Yapıların çevresel etkilerinin değerlendirilmesi için çok kriterli karar destek sistemi geliştirilmesi
Developing a multi-criteria decision support system for assessment of the environmental impacts of buildings
Yazar: TUĞBA ERZURUM
Danışman: DOÇ. DR. ÖNDER HALİS BETTEMİR
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çevresel problemler günümüzün en önemli sorunlarından biridir. İnşaat sektörü artan konut taleplerini karşılarken doğanın ekolojik dengesine zarar vermektedir. Yapıların kullanım aşamasının yanı sıra yapı malzemelerinin üretim ve kurulum aşaması da çevreye zarar vermektedir. Bu çalışmanın odaklarından ilki yapıların maliyet ve çevresel kriter değerlerini etkileyen anahtar ön tasarım yaşam döngüsü dönemi ve çevresel kriterin belirlenmesidir. Diğer odak ise yapılarda gömülü ve operasyonel etkiler arasındaki ilişliyi ve yapı kabuğunu değiştirerek bir yapının toplam çevresel etkilerindeki potansiyel azalmanın gömülü ve operasyonel etkiler arasındaki dengesini araştırmayı amaçlamaktadır. Çalışmada yapıların çevresel etkilerinin değerlendirilmesi için 7 çevre kriterinden ve 1 maliyet kriterinden oluşan çok kriterli karar destek sistemi geliştirilmiştir. Karar destek sistemi yapının çevresel etkilerini en az revizyonla iyileştiren bir çerçeve sistem sunmaktadır. Hesaplanan çevresel etki göstergeleri: küresel ısınma, asidifikasyon, ötrofikasyon, ozon incelmesi, fotokimyasal oksidasyon, fosil olmayan kaynak kullanım potansiyeli ve fosil kaynak kullanım potansiyelidir. Belirtilen amaç doğrultusunda, yapım projelerinin metraj verilerini yapım tarifleri ile eşleştirerek çevresel performans göstergelerini ve inşaat maliyetini hesaplayan bir sistem geliştirilmiştir. Geliştirilen çerçeve sistem sayesinde yapının maliyet ve çevresel performans göstergelerini en çok etkileyen iş kalemleri belirlenerek ve ilgili iş kalemlerine daha düşük çevresel etkiye sahip alternatifler oluşturularak yapının tasarımı güncellenip yapı yeniden analiz edilir. Değişen tasarımın yapının ısıtma enerjisi tüketimi üzerindeki etkisi belirlenerek yapının üretim, kurulum ve kullanım dönemlerindeki çevresel etkilerinin değişimi hesaplanmıştır. Ayrıca yapı kabuğunu oluşturan yapı malzemelerindeki değişimin yaşam döngüsü üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. Aynı yapı malzemesi için farklı değerlere ve coğrafi geçerliliğe sahip EPD belgeleri bulunmaktadır. Çevresel etkinin ölçülmesinde yaşam döngüsü analizi ile hazırlanan EPD belgeleri kullanılmış ve EPD belgelerindeki veriler ICE verileri ile karşılaştırılmıştır. Farklı veri kaynaklarının etkisini hesaplamak için yapı malzemelerine farklı kaynaklardan temin edilen EPD belgeleri ile Monte Carlo analizi yapılmış ve sonuçların değişkenlik sınırları belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar EPD belgeleri arasında ortalama %10 sapma olduğunu göstermektedir. Yaşam döngüsü analizi hesap sonuçları, geliştirilen çok kriterli karar destek algoritmasının uygulanmasıyla elde edilen yeni yapı tasarımlarının her bir hesap kriterinde iyileşme sağladığını göstermektedir. Önerilen çok kriterli karar destek sistemi ön tasarım aşamasında planlanan bir yapının her bir hesap kriteri için maliyet ve çevresel etkilerinin dikkate değer bir iyileşme potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Yapıların kullanım aşamasında malzemelerin tekrarlı kullanımlarının hesap kriterlerini birim alan için %13-41 arasında artırdığı belirlenmiştir. Analiz edilen yapılarda ön tasarım aşamasında yapıların çevresel etkisini en fazla azaltan kriterler Maliyet ve AP kriterlerini azaltmak için yeniden tasarlanmış yapılardan elde edilmiştir. Bu kriterler malzemeden kaynaklanan çevresel etkileri azaltsa da yapının kullanım dönemindeki ısıtma enerjisinde negatif bir etkiye yol açmıştır. Bunun dışında yapı kabuğunda iyileşme için yapılan yatırımlar birinci derece-gün bölgesinden dördüncü bölgeye doğru daha yüksek net bugünkü değerler sunmuştur. Yalıtım iyileşmesinde en yüksek etki duvar elamanındaki iyileşmeden elde edilmiştir. Yapının kabuğundaki iyileşmenin operasyonel karbondaki azalmaya etkisi birinci bölgeden dördüncü bölgeye gidildikçe arttığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada sunulan veri tabanı, yöntem ve yapılan analizler gelecekte bu alanda yapılacak araştırmalar için bir örnek teşkil edebilecek potansiyel taşımaktadır. Çalışma, yapıların çevresel etkilerini azaltmak için tasarım aşamasında çok kriterli optimizasyon süreci önererek bütüncül bir iyileşmenin elde edilmesini sağlayarak literatüre önemli bir katkı sunmaktadır.

