Akdeniz iklim bölgesi için enerji etkin bina kabuğu tasarımında yenilikçi pasif yaklaşımlar
Innovative passive approaches to energy efficient building envelope design for Mediterranean climate region
Yazar: BURHAN YÖRÜK
Danışman: PROF. DR. AHMET ARISOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Türkiye'de binalar 263 milyar kWh enerji ihtiyacı ile toplam enerji tüketiminin %30'undan sorumludur. Türkiye kullandığı doğalgaz ve petrolün neredeyse tamamını ithal ettiği için, binalardaki enerji tüketiminin büyük bir kısmından sorumlu olan ısıtma ve soğutma enerjisi ihtiyaçlarının azaltılması gerekliliği yadsınamaz.

Bu tez çalışmasında, soğutma ağırlıklı Akdeniz ikliminde bulunan bir binada uygulanacak pasif önlemler ile binanın enerji ihtiyacının düşürülmesine yönelik analizler yapılmıştır. Bu pasif önlemler, bina kabuğunun en önemli bileşenleri olan duvarlar ve pencereler ile sınırlandırılmış ve iklimlendirme sistemleri çalışmaya dahil edilmemiştir. Ayrıca döşeme ve çatı adyabatik olarak kabul edilmiş ve binadaki ısı kaybının ve kazancının sadece çalışma kapsamında yer alan duvarlar ve pencerelerden (dış kabuktan) gerçekleşmesi sağlanmıştır. İnsan, aydınlatma ve cihaz kaynaklı iç yükler de aynı düşünce ile dikkate alınmamıştır. Dolayısıyla bina enerji ihtiyacında meydana gelebilecek herhangi bir değişiklik doğrudan incelenen parametre ile ilişkilendirilebilmiştir.

Çalışmada sayısal çözümlemeler, günümüzde enerji analizinde sıkça kullanılan EnergyPlus programı ile yapılmıştır. 3 boyutlu bina modeli SketchUp programı kullanılarak oluşturulmuştur. Bina konstrüksiyon ayrıntıları, malzeme özellikleri, iklimlendirme sistemleri ve bunlara ait zaman çizelgeleri ise OpenStudio programı ile girilmiştir.

Çalışmanın asıl konusunu oluşturan yenilikçi pasif yaklaşımlar 5. Bölüm'de incelenmiştir. İlk önce farklı yönlerdeki duvarlara farklı yalıtım kalınlıklarının uygulanması analiz edilmiştir. Kuzey yönlü duvarlardan yalıtım katmanının kaldırılması durumu incelendiğinde soğutma enerjisi ihtiyacında 1229 kWh/yıl azalma gözlemlenmiştir.

Dinamik yalıtım, belirli bir zaman çizelgesine göre istenildiğinde uygulanıp istenildiğinde kaldırılabilen bir katman olarak düşünülmüş ve sezonluk ve günlük olarak alt başlıklarda incelenmiştir. Belirli aylar boyunca uygulanan yalıtım katmanı sezonluk dinamik yalıtım, gün içinde belirli saatler boyunca uygulanıp kaldırılan yalıtım katmanı ise günlük dinamik yalıtım olarak tanımlanmıştır.

İlk olarak, sezonluk dinamik yalıtım için zaman çizelgesi, sadece soğutma enerjisi ihtiyacını azaltmaya yönelik oluşturulmuştur. Yalıtım katmanı; kış ve dış hava sıcaklığının nispeten düşük seyrettiği aylarda kaldırılmış, kalan aylarda ise Güney yönlü duvarlar gibi güneş kazançlarının yüksek olduğu duvarlara uygulanmıştır. Sonuç olarak soğutma enerjisi ihtiyacı 34160 kWh/yıl'dan 32516 kWh/yıl'a düşmüştür. 

İkinci olarak, ısıtma ve soğutma enerji ihtiyacının birlikte değerlendirildiği toplam enerji ihtiyacı yaklaşımı modellenmiştir. Bu durumda yalıtım katmanı Kasım'dan Mart'a kadar 5 ay boyunca duvarlara uygulanmış, kalan aylarda ise sadece Kuzey yönlü duvarlardaki yalıtım katmanı kaldırılmıştır. Sonuç olarak 33128 kWh/yıl soğutma enerjisi ihtiyacı elde edilmiştir.
Günlük dinamik yalıtım durumu EnergyPlus'daki TIM modülü ile çözümlenmiştir. Bu yaklaşımda Mart'dan Aralık'a kadar 9 ay boyunca gece oluşan ısı kaybından mümkün olduğunca yararlanmak üzere bir zaman çizelgesi oluşturulmuştur. Günlük dinamik yalıtım yapılması ile soğutma enerjisi ihtiyacının %13 oranında, 29801 kWh/yıl değerine kadar düşürülebileceği görülmüştür.

