A new approach to increase energy efficiency of luxury high-rise residential blocks in complex buildings by utilizing advanced HVAC systems

Dünya geneline bakıldığında, artan insan nüfusu inşaat sektöründe büyük gelişmeler meydana getirmiş ve bina sayısının büyük oranda artmasına neden olmuştur. Bina sayısındaki bu artış ise gelecekte daha fazla enerji kaynağına ihtiyaç olacağı anlamına gelmektedir. Bununla birlikte, mevcut enerji kaynakları her geçen gün azalmakta ve daha fazla enerji kaynağı daha fazla CO2 salımı anlamına gelmektedir. Binalar, Avrupa Birliği'nde enerji tüketiminin yaklaşık %40'ından ve %36 oranında CO2 salımından sorumludur. Bu nedenle, özellikle binalarda enerji performansının iyileştirilmesi son yıllarda önemli bir konu haline gelmiştir. Binalarda enerji verimliliğinin arttırılması ve binaların enerji sınıflarının belirlenerek sertifikalandırılması için AB tarafından 2002 yılında 'Binalarda Enerji Performans Yönetmeliği' yayınlamıştır. 2010 yılında bu yönetmelik güncellenmiş ve yeni yönetmelik kapsamında 'maliyet optimum enerji verimliliği' kavramı ortaya konulmuştur. EPBD-recast ile Avrupa ülkelerine binalarda maliyet optimum enerji verimliliği seviyelerini hesaplama zorunluluğu getirilmiştir. Bu yönetmelikte yer alan çerçeve yönteme göre, her ülkenin referans binaları ulusal bina stoğu dikkate alınarak tanımlanmalıdır. Daha sonra, bu binaların yıllık birincil enerji tüketimleri hesaplanmalı ve bu binaların enerji performanslarını geliştirmek için enerji iyileştirme önlemleri tanımlanmalıdır. Son olarak, ekonomik göstergeler dikkate alınarak duyarlılık analizleri yolu ile bu binaların ekonomik ömürleri boyunca uzun dönem toplam maliyetleri değerlendirilmelidir. EPBD 2010 /31/EU yönetmeliğine göre, 2020 yılına kadar enerji tüketimini %20 oranında azaltmak ve sera gazı salımının tamamının 1990 seviyelerinin en az %20 altında kalmasını sağlamak amacıyla AB'nin enerji verimliliği artırılacaktır. Bu nedenle, toplam enerji tüketiminde yenilenebilir kaynaklarından elde edilen enerjinin oranı artırılacaktır. Türkiye, AB üyeliğine aday bir ülke olduğu için bu direktifte yer alan yükümlülükleri yerine getirmesi gerekmektedir. Bu nedenle, 2017 yılında Türkiye tarafından Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı hazırlanarak, bina ve hizmetleri, enerji, ulaştırma, endüstri, teknoloji ve tarım alanlarında enerji tasarrufu hedeflenmiştir. Bu plana göre Türkiye'de yenilenebilir enerji kaynaklarının yüzdesi artırılarak 2023 yılına kadar enerji tüketimi azaltılacaktır. Bunun yanında, Türkiye'de 2013 yılında İTÜ'deki bir grup doktora öğrencisi tarafından EPBD-recast'da gösterilen bu çerçeve yöntem esas alınarak 'Binalarda Maliyet Optimum Enerji Verimliliği Seviyesi için Türkiye Koşullarına Uygun Yöntemin ve Referans Binaların Belirlenmesi' başlığında TÜBİTAK destekli ulusal bir araştırma projesi başlatılmıştır. 2015'te tamamlanan araştırma sonunda yüksek katlı lüks konut binalarının enerji iyileştirmesinin arttırılabilmesi için daha ileri seviye de bir çalışma yapılması gerektiğine karar verilmiştir. Bu tez çalışması, ulusal araştırmanın bu sonucu temel alınarak geliştirilmiştir. Bu ulusal araştırmada, enerji performansına etki eden bina parametrelerinin belirlenmesi ve derlenmesi için birçok farklı bina tipolojisinin bir arada bulunması nedeniyle İstanbul iklim bölgesi seçilmiştir. Bu bölgedeki mevcut ve yeni binalara bakıldığında konut binalarının yoğunluğu diğer bina tiplerine göre daha yüksek olduğu için bu araştırmada konut binaları değerlendirilmiştir. Ayrıca, Direktif de çalışmalara konut binalarından başlamayı önermektedir. TÜİK'in mevcut yapı stoku ile ilgili verileri kullanılarak araştırma için üç yapı tipi belirlenmiştir: tekil aile konutları, standart apartmanlar ve yüksek katlı lüks konut binaları. Daha sonra, bu binaların enerji