A Methodology For Energy Optimization Of Buildings Considering Simultaneously Building Envelope Hvac And Renewable System Parameters

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Temel yaşam kaynağımız olan enerji insanlığın gelişiminde can alıcı bir rol oynamaktadır. Ekosistemi oluşturan tüm canlılar varlıklarını sürdürebilmek için enerjiye ihtiyaç duyarlar. Benzer şekilde makinelerin işleyebilmesi için de dış bir enerji kaynağına ihtiyaçları vardır. Sanayi devrimi ile birlikte modern hayatta enerjiye olan bağımlılığımız her geçen gün artmaktadır. Günlük hayatta ulaşım, iletişim, tarım, sanayi faaliyetleri, binalarımızı ısıtmak, soğutmak ve havalandırmak, cihazlarımızı çalıştırmak gibi neredeyse tüm temel işlemleri yerine getirebilmek için enerjiye gereksinim duymaktayız. Günümüzde, küresel enerji ihtiyacı sanayileşme, kentleşme, nüfus artışı ve bireylerin daha iyi yaşam kalitesi beklentisi gibi çeşitli sebeplerden ötürü hızlı bir artış göstermektedir. Uluslararası Enerji Ajansı’nın verilerine göre enerji ihtiyacı önümüzdeki yıllarda daha da ivmelenerek artacaktır. Dünyamızda çok çeşitli enerji kaynakları mevcuttur fakat konvansiyonel fosil yakıtlar artan talebi karşılamada birinci sırada yer almaktadırlar. Günümüzde, enerji kaynaklarının bilinçsiz tüketimi ve enerji ihtiyacının fosil yakıtlara dayalı olarak karşılanıyor olması, küresel iklim değişikliği, fosil yakıtların tükenmesi ihtimali ve çevresel tahribat gibi tüm insanlığı tehdit eden ciddi sorunlara yol açmaktadır. Enerji bilinci ile geliştirilen yeni politikalar, enerjinin verimli kullanılmasına dair yürütülen kampanyalar, ulusal ve uluslararası boyutta çıkarılan bağlayıcı direktifler ile standartlar, temiz enerji teknolojilerine yapılan yatırımlar gibi pek çok önlem ise küresel sorunlarla başa çıkabilmede önemli potansiyele sahiptir. Ancak, sorunlarla mücadele için geliştirilecek stratejilerin tanımı ve içeriği uygulanacağı alana göre değişiklik göstermektedir. Uluslararası Enerji Ajansı’nın çalışmaları konutlar, iş yerleri ve kamu binalarını kapsayan yapı sektörünün küresel enerji ve kaynak tüketiminde oldukça önemli bir paya sahip olduğunu göstermektedir. Binaların toplumsal ihtiyaçları karşılamada önemli bir işlevleri olmasına karşılık çevresel olarak yol açtığı sorunlar artık göz ardı edilemez. Binaların yapım ve işletme dönemlerinde küresel enerjinin % 40’ı, küresel su tüketiminin % 25’i ve diğerküresel kaynakların % 40’ı tüketilmektedir. Dahası küresel CO2 emisyonlarının üçte biri binalardan kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla bu günlerde yapı sektörünün tabiat üzerinde oluşturduğu baskı tehlikeli seviyelere ulaşmıştır ve binaların neden olduğu olumsuz etkilerin azaltılmasını sağlayacak önlemler acilen alınmalıdır. Binalarda tüketilen enerjinin büyük bölümü bina kullanıcılarına gerekli ısıl ve görsel konfor şartlarını sağlayabilmek niyetiyle iç mekanları ısıtmak, soğutmak, havalandırmak ve aydınlatmak için kullanılmaktadır. Ayrıca kullanıcılar için sıcak su hazırlamak ve ev veya ofislerimizdeki elektrikli cihazları çalıştırmak için de önemli miktarlarda enerji tüketilmektedir. Enerji ihtiyacı düşük ve enerjiyi verimli kullanan binaların tasarlanması binanın enerjiye nerede, ne zaman ve ne için ihtiyaç duyacağının önceden belirlenmesi ve enerjinin nasıl kullanılacağının öngörülmesi ile mümkün olabilir. Enerji kullanımına ek olarak yenilenebilir sistemler ile yerinde enerji üretimi bina enerji ihtiyacının karşılanmasında sürdürülebilir çözümler sunar ve binanın toplam enerji verimliliği üzerinde önemli bir etkisi vardır. Dolayısıyla, binalarda enerjinin üretim ve tüketimi, birbiriyle