Evaluating The Lca Of Two Buildings With Close Embodied Energy Which Have Different Functions

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014Tasarım, insan-çevre koşullarına, geleneğe ve ekonomik etkenlere bağlı olarak, toplumsal bir düşünüş ile, tasarımcının kendisinde varolan fonksiyonel çözüm yeteneği, strüktür bilgisi, malzeme kullanma tekniği ve estetik yaklaşımı sonucu belirlenir. Tasarımcının bu sonucu ortaya koyan çalışmaları, projelendirme ve uygulama olarak iki aşamada gerçekleşir. Bir tasarımda aranılan özellikleri genelde tanımlayacak olursak, bunlar, amacına uygun olması, sağlamlığı, estetik değer taşıması ve ekonomikliği olmak üzere dört maddede özetlenebilir. Tasarım oluşumuna genelde ufak bir parça olarak giren malzeme, stüktürü kuran ve tasarımın belli bir biçime ulaşmasını sağlayan bir elemandır. Kullanım olanaklarının sınırlı olduğu 19. yüzyıla kadarki dönemlerde malzemenin konstrüksiyon ve forma etkisini ayrı ayrı irdelemek zordur. Çünkü tasrımın konstrüksiyon ve formu doğurmaktadır. Malzemenin çıkarılması ve fabrikadaki üretim süresi ve ardından fabrikadan şantiyeye gönderilmesi yaşam döngüsünün sıradaki adımlarındandır. Dolayısıyla, malzemenin, konstrüksiyon, formu ve enerjisi belirleyen önemli bir etken olduğunu söylemek zorunludur. Bir Binanın enerji performansının geliştirilmesi ile, gömülü enerji ve küresel ısınma potansiyelinin ekstra malzeme kullanımının artmasına karşın, yıllık enerji tüketimi ve yıllık küresel ısınma potansiyeli azalır. Bu çalışmanın temel amacı bir ev ve bir ofisde gömülü enerjinin karşılaştırılması ve bunu takiben, bu iki binanin gömülü enerji ve enerji tüketimi arasındaki ilişkiyi kullanım aşamasında analiz etmektir. Bu çalışma, yaşam döngüsü analizi yapmak için bir araç olarak LCA yapısını kullanır. 50 yıllık kullanım aşamasında üç farklı duvar tipi kullanılarak beşikten inşaat sahasına kadar yaşam döngüsü analizi yapılmıştır. Bölgesel enerji geçiş merkezi ve büyüyen bir tüketici olarak Türkiye'nin enerji piyasalarında önemi artmaktadır. Türkiye'nin enerji tüketimi son yıllarda hızla artmaktadır ve büyük olasılıkla gelecekte de büyümeye devam edecektir. Türkiye'nin petrol kaynaklarının neredeyse hemen hemen tümü ithal edilmektedir. Türkiye, doğal gazın iç piyasadaki tüketim artısına bağlı olarak, artan bir şekilde doğal gaza bağımlı olmaktadır. Doğal gaz, yurtiçinde ağırlıklı olarak elektrik enerjisi sektöründe kullanılmaktadır. Bundan dolayı, yaşam döngüsü analizinin zorunlu olarak tüm bina türleri için uygulanması, diğer ülkelere olan talep ve bağımlılığı azaltabilir. Yaşam döngüsü açısından bakıldığında, dış duvarlara uygunalanabilecek bir ısı yalıtım kalınlığı sınırı vardır. Kullanım aşamasında enerji tüketiminin azaltılmasına dikkat edilebilir ve bu aşama eski ve yeni binalarin geliştirilmesi için büyük bir iyileşme potansiyeline sahiptir. Bu yüzden, yenilikçi malzemeler, örneğin, faz değişim malzemelerinin kullanımı iyi bir çözüm olabilir. Son çalışmalar farklı yapıların ömür boyunca enerji tüketimini gösteriyor ve yaşam döngüsü değerlendirmesi ISO 14040 serisi altında dikkate alıyor. Binanın kullanım aşamasında, yeni yazılım uygulamaların üretimi, hesaplamaların sayısını arttırmaya sebep olmaktadır. Saatlik enerji simülasyon yoluyla büyük miktarda enerji saklanabilir. Her binanın yaşam döngüsünün adımları malzemenin çıkarılmasıyla başlar ve fabrikaya kadar sürer (beşikten mezara). Fabrikadaki üretim süresi ve ardından fabrikadan şantiyeye gönderilmesi yaşam döngüsünün sıradaki adımlarındandır. Gömülü enerji, sera gazı emisyonu ve diğer gaz emisyonların toplamıyla beşikten mezara enerji eşittir. Bu