Tez No İndirme Tez Künye Durumu
485195
A new approach to identify achievable nearly-zero energy building targets for existing building retrofits / Mevcut bina iyileştirmelerinde ulaşılabilir yaklaşık sıfır enerji hedeflerinin belirlenmesi için yeni bir yaklaşım
Yazar:NEŞE GANİÇ SAĞLAM
Danışman: PROF. DR. AYŞE ZERRİN YILMAZ
Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Konu:Mimarlık = Architecture
Dizin:Ekonomik verimlilik = Economic efficiency ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Fiziksel çevre = Physical environment ; Yapı fiziği = Structure physics
Onaylandı
Doktora
İngilizce
2017
220 s.
Artmakta olan enerji tüketiminin dünyada yol açtığı çevresel ve ekonomik etkiler, bu konudaki kaygıların yükselmesine sebep olmuş ve enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik planlama yapılması ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Enerji tüketiminde en büyük payın bina sektörüne ait olması sebebiyle, binalarda enerji verimliliğinin arttırılması, birçok ülkenin enerji tüketimini azaltmaya yönelik planında ana hedefler arasındadır. Avrupa Komisyonu tarafından da, bina sektöründeki enerji tasarrufu potansyelinden yararlanma konusunda hedeflerin belirlenmesi ve yaptırımların gerçekleştirilmesi amacıyla Binalarda Enerji Performansı Revize Direktifi (2010/31/EU) yayımlanmıştır. Yaklaşık sıfır enerji bina kavramı kısaca EPBD recast olarak adlandırılan bu direktifle ortaya çıkmıştır. Yaklaşık sıfır enerji bina, EPBD recast tarafından çok yüksek enerji performanslı bina olarak tanımlanmaktadır. Binanın ihtiyaç duyduğu az miktardaki enerjinin ise çoğunlukla yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak karşılanması beklenmektedir. Bu açıklamadan anlaşıldığı gibi, binalarda yaklaşık sıfır enerji seviyesi için standart bir enerji tüketimi seviyesinden veya izlenmesi gereken bir hesaplama yönteminden bahsedilmemektedir. Ancak, EPBD recast, 2021 yılından itibaren inşa edilecek tüm yeni binaların yaklaşık sıfır enerji bina olmasını şart koşmaktadır ve bu nedenle her ülkenin kendi koşullarına uygun yaklaşık sıfır enerji hedefini belirlemesi gerekmektedir. 2021 yılını hedefleyen bu koşul, yaklaşık sıfır enerji seviyesini önümüzdeki yılların minimum enerji performansı gereksinimi haline getirmektedir ve aynı direktifle getirilen enerji verimliliğinde optimum maliyet kavramı ile doğrudan ilişkilendirmektedir. Bu açıdan bakıldığında, 2021 yılından itibaren binalarda yaklaşık sıfır enerji seviyesinin aynı zamanda uzun dönemde en düşük maliyetle sonuçlanan enerji performansı seviyesi olması beklenmektedir. Direktife göre, yeni bilanarın yanı sıra mevcut binalarda da maliyet etkin iyileştirmeler yapılarak, binaların yaklaşık sıfır enerji seviyesine ulaştırılması istenmektedir. Bu doğrultuda ulusal planların hem yeni binaları hem de mevcut binaların iyileştirilmesi dikkate alarak, yaklaşık sıfır enerji bina sayısını arttırma yönünde hazırlanması beklenmektedir. Bu tezde, mevcut bina iyileştirmelerinde yaklaşık sıfır enerji seviyesine yönelik ulaşılabilir hedeflerin belirlenebilmesi için bir yaklaşım önerilmektedir. Yaklaşım, binalarda yaklaşık sıfır enerji seviyesi ile optimum maliyet seviyesi arasındaki ilişki üzerine kurulmuştur ve potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin belirlenmesinde, gelecekte optimum maliyet seviyesine erişebilecek en yüksek enerji performansı düzeyleri dikkate alınmaktadır. Önerilen yaklaşım, üç aşamadan oluşmaktadır. İlk aşama, Avrupa Komisyonu tarafından binalarda enerji performansı seviyelerinin optimum maliyet düzeyinin belirlenmesi amacıyla yayımlanan çerçeve yöntemin ulusal koşullara uyarlamasıdır. Ancak bu aşamada, Avrupa Komisyonu tarafından önerilen çerçeve yönteme kullanıcı davranışlarının etkisi de entegre edilerek yöntemin kapsamı genişletilmiştir. Böylelikle, bina enerji performansı üzerinde etkili olan