An Approach For Cost Optimum Energy Efficient Retrofit Of Primary School Buildings In Turkey

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 201570’li yılların petrol krizinden sonra, enerji gündemin en önemli konularından biri olmuştur. Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler, enerji ihtiyaçlarını başka ülkelerden temin etmekteydi ve bu nedenle petrol krizinin etkisi oldukça büyük oldu. Öte yandan, uzun vadede, fosil yakıtların yanması atmosferdeki karbon dioksit miktarını arttırmaktadır ve bu halen büyük bir endişe konusudur. Ayrıca, dünyada hızla artan enerji tüketimi, enerji tedariki, enerji kaynaklarının tükenmesi ve tüm bunların ağır çevresel etkileri (ozon tabakasının incelmesi, küresel ısınma, iklim değişikliği, vb.) de bu konudaki endişeleri arttırmaktadır. Uluslararası Enerji Ajansı enerji tüketimi trendlerini yayınlamaktadır. Son 20 yılda, sırasıyla birincil enerji ve karbondioksit (CO2) emisyonu % 49 ve %43, ve aynı zamanda sırasıyla %2 ve %1,8 ortalama yıllık artış ile, büyümektedir. Tüm endüstrileşmiş ülkelerde, enerji tüketiminin üçte biri inşaat sektöründen kaynaklanmaktadır. Ayrıca Avrupa’da toplam CO2 emisyonlarının %36 ve enerji tüketiminden %40'ı binalardan kaynaklanmaktadır. Bu kullanım miktarı, coğrafi konum, iklim ve tüketim şekillerine göre değişebilmektedir, ancak Uluslararası Enerji Ajansı’nın 2009 yılı verilerine göre dünyadaki elektriğin neredeyse yüzde 60’ı konut ve ticari binalarda tüketilmektedir. Avrupa Birliği (AB) ve Türkiye'de yapı stoğunun büyük bir kısmı binalarda enerji verimliliği konuları gündeme gelmeden önce inşa edilmiştir, Dolayısıyla; yapı stoğunda büyük miktarda enerji tasarruf potansiyelinin var olduğu kabul edilmektedir. Diğer taraftan, mevcut bir binanın yıkılması ve enerji verimli yeni bir bina inşaatı büyük miktarda bütçe gerektirmektedir ve bu çözüm gerek ekoloji gerek maliyet açısından makul görünmemektedir. Binalarda enerji performansını değerlendirmek ve arttırmak amacıyla, 2002 yılında Avrupa Birliği (AB) tarafından Binalarda Enerji Performansı Direktifi (EPBD) yayımlanmıştır. Bu direktif ’de her bir üye ülke kendi iklimsel, ekonomi, sosyal vb. koşullarını göz önünde bulundurarak, yeni ve mevcut binalarda, yasal mevzuat ile tanımlanmış olan minimum enerji performans gereksinimlerinin sağlanması ve binaların enerji performansının hesaplanması için ulusal yöntemlerin geliştirilmesi ve bu yöntem ile tüm binaların sertifikalandırılması zorundadır. EPBD kapsamında, Avrupa Birliği üyesi ve aday ülkeler kendi yasal mevzuatlarını geliştirmiş ve sertifikalandırma amacıyla kullanılacak olan ulusal bina enerji performansı hesap yöntemlerini oluşturmuştur. Bu kapsamda, yeni binaların enerji etkin bir şekilde yapılması ile birlikte, mevcut binaların enerji etkin iyileştirilmesi kaçınılmaz bir konu haline gelmiştir. 2007 yılında Enerji Verimliliği Kanunu ve 2008 yılında Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği’ni yürürlüğe girmek ile birlikte, Türkiye, Avrupa Birliği’ne aday bir ülke olarak, EPBD gereksinimleri çerçevesinde gerekli yasal düzenlemeleri gerçekleştirmiştir. Bu gelişmelere paralel olarak, Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği gereğince EN standartları ile tanımlanmış olan basit saatlik metoda uygun şekilde, bina enerji performansı ulusal hesap metodu (Bep-Tr), Türkiye koşularına uygun olarak geliştirilmiştir. 2010 yılında EPBD, yeni gerekliliklere göre revize edilmiş ve EPBD-Recast adı ile yayınlanmıştır. Bu yenilemede mevcut direktifin zorunlu kıldığı yükümlülüklere açıklık getirilmekle birlikte, yeni terimler ve hedefler ortaya konmuştur. Optimum maliyet düzeyi ve yaklaşık sıfır enerji binalar tanıtımı bu direktifte yapılmaktadır. Ayrıca 20-20-20 hedefi ortaya konulmakla birlikte 2020 yılında; sera gazı salımının 1990 yılı düzeyinin %20 altına olması, Avrupa Birliği’nin enerji tüketiminin %20 azaltılması, kullanılan enerjinin %20’sinin yenilenebilir kaynaklardan sağlanması ve tüm binaların neredeyse sıfır enerjili olması hedeflenmektedir. Bu direktifte, minimum enerji performans ve enerji etkin güçlendirme gereksinimlerine ilişkin optimum maliyet düzeyinin hesaplanması ve bu hesaplamanın ulusal bina enerji performansı hesap metotlarına entegre edilmesi tüm üye ülkeler için zorunlu kılınmıştır. Avrupa Birliğine üye ülkeler, yeni direktifin getirdiği zorunluluklar üzerine, enerji performans gereksinimlerine uygun değerleri bulmak ve maliyet düzeyleri ile ilgili çalışmalarını sürdürmektedirler. Tüketilen enerjinin yaklaşık %80’ini ithal eden Türkiye için de maliyet etkin enerji verimliliği büyük öneme sahiptir. İlgili yasal prosedür Türkiye de henüz oluşturulmuş olmasa bile bu konuda çalışmalar sürdürülmektedir. 