çalışma için, ilk olarak bütün duvarların gömülü enerji ve karbondioksit ICE veritabanına göre hesaplanır. Daha sonra, İngiltere'den Siteye kadar malzemelerin taşıma sırasında meydana gelen CO2 emisyonunu hesaplamak için Gabi simülasyon yazılımı kullanılır. Kullanım aşaması bina sakinleriyle başlar ve elektrik, ısınma ve soğutma talepleri DesignBuilder simülasyon yazılımıyla hesaplanır. ISO 14040 e göre yaşam döngüsü analizinin son aşaması imha etme ve emisyon kısmıdır. Yapım ve yıkımın yaşam döngüsüne katkısı yaklaşık olarak % 1 olup bu etki görmezden gelinir. iki bina ile ilgili yapılmış çalışmalara göre, İstanbul merkezli üç katlı ev 152 m2 ve aynı katlı bir ofis 154.8 m2 alana sahiptir. Evin sakinleri tatil günleri dışında günde 12 saat evde kalmaktadırlar. Çalışılan binaların coğrafik olarak koordinatları 40,97 enlemi ve 28,82 boylamıdır. Opak yüzey her ikisinde de 30 m2 ve katlar arasındaki boşluk nedeniyle hava akımı oluşacak şekilde tüm bina tek bir zon olarak kabul edildi. Ayrıca, kişi başına yoğunluğu 0.024 m2 olacak şekilde her iki bina için modifiye edildi. Böylece her iki binada oturanların sayısı dört kişi olmak üzere hesaplandı. TS 825 e göre set point sıcaklığı 19 Co ve set back sıcaklığı 15 Co olarak ayarlandı. Yani, sakinler binada değilken ısıtma sistemi sıcaklığı sabit olarak 15 C0 ayarlamaktadır. Tüm cihazlar ve aydınlatma sistemi için şebeke elektriği, ocak ve mekanik sistemler için, ısıtma ve soğutma gibi, gaz kullanılmıştır. Türkiye'de insanlar soğutma sistemi uzere yatırım yapmamaktadır çünkü, International Weather for Energy Calculations (IWEC)e verilerine dayanarak İstanbul Dessign Builder de alınan bilgilere göre yaz aylarında, sadece birkaç gün sıcaklık konfor şartlarını aşmaktadır. Isıtma sistemi alan tipi ve kullanım zaman çizelgesine göre seçilmiştir. İç ortam sıcaklığı talep konsepti ile, iç ortamı bozmadan enerji verimliliğini artırmak ve çevresel etkilerini azaltmak mümkündür. Her iki binada sıcak su radyatörun ısınmasi için Performans Katsayısı 0,75 (COP) kullanılmıştır. Bu iki bina fonksiyonu ve kullanım süresi farkından dolayı aydınlık (lux) farklı olmalıdır. Enerji tüketimi aydınlatma tarafından de azalmış olabilir. Her iki bina için kullanılan aydınlatma kontrolleri ve operasyonlarını eşleştirilmesi yoluyla elektrık tüketimini en aza indirmiştir. Ev için aydınlatma sistemi 150 lux ve ofis için 400 lux olacak şekilde tasarlanmıştır. ASHRAE göre metre kare başına 10.8 watt aydınlatma kullanılmalıdır. Bu değer de T8 floresan lambalar kullanılarak rahatlıkla elde edilebilir. Burada duvarlar ve yapı fonksiyonları arasındaki adil bir yargılama için, aydınlatma her iki bina için 1910 kWh olarak kabul edilmiştir, ki bu da Design Builder similasyon programı tarafından hesaplanmıştır. İki binanın toplam elektrik tüketimi ev için yaklaşık 6751 kWh ve ofis için yaklaşık 8713 kWh belirlenmişir. İki binanin elektrik tüketimi arasındaki varyasyon cihazlar ve ofis ekipmanları nedeniyle meydana gelmiştir. Bu çalışmada 0.23 metre kalınlığında 3 farklı duvar türü ve farklı U değerleri kullanılmıştır. İstanbul için TS 825'e (2008) göre standart duvar 0,6 W/m2K, düz çatı için 0.4 W/m2K ve zemin kat için 0,6 W/m2K olmalıdır. Bu çalışma için üç farklı duvar tipi, farklı malzemeler ve farklı U değerleri kabul edilmiştir. Ahşap, diğer yapı malzemelerinden biraz farklı olarak, belki de canlı bir dokunun ürünü olması nedeniyle, yapılarımızda daha çok görmek istediğimiz sıcak bir malzemedir. Ancak, özellikle ekonomik nedenlere çağımızda kullanılması gittikçe zorlaşan doğal ahşap, günümüzün ileri teknik imkanları ile homojen ve izotrop bir malzeme olarak