Binalarda ısı kaybı ve maliyet optimizasyonu ile uygun malzeme seçimi
Selection of materials containing thermal loss and cost optimization
Yazar: ALP EREN SANİSOĞLU
Danışman: PROF. DR. GÜL POLAT TATAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı İşletmesi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Isı yalıtımı = Heat insulation ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Günümüzde enerji verimliliğini arttırmak, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler için stratejik öneme sahiptir. Enerji talebindeki artışın ekonomik ve çevresel etkileri, enerji verimliliği bilincinin artmasına neden olmaktadır. Dünyada üretilen enerjinin %35-40 seviyesinde binalarda tüketilmesi, binalarda enerji verimliliğinin ülkeler tarafından kurallar ve standartlar yardımıyla yasalaştırılmasına neden olmuştur. 
Sürdürülebilir ekonominin en temel girdisi olarak sayılan enerjinin ülkemizdeki ithalat bağımlılık oranının %70-75 seviyelerinde olduğu belirtilmektedir. Enerji arz güvenliğinin sağlanabilmesi için enerjinin verimli kullanılması şarttır.
Ülkeler, binalarındaki enerji verimliliğini arttırabilmek için kurallar ve standartlar belirlemektedir. Binalarda tüketilen enerjinin büyük bir kısmı ısıtma enerjisi ihtiyacını karşılamaktadır. Tez çalışmasında bina dış kabuğunu oluşturan yapı bileşenlerinin ısı kaybına etkileri üzerinde durulmuştur. Ülkemizde ısı kaybı hesaplamalarında "TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları" kullanılmaktadır. Tez çalışmasında bina dış kabuğunu oluşturan yapı bileşenlerini oluşturan katmanların ısıl iletkenlik hesap değerleri ve ısı kaybı miktarları TS  825 standardına göre hesaplanmıştır. 
Tez çalışmasında, binaların enerji verimliliğini arttırmak için bina dış kabuğundan iletim, taşınım ve havalandırma yoluyla kaybedilen ısının minimuma indirilmesi ve bu aşamada bina dış kabuğunu oluşturan yapı bileşenlerinin maliyet analizleri yapılarak örnek bir binanın yalıtım sistemi optimize edilmeye çalışılmıştır. Isı kaybı hesaplamalarında "TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları" kullanılmıştır. Tez çalışmasında kullanılan örnek bina Trabzon'da bulunmaktadır. TS 825'de belirlenmiş derece gün bölgelerinden 2. gruba dahil olan Trabzon ili için aylık ortalama dış sıcaklık değerleri ve aylık ortalama iç kazançlar ile güneş enerjisi kazançlarında kullanılacak katsayılar ve formüller TS 825'den alınmıştır. Yapı bileşenlerini oluşturan katmanlar için kullanılacak malzemelerin ve işçiliklerin maliyet bilgileri piyasa araştırmalarından elde edilmiştir. 
Ülkemizde 2008 yılında yayınlanmış olan Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliğine göre enerji kaynaklarının etkin kullanılabilmesi ve binalarda enerji verimliliğinin arttırılması için usul ve esaslar belirlenmiştir.  Zaman ilerledikçe binalarda enerji verimliliği konusu önemini arttıracaktır. Bu bağlamda binalarda oluşması muhtemel ısı kayıpları hesapları yapılarak, ısı kayıplarının minimuma indirildiği bina dış kabuk tasarımlarının aynı anda maliyetlerininde göz önünde bulundurularak belirlenmesi çözülmesi gereken optimizasyon problemleri halini alacaktır. 
Tez çalışmasında üç katlı müstakil aile evi örnek bina olarak kullanılmıştır. Optimizasyon probleminde ısıtma sistemi amaç fonksiyonunda yer almamıştır fakat ısı kaybı-maliyet analizlerinin ardından bina dış kabuğunu oluşturan yapı bileşenlerinin katmanları belirlenirken bugünkü değer analizi yapılmış, gelecekte oluşması beklenen ısıtma ve bakım giderleri de dikkate alınmıştır. TS 825 bina dış kabuğunda ısı kaybı oluşacak yapı bileşenlerini duvar, taban, tavan, pencere ve kapı olarak belirtmiştir. Tez çalışmasında bu yapı bileşenleri oluşturan her katman için farklı ısıl iletkenlik hesap değerine sahip malzemeler ve bu malzemelerin farklı kalınlıklardaki durumlarının maliyetleri belirlenmiş ve genetik algoritma yardımıyla optmizasyon problemi çözülmeye çalışılmıştır. Buna göre ilk olarak yüzbinlerce çözüm kümesi arasından elli adet ısı yalıtım sistemi belirlenmiş ve bunların içerisinden altı tanesi irdelenmiştir. Isı kaybının minimum ve maksimum olduğu durumlardaki yalıtım sistemleri ve ısı kaybı-maliyet dengesinin optimum sonuca yakın olduğu dört adet ısı yalıtım sistemi karşılaştırılmıştır. Isı kaybının önlenmesinde uygulanabilir malzeme ve kalınlık seçenekleri belirlenmeye çalışılmış, yapı bileşenlerini oluşturan katmanların her birinin ısı kaybındaki rolü değerlendirilmiştir. 