2013 yılında başlayan ve 2015 yılında bitirilmesi hedeflenen bir TÜBİTAK projesinde Türkiye de konut binaları için referans binaların belirlenmesi ve onların enerji etkin güçlendirilmesinde kullanılan maliyet optimum düzeyinin belirlenmesi yapılmaktadır. Okullar, ticari binalar içinde toplam enerji tüketiminin % 15’inden sorumludur, bu tip binaların enerji tüketimini azaltmak için binaların enerji ihtiyacı azaltılmalıdır ve enerji verimliliği arttırılmalıdır. Genel olarak, mevcut binaların enerji etkin yenilenmesi, minimum maliyet hedefine ulaşma yönünde mantıklı bir adım olacaktır. Türkiye Milli Eğitim Bakanlığı istatistiklerine göre, 2013-2014 öğretim yılında 83.204 okul binası mevcutmuş. Bu akademik yıl boyunca, yaklaşık 17,5 milyon öğrenci okullarda okumuş ve 911 bin öğretmen çalıştı. Bu istatistikler, Türkiye'nin nüfusunun neredeyse dörtte birinin zamanlarının çoğunu okullarda geçirdiğini göstermektedir. Bu bağlamda, okul binalarının uygun iç mekan koşullarında ve yüksek enerji performansına sahip olmaları büyük önem taşımaktadır. Türk nüfusunun çoğunlukla gençlerden oluştuğunu göz önüne alındığında bu konu oldukça önemlidir. Başka bir açıdan bakıldığında, mevcut eğitim binalarının yüksek enerji tüketimi ve devlet okullarının bütçe eksikliği Türkiye'nin eğitim binalarının işletmesindeki temel sıkıntılarındandır. Ayrıca, enerji tasarruflu yeni okul binalarının inşa edilmesi, enerji tüketiminin azaltılması açısından makul bir yaklaşım değildir ve üstelik, her yapının ortalama ömrü yaklaşık 60-80 yıldır. Sonuç olarak, okul binalarının yenilenmesi önemli ölçüde enerji korunumu sağlarken, çevresel ve ekonomik faydaları da beraberinde getirecektir.; Ayrıca, sera gazı (SG) emisyonlarını, çevresel etkileri ve enerji maliyetlerini azaltacak, iç mekan kalitesini arttıracak ve hasta bina sendromunu (SBS) engelleyecektir., Bu yolla, öğrenci performansı arttırılarak, eğitim imkanları da geliştirilebilecektir. Bu projede, enerji verimli yenileme yoluyla ilköğretim binalarında enerji tasarrufu hedeflenmektedir ve bu hedefe ulaşmaya yönelik olarak gerçekleştirilen örnek çalışma için, bir mevcut okul binası, Türkiye'deki tipik projelere bakılarak seçilmiştir. Farklı enerji verimliliği ölçütleri bu bina üzerinde analiz edilmiştir. Bu önlemler, çeşitli ulusal ve uluslararası standartlara uygun olacak şekilde belirlenmiştir. Çalışmada ortaya konulan maliyet hesapları Binalarda Enerji Performansı Direktifi (EPBD)‘nin önerdiği şekilde yapılmıştır. İlk olarak, Türkiye'de mevcut ve tipik bir ilköğretim binası referans bina olarak seçilmiştir. Bu referans bina İstanbul'da bulunmaktadır, ancak Milli Eğitim Bakanlığı’nın MEB.2004-53 numaralı tip ilköğretim okulu projesini temsil etmektedir. Dolayısıyla, bü tip binalar Türkiye’nin farklı iklim bölgelerinde de mevcuttur. Bu araştırmada, iki farklı iklim bölgesinden birer şehir seçilmiştir. Bunlardan biri ılımlı-nemli iklim bölgesinde yer alan İstanbul'dur ve diğeri soğuk iklim bölgesinde yer alan Erzurum’dur. Referans binanın enerji performansı, Design Builder ve Energy Plus detaylı dinamik simülasyon araçları yardımı ile hesaplanmıştır. Bu çalışma, enerji tasarrufu amacıyla düzenlenen optimize edilmiş çözüm paketleri ile en düşük toplam maliyeti sağlamak mümkün olduğu hipotez üzere dayanmaktadır. Maliyet optimum enerji verimlilik seviyesine ulaşmak için, bina kabuğunda, aydınlatma sistemlerinde ve mekanik sistemlerinde çeşitli iyileştirmeler analiz edilmiştir. Bu tezin bir diğer önemli aşaması, iyileştirme paketlerinin maliyetlerinin Çevre ve Şehircilik Bakanlığı birim fiyatlarına göre hesaplanmasıdır. Maliyet hesaplamaları 