geliştirilmiş, böylece ölçü bakımından yapıda kullanılmaya elverişli olmayan ahşap ve diğer bitkilerden, kıymetli ağaçlardan en fazla yararlanma imkanlarını getiren, fabrikasyon ürünü, ekonomik amaçlı ve yapıda doğal ahşaptan daha geniş olanaklara sahip, doğal ahşaptan üretilmiş suni ahşap malzemeler yapılarımızda kullanılmaya başlamıştır. Kontrplağın teknolojik özelikleri üzerine etkil olan en önemli faktör üretiminde kulanılan ağaç türüdür. Birçok ağaç türü kontrplak üretiminde değerlendirile bilmektedir. Ancak genel, dekoratif yada yapı maksatlı kulanılacak kontrplak üretiminde ağaç türünün seçimi önemli bulunmaktadır. Ülkemizde genel amaçlı kontrplakların üretiminde okume, kayın ve melez kavak türleri daha çok kulanılmaktadır. İklim ve diğer farklılıklara rağmen, dokuz ülkeden konut ve konut dışı olguların çalışması işletme ve toplam enerji arasında doğrusal bir ilişki göstermiştir. Yaşam döngüsü enerji analizi iki bina tipi, bir ev ve bir ofisde, 3 tür duvar ile 5, 10, 15 ... ve 50 yılda hesaplanmıştır. Bu yapı inşaat sonunda bütün dış cephenin gömülü enerjisini, beşikten kapıya ve işletim enerjisini içerir. Bu miktar, binanın kullanım aşamasında yavaş yavaş artacaktır. Çünkü her sene bina sakinlerinin konfor koşulunu hazırlamak için yüksek miktarda enerji tüketilmektedir. İnşaat sektöründe hammadde büyük miktarlarda kullanılır ve yüksek miktarda enerji tüketilir. Yapı üretim aşamasında yüksek gömülü enerjili malzeme seçimi sadece yüksek enerji tüketimi değil, aynı zamanda gelecekteki enerji tüketimi ısıtma, soğutma, havalandırma ve klima talebini karşılamak amacıyla belirlenmektedir. Her bir duvar için malzeme miktarı (kg), gömülü enerji (MJ) ile çarpılmıştır ve her bir duvarın toplam gömülü enerjisi, bileşenlerin toplamına eşittir. Bu nedenle, her malzemenin miktarı gömülü enerji ve gömülü karbondioksitle çarpılmıştır. Bütün bina dış duvarlar için gömülü enerji ve gömülü karbon hesaplanmıştır. Türkiye'de malzemelerin gömülü enerjisi ile ilgili yeterli miktarda veri yok. Verilerin çoğu Bath Üniversitesi’ne ait olduğu için, tüm malzemelerin İngiltere'den ithal edilmesi düşünülmektedir . Bu çalışma, taşıma sırasındakİ farklı araçların örneğin kamyon ve gemi gibi CO2 EMİSYONUNU hesaplıyor. Malzemedeki gömülü enerji ve gömülü karbon ile ilgili bilgilerin çoğu Bath Üniversitesi Sürdürülebilir Enerji araştırma ekibi tarafindan türetilmiştir. Bu nedenle, tüm malzemenin İngiltere'den ithal olduğunu varsaymak daha mantıklıdır. İngiltere limanı ile Türkiye arasındaki mesafe yaklaşık 6000 km’dir. Her iki ülkede de mesafe fabrikadan limana ve limandan şantiyeye 100 km olduğu varsayılmıştır. Taşıma sırasında Gabi simülasyon programın CO2 emisyonunu hesaplamak için kullanılmıştır. Bu yazılıma mesafe ve malzeme ağırlığı verileri dahildir ve duvarların toplam hacmi yaklaşık 67 m3’dür. Birçok enerji akışı bina ve çevresi arasında gerçekleşebilir. Tasarım sürecinin zorluklarından biri binanın etkileşimi arasındaki çeşitli performans yönlerinin farklı kontrol sistemleri üzerindeki etkilerini binalarda anlamaktır. Eğer binanın dinamik, entegre tepkisi ve çevresel sistemleri dikkate alınmazsa, tasarımın performansını değerlendirirken önemli belirsizlik oluşmaktadır. Enerji simülasyonu, bina içinde çeşitli enerji transfer süreçlerinin bir bilgisayar modelidir. Son 50 yılda, bina enerji simülasyon programları geniş bir yelpazede geliştirilmiş, çeşitlendirilmiş ve kullanılmıştır. Çekirdek araçları, tüm bina enerji simülasyon programlarını, yapı performans göstergelerini örneğin enerji kullanımı ve talebi, sıcaklık, nem ve maliyetler gibi sunuyor. Bu çalışmada, DesignBuilder simülasyon programı