Net sıfır enerjili binaların Türkiye iklim koşullarında uygulanabilirliğinin araştırılması

Abstract

Literatürde sıfır enerjili binalar kavramı altında binaların enerji tüketimini azaltmaya yönelik çok sayıda çalışma yürütülmektedir. Ancak, genel kabul görmüş bir Net Sıfır Enerjili Bina (NSEB) tanımı bulunmadığı bununla birlikte NSEB'e ulaşmak için belirli bir tasarım standardının oluşturulmadığı görülmektedir. Bu tezin amacı, NSEB kavramına uygun bina tasarımı için eksiksiz bir tasarım yöntemi ortaya koymaktır. Bu çalışmada önerilen yöntemde diğer yöntemlerden farklı olarak tasarım süreci iki aşamaya ayrılmıştır. İlk aşamada, yenilenebilir enerji kaynakları ile sıfır enerji dengesine ulaşmadan önce, bina kabuğu parametreleri optimize edilerek Pareto cephesi çözümleri bulunmuştur. Daha sonra, ilk aşamada elde edilen sonuçlar kullanılarak güneş panelleri ve rüzgâr türbinlerinden oluşan yenilenebilir enerji sistemleri binaya entegre edilmiş ve Türkiye'nin 4 iklim bölgesini kapsayan NSEB çözümleri elde edilmiştir. Çalışmada NSGA-II genetik optimizasyon algoritması kullanılmış ve Matlab ortamında geliştirilen kod sayesinde bina enerji analiz yazılımı (Energyplus) optimizasyon algoritmasıyla uyum içinde çalışır hale getirilmiştir. Çalışmanın sonuçları, TS825'te tanımlanan birinci, ikinci ve üçüncü iklim bölgeleri için sırasıyla 23 kWh/m2, 9 kWh/m2 ve 3 kWh/m2'ye kadar enerji üretiminin yapılabildiği farklı NSEB tasarımlarının mümkün olduğunu göstermiştir. Isıtma yükünün en baskın olduğu dördüncü bölge için ise enerji kullanım yoğunluğu 10,4 kWh/m2 mertebesine kadar inmiş olsa da sadece çatı alanı sarf edilen enerjinin tamamını telafi etmek için yetersiz kalmıştır. Ayrıca, yenilenebilir sistemlerin ilk yatırım maliyetinin toplam yatırım maliyetinin ortalama %19'una tekabül ettiği ve önerilen metodolojiye uyulduğu takdirde, NSEB için yenilenebilir enerji kaynaklarının binaya entegre edilmesinin geri ödeme süresinin yaklaşık 3,5 yıl olduğu belirlenmiştir.Numerous studies are being carried out in the literature to reduce the energy consumption of buildings under the concept of zero energy buildings. However, it appears that there is no generally accepted definition of Net Zero Energy Building (NZEB) and no specific design standard has been established to achieve NZEB. This study proposes a complete design methodology from preliminary stage up until usage of building to achieve NZEB. In the proposed methodology, unlike the other methods, design process has been split into two stages. Prior to reaching zero energy balance by renewables, Pareto front solutions related to building envelope parameters were found at the first stage. Subsequently, renewable energy systems, including PV array and wind turbines, were integrated into building energy model and pareto optimal solutions have been obtained for NZEB. NSGA-II genetic optimization algorithm has been implemented with developed code, to couple optimization algorithm and energy analysis software (Energyplus), in Matlab environment. Outcomes of the study showed that NZEB designs that have excess energy of up to 23 kWh/m2, 9 kWh/m2 and 3 kWh/m2 was achieved for first, second and third climate regions of Türkiye, respectively. For the fourth climate region, where the heating load is the most dominant, although the energy use intensity has decreased to 10.4 kWh/m2, the roof area is not still sufficient to compensate for all the energy consumed. It was also revealed that the share of initial investment cost of renewable energy is 19%, among the overall initial cost and payback period of this investment targeting NZEB is around 3.5 years if the proposed methodology is followed.