kullanıcı davranışlarının optimum maliyet seviyesine etkisi de dikkate alınmaktadır. Yaklaşımın ikinci aşaması, potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin duyarlılık analizleri aracılığıyla belirlenmesidir. Duyarlılık analizleri, hâlihazırda Avrupa Komisyonu tarafından yayımlanan çerçeve yöntemin bir adımıdır ancak bina enerji performansında optimum maliyet seviyesinin özellikle ekonomik değişkenlere karşı duyarlılığını analiz etmede kullanılmaktadır. Bu yaklaşımda ise duyarlılık analizlerine farklı bir işlev yüklenmiştir. Bu analizler binalar için potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin belirlenmesinde temel araç olarak kullanılmakta ve yaklaşımın en önemli aşamasını oluşturmaktadır. İkinci aşamanın sonucunda, bina enerji performansı konusunda karar vericiler için potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyeleri ve seviyenin ulaşılabilir olması için gerekli koşullar sunulabilmektedir. Yöntemin üçüncü aşaması, önceki iki aşamada elde edilen sonuçların karar verici yetkililer tarafından değerlendirilmesi, buna bağlı olarak mevcut binalar için yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin belirlenmesi ve belirli aralıklarla takip edilerek güncellenmesini içermektedir. Her ne kadar bu aşamada izlenecek yöntem karar vericilerin tercihine bağlı olsa da, hem yaklaşımın bütüncül olarak ifade edilmesi, hem de yetkililere yol yostermesi açısından bu aşama için de öneri getirilmiştir. Yukarıda özetlenmiş olan yaklaşım açıklandıktan sonra, yaklaşımın örnek uygulaması da gerçekleştirilmiştir. Bu uygulama, Türkiye'deki çok katlı apartman binalarını temsil eden bir referans bina üzerinde ve üç farklı iklim bölgesi dikkate alınarak yapılmıştır. Sıcak nemli iklim bölgesini temsilen Antalya ili, ılımlı menli iklim bölgesini temsilen İstanbul ili ve soğuk iklim bölgesini temsilen Erzurum ili iklim verileri kullanılmıştır. Örnek uygulamada öncelikle, ele alınan referans binanın enerji performansı seviyeleri için optimum maliyet düzeyi tespit edilmiştir. İlk hesaplamalarda, istatistiklere bağlı olarak belirlenen referans kullanıcı davranışları dikkate alınmıştır. Daha sonra, kullanıcıların binanın enerji performansına etki eden davranışlarında değişiklik olması durumu için hesaplamalar tekrarlanmıştır. Bu analizler için örnek olarak pencere açıklıklarının kullanıcılar tarafından bilinçli kontrolüyle doğal havalandırmadan yararlanılarak, binanın soğutma ihtiyacının azaltılması ele alınmıştır. Önerilen yaklaşımın ilk aşamasının seçilen referans bina için uygulanması sonucunda, Türkiye'deki çok katlı apartman binalarında maliyet etkin enerji tasarrufu potansiyelinin %70'in üzerinde olduğu görülmüştür. Kullanıcıların pencere açıklıklarının kontrolüne yönelik bilinçli davranışları ise enerji tüketimini ve bu tüketimden kaynaklı enerji giderlerini azaltarak maliyet etkin enerji tasarrufu potansiyelini %80'in üzerine çıkarmaktadır. İlk aşamanın sonucunda ayrıca, iklim özelliklerinin beklenildiği gibi hem ulaşılan enerji performansı seviyeleri açısından hem de etkin iyileştirme tedbirleri açısından etkili olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, analiz edilen enerji verimliliği tedbirlerinin tekil olarak uygulanmasının yerine bir araya getirilerek tedbir paketleri halinde uygulanmasının hem enerji performansı hem de uzun dönem maliyet açısından daha etkili olduğunu göstermiştir. Seçilen referans bina ve iklim koşulları için optimum maliyet seviyesinin belirlenmesinin ardından önerilen yaklaşımın ikinci aşaması uygulanmıştır. Bu aşamada öncelikle uygulanacak duyarlılık analizi senaryoları belirlenmiştir. Seçilen senaryolar indirim oranı ve enerji fiyat artışı gibi ekonomik değişkenlerin yanı sıra yardım ve teşvikler veya araştırma geliştirme faaliyetleri sonucunda meydana gelebilecek potansiyel ilk yatırım maliyeti azaltımları ve maliyet hesaplama