binanın enerji performansını değerlendirmesi icin kullanılmıştır. iklim konusunda çeşitli veriler, site, fiziksel özellikler, geometri ve bina konstrüksiyon gibi, ısıtma, soğutma, HVAC sistemlerinin performansı, aydınlatma sistemleri ve kapasite geliştirme faaliyetlerine gereklidir. Bu veriler gelişmiş bir modelleme ve hesaplamalar için girilir. İlk olarak, sanal yapı giriş verileri bu modele yüklenir; model, daha sonra yapı analiz edilir ve sonuçlar elde edilir. DesignBuilder, EnergyPlus’ın dinamik termal simülasyon motorunun kullanıcı dostu bir arayüzüdür. Bu arayüz bina modellemesi ve dinamik enerji simülasyonun bir araya getirmiştir. Şablon bilgileri ortak bina konstrüksiyon faaliyetleri, HVAC ve aydınlatma sistemleri modelleme yüklemesine izin vermektedir. Isıtma ve soğutma yükleri, ısıtma ve soğutma ekipman boyutlarının hesaplaması, ısı iletimi duvarların ve çatıların dokusu, infiltrasyon ve havalandırma, binalarda doğal havalandırılan simülasyonu, aşırı ısınma ve görsel görünüm için cephe seçeneklerinin değerlendirilmesi, aydınlatma sistemlerin kontrolu, aydınlatmada elektrik tasarrufu hesapları, site düzeni ve güneş gölgeleme elemanlarının görselleştirmesi, hava verileri, iç hava, radyant ortalama, nem ve işlevsel sıcaklık, CO2 üretimi, konfor çıktısı, fazla ısınma ve ısıtma altı da dahil olmak üzere yakıt kullanımı vb. simülasyon sonuçları yıllık, aylık, günlük, saatlik aralıklarla gösterilmiştir. Burada sadece yıllık simülasyon sonuçlarına ihtiyacımız var. Şu anda yapı malzemesi etkilerini belirlemek için kullanılan en önemli araç yaşam döngüsü değerlendirmesidir. LCA bir hizmetin süreç veya ürünün bütün yaşam döngüsü boyunca bir binanın çevresel performansını değerlendirmesi için bir yöntem olarak tanımlanmıştır. Bu süreçte parametrelere göre, farklı çalışmalar, faktörler ve veri tabanları, örneğin ECOINVENT Unit süreç veritabanı olarak, Franklin USA 98 veritabanı ve Gabi veritabanı mevcuttur. Sonuç bölümünde ise, yaşam döngüsü analizi her binada farklı duvar tiplerinde yapılmıştır ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Her duvarda yalıtım malzemeleri en yüksek gömülü enerji ve karbona sahiptir. Böylece her duvarda yalıtımın optimum miktarını bulmak EBE ve CO2 emisyonunu azaltmaya yardımcı olur. Ayrıca, yüksek yoğunluklu dökme beton ithalat için iyi bir seçim değildir, çünkü İstenilen U değerine ulaşmak için bol miktarda dökme beton kullanılmalıdır yoksa fazla aerojel kullanılırsa EBE ve EBC’nı da arttıracaktır. Deprem gibi doğal afetler olmadıkça, nadiren bir yapı ömrünün sonundan önce tahrip edilir. Bu nedenle, her duvarın ömrünü değerlendirilmesi bunun performansı hakkında bize daha sağlıklı karar vermeye yardımcı olacaktır. Gelecekteki çalışmalar için, laboratuvarda bazı dayanıklılık testleri yapmak iyi bir fırsat olabilir. Bir mimarın, rasyonel planlama kararları alırken, yapı içinde yaşayan insanın konfounu doğrudan etkileyen ver birbirleri arasında uyumsuz bir ilişkiye düşmemeleri gereken malzeme topluluğunu biçımlendirmedeki ustalığı elde etmesı, şüphesiz kolay değildir. Ülke kültür ve teknolojisinin bir göstergesi olan mimarlık yapıtlarının oluşturulması, kanımızca, malzemenin rasyonel kullanımı ile yakından ilişkilidir.Annual energy consumption and annual global warming potential (GWP) decrease with improving the energy performance of the building, whereas the embodied energy and embodied GWP increase due to the extra material and products applied. The main goal of this study is to compare the embodied energy of a house and an office; and subsequently, analyse the relation between the embodied energy and the energy consumption of