmalarında enerji ve maliyet parametrelerinin ne kadar etkili olduğu belirlenmiştir. Yalnızca enerji parametresinin önemsendiği durumda uygulanacak olan önerinin mali açıdan etkin olmadığı, tam tersi durumda ise en iyi maliyet etkinliğin sağlandığı öneri de enerji etkinliğin sağlanmadığı belirlenmiştir. Hem mali hem enerji etkin iyileştirmenin sağlandığı önerilerin uygulanması durumunda ise toplam enerji tüketiminde sırası ile %55 ve %63 oranlarında enerji tasarrufu sağlandığı belirlenmiştir.

Abstract:
After the oil crisis that broke out in the 1970s, the energy issue became a global problem. As a result of the usage of fossil fuels, released gases cause the greenhouse effect by accumulating in the atmosphere, resulting in environmental problems, especially global warming and climate change. Rapid population growth and the increase in energy demand cause the decrease of energy resources. Therefore, usage of alternative energy sources and reducing energy usage become a necessity.
It is known that building sector is highly responsible for the energy consumption and greenhouse gasses emission. European buildings are responsible for 40% of energy consumption and 36% of CO2 emissions according to the document published by European Union. It is clear that building sector has a significant energy saving potential.
One of the most important regulations for the improvement of energy efficiency is ''Directive on Energy Performance of Buildings'' published by the European Union in 2002. According to this directive for each member, it is necessary to develop national methods for the calculation of the energy performance of the buildings and to certify all the buildings by this method and to ensure minimum energy performance requirements defined by the legislation in new and existing buildings. In 2010 EU published recast version of Energy Performance of Buildings Directive of EU (EPBD-Recast) to indicate that energy retrofit action must be cost-optimal. In this context Turkey, as a candidate country for EU, made legal regulation as 'Energy Efficiency Law-2008' and 'Energy Performance Regulation in Buildings'. To calculate the energy performance of the buildings, a national calculation method(Bep-Tr) was developed.
Today, a large percentage of building stock has been built in periods when energy efficiency is not on the agenda. For this reason, besides designing new buildings with high energy performance, it is also important to improve the energy performances of existing buildings. For increasing the energy performance of existing buildings' energy retrofit measures can be taken such as thermal insulation application, replacement of window etc.
Historical buildings that have an important percentage in existing buildings, energy retrofit actions should be handled differently than contemporary ones. For increasing energy performance of the building, retrofit measurements can be applied to the building. While determining retrofit measures for the historical building, buildings historical and cultural value must be taken into consideration.
In this study, it is aimed that increasing energy performance of the historical building by cost-optimal retrofit solutions. İzmir Tekel Headquarter building which is taken as a case study at this study was built in the 1930's. Therefore, while increasing energy performance of this building is one of the primary purposes, preservation of the historical value of the building is one of them.
In this study, a method consisting of 6-steps starting from the determination of the reference building was followed. In this method;
Step 1: The reference building has been identified. Information on the thermophysical, physical, active and passive systems of the reference building has been obtained.
Step 2: The building model was created in the Energy Plus database DesignBuilder. While the building model is being built, features such as climate, location, direction, and function of the area where the building is built are modeled.
Step 3: Energy retrofit measures have been identified. 
Step 4: The energy performances of the improvements in the DesignBuilder simulation program have been obtained.
Step 5: The global cost of the retrofit measures are calculated using the net present value method.
Step 6: Determine energy and financial efficiency improvement measures for the building
After obtaining information about reference building, building model was created in DesignBuilder simulation program. Then, energy performance of case study was calculated.  
In this study based on energy consumption and economic performance, the measures enabling energy are examined with the aim of improving the energy performance of historic buildings. Therefore, passive, active and passive&active retrofit measures were determined with the concern of historic value of the building. Passive measures are internal wall insulation, replacement of window with high performance and attic floor insulation. Active measures are the replacement of HVAC system. Passive&active retrofit measures consist of the combination of active and passive retrofit measures. All building elements(wall, window, and roof) u- values were calculated in İzoder-TS825 program and introduced to the dynamic simulation program. Then Designbuilder simulation program used for assessing energy retrofit measures. The energy performance of the building is taken into account only regarding heating and cooling consumption.
At first, energy performance of passive retrofit measures were assessed including, inner insulation, replacement of the window, attic floor insulation as single, double and triple retrofit packages. Inner wall insulation alternatives were determined as composite glass wool plate(3cm/5cm), composite rock wool(3cm/5cm) plate and rock wool(3cm/5cm). Window retrofit alternatives were determined as; double-glazing window and low-e coated double glazing window. The energy performance of active and active&passive retrofit measures, including replacement of the heating-cooling system, were assessed. In this part, retrofit measures which have the best performance regarding energy performance were determined.
Then, the cost-effectiveness of the energy retrofit measures was assessed by the net present value method, which is the method given in the Energy Performance Directive at Buildings-Recast. For cost analysis, first the initial investment cost of retrofit measures was determined. To determine initial investment costs of measures, 'Unit Price List' was used published by Environment and Urban Ministry of Turkish Republic. Then, energy consumption costs of retrofit measures were determined according to their energy consumption for 20-year lifespan of the building. In this study, the interest rate is 13% natural gas unit price is 0,08165564 (TL/kWh)and the electricity unit price is taken as 0,219735 (TL/kWh). The cost-effective retrofit measure determined by using net present value method. Assuming that building has no income, the net present value of retrofit measures which is closest to the zero is the most effective one regarding finance.

To determine cost-optimal energy retrofit measure, net present value and energy consumption relation were analyzed. Also, the relationship of initial investment cost- energy consumption cost were analyzed. The net present value vs. primary energy consumption graph is drawn by using Minitab program. The lowest point of the graph which is indicating the cost-optimal measures are determined. In this study, two cost-optimal energy retrofit measures were determined. One of them isd1-p3-ç3 alternative, which is included replacement of window with high performance, application of attic floor insulation and application of VRF system for HVAC. The other retrofit measure is d10-p1-ç1 which is included only wall insulation and application of VRF system for HVAC. In this cases, energy savings are achieved by 55% and 63%, respectively.
As a result, the efficiency of retrofit measures differs while considering only energy performance, only cost and also both of them. 
- Considering only energy efficiency: the case in which the VRF system and bd2-p2-ç3 measure application (wall insulation, window replacement, and attic floor insulation).
- Considering only cost efficiency: Only the VRF system application where actively improved. 
- Considering both energy and cost efficiency: The situation where the d1-p3-ç3 or d10-p1-ç1 measures of the VRF system in which both passive and active systems are improved can be applied.
This study shows how energy and cost parameters can change optimal retrofit measure while improving the performance of historical buildings. Considering energy and cost parameters together while improving the performance of historic building does not only prevent the depletion of energy resources but also contributes to the economy of the country. Therefore, energy and cost parameters should be handled together to determine optimal solution while improving the energy performance of the building.