TS825 derece gün bölgelerine göre ayrılmış 5 farklı iklim bölgesinde enerji optimizasyonu incelemesi
Investigation of energy optimization in 5 different climate zones seperated by TS825 standards
Yazar: MESUT AKGÜN
Danışman: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Standartlar = Standards ; TS 825 = TS 825 ; İklim bölgeleri = Climate regions

Özet:
Dünya genelinde tüketilen enerji miktarının büyük bir kısmı yenilenemez enerji kaynaklarından karşılanmaktadır. Gelişen teknoloji ve artan nüfus ile beraber enerji ihtiyacı daha da artmaktadır. Kaynakların sınırlı olmasının ve talep artışının, gelecek yıllarda enerji fiyatlarında önemli artışların meydana gelmesine sebep olması beklenmektedir. Bu durumun önüne geçmek için düşünülen önemli çözümlerden biri daha az enerji ihtiyacı olan sistemler üretmektir. Dünyada sektörel enerji tüketiminin %40'ını konutlardaki enerji tüketimi oluşturmaktadır. Tasarruf edilecek enerji miktarının da potansiyelinden dolayı bu alan çalışma için uygun görülmüştür. 
Kullanılan binada yapılan optimizasyon çalışması için eQUEST programı ve 3.65 versiyonu kullanılmıştır. Bu program, ücretsiz olması, saatlik ısıl yük hesaplaması yapabilmesi ve basit yapılar için daha kullanışlı olmasından dolayı seçilmiştir. Program ASHRAE standartlarına göre kabuller yapılarak oluşturulmuştur. Alınan sonuçlar kWh/m2yıl birimi ile kullanılmıştır.     
Yapılan çalışmada oluşturulan bina mimarisi sabit tutulmuştur. Aynı mimari farklı iklim bölgelerinde kullanılmıştır. İklim bölgeleri belirlenirken TS825 standartlarına göre belirlenmiş 5 farklı derece gün bölgesinden 5 farklı iklim verisi alınmıştır. Her bölge için önerilen toplam ısı geçiş katsayıları kullanılmış ve bu değerlerin ısıtma yükü, soğutma yükü ve ısıtma ve soğutmaya bağlı birincil enerji ihtiyacına etkisi incelenmiştir. Bina 45 derecelik açılarla döndürülerek yönlenmeye bağlı etkileri incelenmiştir. Ek olarak incelenen 10 farklı pencere türü için güney yönüne bakan pencere alanına göre ihtiyaç duyulan ısıl yük grafikleri oluşturularak sonuçlar incelenmiştir. Kullanılan bir diğer parametre ise gölgeleme kullanımı olmuştur. Dış duvara dik, farklı uzunluklarda kullanılan gölgeleme için sonuçlar incelenmiştir. 
Yapılan çalışmada değerlendirme ölçütü büyük önem taşımaktadır. Kullanılan parametreler için ısıtma yükü, soğutma yükü, ısıtma ve soğutmaya bağlı birincil enerji ihtiyacı değerlerine ulaşılmıştır. Araştırılan her parametre için kullanılan değerler arasından en fazla enerji tasarrufu sağlayan değer referans olarak kabul edilmiştir. Bu referans değerin kullanımı ile ulaşılan ısıl yükler kalan diğer sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Yüzde fark değerleri bulunarak not edilmiştir. Bu değerlerin ortalaması alınmış ve kullanılan parametre için seçilen en uygun parametrenin minimum kazanç değerine ulaşılmıştır.      
Yönlenme için 8 farklı yön kullanılmıştır. Referans olarak seçilen cephenin güney yönünde kullanılması ile %4-%9 minimum kazanç değerlerine ulaşılmıştır. TS825'te önerilen toplam ısı geçiş katsayılarının kullanımı ile ısıtma yükünde görülen değişimlerin soğutma yüklerine göre daha fazla olduğu görülmüştür. Kullanılan standardın sadece ısıtma yükleri için oluşturulduğunu doğrulamaktadır. Kullanılan pencere türleri için yine referans değerler alınmıştır. %8-%35 aralığında minimum kazanç değerlerine ulaşılmıştır. Bir diğer parametre olan gölgeleme için dış duvara dik uzunluğuna bağlı olarak farklı iklim bölgeleri için birincil enerji ihtiyacında %2-%8 aralığında kazanç değerlerine ulaşılmıştır.
Araştırılan parametrelerin her iklim bölgesi için farklı oranda etkileri olmuştur. Bu etkilerin daha iyi gözlenmesi ve daha açık sonuçlara ulaşması istenmiştir. Her parametre için seçilen referans değerlerden alınan ısıl yükler bulunmuştur. Diğer değerler de kullanılarak sonuçlara ulaşılmıştır. Referans ısıl yükler ile diğer sonuçların yüzde farkları bulunmuştur. Bu değerlerin ortalaması alınarak yapılan seçimin bütün sonuçlar arasından ortalama kazancı bulunmuştur. Farklı parametreler için uygulanan bu değerler, bir iklim bölgesinin enerji ihtiyacında kullanılan parametrelerin etki yüzdesini göstermektedir. Diğer bölgelerde gölgeleme etkisi çok daha düşük iken Antalya'da %33 sonucuna ulaşılmıştır. Yönlenme etkisi %17-%24 arasında değişirken cam seçimi için %48-%76 aralığında değerler ulaşılmıştır.