performansları analiz edilmiş ve mevcut enerji performansları belirlenmiştir. Binaların mevcut enerji performanslarını iyileştirmek için önlemler geliştirilmiş ve sonrasında ise EPBD-recast'da belirtidiği gibi binanın ekonomik ömrü boyunca, ilk yatırım, bakım, işletme, enerji vb. maliyetlerin de içinde bulunduğu uzun dönem toplam maliyetleri hesaplanmıştır. Son olarak, yenilenen binaların enerji performanslarının ve uzun dönem toplam maliyetlerinin sonuçlarının eş zamanlı olarak karşılaştırılmasıyla bu binaların maliyet optimum enerji verimliliği seviyesi belirlenmiştir. Sonuçlara bakıldığında, yüksek katlı lüks konut binalarının enerji performansının diğer konut tiplerine göre beklenmedik bir şekilde değiştiği görülmüştür. Yüksek katlı lüks konut binaları, dünya genelinde üst-orta ve üst gelir gruplarının yaşadığı şehirlerde popüler hale gelmiştir. Ancak bu binaların inşa edilmesi ve işletmesi büyük miktarda enerji gerektirmektedir ve küresel ısınmaya neden olan önemli miktarda karbon salımına ve hava kirliliğine sebep olmaktadır. Yüksek katlı bu binalar çok fazla çelik ve çimento tüketir ayrıca bu malzemeleri üretmek çok fazla enerji gerektirir ve çok miktarda karbondioksit üretilmesine neden olur. Ayrıca, bu yüksek binaların inşası sırasında damperli, kamyonlar, güçlü vinçler ve pompalar gibi ağır makine ve ekipmanların kullanılması nedeniyle önemli miktarda enerji tüketilirken yüksek oranda da karbondioksit üretilir. Ayrıca, yapı malzemelerini uzak mesafelerden taşımak da yüksek enerji tüketimine ve muazzam karbondioksit üretimine sebep olmaktadır. Alternatif çevre dostu malzemeler, yüksek katlı lüks konut binalarının inşa edilmesi için uygun değildir. Dahası, lüks yüksek katlı konut binaları gerek mekanik gerek aydınlatma gerekse de güvenlik sistemleri sebebiyle yüksek oranda elektrik tükettiği için büyük miktarda enerji tüketir ve sera gazı üretirler. Mimarların, ısıl performansı iyi olmayan ve doğal havalandırma yapılamayan yüksek katlı bu binaları inşa etmesi bina sahiplerinin konforlu iç mekanlara sahip olabilmeleri için yaşadıkları mekanları sürekli olarak ısıtmaları ve soğutmaları gerekliliğini getirmiştir. Böylelikle, bu binaları ısıtmak ve soğutmak için ihtiyaç duyulan enerji sadece pahalı olmakla kalmaz, aynı zamanda çevrede de büyük miktarda karbondioksit oluşturarak çevreye zarar verir. Bunlara ek olarak, kentsel ısı adası etkisi, yoğun şehir içi mekanlarda sıcaklıktaki artışa işaret eder. Kentsel alanlardaki ısının yoğunluğu veya KIA, sıcaklığı 10-12 Fahrenheit artırabilir. Genel olarak, aşırı ısı meydana geldiğinde, yüksek katlı binaların bulunduğu şehirler diğer yerlerden daha fazla soğumaya ihtiyaç duymakta, bu da bina alanlarını serinlemek için daha fazla enerji ihtiyacı yaratmaktadır. Ayrıca, ısı dalgaları hem iç hem de dış mekan ısıl konforsuzluğu şiddetlendirir ve insan vücudu gece serinleyemediğinde bu, insanların sağlığını olumsuz yönde etkiler. Üstelik bu yapı tipleri, aşırı yükseklikleri nedeniyle rüzgar yüklerinden tekil aile konutlarına ve apartmanlara kıyasla fazla etkilemektedir, dolayısıyla kullanıcıları değişen rüzgar etkisi ve hava basıncından korumak için bu binalarda genellikle açılabilir pencere bulunmamaktadır. Sonuç olarak, bu binaların havalandırması doğal havalandırma ile mümkün olmamaktadır. Bu nedenle, bina kullanıcılarının ihtiyacı olan temiz havanın karşılanması amacıyla bu binalar için mekanik havalandırma sistemleri tasarlanmıştır. Ancak, mekanik havalandırma sisteminin yatırım maliyetine bu binaların diğer iklimlendirme sistemleri maliyetleri eklendiğinde, lüks yüksek katlı konut binalarının ısıtma, soğutma, havalandırma ve sıhhi sıcak su sistemi yatırım maliyeti diğer konut yapı tiplerine göre daha yüksek olmaktadır. TUBİTAK araştırmasının sonuçlarına göre, uygulanan standart verimlilik önlemlerinin tekil aile konutlarının