An approach for energy efficient retrofits evaluation of educational buildings through life-cycle cost optimization in Turkey

Bilindiği gibi binalar, toplam enerji tüketiminin yaklaşık 40%'ı binalarda ısıtma, soğutma, havalandırma, aydınlatma ve sıcak su ihtiyaçlarını karşılamak üzere tüketilmekte olup, artan enerji tüketimi ve emisyonala doğrudan etki etmektedir. Buna ilave olarak, binaların tüketmekte olduğu enerji yüzdesinin artmasının yanı sıra, gelişmekte olan ülkelerdeki nüfus artışı da enerji taleplerini büyük oranda artırmakta, doğal kaynakların sürdürülebilirliği, ozon tabakasının delinmesi, küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi birçok çevresel kaygı ve problem beraberinde getirmektedir. 2002 yılında yayımlanmış olan '2002/91/EC Energy Performance of Buildings Directive' Avrupa Birliği Direktifi, binalarda enerji performansı ile ilgili gerekli çalışma ve hareketleri ortaya koymaktadır. İlaveten, 2010 yılında yayınlanan Avrupa direktif (Directive 2010 /31/EU), binalarda enerji performansı düzeyleri ile ilgili yeni kısıtlamalar getirmiştir. Yayınlanan direktifler doğrultusunda, 2020 yılı itibariyle sera gazı salımının 1990 yılı düzeyine oranla %20 azaltılması, enerji tüketiminin %20 azaltılması, kullanılan enerjinin %20'sinin yenilenebilir kaynaklardan sağlanması ve tüm yeni binaların yaklaşık sıfır enerjili olarak tasarlanması hedeflenmektedirTürkiye 2003 yılında 'UNFCCC' Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi'ni ve 2009 yılında Kyoto Protokolü'nü imzalamış ve Avrupa Birliği Direktifi'nin öngörmüş olduğu hareket ve düzenlemelerle birlikte 2007 yılında Enerji Verimliliği Kanunu'nu yayınlamış, 2008 yılında ise binalarda enerji tüketiminin kontrol altına alınması ve binaların enerji performanslarıı üzerinden sertifikalandırılması ile ilgili gerekli çalışmalara başlamıştır. Türkiye'de bina enerji performansı sertifikasyonu için bir düzenleme oluşturmak amacıyla 2008 yılı Aralık ayında 'Bina Enerji Performansı Yönetmeliği' (BEP, 2008) ulusal hesaplama modeli sürecini tanımlamak amacı ile yayınlanmış, ulusal hesap metodu BEP-TR ise Aralık 2009'da tamamlanarak 7 Aralık 2010 tarihli Resmi gazetede yayınlanmıştır. Binalarda enerji verimliliği konusunda gerçekleşen yeni düzenlemeler, standart ve yönetmelikler ve direktiflerde yer alan hedeflerin gerçekleştirilebilmesi için, konu ile ilgili bilimsel çalışmaların ulusal ve uluslararası ölçekte planlanması gerekmektedir. Enerjisinin yaklaşık %80'ini ithal eden Türkiye için, Kyoto Protokolü ve EPBD Direktiflerinin işaret etmekte olduğu binalarda enerji verimliliği çözümleri, bu bilimsel çalışmaların temel çıktıları olmalıdır. Küresel bir hedef halini alan enerji verimliliği konusunda kamusal binalarda gerçekleştirilecek enerji verimliliği uygulamaları, toplum için örnek oluşturması ve yaygın uygulamaya geçilmesi açısından önem taşımaktadır. Bu sebeple, çalışma konusu olarak, kamusal binaların büyük çoğunluğunu temsil eden eğitim yapıları seçilmiştir. Okullar, yeni nesillerin yetiştirildiği, görsel zekalarının, etik, ahlaki ve bilimsel birikimlerinin temellerinin atıldığı yapılar olması açısından da önem taşımaktadırlar. Eğitim yapıları; ilk, orta, lise ve yüksek öğrenim için kullanılmak üzere 4 