5. Bölüm'de son olarak çalışmanın bütününde ele alınan iyileştirmeler toplu olarak analiz edilmiştir. Toplam enerji ihtiyacını azaltmak amacıyla, duvarlara, günlük dinamik yalıtım katmanı; pencerelere ise sezonluk dinamik kaplama uygulanmış ve duvarlarda kullanılan beton yoğunluğu 2 katına çıkarılarak bina enerji ihtiyaçları simüle edilmiştir.

Buna göre uygulanan pasif önlemler sonucunda binanın ısıtma enerjisi ihtiyacı 6127 kWh/yıl'dan 8463 kWh/yıl'a çıkmış, buna karşın soğutma enerjisi ihtiyacı 34160 kWh/yıl'dan 12157 kWh/yıl değerine inmiştir. Böylece toplam enerji ihtiyacı %48 gibi önemli bir oranda azalarak 40287 kWh/yıl'dan 20620 kWh/yıl değerine düşmüştür.

Son olarak, çalışmanın asıl amaçlarından birisi olan, incelenen iklim bölgesi için soğutma enerjisi ihtiyacının en aza indirilmesi konusu tek başına değerlendirildiği durumda ise bu çalışmada önerilen bütün yaklaşımlar birlikte uygulandığında soğutma enerjisi ihtiyacını % 67 oranında, 11373 kWh/yıl değerine kadar düşürmenin mümkün olduğu görülmüştür. Bu değer, dinamik yalıtım ve kaplama için oluşturulan zaman çizelgelerinin, dış hava sıcaklığı ve güneş ışınım miktarına göre optimize edilmesi ile daha da azaltılabilir.

Abstract:
Buildings account for 263 billion kWh energy demand as 30% of the total energy consumption in Turkey. Since Turkey imports practically all the oil and gas it uses, it's crucial to reduce heating and cooling energy demands which are responsible for huge portion of energy consumption in buildings.

In this study, some passive approaches for building envelope in Mediterranean climate region have been analyzed through building energy simulation software. External walls and windows, which are the most important components for a building envelope, were considered. Floors and roofs were not taken into consideration and modeled as an adiabatic boundary. People, lights, electric equipment and other loads were not also considered. Thus any changes in building energy demand were directly correlated with the parameters studied.

Numerical solutions have been evaluated with EnergyPlus which is widely used for building energy analysis. 3D building model was generated in SketchUp. Construction details, material properties, air conditioning system and its schedules were modeled in OpenStudio software.

Passive approaches for increasing building energy efficiency, as the aim of this study, is developed and analyzed in Chapter 5. Applying different insulation thicknesses to walls in different orientations was studied as the primary approach. 1229 kWh/annum reduction of cooling energy demand was obtained after removing the insulation layer from North-faced walls.

Dynamic insulation was considered as a layer which could be removed and applied based on a schedule and was analyzed in sub-sections as seasonal dynamic insulation and daily dynamic insulation. Insulation layer that removed and applied on a monthly basis was defined as seasonal dynamic insulation and that on a hourly basis was described as daily dynamic insulation.

Firstly, seasonal dynamic insulation schedule was generated for decreasing cooling energy demand only. Insulation layer was removed for winter and months that outdoor temperature is relatively low, and applied to the walls, which have big solar gain like South oriented, for the remaining months. As a result, cooling energy demand was reduced from 34160 kWh/annum to 32516 kWh/annum.

Secondly, total energy demand approach, which heating energy demand is considered along with cooling energy demand, was modeled. In this case, insulation layer was applying to all of the walls for 5 months (November to March) and removed from North oriented walls for the remaining months. 33128 kWh/annum cooling energy demand was obtained with this schedule.

Daily dynamic insulation approach was evaluated through Transparent Insulation Material module of EnergyPlus. In this approach, schedule was selected to make the most profit of night-time cooling for 9 months, March to December. Results show that it's possible to decrease the cooling energy demand by 13%, down to 29801 kWh/annum by daily dynamic insulation.

Last section of chapter 5 contains evaluation of all the passive approaches together. As total energy demand was considered, daily dynamic insulation was applied to walls and seasonal dynamic low-e coating was applied to windows. Concrete density that used in external walls was doubled.
Simulation results show that heating energy demand of building was increased from 6127 kWh/annum to 8463 kWh/annum and cooling energy demand was decreased from 34160 kWh/annum to 12157 kWh/annum. Thus total energy demand was decreased by a significant amount of 48%, from 40287 kWh/annum to 20620 kWh/annum.

Finally, if cooling energy demand is considered only, 67% energy saving could be achieved by the methods that suggested in this study. It's possible to improve this result by optimizing dynamic insulation and coating schedules according to outdoor temperature and solar radiation rates.