ve binayla bağlantılı alt sistemlerden oluşan bir ağ üzerinde gerçekleşir. Bir enerji sürecinde oluşan bir değişim diğer tüm süreçleri etkiler. Bu nedenle, binanın toplam verimi, binanın kendisinin, alt sistemler, bina kullanıcıları ve dış ortam koşulları ile olan bütünsel ve dinamik etkileşimine bağlıdır ve enerji etkin bina tasarımı çevresel etmenlerin, iç koşulların, iç ve dış ortamı birbirinden ayıran yapı kabuğunun ve tamamlayıcı bina sistemlerinin bütünleşik olarak ele alındığı bir tasarım sürecini gerektirir. Yüksek performanslı bina tasarlarken binanın enerji ve CO2 emisyonu kriterleri açısından gösterdiği performansa ek olarak, başka göz önünde bulundurulması gereken kriterler de mevcuttur. Örneğin, binaların enerji maliyeti binanın işletme dönemindeki en büyük maliyet giderlerinden birini oluşturur. Bu nedenle enerji verimliliğini artırmak yalnızca iklim değişikliği ile mücadele etmeye destek olmakla kalmaz aynı zamanda enerji maliyetlerinin düşürülmesi, enerjide dışa bağımlılığın azaltılması ve dolayısıyla ekonomik olarak da güçlenmeyi beraberinde getirir. Ne var ki, enerji verimliliği alanında yapılan yatırımların da maddi olarak bir bedeli vardır. Bu nedenle bina tasarımı sürecinde binanın enerji performansına etki eden tasarım kararlarının ve seçilen sistemlerin ekonomik anlamda elverişliliğinin de incelenmesi ve maliyet-etkin enerji çözümlerinin belirlenmesi önemlidir. Maliyetlere ilaveten enerji verimliliğini artırıcı önlemler planlanırken binanın kullanıcılarına sağlayacağı konfor düzeyinin de göz önüne alınması gereklidir. Konfor koşulları kullanıcı sağlığı ve esenliği ile doğrudan ilişkilidir. Ayrıca, örneğin ofis binaları gibi kullanıcıların maaş giderlerinin diğer kalamlere göre yüksek olduğu bina tiplerinde konfor koşullarının kurumsal maliyetlere de ciddi anlamda etkisi olacaktır. Günümüzde bilim ve teknoloji alanındaki ilerlemeler enerji etkin bina tasarımında faydalanılabilecek yeni yaklaşımlar ve ürünleri ortaya çıkardı. Fakat ele alınan bir bina için çok çeşitli seçeneklerin arasından hangi tasarım stratejilerinin izlenmesi gerektiği ve hangi teknolojik ürünlerin kullanılmasının maliyet-etkin enerji verimliliğini sağlarken, binanın CO2 emisyonlarını azaltacağı ve aynı zamanda da bina kullanıcılarına gerekli konforu sağlayacağını saptamak oldukça güç olabilir. Eğer bina ve sistem entegrasyonu erken tasarım aşamasında araştırılarak planlanmamışsa, sadece son teknoloji ürünlerin kullanılması istenilen performansta binaların yapılması için yeterli olmayacaktır. Genel manasıyla karar verme, çeşitli seçenekler arasından birbiriyle çatışan hedefleri ve kısıtları en uygun şekilde sağlayan seçeneği bulmayı gerektirir. Bina tasarım sürecinde ise binanın enerji davranışının kompleks olması, bina performansına etki eden çok sayıda parametrenin bulunması ve enerji, maliyet, çevresel performans, kullanıcı konforu gibi tasarım hedeflerinin birbirleriyle çelişiyor olması gibi nedenlerden dolayı tüm beklentileri karşılayan tasarım seçeneğini bulmak tasarımcı açısından oldukça zorlu bir karar verme sürecidir. Mimarlar, makine mühendisleri, aydınlatma tasarımcıları ve yenilenebilir enerji mühendisleri gibi tasarım sürecinde görev alan çeşitli uzmanların sırasıya kendi uzmanlıkları açısından katkılarını ortaya koydukları doğrusal ve ardışık olan mevcut tasarım yaklaşımları zaten kompleks bir doğaya sahip binalarda enerji verimliliğini sağlamada yetersiz kalmaktadırlar. Günümüzde, bina ve sistem tasarımını bütüncül olarak ele alırken bina performansını farklı açılardan değerlendirebilecek ve nicel verilerle tasarımı destekleyecek yenilikçi yöntemlere ihtiyaç vardır. Bu