Bina dış kabuğunu oluşturan yapı bileşenlerinin tüm katmanlarının binalarda oluşan ısı kayıplarında etkili olduğu görülmüştür. Binalarıın yapı bileşenlerinin alanlarının miktarına göre ısı kaybında oynadıkları rol artmaktadır. Örnek binada ısı kaybında en etkili olan yapı bileşeninin duvar olduğu tespit edilmiştir. Duvar yapı bileşeninin duvar malzemesinin 25cm kalınlığında gazbeton ve duvar üzerine uygulanacak yalıtım malzemesinin 10cm kalınlığıında cam yünü seçildiği durum ısı kaybı-maliyet analizlerine göre en uygulanabilir ısı yalıtım sistemi olarak gözükmektedir. Bunun yanında taban ve tavan yapı bileşenlerinde de yalıtım malzemesi tercihleri ısı kaybı hesaplarında dikkate alınmalıdır. Pencere sistemleri belirlenirken mutlaka çift camlı olanlar tercih edilmelidir. Örnek çalışmada ısı kaybının minimum ve minimuma yakın olduğu durumlarda camlar arası boşluk 16mm olarak belirlenmiştir. Pencerelerin tek camlı olduğu çözüm kümelerinin TS 825'in belirlemiş olduğu ısıtma enerjisi sınır değerlerini sağlayamadığı tespit edilmiştir. Bina konumunun, pencere alanlarının ısı kaybı hesaplarında belirleyici rol oynadıkları görülmüştür. Güneş ışınımlarından elde edilen ısı kazançlarını pencere doğrultuları belirlemektedir. Isı kaybını azalatmak için tüm katmanlarda maliyetlerininde göz önünde bulundurularak ısıl iletkenlik değeri düşük olan malzemelerin seçilmesi binalarda enerji verimliliğini arttırmak ve ısı kayıplarını azaltmak için gereklidir. Binaların ısıtma enerjisi ihtiyaçlarını azaltabilmek ise işletim giderlerine doğrudan etkimektedir ve sürdürülebilir enerji politikalarının ana başlıklarından biri sayılmalıdır.

Abstract:
Increasing energy efficiency nowadays has strategic priorities for developed and developing countries. The economic and environmental impacts of the increase in energy demand are leading to an increase in energy efficiency awareness. The consumption of energy produced in the world at 35-40% of the level caused the energy efficiency of the buildings to be enacted by the countries with the help of rules and standards.
The energy source, which is considered as the most basic entry of the sustainable economy, has an import dependency rate of 70-75% in Turkey. Efficient use of energy is essential to ensure energy supply safety.
Countries set rules and standards to improve energy efficiency in their buildings. A large portion of the energy consumed in the buildings meets the need for heating energy. In the thesis study, the heat loss effects of the building components forming the outer shell are emphasized. "TS 825 Thermal Insulation Rules in Buildings" is used in heat loss calculations in Turkey. In the thesis study, thermal conductivity calculation values and heat loss amounts of the layers constituting the building components constituting the outer shell were calculated according to TS 825 standard.
In the thesis study, in order to increase the energy efficiency of the buildings, it has been tried to optimize the insulation system of a sample building by reducing the heat lost from conveyance, conveyance and ventilation from the building exterior to the minimum and at this stage cost analysis of the building components constituting the building outer shell. "TS 825 Thermal Insulation Rules in Buildings" is used in heat loss calculations. The sample building used for the thesis work is located in Trabzon. For the Trabzon province, which is included in the 2nd group from the degree days determined in TS 825, the monthly average external temperature values and the monthly average internal gains and the coefficients and formulas to be used in solar energy gains are taken from TS 825. The cost information of the materials and workmanship used for the layers constituting the building components was obtained from market researches.
According to the Energy Performance Regulation in Buildings published in 2008 in Turkey, principles and procedures have been determined for the efficient use of energy resources and for increasing the energy efficiency in the buildings. As time progresses, the energy efficiency issue will increase in importance. In this context, possible heat loss calculations are made in the buildings and the optimization problems that need to be solved by taking into account the costs of the building shell designs to which heat losses are minimized will be encountered.
Three storey detached family house was used as a sample building in EZ study. In the optimization problem, the heating system was not included in the objective function, but after the heat loss-cost analyzes, the building components constituting the building outer shell were determined by present value analysis and the heating and maintenance costs expected in the future were taken into consideration. TS 825 stated the building components to be heat loss in the outer shell of the building as wall, floor, ceiling, window and door. In the thesis study, materials with different thermal conductivity calculation values for each layer constituting these structural components and the costs of different thickness conditions of these materials were determined and tried to solve the optmization problem with the help of genetic algorithm. According to this, firstly fifty thermal insulation systems were determined among hundreds of thousands of solution clusters and six of them were examined. Insulation systems where the heat loss is minimum and maximum and four heat insulation systems where the heat loss-cost balance is close to the optimum result are compared. In order to prevent the loss of heat, applicable materials and thickness options were tried to be determined and the role of heat loss in each of the layers constituting the building components was evaluated.
It has been observed that all the layers of the building components that make up the outer shell of the building are effective in the heat loss of buildings. The building components of buildings have a growing role in heat loss according to the amount of space. It has been determined that the building component which is most effective in the heat loss of the example building is the wall. It is the most applicable thermal insulation system according to the heat loss-cost analysis of the wall material of the wall component and the glass wool of the insulation material to be applied on the wall at a thickness of 25cm and the thickness of 10cm of the insulation material is selected. However, in the base and ceiling construction components, the insulation material preferences should also be taken into account in the heat loss calculations. When window systems are selected, those with double glazing should definitely be preferred. In case the heat loss is close to the minimum and minimum in the case study, the gap between the glasses is determined as 16mm. It was determined that the solution clusters where the windows were single glazed were not able to meet the heating energy limit values specified by TS 825. The building location has been found to play a decisive role in the heat loss calculations of window areas. Window orientations determine the heat gains from sunlight. Selection of materials with low thermal conductivity values, considering their cost in all layers to reduce heat loss, is necessary to increase energy efficiency and reduce heat losses in buildings. Reducing buildings' heating energy needs has a direct impact on operating costs and should be considered one of the main topics of sustainable energy policies.