A new approach to evaluate the nearly zero energy concept of EPBD recast at district scale

Dünya genelinde enerji, binaların iklimlendirilmesi, ulaşım ve üretim gibi günlük hayatın devamlılığını sağlayan aktivitelerin vazgeçilmez kaynağı olduğundan, ülkeler için birincil derecede öneme sahiptir ve yine en önemli endişe kaynaklarındandır. Dünya nüfusu ve tüketim ürünlerine olan ihtiyaç her geçen gün artarken, toplam enerji tüketimi de buna parallel olarak artmaktadır. Araştırma ve istatistikler göstermektedir ki dünya genelinde en çok kullanılan yakıt türü fosil yakıtlardır ve sürekli artan enerji ihtiyacı, fosil kaynakların tükenme tehlikesini doğurmaktadır. Bununla beraber, dünyada en çok enerji tüketen ve üreten ülkeler birbirlerinden farklıdır, bu da bazı ülkeleri enerjide dış kaynaklara bağımlı hale getirirken, bazı ülkeleri de yüksek kazançlar sağlayan enerji ihracatçılarına dönüştürmektedir. Sonuç olarak, enerji kaynaklarının tükenme endişesi ve enerji ithalatı için ayrılan yüksek bütçeler, bazı ülke ve kuruluşları enerji ihtiyaçlarını düşürme ve dışa bağımlılıklarını azaltma yönünde harekete geçirdi. Diğer sektörlerin yanı sıra, binalar tüm dünya enerji tüketiminin yaklaşık üçte birini kapsamaktadırlar. Avrupa Birliği de bu nedenle, binaların sebep olduğu enerji tüketimini ve etkilerini azaltmak üzere bir dizi hedef belirlemiştir. Bu hedefler, 2020, 2030, 2040 ve 2050 yıllarını kapsamakta ve kademeli olarak binalarda enerji verimliliğinin artırılması, karbon salımının azaltılması ve yenilenebilir enerji oranının artırılmasını öngörmektedir. Bu bağlamda, AB Binalarda Enerji Performansı Direktifi'ni, ilki 2002'de ve revizyonunu da 2010'da olmak üzere, yayınlamıştır. EPBD'nin amacı, üye ülkelerin öncelikle 2020 hedeflerine ulaşmalarını sağlamak ve onlara kullanacakları temel yöntemi bildirmektir. 2020 hedefleri, 1990 seviyelerine kıyasla, enerji verimliliğnde %20 artış, sera gazı salımlarında %20 azalış ve yenilenebilir enerji oranının %20'ye çıkarılmasıdır. Bununla beraber, Enerji Verimliliği Direktifi ve Yenilenebilir Enerji Direktifi de bu hedefler doğrultusunda yayınlanmıştır. Bu tez kapsamında yapılan örnek çalışma Türkiye'de yer almaktadır ve Türkiye'de, AB'ne aday ülke olarak, EPBD hükümlerini yerine getirmekle yükümlüdür. 2008 yılında Ulusal Bina Enerji Performansı Hesaplama Methodu tamamlanmış ve binalar sertifikandırılmaya başlamıştır. Ayrıca, 2016 yılında yayınlanan Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı'nda 2023 yılı hedefi olarak, birim gayri safi yurt içi hasıla başına tüketilen enerjinin en az %20 oranında azaltılması belirlenmiştir. Ancak, 2020 yılına oldukça yaklaştığımız bu dönemde, AB 2030 hedefleri doğrultusunda yeni direktiflerin yayınlanması beklenmektedir. En son 2010 yılında yayınlanan EPBD, binalarda maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji seviyeleri olmak üzere yeni terimlerin tanımını yapmaktadır. EPBD'nin hesaplamalarda kullanılmasını öngördüğü yönteme göre, enerji verimliliğini artırıcı tedbirlerin, bina enerji performansına etkileri, bina uzun dönem maliyetleri ile birlikte incelenmelidir. Bina uzun dönem maliyeti, diğer adıyla global maliyet, ise ilk yatırım, değişim, bakım-onarım ve enerji maliyetlerini kapsamaktadır. Bu doğrultuda, maliyet optimum seviye, en düşük global maliyete sebep olan enerji verimliliği tedbirlerinin uygulandığı binayı tanımlamaktadır. Ancak, yaklaşık sıfır enerji seviye tanımı bu kadar net değildir. Direktif'te