nedenle mevcut çalışmada, binanın kendisi, bina mekanik sistemleri ve binaya entegre yenilenebilir enerji sistemleri arasındaki bağlantıyı bütüncül bir bakış açısıyla ele alabilen, enerji verimliliğini birbirleriyle çelişen farklı tasarım hedeflerini dengeleyerek sağlayabilen ve en ideal tasarım seçenekleri birleşimini matematiksel arama teknikleri ile simultane ve dinamik olarak hesaplayabilen bir simülasyona dayalı optimizasyon yöntemi önerilmektedir. Geliştirilen yöntemin temel amacı, binanın enerji performansına etki eden binaya ve bina sistemlerine dair farklı alanlardan çeşitli tasarım seçeneklerini içeren bir listeden binanın işletme döneminde enerji verimliliğini maliyet-etkin, konforlu ve çevreye etkisi azaltılmış şekilde sağlacak en ideal kombinasyonu matematiksel optimizasyon teknikleri ile belirlemektir. Yöntemin optimizasyon temelli arama sürecinde, binaya dair en uygun mimari etmenler, yapı kabuğu seçenekleri, ön seçimi yapılmış önerilen bir mekanik sistemin cihazlarının tipi ve cihaz kapasiteleri ve binaya entegre edilecek yenilenebilir enerji sistemlerine ait cihazların tipi ve kurulu güçleri verilen sınır koşullar altında eş zamanlı olarak araştırılır. Ayrıca, maliyet-etkin enerji verimliliğine ek olarak binadaki mekanik sistemlerin su tüketme performansının iyileştirilmesi de bir tasarım amacı olarak göz önüne alınır ve binanın su tüketimi alanındaki verimliliğine de katkı sağlanır. Geliştirilen optimizasyon yöntemi optimizör, simulatör ve kullanıcı tarafından hazırlanan ve enerji verimliliği önlemlerine dair seçenekler içeren veritabanı uygulaması olmak üzere üç ana modülden oluşmaktadır. Optimizör modülü tüm süreci yönetir, optimizasyon algoritmasını çalıştırır, performans hesabı için simulasyon uygulamasını başlatır, karar değişkenlerine yeni değerler atar, amaç fonksiyonunu hesaplar, sistem kısıtlarını uygular ve durdurma kriterinin sağlanıp sağlanmadığını denetler. Optimizör, GenOpt yazılımı temel alınarak geliştirilen bir optimizasyon altyapısına sahiptir. GenOpt’un mevcut yapısına yazar tarafından geliştirilen bir alt modül eklenerek optimizasyon algoritmasının tasarlanan veritabanı modülü ile dinamik etkileşimde olması sağlanmıştır. Böylelikle optimizasyon esnasında karar değişkenine yeni bir değer atandığında, bu değerin temsil ettiği bir enerji verimliliği çözümü ve çözüme dair teknik ve ekonomik veriler veritabanından okunarak simülasyon modeline aktarılır ve amaç fonksiyonuna iletilir. Simulatör modülü, bina performansına dair ölçütleri ve fonksiyonel kısıtları EnergyPlus enerji modelleme motorunu kullanarak dinamik olarak hesaplar. Veritabanı modülü ise optimizasyon esnasında test edilecek karar değişkenlerine yani dolayısıyla enerji verimliliği çözümlerine dair mali, teknik ve teknik olmayan verileri tanımlar, düzenler ve saklar. Optimizasyon süreci, tasarımcı tarafından tanımlanan ve başlangıç koşullarını temsil eden referans bir binaya performans iyileştirici önlemlerin geliştirilmesi motivasyonu ile başlar. Optimizör modülü tanımlanan optimizasyon yapısının arama prensiplerine göre karar değişkenlerine yeni değerler atayarak enerji verimliliği çözümleri kombinasyonları yaratır ve alternatif tasarım senaryoları üretir. Her optimizasyon iterasyonunda, binaya dair mimari etmenler, kabuk seçenekleri ve mekanik sistem cihazlarına (birincil enerji dönüşümü yapan cihazlar örn. kazan, soğutma grubu) ait seçenekler arasından arama prensipleri uyarınca yeni bir kombinasyon oluşturulur. Oluşturulan kombinasyon için öncelikle yaz ve kış tasarım günleri için bina ısıl yükleri ve gerekli cihaz kapasitesitelerini tahmin etmek üzere boyutlandırma hesabı koşturulur. Yük