these two buildings during utilization phase. The study uses LCA framework as a tool to conduct a partial LCA, from cradle to site of the construction with three different wall types through 50 years usage phase. Turkey’s importance in the energy markets is growing, both as a regional energy transit hub and as a growing consumer. Turkey’s energy has increased rapidly over the last few years and likely will continue to grow in the future. Turkey imports nearly all of its oil supplies. Turkey is increasingly dependent on natural gas imports as its domestic consumption rises each year. Natural gas is used domestically mainly in the electric power sector. Hence, mandatory using LCA for all types of buildings can reduce country’s demand and affiliation to other countries. From life cycle point of view, there is a limit for thickness of insulation can be applied on external walls. Effort should be paid to the reduction of the energy consumption during the usage phase, as this phase still has the largest potential for improvement, both for new and old buildings. So, maybe using innovative material such as phase change materials in the building can be a good solution for this. Recent studies have addressed the issue of energy consumption in different types of buildings during their life span and considered the life cycle assessment (LCA) under the ISO 14040 series. Production of new software applications caused to increase the number of calculations during the usage phase of the building, through hourly energy simulation large amounts of energy can be saved. Life cycle of each building have steps that starts from exploitation of the material until factory (cradle to gate) and production then from factory to construction site, shown in figure 1. Cradle to gate is equal to sum of embodied energy, greenhouse gas emission and other gas emissions. For this study, first embodied energy and embodied carbon of each wall according to ICE database was calculated, and then Gabi simulation software used to calculate CO2 emission during transportation of materials from England to the site. Use phase starts with the occupants and their demand for electricity, heating and cooling, which is calculated with Design Builder simulation software. The last stage of the LCA according to ISO 14040 is disposal and consequently the emission parts. On-site construction and demolition contribute almost 1% of LCA at the end of its service life, both are ignored through this study. Case studies are related to two buildings; first a house with three levels and second is an office with same number of levels and 154.8 m2 occupied area that located in Istanbul, Turkey. Three story house with 152 m2occupied floor area that occupants stay 12 hours a day at home except holidays. The object studied are external wall of two buildings with latitude of 40.97 and longitude of 28.82. The opaque surface for both of them considered to be 30 m2 and the void between floors make it possible to consider the whole building as a single zone because airchange will be occure. Moreover, density of 0.024 person per m2 modified for both functions so the number of occupants in both buildings are calculated to be four person. According to TS 825 set point temperature adjusted to 19 Co and the setback temperature used to be 15 Co that means when occupants are not in the buildings the heating system does not let temperature to become less than 15 Co. Electricity from the grid is being used for all appliances and lighting system and gas is used for catering and mechanical systems; such as, heating and cooling. It is common in Turkey