Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
485233		A new approach to evaluate the nearly zero energy concept of EPBD recast at district scale / EPBD recast'ın belirlediği yaklaşık sıfır enerji konseptinin yerleşim ölçeğinde değerlendirilmesi için yeni bir yaklaşım önerisi Yazar:ECE KALAYCIOĞLU Danışman: PROF. DR. AYŞE ZERRİN YILMAZ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilgisi Bilim Dalı Konu:Enerji = Energy ; Mimarlık = Architecture Dizin:Enerji etkin yerleşim birimi = Energy efficient settlement unit ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy	Onaylandı Doktora İngilizce 2017 154 s.
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 ençok 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 (AB) 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 (EPBD), 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 methodolojisinin bir yerleşimde yer alabilecek bir çok 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 bir çok 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 yanısıra, 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 (Fotovoltaik paneller) 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 (referans, maliyet optimum ve yaklaşık sefır enerji) 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.
Throughout the world, energy was the primary worrisome point for all nations as the sustainability of the daily life depends on it for conditioning the buildings, transportation and production. While the population and the need for consumer goods are increasing, the overall energy consumption is increasing, too. Researches and statistics show that worldwide energy demand is being met mostly by fossil fuels and continuously increasing energy demand awaken the concerns about extinction of the energy sources. Moreover, through the world, the most energy consumed and produced areas are distinct, which makes some countries dependent on external energy sources and some others exporters who benefit high profits. As a result, the potential source extinction and high financial sources spent on external energy sources created the need to take action for decreasing the energy demand and external dependency. Beside the other sectors, buildings are responsible about one third of the overall energy consumed in the World. European Union (EU), identified the incremental targets for the years 2020, 2030, 2040 and 2050 to be reached by building energy sector. Energy Performance of Buildings Directives (EPBD) was published in 2002 and 2010 to assure and instruct the Member States (MS) to reach the 2020 goals, which are 20% of energy efficiency, 20% of renewable energy share and 20% decrease in greenhouse gasses (GHGs), compared to 1990 levels. Other directives like Energy Efficiency Directive and Renewable Energy Directive are also supporting these goals. Turkey, where the case study takes place, follows also the EPBD. Building energy performance certification system was completed and started to certify the buildings in 2008 and energy performance targets for 2023 were defined in National Energy Efficiency Action Plan. However, further and stricter directives are expected as we are coming closer to 2020 and 2030 targets are ahead. The last EPBD, which was published in 2010, presented the new terms of cost optimal and nearly zero energy levels for buildings. According to the methodology that EPBD propose, energy efficiency improvement measures should be analysed together with long term costs (global costs) including investment, replacement, maintenance and energy costs. Cost optimal energy level was defined precisely as the solution of measures causing the lowest global cost. On the other hand, nearly zero energy building was defined questionably as the building which has very high energy performance with renewable energy contribution. Determination of the nearly zero energy levels were left to the MS's responsibility to be defined nationally. In line with the energy efficiency targets for the building sector, in the dissertation EPBD methodology was implemented to several types and numbers of buildings aiming to reveal the energy efficiency potential at the settlement scale. According to the hypothesis set in the dissertation, buildings energy performances cannot be dissociated from the location in the settlements. As well as the design parameters such as distance between buildings, orientation, heights, etc., district energy systems should be analysed to reach higher levels of energy efficiency. The contribution of the district energy systems to the energy efficiency was already proven in numerous studies in the literature. Differently, in the this study, EPBD methodology was proposed to be implemented not only to buildings, but also to the district energy systems, as a new approach. In this way, it was aimed to analyse the long term financial effects of the district energy system alternatives together with their contribution to the energy efficiency. As it was explained above, nearly zero energy levels require very high energy performance with renewable energy contribution. However, renewable energy contribution may be limited at building scale because of space limitations. Another objective of the study was the increasing the renewable energy usage at the district scale, while more convenient space would be available; so that nearly zero energy districts could be achieved. EPBD methodology phases can be decribed briefly as the definition of the reference building, definition of the energy improvement measures, calculation of the energy performance and global cost of the building with each measure and/or measure package and the determination of global cost and nearly zero energy solutions. In the new approach proposed in the study, additional phases were added for the district scale analysis. The proposed approach can be implemented both on existing and newly planned settlements and first step is the evaluation of the district scale parameters which affect the energy demand and consumption. In this step, all building types and numbers exist or will exist in the district is determined and for each type of the building, EPBD methodology is applied. Reference, cost optimal and nearly zero energy cases are determined for each type of the building by the application of EPBD methodology, which means the three cases of the settlement are also determined. Afterwards, the alternatives for the district energy systems are defined and similar to the building scale analysis, energy performances and global costs of each alternative with the three cases of the settlement is calculated. Finally, among each alternative and case, cost optimal and nearly zero energy solutions are determined. Proposed approach was implemented to a virtual district area close to Eskişehir, Turkey as a case study in the case study. In the case district area, it was assumed to be located 34 residential, 7 office and 1 data-center buildings. For each type of building, the reference, cost optimal and nearly zero energy cases were determined by EPBD methodology. Then 8 different district energy system alternative was proposed including cogeneration, boiler and chiller units with photovoltaic (PV) systems. The 8 alternative was applied to the settlement cases with reference, cost optimal and nearly zero energy buildings. Energy performances, as annual primary energy consumptions, and global costs, including investment, replacement, maintenance and energy costs, were calculated. According to the results of the case study, cost optimal levels provide about 35%-40% of improvement in primary energy consumption, while nearly zero energy levels provide more the 50% of improvement. Nonethless, improvement percentage of nearly zero energy levels depends on mostly renewable energy usage. In case of data-center building, available roof area for PV usage was extremely large and the primary energy improvement was about 70% compared to reference case. It should be remembered also that, nearly zero energy level definitions should be made nationally and in Turkey, the definition was not set yet, during the case study. Another interesting result of the building scale analyses was the investment cost differences obtained by cost optimal and nearly zero energy level buildings compared to reference cases. Cost optimal levels caused up to 3% of increase in the investment costs and even for the office building, investment cost of the cost optimal level was lower than the reference case. But when it comes to the nearly zero energy levels, investment costs were highly variable changing from 3% for office building to 40% for data center building. Again, this is the result of renewable energy usage levels. At the district level, district energy system (DES) alternatives were analysed with all cases of buildings. Thus the settlements with reference, cost optimal and nearly zero energy buildings had different results. If the alternatives were compared to the settlement cases without DES, then the energy performance improvement levels were the highest with reference case buildings and the lowest with nearly zero energy case buildings.Even more interestingly, in the analysis with nearly zero energy buildings, global costs of DES alternatives were always higher than the case without DES, which means usage of DES was not profitable with nearly zero energy buildings. On the other hand, if all the alternatives were compared to the settlement with reference buildings and without DES, then the best DES alternative with nearly zero energy level buildings had 17.4% of improvement in the global costs. It can be said that the decision making for district energy system alternatives were more complex than buildings and require further financial analyses. In the case study, payback periods were also analysed and different alternatives were found to be beneficial. The case study also showed the limitations, weak points and benefits of the proposed methodology. Reaching the energy efficiency target, maybe EU or national targets, political actions play a critical role, as the design of buildings and district energy systems should be in compliance with related regulations and standards. Furthermore, relatively high investment costs to reach nationally determined nearly zero energy levels in building or district design should be supported by governmental incentives, as their efficiency both in energy and finance are proven in the long term.