2013 yılı birim fiyatlarına göre yapılmıştır. İyileştirme paketlerinin ekonomik değerlendirmesi EPBD 2010 Revize direktifine uygun olarak yapılmıştır. EPBD’de belirtildiği gibi hesaplama süresi konut dışı binalar için 20 yıldır. Finansal veriler 2013 yılı, Türkiye Cumhuriyet Merkez Bankası’ndan elde edilen verilere göre kabul edilmiştir. Buna göre, Türkiye'nin enflasyon oranı %7,5 ve Merkez Bankası’nın güncel istatistiklerine göre Türkiye'nin iskonto oranı % 5,5 olduğu varsayılmıştır. Ayrıca, Euro(€)/Türk Lirası (TL) dönüşümleri için kur 2,9 alınmıştır. TEDAŞ (Türk Elektrik Dağıtım Şirketi) verilerine göre elektrik birim fiyatı, 0,3465 TL / kWh ve Doğal gaz birim fiyatı İGDAŞ’a (İstanbul Gaz Dağıtım Sanayi ve Ticaret Anonim Şirketi) göre 0.105 TL / kWh olarak hesaba katılmıştır. Optimum enerji verimliliği seviyesinin belirlenmesi için farklı iyileştirme paketleri, basit geri ödeme süresi ve duyarlılık analizi ile, farklı ıskonto oranı ile ve daha kısa (10 yıl) ve uzun (30 yıl) hesaplama dönemleri için minimum maliyet açısından analiz edilmiştir. Buna ek olarak, bu araştırmada farklı iklimin etkisini görmek adına, aynı binanın soğuk iklim bölgesini temsilen Erzurum’da bulunduğu kabul edilerek benzer analizler yapılmıştır. Böylece, her iki iklim bölgesi için sonuçları karşılaştırmalı olarak değerlendirme imkanı olmuştur. Genel olarak, analiz edilmiş olan iyileştirme paketleri İstanbul'da bulunan bu referans bina için, elektrik tüketiminin doğalgaz tüketiminden neredeyse iki kat fazla olduğu görülmektedir. Bunun nedeni binadaki yüksek aydınlatma ve soğutma ihtiyacıdır. Aksine, soğuk iklim bölgesinde bulunan Erzurum’da referans bina için analiz edilmiş olan çoğu iyileştirme paketi için doğalgaz tüketimi elektrik tüketiminden daha yüksek çıkmaktadır.Large portion of the building stock in EU and Turkey was built before prosper of energy efficiency issue in building construction, hence; consume a huge amount of energy that can be preserved. On the other hands, demolition of an existing building and construction of a new energy efficient building requires huge amount of budget and is irrational. Most well-known regulation in this field is an EU Legislation, “Directive on Energy Performance of Buildings” (EPBD). The directive asserts the necessity to increase energy-efficiency for new and existing buildings; together with Recast-EPBD identifies 2020 targets related with reduction in greenhouse gas emissions, nearly zero-energy buildings and cost-optimal levels of minimum energy performance requirements for existing and new buildings. Thereupon the importance of energy efficient retrofit of existing buildings is an inevitable issue in current situation. Schools alone are responsible for 15% of the total energy consumption in contrary to other commercial buildings, for decreasing energy consumption of this type of buildings, energy demand of buildings must be minimized and energy efficiency should be increased. Overall, it seems renovation of existing buildings with higher energy efficiency and minimum cost can be a logical step for current barriers. This research’s main aim is to recognize a systematic approach for energy-efficient retrofit of school buildings in order to acquire the optimum level of retrofit action with the aid of dynamic simulation tools, and comparing different circumstances and economical variations during desired period. In order to reach this paper’s goals, one of the existing typical schools building in Turkey, which is located in Istanbul, take to account as a reference building. This existed reference building’ energy audits and primary energy consumption calculated with the aid of a dynamic simulation tool, Energy plus. Thereafter, proper energy efficiency measures applied to the envelope, mechanical system, and lighting system and different packages are prepared by combination measures. After all, packages’ energy consumptions are calculated and global cost of each package estimated according to standard EN15459. In order to reach optimum cost level, the payback period and sensitivity analysis done for each package together with related comparison.Yüksek LisansM.Sc