sürelerini de kapsamaktadır. Analizler sonucunda, referans konut binası için her üç iklim koşulu altındaki potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyeleri belirlenmiştir. Potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin mevcut optimum maliyet seviyesi ile arasındaki finansal açık tespit edilerek, bu açığın kapatılmasına yönelik öneriler geliştirilmiştir. Öneri geliştirme aşamasında enerji verimliliği iyileştirme yatırımlarının geri ödeme süreleri hesaplanmış ve teşvik amaçlı sunulabilecek düşük faizli kredi seçeneği için sağlanması gereken kredi miktarları ve geri ödeme süreleri belirlenmiştir. Ayrıca, Türkiye'deki kentsel dönüşüm süreci göz önünde bulundurularak kredi ödeme süreleriyle mevcut binanın kalan ömrü arasında kurulması gereken bağlantı da açıklanmıştır. Önerilen yaklaşımın üçüncü aşaması karar verici ve kanun koyucu yetkililer tarafından uygulanacağından bu bölümün örnek uygulaması gerçekleştirilmemiştir. Ancak hem yaklaşımın ikinci aşamasının sonunda hem de tartışma bölümünde bu aşamaya yönelik öneriler bulunmaktadır. Literatürdeki yaklaşık sıfır enerji binalar ile ilgili çalışmalar, konuya çoğunlukla bu binaların çok yüksek enerji performansı seviyesine sahip olması yönünden yaklaşmakta ancak optimum maliyet düzeyi ile ilişkilendirmemektedir. Mevcut binaların maliyet etkin iyileştirilmesiyle ilgili bazı çalışmalar ise yalnızca ulaşılan sonuçları tartışırken elde edilen bulguları yaklaşık sıfır enerji hedefleriyle ilişkilendirmektedir. Mevcut bina iyileştirmeleri için hem yüksek enerji performansı seviyesini, hem de bu seviyenin optimum maliyet seviyesiyle ilişkisini dikkate alan az sayıda araştırma bulunmaktadır. Ancak bu çalışmalarda da karar vericilere öneri sunulmasını hedefleyen ve potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin belirlenmesine yönelik kapsamlı bir yaklaşım sunulmamaktadır. Bu açıdan bakıldığında, tezde önerilen yaklaşım, konuya yeni bir bakış açısı kazandırmaktadır. Ayrıca, kullanıcı davranışlarının optimum maliyet seviyesi hesaplarına dahil edilmesi ve duyarlılık analizlerinin yaklaşık sıfır enerji seviyelerinin araştırılmasında bir araç olarak kullanılması gibi yeni yaklaşımlar gelecek araştırmalara yol gösterici olacaktır. Tezde önerilen yaklaşım kullanılarak elde edilen sonuçlara göre, Türkiye'deki mevcut çok katlı konut binalarındaki iyileştirmeler için potansiyel yaklaşık sıfır enerji seviyeleri arasında ulaşılabilir en düşük enerji tüketimi seviyesi, analiz edilen iklim bölgesine bağlı olarak, yıllık 41.8 kWh/m2y ve 63.2 kWh/m2y arasında değişmektedir. Bu değer Avrupa Birliği ülkelerinin belirlemiş oldukları yaklaşık sıfır enerji seviyeleriyle kıyaslandığında benzerlik göstermektedir. Elde edilen sonuçlar kullanıcı davranışlarının maliyet optimum enerji seviyesi üzerinde etkili olduğunu ve kullanıcıların bina enerji tüketimi konusunda bilinçlendirilmesinin hem enerji kaynakları açısından hem de ekonomik açıdan tasarrufla sonuçlanacağını göstermektedir. Yaklaşımın örnek uygulamasına ait sonuçlar ayrıca bina enerji perofrmansında optimum maliyet düzeyinin belirlenebilmesi için yapılan çalışmalarda, bina kabuğuna, bina servis sistemlerine ve yenilenebilir enerji kullanımına yönelik enerji verimliliği iyileştirmelerinin birlikte değerlendirildiği kapsamlı yöntemlerin izlenmesi gerektiğini göstermektedir. Duyarlılık analizlerinin, potansiyel yaklaşık sıfır enerji hedeflerinin belirlenmesinde yararlı bir araç olduğu görülmüştür. Bu nedenle, önerilen yaklaşımın yeni binalar için uyarlanması önerilmektedir. Ayrıca, bu uyarlamanın yanı sıra, referans konut binası için uygulanmış olan bu yaklaşımın diğer mevcut bina tipleri için de uygulanması önerilen bu yaklaşımı güçlendirecektir. Ek olarak, önerilen yaklaşım, ilerideki araştırmalarda ısıl konfor analizlerinin de adapte edilmesiyle detaylandırılarak geliştirilmeye açıktır.
Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings aims to improve energy performance of buildings since the building sector represents 40% of the energy consumption. Nearly-zero energy building (NZEB) concept was also introduced with this directive called EPBD recast. NZEB is described in EPBD recast as a building with a very high energy performance. It is also expected that the required energy is mainly met by the renewable energy sources. As seen from this definition, a certain energy performance level has not been identified for NZEBs, thus the NZEB level should be identified at national level. The target of the Directive related to NZEBs points at year 2021 as the deadline for ensuring all new buildings are constructed as NZEBs. This requirement directly links the NZEB concept with the cost-optimality concept by expecting that starting from 2021 NZEB level will be the minimum energy performance requirement for buildings. Besides the new buildings, EPBD recast includes NZEB requirements for existing building retrofits as well. Cost-effective transformation of the existing buildings into NZEBs is obliged and correspondingly increasing number of NZEBs is targeted. However, any deadline has not yet been specified for these requirements related to retrofitted NZEBs. This dissertation presents an approach to identify achievable NZEB targets for existing building retrofits. The approach regards the NZEB level as future cost-optimal level and adopts the comparative methodology framework introduced by the European Commission for cost-optimality calculations as the first phase for investigating potential NZEB levels. This phase of the approach extends the cost-optimality calculations by integrating the analyses related to the effect of occupant behaviour on the cost-optimal levels. The second phase offers the sensitivity analyses as the main tool to investigate potential NZEB levels and determine the financial gap between existing cost-optimal levels and the NZEB level. At the end of this phase proposals are prepared for bridging these gaps. Finally, the third phase focus on the national decision making procedure on NZEB definitions. Although the policy-makers are in charge of this phase, this approach proposes a general frame to present the relation between decision-making process and the previous analyses. A sample implementation of the proposed approach is also presented in this dissertation. It was applied on a reference residential building in Turkey. Results obtained from this sample implementation emphasize the necessity of following a comprehensive approach in order to achieve promising cost-optimal levels for building retrofits. Moreover, this implementation displays the significant effect of conscious occupant behaviour on the results and points at the importance of awareness-raising activities for building occupants in terms of achieving improved NZEB levels. The approach proposed in this dissertation provides a whole approach for identifying national targets for retrofitted NZEBs. It brings a new perspective by moving from scientific point of view to enforcement and presents an improved approach by integrating the occupant behaviour effect into the calculations. Moreover, by regarding the sensitivity analyses as the main tool for investigating NZEB levels, the approach is expected to guide further research activities. Through sample implementation, coherence between the obtained results and the European NZEB targets is also demonstrated. This approach also encourages further studies related to cost-optimality and NZEB concepts. The further studies can also be adapt the proposed approach to new buildings in order to be used in periodic assessment and revisions of NZEB definitions. Moreover, the approach can also be exended by integrating thermal comfort related calculations.