ayrılmaktadır. Tez çalışmasında eğitim yapıları arasında çoğunluğu teşkil eden ilkokul ve ortaokul binaları ele alınmıştır. Tez çalışmasında önerilen yöntem; Pilot alanın belirlenmesi, pilot alanda toplanması gerekli verilerin tespiti, eğitim yapılarının fiziksel ve enerji tüketimine ait tespit edilmiş verilerin eldesi ve derlenmesi, Sayısal verilerin sınıflandırılması için, kullanılan bilimsel yöntemlerinin analizi, analiz sonucu belirlenen yöntemlerin eğitim yapılarının enerji performansı sınıflandırması için uygulanması ve var olan durum için en uygun yöntemin tesbiti, eğitim yapılarının enerji performansı sınıflandırmasında enerji etkin yenilemeye konu olacak yapıların tesbiti için kullanılacak eşik değerin belirlenmesi, belirlenen eşik değer ile eğitim yapıların enerji performansının sınıflandırılması, oluşturulan enerji sınıflarından var olan yapı stoğunu temsil edecek iki örneklemin seçilmesi, İki örneklem eğitim yapısının enerji modellerinin oluşturulması, enerji modellerindeki belirsiz girdilere ait parametrelerin ve olası değer aralıklarının tespiti, bu parametrelere ait olası değer aralıklarına göre oluşan enerji modeli kombinasyonlarının aylık enerji tüketimlerinin hesaplanması, hesaplanan aylık enerji tüketimlerinin ASHRAE Guideline 14'te verilmiş olan formuller aracılığıyla mevcut enerji tüketimleri ile karşılaştırılması ve minimum hata oranına sahip kalibre olmuş enerji model kombinasyonun belirlenmesi, Tespit edilmiş simulasyon programıyla entegre olabilecek ve gerekli algoritmalara sahip optimizasyon programının belirlenmesi, örneklem eğitim yapılarının enerji etkin yenileme senaryolarına ait parametrelerin tespiti, hassasiyet analizleriyle bu parametrelerin enerji etkin değer aralıklarının belirlenmesi, enerji etkin yenileme senaryolarına dahil edilecek kontrol stratejilerinin geliştirilmesi, enerji etkin yenileme senaryolarının yaşam döngüsü maliyeti hesapları için hesap yönteminin ve ekonomik parametrelerinin belirlenmesi, optimizasyon için simulasyonlarda kullanılacak iklim verisinin tespiti, tasarlanan enerji etkin yenileme senaryolarının yaşam döngüsü maliyeti açısından optimizasyonu ve sonuçların değerlendirilmesi, aşamalarını kapsamaktadır. Çalışmanın kapsadığı bu dört temel aşama, konu ile ilgili literatür taramaları, bilimsel araştırma ve analizler yoluyla belirlenmiştir. Çalışmanın birinci bölümünde, konuya genel bir giriş ile birlikte, çalı manın amaç ve kapsamı detaylı olarak açıklanmış, konu ile ilgili detaylı literatür özeti sunulmuştur. İkinci bölümde, enerji ve maliyet etkin bina yenilemeleri üzerine, binalarda enerji verimliliği, binalarda maliyet verimliliği, enerji ve maliyet verimliliğini etkileyen parametreler ve hesaplama yöntemleri teorik bilgiler ile açıklanmış, devamında çalışmaya konu olan eğitim yapıları ile ilgili istatistiksel veriler ve örnek uygulamalar sunulmuştur. Üçüncü bölüm, bina yenilemelerinde optimizasyon yönteminin kullanılması üzerinedir. Bu konuda yapılmış çalışmalar, kullanılan yöntemler ve optimizasyon programları detaylı olarak açıklanmıştır. Dördüncü bölümde, yukarıda yer alan metodoloji adımlarına ait teorik bilgiler ve metodolojide kullanılan adımlar detaylı olarak açıklanmıştır. Beşinci bölüm, dördüncü bölümde açıklanmış