ve kapasite belirlendikten sonra binaya önerilmiş olan cihazlar ile binanın ihtiyacının uyumlu olup olmadığı tesbit edilir. Düşük veya yüksek kapasiteli cihaz önerileri kısıt fonksiyonları kullanılarak çözüm uzayından elenir. Elenmeyen kombinasyonlar için pik yükün karşılanabilir olmasının yanında, yıl boyunca tam ve kısmi yükte de en ideal dinamik performansı gösteren cihazın seçilmesi hedeflenir. Ayrıca, birincil enerji dönüşümü yapan cihazların yanında, soğutma kulesi, fan coil üniteleri gibi sistemi tamamlayıcı bağımlı cihazların da boyutlandırma hesabı yapılır. Bina mekanik sistemine ek olarak, aynı adımda binaya entegre edilmesi hedeflenen yenilenebilir enerji sistemi alternatifleri için de kurulu güç/ boyut hesabı yapılır ve sistemlerin temel bileşenleri olan panel/modül gibi elementler yine veritabanındaki cihaz kütüphanesinden tüm yıllık performansı göz önüne alınarak seçilir. Optimizasyon önceden tanımlanmış durdurma kriterine ulaşana kadar iterasyona devam eder. Bu çalışmada, çok yönlü olan bina tasarım hedefleri, seçilen ana amaç dışında kalan hedeflerin, ε-Kısıtı yaklaşımıyla ceza fonskiyonları olarak tanımlandığı tek amaçlı optimizasyon problemi olarak formülize edildi. Önerilen yöntemin ana amaç fonksiyonu binanın işletme döneminde enerji tüketimi maliyeti, su tüketimi maliyeti ve binada enerji verimliliği önerileri kapsamında kullanılan yapı kabuğu malzemeleri ve binayı ısıtma soğutma amaçlı kullanılan mekanik sisteme ait cihazların toplam sahip olma maliyetlerini içerir. Optimizasyonun hedefi ise toplam maliyetin minimize edilmesidir. Bunun dışında, mekanik sistem cihazlarının sağlaması gereken kapasite aralığı, binanın kullanıcıya sağladığı ısıl konfor düzeyi, binanın enerji tüketimi sebebiyle yaydığı CO2 emisyonu miktarı ve binaya entegre edilen yenilenebilir enerji sistemi alternatifinin geri ödeme süresi ceza fonksiyonları biçiminde ikincil amaçlar olarak ana amaç fonksiyonuna eklenir ve çözüm uzayını kullanıcı tarafından belirlenen mümkün bölgeye doğru taşır. Çalışma, maliyeti yüksek fakat verimliliği artırıcı yapı kabuğu ürünleri, mekanik sistem cihazları gibi önerilere hangi dereceye kadar yatırım yapmanın akıllıca olacağı, binanın mimari özellikleri ile mekanik sistem çözümlerinin nasıl entegre edilmesi gerektiği, enerji üreten yenilenebilir enerji sistemi uygulamaları ile enerji tüketen bina sistemlerinin ideal bileşiminin nasıl olması gerektiği gibi sorulara erken tasarım sürecinde cevap vermeyi hedeflemektedir. Önerilen yöntem arama tekniği olarak kısıtlama katsayıları kullanan Parçacık Sürü Optimizasyonu algoritmasını kullanmaktadır. Tez çalışması kapsamında, geliştirilen yöntemin başarısı ve uygulanabilirliği farklı tasarım seçeneklerinin optimize edildiği örnek vaka çalışmaları üzerinden değerlendirildi. Öncelikle enerji verimliliği kritlerleri göz önüne alınmadan tasarlanmış varsayılan bir ofis binası tanımlandı. İstanbul, Ankara ve Antalya şehirleri binanın alternatif konumları olarak seçildi böylelikle yöntemin performansı farklı iklim koşullarında değerlendirildi. Türkiye yapı sektöründe bina ve sistem tasarımında sıklıkla kullanılan yapı malzemeleri, mekanik sistem ve yenilenebilir sistem cihazlarının mali ve teknik bilgilerini içeren detaylı bir veri tabanı hazırlandı. Ek olarak, amaç fonksiyonu hesabında gerekli olan piyasalara ait ekonomik veriler ve enerji ve su kullanımına dair tarife bilgileri de edinildi. Vaka çalışması kapsamında yapılan hesaplama sonuçları, geliştirilen yöntemin enerji ve toplam maliyetleri önemli ölçüde düşüren ve aynı zamanda iklim koşullarına uygun çözüm önerileri üretebildiğini gösterdi. Dahası önerilen