yaklaşık sıfır enerjili bina, çok yüksek enerji performansına sahip ve tükettiği enerjinin bir miktarını yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılayan bina olarak tanımlanmıştır. Yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin her bir bina türü için net olarak tanımlanması, Direktirf tarafından üye ülkelerin sorumluluğuna bırakılmıştır. Bina sektörüne yönelik yukarda bahsedilen hedefler doğrultusunda, tez çalışmasında EPBD methodoloj isinin bir yerleşimde yer alabilecek birçok farklı bina türüne ugulanması ve böylece yerleşim ölçeğinde enerji verimliliği potansiyelinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Tezde belirtilen hipoteze göre, binaların enerji performansı, içinde yer aldıkları yerleşimlerden bağımsız düşünülemez. Daha yüksek enerji verimliliği seviyelerine ulaşmak için, bina aralıkları, yönlenme, yapı yükseklikleri gibi parametrelerin yanı sıra, bölgesel enerji sistemleri de analiz edilmelidir. Bölgesel enerji sistemlerinin, enerji verimliliğne etkisi birçok farklı çalışmada kanıtlanmıştır. Fakat diğerlerinden farklı olarak bu çalışmada, EPBD metodolojisi hem binalara hem de bölgesel enerji sistemlerine uygulanmıştır. Böylece, bölgesel enerji sistemlerinin enerji verimliliğine katkılarının yanı sıra, uzun dönem finansal etkileri de analiz edilebilmesi amaçlanmıştır. Daha önce açıklandığı üzere, yaklaşık sıfır enerji seviyesi, çok yüksek enerji performansı ve yenilenebilir enerji katkısı gerektirmektedir. Ancak bina ölçeğinde, yenilenebilir enerji kullanımı, uygun alan kısıtlılığı nedeniyle sınırlı olabilmektedir. Tezin bir diğer amacı da, yenilenebilir enerji katkısını, yerleşim ölçeğinde daha geniş ve uygun alan kullanımı öngörülerek, daha da artırabilmektir. EPBD'nin önerdiği yöntemin adımları kısaca, referans binanın tanımlanması, enerji verimliliği tedbirlerinin tanımlanması ve her bir tedbirin veya tedbir paketinin sebep olduğu yıllık birincil enerji tüketim ve global maliyet değerlerinin hesaplanması ve son olarak da maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji çözümlerinin belirlenmesi olarak tanımlanabilir. Tezde önerilen yeni yöntemde ise, yerleşim ölçeğindeki analizleri yapabilmek üzere yeni adımlar eklenmiştir. Bu yeni yöntem hem mevcut hem de yeni planlanan yerleşimlere uygulanabilmektedir ve ilk adımı, yerleşimin enerji ihtiyaç ve tüketimini etkileyen parametrelerinin değerlendirilmesidir. Bu aşamada, yerleşimde yer alacak tüm bina tipleri, kapalı alan büyüklükleri ve sayıları belirlenmelidir. Belirlenen her bir bina türü için bir referans bina tanımı yapılmalı ve yukarıda özetlenen EPBD metodolojisi uygulanmalıdır. Böylece her bir bina türü için, maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji çözümleri ve bunların birincil enerji tüketim değerleri ile global maliyetleri belirlenmiş olmaktadır. Bu aşama sonunda, aynı zamanda, referans, maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji seviyesi olmak üzere 3 farklı yerleşim durumu da elde edilmiş olmaktadır. Bu aşama sonrasında, bölgenin kaynaklarına ve potansiyeline uygun bir şekilde, farklı bölgesel enerji sistemleri ile çeşitli alternatifler oluşturulmalıdır. Her bir farklı alternatif, elde edilen 3 farklı yerleşim durumu ile test edilmeli, yani yıllık birincil enerji tüketim değerleri ile global maliyetleri hesaplanmalıdır. Bu noktada referans olarak, yerleşimlerde bölgesel enerji sistemlerinin kullanılmadığı durumlar, ya da eğer ulusal standart ya da