that people do not invest in the installation of cooler because, according to weather data provided in Design Builder weather format for Istanbul which is derived from International Weather for Energy Calculations (IWEC), during the summer, just few days temperature exceeds from comfort conditions. Heating system should be chosen based on space type and actual time schedule of usage. With concept of indoor temperature demand, it is feasable to enhance energy efficiency and reduce environmental impact without deteriorating the indoor environment. Hot water radiator heating with Coefficient of Performance (COP) of 0.75 used for both buildings. Illuminance (lux) for different spaces should be different because the function of these two buildings and the time of usage is different. Energy consumption by lighting can also be diminished by minimizing their usage by matching their operations with demand through lighting controls which is used for both buildings. The lighting system for house is 150 lux and this amount for office is designed to be 400 lux. According to ASHRAE 10.8 watt per meter square is used for lighting which can be achieved easily by using T8 fluorescent lamps. Here for equitable judgement between the walls and building functions, lighting electricity consumption considered to be 1910 kWh for both buildings which is calculated by Design builder simulation program, while whole building electricity consumption for home 6751 kWh and for office is about 8713 kWh. This variation between the electricity consumption of two buildings is because of the appliences and office equipement. This study uses three different wall types with 3 different U values and thickness of almost 0.23 meters. According to TS 825 (2008) the standard wall for Istanbul should have 0.6 W/m2K and 0.4 W/m2K for flat roof and 0.6 W/m2K for ground floor. For this study three different wall types were considered with different U values and different materials. Despite climate and other differences, the study of some residential and non-residential cases from nine countries revealed a linear relation between operating and total energy. Figure 6 shows the life cycle energy of two buildings with 3 wall type in a home and an office over 5, 10, 15 …, and 50 years. It includes embodied energy of the whole external façade at the end of construction, embodied carbon from cradle to gate, and the operating energy. This amount will increase gradually during usage phase of the building. Since each year, both buildings consume high amount of energy to prepare comfort condition for occupants. The building industry uses great quantities of raw materials that also has high amount of energy consumption. Choosing materials with high-embodied energy not only cause high level of energy consumption in the building production stage but also determines future energy consumption in order to fulfill heating, cooling, ventilation and air conditioning demand. For each wall, quantity of the material in Kg should multiply by embodied energy, which is in MJ, and total EBE of each wall is equal to the sum of the components of each wall. Therefore, quantity of each material should multiply by EBE and EBC. Then whole building embodied energy and embodied carbon for exterior walls can be calculated. There is not sufficient amount of data about the embodied energy of the materials in Turkey, so we suppose that all the materials are import from England since most embodied energy data are related to the University of Bath. This study attempts to calculate the CO2 emission during transportation with different vehicles such as, tru