tasarım seçenekleri aynı zamanda CO2 emisyon oranlarını da düşürerek hedeflenenden daha iyi CO2 performansı elde edildi. Benzeri şekilde yeni öneriler kullanıcı ısıl konfor koşullarını iyileştirerek optimize edilmiş binada hedeflenen konfor aralığını yakalayabildi. Bu tez çalışmasının en önemli katkılarından birisi bina yapı kabuğu, mekanik sistemleri ve binaya entegre yenilenebilir enerji sistemleri cihazlarının bütünleşik ve eş zamanlı ele alınarak değerlendirilmesi ve birbirine bağlı bu elementler arası ilişkinin dinamik olarak gözlenerek optimizasyonun yürütülmesidir. Ayrıca, bu araştırmayı diğer araştırmalardan ayıran taraf veritabanı modülü ve de veri tabanını optimizasyon ortamı ile ilişkilendiren alt modülü sayesinde, piyasada mevcut gerçek malzeme ve cihazlara ait verileri kullanarak hesaplama yapabilmesi böylelikle gerçek hayatta karşılaşılan enerji verimliliğini artırıcı önlemler arasından söz konusu bir bina için en uygun seçeneği ve kombinasyonları bulmaya olanak tanımasıdır. Böylelikle optimizasyon sonucu geliştirilen öneriler ile gerçek hayatta mevcut seçenekler arasında eşleştirme yapılır ve farklar oluşmaz. Fakat, malzeme ve cihazlara dair veriler edinilirken doğru ve tutarlı verilerin toplanmasına özen gösterilmelidir. Buna ilaveten, bu çalışmanın bir diğer katkısı ise birbiriyle çelişen ve yarışan çok boyutlu bina tasarımı hedeflerini tek amaçlı fonksiyon olarak formüle edebilmesidir. Toplam global maliyetler en aza indirgenirken enerji verimi artırılır, eşdeğer CO2 hedeflenen değerin altına düşürülür ve kullanıcı ısıl konforu istenen aralığa çekilir, doğru boyutlandırılmış cihazlar seçilir ve yenilenebilir enerji sistemi yatırımlarından hedeflenen geri ödeme süresini yakalayabilen seçenekler belirlenir. Çoklu tasarım hedeflerini kapsamanın yanında, esneklik sağlayan veri tabanı yapısı sayesinde çok sayıda karar değişkeni aynı anda hesaba katılabilir. Bu çalışma Parçacık Sürü Optimizasyonu yöntemine dayalı olduğu için geniş bir çözüm uzayını otomatik olarak çok daha az sayıda arama teşebbüsü ile zamandan tasarruf ederek araştırabilir. Yöntemin uygulanması, binanın mimari öğeleri ile mühendislik sistemlerinin bir arada verimli bir şekilde çalışmasını sağlar. Yöntem her ikisi de oldukça güç karar verme süreçlerini içeren fakat enerji verimliliği için de önemli potansiyellere sahip yeni binaların tasarımı veya mevcut binaların yenileme çalışmaları kapsamında kullanılabilir. Sonuç olarak, geliştirilen yöntem bina enerji performansı ihtiyaçlarını mali ve çevresel hedefler ile ilişkilendirerek gerçek hayatta karşılaşılan tasarım güçlüklerini çözebilecek hızlı ve etkin bir optimizasyon yöntemi ortaya koyar.Energy is the vital source of life and it plays a key role in development of human society. Any living creature relies on a source of energy to exist. Similarly, machines require power to operate. Starting with Industrial Revolution, the modern life clearly depends on energy. We need energy for almost everything we do in our daily life, including transportation, agriculture, telecommunication, powering industry, heating, cooling and lighting our buildings, powering electric equipment etc. Global energy requirement is set to increase due to many factors such as rapid industrialization, urbanization, population growth, and growing demand for higher living standards. There is a variety of energy resources available on our planet and non-renewable fossil fuels have been the main source of energy ever since the Industrial Revolution. Unfortunately, unsustainable consumption of energy resources and reliance on fossil fuels has led to severe problems such as energy resource