Farklı mimarilerde optimizasyon çalışması yapılması, hareketli gölgeleme sistemleri kullanması, maliyet analizi yapılması ileriki çalışmaların konusu olabilecek önemli alanlardır.

Abstract:
Non-renewable energy sources provide a large part of energy consumed worldwide. Energy needs increases more with developing technology and growing population. The sources are limited even running out. It is expected that rise in demand and limited sources will cause important price increase for energy sources. There are some solution to overcome this problem. First one is production of systems to generate more amount of energy from non-renewable sources. The other solution, build more renewable power plants and increasing of the renewable sources. The final one and the topic of the this thesis is producing systems that need less energy. It is known that residential buildings have a large percentage in sectoral energy consumption and therefore have a large amount of energy saving potential. The aim of the this thesis is contribution to literature with a energy optimization study in residential buildings. 
eQUEST and the latest version 3.65 were used for energy simulation. This program was chosen because it is free and user friendly, can calculate hourly thermal loads and eQUEST is more useful for simple structures. Building structure is not one of parameters whose change is examined. The efficiency of the program decrease with usage of complicated structures. It is proper for this study. Acceptances fort he eQUEST were made according to the ASHRAE standards. 
Building structure was fixed in the study. Same structure was used 5 different climate zones. When the climate zones are determined, 5 different climate data was chosen from 5 different climate zones according to TS825 standards.  Suggested total heat transfer coefficient values in TS825 standards are used directly in eQUEST. For each climate zone, effect of total heat transfer coefficients is investigated. Heating load, cooling load and primary energy demand values were reached. For all thermal loads kWh/m2k used as a unit. This conversion allowed the results to be compared with other parameters and with other studies.
The other parameter is orientation of the building. The structure was rotated with 45 degree angles. One of the facades is chosen as reference. The naming was made according to the direction of the reference facade. The selected façade faces south in the first case. For this reason, the south direction was determined as the reference direction. Totaly 8 directions were investigated.  
Window glass type was used as one of the optimization parameters. It is known that glasses have three main properties. These are absorption, reflection and transmittance. 10 different window types which have different thermal properties was used. Thermal loads were found for glass types according to the glass area facing south. The most energy-saving glass type was selected and compared with other glass types. The results were investigated.
The last optimization parameter is shading. It is used a fixed shading systems. The results obtained by using shading systems of different lengths perpendicular to the envelope were examined. The effect of the shading system used on the cooling load and primary energy demands was investigated. In order not to reduce the heating gain obtained in the winter months, the use of shading is accepted only in the summer months.
8 different directions were used for orientation. By using the facade selected as a reference in the south direction, minimum gain values of 4%-9% were achieved for primary energy demands. For heating load, this value is in the range of %10-%27. This direction increase cooling load in the range of %3-%8. South-East, North and North-East directions provide less cooling loads for 4 different climate zones. 
With the use of the total heat transfer coefficients suggested in TS825, it has been observed that the changes in the heating load are higher than the cooling loads. It confirms that the standard used was created for heating loads only. The recommended heating load values in the TS825 standard could not be reached. This is thought to be due to eQUEST's use of ASHRAE standards.
Reference values were taken for the window types used. Minimum gain values in the range of 8%-35% have been reached for primary energy demands. For heating load, this value is in the range of %12-%52. For cooling loads, this value is in the range of %1-%8. The window areas used for the most energy-saving glass types differed according to the climatic regions. In Antalya, the lowest energy requirement value is provided for 40 m2 glass area. In Erzurum, Quadruple Low-E and Triple clr glass types with 80 m2 glass area was provided highest energy saving.
For shading, which is another parameter, gain values in the range of 2%-8% have been achieved in primary energy need for different climatic regions, depending on the length perpendicular to the envelope. In Erzurum, cooling load change percentages due to shading are higher from other climatic regions. However, the primary energy demand is less than in other regions. This is due to the very low ratio of cooling load to total load.
Optimization method was not used in the study. A new method was used to make the results easier to interpret and compare. The investigated parameters had different effects for each climatic region. It was desired to observe these effects better and to reach clearer results. The thermal loads taken from the selected reference values were found for each parameter. The results were obtained by using other values as well. Percentage differences of reference thermal loads and other results were found. These values were averaged. The average value found gives the gain of the selection made according to all the choices. These values were applied for different parameters. The percentages of the effects of the parameters used in a climate zone on the energy need have been found. The effect of shading in the study between 3 parameters is 33% in Antalya, for other climatic regions this rate between 6% and 12% . While the orientation effect varies between 17% and 24%, values in the range of 48%-76% were reached for the glass selection.
Optimization studies in different architectures, use of dynamic shading systems and cost analysis are important areas that can be the subject of future studies.