Abstract:
Environmental problems are one of the most important problems of our time. The construction industry harms the ecological balance of nature, while it fulfills the increasing housing demands. In addition to the usage phase of buildings, the production and installation phase of building materials also harms the environment. The main focus of this study is to determine the key preliminary design life cycle period and environmental criteria that affect the cost and environmental criterion values of buildings. The other scope aims to investigate the relationship between embedded and operational impacts in structures and the balance between embedded and operational impacts of the potential reduction in the total environmental impacts of a structure by changing the building envelope. In the study, a multi-criteria decision support system consisting of 7 environmental and 1 cost criteria was developed to evaluate the environmental impacts of buildings. The decision support system offers a framework system that improves the environmental impacts of the building with minimal revision. Calculated environmental impact indicators are: global warming, acidification, eutrophication, ozone depletion, photochemical oxidation, non-fossil resource use potential and fossil resource use potential. In line with the stated purpose, a system has been developed that calculates environmental performance indicators and construction costs by matching the quantity takeoff data of construction projects with construction recipes. Thanks to the developed framework system, the structure is re-analyzed by determining the construction items that most affect the cost and environmental performance indicators of the building, creating alternatives with lower environmental impact for the relevant work items and updating the design of the building. The effect of the design modification on the heating energy requirement of the building was determined and the change in the environmental impact of the building during the production, installation and use periods was calculated. Additionally, the effect of the change in the building envelope on the life cycle was also investigated. EPD documents with different values and geographical validity for the same building material exist. EPD documents prepared with life cycle analysis were used to measure the environmental impact and the data in the EPD documents were compared with ICE data. In order to calculate the effect of different data sources, Monte Carlo analysis was performed on building materials with EPD documents obtained from different sources and the variability limits of the results were determined. The obtained results show that there is an average of 10% deviation between EPD documents. Life cycle analysis results show that new building designs obtained by applying the developed multi-criteria decision support algorithm provide improvement in each calculation criterion. The proposed multi-criteria decision support system shows that the cost and environmental impacts of a structure planned at the preliminary design stage have a significant improvement potential for each calculation criterion. It has been determined that the repeated use of materials during the usage phase of buildings increases the calculation criteria by 13-41% per unit area. In the analyzed buildings, at the preliminary design stage, the criteria that reduce the environmental impact of the buildings the most were obtained from the structures that were redesigned to reduce the cost and AP criteria. Although these criteria reduce the environmental impacts caused by the material, they have a negative impact on the heating energy of the building during its usage period. Apart from this, the investments made for the improvement of the building envelope provided higher net present values from the first degree-day region to the fourth region. The highest effect on insulation improvement was obtained from the improvement in the wall element. The improvement in the shell of the building caused a further decrease in operational carbon from the first to the fourth zone. As a result, the database, method and analyzes presented in this study have the potential to serve as an example for future research in this field. This study makes a significant contribution to the literature by proposing a multi-criteria optimization process at the design stage to reduce the environmental impacts of buildings which provides a holistic improvement.