scarcity, global climate change and environmental pollution. The building sector compromising homes, public buildings and businesses represent a major share of global energy and resource consumption. Therefore, while buildings provide numerous benefits to society, they also have major environmental impacts. To build and operate buildings, we consume about 40 % of global energy, 25 % of global water, and 40 % of other global resources. Moreover, buildings are involved in producing approximately one third of greenhouse gas emissions. Today, the stress put on the environment by building sector has reached dangerous levels therefore urgent measures are required to approach buildings and to minimize their negative impacts. We can design energy-efficient buildings only when we know where and why energy is needed and how it is used. Most of the energy consumed in buildings is used for heating, cooling, ventilating and lighting the indoor spaces, for sanitary water heating purposes and powering plug-in appliances required for daily life activities. Moreover, on-site renewable energy generation supports building energy efficiency by providing sustainable energy sources for the building energy needs. The production and consumption of energy carriers in buildings occur through the network of interconnected building sub-systems. A change in one energy process affects other energy processes. Thus, the overall building energy efficiency depends on the combined impact of the building with its systems interacting dynamically all among themselves, with building occupants and with outdoor conditions. Therefore, designing buildings for energy efficiency requires paying attention to complex interactions between the exterior environment and the internal conditions separated by building envelope complemented by building systems. In addition to building energy and CO2 emission performance, there are also other criteria for designers to consider for a comprehensive building design. For instance, building energy cost is one of the major cost types during building life span. Therefore, improving building efficiency not only addresses the challenges of global climate change but also high operational costs and consequent economic resource dependency. However, investments in energy efficiency measures can be costly, too. As a result, the economic viability of design options should be analysed carefully during decision-making process and cost-effective design choices needs to be identified. Furthermore, while applying measures to improve building performance, comfort conditions of occupants should not be neglected, as well. Advances in science and technologies introduced many approaches and technological products that can be benefitted in building design. However, it could be rather difficult to select what design strategies to follow and which technologies to implement among many for cost-effective energy efficiency while satisfying equally valued and beneficial objectives including comfort and environmental issues. Even using the state-of-the-art energy technologies can only have limited impact on the overall building performance if the building and system integration is not well explored. Conventional design methods, which are linear and sequential, are inadequate to address the inter-depended nature of buildings. There is a strong need today for new methods that can evaluate the overall building performance from different aspects while treating the building, its systems and surrounding as a whole and provide quantitative insight information for the designers. Therefore, in the current study, we purpose