yönetmelikler mevcutsa, gerekli minimum koşulları sağlayan bölgesel enerji sistemlerine sahip yerleşimler kabul edilebilir. Bina ölçeği hesaplamalarda olduğu gibi, hesaplanan tüm alternatifler arasından en düşük global maliyete sahip olan alternatif, maliyet optimum çözüm ve en düşük yıllık birincil enerji tüketim değerine sahip olan alternatif ise yaklaşık sıfır enerji çözümü olarak kabul edilebilir. Önerilen bu yeni yöntem, tez çalışması kapsamında Eskişehir yakınlarında ayrılan rezerv alan üzerinde uygulanmıştır. Bu bölgede mevcut bir yerleşim bulunmadığından, örnek ve sanal bir yerleşim, tez çalışması uygulaması için tasarlanmıştır. Tasarımda, bina aralıkları, bina yüksekliklikleri ve yönlenmeler, binalar birbirlerini minimum gölgeleyecek ve bölgesel enerji system dağıtım kayıpları en az olacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca, yenilenebilir enerji sistemleri için de oldukça geniş ve gölgelenmeyen bir alan ayrılmıştır. Örnek yerleşimde, 34 adet konut, 7 adet ofis ve 1 adet data-center binasının yer alacağı öngörülmüştür. Her bir bina türü için öncelikle, mevcut ulusal ve very yetersizliği durumunda da uluslararası standartlardan faydalanılarak referans binalar oluşturulmuş ve referans enerji performansları ve global maliyetler belirlenmiştir. Daha sonra, her bir bina türüne uygun olarak, enerji verimliliği tedbirleri uygulanmış, her bir tedbir ile elde edilen enerji performansı, yıllık birincil enerji tüketim değeri cinsinden belirlenmiştir. Her bir tedbirin ilk yatırım, değişim, bakım-onarım maliyetleri ile ve uzun dönem enerji maliyetleri toplanarak global maliyetler hesaplanmış ve sonuç olarak her bir bina türü için maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji çözümleri belirlenmiştir. Sonraki aşamada, kojenerasyon, kazan ve çiller üniteleri ile fotovoltaik panelleri içeren 8 farklı bölgesel enerji sistem kombinasyonu belirlenmiştir. Bu 8 alternatif, önceki aşamada belirlenmiş referans, maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji binalardan oluşan 3 yerleşim durumuna uygulanmıştır. Çalışma kapsamında, Türkiye'de hali hazırda bölgesel ısıtma ve soğutma sistemleri ile ilgili bir yönetmelik veya standart bulunmadığından, referans yerleşim olarak, yerleşimlerde bölgesel enerji sistemlerinin bulunmadığı durumlar kabul edilmiştir. Her bir yerleşim durumu ve bölgesel enerji sistem alternatifi için, yine yıllık birincil enerji tüketim değerleri ve global maliyetler hesaplanmıştır ve en düşük global maliyete sahip olan çözüm maliyet optimum ve en düşük birincil enerji tüketim değerine sahip olan çözüm ise yaklaşık sıfır enerji çözümü olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, bina ölçeğinde, maliyet optimum seviyeler, birincil enerji tüketiminde %35 - %40 civarında iyileşme sağlamakta ve yaklaşık sıfır enerji seviyelerinde ise iyileşme oranı %50'lerin üzerine çıkmaktadır. Bununla beraber, yaklaşık sıfır enerji seviyelerinde iyileşme oranı, büyük ölçüde yenilenebilir enerji kullanımına bağlıdır. Örneğin, data-center binasında, fotovoltaik kullanımına uygun çatı alanı oldukça geniş olduğundan, iyileşme oranı %70'lere ulaşmıştır. Bu noktada hatırlanmalıdır ki, yaklaşık sıfır enerji seviye tanımı her ülkede ulusal koşullara bağlı olarak yapılmalıdır ve çalışmanın yapıldığı Türkiye'de henüz bu tanım yapılmamıştır. Bina ölçeğindeki bir diğer ilginç sonuç, ilk yatırım maliyetleri ile ilgilidir. Referans binalarla karşılaştırıldığında, maliyet optimum