ve standart apartmanların enerji performansını arttırmak için uygun ve yeterli olduğu görülmüştür. Ancak, aynı önlemlerin yüksek katlı lüks konut binalarının enerji performansını artırmakta yeterli olmadığı ve enerji kullanımındaki yıllık düşüşün tekil aile konutları ve standart apartmanlar kadar yüksek olmadığı tespit edilmiştir. Bu nedenle bu tez araştırmasında, genel olarak farklı fonksiyonlara sahip bina gruplarıyla aynı yapı içinde bulunan bulunan yüksek katlı lüks konut binlarının enerji verimliliğini arttırmak için ileri düzeyde önlemler geliştirilerek ısıtma, soğutma, havalandırma ve sıhhi sıcak su sistemlerinin enerji kullanımını gerek yenilenebilir enerji sistemlerini gerekse binalardan meydana gelen kayıp ısı enerjileri geri kazanımından faydalanarak azaltılması hedeflenmiştir. Bu araştırmaya başlamadan önce oldukça geniş kapsamlı bir kaynak araştırması yapılmış ve farklı ülkelerdeki binaların uzun dönem toplam maliyetlerini azaltarak enerji performansını arttırmaya yönelik farklı yöntemlerin sunulduğu çalışmalara ulaşılmıştır. Ancak Türkiye iklim şartlarındaki yüksek katlı lüks konut bina tipleri için uygulanan iyileştirme önlemlerinin yeterli olmadığı durumda ileri düzey iyileştirme önlemlerinin geliştirildiği ve binanın ısıtma, soğutma, havalandırma ve sıhhi sıcak su sistemlerinin enerji verimliliğini yenilenebilir enerji sistemlerinden ve binalardan meydana gelen kayıp ısı enerjisinin geri kazanımından faydalanarak arttırıldığı herhangi bir araştırmaya ratlanmamıştır. Bu tez araştırmasında sunulan yaklaşımda, karma yapı içinde bulunan yüksek katlı lüks konut binlarında kullanılan mekanik tesisat sistemlerinin tükettiği enerjinin hem yenilenebilir enerji sistemlerinden hem de çevredeki binaların kayıp ısı enerjilerinin geri kazanımından faydalanarak azaltılması ve bu yolla binanın ekonomik ömrü boyunca maliyetlerinin düşürülmesi adına farklı bir yöntem önerilmektedir. Ayrıca bu yeni yöntemde, binalarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım oranının arttırılması ve her yıl binaların ısıtma sistemlerinin bacalarından atılan kayıp ısı enerjinin geri kazanımı hedeflenmektedir. Böylece gerek AB'nin EPBD 2010 /31/EU direktifinde tanımlı 2020 hedefleri gerekse Türkiye'nin bu direktife göre geliştirdiği Ulusal Eylem Planı'nda yer alan 2023 hedeflerine ulaşabilmesi için bir yöntem önerisi sunulmaktadır. Bu amaçla, araştırma için 2 adet referans bina seçilmiştir. Birincisi, İstanbul'da yüksek katlı lüks konut binalarını temsil eden mevcut bir binadır. İkinci bina da aynı binadır; ancak binanın mekanik havalandırması, Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı'nda (TS 825) konutlar için belirlenmiş olan taze hava oranına bağlı olarak yeniden tasarlanmış ve birinci binanın toplam taze hava miktarının yarıya düşürüldüğü bir bina haline getirilmiştir. Böylece, bu çalışmada önerilen sistemlerin verimliliğinde tasarım koşullarının da etkisi ortaya konulmuştur. Sonuç olarak, binanın ısıtılması, soğutması, havalandırılması ve sıhhi sıcak su ihtiyacı için önerilen sistemlerin yüksek katlı lüks konut binalarının yıllık birincil enerji tüketiminin düşürülmesinde standart/geleneksel önlemlerden çok daha verimli olduğu görülmüştür. Bununla birlikte önerilen bu yeni yöntem gerek Türkiye'deki gerekse Akdeniz iklimindeki konut binalarının mekanik sistem tasarımı için bir referans olacaktır. Bu konut tipi gerek farklı kullanım amaçlarına sahip binalarla aynı yapı içinde bulunması gerek karmaşık yapıdaki mekanik sistemleri gerekse diğer konut tipleriyle kıyaslandığında saydamlık oranının daha yüksek olması nedeniyle ticari binalara da benzerlik göstermektedir. Bu nedenle, bu araştırma neticesinde elde edilen yeni yaklaşım ile gelecekte Türkiye'deki ticari binaların enerji verimliliğinin arttırılması için yapılacak olan çalışmalara da rehberlik edecektir.