olan metodolojinin pilot alan üzerinde uygulanması adımlarını içermektedir. Pilot alan tespiti, eğitim yapı stoğu analizi, sınıflandırma, enerji modeli ve kalibrasyon ile optimizasyon yöntemleri pilot alan ve örnek binalar üzerinde uygulanmış ve sonuçları detaylı olarak analiz edilmiştir. Bu bölümde yapılan çalışma ve kullanılan yöntemler aşağıda özetlenmiştir. İlk aşamada pilot alan, İstanbul'un Şişli ve Beşiktaş ilçeleri seçilmiş, bu ilçelerde yer alan 48 ilkokul ve ortaokul yapısı incelenmiştir. Yapılara ait sayısal veriler, fiziksel data, kullanıcı sayısı ve zaman çizelgeleri, yapı kabuğu optik ve termofiziksel özellikleri ile mekanik ve elektrik sistemlerine ait bilgiler ve 2014 yılına ait enerji tüketim verileri toplanmıştır. Toplanan bu veriler derlenerek binalara ait künyeler oluşturulmuş, bir sonraki çalışma adımı için veri tabanı derlenmiştir. İkinci aşama sınıflandırma çalışmalarını kapsamaktadır. Enerji tüketim verileri derlenmiş olan okul binaları, farklı sınıflandırma yöntemleri ile sınıflandırılmış ve temsil edilen verilere en uygun sınıflandırma yöntemi belirlenmiştir. Enerji sınıflarının belirlenmesinde, toplam enerjinin %20 azaltılması hedefi göz önünde bulundurulmuş, gerekli asgari enerji performans düzeyi C enerji sınıfına denk gelecek şekilde sınıflandırma gerçekleştirilmiştir. Bu sayede, maliyet etkin enerji iyileştirme senaryolarının belirleyeceji enerji performans hedefleri ile toplam enerji tüketiminde gerçekleştirilmesi gereken azaltımın arasında oluşabilecek uyuşmazlıklar engellenmiştir. Üçüncü aşama, enerji sınıflandırması yapılmış olan 48 eğitim yapısı içerisinden, enerji iyileştirmesi yapılması gereken yapı stoğunu temsil eden iki örneklem, detaylı enerji analizleri yapılmak üzere seçilmiştir. Energy Plus simulasyon programı kullanılarak, iki örneklemin tüm bina enerji modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan enerji modelleri, Ashrae Guideline 14 çerçevesinde, 2014 yılı enerji tüketimleri üzerinden kalibre edilmiştir, maliyet etkin enerji iyileştirme senaryolarının çalışılacağı bir sonraki adım için hazır hale getirilmiştir. Dördüncü aşama, EPBD Direktifi'nin tanımlamış olduğu maliyet optimum minimum enerji verimliliği hedefi ile mevcut binaların iyileştirimesi için uygun iyileştirme paketlerinin belirlenmesini hedeflemektedir. Bu amaçla, enerji iyileştirmede kullanılabilecek senaryolar belirlenmiş, bu senaryoların oluşturduğu varyasyon kümesinin analizi için GenOpt optimizasyon programı kullanılmıştır. Kullanılan optimizasyon algoritması ile, yaşam döngüsü maliyetleri optimize edilerek uygun iyileştirme senaryoları, iki örneklem için ayrı ayrı belirlenmiş, karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Altıncı bölüm, tüm çalışma adımlarının ve sonuçlarının özetlenerek yorumlandığı sonuç bölümünden oluşmaktadır. Sonuç bölümünde ılımlı iklim bölgesinde yapılacak yeni binalar ve var olan yapıların enerji etkin yenilenmeleri için çalışma sonucu elde edilmiş aktif sistem ve yapı kabuğu yenileme önerileri verilmektedir. Maliyet ve enerji etkin yapı yenilemelerinde öne çıkan ana parametreler vurgulanmaktadır. Sonraki çalışmalar için, Tezde önerilen yaklaşımın farklı iklim bölgeleri ve yapı tipolojilerine uygulanması önerilmektedir.