binaların ilk yatırım maliyetlerinde sebep oldukları artış en fazla %3 olmuştur. Hatta ofis binasında, maliyet optimum seviyenin ilk yatırım maliyeti, referans durumdan daha düşüktür. Fakat, yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin ilk yatırım maliyetleri incelendiğinde, referans seviyelere göre %3'ten %40'lara kadar değişen bir aralıkta artış gözlenmektedir. Bu da yine, birincil enerji tüketimlerinde olduğu gibi, ilk yatırım maliyetleri görece yüksek olan yenilenebilir enerji sistemlerinin kullanım oranları ile yakından ilişkilidir. Ancak, global maliyetler incelendiğinde görülmüştür ki, tüm binalarda maliyet optimum ve yaklaşık sıfır enerji seviyelerin tamamının global maliyetleri, referans bina seviyelerinin altında kalmaktadır. Bu da, yapılan yatırımların, uzun vadede enerji tüketimlerinde olduğu kadar, ekonomik olarak da faydalı olduğunun göstergesidir. Bölgesel ölçekte elde edilen sonuçlara göre ise, bölgesel sistemlerin verimliliği ve karlılığı büyük ölçüde enerji ihtiyacına, yani binaların enerji etkinlik seviyelerine bağlıdır. Yapılan çalışmada, daha önce de açıklandığı üzere, bölgesel enerji sistem alternatifleri, binaların 3 farklı enerji etkinlik seviyesi için de analiz edilmiştir ve farklı sonuçlar elde edilmiştir. Bölgesel sistem alternatifleri, her bir enerji etkinlik seviyesi için, yerleşimdeki binaların bölgesel sistemlere bağlı olmadıkları, yani referans olarak kabul edilen durumlarla karşılaştırıldığında, enerji performansında elde edilen iyileşme seviyeleri referans binalarla olan durumda en fazla, %42, 3 ve yaklaşık sıfır enerji binalarla olan durumda ise en düşük, %24,6'dır. Daha da ilginç olanı, yaklaşık sıfır enerji binalarla kullanılan bölgesel enerji sistemlerin global maliyetleri, referans durumdan, yani yaklaşık sıfır enerji binaların bölgesel enerji sistemine bağlanmadığı durumdan her zaman daha yüksek çıkmaktadır. Bu durumda, yaklaşık sıfır enerji binaları, bölgesel enerji sistemine bağlamak uzun vadede dahi ekonomik olarak uygulanabilir olmamaktadır. Ancak, farklı bir bakış açısıyla değerlendirildiğinde, tüm alternatifler için referans durum, referans binalardan oluşan ve bölgesel enerji sistemine bağlanmayan durum kabul edildiğinde, yaklaşık sıfır enerji binalarıyla kullanılan en iyi bölgesel enerji sistem alternatifi, global maliyetlerde %17. 4 iyileşme sağlamaktadır. Bu sonuçlar göstermektedir ki, bölgesel enerji sistemleri için karar verme süreci, binalara göre biraz daha karmaşıktır ve daha fazla finansal analiz gerektirmektedir. Çalışma kapsamında, ayrıca her bir altenatif için geri ödeme süreleri de hesaplanmış ve uygulanabilir bulunan alternatifler değişmiştir. Tez kapsamında yapılan çalışma, önerilen yöntemin zayıf ve güçlü noktalarını, kısıtlayıcı öğeleri ve avantajlarını görmemize yardımcı olmuştur. Kısaca bahsetmek gerekirse, elde edilen sonuçlar büyük oranda, ekonomik parametreler, piyasada gerçekleşen maliyetler, binalarla ilgili kabul edilen standartlar ve minimum değerler, birincil enerji dönüşüm katsayıları gibi ulusal parametrelere bağlıdır. Aynı zamanda, belirlenen hedefler doğrultusunda atılan adımlar, politik ve finansal olarak da desteklenmelidir. Yaklaşık sıfır enerji seviyelere ulaşmak için gerekli olan yenilenebilir enerji sistemleri ve bölgesel enerji sistemleri ilk yatırım maliyetleri oldukça yüksek ve özel olarak yönetilmesi gereken sistemlerdir ve bu çalışma kapsamında da enerji ve ekonomideki verimliliğe katkıları gösterilmiştir.